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尼康显微镜成像CCD信号与噪声比

2014-03-15  发布者:admin 

 对于任何电子测量系统中, 信号-噪声比(SNR)表征了测量的质量,并且确定该系统的最终性能。 用CCD(电荷耦合器件)图像传感器,所述SNR值具体地表示所测量的光信号的比值,以合并的噪声,它由电子系统中所产生的不期望的信号分量,并且与入射光子通量的固有的自然变化。 因为一个CCD传感器通过离散的物理位置的一个阵列收集电荷,信号与噪声的比可以被认为是相对信号强度,相对于测量的不确定性,在每个像素的基础。 在CCD成像系统噪声的三个主要来源是光子噪声 , 暗噪声读取噪声 ,所有这些都在SNR计算必须考虑。

本教程与初始化的信号噪声比为一体化的函数的假设CCD系统具有典型的规格在显微成像应用中使用的高性能相机(曝光)时间的图形绘图的显示。 影响信号噪声比CCD传感器参数可以改变通过使用鼠标重新定位的任何位置显示窗口下方的滑块建模教程系统。 作为各变量改变时,信号 - 噪声比的计算值在左侧黄色框被更新。 在与电子传感器,包括CCD的图像采集,显然随机波动信号强度构成的噪声叠加在信号上,并作为噪声的幅度增加,在所测量的信号不确定性变得更大。 变化直接影响信号电平的因素作出,并且这些变量主要贡献噪声的系统中,对信噪比的逆效应,这反映在所显示的值。 大信号噪声比是很重要的收购高质量的数字图像,并在需要精确的光测量应用中尤为关键。 标记的分级因子的单选按钮可单独选择,以使信号对噪声比的改善与科学CCD相机,其中从邻近像素组的信号产生的电荷的读出过程中,组合成较大的“superpixels”常用的方法。 的分级因子代表的像素被组合以形成更大的每个像素的数目。 当SNR被重新计算,以反映分块操作中,假定该信号是相同的组内的每一个象素。

来自CCD成像系统,在计算SNR利用测得的信号,依赖于光子通量入射到CCD(表示为每像素的光子每秒),设备(其中,1表示100%的效率)的量子效率,并且集成在其上的信号被收集(曝光)时间(秒)。 这三个变量的乘积确定的信号 - 噪声比,这是权衡有助于比率的分母项的所有的噪声源的信号部分(分子)。 本教程中的量子效率滑块提供了20%到98%的调整范围, 光子通量滑块允许选择每像素0.1和10000光子每秒之间的入射光水平。 积分时间滑块调整CCD的积分时间在一定范围为0.1至100秒。

提供用于改变CCD规格为读出噪声 (每像素2〜20的电子有效值)和暗电流 (每秒每像素0.01〜50电子)滑块。 对总噪声的光子噪声的贡献是信号电平的函数,而不是一个独立的噪声变量,可以通过相机的设计或操作方法会降低,但被占的SNR计算。 右手黄色数值字段(检测到的光子/像素 ),显示信号的光子的总数中读出由CCD每个像素超过目前由滑块设置积分周期。 此值表示光子通量,量子效率和积分时间的乘积。 五个滑块的操作,在与相邻的几个单选按钮的同时,产生了一系列对应于大多数操作条件下可能在利用CCD摄像机设计用于低光成像在显微镜中可能遇到的信号 - 噪声比的值。 当教程最初加载或复位时,滑块的位置预设为,是典型用于利用冷却CCD高性能科学级摄像机系统的值。

三个主要的不希望的信号成分(噪声),这会降低一CCD成象装置通过降低信号噪声比的性能,被认为是在计算总SNR:

光子噪声 (有时也被称为散粒噪声 ),从在光子入射到CCD上的到达速率的固有统计变化的结果。 在半导体器件内产生的光电子构成的信号,其大小是由遵循的光子入射到CCD上的泊松统计分布在给定的位置的波动扰动。 光子噪声或测量变差,因此相当于该信号的平方根。

