読み出しノイズとは？

読み出しノイズとは、カメラが検出した光電子の数を電子的に測定する際に生じる不確実性のことです。通常、これは次のように指定されます。電子（e⁻ RMS）また、読み出し速度、ゲイン／変換ゲインモード、ADC構成、ROIに依存するため、条件が一致する場合にのみ比較可能です。

明るいシーンでは、ショットノイズ通常は信号対雑音比が支配的であり、読み出しノイズの影響は小さい。しかし、低照度イメージング（微弱な蛍光、天文学、短時間露光高速撮影など）では、読み出しノイズが信号対雑音比を著しく制限し、検出限界を低下させる可能性がある。

このガイドでは、読み出しノイズの仕様をどのように解釈するか、それが重要となる場合、どのような設定によって変化するか、そしてそれを確実に測定する方法について説明します。

読み出しノイズとは何ですか？

読み出しノイズ（しばしばノイズを読み取る）は、カメラが撮影した際に発生するランダムな不確実性です。読み上げます画像とは、各ピクセルで収集された電荷が電圧に変換され、デジタル値（DN）にデジタル化される過程のことです。光学系が完璧でシーンが安定していても、読み出し回路は決して完全にノイズフリーではありません。アンプ、リセット回路、サンプリング回路、アナログ信号経路、アナログ・デジタル変換器（ADC）など、すべてが小さな変動を引き起こす可能性があります。その結果、読み出し時にピクセルごと、フレームごとにランダムな誤差が加算されます。

図1：読み出しノイズ制限画像

この超低照度領域では、信号値は読み出しノイズと同程度であるため、読み出しノイズがSNRの主な制限要因となる。

センサーは最終的に光を測定するため電子読み出しノイズは、最も一般的には以下のように指定されます。電子（e⁻）通常はe⁻ RMSノイズを電子で表現すると、カメラの設定やモデル間でのパフォーマンスの比較が容易になります。（DN から始めると、e⁻ への変換にはシステム変換ゲインが必要です。e⁻/DN現代の科学用カメラでは、読み出しノイズは非常に低く、多くの場合、低ノイズモードでは、約1～3 e⁻ RMSレベル低照度イメージングの場合、正確な値は読み出し速度、ゲイン/変換ゲインモード、ADC構成、ROI、および温度によって異なります。

典型的な値とその変動理由

多くの人にとってsCMOSカメラ読み出しノイズは十分に低くなったため、非常に小さな信号でも高い精度で測定できます。他のセンサー技術や動作モードでは、特に最大フレームレートに最適化されている場合、読み出しノイズが高くなることがあります。代表的な値については表1を参照してください。そのため、読み出しノイズは、テスト条件（モード、読み出し速度、ゲイン、ビット深度、ROIなど）が一致している場合にのみ比較することが不可欠です。

表1：さまざまな科学カメラ技術における典型的なRMS読み出しノイズ値

* EMCCDには感度を低下させる追加のノイズ源が存在する

** 高速sCMOSなどTucsen Dhyana 2100 sCMOSカメラ

*** 高速CMOSカメラこれらのカメラは、科学画像処理と映画撮影の両方で高速モーションキャプチャに使用されます。しかし、ノイズレベルが高いため、低照度信号が埋もれてしまい、通常は低照度画像処理には使用できません。

RMS値とメディアン値の読み取りノイズ（そして、なぜ一部のデータシートには2つの数値が記載されているのか）

CMOS/sCMOSセンサーでは、読み出しノイズはピクセルごとにわずかに異なる場合があるため、読み出しノイズを単一の値としてではなく、分布として捉えると理解しやすいでしょう。また、一部のカメラでは、ノイズレベルの高いピクセルがわずかに「裾野」のように分布しており、そこではランダムテレグラフノイズ（RTN）などの影響がより顕著になることがあります。

その分布を要約すると、メーカーは中央値（標準値）の読み出しノイズ値を報告する場合があり、場合によってはノイズの高いピクセルにより敏感なRMS値も併せて報告することがあります。定義はメーカーによって異なる場合があるため、特にカメラを比較する場合や低照度撮影モードを選択する場合は、記載されている測定方法と条件を確認するのが最も安全です。

