锵锵锵！新一期的真相系列又和大家见面啦~~~
在之前的文章中，我们向大家介绍了信噪比及其计算方法，还记得这个公式么？
大家都想要获得信噪比高的图像，但是噪声就像一个如影随形的幽灵，总是出来捣乱。尤其在一些高端显微成像应用中，如转盘式共聚焦、TIRF、单分子荧光成像等，由于信号弱，这时更低的噪声尤为重要。俗话说，知己知彼，方能百战百胜。在接下来的两期文章中，小编就来和大家详细的聊一聊噪声——这个我们无法摆脱的讨厌鬼。
先来明确一下噪声的概念。实际生活中的噪声多种多样，比如声音的噪声、电信号传输的噪声以及相机的噪声等等。噪声是围绕着信号上下波动的不确定性，从统计学上来说，就是标准差。让我们先来看看在成像过程中都会遇到哪些“不确定性”。
散粒噪声 (Photo shot noise)
入射到相机的光子在硅层内被转换成光电子，由于光信号的量子特性，相机捕获到的信号存在一定的不确定性。这就是散粒噪声。大家还记得在信噪比1中我们说过它的值等于信号的平方根：
这里要告诉大家的坏消息是：散粒噪声的存在是一种物理现象，是不能通过相机的设计来减少的，但它却是信噪比中重要的影响因素。想象一下，如果有一个没有任何噪声的理想相机，它拍摄的图像信噪比也不是无穷大的。其图像的信噪比随信号强度变化的曲线如下。
读出噪声 (Read noise)
读出噪声，顾名思义就是相机在读出信号时产生的噪声，是电子通过前置放大器和模-数转换器（ADC）转换为数字信号时引入的不确定性。CCD / EMCCD和sCMOS相机由于传感器的信号读出结构不同，读出噪声也有很大差别。sCMOS相机的读出噪声远低于CCD/EMCCD。
听起来有点抽象？别急，下面就来为大家分别介绍CCD / EMCCD和CMOS传感器的信号读出结构：
CCD / EMCCD 传感器的读出电路中，只有一个前置放大器，然后由模-数转换器 (ADC) 将电压转换成计算机可读取的数字信号（图1）。这意味着每一个像素是以相同的方式被逐个处理的，因此每个像素的读出噪声相同，遵循高斯分布。
图1. CCD结构示意
而CMOS传感器的每个像素都有自己的前置放大器，每列共用一个ADC（图2）。和CCD/EMCCD 每步只读出一个像素相比，CMOS 每步可读出一行，这种结构大大提高了数据读出速度。
图2. CMOS 结构示意
这种并行读出模式也使得CMOS的读出噪声远低于CCD/EMCCD。这是因为读出噪声受读出频率影响，频率越高，读出噪声就越高。CMOS有远多于CCD的读出口，因此其实际工作频率远低于CCD/EMCCD，读出噪声也就相应小很多。
读出噪声低好处多多，首先它让我们能够检测非常微弱的信号，使其不至于被淹没在读出噪声中。尤其是在弱光高速成像中，其他噪声的影响很小，读出噪声定义了相机的探测下限。同时，低的读出噪声还能增加图像的有效动态范围，提高对比度。要降低读出噪声，可以通过改进相机的电子设计或降低读出速度来实现。
小贴士
CMOS相机的datasheet中一般会同时给出读出噪声的均方根 (RMS) 和中位数 (Median)。这是什么意思呢？如果读出噪声的中位数为1e-，也就是说一半的像素的读出噪声少于1e-，另一半多于1e-。CCD/EMCCD 的读出噪声呈高斯分布，其RMS与Median噪声是相同的。然而，由于CMOS相机的读出噪声不再遵循高斯分布，而是呈倾斜分布，其RMS和Median噪声不相等，有一些像素的读出噪声非常高，比如达到3e-。RMS值一般略高于Median值，能够更真实的反映CMOS相机的平均读出噪声。
暗电流 (Dark current)
除了入射光产生电子之外，相机传感器内部的硅晶格产热也能产生电子，这就是暗电流。由于这些电子也会被像素采集，暗电流也成为一种噪声干扰。
暗电流是随时间累积的，因此相机的datasheet上的暗电流均以每个像素每秒产生的的电子(e-/p/s)表示。举个例子， Photometrics 的Prime BSI相机暗电流为0.5e-/p/s，也就是说2s曝光时间单个像素产生的暗电流平均值为1e-。如果曝光时间为200ms，暗电流就只有0.1e-了。这意味着在长时间曝光的应用中，暗电流影响相对较大，是一个需要着重考虑的因素。
因为暗电流是热效应导致的，所以制冷是降低暗电流的主要措施。相机最常用的制冷方法是热电冷却，又称珀尔帖冷却 (Peltier cooling)，即由和传感器相连的散热器进行散热。一般来说，芯片温度每降低7°C，暗电流减半。大家可以对比图3制冷和未制冷的相机成像效果，是不是发现制冷后的信噪比明显好很多？整个世界都清晰了有木有？
图 3. 制冷（左）和非制冷（右）的相机成像效果对比
很多用户在选择相机时常犯的一个错误是只比较相机的制冷温度，认为制冷温度越低成像效果就越好。这里我们要特别强调：相机冷却的目的是减少暗电流，因此暗电流大小才是我们真正应该关心的。
小贴士
在图3中我们不难看出未制冷的相机拍出来的图片不但信噪比差，还有很多的亮点。这些亮点被称为 热点（Hot pixel），它们也是暗电流的一部分，是由于某些像素电荷泄露引起的。Hot pixel亮度也会随着曝光时间增加而累积。不过好在这些Hot pixel的位置是固定的，因此可以通过一些算法将它们去掉。例如QImaging的Retiga R6相机内置的坏点扣除功能（DPC），可以在出厂时记录热点坐标位置，实际拍照时，用周围像素的平均值来替代。
总结一下
1散粒噪声是光信号固有的物理特性，几乎没办法减少，但很多时候却是影响信噪比的最大元凶。
2高速成像中，暗噪声影响几乎可以忽略，读出噪声是主要影响因素。选用读出噪声低的相机（比如sCMOS相机），有助于提高图像信噪比。
3由于暗电流噪声随着曝光时间线性增加，长时间曝光的应用，制冷相机（暗噪声小）会更有优势。
以上讨论了三种主要噪声，那么在成像过程中还有其他哪些噪声在阻碍我们获得完美信噪比的图像呢，我们下期真相继续讨论。
来源：https://www.cnblogs.com/ybqjymy/p/12304690.html