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科學(xué)相機暗電流介紹

jf_64961214 ? 來源:jf_64961214 ? 作者:jf_64961214 ? 2024-11-27 06:24 ? 次閱讀
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圖 1:相機傳感器邊緣的熱積聚和暗電流噪聲。隨著長時間曝光熱量的增加,這種噪音會傳播到整個相機,并會影響圖像質(zhì)量。

科學(xué)相機的靈敏度至關(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,我們對高靈敏度相機的方法有兩個:最大化信號收集,并最小化噪聲水平。雖然前者主要取決于 QE 和像素大小,但后者是一個更大的主題。

科學(xué)相機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)計分布來描述,并通過對連續(xù)幀進行平均來減少。

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。

本文重點討論暗電流噪聲,如圖1所示。

暗電流

暗電流由相機傳感器內(nèi)的熱能產(chǎn)生。當(dāng)相機傳感器曝光圖像時,相機中的電子器件會加熱傳感器,熱能的積累會導(dǎo)致熱電子在傳感器上積聚。這些熱電子獨立于與落在傳感器上的光子(光強度)成比例生成的光電子。不幸的是,相機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)在讀出時都會被計為信號,盡管不是來自傳感器的信號的一部分樣品。這就是所謂的暗電流。

每種型號的科學(xué)相機,無論是使用 CCD、EMCCD 還是 CMOS 傳感器,都會有暗電流規(guī)格。這表示每秒曝光時每個像素上積累的電子數(shù)量,通常顯示為 e – /p/s。暗電流越高,相機執(zhí)行長時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。科學(xué)相機可以使用熱電(TE)或珀爾帖冷卻與強制空氣或液體冷卻相結(jié)合,以降低傳感器在運行過程中的溫度,如圖2所示。一般來說,傳感器每冷卻 6-7 °C,暗電流的影響就會減半。這就是為什么科學(xué)相機通常配備風(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間內(nèi)其貢獻可以忽略不計的程度。

圖 2:科學(xué)相機冷卻和 Citadel Chamber 技術(shù)。左圖顯示了采用 Citadel 腔室設(shè)計原理的 CMOS 相機內(nèi)的典型溫度水平(徽標右)。傳感器冷卻絕對均勻,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)致每個像素產(chǎn)生一個電子的暗電流。這里要考慮的重要部分是:您的曝光時間是多長?典型的熒光成像、低光成像和高速成像都具有低信號和短曝光時間的特點,遠低于一秒,通常低于 100 毫秒。當(dāng)使用高靈敏度相機時,可以在非常短的曝光(遠低于 1 秒)內(nèi)收集足夠的信號,并且在這些情況下暗電流的積累可以忽略不計。

使用現(xiàn)代相機技術(shù),由于曝光時間短,不需要激進和過度的冷卻。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,由于其高靈敏度和低曝光時間,可以擺脫冷卻,并且不會遇到暗電流問題除非使用 2 秒或更長時間的曝光,否則會產(chǎn)生噪音。

暗電流噪聲和熱像素

雖然科學(xué)相機在其數(shù)據(jù)表上標明了暗電流規(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)計變化。例如,給定相機的暗電流規(guī)格可能為 1.0 e – /p/s。對于四秒曝光,每個像素總共生成四個電子。由于暗電流噪聲遵循泊松統(tǒng)計,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,因此每個熱像素位置將保持固定,因此可以進行校正,Teledyne Photometrics 相機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

談到暗電流時需要注意的一個因素是,典型 CCD/EMCCD 的暗電流值遠低于典型 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,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 在長時間曝光應(yīng)用中很受歡迎,例如曝光時間為幾分鐘到幾小時的成像發(fā)光。

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

概括

暗電流是一個與時間和溫度相關(guān)的因素,可能會導(dǎo)致相機傳感器上產(chǎn)生噪聲。曝光時間越長,暗電流的貢獻就越大,這就是為什么相機通常配備冷卻選項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),將長時間曝光成像帶入 CMOS 時代!

審核編輯 黃宇

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