尼康顯微鏡成像CCD信號與噪聲比

 對于任何電子測量系統中， 信號-噪聲比（SNR）表征了測量的質量，并且確定該系統的*終性能。 用CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器，所述SNR值具體地表示所測量的光信號的比值，以合并的噪聲，它由電子系統中所產生的不期望的信號分量，并且與入射光子通量的固有的自然變化。 因為一個CCD傳感器通過離散的物理位置的一個陣列收集電荷，信號與噪聲的比可以被認為是相對信號強度，相對于測量的不確定性，在每個像素的基礎。 在CCD成像系統噪聲的三個主要來源是光子噪聲 ， 暗噪聲和讀取噪聲 ，所有這些都在SNR計算必須考慮。

本教程與初始化的信號噪聲比為一體化的函數的假設CCD系統具有典型的規格在顯微成像應用中使用的高性能相機（曝光）時間的圖形繪圖的顯示。 影響信號噪聲比CCD傳感器參數可以改變通過使用鼠標重新定位的任何位置顯示窗口下方的滑塊建模教程系統。 作為各變量改變時，信號 - 噪聲比的計算值在左側黃色框被更新。 在與電子傳感器，包括CCD的圖像采集，顯然隨機波動信號強度構成的噪聲疊加在信號上，并作為噪聲的幅度增加，在所測量的信號不確定性變得更大。 變化直接影響信號電平的因素作出，并且這些變量主要貢獻噪聲的系統中，對信噪比的逆效應，這反映在所顯示的值。 大信號噪聲比是很重要的收購高質量的數字圖像，并在需要精確的光測量應用中尤為關鍵。 標記的分級因子的單選按鈕可單獨選擇，以使信號對噪聲比的改善與科學CCD相機，其中從鄰近像素組的信號產生的電荷的讀出過程中，組合成較大的“superpixels”常用的方法。 的分級因子代表的像素被組合以形成更大的每個像素的數目。 當SNR被重新計算，以反映分塊操作中，假定該信號是相同的組內的每一個象素。

來自CCD成像系統，在計算SNR利用測得的信號，依賴于光子通量入射到CCD（表示為每像素的光子每秒），設備（其中，1表示100％的效率）的量子效率，并且集成在其上的信號被收集（曝光）時間（秒）。 這三個變量的乘積確定的信號 - 噪聲比，這是權衡有助于比率的分母項的所有的噪聲源的信號部分（分子）。 本教程中的量子效率滑塊提供了20％到98％的調整范圍， 光子通量滑塊允許選擇每像素0.1和10000光子每秒之間的入射光水平。 積分時間滑塊調整CCD的積分時間在一定范圍為0.1至100秒。

提供用于改變CCD規格為讀出噪聲 （每像素2?20的電子有效值）和暗電流 （每秒每像素0.01?50電子）滑塊。 對總噪聲的光子噪聲的貢獻是信號電平的函數，而不是一個獨立的噪聲變量，可以通過相機的設計或操作方法會降低，但被占的SNR計算。 右手黃色數值字段（檢測到的光子/像素 ），顯示信號的光子的總數中讀出由CCD每個像素*過目前由滑塊設置積分周期。 此值表示光子通量，量子效率和積分時間的乘積。 五個滑塊的操作，在與相鄰的幾個單選按鈕的同時，產生了一系列對應于大多數操作條件下可能在利用CCD攝像機設計用于低光成像在顯微鏡中可能遇到的信號 - 噪聲比的值。 當教程*初加載或復位時，滑塊的位置預設為，是典型用于利用冷卻CCD高性能科學級攝像機系統的值。

三個主要的不希望的信號成分（噪聲），這會降低一CCD成象裝置通過降低信號噪聲比的性能，被認為是在計算總SNR：

光子噪聲 （有時也被稱為散粒噪聲 ），從在光子入射到CCD上的到達速率的固有統計變化的結果。 在半導體器件內產生的光電子構成的信號，其大小是由遵循的光子入射到CCD上的泊松統計分布在給定的位置的波動擾動。 光子噪聲或測量變差，因此相當于該信號的平方根。