読み出しノイズ仕様の読み方

読み出しノイズ値は、測定時のカメラの動作状況と関連付けて初めて意味を持ちます。モード、ビット深度、読み出し速度、ゲイン／変換ゲイン、ROIなどによって数値は変化するため、必ず同じ条件下で仕様を比較してください。

試験条件は重要である

読み出しノイズの数値は、運転条件測定に使用される値です。同じカメラでも、読み出しモードや設定によって異なる値を報告する可能性があるため、同じ条件で比較しない限り、「低い」値が自動的に「優れている」とは限りません。カメラを比較する前、あるいは同じカメラの2つのモードを比較する前に、データシートの表、脚注、または性能グラフで以下の条件を確認してください。

●読み出し速度／画素レート（kHz～MHz）：読み出し速度が速くなると、一般的に読み出しノイズも増加する。
ゲイン/変換ゲインモード（例：HCG/LCG）：e⁻/DNを変更し、報告されるノイズ値を変化させることができます。

●ADCパス／ビット深度：一部のカメラは、ノイズや量子化特性に影響を与える複数のADCモードを備えています。

●ROIと読み出しチャネル：ROIはセンサーの読み取り方法を変更する可能性があり、一部のアーキテクチャではパフォーマンスに影響を与える可能性があります。

●温度（記載されている場合）：仕様は多くの場合、特定のセンサー温度で測定されています。必ず同様の条件下で比較してください。

見出しの読み取りノイズ値がモード/速度のコンテキストなしで表示されている場合は、不完全な値として扱い、詳細なモード表またはグラフを探してください。

標準値と最大値／中央値とRMS：なぜ2つの数値が表示されるのか

並列読み出しアーキテクチャのため、ほとんどのCMOS/sCMOSセンサー読み出しノイズには画素ごとのばらつきがあるため、読み出しノイズを単一の値ではなく分布として捉える方が分かりやすい場合があります。そのため、仕様書によっては2つの数値が記載されていることがあります。

A 中央値読み出しノイズ値は、ピクセルの50%がその値以下であることを示しており、これは多くの場合「標準的な」パフォーマンスを反映しています。RMS図（提供されている場合）は分布の広がりに対してより敏感であり、裾野にあるノイズの多いピクセルの影響をより適切に捉えることができます。定義はメーカーによって異なる場合があるため、必ず記載されている測定条件と報告規則を確認してください。

CMOS/sCMOSセンサーは、ピクセルごとのばらつき読み出しノイズでは、読み出しノイズは次のように考える方が適切です。分布単一の値ではなく、分布を要約すると、製造業者は以下のように報告する場合があります。

●標準値／中央値：そのモードにおける一般的なパフォーマンスを表す「標準的なピクセル値」。

●RMS（または場合によってはより保守的な数値）：ノイズの多いピクセルに対してより敏感で、全体的なばらつきをより正確に反映できる統計指標。

すべてのベンダーがこれらの用語を全く同じように使用しているわけではないので、必ず記載されている定義と測定方法を確認してください。不明な場合は、以下の値を使用してカメラを比較してください。同じ統計と条件.

カメラモードの例（1台のカメラに複数の読み出しノイズ仕様がある理由）

これを具体的にするために、Tucsen Aries 6510 究極の高感度sCMOSカメラデータシートには、複数の読み出しモードにおける読み出しノイズが記載されています。これは、カメラが異なるビット深度と読み出しパイプラインで動作可能であり、それぞれノイズフロアが異なるためです。

図2：Aries 6510の読み出しノイズ

これをどう解釈するか：これらの数字は矛盾していません。異なる動作点同じカメラの場合。高速パイプライン（ここではスピードモード）は通常スループットを優先するため、読み出しノイズが高くなる傾向がありますが、感度最適化パイプラインは読み出しノイズのフロアを低減できます。これが、読み出しノイズの仕様を常に確認する必要がある理由です。モード名と指定されたビット深度とともにカメラを比較する場合（またはカメラを公開値と比較する場合）、必ず以下の点を確認してください。同じモード単に見出しの最低値だけではない。

