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科学级相机的制冷温度越低越好吗?
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时间:2021-06-16 11:15:48

      目前,常见的CCD和sCMOS科学级相机大多是制冷相机,其制冷温度因生产厂家和相机型号不同而有所不同。那制冷温度的设定对图像信噪比有什么影响呢?科学级相机的制冷温度越低越好吗?

 

      我们先来了解一下信噪比的公式:

 

      

 

      其中暗电流是受温度影响的,温度每下降7℃暗电流的值就会减半,说明温度越低暗电流就越小。那如果其他参数不变,是不是温度越低,信噪比就会越好呢?其实不然,接下来,跟随小编通过一个小实验来检测制冷温度对信噪比的影响。

 

      在不同的曝光时间下,我们比较两种制冷温度和暗电流参数不同的CMOS 相机的信噪比。因为这两种相机使用同样的背照式芯片,因此收集到的信号和散粒噪声是相同的,读出噪声均为1.6e-。相机一的制冷温度为-25℃ 暗电流0.3e-/p/s,相机二的制冷温度为-45℃,暗电流0.2e-/p/s

 

      然后我们比较信号分别为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:

 

 

信号100e-时的信噪比

信号10e-时的信噪比

曝光时间(ms)

相机一

相机二

相机一

相机二

10(100fps)

9.87

9.87

2.82

2.82

30(30fps)

9.87

9.87

2.82

2.82

100(10fps)

9.87

9.87

2.82

2.82

200(5fps)

9.87

9.87

2.82

2.82

500(2fps)

9.87

9.87

2.82

2.82

1000(1fps)

9.87

9.87

2.81

2.82

 

      由表可知,当信号为100个电子时,两者的信噪比在长达1s的曝光时间内完全没有差别!当信号为10个电子时,两者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。

 

      因此可知,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。所以,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。

 

      总结

      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。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),制冷最重要的作用就是降低暗电流,制冷温度越低越好。而在弱光高速成像应用(曝光时间短),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足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,也可加大发生故障的可能性。

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