鏘鏘鏘！新一期的真相系列又和大家見面啦~~~
在之前的文章中，我們向大家介紹了信噪比及其計算方法，還記得這個公式么？
大家都想要獲得信噪比高的圖像，但是噪聲就像一個如影隨形的幽靈，總是出來搗亂。尤其在一些高端顯微成像應用中，如轉盤式共聚焦、TIRF、單分子熒光成像等，由於信號弱，這時更低的噪聲尤為重要。俗話說，知己知彼，方能百戰百勝。在接下來的兩期文章中，小編就來和大家詳細的聊一聊噪聲——這個我們無法擺脫的討厭鬼。
先來明確一下噪聲的概念。實際生活中的噪聲多種多樣，比如聲音的噪聲、電信號傳輸的噪聲以及相機的噪聲等等。噪聲是圍繞着信號上下波動的不確定性，從統計學上來說，就是標准差。讓我們先來看看在成像過程中都會遇到哪些“不確定性”。
散粒噪聲 (Photo shot noise)
入射到相機的光子在硅層內被轉換成光電子，由於光信號的量子特性，相機捕獲到的信號存在一定的不確定性。這就是散粒噪聲。大家還記得在信噪比1中我們說過它的值等於信號的平方根：
這里要告訴大家的壞消息是：散粒噪聲的存在是一種物理現象，是不能通過相機的設計來減少的，但它卻是信噪比中重要的影響因素。想象一下，如果有一個沒有任何噪聲的理想相機，它拍攝的圖像信噪比也不是無窮大的。其圖像的信噪比隨信號強度變化的曲線如下。
讀出噪聲 (Read noise)
讀出噪聲，顧名思義就是相機在讀出信號時產生的噪聲，是電子通過前置放大器和模-數轉換器（ADC）轉換為數字信號時引入的不確定性。CCD / EMCCD和sCMOS相機由於傳感器的信號讀出結構不同，讀出噪聲也有很大差別。sCMOS相機的讀出噪聲遠低於CCD/EMCCD。
聽起來有點抽象？別急，下面就來為大家分別介紹CCD / EMCCD和CMOS傳感器的信號讀出結構：
CCD / EMCCD 傳感器的讀出電路中，只有一個前置放大器，然后由模-數轉換器 (ADC) 將電壓轉換成計算機可讀取的數字信號（圖1）。這意味着每一個像素是以相同的方式被逐個處理的，因此每個像素的讀出噪聲相同，遵循高斯分布。
圖1. CCD結構示意
而CMOS傳感器的每個像素都有自己的前置放大器，每列共用一個ADC（圖2）。和CCD/EMCCD 每步只讀出一個像素相比，CMOS 每步可讀出一行，這種結構大大提高了數據讀出速度。
圖2. CMOS 結構示意
這種並行讀出模式也使得CMOS的讀出噪聲遠低於CCD/EMCCD。這是因為讀出噪聲受讀出頻率影響，頻率越高，讀出噪聲就越高。CMOS有遠多於CCD的讀出口，因此其實際工作頻率遠低於CCD/EMCCD，讀出噪聲也就相應小很多。
讀出噪聲低好處多多，首先它讓我們能夠檢測非常微弱的信號，使其不至於被淹沒在讀出噪聲中。尤其是在弱光高速成像中，其他噪聲的影響很小，讀出噪聲定義了相機的探測下限。同時，低的讀出噪聲還能增加圖像的有效動態范圍，提高對比度。要降低讀出噪聲，可以通過改進相機的電子設計或降低讀出速度來實現。
小貼士
CMOS相機的datasheet中一般會同時給出讀出噪聲的均方根 (RMS) 和中位數 (Median)。這是什么意思呢？如果讀出噪聲的中位數為1e-，也就是說一半的像素的讀出噪聲少於1e-，另一半多於1e-。CCD/EMCCD 的讀出噪聲呈高斯分布，其RMS與Median噪聲是相同的。然而，由於CMOS相機的讀出噪聲不再遵循高斯分布，而是呈傾斜分布，其RMS和Median噪聲不相等，有一些像素的讀出噪聲非常高，比如達到3e-。RMS值一般略高於Median值，能夠更真實的反映CMOS相機的平均讀出噪聲。
暗電流 (Dark current)
除了入射光產生電子之外，相機傳感器內部的硅晶格產熱也能產生電子，這就是暗電流。由於這些電子也會被像素采集，暗電流也成為一種噪聲干擾。
暗電流是隨時間累積的，因此相機的datasheet上的暗電流均以每個像素每秒產生的的電子(e-/p/s)表示。舉個例子， Photometrics 的Prime BSI相機暗電流為0.5e-/p/s，也就是說2s曝光時間單個像素產生的暗電流平均值為1e-。如果曝光時間為200ms，暗電流就只有0.1e-了。這意味着在長時間曝光的應用中，暗電流影響相對較大，是一個需要着重考慮的因素。
因為暗電流是熱效應導致的，所以制冷是降低暗電流的主要措施。相機最常用的制冷方法是熱電冷卻，又稱珀爾帖冷卻 (Peltier cooling)，即由和傳感器相連的散熱器進行散熱。一般來說，芯片溫度每降低7°C，暗電流減半。大家可以對比圖3制冷和未制冷的相機成像效果，是不是發現制冷后的信噪比明顯好很多？整個世界都清晰了有木有？
圖 3. 制冷（左）和非制冷（右）的相機成像效果對比
很多用戶在選擇相機時常犯的一個錯誤是只比較相機的制冷溫度，認為制冷溫度越低成像效果就越好。這里我們要特別強調：相機冷卻的目的是減少暗電流，因此暗電流大小才是我們真正應該關心的。
小貼士
在圖3中我們不難看出未制冷的相機拍出來的圖片不但信噪比差，還有很多的亮點。這些亮點被稱為 熱點（Hot pixel），它們也是暗電流的一部分，是由於某些像素電荷泄露引起的。Hot pixel亮度也會隨着曝光時間增加而累積。不過好在這些Hot pixel的位置是固定的，因此可以通過一些算法將它們去掉。例如QImaging的Retiga R6相機內置的壞點扣除功能（DPC），可以在出廠時記錄熱點坐標位置，實際拍照時，用周圍像素的平均值來替代。
總結一下
1散粒噪聲是光信號固有的物理特性，幾乎沒辦法減少，但很多時候卻是影響信噪比的最大元凶。
2高速成像中，暗噪聲影響幾乎可以忽略，讀出噪聲是主要影響因素。選用讀出噪聲低的相機（比如sCMOS相機），有助於提高圖像信噪比。
3由於暗電流噪聲隨着曝光時間線性增加，長時間曝光的應用，制冷相機（暗噪聲小）會更有優勢。
以上討論了三種主要噪聲，那么在成像過程中還有其他哪些噪聲在阻礙我們獲得完美信噪比的圖像呢，我們下期真相繼續討論。