圖 1：相機(jī)傳感器邊緣的熱積聚和暗電流噪聲。隨著長(zhǎng)時(shí)間曝光熱量的增加，這種噪音會(huì)傳播到整個(gè)相機(jī)，并會(huì)影響圖像質(zhì)量。

科學(xué)相機(jī)的靈敏度至關(guān)重要，如果靈敏度不足，甚至可能無法獲取樣品的清晰圖像。在 Teledyne Photometrics，靈敏度至關(guān)重要，我們對(duì)高靈敏度相機(jī)的方法有兩個(gè)：最大化信號(hào)收集，并最小化噪聲水平。雖然前者主要取決于 QE 和像素大小，但后者是一個(gè)更大的主題。

科學(xué)相機(jī)上的噪聲是一種誤差，其來源有很多，但主要可分為兩類：

隨機(jī)噪聲，例如讀取噪聲、暗電流和光子散粒噪聲。這些在幀與幀之間并不是恒定的，可以通過統(tǒng)計(jì)分布來描述，并通過對(duì)連續(xù)幀進(jìn)行平均來減少。

圖案噪聲，由特定傳感器像素的微小差異引起，導(dǎo)致較亮或較暗像素的“固定”圖案。

本文重點(diǎn)討論暗電流噪聲，如圖1所示。

暗電流

暗電流由相機(jī)傳感器內(nèi)的熱能產(chǎn)生。當(dāng)相機(jī)傳感器曝光圖像時(shí)，相機(jī)中的電子器件會(huì)加熱傳感器，熱能的積累會(huì)導(dǎo)致熱電子在傳感器上積聚。這些熱電子獨(dú)立于與落在傳感器上的光子(光強(qiáng)度)成比例生成的光電子。不幸的是，相機(jī)傳感器不知道這些類型的電子之間的區(qū)別，因此在傳感器像素阱中積累的任何熱電子(以及光電子)在讀出時(shí)都會(huì)被計(jì)為信號(hào)，盡管不是來自傳感器的信號(hào)的一部分樣品。這就是所謂的暗電流。

每種型號(hào)的科學(xué)相機(jī)，無論是使用 CCD、EMCCD 還是 CMOS 傳感器，都會(huì)有暗電流規(guī)格。這表示每秒曝光時(shí)每個(gè)像素上積累的電子數(shù)量，通常顯示為 e – /p/s。暗電流越高，相機(jī)執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)間曝光成像的能力就越差。

然而，由于暗電流取決于溫度，因此可以通過冷卻來減少其影響?？茖W(xué)相機(jī)可以使用熱電(TE)或珀?duì)柼鋮s與強(qiáng)制空氣或液體冷卻相結(jié)合，以降低傳感器在運(yùn)行過程中的溫度，如圖2所示。一般來說，傳感器每冷卻 6-7 °C，暗電流的影響就會(huì)減半。這就是為什么科學(xué)相機(jī)通常配備風(fēng)扇，并在數(shù)據(jù)表中注明其工作溫度，以減少暗電流等噪聲源的影響。理想情況下，暗電流應(yīng)減少到在典型曝光時(shí)間內(nèi)其貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)的程度。

圖 2：科學(xué)相機(jī)冷卻和 Citadel Chamber 技術(shù)。左圖顯示了采用 Citadel 腔室設(shè)計(jì)原理的 CMOS 相機(jī)內(nèi)的典型溫度水平(徽標(biāo)右)。傳感器冷卻絕對(duì)均勻，與窗口處于比較好距離，熱量有效排出。

但是，雖然暗電流與溫度有關(guān)，但它也與曝光時(shí)間有關(guān)(e/p/s 中的“第二”部分)。例如，Teledyne Photometrics Prime BSI sCMOS 的典型暗電流為 0.5 e – /p/s，這意味著兩秒的曝光將導(dǎo)致每個(gè)像素產(chǎn)生一個(gè)電子的暗電流。這里要考慮的重要部分是：您的曝光時(shí)間是多長(zhǎng)?典型的熒光成像、低光成像和高速成像都具有低信號(hào)和短曝光時(shí)間的特點(diǎn)，遠(yuǎn)低于一秒，通常低于 100 毫秒。當(dāng)使用高靈敏度相機(jī)時(shí)，可以在非常短的曝光(遠(yuǎn)低于 1 秒)內(nèi)收集足夠的信號(hào)，并且在這些情況下暗電流的積累可以忽略不計(jì)。

