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  • 做成像的你不得不了解的真相9-相机制冷温度越低越好么?

           目前市面上常见的CCD和sCMOS相机多为制冷相机,具体的制冷温度在各个生产厂家和相机型号之间各有不同。大家或许要问,为什么制冷温度会设定的不一样?制冷对图像信噪比有很大影响么?本期真相小编就来给大家详细说说这个问题。

     

           首先还是要上万能的信噪比公式:

     

     大家还记得在噪声系列(上)中我们说了暗电流是受温度影响的,温度每下降7℃暗电流减半。那么一定会有人觉得,温度越低暗电流越小,如果其他条件相同,那肯定信噪比也越好啊!真的是这样么?

     

         让我们用事实说话,做一个小实验来检测制冷温度对信噪比的影响吧!

           我们要比较两种制冷温度和暗电流参数不同的CMOS 相机在不同曝光时间下的信噪比。两种相机使用同样的背照式芯片,因此量子效率和像元尺寸相同,所以收集到的信号相同,散粒噪声也相同。读出噪声均为1.6e-。不同的是,Prime 95B制冷温度-25℃ 暗电流0.3e-/p/s,另外一种相机制冷温度为-45℃,暗电流0.2e-/p/s

     

           接下来让我们分别比较信号为100个电子(模拟中等光照条件)和10个电子(模拟弱光条件)的情况。

           当信号为100个电子时,在10,30,100,200,500和1000ms的曝光时间下,根据信噪比公式,代入具体数值,我们可以算出: 

     

     两者的信噪比在长达1s的曝光时间内完全没有差别!

           那么,我们再来看看在噪声影响相对较大的弱光条件下,情况又如何呢?当信号为10个电子时,不同曝光时间下的信噪比分别为:

     

        Prime 95B和另一台相机的信噪比仍然几乎相同!即使是在长达1s的曝光时间下,两者暗电流的差别也只有0.1e-,信噪比差别仅为0.01。

           因此,正如我们在如影随形的噪声(上)那一篇中所强调的那样,暗电流的大小才是我们需要关心的重点,而不是制冷温度越低越好。尽管两种相机制冷温度相差20℃,但由于暗电流本身非常小,无论是在强光还是弱光条件下,对于信噪比的贡献都非常微弱,可以忽略不计。

     

    总结一下

    • 制冷最重要的作用就是降低暗电流,对于一些需要长时间曝光的应用(如化学发光通常需要几十秒甚至几分钟曝光),暗电流越低越好。

    • 现在科学级相机的暗电流已经很小,通常需要长达几秒甚至更长的曝光时间才能对信噪比产生影响。在弱光高速成像应用中,暗电流对信噪比的影响可以忽略不计

    • 一般来说,-25℃左右的制冷温度已经能够满足绝大部分应用需求。深度制冷需要更为复杂的制冷设备,会增加成本和发生故障的可能性

     

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