圖 1：相機傳感器邊緣的熱積聚和暗電流噪聲。隨著長時間曝光熱量的增加，這種噪音會傳播到整個相機，并會影響圖像質量。

科學相機的靈敏度至關重要，如果靈敏度不足，甚至可能無法獲取樣品的清晰圖像。在 Teledyne Photometrics，靈敏度至關重要，我們對高靈敏度相機的方法有兩個：最大化信號收集，并最小化噪聲水平。雖然前者主要取決于 QE 和像素大小，但后者是一個更大的主題。

科學相機上的噪聲是一種誤差，其來源有很多，但主要可分為兩類：

隨機噪聲，例如讀取噪聲、暗電流和光子散粒噪聲。這些在幀與幀之間并不是恒定的，可以通過統計分布來描述，并通過對連續幀進行平均來減少。

圖案噪聲，由特定傳感器像素的微小差異引起，導致較亮或較暗像素的“固定”圖案。

本文重點討論暗電流噪聲，如圖1所示。

暗電流

暗電流由相機傳感器內的熱能產生。當相機傳感器曝光圖像時，相機中的電子器件會加熱傳感器，熱能的積累會導致熱電子在傳感器上積聚。這些熱電子獨立于與落在傳感器上的光子(光強度)成比例生成的光電子。不幸的是，相機傳感器不知道這些類型的電子之間的區別，因此在傳感器像素阱中積累的任何熱電子(以及光電子)在讀出時都會被計為信號，盡管不是來自傳感器的信號的一部分樣品。這就是所謂的暗電流。

每種型號的科學相機，無論是使用 CCD、EMCCD 還是 CMOS 傳感器，都會有暗電流規格。這表示每秒曝光時每個像素上積累的電子數量，通常顯示為 e – /p/s。暗電流越高，相機執行長時間曝光成像的能力就越差。

然而，由于暗電流取決于溫度，因此可以通過冷卻來減少其影響。科學相機可以使用熱電(TE)或珀爾帖冷卻與強制空氣或液體冷卻相結合，以降低傳感器在運行過程中的溫度，如圖2所示。一般來說，傳感器每冷卻 6-7 °C，暗電流的影響就會減半。這就是為什么科學相機通常配備風扇，并在數據表中注明其工作溫度，以減少暗電流等噪聲源的影響。理想情況下，暗電流應減少到在典型曝光時間內其貢獻可以忽略不計的程度。

圖 2：科學相機冷卻和 Citadel Chamber 技術。左圖顯示了采用 Citadel 腔室設計原理的 CMOS 相機內的典型溫度水平(徽標右)。傳感器冷卻絕對均勻，與窗口處于比較好距離，熱量有效排出。

但是，雖然暗電流與溫度有關，但它也與曝光時間有關(e/p/s 中的“第二”部分)。例如，Teledyne Photometrics Prime BSI sCMOS 的典型暗電流為 0.5 e – /p/s，這意味著兩秒的曝光將導致每個像素產生一個電子的暗電流。這里要考慮的重要部分是：您的曝光時間是多長?典型的熒光成像、低光成像和高速成像都具有低信號和短曝光時間的特點，遠低于一秒，通常低于 100 毫秒。當使用高靈敏度相機時，可以在非常短的曝光(遠低于 1 秒)內收集足夠的信號，并且在這些情況下暗電流的積累可以忽略不計。

使用現代相機技術，由于曝光時間短，不需要激進和過度的冷卻。這就是為什么 Teledyne Photometrics 可以制造 Prime BSI Express(無液體冷卻)和 Moment(非冷卻)等相機，由于其高靈敏度和低曝光時間，可以擺脫冷卻，并且不會遇到暗電流問題除非使用 2 秒或更長時間的曝光，否則會產生噪音。

暗電流噪聲和熱像素

雖然科學相機在其數據表上標明了暗電流規格，但這可能因傳感器而異。所述暗電流規格是整個傳感器的整體平均值，暗電流存在變化(稱為暗電流噪聲)，并且存在暗電流大于平均水平的像素(稱為熱像素)。

暗電流噪聲是傳感器上暗電流的統計變化。例如，給定相機的暗電流規格可能為 1.0 e – /p/s。對于四秒曝光，每個像素總共生成四個電子。由于暗電流噪聲遵循泊松統計，因此均方根 (RMS) 暗電流噪聲是暗電流的平方根，在本例中為 2 e – /p。

熱像素的暗電流高于傳感器其余部分的平均水平。雖然這些熱像素只占很小的一部分，但它們會反復具有比其他像素更高的背景值。由于這是傳感器制造過程中產生的影響，因此每個熱像素位置將保持固定，因此可以進行校正，Teledyne Photometrics 相機具有可定制的像素去斑濾鏡，以避免熱像素的任何影響。

CCD/EMCCD 和 CMOS

談到暗電流時需要注意的一個因素是，典型 CCD/EMCCD 的暗電流值遠低于典型 CMOS。例如，與具有暗電流的 Retiga R6 CCD 相比，Prime 95B sCMOS 的暗電流為 0.55 e – /p/s(風冷時，如果使用液體冷卻，該值為 0.3 e – /p/s) 0.00073 e – /p/s。這種低得多的暗電流歷來使得 CCD 在長時間曝光應用中很受歡迎，例如曝光時間為幾分鐘到幾小時的成像發光。

然而，得益于Teledyne Photometrics 的Retiga E7 CMOS， CMOS 技術也已發展到可以實現長時間曝光成像的程度。 Retiga E7 的暗電流低于 0.001 e – /p/s，曝光時間超過一個小時，與 CCD 相比，CMOS 技術還有許多其他優點，例如速度更快、傳感器尺寸更大和易于使用。

概括

暗電流是一個與時間和溫度相關的因素，可能會導致相機傳感器上產生噪聲。曝光時間越長，暗電流的貢獻就越大，這就是為什么相機通常配備冷卻選項和熱像素校正的原因。雖然 CCD 技術的暗電流歷來較低，但具有超低暗電流的 Retiga E7 CMOS 的出現，將長時間曝光成像帶入 CMOS 時代!

審核編輯 黃宇