暗噪聲來自于CCD，它是獨立的光子引起的信號的，但高度依賴于器件溫度的硅結構內的熱產生的電子的數量的統計變化。 生成熱電子在給定的CCD溫度的速率被稱為暗電流 。 在相似的光子噪聲，暗噪聲服從泊松關系到暗電流，并且等效于圖像的曝光時間內所產生的熱電子的數量的平方根。 冷卻CCD降低了暗電流顯著，并且在實踐中，高性能的攝像機通常冷卻到的溫度下的暗電流是可以忽略不計了一個典型的曝光間隔。（本文來源：尼康顯微鏡成像CCD信號與噪聲比）

讀噪聲是固有的變換的CCD的電荷載體轉化為量化的電壓信號的處理系統的噪聲分量，并且隨后的處理和模擬-數字轉換的組合。 讀取噪聲的主要貢獻通常起源于芯片上的前置放大器，并且該噪聲是均勻地加入到每一個圖像像素。 高性能攝像系統利用增強型設計，大大降低噪音閱讀的意義。

該CCD信號與噪聲的比值計算在本教程中使用下面的公式：

SNR = PQet / [ PQet + Dt + Nr2 ]1/2

其中P是入射的光子通量（光子/像素/秒），Q（E）表示CCD的量子效率，t為積分時間（秒），D是暗電流值（電子/像素/秒） 和 N （R）代表讀取噪聲（有效值電子/像素）。

檢查表明，上面的方程簡單地構造為在曝光時由歸屬于前面所述的三個噪聲分量的組合的噪聲分頻后的總信號的比值。 三個噪聲源不相關，而分母采用為每個噪聲分量相應的值：用于光子噪聲信號賬戶的平方根，暗噪聲等效的暗電流和積分時間的乘積的平方根，和N（R）-平方對應于所讀取的噪聲分量的平方根。

信噪比（SNR）使用以前的公式計算假設信號是光的*來源。 的不必要的背景光的各種來源，如分散在所述成像系統中，可能產生噪聲，并且如果顯著，這個背景光子通量（B）必須被添加到該光子噪聲成分如下：

SNR = PQet / [(P + B)Qet + Dt + Nr2 ]1/2

應當考慮的另一個因素是，事件和背景光子通量，和量子效率的值是波長的函數，并且當寬帶照明源被采用時，信號 - 噪聲比的計算需要這些變量被集成多用于成像的所有波長。

可以用多種方法來增加在高性能CCD成像系統的信號 - 噪聲比。 以減少CCD，其表現為暗電流，特殊設備的制造技術和操作模式有時被采用的半導體層內的熱產生電荷。 是很常見的冷卻CCD來降低暗電流，以使用熱電或低溫制冷可以忽略的水平，或如果需要，液氮冷卻的極端的方法可以采取。 在一般情況下，高性能CCD傳感器表現出一個半減少暗電流為攝氏每5?9度，因為它們被冷卻到低于室溫的溫度，稱為“加倍溫度”的規范。 改善此比率通常持續約5至零下10度的溫度，*過該暗電流的減少而迅速減弱。 除了專門的電路和電子設計，利用*的集成商和雙采樣方法過濾技術有時被用來去除讀出噪聲的某些組件。

因為光子噪聲的CCD信號的檢測，不能由相機設計因素降低的固有屬性，它本質上代表了“噪聲底限”，也就是*小可實現的噪聲電平，在相對影響，因為光子通量的增加減少。 因此，理想的是操作成像系統，它是由光子噪聲受限的條件下，與其它噪聲分量被降低到相對微不足道。 在低照明度條件下（假設暗噪聲是由CCD冷卻基本上消除），讀取噪聲大于光子噪聲和圖像信號被認為是只讀的噪聲限制 。 相機的曝光時間（累積時間）可以增加，以收集更多的光子，并提高信噪比，直到一個點為止在該光子噪聲*過讀取噪聲和暗噪聲。 上面這個曝光時間，圖像被說成是光子噪聲的限制 。

可用于圖像形成的光子的數量有限，在許多顯微技術的一個關鍵因素，并且高性能的CCD照相機系統是專門設計來達到的光子噪聲受限工作模式比傳統的攝像機，它通常從未實現在低得多的信號電平光子噪聲性能有限（和適當的高信噪比）在低光照水平。 在寬視場顯微鏡，這通常采用CCD攝像機，可從標本聚集體積的總信號可以由幾個數量級，在很大程度上取決于所采用的成像技術和試樣本身發生變化。 10E6每秒（100萬美元）的光子從焦點體積，極低的光照水平，的光子通量相當于平均1光子/像素/秒分布在具有100萬有效像素的傳感器的表面。 作為一個參照點，暗適應眼的*小檢出限為約40倍（40元光子/秒）。 正確設計的熒光顯微鏡通常會產生10E8從焦量10E9每秒光子，或100?1000光子/像素/秒，相同的100萬像素的傳感器。 傳統的明場成像模式通常產生的照度水平，平均在整個感應區，5000至約40,000光子/像素/秒。 除非積分間隔是很短的，一個寬視場圖像的亮區可以產生每像素*過100,000光子共檢測到的信號。

