Соотношение сигнал / шум CCD. Часть 4
Thomas J. Fellers, Kimberly M. Vogt, и Michael W. Davidson
Для любой электронной измерительной системы отношение сигнал / шум ( SNR ) характеризует качество измерения и определяет конечную производительность системы. Многие цифровые камеры для микроскопии используют датчик изображения CCD (прибор с зарядовой связью), значение SNR, в частности, представляет отношение измеренного светового сигнала к комбинированному шуму, который состоит из нежелательных компонентов сигнала, возникающих в электронной системе, и естественного отклонения потока падающих фотонов. Поскольку ПЗС-датчик собирает заряд в массиве дискретных физических местоположений, отношение сигнал / шум можно рассматривать как относительную величину сигнала по сравнению с неопределенностью измерения для каждого пикселя. Три основных источника шума в системе визуализации CCD - это фотонный шум , темный шум и шум считывания , которые все должны учитываться при расчете SNR.
Учебное пособие инициализируется отображением графического графика отношения сигнал / шум как функции времени интегрирования (экспонирования) для гипотетической ПЗС-системы со спецификациями, типичными для высокопроизводительных камер, используемых в приложениях микроскопической визуализации. Параметры, которые влияют на отношение сигнал / шум для датчика ПЗС, могут изменяться для системы, смоделированной в учебном пособии, с помощью мыши для изменения положения любых ползунков, расположенных под окном дисплея. При изменении каждой переменной вычисленное значение отношения сигнал / шум обновляется в желтом поле слева. Во время получения изображения с помощью электронных датчиков, включая ПЗС-матрицы, случайные флуктуации интенсивности сигнала представляют собой шум, накладываемый на сигнал, и по мере увеличения величины шума неопределенность в измеряемом сигнале становится больше. Изменения, внесенные в факторы, которые непосредственно влияют на уровень сигнала, и на те переменные, которые в первую очередь вносят шум в систему, оказывают обратное влияние на SNR, что отражается в отображаемом значении. Большое отношение сигнал / шум важно для получения высококачественных цифровых изображений и особенно важно для приложений, требующих точных измерений освещенности. Переключатели, помеченные как Binning Factor, могут выбираться индивидуально, чтобы включить метод улучшения отношения сигнал / шум, обычно используемый в научных CCD-камерах, в котором генерируемый сигналом заряд от групп соседних пикселей объединяется во время считывания в более крупные «суперпиксели». , Коэффициент биннинга представляет количество пикселей, которые объединяются для формирования каждого большего пикселя. Когда SNR пересчитывается для отражения операции бинирования, предполагается, что сигнал одинаков для каждого пикселя в группе.
Измеренный сигнал от системы формирования изображений ПЗС, используемый при расчете ОСШ, зависит от потока фотонов, падающих на ПЗС (выраженного в виде фотонов на пиксель в секунду), квантовой эффективности устройства (где 1 представляет эффективность 100 процентов) и время интегрирования (экспозиции), в течение которого собирается сигнал (в секундах). Произведение этих трех переменных определяет часть сигнала (числитель) отношения сигнал / шум, которое взвешивается по отношению ко всем источникам шума, которые вносят вклад в знаменатель слагаемого отношения. Слайдер Quantum Efficiency в учебном пособии обеспечивает диапазон регулировки от 20 до 98 процентов, а ползунок Photon Flux позволяет выбирать уровни падающего света от 0,1 до 10000 фотонов на пиксель в секунду. Ползунок « Время интеграции» регулирует время интеграции ПЗС в диапазоне от 0,1 до 100 секунд.
Ползунки предназначены для изменения спецификаций ПЗС для шума считывания (от 2 до 20 электронов на пиксель) и для темнового тока (от 0,01 до 50 электронов на пиксель в секунду). Вклад фотонного шума в общий шум является функцией уровня сигнала и не является независимой переменной шума, которая может быть уменьшена с помощью конструкции камеры или метода работы, но учитывается при расчете ОСШ. Правое желтое числовое поле (« Обнаруженные фотоны / пиксели» ) отображает общее количество фотонов сигнала, считываемых ПЗС-матрицей, для каждого пикселя за период интеграции, установленный в настоящее время ползунком. Это значение представляет собой произведение потока фотонов, квантовой эффективности и времени интегрирования. Манипуляции с пятью ползунками в сочетании с переключателями, расположенными рядом с несколькими, дают диапазон значений отношения сигнал / шум, соответствующих большинству рабочих условий, которые могут встретиться при использовании ПЗС-камер, предназначенных для съемки в условиях слабого освещения в микроскопии. Когда учебное пособие изначально загружено или сброшено, ползунок по умолчанию устанавливает значения, типичные для высокопроизводительной системы камер научного класса, использующей охлажденную ПЗС.
Три основных нежелательных компонента сигнала (шум), которые ухудшают рабочие характеристики устройства формирования изображения ПЗС за счет снижения отношения сигнал / шум, учитываются при расчете общего отношения сигнал / шум :
Фотонный шум (иногда называемый дробовым шумом ) является результатом присущего статистическому изменению скорости поступления фотонов, падающих на ПЗС. Фотоэлектроны, генерируемые в полупроводниковом устройстве, составляют сигнал, величина которого возмущается флуктуациями, которые следуют за пуассоновским статистическим распределением фотонов, падающих на ПЗС в данном месте. Следовательно, фотонный шум или изменение измерения эквивалентны квадратному корню из сигнала.
