科学相机暗电流介绍

图 1：相机传感器边缘的热积聚和暗电流噪声。随着长时间曝光热量的增加，这种噪音会传播到整个相机，并会影响图像质量。

科学相机的灵敏度至关重要，如果灵敏度不足，甚至可能无法获取样品的清晰图像。在 Teledyne Photometrics，灵敏度至关重要，我们对高灵敏度相机的方法有两个：最大化信号收集，并最小化噪声水平。虽然前者主要取决于 QE 和像素大小，但后者是一个更大的主题。

科学相机上的噪声是一种误差，其来源有很多，但主要可分为两类：

随机噪声，例如读取噪声、暗电流和光子散粒噪声。这些在帧与帧之间并不是恒定的，可以通过统计分布来描述，并通过对连续帧进行平均来减少。

图案噪声，由特定传感器像素的微小差异引起，导致较亮或较暗像素的“固定”图案。

本文重点讨论暗电流噪声，如图1所示。

暗电流

暗电流由相机传感器内的热能产生。当相机传感器曝光图像时，相机中的电子器件会加热传感器，热能的积累会导致热电子在传感器上积聚。这些热电子独立于与落在传感器上的光子(光强度)成比例生成的光电子。不幸的是，相机传感器不知道这些类型的电子之间的区别，因此在传感器像素阱中积累的任何热电子(以及光电子)在读出时都会被计为信号，尽管不是来自传感器的信号的一部分样品。这就是所谓的暗电流。

每种型号的科学相机，无论是使用 CCD、EMCCD 还是 CMOS 传感器，都会有暗电流规格。这表示每秒曝光时每个像素上积累的电子数量，通常显示为 e – /p/s。暗电流越高，相机执行长时间曝光成像的能力就越差。

然而，由于暗电流取决于温度，因此可以通过冷却来减少其影响。科学相机可以使用热电(TE)或珀尔帖冷却与强制空气或液体冷却相结合，以降低传感器在运行过程中的温度，如图2所示。一般来说，传感器每冷却 6-7 °C，暗电流的影响就会减半。这就是为什么科学相机通常配备风扇，并在数据表中注明其工作温度，以减少暗电流等噪声源的影响。理想情况下，暗电流应减少到在典型曝光时间内其贡献可以忽略不计的程度。

图 2：科学相机冷却和 Citadel Chamber 技术。左图显示了采用 Citadel 腔室设计原理的 CMOS 相机内的典型温度水平(徽标右)。传感器冷却绝对均匀，与窗口处于比较好距离，热量有效排出。

但是，虽然暗电流与温度有关，但它也与曝光时间有关(e/p/s 中的“第二”部分)。例如，Teledyne Photometrics Prime BSI sCMOS 的典型暗电流为 0.5 e – /p/s，这意味着两秒的曝光将导致每个像素产生一个电子的暗电流。这里要考虑的重要部分是：您的曝光时间是多长?典型的荧光成像、低光成像和高速成像都具有低信号和短曝光时间的特点，远低于一秒，通常低于 100 毫秒。当使用高灵敏度相机时，可以在非常短的曝光(远低于 1 秒)内收集足够的信号，并且在这些情况下暗电流的积累可以忽略不计。

使用现代相机技术，由于曝光时间短，不需要激进和过度的冷却。这就是为什么 Teledyne Photometrics 可以制造 Prime BSI Express(无液体冷却)和 Moment(非冷却)等相机，由于其高灵敏度和低曝光时间，可以摆脱冷却，并且不会遇到暗电流问题除非使用 2 秒或更长时间的曝光，否则会产生噪音。

暗电流噪声和热像素

虽然科学相机在其数据表上标明了暗电流规格，但这可能因传感器而异。所述暗电流规格是整个传感器的整体平均值，暗电流存在变化(称为暗电流噪声)，并且存在暗电流大于平均水平的像素(称为热像素)。

暗电流噪声是传感器上暗电流的统计变化。例如，给定相机的暗电流规格可能为 1.0 e – /p/s。对于四秒曝光，每个像素总共生成四个电子。由于暗电流噪声遵循泊松统计，因此均方根 (RMS) 暗电流噪声是暗电流的平方根，在本例中为 2 e – /p。

热像素的暗电流高于传感器其余部分的平均水平。虽然这些热像素只占很小的一部分，但它们会反复具有比其他像素更高的背景值。由于这是传感器制造过程中产生的影响，因此每个热像素位置将保持固定，因此可以进行校正，Teledyne Photometrics 相机具有可定制的像素去斑滤镜，以避免热像素的任何影响。

CCD/EMCCD 和 CMOS

谈到暗电流时需要注意的一个因素是，典型 CCD/EMCCD 的暗电流值远低于典型 CMOS。例如，与具有暗电流的 Retiga R6 CCD 相比，Prime 95B sCMOS 的暗电流为 0.55 e – /p/s(风冷时，如果使用液体冷却，该值为 0.3 e – /p/s) 0.00073 e – /p/s。这种低得多的暗电流历来使得 CCD 在长时间曝光应用中很受欢迎，例如曝光时间为几分钟到几小时的成像发光。

然而，得益于Teledyne Photometrics 的Retiga E7 CMOS， CMOS 技术也已发展到可以实现长时间曝光成像的程度。 Retiga E7 的暗电流低于 0.001 e – /p/s，曝光时间超过一个小时，与 CCD 相比，CMOS 技术还有许多其他优点，例如速度更快、传感器尺寸更大和易于使用。

概括

暗电流是一个与时间和温度相关的因素，可能会导致相机传感器上产生噪声。曝光时间越长，暗电流的贡献就越大，这就是为什么相机通常配备冷却选项和热像素校正的原因。虽然 CCD 技术的暗电流历来较低，但具有超低暗电流的 Retiga E7 CMOS 的出现，将长时间曝光成像带入 CMOS 时代!

审核编辑 黄宇