Däischterstroum a wëssenschaftleche Kameraen verstoen: Ursaachen, Kaméidi a Mitigatioun

Däischterstroumrauschen ass eng temperaturofhängeg an vun der Beliichtungszäit ofhängeg Quell vun der Kamerarauschen. D'Zil, d'Däischterstroum ze reduzéieren, ass den Haaptgrond, firwat vill wëssenschaftlech Kamerae gekillt ginn. Wärend d'Däischterstroumrauschen bei kuerzen Beliichtungszäiten vernoléissegbar ka sinn, kann et dat primärt Hindernis fir eng erfollegräich Bildgebung mat laanger Beliichtungszäit sinn, wou eenzel Bildbeliichtungen an Zénger Sekonnen oder bis zu Minutten oder Stonnen gemooss kënne ginn.

D'Verständnis vum Däischterstroum, seng Ursaachen, wéi een e berechent a Weeër fir säin Impakt ze reduzéieren ass essentiell fir Fotografen, Astronomen a Fuerscher, déi wëssenschaftlech Kameraen benotzen. Dësen Artikel bitt e komplette Guide zum Däischterstroum a praktesch Strategien fir en effektiv ze managen.

Wat ass Däischterstroum?

Donkelstroum ass de klenge elektresche Stroum, deen vun engem Kamerasensor och a kompletter Däischtert generéiert gëtt. En entsteet duerch thermesch Aktivitéit am Hallefleedermaterial vum Sensor, wouduerch Elektronen produzéiert ginn, déi richteg fotogeneréiert Signaler imitéieren.

Et ass wichteg tëscht engem Däischterstroumsignal an engem Däischterstroumrauschen z'ënnerscheeden:

●Däischterstroumsignal: Déi stänneg Akkumulatioun vun Elektronen iwwer d'Zäit.

●Däischterstroumgeräischer: Déi zoufälleg Schwankungen an deem Signal, déi als Kären oder Flecken an Ärem Bild erschéngen.

Dës Ënnerscheedung ze verstoen hëlleft souwuel bei der Berechnung wéi och bei der Reduktioun vun hiren Auswierkungen.

Firwat donkel Stroumrauschen optrieden

Am Sensor vun all Kamera sinn Molekülen, Atomer a subatomar Partikelen a stänneger thermescher Bewegung. Wat méi héich d'Temperatur vum Sensor ass, wat méi grouss d'Energie vun där thermescher Bewegung ass. Bannent all Pixel beweege sech Elektronen, ugedriwwe vun dëser thermescher Energie.

Et ass héichwahrscheinlech, datt e puer vun hinne sech an de Pixelbrunn fannen – genee wéi eis detektéiert Photoelektrone vum ukommende Signal. Et gëtt keng Méiglechkeet, dës thermesch Elektrone vum 'richtege' Signal z'ënnerscheeden. Dëst ass den Urspronk vum Däischterstroum an dem Däischterstroumrauschen.

Verschidde Faktoren beaflossen d'Intensitéit vum Däischterstroum:

●TemperaturMéi héich Temperaturen erhéijen d'thermesch Aktivitéit, wouduerch d'Niveaue vun den Däischterstroum eropgoen.

●AussetzungsdauerMéi laang Beliichtungszäiten erlaben et, datt méi Däischterstroum sech accumuléiert.

●Sensortyp a QualitéitCCD-Sensore hunn dacks e méi héijen Däischterstroum wéi modern CMOS-Sensore, obwuel dëst jee no Design a Fabrikatiounsprozess variéiert.

Däischterstroum, Däischterstroumsignal an Däischterstroumrauschen

Iwwer d'Beliichtungszäit sammelen sech déi thermesch generéiert Elektronen an de Pixelquellen. Déi total Zuel an engem Pixel gëtt den Däischterstroumsignal genannt (heiansdo just "Däischtersignal" genannt). Dëst ass déi nei "Basislinn", vun där aus dat richtegt Photonsignal gemooss muss ginn.

Jee no Sensorarchitektur, Design an Temperatur kënnen Elektrone mat enger Geschwindegkeet vun Honnerte pro Sekonn accumuléieren, oder et kann eng Stonn daueren, ier den Antrëtt vun engem eenzegen thermesch generéierten Elektron wahrscheinlech ass.