Темный шум возникает из-за статистического изменения количества электронов, термически генерируемых в кремниевой структуре ПЗС, которая не зависит от фотон-индуцированного сигнала, но сильно зависит от температуры устройства. Скорость генерации тепловых электронов при заданной температуре ПЗС называется темновым током . Подобно фотонному шуму, темный шум следует за отношением Пуассона к темновому току и эквивалентен квадратному корню из числа тепловых электронов, генерируемых в течение времени экспонирования изображения. Охлаждение ПЗС-матрицы значительно снижает темновой ток, и на практике высокопроизводительные камеры обычно охлаждают до температуры, при которой темновой ток незначителен в течение типичного интервала выдержки.
Шум считывания представляет собой комбинацию компонентов шума системы, присущих процессу преобразования носителей заряда ПЗС в сигнал напряжения для количественной оценки, а также последующей обработки и аналого-цифрового преобразования. Основной вклад в шум чтения обычно вносится встроенным предварительным усилителем, и этот шум равномерно добавляется к каждому пикселю изображения. Высокопроизводительные системы камер используют усовершенствования конструкции, которые значительно снижают значимость шума при чтении.
Расчет отношения сигнал / шум ПЗС в учебнике использует следующее уравнение :
Дополнительным фактором, который следует учитывать, является то, что значения падающего и фонового потока фотонов, а также квантовая эффективность являются функциями длины волны, и когда используются широкополосные источники освещения, расчет отношения сигнал / шум требует, чтобы эти переменные были интегрированы по все длины волн, используемые для визуализации.
Различные подходы используются для увеличения отношения сигнал / шум в высокопроизводительных системах формирования изображений ПЗС. Для уменьшения генерации теплового заряда в полупроводниковых слоях ПЗС, который проявляется в виде темнового тока, иногда используются специальные методы изготовления устройств и режимы работы. Обычно ПЗС охлаждают для уменьшения темнового тока до незначительного уровня с использованием термоэлектрического или криогенного охлаждения, или, если необходимо, может быть использован экстремальный подход охлаждения жидким азотом. Как правило, высокопроизводительные ПЗС-датчики демонстрируют половину снижения темнового тока на каждые 5–9 градусов Цельсия, когда они охлаждаются ниже комнатной температуры, спецификация, называемая «температурой удвоения». Эта скорость улучшения обычно продолжается до температуры приблизительно 5-10 градусов ниже нуля, после которой уменьшение темнового тока быстро уменьшается. В дополнение к разработке специализированных схем и электроники иногда используются методы фильтрации с использованием передовых интеграторов и методов двойной выборки для удаления определенных компонентов шума считывания.
Поскольку фотонный шум является неотъемлемым свойством обнаружения сигнала ПЗС, которое не может быть уменьшено конструктивными факторами камеры, он, по сути, представляет собой «минимальный уровень шума», который является минимально достижимым уровнем шума, уменьшая относительный эффект по мере увеличения потока фотонов. Следовательно, желательно эксплуатировать систему формирования изображения в условиях, которые ограничены фотонным шумом, а другие компоненты шума уменьшены до относительной незначительности. В условиях низкого уровня освещенности (при условии, что темный шум по существу устраняется путем охлаждения ПЗС), шум считывания больше, чем шум фотонов, а сигнал изображения называется ограниченным шумом считывания . Время экспозиции камеры (время интегрирования) может быть увеличено для сбора большего количества фотонов и увеличения SNR, пока не будет достигнута точка, в которой фотонный шум превышает как шум считывания, так и темный шум. Выше этого времени экспозиции говорят, что изображение ограничено фотонным шумом .
Ограниченное количество фотонов, доступных для формирования изображения, является критическим фактором во многих методах микроскопии, и высокопроизводительные системы ПЗС-камер специально предназначены для достижения режима работы с ограниченным фотонным шумом при гораздо более низких уровнях сигнала, чем у обычных камер, которые обычно никогда не достигают ограниченная производительность по фотонному шуму (и соответственно высокое SNR) при низких уровнях освещенности. В широкоугольных микроскопах, в которых обычно используются ПЗС-камеры, суммарный сигнал, доступный от фокусного объема образца, может варьироваться на несколько порядков, в основном в зависимости от применяемой техники визуализации и самого образца. Поток фотонов в 10e6 (1 миллион) фотонов в секунду от фокального объема, чрезвычайно низкий уровень освещенности, эквивалентен среднему значению 1 фотон / пиксель / секунда, распределенному по поверхности датчика, имеющего 1 миллион активных пикселей. Для справки: минимальный предел обнаружения адаптированного к темноте глаза примерно в 40 раз больше (40 миллионов фотонов в секунду). Правильно спроектированный флуоресцентный микроскоп обычно дает от 10e8 до 10e9 фотонов в секунду от фокусного объема или от 100 до 1000 фотонов / пиксель / секунду с тем же 1-мегапиксельным датчиком. Обычный режим визуализации в светлых полях обычно дает уровни освещенности, усредненные по всей площади сенсора, от 5000 до приблизительно 40000 фотонов / пиксель в секунду. Если интервал интегрирования не очень мал, яркие области широкопольного изображения могут генерировать общий обнаруженный сигнал более 100 000 фотонов на пиксель.
