科学相机噪声源介绍

 

　　导致图像数据不确定的信号变化称为噪声。它可以由传感器、周围电子设备、系统温度和自然波动产生。以下是科学相机可以产生的每个噪声源的简短摘要。

　　读取噪声

　　读取噪声是读取像素内存储的电荷时相机电子设备产生的噪声。它是将每个像素的电荷转换为信号所需的每个系统组件产生的所有噪声的累积。

　　读取噪声越低，就越容易检测到可能被较高噪声水平隐藏的微弱信号。它还允许更高的动态范围，从而可以更准确地检测信号电平之间的差异。

　　CCD、EMCCD、ICCD和InGaAs相机都具有一个读出结构，来自整个像素阵列的电荷被转换为该结构。这意味着任何读取噪声都遵循高斯分布，检测器具有峰值读取噪声。然而，sCMOS检测器对每个像素列都有一个读出结构。这导致读取噪声遵循偏斜直方图而不是高斯分布。因此，sCMOS检测器的读取噪声在数据手册中同时表示为均方根(RMS)和中位数。RMS更能代表实际读取噪声。

　　暗电流噪声

　　暗电流是热产生的电子的结果，即使传感器没有暴露在光线下，这些电子也会积聚在像素上。曝光时间越长，累积的暗电流就越多，这就是为什么它被记录为 e–/p/s。暗电流噪声是由暗电流产生的电荷。暗噪点的计算公式为：

　　暗电流噪声在所有传感器类型中都很常见，主要通过热电冷却或低温冷却来降低。

　　光子散粒噪声

　　光子散粒噪声是唯一无法控制的噪声类型。该噪声源是由于自然光子波动引起的，并根据泊松行为随机发射。它表示为信号的平方根。虽然它随着信号的增长而增长，但在低信号应用中更为重要。光子散粒噪声定义为：

　　当光子噪声超过读取噪声时，数据被称为光子散粒噪声限制。

　　时钟感应电荷

　　时钟感应电荷 (CIC)，也称为杂散电荷，是电荷通过器件传输产生的电荷。当电荷在像素之间转移时，发生电离的可能性很小，从而进一步增加不需要的(即不是来自入射光)的电荷。

　　CIC对图像的整体噪点贡献不大，与暗噪点和读取噪点相比，CIC通常要小得多。然而，EMCCD传感器利用电离来增强整体电荷，反过来也增加了CIC的可能性。这是因为CIC被EM增益放大，因此随着信号的增加，噪声也会增加。

　　CIC可以通过使用杂散噪声滤波器进行校正，该滤波器可识别受影响的像素，并将其信号值替换为紧邻问题像素的像素。

　　模式噪声

　　图案噪声是图像上“热”(亮)和“冷”(暗)像素的背景模式，在sCMOS传感器中很常见。这是由传感器上各个像素的响应度的微小变化引起的。这些变化包括每个像素列之间的背景偏移(偏置)值的差异，以及sCMOS传感器读取噪声的任何变化。

　　总结

　　噪声是导致图像数据不确定性的信号变化。它可由传感器、电子设备、温度和系统的波动现象产生。

　　读取噪声是相机电子设备在读取过程中产生的噪声。它是每个系统组件在将每个像素上的电荷转换为信号的过程中产生的所有噪声的累积。读取噪声越低，越容易检测到微弱信号。暗电流是由热产生的电子引起的，无论传感器是否暴露在光线下，这些电子都会积聚在像素上。暗电流噪声是由暗电流产生的电荷，在所有传感器类型中都很常见，但可以通过相机的深度冷却来降低。

　　光子散粒噪声是由光子的自然波动产生的噪声，是随机发射的。它无法控制，表示为信号的平方根。虽然它随着信号的增加而增加，但在较低的信号下更为明显。

　　时钟感应电荷 (CIC) 是通过器件转移电荷产生的。在转移过程中，电离的可能性很小，会添加不需要的 CIN。虽然CIC对整体噪声的贡献不大，但在EMCCD传感器中很明显。当信号通过EM增益成倍增加时，CIC也会成倍增加噪声。

　　图案噪声在sCMOS传感器中很常见，是由传感器上各个像素的响应度变化引起的。

审核编辑 黄宇