Donkerstroom in wetenschappelijke camera's begrijpen: oorzaken, ruis en oplossingen

Donkerstroomruis is een temperatuur- en belichtingstijdafhankelijke ruisbron in camera's. Het verminderen van donkerstroomruis is de belangrijkste reden waarom veel wetenschappelijke camera's worden gekoeld. Hoewel donkerstroomruis bij korte belichtingstijden verwaarloosbaar kan zijn, kan het de grootste belemmering vormen voor succesvolle opnames met lange belichtingstijden, waarbij de belichting van een enkel beeld tientallen seconden, minuten of zelfs uren kan duren.

Inzicht in donkerstroom, de oorzaken ervan, hoe deze te berekenen is en hoe de impact ervan te verminderen, is essentieel voor fotografen, astronomen en onderzoekers die wetenschappelijke camera's gebruiken. Dit artikel biedt een uitgebreide gids over donkerstroom en praktische strategieën om deze effectief te beheersen.

Wat is donkerstroom?

Donkerstroom is de kleine elektrische stroom die door een camerasensor wordt gegenereerd, zelfs in volledige duisternis. Deze ontstaat door thermische activiteit in het halfgeleidermateriaal van de sensor, waarbij elektronen worden geproduceerd die echte fotosignalen nabootsen.

Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen het donkerstroomsignaal en de donkerstroomruis:

●Donkerstroomsignaal: De gestage opeenhoping van elektronen in de loop van de tijd.

●Donkerstroomruis: De willekeurige fluctuaties in dat signaal, die zich in uw afbeelding manifesteren als korrels of spikkels.

Het begrijpen van dit onderscheid helpt zowel bij het berekenen als bij het beperken van de effecten ervan.

Waarom ontstaat donkerstroomruis?

In de sensor van elke camera bevinden zich moleculen, atomen en subatomaire deeltjes die constant thermisch in beweging zijn. Hoe hoger de temperatuur van de sensor, hoe groter de energie van die thermische beweging. Binnen elke pixel bewegen elektronen, aangedreven door deze thermische energie.

De kans is groot dat een deel ervan in de pixelput terechtkomt – net zoals de foto-elektronen die we uit het binnenkomende signaal hebben gedetecteerd. Het is onmogelijk om deze thermische elektronen te onderscheiden van het 'echte' signaal. Dit is de oorzaak van donkerstroom en donkerstroomruis.

Verschillende factoren beïnvloeden de intensiteit van de donkerstroom:

●TemperatuurHogere temperaturen verhogen de thermische activiteit, waardoor de donkerstroom toeneemt.

●BlootstellingstijdLangere belichtingstijden zorgen ervoor dat er meer donkerstroom kan accumuleren.

●Sensortype en -kwaliteitCCD-sensoren hebben vaak een hogere donkerstroom dan moderne CMOS-sensoren, hoewel dit varieert afhankelijk van het ontwerp en het fabricageproces.

Donkerstroom, donkerstroomsignaal en donkerstroomruis

Tijdens de belichtingstijd hopen de thermisch gegenereerde elektronen zich op in de pixelputjes. Het totale aantal elektronen in een pixel wordt het donkerstroomsignaal genoemd (soms kortweg "donkersignaal"). Dit is de nieuwe 'basislijn' van waaruit het werkelijke fotonsignaal moet worden gemeten.

Afhankelijk van de sensorarchitectuur, het ontwerp en de temperatuur kunnen elektronen zich ophopen met een snelheid van honderden per seconde, of het kan een uur duren voordat de kans groot is dat een enkel thermisch gegenereerd elektron de sensor bereikt.

Het typische, gemiddelde gedrag van een camerasensor is dat het donkerstroomsignaal bij een gegeven, constant gehouden sensortemperatuur met een vaste lineaire snelheid toeneemt, gemeten in elektronen per pixel per seconde. Deze gemiddelde donkerstroomsnelheid wordt in de specificaties van camera's vaak aangeduid als 'donkerstroom'. Het donkerstroomsignaal in een bepaalde pixel wordt berekend door deze donkerstroomwaarde te vermenigvuldigen met de belichtingstijd.

Hoewel de accumulatie van het donkerstroomsignaal doorgaans lineair is, is het niet per se gelijkmatig verdeeld over de sensor. Het is heel gebruikelijk dat camera's 'gloed' vertonen aan de randen van de sensor, evenals andere onregelmatigheden. Hoewel de oorsprong soms verschilt van conventionele thermische ruis, kan het hoge donkerstroomsignaal in deze gebieden worden beschouwd alsof de donkerstroom daar hoger is.