暗噪声来自于CCD,它是独立的光子引起的信号的,但高度依赖于器件温度的硅结构内的热产生的电子的数量的统计变化。 生成热电子在给定的CCD温度的速率被称为暗电流 。 在相似的光子噪声,暗噪声服从泊松关系到暗电流,并且等效于图像的曝光时间内所产生的热电子的数量的平方根。 冷却CCD降低了暗电流显​​着,并且在实践中,高性能的摄像机通常冷却到的温度下的暗电流是可以忽略不计了一个典型的曝光间隔。(本文来源:尼康显微镜成像CCD信号与噪声比

读噪声是固有的变换的CCD的电荷载体转化为量化的电压信号的处理系统的噪声分量,并且随后的处理和模拟-数字转换的组合。 读取噪声的主要贡献通常起源于芯片上的前置放大器,并且该噪声是均匀地加入到每一个图像像素。 高性能摄像系统利用增强型设计,大大降低噪音阅读的意义。

该CCD信号与噪声的比值计算在本教程中使用下面的公式

SNR = PQet / [ PQet + Dt + Nr2 ]1/2

其中P是入射的光子通量(光子/像素/秒),Q(E)表示CCD的量子效率,t为积分时间(秒),D是暗电流值(电子/像素/秒)  N (R)代表读取噪声(有效值电子/像素)。

检查表明,上面的方程简单地构造为在曝光时由归属于前面所述的三个噪声分量的组合的噪声分频后的总信号的比值。 三个噪声源不相关,而分母采用为每个噪声分量相应的值用于光子噪声信号账户的平方根,暗噪声等效的暗电流和积分时间的乘积的平方根,和N(R)-平方对应于所读取的噪声分量的平方根。

信噪比(SNR)使用以前的公式计算假设信号是光的唯一来源。 的不必要的背景光的各种来源,如分散在所述成像系统中,可能产生噪声,并且如果显著,这个背景光子通量(B)必须被添加到该光子噪声成分如下

SNR = PQet / [(P + B)Qet + Dt + Nr2 ]1/2

应当考虑的另一个因素是,事件和背景光子通量,和量子效率的值是波长的函数,并且当宽带照明源被采用时,信号 - 噪声比的计算需要这些变量被集成多用于成像的所有波长。

可以用多种方法来增加在高性能CCD成像系统的信号 - 噪声比。 以减少CCD,其表现为暗电流,特殊设备的制造技术和操作模式有时被采用的半导体层内的热产生电荷。 是很常见的冷却CCD来降低暗电流,以使用热电或低温制冷可以忽略的水平,或如果需要,液氮冷却的极端的方法可以采取。 在一般情况下,高性能CCD传感器表现出一个半减少暗电流为摄氏每5〜9度,因为它们被冷却到低于室温的温度,称为“加倍温度”的规范。 改善此比率通常持续约5至零下10度的温度,超过该暗电流的减少而迅速减弱。 除了专门的电路和电子设计,利用先进的集成商和双采样方法过滤技术有时被用来去除读出噪声的某些组件。

因为光子噪声的CCD信号的检测,不能由相机设计因素降低的固有属性,它本质上代表了“噪声底限”,也就是最小可实现的噪声电平,在相对影响,因为光子通量的增加减少。 因此,理想的是操作成像系统,它是由光子噪声受限的条件下,与其它噪声分量被降低到相对微不足道。 在低照明度条件下(假设暗噪声是由CCD冷却基本上消除),读取噪声大于光子噪声和图像信号被认为是只读的噪声限制 。 相机的曝光时间(累积时间)可以增加,以收集更多的光子,并提高信​​噪比,直到一个点为止在该光子噪声超过读取噪声和暗噪声。 上面这个曝光时间,图像被说成是光子噪声的限制 。

