13/05/2022El ruido de lectura es la incertidumbre inherente a la medición electrónica del número de fotoelectrones que la cámara ha detectado. Normalmente se especifica enelectrones (e⁻ RMS)y depende de la velocidad de lectura, el modo de ganancia/conversión-ganancia, la configuración del ADC y el ROI, por lo que solo es comparable cuando las condiciones coinciden.
En escenas brillantes,ruido de disparoGeneralmente predomina el ruido de lectura, que tiene poco impacto. En imágenes con poca luz (fluorescencia débil, astronomía, trabajos de alta velocidad con exposición corta), el ruido de lectura puede limitar considerablemente la relación señal/ruido (SNR) e incluso la detectabilidad.
Esta guía muestra cómo interpretar las especificaciones de ruido de lectura, cuándo es importante, qué configuraciones lo cambian y cómo medirlo de manera confiable.
¿Qué es el ruido de lectura?
Ruido de lectura (a menudo llamadoruido de lectura) es la incertidumbre aleatoria que se introduce cuando una cámaralee en voz altaUna imagen, es decir, cuando la carga acumulada en cada píxel se convierte en voltaje y luego se digitaliza en un número digital (DN). Incluso con una óptica perfecta y una escena estable, la electrónica de lectura nunca es completamente silenciosa: los amplificadores, los circuitos de reinicio y muestreo, las rutas de señal analógica y el convertidor analógico-digital (ADC) pueden contribuir a pequeñas fluctuaciones. El resultado es un error aleatorio por píxel y por fotograma que se añade a la lectura.
Figura 1: Imagen con ruido de lectura limitado
En este régimen de luz ultrabaja, los valores de la señal son comparables al ruido de lectura, lo que significa que el ruido de lectura es el principal factor limitante de la relación señal/ruido (SNR).
Porque el sensor mide en última instancia la luz comoelectronesEl ruido de lectura se especifica con mayor frecuencia enelectrones (e⁻), típicamente comoe⁻ RMSExpresar el ruido en electrones facilita la comparación del rendimiento entre configuraciones y modelos de cámara. (Si se parte de DN, la conversión a e⁻ requiere la ganancia de conversión del sistema,e⁻/DN.) En las cámaras científicas modernas, el ruido de lectura puede ser muy bajo, a menudo en elNivel RMS de ~1–3 e⁻ en modos de bajo ruidopara imágenes con poca luz, aunque el valor exacto depende de la velocidad de lectura, el modo de ganancia/conversión-ganancia, la configuración del ADC, el ROI y la temperatura.
Valores típicos y por qué varían
Para muchoscámaras sCMOSEl ruido de lectura se ha reducido lo suficiente como para permitir la medición de señales muy pequeñas con buena fidelidad. Otras tecnologías de sensores y modos de funcionamiento pueden mostrar un mayor ruido de lectura, especialmente al optimizarse para la máxima velocidad de fotogramas. Consulte la Tabla 1 para ver algunos valores representativos. Por ello, es fundamental comparar el ruido de lectura únicamente en condiciones de prueba coincidentes (modo, velocidad de lectura, ganancia, profundidad de bits, ROI, etc.).
Tabla 1: Valores típicos de ruido de lectura RMS para diferentes tecnologías de cámaras científicas
* Los EMCCD tienen fuentes de ruido adicionales que reducen su sensibilidad
** sCMOS de alta velocidad como elCámara Tucsen Dhyana 2100 sCMOS
***Alta velocidadCámaras CMOSSe utilizan tanto en imágenes científicas como en películas para la captura de movimiento a alta velocidad. Estas cámaras no suelen utilizarse para imágenes con poca luz debido a su alto nivel de ruido, que oculta las señales de baja luminosidad.
Ruido de lectura RMS vs. Ruido medio (y por qué algunas hojas de datos muestran dos números)
En los sensores CMOS/sCMOS, el ruido de lectura puede variar ligeramente de un píxel a otro, por lo que conviene considerarlo como una distribución en lugar de un valor único. Algunas cámaras también presentan una pequeña "cola" de píxeles con mayor ruido, donde efectos como el ruido telegráfico aleatorio (RTN) pueden ser más pronunciados.
Para resumir esta distribución, los fabricantes pueden indicar un valor de ruido de lectura medio (típico) y, en ocasiones, una cifra RMS adicional más sensible a los píxeles con mayor ruido. Las definiciones pueden variar según el fabricante, por lo que lo más seguro es comprobar el método y las condiciones de medición indicados, especialmente al comparar cámaras o seleccionar un modo para trabajar con poca luz.
¿Cómo leer las especificaciones de ruido de lectura?
