科學(xué)相機(jī)噪聲源介紹

導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)不確定的信號(hào)變化稱為噪聲。它可以由傳感器、周圍電子設(shè)備、系統(tǒng)溫度和自然波動(dòng)產(chǎn)生。以下是科學(xué)相機(jī)可以產(chǎn)生的每個(gè)噪聲源的簡(jiǎn)短摘要。

讀取噪聲

讀取噪聲是讀取像素內(nèi)存儲(chǔ)的電荷時(shí)相機(jī)電子設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。它是將每個(gè)像素的電荷轉(zhuǎn)換為信號(hào)所需的每個(gè)系統(tǒng)組件產(chǎn)生的所有噪聲的累積。

讀取噪聲越低，就越容易檢測(cè)到可能被較高噪聲水平隱藏的微弱信號(hào)。它還允許更高的動(dòng)態(tài)范圍，從而可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)信號(hào)電平之間的差異。

CCD、EMCCD、ICCD和InGaAs相機(jī)都具有一個(gè)讀出結(jié)構(gòu)，來自整個(gè)像素陣列的電荷被轉(zhuǎn)換為該結(jié)構(gòu)。這意味著任何讀取噪聲都遵循高斯分布，檢測(cè)器具有峰值讀取噪聲。然而，sCMOS檢測(cè)器對(duì)每個(gè)像素列都有一個(gè)讀出結(jié)構(gòu)。這導(dǎo)致讀取噪聲遵循偏斜直方圖而不是高斯分布。因此，sCMOS檢測(cè)器的讀取噪聲在數(shù)據(jù)手冊(cè)中同時(shí)表示為均方根(RMS)和中位數(shù)。RMS更能代表實(shí)際讀取噪聲。

暗電流噪聲

暗電流是熱產(chǎn)生的電子的結(jié)果，即使傳感器沒有暴露在光線下，這些電子也會(huì)積聚在像素上。曝光時(shí)間越長(zhǎng)，累積的暗電流就越多，這就是為什么它被記錄為 e–/p/s。暗電流噪聲是由暗電流產(chǎn)生的電荷。暗噪點(diǎn)的計(jì)算公式為：

暗電流噪聲在所有傳感器類型中都很常見，主要通過熱電冷卻或低溫冷卻來降低。

光子散粒噪聲

光子散粒噪聲是唯一無法控制的噪聲類型。該噪聲源是由于自然光子波動(dòng)引起的，并根據(jù)泊松行為隨機(jī)發(fā)射。它表示為信號(hào)的平方根。雖然它隨著信號(hào)的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，但在低信號(hào)應(yīng)用中更為重要。光子散粒噪聲定義為：

當(dāng)光子噪聲超過讀取噪聲時(shí)，數(shù)據(jù)被稱為光子散粒噪聲限制。

時(shí)鐘感應(yīng)電荷

時(shí)鐘感應(yīng)電荷 (CIC)，也稱為雜散電荷，是電荷通過器件傳輸產(chǎn)生的電荷。當(dāng)電荷在像素之間轉(zhuǎn)移時(shí)，發(fā)生電離的可能性很小，從而進(jìn)一步增加不需要的(即不是來自入射光)的電荷。

CIC對(duì)圖像的整體噪點(diǎn)貢獻(xiàn)不大，與暗噪點(diǎn)和讀取噪點(diǎn)相比，CIC通常要小得多。然而，EMCCD傳感器利用電離來增強(qiáng)整體電荷，反過來也增加了CIC的可能性。這是因?yàn)镃IC被EM增益放大，因此隨著信號(hào)的增加，噪聲也會(huì)增加。

CIC可以通過使用雜散噪聲濾波器進(jìn)行校正，該濾波器可識(shí)別受影響的像素，并將其信號(hào)值替換為緊鄰問題像素的像素。

模式噪聲

圖案噪聲是圖像上“熱”(亮)和“冷”(暗)像素的背景模式，在sCMOS傳感器中很常見。這是由傳感器上各個(gè)像素的響應(yīng)度的微小變化引起的。這些變化包括每個(gè)像素列之間的背景偏移(偏置)值的差異，以及sCMOS傳感器讀取噪聲的任何變化。

總結(jié)

噪聲是導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)不確定性的信號(hào)變化。它可由傳感器、電子設(shè)備、溫度和系統(tǒng)的波動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生。

讀取噪聲是相機(jī)電子設(shè)備在讀取過程中產(chǎn)生的噪聲。它是每個(gè)系統(tǒng)組件在將每個(gè)像素上的電荷轉(zhuǎn)換為信號(hào)的過程中產(chǎn)生的所有噪聲的累積。讀取噪聲越低，越容易檢測(cè)到微弱信號(hào)。暗電流是由熱產(chǎn)生的電子引起的，無論傳感器是否暴露在光線下，這些電子都會(huì)積聚在像素上。暗電流噪聲是由暗電流產(chǎn)生的電荷，在所有傳感器類型中都很常見，但可以通過相機(jī)的深度冷卻來降低。

光子散粒噪聲是由光子的自然波動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，是隨機(jī)發(fā)射的。它無法控制，表示為信號(hào)的平方根。雖然它隨著信號(hào)的增加而增加，但在較低的信號(hào)下更為明顯。

時(shí)鐘感應(yīng)電荷 (CIC) 是通過器件轉(zhuǎn)移電荷產(chǎn)生的。在轉(zhuǎn)移過程中，電離的可能性很小，會(huì)添加不需要的 CIN。雖然CIC對(duì)整體噪聲的貢獻(xiàn)不大，但在EMCCD傳感器中很明顯。當(dāng)信號(hào)通過EM增益成倍增加時(shí)，CIC也會(huì)成倍增加噪聲。

圖案噪聲在sCMOS傳感器中很常見，是由傳感器上各個(gè)像素的響應(yīng)度變化引起的。

審核編輯 黃宇