如何提升科研級CCD相機成像信噪比?

如果希望提升科研級CCD相機成像的信噪比，改善信號較弱時的成像質量，在相機選型、使用中我們要注意哪些因素呢?大致可以從以下6個方面來綜合考慮：曝光時間，光學系統的素質，像素尺寸，制冷與暗電流，量子效率，讀出噪聲(R)。

影響科研級CCD相機信噪比的因素(1)——曝光時間

無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間(t)越長，信噪比越高的結論。

然而，曝光時間長了，幀速就無法得到保障。曝光時間為1s的時候，無論如何幀速也是無法超過1幀/秒的。

小結：曝光時間的延長能夠提升信噪比，但是會損失幀速。

影響信噪比的因素(2)——光學系統的素質

對于同一樣品發出的信號，光學系統直接影響到落到相機上的光信號強度(即公式中的"P")。對于顯微成像而言，常見的的提升方式就是選擇更好的物鏡;一般而言，數值孔徑(NA)越大，物鏡對信號的收集能力越強。

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"(入射的光子數目);像素尺寸越大，落到一個像素上的光子就越多。在其他參數都一致的情況下，信噪比自然就越高。但過大的像素尺寸會損失相機的分辨率。

小結：在不調節光路僅僅更換相機的情況下(這是非常常見的場景)，采用更大像素尺寸的相機在增加信噪比的同時往往會降低圖像的分辨率。

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")來源于材料中電子的熱運動，所以芯片溫度越高，暗電流越大;對于同一芯片，近似的規律是溫度每下降10度，暗電流減小一半。

當前市場上的中科研相機的暗電流通常都很小，在1s以下曝光時間時，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間會積累，所以越是長曝光時間的應用，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)為光子在相機像素上轉換成為電子的比例。同樣是100個光子落到一個像素上，QE82%意味著相機能夠轉換得到82個電子;QE72%則代表能轉換得到72個電子。顯然，QE越高，相機的信噪比越高。

影響信噪比的因素(6)——讀出噪聲(R)

在信號較弱的成像中，來自信號的散粒噪聲較小;而暗電流的散粒噪聲(即暗噪聲)在當前的科研相機都是很低的，在曝光時間1s這個量級甚至更短的時候，暗噪聲通常可以忽略;此時讀出噪聲(即信噪比公式中的"R")就稱為特別需要考量的因素了。

對于同樣的芯片，讀出噪聲的大小與讀出速度有關，無論對于CCD相機還是sCMOS相機，讀出速度越快，讀出噪聲越高。而sCMOS相對于CCD的一個核心優勢，就是高速讀出時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一起變成了相機被重點關注的兩個參數。單純考察兩者中的一個優勢并不能正確預測成像的信噪比。如圖9所示，同樣拍一個綠色熒光樣品，QE較高的ORCA-Spark成像質量卻不如ORCA-Flash4.0LT，就是因為ORCA-Flash4.0LT的讀出噪聲較低，綜合考慮時ORCA-Flash4.0LT的信噪比更好。

審核編輯 黃宇