使用現(xiàn)代相機(jī)技術(shù)，由于曝光時(shí)間短，不需要激進(jìn)和過度的冷卻。這就是為什么 Teledyne Photometrics 可以制造 Prime BSI Express(無液體冷卻)和 Moment(非冷卻)等相機(jī)，由于其高靈敏度和低曝光時(shí)間，可以擺脫冷卻，并且不會(huì)遇到暗電流問題除非使用 2 秒或更長(zhǎng)時(shí)間的曝光，否則會(huì)產(chǎn)生噪音。

暗電流噪聲和熱像素

雖然科學(xué)相機(jī)在其數(shù)據(jù)表上標(biāo)明了暗電流規(guī)格，但這可能因傳感器而異。所述暗電流規(guī)格是整個(gè)傳感器的整體平均值，暗電流存在變化(稱為暗電流噪聲)，并且存在暗電流大于平均水平的像素(稱為熱像素)。

暗電流噪聲是傳感器上暗電流的統(tǒng)計(jì)變化。例如，給定相機(jī)的暗電流規(guī)格可能為 1.0 e – /p/s。對(duì)于四秒曝光，每個(gè)像素總共生成四個(gè)電子。由于暗電流噪聲遵循泊松統(tǒng)計(jì)，因此均方根 (RMS) 暗電流噪聲是暗電流的平方根，在本例中為 2 e – /p。

熱像素的暗電流高于傳感器其余部分的平均水平。雖然這些熱像素只占很小的一部分，但它們會(huì)反復(fù)具有比其他像素更高的背景值。由于這是傳感器制造過程中產(chǎn)生的影響，因此每個(gè)熱像素位置將保持固定，因此可以進(jìn)行校正，Teledyne Photometrics 相機(jī)具有可定制的像素去斑濾鏡，以避免熱像素的任何影響。

CCD/EMCCD 和 CMOS

談到暗電流時(shí)需要注意的一個(gè)因素是，典型 CCD/EMCCD 的暗電流值遠(yuǎn)低于典型 CMOS。例如，與具有暗電流的 Retiga R6 CCD 相比，Prime 95B sCMOS 的暗電流為 0.55 e – /p/s(風(fēng)冷時(shí)，如果使用液體冷卻，該值為 0.3 e – /p/s) 0.00073 e – /p/s。這種低得多的暗電流歷來使得 CCD 在長(zhǎng)時(shí)間曝光應(yīng)用中很受歡迎，例如曝光時(shí)間為幾分鐘到幾小時(shí)的成像發(fā)光。

然而，得益于Teledyne Photometrics 的Retiga E7 CMOS， CMOS 技術(shù)也已發(fā)展到可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間曝光成像的程度。 Retiga E7 的暗電流低于 0.001 e – /p/s，曝光時(shí)間超過一個(gè)小時(shí)，與 CCD 相比，CMOS 技術(shù)還有許多其他優(yōu)點(diǎn)，例如速度更快、傳感器尺寸更大和易于使用。

概括

暗電流是一個(gè)與時(shí)間和溫度相關(guān)的因素，可能會(huì)導(dǎo)致相機(jī)傳感器上產(chǎn)生噪聲。曝光時(shí)間越長(zhǎng)，暗電流的貢獻(xiàn)就越大，這就是為什么相機(jī)通常配備冷卻選項(xiàng)和熱像素校正的原因。雖然 CCD 技術(shù)的暗電流歷來較低，但具有超低暗電流的 Retiga E7 CMOS 的出現(xiàn)，將長(zhǎng)時(shí)間曝光成像帶入 CMOS 時(shí)代!

審核編輯 黃宇