読み出しノイズが重要になるのはどんな時か？

読み出しノイズがすべての実験を制限するわけではありません。それが重要かどうかは、単純な質問に帰着します。つまり、使用している信号レベルにおいて、読み出しノイズは全体のノイズ予算の中で意味のある部分を占めているかどうかです。明るい条件下では、通常、光子（ショット）ノイズが支配的です。低信号条件下では、読み出しノイズがSNRを決定する要因となり、場合によっては微弱な構造がそもそも見えるかどうかさえ左右することがあります。

読み取りノイズとショットノイズ：簡単な目安

ショットノイズは信号とともに増加し、√N（ここでNは検出された光電子の数です）。読み出しノイズはおおよそピクセルごと、フレームごとに定数特定のモードの場合。これは次のことを意味します。

●高窒素√N は大きく、読み出しノイズの影響は小さい。

●低窒素√N が小さい場合、読み出しノイズが支配的になる可能性があります。

実用的な転換点は、ショットノイズ ≈ 読み出しノイズつまり、√N ≈ Rそれは以下に相当するN ≈ R².

例えば、モードがR = 2 e⁻ RMS、読み出しノイズは、信号がピクセルあたり数電子から数十電子のオーダーになると顕著になります（R²=4)。R = 10 e⁻クロスオーバーは、1ピクセルあたり約102=100電子にシフトします。

具体的なSNRの例（明るいシーンでは無視できる理由）

ピクセルに2,000 e⁻信号のショットノイズは√2000 ≈ 44.7 e⁻.

読み出しノイズが10 e⁻総ノイズ（RMS）は以下のとおりです。

つまり、SNRは2000/44.7≈44.7から2000/45.8≈43.7へと変化しますが、その差はわずかです。言い換えれば、信号レベルが高い場合、読み出しノイズを低減しても、見える画像はほとんど変わりません。

各ピクセルが数千個の光電子を収集する高輝度シーンでは、読み出しノイズは全体のノイズ予算の中で小さな要素となります。例えば、信号が2,000 e⁻の場合、10 e⁻の読み出しノイズが加わってもSNRの変化はわずか数パーセント（多くの場合、知覚できないほど）ですが、1ピクセルあたり数十個の電子の場合、読み出しノイズはSNRと視覚的なディテールを著しく制限する可能性があります。

読み出しノイズが真の制限要因となる場合

読み出しノイズが最も重要になるのは、実験においてフレームごとの信号量が制限されている場合、つまり各ピクセルが1回の露光でごく少数の光電子しか収集しない場合です。このような状況では、読み出しノイズがノイズバジェットを支配し、SN比を低下させ、微弱な構造を不明瞭にしてしまう可能性があります。

一般的な応募時のポイントは以下のとおりです。

●蛍光が弱い／標識密度が低い特に短時間露光や高速タイムラプスの場合

●単一分子蛍光および局所化に基づく超解像信号は、エミッターあたり、フレームあたり数個の光子しか得られない。

●化学発光イメージング光子予算が本質的に低く、読み出しノイズが支配的になる可能性がある

●高速機能イメージング（電圧／膜電位、高速カルシウムイメージング）短時間露光では、フレームあたりの光子数が減少する。

●光子不足のイメージングワークフロー（例えば、後でスタック/平均化する予定であっても、非常に暗いフレームなど）

実用的な確認として：ピクセルごとの典型的な信号が数百から数千個の電子フレームごとに、読み出しノイズが支配的になることはまれです。数十個以下の電子読み出しノイズとモード選択は、画質に大きな影響を与える可能性があります。

結論

読み出しノイズはモードに依存し、読み出しチェーンによって制限される要素であるため、意味のある比較は、条件（モード、読み出し速度、ゲイン／変換ゲイン、ADC／ビット深度、ROI）が一致した場合にのみ可能です。明るいシーンでは無視できることが多いですが、低信号イメージングではSNRと検出能を著しく制限する可能性があります。

実験に関する推奨事項が必要な場合は、アプリケーションの詳細（信号レベル、露光時間、フレームレート、波長、目標SNR）を共有してください。当社のイメージングスペシャリストが提案できます。ツーセンカメラそして、感度、速度、ダイナミックレンジのバランスを取るための最適な読み出しモード。