26/01/31一、弱光成像常見(jiàn)問(wèn)題
弱光成像常被視為對(duì)信噪比（SNR）要求最高的成像場(chǎng)景，因此高量子效率、低讀出噪聲的高靈敏度相機(jī)，往往是標(biāo)配。但實(shí)際應(yīng)用中，我們反復(fù)收到這樣的反饋：
"已經(jīng)使用讀出噪聲低于 1 e? 的相機(jī)，弱信號(hào)還是難以區(qū)分。“
"提高相機(jī)增益后，圖像看起來(lái)更亮，但定量結(jié)果并沒(méi)有提高。”
"延長(zhǎng)曝光時(shí)間后，背景反而不干凈，信噪比更不好了。”
這些現(xiàn)象真的是參數(shù)失效嗎？解釋和解決這些問(wèn)題，需要回歸信噪比的本質(zhì)。
二、信噪比本質(zhì)解析
相機(jī)的信噪比(SNR)描述了光信號(hào)與圖像噪聲之間的比率。信噪比越高，圖像越清晰，噪聲越少，成像質(zhì)量就越好。
但圖像并不是“拍下來(lái)”的，而是經(jīng)過(guò)一整條“光子-電子-模擬信號(hào)-數(shù)字信號(hào)-圖像”復(fù)雜鏈路構(gòu)建轉(zhuǎn)化完成。這條鏈路不僅會(huì)將光子轉(zhuǎn)化為信號(hào)電子，還會(huì)在不同環(huán)節(jié)不斷引入與成像無(wú)關(guān)的電子。
圖1：圖像形成鏈路示意圖
以sCMOS相機(jī)為例，信噪比可近似表示為：
SNR = S / √(S + R2 + D x t)
其中：
S：有效信號(hào)電子數(shù)（由光子數(shù)與量子效率、像素面積決定）
D：暗電流（和溫度相關(guān)）
t: 曝光時(shí)間 （和應(yīng)用場(chǎng)景相關(guān)）
R：讀出噪聲（通常假設(shè)為時(shí)間穩(wěn)定的隨機(jī)噪聲）
所謂“弱光成像難”，主要在于光電子數(shù)量受限的條件下，相機(jī)系統(tǒng)鏈路既要實(shí)現(xiàn)有限光信號(hào)的轉(zhuǎn)化，又要最大程度抑制各類(lèi)噪聲源的疊加影響，對(duì)高保真信號(hào)輸出與數(shù)據(jù)可靠性管理提出了極高要求。
三、不同噪聲源優(yōu)化策略解析
高保真信號(hào)輸出與數(shù)據(jù)可靠性管理的要求，既是對(duì)相機(jī)技術(shù)與工藝的挑戰(zhàn)，也深度考驗(yàn)著開(kāi)發(fā)人員對(duì)噪聲源底層物理機(jī)制的理解水平。
正因如此，盡管高靈敏度芯片已被廣泛應(yīng)用，但真正能夠?qū)崿F(xiàn)高信噪比成像的相機(jī)技術(shù)，仍掌握在少數(shù)廠商手中。
1、讀出噪聲 決定了相機(jī)靈敏度閾值
關(guān)鍵場(chǎng)景解析
在許多高速弱光成像場(chǎng)景中，入射光子通常處于極低水平（≤10 e?/pixel），同時(shí)受限于樣本動(dòng)態(tài)過(guò)程或時(shí)間分辨率要求，單幀可累積的有效信號(hào)十分有限。
圖2：原子阱痕量分析（極弱光成像示例）。
這種條件下，讀出噪聲成為系統(tǒng)最小可探測(cè)信號(hào)的主要限制因素，直接決定目標(biāo)信號(hào)是否能夠被有效分辨。
典型場(chǎng)景示例
生物：?jiǎn)畏肿訜晒舛ㄎ怀上?/p>
物理：量子信號(hào)探測(cè)
工業(yè)：平板極低對(duì)比度檢測(cè)
有效優(yōu)化策略解析
讀出噪聲產(chǎn)生于像素電荷信號(hào)在被轉(zhuǎn)換為電壓、放大并量化為數(shù)字信號(hào)的讀出鏈路中。
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圖3：讀出噪聲產(chǎn)生的物理機(jī)制
優(yōu)化策略：讀出噪聲的優(yōu)化需要在讀出速度與噪聲水平之間進(jìn)行權(quán)衡。可行的優(yōu)化路徑主要包括：
· 降低數(shù)據(jù)讀出頻率，減小讀出噪聲貢獻(xiàn)；
· 依靠更好的相機(jī)電子鏈路設(shè)計(jì)，降低讀出過(guò)程中噪聲的引入。
鑫圖相機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)
鑫圖作為國(guó)內(nèi)率先布局 sCMOS 相機(jī)技術(shù)研發(fā)的廠商，憑借與傳感器廠商的長(zhǎng)期深度協(xié)同，沉淀了超 10 年超低噪聲電路架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的專(zhuān)業(yè)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。
依托這一核心優(yōu)勢(shì)，鑫圖可在相機(jī)固件與驅(qū)動(dòng)層面深度調(diào)度芯片底層能力，在系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器性能的充分釋放。
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表1：Aries 系列產(chǎn)品核心技術(shù)參數(shù)。
鑫圖 Aries 系列 高靈敏度相機(jī)全線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了低于 1.0 e? 的超低讀出噪聲水平，可有效應(yīng)對(duì)極端弱光的高信噪比成像挑戰(zhàn)。
其中，旗艦型號(hào) Aries 6504 在高靈敏度低噪讀出模式下，讀出噪聲低至 0.4 e?（RMS），不僅具備穩(wěn)定的單光子級(jí)分辨能力，還能在該模式下實(shí)現(xiàn) 4.2MP 全分辨率近百幀的高速讀出，可兼顧低噪聲與高速成像需求。
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圖4：Aries 6504在高靈敏（單光子級(jí)）模式下的實(shí)測(cè)圖例.