Un valor de ruido de lectura solo es significativo cuando está vinculado al uso de la cámara durante la medición. El modo, la profundidad de bits, la velocidad de lectura, la ganancia/ganancia de conversión y el ROI pueden modificar el valor; por lo tanto, siempre compare las especificaciones en condiciones similares.
Las condiciones de prueba son importantes
Un número de ruido de lectura solo es significativo cuando está vinculado a lacondiciones de funcionamientoSe utiliza para medirlo. La misma cámara puede reportar valores diferentes según el modo de lectura y la configuración, por lo que "menor" no significa automáticamente "mejor" a menos que se comparen cámaras similares. Antes de comparar cámaras, o incluso dos modos en la misma cámara, busque estas condiciones en la tabla de la hoja de datos, las notas al pie o los gráficos de rendimiento:
●Velocidad de lectura/velocidad de píxeles (kHz–MHz):Una lectura más rápida generalmente aumenta el ruido de lectura.
Modo de ganancia/ganancia de conversión (por ejemplo, HCG/LCG): cambia e⁻/DN y puede cambiar el valor de ruido informado.
●Ruta del ADC / profundidad de bits:Algunas cámaras ofrecen múltiples modos ADC que afectan el comportamiento del ruido y la cuantificación.
●ROI y canales de lectura:El ROI puede cambiar la forma en que se lee el sensor y puede alterar el rendimiento en algunas arquitecturas.
●Temperatura (si se indica):Las especificaciones a menudo se miden a una temperatura de sensor definida; siempre compárelas en condiciones similares.
Si aparece una cifra de ruido de lectura de título sin contexto de modo/velocidad, trátela como incompleta y busque la tabla o el gráfico de modo detallado.
Típico vs Máximo / Mediano vs RMS: por qué puedes ver dos números
Debido a las arquitecturas de lectura paralela,la mayoría de los sensores CMOS/sCMOSMuestran cierta variación píxel a píxel en el ruido de lectura, por lo que puede ser útil considerarlo como una distribución en lugar de un valor único. Por eso, algunas hojas de especificaciones indican dos valores.
A medianaEl valor de ruido de lectura indica que el 50 % de los píxeles se encuentran en esa cifra o por debajo de ella, lo que suele reflejar un rendimiento "típico". Un valor adicionalRMSLa figura (cuando se proporciona) es más sensible a la dispersión de la distribución y puede captar mejor la influencia de los píxeles con mayor ruido en la cola. Dado que las definiciones pueden variar según el fabricante, siempre verifique las condiciones de medición y la convención de informes indicadas.
Los sensores CMOS/sCMOS pueden mostrarvariación de píxel a píxelen el ruido de lectura, por lo que es mejor pensar en el ruido de lectura como undistribuciónen lugar de un valor único. Para resumir esa distribución, los fabricantes pueden informar:
●Típico/Mediano:Una cifra de “píxel típico” que representa el rendimiento común en ese modo.
●RMS (o a veces una cifra más conservadora):Una estadística que puede ser más sensible a los píxeles con mayor ruido y refleja mejor la dispersión general.
No todos los proveedores utilizan estos términos exactamente de la misma manera, así que siempre verifique la definición y el método de medición indicados. En caso de duda, compare las cámaras utilizando los valores indicados en lamismas estadísticas y condiciones.
Ejemplos de modos de cámara (por qué una cámara tiene múltiples especificaciones de ruido de lectura)
Para concretar esto, considere lo siguiente:Cámara sCMOS Tucsen Aries 6510 de máxima sensibilidadEn su hoja de datos, se informa el ruido de lectura para múltiples modos de lectura, ya que la cámara puede operar con diferentes profundidades de bits y canales de lectura, y cada uno tiene un nivel de ruido diferente.
Figura 2: Ruido de lectura del Aries 6510
Cómo interpretar esto: estos números no son contradictorios: describendiferentes puntos de operaciónde la misma cámara. Una canalización de mayor velocidad (en este caso, el modo Velocidad) suele priorizar el rendimiento y puede mostrar un mayor ruido de lectura, mientras que las canalizaciones optimizadas para la sensibilidad pueden reducir el umbral mínimo de ruido de lectura. Precisamente por eso, las especificaciones de ruido de lectura siempre deben leerse.junto con el nombre del modo y la profundidad de bits indicadaAl comparar cámaras (o comparar una cámara con un valor publicado), asegúrese de comparar lamismo modo, no sólo el número más bajo del titular.
¿Cuándo es importante el ruido de lectura?