На рисунке 1 представлен график зависимости отношения сигнал / шум от времени интегрирования (экспозиции) для типичной высокопроизводительной ПЗС-камеры, предназначенной для получения изображений при низких уровнях сигнала, при этом поток фотонов и характеристики датчика зафиксированы на значениях, показанных на рисунке. На графике этого типа можно идентифицировать ограниченную область считывающего шума и ограниченную область фотонного шума, разделенные во время экспозиции, для которого фотонный шум начинает превышать шум чтения (приблизительно 0,15 секунды для датчика и указанных значений светового потока на рисунке). Из-за квадратно-корневого отношения фотонного шума к сигналу это разделение между двумя областями происходит во время экспозиции, в течение которого общий обнаруженный сигнал на пиксель приблизительно равен квадрату значения считанного шума. Например, со спецификацией шума считывания, равной 5 электронным среднеквадратичным значениям на пиксель, фотонный шум становится доминирующим источником шума, когда время экспозиции является достаточным для получения более 25 детектированных фотонов на пиксель при существующем потоке падающих фотонов. Интерактивное учебное пособие отображает график, аналогичный графику на рисунке 1, но отражает изменения в графическом графике при настройке каждой из переменных, управляемых ползунком. В дополнение к вычисленному значению SNR, показанному слева, в правом желтом окне обновляется значение « Обнаруженные фотоны / пиксели» , а красное текстовое сообщение в верхней части графика изменяется, чтобы указать, преобладает ли шум чтения или фотонный шум. для значений, выбранных ползунками. Красная стрелка следует за нанесенной кривой как указание текущего выбранного времени интеграции. Переход между двумя режимами с доминирующим шумом предполагает, что темный шум незначителен, что типично при работе систем визуализации CCD научного уровня, хотя возможны и другие ситуации. Работа при высоких уровнях темнового тока изменяет значимость относительных значений шума считывания и фотонного шума при некоторых условиях, и в таких условиях темный шум может подавлять как составляющие сигнала, так и другие составляющие шума.
Некоторые ПЗС-камеры научного уровня позволяют реализовать встроенную функцию разделения пикселей на кристалле в качестве еще одного механизма повышения отношения сигнал / шум. Следует понимать, что этот метод предполагает потерю некоторого пространственного разрешения, а также сопутствующее увеличение темнового тока. Благодаря улучшению отношения сигнал / шум ПЗС, система формирования изображения способна достичь условий с ограниченным фотонным шумом при более низком уровне освещенности и / или более коротком времени воздействия. Некоторые системы камер автоматически используют режим связывания пикселей для отображения на мониторе изображения предварительного просмотра, чтобы обеспечить более яркое изображение с высокой частотой кадров, что облегчает позиционирование и фокусировку образца. Чтобы продемонстрировать этот эффект биннинга на рассчитанном SNR, в руководстве предусмотрены переключатели, соответствующие трем факторам биннинга. Надписи на кнопках указывают количество элементов в бин-бэнке следующим образом : 1 пиксель, биннинг отсутствует; 4 пикселя, массив 2х2 пикселя, объединенный в один; 16 пикселей, массив 4х4 пикселей, объединенный в один. Рисунок 2 иллюстрирует влияние различных значений биннинга на кривые, отображающие изменение SNR в зависимости от времени воздействия. Уравнение, используемое в руководстве для расчета SNR, модифицируется для учета биннинга, как показано ниже :
В этом модифицированном уравнении символ М представляет количество дискретизированных пикселей, и предполагается, что сигнал в каждом из этих пикселей одинаков. Три кривые построены для тех же типичных спецификаций ПЗС, которые указаны на графике, и для очень низкой интенсивности сигнала образца, создавая поток фотонов 40 фотонов на пиксель в секунду, падающий на датчик. Обратите внимание, что без объединения пикселей время экспозиции около 4 секунд требуется для достижения уровня сигнала с ограниченным фотонным шумом. Благодаря реализации 16-пиксельного биннинга эквивалентное SNR и общее количество обнаруженных фотонов на пиксель достигается при времени экспозиции всего 0,25 секунды (см. Рисунок 2), что позволило бы обновить изображение предварительного просмотра с адекватной частотой кадров, чтобы позволить фокусировку и позиционирование образца даже при низкой интенсивности изображения. Другое соображение состоит в том, что изображение, полученное с использованием времени интеграции 4 секунды, выиграло бы от приблизительно 5-кратного улучшения отношения сигнал / шум с использованием 16-пиксельного преобразования по сравнению с режимом без обработки. Во многих ситуациях, особенно при низких уровнях освещенности, преимущества снижения шума и результирующего улучшения контрастности изображения перевешивают потерю теоретического пространственного разрешения, присущего процессу объединения пикселей.