圖1呈現的信號 - 噪聲比與積分（曝光）時間為一個典型的高性能CCD相機在低信號電平設計的成像，以固定在圖中所示的值的光子通量和傳感器特性的曲線圖。 在這種類型中，讀 - 噪聲有限區域和光子噪聲有限區域的曲線圖可以被識別，在曝光時間的量光子噪聲開始*過讀取噪聲（約0.15秒為指定的傳感器和光束分離值在該圖中）。 因為光子噪聲信號的平方根關系，這兩個地區之間的這種分裂發生，而本總檢測每一個像素的信號大約是讀出噪聲值的平方的曝光時間。 例如，對于每個像素5的電子均方根讀噪聲規范，光子噪聲成為主要噪聲源時的曝光時間是足以導致每像素多于25檢測到的光子在現有的入射光子通量。 在交互式指南顯示一個類似于圖1中的曲線圖，但變化反映在圖形情節，因為每個通過滑塊控制的變量進行調節。 除了 計算出的SNR值，顯示在左側，右側黃色的窗口更新檢測到的光子/像素的值，并在圖形的變化上部的紅色文字訊息，表示讀出噪音或光子噪聲占主導地位是否由滑塊所選擇的值。 紅色箭頭所示的繪制曲線作為當前選定的積分時間的指示。 兩個主要的噪聲制度之間的過渡假設暗噪聲可以忽略不計，這是典型的科學級CCD成像系統的操作，但其他情況都是可能的。 工作在高暗電流水平改變讀出噪聲和光子噪聲在一定條件下的相對價值的意義，在這種情況下暗噪聲可以壓倒信號和其他噪聲成分。

一些科學級CCD相機允許執行一個片上像素合并功能作為另一種機制來提高信號的信噪比。應當認識到，這種方法涉及到一個犧牲一些空間分辨率，以及在暗電流隨之增加。 通過提高CCD的信號 - 噪聲比，所述成像系統是能夠達到的光子噪聲受限的條件在較低光水平和/或較短的曝光時間。 有些攝像系統會自動利用像素組合模式的顯示器預覽圖像，提供更明亮的圖像，以快速的幀速率，這有利于標本的定位和聚焦的顯示。 為了證明在計算信噪比這個分級的效果，本教程提供了對應三種分級因素的單選按鈕。 按鈕標簽表示的離散化的像素的數目如下：1的象素，沒有分級;組合成一個16個像素，4×4像素陣列; 4像素，2×2像素陣列結合成一體。 圖2顯示了不同的分級值的曲線上繪制信噪比與曝光時間的變化的影響。 在本教程中用于計算信噪比所使用的公式修改為占分級，如下圖所示：

SNR = MPQet / [ MPQet + MDt + Nr2 ]1/2

在該修改方程中，符號M表示的離散化的像素的數量，并假設在每個這些像素的信號是相同的。 三條曲線繪制在同典型的CCD規格，并標示在圖上，并為一個非常低的樣品的信號強度，產生的每個像素40的光子每秒鐘入射到傳感器上的光子通量。 注意，如果沒有像素組合，以實現光子噪聲有限的信號電平是必需的大約4秒的曝光時間。 通過實施16像素組合，等效SNR和每個像素檢測到的光子的總數，只有0.25秒的曝光時間達到（參見圖2），這將允許爽快的預覽圖像以足夠的幀速率，以允許聚焦和試樣即使在低亮度圖像的定位。 另一個考慮是，使用4秒的積分時間獲取的圖像將受益于一個近似5倍的改善的信號噪聲比與使用16像素組合，相對于未像素合并模式。 在許多情況下，特別是在低光照水平，降低了噪音和所得到的改進的圖像對比度的好處大于理論值的空間分辨率是固有的像素合并過程中的損失。