25/08/19Pour capturer des images précises et fiables en recherche scientifique, la qualité des données ne dépend pas seulement de la résolution ou de la taille du capteur. L'un des indicateurs les plus importants, mais parfois négligé, est le rapport signal sur bruit (RSB). Dans les systèmes d'imagerie, le RSB détermine la netteté avec laquelle vous pouvez distinguer le signal réel (information utile) du bruit indésirable.
Dans les applications d'imagerie scientifique comme la microscopie, l'astronomie et la spectroscopie, un faible rapport signal/bruit peut faire toute la différence entre détecter une cible faible et la rater complètement. Cet article explore la définition du rapport signal/bruit, son importance, son impact sur le contraste et comment sélectionner et optimiser une caméra scientifique en fonction de cette mesure essentielle.
Qu'est-ce que le rapport signal/bruit et comment est-il défini ?
Le rapport signal sur bruit (SNR) est la mesure la plus importante de la qualité de notre image, fondamentale dans le contraste de l'image et souvent le facteur déterminant le plus utile pour savoir si une caméra est suffisamment sensible pour votre application.
Les tentatives d'amélioration de la sensibilité de la caméra s'articulent autour de l'amélioration du signal collecté :
● Grâce à des améliorations de l’efficacité quantique ou à une augmentation de la taille des pixels
● Réduction des sources de bruit liées à la caméra
Les sources de bruit s'additionnent, mais selon les circonstances, l'une d'elles peut dominer et doit être ciblée lorsque l'on tente d'améliorer le rapport signal/bruit, soit en optimisant les paramètres ou la configuration, soit en passant à de meilleures sources de lumière, optiques et caméras.
Il est courant de décrire les images par un rapport signal/bruit unique, par exemple en affirmant qu'une image a un SNR de « 15 ». Cependant, comme son nom l'indique, le rapport signal/bruit dépend du signal, qui sera bien sûr différent pour chaque pixel. C'est ce qui donne notre image.
Le rapport signal/bruit (RSB) d'une image désigne généralement le rapport signal/bruit du signal de crête d'intérêt dans l'image. Par exemple, le RSB d'une image de cellules fluorescentes sur fond sombre utiliserait l'intensité du signal de crête des pixels d'une structure d'intérêt dans la cellule.
Il n'est pas représentatif de prendre, par exemple, une valeur moyenne pour le rapport signal/bruit de l'image entière. Dans des techniques comme la microscopie à fluorescence, où un fond sombre sans photons détectés est fréquent, ces pixels à signal nul ont un rapport signal/bruit nul. Par conséquent, toute moyenne sur une image dépend du nombre de pixels d'arrière-plan visibles.
Pourquoi le rapport signal/bruit est important pour les caméras scientifiques
En imagerie scientifique, le rapport signal/bruit a un impact direct sur la capacité à identifier les détails faibles, à mesurer les données quantitatives et à reproduire les résultats.
●Clarté de l'image– Un rapport signal/bruit plus élevé réduit le grain et rend les structures fines visibles.
●Exactitude des données– Réduit les erreurs de mesure dans les expériences basées sur l’intensité.
●Performances en basse lumière– Essentiel pour la microscopie à fluorescence, l’astrophotographie du ciel profond et la spectroscopie, où le nombre de photons est naturellement faible.
Que vous utilisiez uncaméra sCMOSpour l'imagerie à grande vitesse ou un CCD refroidi pour les applications à longue exposition, la compréhension du rapport signal/bruit vous aide à équilibrer les compromis de performances.
Comment le rapport signal/bruit influence le contraste de l'image
Le contraste est la différence relative d'intensité entre les zones claires et les zones sombres d'une image. Pour de nombreuses applications, un bon contraste d'image dans les zones d'intérêt est l'objectif ultime.
De nombreux facteurs liés au sujet d’imagerie, au système optique et aux conditions d’imagerie sont les principaux facteurs déterminants du contraste de l’image, tels que la qualité de l’objectif et la quantité de lumière de fond.
●Rapport signal sur bruit élevé→ Séparation nette entre les zones claires et sombres ; les bords apparaissent nets ; les détails subtils restent visibles.
●Faible rapport signal sur bruit→ Les zones sombres deviennent plus claires en raison du bruit, les zones claires deviennent plus sombres et le contraste global de l'image s'aplatit.