Dat typescht, duerchschnëttlecht Verhale vun engem bestëmmte Kamerasensor ass, datt d'Donkelstroumsignal mat enger festgeluechter linearer Rate fir eng bestëmmt erhale Sensortemperatur wiisst, gemooss an Elektronen pro Pixel a pro Sekonn. Dës duerchschnëttlech Donkelstroumsignalrate gëtt op Kameraspezifikatiounsblieder allgemeng als "Donkelstroum" bezeechent. D'Donkelstroumsignal an engem bestëmmte Pixel gëtt kritt andeems dëse Wäert vun der Donkelstroum mat der Beliichtungszäit multiplizéiert gëtt.

Och wann d'Akkumulatioun vum Däischterstroumsignal typescherweis linear ass, ass se net onbedéngt gläichméisseg iwwer de Sensor verdeelt. Et ass ganz heefeg, datt Kameraen 'Glühungen' un de Ränner vum Sensor an aner Net-Uniformitéiten weisen. Och wann et heiansdo vun engem aneren Urspronk wéi konventionellt thermescht Rauschen ass, kann dat héicht Däischtersignal an dëse Regiounen esou behandelt ginn, wéi wann hiren Däischterstroum méi héich wier.

De wichtegste Faktor an eiser Bildgebung ass awer net onbedéngt den Däischterstroumsignal, deen duerch säi lineare Verhalen dacks vun de resultéierende Biller ofgezunn ka ginn, wéi an der Sektioun vis-à-vis bemierkt. Wat net ofgezunn ka ginn, ass de Rauschbäitrag wéinst der zoufälleger Natur vun den tatsächlechen Erfaassungsveranstaltungen vun den Däischterelektronen.

Genau wéi beim Photonenschéissrauschen, obwuel d'Donkelstroumsignal mat enger bekannter Duerchschnëttsgeschwindegkeet accumuléiert, sinn déi tatsächlech individuell Evenementer zoufälleg an der Zäit. Dofir follegt den Donkelstroumrauschen.Poisson-Statistikengenau wéi Photoneschëssrauschen. Et ass awer ze bemierken, datt verschidde Quelle vum Däischterstroumsignal net un d'Poisson-Statistike gebonnen sinn, dofir ass eng virsiichteg Miessung vum Däischterstroumrauschen ubruecht, wann dës Wäerter fir Är Uwendung wichteg sinn.

Wéi een däischter Stroumrauschen berechent

De Rauschbäitrag vum Donkelstroum, genau wéi aner Poisson-Statistik-Rauschquellen, ass d'Quadratwurzel vum detektéierte Donkelstroumsignal.

Woubei t d'Beliichtungszäit a Sekonnen ass. Wéi an der Equatioun uewen erwähnt, kann eng Schätzung vum Däischterstroumrauschen an engem Pixel kritt ginn, andeems een einfach d'Quadratwurzel vum Däischterstroumwäert aus dem Spezifikatiounsblat hëlt, multiplizéiert mat der Beliichtungszäit. Eng méi genee Moossnam kann erreecht ginn, andeems d'Däischterstroumwäerter vun all Pixel vun der Kamera ofgebild ginn.

Däischterstroum aus Biller ofzéien

Wéi uewe scho gesot, erhéicht den Däischterstroum de 'Nullsignal'-Wäert vu Pixelen. Fir quantitativ Techniken, déi Miessung oder Vergläich vu Pixelwäerter erfuerderen, ass dat net akzeptabel. Ausserdeem, wann (wéi üblech) d'Verdeelung vum Däischterstroum iwwer de Sensor net gläichméisseg ass, kann dat resultéierend Muster d'Bildqualitéit verschlechteren, wann et iwwer dem tatsächleche Signal sichtbar ass. Et ass méiglech, den Effekt vum akkumuléierten Däischterstroumsignal vun de Biller ofzezéien, sou datt nëmmen de Rauschbäitrag iwwreg bleift.