如圖所示：在平均2光子/像素的信號(hào)條件下，信號(hào)曲線(xiàn)有明顯的波峰特征。
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圖5：Aries 6504 vs. Dhyana 400BSI V3(上一代背照式sCMOS相機(jī)，1.1e-讀出噪聲)實(shí)測(cè)圖例對(duì)比。
2、暗電流——長(zhǎng)曝光不可忽略的因素
關(guān)鍵場(chǎng)景解析
在許多弱光成像應(yīng)用中，為獲得足夠的有效信號(hào)，通常需要采用較長(zhǎng)的曝光時(shí)間。此時(shí)，暗電流成為信噪比另一個(gè)不可忽略的因素。
典型場(chǎng)景示例
生物：生物發(fā)光成像
天文：深空長(zhǎng)曝光觀測(cè)
工業(yè)：PL / EL 發(fā)光檢測(cè)
有效優(yōu)化策略解析
暗電流是相機(jī)傳感器內(nèi)部的硅晶格產(chǎn)熱所產(chǎn)生的多余電子，單位是每個(gè)像素每秒產(chǎn)生的電子 (e-/p/s)。
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圖6：暗電流噪聲物理機(jī)制示意
暗電流噪聲源于電子產(chǎn)生事件的隨機(jī)性，符合泊松分布，和曝光時(shí)間相關(guān)；不能通過(guò)讀出或算法消除，只能通過(guò)降低暗電流來(lái)抑制。
傳統(tǒng) CMOS 相機(jī)受限于芯片底層電路架構(gòu)，暗電流控制難度更高，曝光時(shí)間通常小于10 s。因此，長(zhǎng)期在長(zhǎng)曝光應(yīng)用中受限。
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表2：不同暗電流水平相機(jī)長(zhǎng)曝光性能對(duì)比。結(jié)果表明：在相同曝光時(shí)間下，相機(jī)暗電流水平越低，可以更好地滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間曝光的應(yīng)用需求。
優(yōu)化策略：制冷是降低暗電流的主要手段。一般情況下，芯片溫度每降低約 7 °C，暗電流可降低約一半。如圖6所示：相機(jī)制冷后，拍攝的圖像噪聲基線(xiàn)明顯下降，成像背景更均一。
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圖7：制冷前后圖像背景噪聲基線(xiàn)對(duì)比。
鑫圖相機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)
鑫圖先進(jìn)制冷系統(tǒng)不僅支持多級(jí)熱電制冷（Thermoelectric Cooling，縮寫(xiě)：TEC），還突破了高真空維持技術(shù)：可確保在長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行條件下芯片無(wú)水汽凝結(jié)、無(wú)溫度漂移等風(fēng)險(xiǎn)，確保暗噪聲隨時(shí)間變化的一致性與可預(yù)測(cè)性，滿(mǎn)足科學(xué)研究、醫(yī)療儀器等高可靠工程應(yīng)用要求。
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表3：FL系列相機(jī)核心技術(shù)參數(shù)。
鑫圖FL 系列長(zhǎng)曝光CMOS相機(jī)采用高可靠TEC制冷技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)芯片低于環(huán)境溫度50℃的深度制冷，對(duì)應(yīng)暗電流低至 0.0005 e?/p/s，支持?jǐn)?shù)十分鐘曝光下，保持極高的成像信噪比。
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圖8：(a) FL 26BW和CCD相機(jī)的對(duì)比結(jié)果顯示，即使在長(zhǎng)達(dá) 30 分鐘的超長(zhǎng)曝光條件下，F(xiàn)L 26BW 依然表現(xiàn)出顯著優(yōu)于典型深度制冷 CCD（ICX695）的成像性能與信噪比水平。(b) 在 10 分鐘曝光條件下，F(xiàn)L 26BW 的背景噪聲仍保持在極低水平，圖像背景分布均一，未出現(xiàn)明顯的時(shí)間相關(guān)噪聲累積或背景漂移現(xiàn)象。
