计算相机的信噪比

一个重要的参数，经常用来评估相机的灵敏度是信噪比．这可以用来确定不同的相机在模拟给定研究条件的光体制下的表现。在本文中，我们将通过观察信号和噪声元素来研究典型CCD或sCMOS相机的信号到噪声的理论预测。

信号

如果我们假设有很多光子P落在一个量子效率为D的相机像素上_{量化宽松政策}这将产生一个N的信号_e电子如下图所示

噪声-光子射击噪声

入射光子对信号本身具有固有的噪声变化或不确定性。这被称为光子“射击”噪声。由于光子服从泊松统计，信号噪声可以描述为:

来自相机本身的噪声源

相机的内部过程产生噪声。其中一些很大程度上是由传感器设计本身决定的，但传感器如何实现和封装到相机设计中也会影响这些。
这些噪声源是:

读出这是传感器读出过程产生的噪声。

黑暗是由热产生的电子产生的噪声(通常称为暗信号，因为它是在没有光的情况下产生的。暗电流可以通过冷却传感器来降低点击这里阅读sCMOS相机中冷却对暗电流的影响。

其他噪声源- EMCCD

为EMCCD相机还有一个额外的噪声因子，称为“电磁噪声”或“过量噪声因子”。这是电磁增益放大的结果，有效地增加了1.41倍的射击噪声。请注意，这不是额外的噪声，而是信号可变性的增加。当考虑EMCCD摄像机时，必须考虑这个额外的噪声因素。

其他噪声源- sCMOS

对于sCMOS相机，每个像素实际上都有自己的放大器。这样做的一个影响是，某些像素将具有更高或更低的读噪声值。的sCMOS摄像机的读取噪声具有非对称分布，可以被描述为中位数和/或均方根值。虽然sCMOS相机通常指定中值，但当考虑信噪比时，使用的是均方根值。

sCMOS传感器架构的另一个噪声考虑因素是固定模式噪声．由于每个像素之间的微小差异，它们对光线的响应也会有微小差异。一个正确优化的相机使用“像素地图”来解释这些差异，因此固定的模式噪声通常不是一个问题。固定模式噪声不是信号对噪声计算的一个因素，因此在其他文章中有更详细的介绍。

结合信号和噪声成分

我们可以将信号和噪声分量放在一起，并生成典型CCD或sCMOS相机的信噪比表达式:

将噪声的表达式代入，我们可以看到相机的信噪比方程如下:

热噪声分量N_黑暗是温度和曝光时间的函数。

• 对于低曝光时间的实验，如活细胞实验，曝光时间为10-50毫秒。当与适度的传感器冷却相结合时，在这些应用中暗电流将可以忽略不计。万博电脑网页版登录因此，这些类型的实验通常最适合sCMOS相机如Andor Zyla, Sona或Marana具有高灵敏度，低读取噪声和高帧率能力。
• 对于需要几秒到几分钟的较长曝光时间且读取速度不是很关键的实验，暗电流成为主要噪声源，这就更需要深入冷却，高QE，低暗电流的相机设计，如深冷却背光CCD相机，如圣像系列用于成像或牛顿CCD和EMCCD系列光谱学。
• 注意，超灵敏iXon EMCCD系列由于该相机技术提供了高灵敏度、极低暗电流和灵活性，适合短曝光和长曝光实验。

信噪比曲线

信号噪声比曲线可以以每像素为基础或以每单位面积为基础绘制。不同的相机传感器将有不同的像素大小和传感器大小，所以在进行不同传感器之间的比较时，考虑这些参数是很重要的。

的Andor信噪比计算器可用于在相机之间进行有用的比较或用于不同的设置，如曝光时间。a的信噪比的示例图Zyla 4.2 Plus sCMOS相机与iXon Ultra 888 EMCCD相机的对比如图1所示(以每像素表示)。

从这个例子中我们可以学到几点:

• 当我们比较两个相机在每个像素的基础上iXon EMCCD Ultra 888相机在低亮度下有更好的信噪比。请注意，如果我们使用(2x2)分箱来考虑像素大小，并以牺牲空间分辨率为代价来改善信噪比性能，仍然会看到类似的关系。
• EMCCD相机当然以其灵敏度而闻名，这应该转化为成像术语，能够使用更短的曝光，比sCMOS相机更低的照明强度。
• 在较高的光照水平下，Zyla sCMOS相机可以看到比EMCCD相机有更高的信噪比。这是由于EMCCD相机电磁噪声的影响，随着入射光信号的增加而增加。因此，对于光线不受限制的应用，Zyla sCMOS相机将是一个更好的选择，因为在这些条件下，sCMOS相机还将提供更高的分万博电脑网页版登录辨率和帧率。

信噪比是一个有用的工具，可以帮助比较不同相机的灵敏度，或查看调整相机设置的影响。最终，这些理论比较应该跟进相机演示，以确认性能适合任何给定的实验设置的独特参数。