El ruido de lectura no limita todos los experimentos. Su importancia se reduce a una pregunta sencilla: ¿representa el ruido de lectura una parte significativa del presupuesto total de ruido al nivel de señal con el que se trabaja? En condiciones de alta luminosidad, el ruido de fotones (disparo) suele predominar. En condiciones de baja señal, el ruido de lectura puede ser el factor determinante de la relación señal-ruido (SNR) y, en ocasiones, de la visibilidad de estructuras débiles.
Ruido de lectura vs ruido de disparo: una regla rápida
El ruido del disparo aumenta con la señal a medida que√N(donde N es el número de fotoelectrones detectados). El ruido de lectura es aproximadamente unconstante por píxel por fotogramapara un modo determinado. Esto significa:
● Enalto N, √N es grande y el ruido de lectura contribuye poco.
● Enbajo N, √N es pequeño y el ruido de lectura puede dominar.
Un punto de cruce práctico es cuandoruido de disparo ≈ ruido de lectura, es decir cuando√N ≈ R. Eso corresponde aN ≈ R².
Por ejemplo, si un modo tieneR = 2 e⁻ RMS,El ruido de lectura se vuelve significativo cuando la señal está en el orden de unos pocos electrones a unas pocas decenas de electrones por píxel (ya que R2=4) SiR = 10 e⁻, el cruce se desplaza a alrededor de 102=100 electrones por píxel.
Un ejemplo concreto de SNR (por qué es insignificante en escenas brillantes)
Supongamos que un píxel contiene2.000 e⁻de señal. El ruido de disparo es√2000 ≈ 44,7 e⁻.
Si hay ruido en la lectura10 e⁻, el ruido total (RMS) es:
Por lo tanto, la relación señal/ruido (SNR) cambia de 2000/44,7≈44,7 a 2000/45,8≈43,7, una pequeña diferencia. En otras palabras, a niveles de señal altos, la reducción del ruido de lectura rara vez altera la visibilidad.
En escenas con mucha luz, donde cada píxel acumula miles de fotoelectrones, el ruido de lectura se convierte en un elemento secundario del presupuesto total de ruido. Por ejemplo, con una señal de 2000 e⁻, añadir 10 e⁻ de ruido de lectura modifica la relación señal-ruido (SNR) solo en un pequeño porcentaje, a menudo imperceptible, mientras que con decenas de electrones por píxel, el ruido de lectura puede limitar considerablemente la relación señal-ruido y el detalle visible.
Cuando el ruido de lectura se convierte en un verdadero limitador
El ruido de lectura es más importante cuando el experimento tiene una señal limitada por fotograma, lo que significa que cada píxel capta solo una pequeña cantidad de fotoelectrones en una sola exposición. En ese régimen, el ruido de lectura puede dominar el presupuesto de ruido, reducir la relación señal/ruido (SNR) y ocultar estructuras débiles.
Las señales de aplicación más comunes incluyen:
●Fluorescencia débil / baja densidad de etiquetado, especialmente con exposiciones cortas o lapsos de tiempo rápidos
●Fluorescencia de una sola moléculay superresolución basada en la localización, donde las señales pueden ser solo de unos pocos fotones por emisor por cuadro
●Imágenes de quimioluminiscencia, donde los presupuestos de fotones son inherentemente bajos y el ruido de lectura puede dominar
●Imágenes funcionales de alta velocidad (voltaje/potencial de membrana, imágenes rápidas de calcio), donde las exposiciones cortas reducen el recuento de fotones por fotograma
●Flujos de trabajo de imágenes con escasez de fotones(por ejemplo, cuadros muy tenues incluso si planea apilarlos o promediarlos más tarde)
A modo de comprobación práctica: si su señal típica por píxel está en elcientos a miles de electronespor fotograma, el ruido de lectura rara vez es dominante. Si está en eldecenas de electrones o menosEl ruido de lectura y la elección del modo pueden influir fuertemente en la calidad de la imagen.
Conclusión
El ruido de lectura es un término dependiente del modo y limitado por la cadena de lectura, por lo que las únicas comparaciones significativas se realizan en condiciones coincidentes (modo, velocidad de lectura, ganancia/ganancia de conversión, ADC/profundidad de bits, ROI). En escenas brillantes suele ser insignificante, pero en imágenes de baja señal puede limitar considerablemente la relación señal/ruido (SNR) y la detectabilidad.
Si desea una recomendación para su experimento, comparta los detalles de su aplicación (nivel de señal, tiempo de exposición, velocidad de fotogramas, longitud de onda y relación señal/ruido objetivo). Nuestros especialistas en imágenes pueden sugerirle una.Cámara Tucseny el mejor modo de lectura para equilibrar la sensibilidad, la velocidad y el rango dinámico.
