一文了解信噪比：高端科研级相机的核心参数

如果从成像结果来考察一款科研相机最重要的一般有3个特征1黑白还是彩色。彩色相机能带来颜色信息但灵敏度和分辨率都不及同参数的黑白相机。2帧速。无论是高速移动的样品还是一闪而过的光信号都需要高帧速相机才有可能采集到。3成像质量。影响成像质量或者经常听到清晰度这样的口头表述的因素包括信噪比和分辨率。无论是信噪比过低还是分辨率过低都无法得到让人满意的图片如图1。图1. 信噪比和分辨率对成像质量的影响本文主要讨论信噪比。信噪比公式及解析在相机的成像过程中除了真实的信号还会引入一系列的不确定性光信号本身的不确定性、材料热运动电子学噪声等等——称为噪声。而信号与噪声的比值被定义为信噪比Signal-to-Noise Ratio, SNR。相机的信噪比可以通过如下公式计算得出图2. 信噪比公式公式中的分子部分就是信号单位时间的入射光子数目P即信号的强度乘以曝光时间t即为入射光子的总数目其中有一定比例QE量子效率被相机转换为电荷最终称为相机成像的信号。公式中的分母部分是噪声分成三个组成部分。1第一个部分是来自真实信号的散粒噪声——√P·QE·t. ( 如何理解这个散粒噪声呢比如原始的光信号对应每秒钟100个光子落到一个像素上但实际的情况却有可能是第一个一秒钟落下了97个光子第二个一秒钟落下了104个光子第三个一秒钟落下来101个光子等等等等。这种不确定性就是散粒噪声的来源。2第二个部分是来自暗电流的散粒噪声——√D·t.由于相机的芯片是Si或者InGaAs等其他材料只要不是绝对零度电子的热运动都会有几率被当成信号读出——称之为暗电流。暗电流可以随着时间而积累。虽然暗电流是可能通过后期算法给扣除的但是其不确定性或者说来自于暗电流的散粒噪声却无法消除。3第三个部分是读出噪声——R。读出噪声的来源很多实际操作中将相机的盖子关闭即没有任何光信号采用最短的曝光时间尽可能排除暗电流/暗噪声的影响所得到的图像中的像素值的不确定性就被记为读出噪声。读出噪声是一个笼统但是很有实用性的概念——尤其在高速弱光成像中因为此时曝光时间很短所以暗电流/暗噪声都很小主要的噪声来源就是读出噪声。由于以上三种噪声来源互不相关所以总噪声就等于其平方和再取平方根。对于特定的拍摄条件读出噪声和暗电流都是固定的。所以信号越强其散粒噪声也越大成为噪声的主要来源。此时信噪比公式可以近似为图3. 信号较强时的近似信噪比公式但如果信号很弱来自信号的散粒噪声就很小此时读出噪声和暗电流的影响就不能忽略。那么如果希望提升相机成像的信噪比改善信号较弱时的成像质量我们能够从上面的信噪比公式中得到怎样的启发呢大致说来有6个方面。# 影响信噪比的因素1——曝光时间无论是从大家日常的理解还是从信噪比公式中我们都很容易得出曝光时间t越长信噪比越高的结论。图4. 曝光时间与信噪比的关系然而曝光时间长了帧速就无法得到保障。曝光时间为1 s的时候无论如何帧速也是无法超过1帧/秒的。所以曝光时间的延长能够提升信噪比但是会损失帧速。# 影响信噪比的因素2——光学系统的素质对于同一样品发出的信号光学系统直接影响到落到相机上的光信号强度即公式中的P。对于显微成像而言最常见的的提升方式就是选择更好的物镜一般而言数值孔径NA越大物镜对信号的收集能力越强。图5. 不同数值孔径NA的物镜对成像效果的影响。(a) Plan 20×/0.4 NA;(b) UPlanFL N 20×/0.5 NA;(c) UPlanSApo 20×/0.75 NA.小结用你能得到的最好的光学系统# 影响信噪比的因素3——像素尺寸像素尺寸也是影响信噪比公式中的P入射的光子数目像素尺寸越大落到一个像素上的光子就越多。在其他参数都一致的情况下信噪比自然就越高。但过大的像素尺寸会损失相机的分辨率简而言之在不调节光路仅仅更换相机的情况下这是非常常见的场景采用更大像素尺寸的相机在增加信噪比的同时往往会降低图像的分辨率如图6。图6. 不同像素尺寸相机对同一样品的成像效果对比。样品为直径1μm的荧光小球放大倍数60X# 影响信噪比的因素4——制冷与暗电流由于暗电流信噪比公式中的D来源于材料中电子的热运动所以芯片温度越高暗电流越大对于同一芯片近似的规律是温度每下降10度暗电流减小一半。当前市场上的中高端科研相机的暗电流通常都很小在1 s以下曝光时间时暗噪声相比于读出噪声通常可以忽略。