Par exemple, en microscopie à fluorescence, un faible rapport signal/bruit peut faire qu'un échantillon faiblement fluorescent se fonde dans le bruit de fond, rendant l'analyse quantitative peu fiable. En astronomie, des étoiles ou des galaxies peu lumineuses peuvent disparaître complètement dans des données bruitées.
Cependant, des facteurs internes à la caméra interviennent également, le principal étant le rapport signal/bruit. De plus, et notamment en basse lumière, la mise à l'échelle de l'intensité de l'image (la façon dont l'image est affichée sur le moniteur) joue un rôle important dans le contraste perçu. En cas de bruit important dans les zones sombres de l'image, la limite inférieure des algorithmes de mise à l'échelle automatique peut être trop basse en raison des pixels bruyants de faible valeur, tandis que la limite supérieure est augmentée par le bruit des pixels à signal élevé. Ceci est à l'origine de l'aspect gris « délavé » caractéristique des images à faible rapport signal/bruit. Un meilleur contraste peut être obtenu en définissant la limite inférieure sur le décalage de la caméra.
Facteurs affectant le rapport signal/bruit (SNR) des caméras scientifiques
Plusieurs paramètres de conception et de fonctionnement influencent le rapport signal/bruit d'un système de caméra :
Technologie des capteurs
● sCMOS – Combine un faible bruit de lecture et des fréquences d'images élevées, idéal pour l'imagerie dynamique.
● CCD – Offre historiquement un faible bruit lors des expositions longues, mais plus lent que les conceptions CMOS modernes.
● EMCCD – Utilise l’amplification sur puce pour amplifier les signaux faibles, mais peut introduire du bruit multiplicatif.
Taille des pixels et facteur de remplissage
Les pixels plus grands collectent plus de photons, augmentant ainsi le signal et donc le rapport signal/bruit.
Efficacité quantique (QE)
Un QE plus élevé signifie que davantage de photons entrants sont convertis en électrons, améliorant ainsi le rapport signal sur bruit.
Délai d'exposition
Des expositions plus longues collectent plus de photons, augmentant le signal, mais peuvent également augmenter le bruit du courant d'obscurité.
Systèmes de refroidissement
Le refroidissement réduit le courant d'obscurité, améliorant considérablement le rapport signal/bruit pour les expositions longues.
Optique et éclairage
Des lentilles de haute qualité et un éclairage stable maximisent la capture du signal et minimisent la variabilité.
Exemples de différentes valeurs de SNR de pointe
En imagerie, le PSNR désigne souvent un maximum théorique relatif à la saturation des pixels. Malgré les différences entre les sujets, les conditions d'imagerie et la technologie des caméras, les images des caméras scientifiques conventionnelles présentant le même rapport signal/bruit peuvent présenter des similitudes. Le degré de granularité, la variation d'une image à l'autre et, dans une certaine mesure, le contraste peuvent être similaires dans ces différentes conditions. Il est donc possible de comprendre les valeurs du rapport signal/bruit (RSB) et les différentes conditions et difficultés qu'elles impliquent à partir d'images représentatives, telles que celles présentées dans le tableau.
NOTE: Les valeurs maximales du signal en photoélectrons pour chaque ligne sont indiquées en bleu. Toutes les images sont affichées avec une mise à l'échelle automatique de l'histogramme, ignorant (saturant) 0,35 % des pixels les plus clairs et les plus sombres. Deux colonnes d'image de gauche : Imagerie par lentille d'une cible de test. Quatre colonnes de droite : Ascaris capturé en fluorescence avec un objectif de microscope 10x. Pour illustrer les variations image par image des valeurs de pixels à faible rapport signal/bruit, trois images successives sont fournies.
Une image d'une cible de test, obtenue par microscopie à fluorescence, est présentée, ainsi qu'une vue agrandie de l'image fluorescente montrant la variation sur trois images successives. Le nombre maximal de photoélectrons à chaque niveau de signal est également indiqué.
La figure suivante montre les versions complètes de ces exemples d’images à titre de référence.
Images en taille réelle utilisées pour le tableau d'exemples de rapport signal/bruit
Gauche:Une cible de test d'imagerie photographiée avec un objectif.
