導致圖像數據不確定的信號變化稱為噪聲。它可以由傳感器、周圍電子設備、系統溫度和自然波動產生。以下是科學相機可以產生的每個噪聲源的簡短摘要。

讀取噪聲

讀取噪聲是讀取像素內存儲的電荷時相機電子設備產生的噪聲。它是將每個像素的電荷轉換為信號所需的每個系統組件產生的所有噪聲的累積。

讀取噪聲越低，就越容易檢測到可能被較高噪聲水平隱藏的微弱信號。它還允許更高的動態范圍，從而可以更準確地檢測信號電平之間的差異。

CCD、EMCCD、ICCD和InGaAs相機都具有一個讀出結構，來自整個像素陣列的電荷被轉換為該結構。這意味著任何讀取噪聲都遵循高斯分布，檢測器具有峰值讀取噪聲。然而，sCMOS檢測器對每個像素列都有一個讀出結構。這導致讀取噪聲遵循偏斜直方圖而不是高斯分布。因此，sCMOS檢測器的讀取噪聲在數據手冊中同時表示為均方根(RMS)和中位數。RMS更能代表實際讀取噪聲。

暗電流噪聲

暗電流是熱產生的電子的結果，即使傳感器沒有暴露在光線下，這些電子也會積聚在像素上。曝光時間越長，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生的電荷。暗噪點的計算公式為：

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引起的，并根據泊松行為隨機發射。它表示為信號的平方根。雖然它隨著信號的增長而增長，但在低信號應用中更為重要。光子散粒噪聲定義為：

當光子噪聲超過讀取噪聲時，數據被稱為光子散粒噪聲限制。

時鐘感應電荷

時鐘感應電荷 (CIC)，也稱為雜散電荷，是電荷通過器件傳輸產生的電荷。當電荷在像素之間轉移時，發生電離的可能性很小，從而進一步增加不需要的(即不是來自入射光)的電荷。

CIC對圖像的整體噪點貢獻不大，與暗噪點和讀取噪點相比，CIC通常要小得多。然而，EMCCD傳感器利用電離來增強整體電荷，反過來也增加了CIC的可能性。這是因為CIC被EM增益放大，因此隨著信號的增加，噪聲也會增加。

CIC可以通過使用雜散噪聲濾波器進行校正，該濾波器可識別受影響的像素，并將其信號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像素的響應度的微小變化引起的。這些變化包括每個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

噪聲是導致圖像數據不確定性的信號變化。它可由傳感器、電子設備、溫度和系統的波動現象產生。

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

光子散粒噪聲是由光子的自然波動產生的噪聲，是隨機發射的。它無法控制，表示為信號的平方根。雖然它隨著信號的增加而增加，但在較低的信號下更為明顯。

時鐘感應電荷 (CIC) 是通過器件轉移電荷產生的。在轉移過程中，電離的可能性很小，會添加不需要的 CIN。雖然CIC對整體噪聲的貢獻不大，但在EMCCD傳感器中很明顯。當信號通過EM增益成倍增加時，CIC也會成倍增加噪聲。

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

審核編輯 黃宇