可用于图像形成的光子的数量有限,在许多显微技术的一个关键因素,并且高性能的CCD照相机系统是专门设计来达到的光子噪声受限工作模式比传统的摄像机,它通常从未实现在低得多的信号电平光子噪声性能有限(和适当的高信噪比)在低光照水平。 在宽视场显微镜,这通常采用CCD摄像机,可从标本聚集体积的总信号可以由几个数量级,在很大程度上取决于所采用的成像技术和试样本身发生变化。 10E6每秒(100万美元)的光子从焦点体积,极低的光照水平,的光子通量相当于平均1光子/像素/秒分布在具有100万有效像素的传感器的表面。 作为一个参照点,暗适应眼的最小检出限为约40倍(40元光子/秒)。 正确设计的荧光显微镜通常会产生10E8从焦量10E9每秒光子,或100〜1000光子/像素/秒,相同的100万像素的传感器。 传统的明场成像模式通常产生的照度水平,平均在整个感应区,5000至约40,000光子/像素/秒。 除非积分间隔是很短的,一个宽视场图像的亮区可以产生每像素超过100,000光子共检测到的信号。

图1呈现的信号 - 噪声比与积分(曝光)时间为一个典型的高性能CCD相机在低信号电平设计的成像,以固定在图中所示的值的光子通量和传感器特性的曲线图。 在这种类型中,读 - 噪声有限区域和光子噪声有限区域的曲线图可以被识别,在曝光时间的量光子噪声开始超过读取噪声(约0.15秒为指定的传感器和光束分离值在该图中)。 因为光子噪声信号的平方根关系,这两个地区之间的这种分裂发生,而本总检测每一个像素的信号大约是读出噪声值的平方的曝光时间。 例如,对于每个像素5的电子均方根读噪声规范,光子噪声成为主要噪声源时的曝光时间是足以导致每像素多于25检测到的光子在现有的入射光子通量。 在交互式指南显示一个类似于图1中的曲线图,但变化反映在图形情节,因为每个通过滑块控制的变量进行调节。 除了 ​​计算出的SNR值,显示在左侧,右侧黄色的窗口更新检测到的光子/像素的值,并在图形的变化上部的红色文字讯息,表示读出噪音或光子噪声占主导地位是否由滑块所选择的值。 红色箭头所示的绘制曲线作为当前选定的积分时间的指示。 两个主要的噪声制度之间的过渡假设暗噪声可以忽略不计,这是典型的科学级CCD成像系统的操作,但其他情况都是可能的。 工作在高暗电流水平改变读​​出噪声和光子噪声在一定条件下的相对价值的意义,在这种情况下暗噪声可以压倒信号和其他噪声成分。

一些科学级CCD相机允许执行一个片上像素合并功能作为另一种机制来提高信号的信噪比。应当认识到,这种方法涉及到一个牺牲一些空间分辨率,以及在暗电流随之增加。 通过提高CCD的信号 - 噪声比,所述成像系统是能够达到的光子噪声受限的条件在较低光水平和/或较短的曝光时间。 有些摄像系统会自动利用像素组合模式的显示器预览图像,提供更明亮的图像,以快速的帧速率,这有利于标本的定位和聚焦的显示。 为了证明在计算信噪比这个分级的效果,本教程提供了对应三种分级因素的单选按钮。 按钮标签表示的离散化的像素的数目如下:1的象素,没有分级;组合成一个16个像素,4×4像素阵列; 4像素,2×2像素阵列结合成一体。 图2显示了不同的分级值的曲线上绘制信噪比与曝光时间的变化的影响。 在本教程中用于计算信噪比所使用的公式修改为占分级,如下图所示

SNR = MPQet / [ MPQet + MDt + Nr2 ]1/2

在该修改方程中,符号M表示的离散化的像素的数量,并假设在每个这些像素的信号是相同的。 三条曲线绘制在同典型的CCD规格,并标示在图上,并为一个非常低的样品的信号强度,产生的每个像素40的光子每秒钟入射到传感器上的光子通量。 注意,如果没有像素组合,以实现光子噪声有限的信号电平是必需的大约4秒的曝光时间。 通过实施16像素组合,等效SNR和每个像素检测到的光子的总数,只有0.25秒的曝光时间达到(参见图2),这将允许爽快的预览图像以足够的帧速率,以允许聚焦和试样即使在低亮度图像的定位。 另一个考虑是,使用4秒的积分时间获取的图像将受益于一个近似5倍的改善的信号噪声比与使用16像素组合,相对于未像素合并模式。 在许多情况下,特别是在低光照水平,降低了噪音和所得到的改进的图像对比度的好处大于理论值的空间分辨率是固有的像素合并过程中的损失。