3、光子散粒噪聲 考驗(yàn)的是相機(jī)軟實(shí)力
關(guān)鍵場(chǎng)景解析
當(dāng)單幀信號(hào)約大于 100e-/pixel 時(shí)，入射光子不再處于極限狀態(tài)，此時(shí)無(wú)論是明場(chǎng)還是暗場(chǎng)，散粒噪聲都是信噪比中的關(guān)鍵影響因素。
典型場(chǎng)景示例
生物：寬場(chǎng)熒光成像
物理：熒光光譜檢測(cè)
工業(yè)：晶圓表面明場(chǎng)檢測(cè)
有效優(yōu)化策略解析
散粒噪聲是由于光子到達(dá)探測(cè)器時(shí)間的不確定性造成的，是一種固有的物理現(xiàn)象，信號(hào)越強(qiáng)，散粒噪聲越強(qiáng)。
散粒噪聲 (e-)=√光電子=√(光子數(shù)*量子效率)
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圖9：散粒噪聲物理機(jī)制示意
優(yōu)化策略：優(yōu)化重點(diǎn)不再是降低相機(jī)本底噪聲，而是提高有效信號(hào)占比，包括：
? 選擇應(yīng)用波段匹配的高QE相機(jī)或延長(zhǎng)曝光時(shí)間
? 通過(guò)背景抑制與算法校正，降低無(wú)效光子干擾
鑫圖相機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)
鑫圖可提供覆蓋X射線(xiàn)、紫外、可見(jiàn)光至近紅外波段的高靈敏度專(zhuān)業(yè)相機(jī)，全線(xiàn)標(biāo)配Mosaic高性能圖像處理軟件。
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圖10：鑫圖專(zhuān)業(yè)相機(jī)產(chǎn)品線(xiàn)
Mosaic軟件基于光子統(tǒng)計(jì)規(guī)律研發(fā)，在保障信號(hào)統(tǒng)計(jì)真實(shí)性的基礎(chǔ)上，提供多種實(shí)時(shí)圖像處理算法及定量分析工具，可顯著提升復(fù)雜背景下弱信號(hào)的可判讀性與定量可靠性。
圖11： Mosaic 軟件功能界面示例。
· 實(shí)時(shí)減背景：減少無(wú)效光子干擾，降低實(shí)驗(yàn)環(huán)境雜散光影響；
· 實(shí)時(shí) 3D 降噪：降低背景隨機(jī)噪聲波動(dòng)，提升成像信噪比；
· 實(shí)時(shí) ROI 分析：實(shí)現(xiàn)從“看圖像”到“讀統(tǒng)計(jì)”的直接轉(zhuǎn)化，為用戶(hù)提供量化可重復(fù)依據(jù)。
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圖11： Mosaic 軟件功能界面示例。
圖12：（a）Dhyana XF95相機(jī)用于氣體高次諧波探測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置圖；（b）實(shí)驗(yàn)中拍攝的原始諧波信號(hào)圖像，圖中背景雜散光干擾嚴(yán)重，目標(biāo)信號(hào)幾乎無(wú)法識(shí)別；（c）經(jīng)鑫圖Mosaic軟件“實(shí)時(shí)減背景”功能處理后得到的高信噪比圖像，目標(biāo)信號(hào)清晰可辨。
四、SNR X 弱光成像總結(jié)
真正的高保真信號(hào)輸出與數(shù)據(jù)可靠性管理，必須建立在系統(tǒng)級(jí)相機(jī)設(shè)計(jì)能力與光子統(tǒng)計(jì)規(guī)律深度理解的雙重基石之上。
鑫圖依托超低讀出噪聲信號(hào)鏈路設(shè)計(jì)、穩(wěn)定可靠的制冷工藝，結(jié)合先進(jìn)圖像處理算法與軟件定量分析工具，構(gòu)建起一套覆蓋多類(lèi)噪聲源的系統(tǒng)級(jí)弱光成像優(yōu)化方案—— 為科學(xué)定量研究與工業(yè)批量檢測(cè)，提供從 “拍得清” 到 “測(cè)得準(zhǔn)” 的全鏈路高可靠性保障。
聯(lián)系我們：在弱光成像領(lǐng)域，成像質(zhì)量從不取決于某一個(gè)孤立參數(shù)。如您正面臨相關(guān)應(yīng)用挑戰(zhàn)，歡迎與鑫圖工程師團(tuán)隊(duì)交流，獲得專(zhuān)業(yè)技術(shù)支持與解決方案。
