如何提升科研級(jí)CCD相機(jī)成像信噪比?

如果希望提升科研級(jí)CCD相機(jī)成像的信噪比，改善信號(hào)較弱時(shí)的成像質(zhì)量，在相機(jī)選型、使用中我們要注意哪些因素呢?大致可以從以下6個(gè)方面來(lái)綜合考慮：曝光時(shí)間，光學(xué)系統(tǒng)的素質(zhì)，像素尺寸，制冷與暗電流，量子效率，讀出噪聲(R)。

影響科研級(jí)CCD相機(jī)信噪比的因素(1)——曝光時(shí)間

無(wú)論是從大家日常的理解還是從信噪比公式中，我們都很容易得出曝光時(shí)間(t)越長(zhǎng)，信噪比越高的結(jié)論。

然而，曝光時(shí)間長(zhǎng)了，幀速就無(wú)法得到保障。曝光時(shí)間為1s的時(shí)候，無(wú)論如何幀速也是無(wú)法超過(guò)1幀/秒的。

小結(jié)：曝光時(shí)間的延長(zhǎng)能夠提升信噪比，但是會(huì)損失幀速。

影響信噪比的因素(2)——光學(xué)系統(tǒng)的素質(zhì)

對(duì)于同一樣品發(fā)出的信號(hào)，光學(xué)系統(tǒng)直接影響到落到相機(jī)上的光信號(hào)強(qiáng)度(即公式中的"P")。對(duì)于顯微成像而言，常見(jiàn)的的提升方式就是選擇更好的物鏡;一般而言，數(shù)值孔徑(NA)越大，物鏡對(duì)信號(hào)的收集能力越強(qiáng)。

影響信噪比的因素(3)——像素尺寸

像素尺寸也是影響信噪比公式中的"P"(入射的光子數(shù)目);像素尺寸越大，落到一個(gè)像素上的光子就越多。在其他參數(shù)都一致的情況下，信噪比自然就越高。但過(guò)大的像素尺寸會(huì)損失相機(jī)的分辨率。

小結(jié)：在不調(diào)節(jié)光路僅僅更換相機(jī)的情況下(這是非常常見(jiàn)的場(chǎng)景)，采用更大像素尺寸的相機(jī)在增加信噪比的同時(shí)往往會(huì)降低圖像的分辨率。

影響信噪比的因素(4)——制冷與暗電流

由于暗電流(信噪比公式中的"D")來(lái)源于材料中電子的熱運(yùn)動(dòng)，所以芯片溫度越高，暗電流越大;對(duì)于同一芯片，近似的規(guī)律是溫度每下降10度，暗電流減小一半。

當(dāng)前市場(chǎng)上的中科研相機(jī)的暗電流通常都很小，在1s以下曝光時(shí)間時(shí)，暗噪聲相比于讀出噪聲通常可以忽略。但由于暗電流隨曝光時(shí)間會(huì)積累，所以越是長(zhǎng)曝光時(shí)間的應(yīng)用，制冷就越重要。

影響信噪比的因素(5)——量子效率

量子效率(即信噪比中的QE)為光子在相機(jī)像素上轉(zhuǎn)換成為電子的比例。同樣是100個(gè)光子落到一個(gè)像素上，QE82%意味著相機(jī)能夠轉(zhuǎn)換得到82個(gè)電子;QE72%則代表能轉(zhuǎn)換得到72個(gè)電子。顯然，QE越高，相機(jī)的信噪比越高。

影響信噪比的因素(6)——讀出噪聲(R)

在信號(hào)較弱的成像中，來(lái)自信號(hào)的散粒噪聲較小;而暗電流的散粒噪聲(即暗噪聲)在當(dāng)前的科研相機(jī)都是很低的，在曝光時(shí)間1s這個(gè)量級(jí)甚至更短的時(shí)候，暗噪聲通常可以忽略;此時(shí)讀出噪聲(即信噪比公式中的"R")就稱為特別需要考量的因素了。

對(duì)于同樣的芯片，讀出噪聲的大小與讀出速度有關(guān)，無(wú)論對(duì)于CCD相機(jī)還是sCMOS相機(jī)，讀出速度越快，讀出噪聲越高。而sCMOS相對(duì)于CCD的一個(gè)核心優(yōu)勢(shì)，就是高速讀出時(shí)依然能夠保持極低的讀出噪聲。

讀出噪聲的重要性也使得其和QE一起變成了相機(jī)被重點(diǎn)關(guān)注的兩個(gè)參數(shù)。單純考察兩者中的一個(gè)優(yōu)勢(shì)并不能正確預(yù)測(cè)成像的信噪比。如圖9所示，同樣拍一個(gè)綠色熒光樣品，QE較高的ORCA-Spark成像質(zhì)量卻不如ORCA-Flash4.0LT，就是因?yàn)镺RCA-Flash4.0LT的讀出噪聲較低，綜合考慮時(shí)ORCA-Flash4.0LT的信噪比更好。

審核編輯 黃宇