Droite:Un échantillon de section de ver nématode Ascaris observé au microscope à fluorescence à un grossissement de 10x.
Rapport signal/bruit dans les applications
Le SNR est essentiel à la mission dans divers domaines :
● Microscopie – La détection d’une faible fluorescence dans des échantillons biologiques nécessite un rapport signal/bruit élevé pour éviter les faux négatifs.
● Astronomie – L’identification de galaxies lointaines ou d’exoplanètes nécessite de longues expositions avec un minimum de bruit.
● Spectroscopie – Un rapport signal/bruit élevé garantit des mesures précises de l'intensité de crête dans l'analyse chimique.
● Inspection industrielle – Dans les chaînes de montage à faible luminosité, un rapport signal/bruit élevé permet de détecter les défauts de manière fiable.
Choisir une caméra scientifique avec le bon rapport signal/bruit
Lors de l’évaluation d’une nouvelle caméra scientifique :
●Vérifiez les spécifications SNR– Comparez les valeurs dB dans des conditions similaires à votre application.
●Équilibrer les autres mesures– Tenez compte de l’efficacité quantique, de la plage dynamique et de la fréquence d’images.
●Adapter la technologie au cas d'utilisation– Pour les scènes dynamiques à grande vitesse, une caméra sCMOS peut être idéale ; pour les sujets statiques à très faible luminosité, un CCD refroidi ou un EMCCD peuvent être plus performants.
●Connectivité pour l'efficacité du flux de travail– Bien que n’affectant pas directement le rapport signal/bruit, des fonctionnalités telles que la sortie HDMI peuvent permettre un examen des images en temps réel, vous aidant à vérifier rapidement que vos paramètres d’acquisition atteignent le rapport signal/bruit souhaité.
Conclusion
Le rapport signal sur bruit (RSB) est un indicateur de performance clé qui influence directement la clarté et la fiabilité des images scientifiques. Comprendre la définition du RSB, les facteurs qui l'influencent et les implications des différentes valeurs de RSB permet aux chercheurs et aux utilisateurs techniques d'évaluer plus efficacement les systèmes d'imagerie. En appliquant ces connaissances, que ce soit pour choisir un nouveau système ou un nouvel appareil,caméra scientifiqueou en optimisant une configuration existante, vous pouvez vous assurer que votre flux de travail d'imagerie capture les données avec le niveau de précision requis pour votre application spécifique.
FAQ
Quel est considéré comme un « bon » rapport signal/bruit pour les caméras scientifiques ?
Le rapport signal/bruit idéal dépend de l'application. Pour les travaux quantitatifs très exigeants, comme la microscopie à fluorescence ou l'astronomie, un rapport signal/bruit supérieur à 40 dB est généralement recommandé, car il produit des images avec un bruit visible minimal et préserve les détails fins. Pour une utilisation générale en laboratoire ou l'inspection industrielle, 35 à 40 dB peuvent suffire. Un rapport inférieur à 30 dB produit généralement un grain visible et peut compromettre la précision, notamment dans les situations à faible contraste.
Comment l'efficacité quantique (QE) affecte-t-elle le rapport signal/bruit ?
L'efficacité quantique mesure l'efficacité avec laquelle un capteur convertit les photons entrants en électrons. Un QE plus élevé signifie qu'une plus grande quantité de lumière disponible est captée sous forme de signal, ce qui augmente le numérateur dans l'équation du rapport signal/bruit. Ceci est particulièrement important dans les situations de faible luminosité, où chaque photon compte. Par exemple, une caméra sCMOS avec un QE de 80 % atteindra un rapport signal/bruit plus élevé dans des conditions identiques qu'un capteur avec un QE de 50 %, simplement parce qu'elle capte davantage de signal exploitable.
Quelle est la différence entre le SNR et le rapport contraste/bruit (CNR) ?
Alors que le rapport signal/bruit mesure la puissance globale du signal par rapport au bruit, le rapport bruit/bruit se concentre sur la visibilité d'un élément spécifique par rapport à son arrière-plan. En imagerie scientifique, ces deux aspects sont importants : le rapport signal/bruit indique la netteté globale de l'image, tandis que le rapport bruit/bruit détermine si un objet d'intérêt particulier se distingue suffisamment pour être détecté ou mesuré.
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