如何提升科研成像信噪比？从这6个因素出发来看看！

成像结果是一款科研相机是否优秀的直接评判标准。而一般来讲，我们会从3个重要特征来看：

· 黑白还是彩色

彩色相机能带来颜色信息，但灵敏度和分辨率都不及同参数的黑白相机。

· 帧速

无论是高速移动的样品还是一闪而过的光信号，都需要高帧速相机才有可能采集到。

· 成像质量

影响成像质量（或者经常听到“清晰度”这样的口头表述）的因素，包括信噪比和分辨率。无论是信噪比过低，还是分辨率过低，都无法得到让人满意的图片，如下图：

信噪比和分辨率对成像质量的影响

关于分辨率，在往期文章中有讨论过（跳转阅读），今天我们在这里则主要讨论影响着成像质量的另一个重要因素——信噪比。

首先，我们来看一下啥是“信噪比”。

在相机的成像过程中，除了真实的信号，还会引入一系列的不确定性（光信号本身的不确定性、材料热运动，电子学噪声等等）——称为噪声。而信号与噪声的比值被定义为“信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）”。

相机的信噪比可以通过如下公式计算得出：

公式中的分子部分就是“信号”。单位时间的入射光子数目（P，即信号的强度）乘以曝光时间（t），即为入射光子的总数目。其中有一定比例（QE，量子效率）被相机转换为电荷，最终成为相机成像的“信号”。

而公式中的分母部分则是“噪声”。看着分母上那一大串，大家估计也能感到到其组成部分应该挺复杂的。确实，组成“噪声”的有3个部分：

# 第一部分 #

来自“真实信号”的散粒噪声

如何理解这个“散粒噪声”呢？打个比方，原始的光信号对应每秒钟100个光子落到一个像素上，但实际的情况却有可能是第一个一秒钟落下了97个光子，第二个一秒钟落下了104个光子，第三个一秒钟落下来101个光子，等等等等。这种不确定性就是散粒噪声的来源。

# 第二个部分 #

来自“暗电流”的散粒噪声

由于相机的芯片是Si（或者InGaAs等其他材料），只要不是绝对零度，材料本身的热运动也有几率产生会被当作“信号”读出的电子——称之为暗电流。

暗电流可以随着时间而积累。虽然暗电流是可能通过后期算法给扣除的，但是其不确定性，或者说来自于暗电流的散粒噪声却无法消除。

# 第三个部分 #

读出噪声

读出噪声的来源很多，实际操作中，将相机的盖子关闭（即没有任何光信号），采用最短的曝光时间（尽可能排除暗电流/暗噪声的影响）所得到的图像中的像素值的不确定性，就被记为读出噪声。

读出噪声是一个笼统但是很有实用性的概念——尤其在高速弱光成像中，因为此时曝光时间很短，所以暗电流/暗噪声都很小，主要的噪声来源就是读出噪声。

由于以上三种噪声来源互不相关，所以，总噪声就等于其平方和再取平方根。

对于特定的拍摄条件，读出噪声和暗电流都是固定的。所以信号越强，其散粒噪声也越大，继而成为噪声的主要来源。此时信噪比公式可以近似为：

但是，在大部分的科研成像应用中，所需要捕捉的信号都比较微弱。信号一弱，来自信号的散粒噪声就很小，此时读出噪声和暗电流的影响就不能忽略了。

那么，如果希望提升成像的信噪比，改善信号较弱时的成像质量，在相机选型、使用中我们要注意哪些因素呢？

大致来说，可以从以下6个方面来综合考虑：

长按识别以下二维码（或点文末击“阅读原文”），进入滨松技术文章网站阅读完整文章。我们将针对以上6个因素，结合大量图例，逐个为大家展开详细又生动的解析。最精华的部分，不要错过哦~

编辑：滨小编

小编传送门

更多精彩内容

相机像素尺寸和成像系统分辨率之间，有什么关系？

这6点都不知道，你怎么能选好科研/工业相机呢？

sCMOS相机高速成像性能在生物领域的应用？看看就知道