相机增益的介绍

　　当传感器检测到光子时，像素内会释放光电子。在曝光结束时测量光电子数并产生数字。这称为模数单元 (ADU)或“灰度级”。然而，灰度级的数量并不等于检测到的光电子的数量。灰度级很重要的决定因素是相机的增益。

　　对于科学相机来说，释放的光电子和显示的灰度级之间存在线性关系。增益是该线性响应的梯度，以电子 (e – )/灰度级 (ADU)表示。例如，如果相机的增益为 6 e – /gray，则捕获信号的每 6 个光电子，显示值就会增加 1 个灰度级。

　　像素可以包含的最大信号还取决于相机的增益和位深度。对于 16 位相机，我们的最大灰度级值为 65,535 - 将此值(减去任何偏移值)乘以增益即可提供可用的全阱容量 - 我们可以检测到的光电子中的最大信号。

　　相机的偏移是指在检测到任何光子之前像素内的少量电子。这些决定了像素阵列的黑色电平(即最低电平)。这是为了确保不存在零值像素，因为无法从 0 值创建任何信息。由于全阱容量 也是传感器的属性，因此通常选择相机的默认增益值，使得传感器全阱与最大可显示信号相匹配。

　　EMCCD 相机的不同之处在于它们引入了额外的 EM 增益系数。通过乘以检测到的光电子，即使对于非常低的信号，也可以克服读取噪声，并通过该乘法除以所得增益值。因此，EMCCD在低光成像模式下具有非常高的增益，例如大约0.03 e-/gray。

　　如何计算增益

　　系统增益可以通过以下步骤使用均值方差测试来测量：

　　1、收集 100 帧平均图像(零积分暗图像)并将图像标记为“偏差”。

　　2、收集两个均匀照明图像并将它们标记为“flat1”和“flat2”。您的实验设置应该足够静态，以便图像“相同”，除了相机噪声和光子散粒噪声之外。

　　3、通过从一幅图像中减去另一幅图像(保留负值)来计算差异图像：diff = flat2-flat1。

　　4、计算差异图像中中心 100 x 100 像素的标准差。

　　5、通过对标准差进行平方并除以 2 来计算方差(方差按图像相加，因此差异图像的方差是 flat1 和 flat2 的方差之和)。

　　6、通过从其中一张平面图像中减去偏差来计算偏差校正图像，并将其标记为 corr：corr = flat 1 – 偏差。

　　7、通过计算 corr 图像中心 100 x 100 区域的平均值来获取平均照明级别。

　　8、均值除以方差等于增益：增益 = 均值/方差。

审核编辑 黄宇