Wéi een e Signal vum donkelen Stroum subtrahéiert

Et gëtt zwou Methoden, ofhängeg dovun, wéi gläichméisseg oder ongläichméisseg den Däischterstroum verdeelt ass. An deenen zwou Fäll musse mir awer oppassen, entweder eist Bild an Eenheete vu Photoelektronen ëmzewandelen, oder eis Däischterstroumsignalwäerter a Groniveauen ëmzewandelen, ier mir subtrahéieren.

Wann d'Akkumulatioun vun der Donkelstroum ongeféier gläichméisseg iwwer de Sensor ass, da kann et duergoen, einfach den duerchschnëttleche Donkelstroumsignal a Groniveauen vun all Pixel ze subtrahéieren:

Wann den Däischterstroum awer net gläichméisseg verdeelt ass, kann et néideg sinn, eng Däischterstroumkaart ze erstellen, déi aus engem Duerchschnëtt vu verschiddene laangbeliichte Däischterbiller besteet. D'Wäerter an dësem Bild kënnen dann no der Beliichtungszäit skaléiert ginn (ënner Berücksichtegung vum Kamera-Offset) a vum Bild ofgezunn ginn. Elo bleift nëmmen de Rauschbäitrag iwwreg.

Bemierkung: Experimentell Workflows kënnen heiansdo d'Subtraktioun vun engem eenzegen 'donkelen Frame' vun de Resultater enthalen, deen direkt virum Ufank vum Experiment opgeholl gouf. Fir d'Bildqualitéit an den SNR ze maximéieren, ass dëst net recommandéiert. Dëst wäert den donkelen Signal an den Offset vum Kamera subtrahéieren. Awer et wäert de Bäitrag vum donkelen Stroumrauschen an dem Liesrauschen vum donkelen Frame derbäisetzen, wouduerch de Bäitrag vun dëse Rauschquellen effektiv verduebelt gëtt.

Ofkillung vs. Däischterstroum

Et ass wichteg ze bemierken, datt, obwuel fir e bestëmmte Kamerasensor den Däischterstroum vun der Sensortemperatur ofhänkt, e Verglach tëscht verschiddene Kameraen net eleng op Basis vun der Temperatur gemaach ka ginn. D'Architektur an den Design vum Sensor sinn e vill, vill méi wichtege Faktor fir d'Bestimmung vum Ausmooss vum Däischterstroum wéi d'Sensortemperatur.

Zum Beispill, fir zwou hannerbeliichte CMOS-Kameraen ze vergläichen:

Bei enger Sensortemperatur vun -25°C,Tucsen Dhyana 400BSI V3 sCMOS Kameraweist en Däischterstroum vun 0,2e-/p/s op. Dëst bedeit, datt am Duerchschnëtt 5 Sekonne Beliichtung pro Elektron vum Däischterstroumsignal an all Pixel vergoe kënnen.

Bei der selwechter Sensortemperatur awer,Tucsen FL 9BW Laangzäitbeliichtungskamera mat gekillter CMOS, speziell fir laang Beliichtung entwéckelt, weist manner wéi 0,0005 e-/p/s op, dat heescht datt eng duerchschnëttlech Beliichtungzäit vu méi wéi enger hallwer Stonn néideg wier fir een eenzegen donkelen Elektron pro Pixel ze generéieren.

Wéi d'Kamerakillung funktionéiert

Déi heefegst Form vu Sensorkillung fir wëssenschaftlech Kameraen ass thermoelektresch Killung. Dës funktionéiert typescherweis an dräi 'Etappen':

Als éischt gëtt d'Hëtzt vum Sensor iwwer en thermoelektresche Killer, och Peltier-Killer oder Peltier-Plack genannt, ewechgeholl. Dësen Apparat benotzt de Peltier-Effekt, wouduerch eng elektresch Komponent, bekannt als Thermoelement, d'Hëtzt vun enger Säit vun sech selwer op déi aner beweegt, wann eng Spannung ugewannt gëtt.

Zweetens gëtt d'Hëtzt vun de Peltier-Placken duerch thermesch verbonne Metallkomponenten op Wärmetauscher iwwerdroen.

Drëttens, entweder beweegt e Ventilator d'Loft laanscht d'Wärmetauscher fir d'Hëtzt no baussen aus der Kamera ze entfernen, oder eng Pompel beweegt flëssegt Killmëttel laanscht si, oder si gi vun engem passive Loftstroum gekillt.