但由于暗电流随曝光时间会积累所以越是长曝光时间的应用制冷就越重要。在实际选型中不同类型的相机对制冷的要求也不尽相同1对于EMCCD相机像素尺寸通常较大常见的为13-16 μm每个像素上产生的暗电流本就较多而且EMCCD中的暗电流还会和信号一起被增益放大所以用制冷压制EMCCD相机的暗电流产生尤其重要。因为这些原因主流的EMCCD相机制冷温度都在-50 ℃以下。2而对于sCMOS相机不仅像素尺寸会较小一些常见的为6.5 μm也没有额外的增益所以对制冷的要求就相对低一点。从图7中可以看到在sCMOS相机中制冷温度的具体高低影响不是那么明显但有没有制冷对暗噪声的表现影响很大图7-A是没有制冷的相机图7-B,C,D都是有制冷的。这是因为一旦没有制冷相机的芯片工作温度并不是简单的室温而通常高达60-70 ℃在长时间曝光中如图7中的10 s曝光时间其暗电流自然就会高到不可忽视。笔者在平时工作中就曾经有过两个有趣的相关经历。第一个是刚接触科研相机时看到许多诸如室温下10 ℃-10 ℃ from ambient temperature的相机表示不可理解觉得就10度的制冷这有啥用。第二个是滨松有一款面向产业客户的板级sCMOS相机C11440-62U其制冷温度为室温上10 ℃10℃ from ambient temperature刚看到参数的时候也是小小疑惑了一把。其实当年产生这样的疑惑就是因为没有意识到如果相机没有制冷实际的工作温度将远超室温这一点。图7. 冷却对相机的影响。四张图片来自于四台相机均采用10 s的曝光时间LUT设置成一样。这四台相机采用了同样的芯片但制冷温度不同。从左至右依次为(a) 没有制冷C11440-52U(b) 制冷温度为10 ℃C11440-42U(c) 制冷温度为-10 ℃C11440-22CU风冷模式(d) 制冷温度为-20 ℃C11440-22CU水冷模式小结对于当今的高端相机只要有制冷暗电流都很小。# 影响信噪比的因素5——量子效率量子效率即信噪比中的QE为光子在相机像素上转换成为电子的比例。同样是100个光子落到一个像素上QE 82%意味着相机能够转换得到82个电子QE 72%则代表能转换得到72个电子。显然QE越高相机的信噪比越高。图8. 量子效率对信噪比的影响有关QE看参数时需要特别注意以下两点1QE与波长是有关的对于同一台相机不同波长的QE并不相同。以ORCA-Flash 4.0 V3为例在600nm的红光处其QE为最高的82%在900 nm的红外光处就只剩下了25%左右。2一般我们在高端科研相机的参数表中看到的都是量子效率峰值——也就是相机最灵敏的波长所对应的QE。但是不同相机/芯片的量子效率峰值所对应的波长并不一样所以如果确切的直到自己信号的波长/颜色最好能够确认下相机在对应波长下的QE而不是简单地比较量子效率峰值。如图9中左图所示ORCA-Spark的峰值波长在450-500 nm之间QE峰值为80%而Flash 4.0 LT的峰值波长在550-600 nm之间QE峰值为72%。虽然ORCA-Spark的量子效率峰值更高但如果针对红色荧光Flash 4.0 LT的QE反而更好。小结QE很重要但QE峰值更多是个参考查到关注波长的QE值非常关键。# 影响信噪比的因素6——读出噪声R在信号较弱的成像中来自信号的散粒噪声较小而暗电流的散粒噪声即暗噪声在当前的高端科研相机都是很低的在曝光时间1s这个量级甚至更短的时候暗噪声通常可以忽略此时读出噪声即信噪比公式中的R就称为特别需要考量的因素了。对于同样的芯片读出噪声的大小与读出速度有关无论对于CCD相机还是sCMOS相机读出速度越快读出噪声越高。而sCMOS相对于CCD的一个核心优势就是高速读出时依然能够保持极低的读出噪声。读出噪声的重要性也使得其和QE一起变成了相机被重点关注的两个参数。单纯考察两者中的一个优势并不能正确预测成像的信噪比。如图9所示同样拍一个绿色荧光样品QE较高的ORCA-Spark成像质量却不如ORCA-Flash 4.0 LT就是因为ORCA-Flash 4.0 LT的读出噪声较低综合考虑时ORCA-Flash 4.0 LT的信噪比更好。图9. 读出噪声对信噪比的影响结束语:我们一起学习阅读其过程中更进一步声明部分内容来自于网络如有侵权请联系我方核实修改。