Wéini ass Däischterstroumrauschen wichteg?

Déi relativ Bedeitung vum Däischterstroumrauschen hänkt staark vun zwéi Faktoren of: éischtens, déi typesch Beliichtungszäiten an Ärem Experiment oder Ärer Bildgebungsapplikatioun, an zweetens den Däischterstroum vun Ärer spezifescher Kamera.

An Uwendungen, wou d'Beliichtungszäiten ganz kuerz sinn, zum Beispill manner wéi 50 ms, kënnen och ongekillte Kameraen dacks sou niddregen Donkelstroum hunn, datt dëse komplett vernoléissegt ka ginn.

Fir méi laang Beliichtungszäiten muss d'Berechnung awer gemaach ginn, fir de Bäitrag vum Däischterstroum ze kontrolléieren. Fir vill héichempfindlechCMOS Kameraen, kéint eng Beliichtungszäit vun nëmmen enger oder zwou Sekonnen zu engem Rauschen am Däischterstroum féieren, deen de Rauschen am Liesstroum iwwerschreift.

Beispill: Iwwerleeunge fir d'Bildgebung mat laanger Beliichtungszäit

Laangzäitbeliichtungszäitbildgebung gëtt definéiert als Uwendungen, déi Beliichtungszäiten vun Zénger Sekonnen bis Minutten oder Stonnen erfuerderen, fir Sujeten mat ganz niddregem Photonenflux festzehalen. Beispiller fir Uwendungen sinn Biolumineszenz, Chemilumineszenz an Astronomie.

An dësen Uwendungen muss den Donkelstroum eng Spezifikatioun vu primärer Bedeitung ginn. Zousätzlech Iwwerleeunge mussen awer och berécksiichtegt ginn:

● Sensorqualitéit a Bildkorrekture kënnen den Impakt vun Hot Pixels reduzéieren.

● En héije dynamesche Beräich vun der Kamera kann extrem virdeelhaft sinn, well ganz hell Signaler (absichtlech oder zoufälleg) bei laangen Beliichtungszäiten am selwechte Bild wéi däischter Signaler opgeholl kënne ginn.

● 'Anti-Blooming'-Technologie an -Technike kënnen hëllefen, ze verhënneren, datt gesättigte Pixel e Signal un hir Noperen duerchlafen.

● Ënner bestëmmte Ëmstänn kann et nëtzlech sinn, d'Iwwersampling mat méi klenge Pixelen ze erhéijen, fir den Impakt vu kosmesche Strahlen oder Hot Pixelen um Bild ze reduzéieren, obwuel dëst d'Kapazitéit vum ganze Well reduzéiere kann.

Conclusioun

Donkelstroum ass en onvermeidlecht Phänomen a Kamerasensoren, awer d'Verständnis vu senge Grënn an Auswierkunge erméiglecht eng effektiv Bekämpfung. Andeems Dir Donkelstroumrauschen berechent, Donkelbildsubtraktioun benotzt a Kamerakillung benotzt, wann néideg, kënnt Dir d'Bildqualitéit däitlech verbesseren.

Fir wëssenschaftlech Bildgebungsapplikatiounen, besonnesch déi, déi laang Beliichtungszäiten oder eng héich Empfindlechkeet erfuerderen, ass d'Gestioun vum Däischterstroum entscheedend. Déi richteg Kamera ze wielen, eng adäquat Ofkillung unzewenden an d'Bildveraarbechtungstechniken z'integréieren, suergen dofir, datt Är Donnéeën korrekt bleiwen an Är Biller maximal Detailer erhalen.

Tucsen spezialiséiert sech op d'Entwécklung vun fortgeschrattenewëssenschaftlech Kameraenentwéckelt fir Däischterstroum ze minimiséieren a besser Leeschtung an usprochsvollen Imaging-Ëmfeld ze liwweren.Kontaktéiert eisa entdeckt, wéi eis Innovatiounen Är Bildgebungsresultater verbesseren kënnen.

Tucsen Photonics Co., Ltd. All Rechter reservéiert. Wann Dir zitéiert, gitt w.e.g. d'Quell un:www.tucsen.com