De belangrijkste factor bij onze beeldvorming is echter niet per se het donkerstroomsignaal, dat vanwege zijn lineaire gedrag vaak van de resulterende beelden kan worden afgetrokken, zoals in de tegenoverliggende sectie wordt beschreven. Wat niet kan worden afgetrokken, is de ruisbijdrage als gevolg van het willekeurige karakter van de daadwerkelijke donkere elektronenvangstgebeurtenissen.

Net als bij fotonruis, hoewel het donkerstroomsignaal zich ophoopt met een bekende gemiddelde snelheid, zijn de individuele gebeurtenissen willekeurig in de tijd. Daarom voldoet donkerstroomruis aan de volgende voorwaarden:Poisson-statistiekenNet als bij fotonruis. Houd er echter rekening mee dat sommige bronnen van donkerstroomsignalen mogelijk niet aan de Poisson-statistiek voldoen. Daarom is het verstandig om de donkerstroomruis zorgvuldig te meten als deze waarden belangrijk zijn voor uw toepassing.

Hoe bereken je donkerstroomruis?

De ruisbijdrage van de donkerstroom is, net als bij andere ruisbronnen met Poisson-statistiek, de wortel van het gedetecteerde donkerstroomsignaal.

Waarbij t de belichtingstijd in seconden is. Zoals in de bovenstaande vergelijking is aangegeven, kan een schatting van de donkerstroomruis in een pixel worden verkregen door simpelweg de wortel te nemen van de donkerstroomwaarde uit de specificaties en deze te vermenigvuldigen met de belichtingstijd. Een nauwkeurigere meting kan worden verkregen door de donkerstroomwaarden van elke pixel van de camera in kaart te brengen.

Donkerstroom aftrekken van afbeeldingen

Zoals hierboven vermeld, verhoogt de donkerstroom de 'nulsignaal'-waarde van pixels. Voor kwantitatieve technieken die meting of vergelijking van pixelwaarden vereisen, is dit onacceptabel. Bovendien, als (wat vaak voorkomt) de donkerstroom niet gelijkmatig over de sensor verdeeld is, kan het resulterende patroon de beeldkwaliteit verslechteren als het bovenop het werkelijke signaal zichtbaar is. Het is mogelijk om het effect van het geaccumuleerde donkerstroomsignaal van de beelden af te trekken, waardoor alleen de ruisbijdrage overblijft.

Hoe trek je het donkerstroomsignaal af?

Er zijn twee methoden, afhankelijk van hoe gelijkmatig of ongelijkmatig de donkerstroom verdeeld is. In beide gevallen moeten we er echter voor zorgen dat we onze afbeelding omzetten naar eenheden van foto-elektronen, of dat we onze donkerstroomsignaalwaarden omzetten naar grijswaarden voordat we de aftrekking uitvoeren.

Als de donkerstroomaccumulatie ongeveer gelijkmatig over de sensor verdeeld is, kan het voldoende zijn om het gemiddelde donkerstroomsignaal in grijswaarden van elke pixel af te trekken:

Als de donkerstroom echter niet gelijkmatig verdeeld is, kan het nodig zijn een donkerstroomkaart te maken, gevormd door het gemiddelde van meerdere donkere beelden met lange belichtingstijd. De waarden in deze kaart kunnen vervolgens worden geschaald op basis van de belichtingstijd (waarbij rekening wordt gehouden met de camera-offset) en van het beeld worden afgetrokken. Nu blijft alleen de ruisbijdrage over.

Let op: Experimentele workflows kunnen soms het aftrekken van een enkel 'donker frame' omvatten, vastgelegd vlak voor aanvang van het experiment. Voor maximale beeldkwaliteit en signaal-ruisverhouding (SNR) wordt dit echter afgeraden. Hierdoor wordt het donkere signaal en de camera-offset afgetrokken. Maar de bijdrage van de donkerstroomruis en de uitleesruis van het donkere frame wordt erbij opgeteld, waardoor de bijdrage van deze ruisbronnen in feite verdubbelt.

Koeling versus donkerstroom

Het is belangrijk om te benadrukken dat, hoewel de donkerstroom voor een bepaalde camerasensor afhankelijk is van de sensortemperatuur, vergelijkingen tussen verschillende camera's niet alleen op basis van temperatuur kunnen worden gemaakt. De architectuur en het ontwerp van de sensor zijn een veel belangrijkere factor voor de omvang van de donkerstroom dan de sensortemperatuur.

Om bijvoorbeeld twee CMOS-camera's met achtergrondverlichting te vergelijken:

Bij een sensortemperatuur van -25°C, deTucsen Dhyana 400BSI V3 sCMOS-cameravertoont een donkerstroom van 0,2e-/p/s. Dit betekent dat er gemiddeld 5 seconden belichtingstijd kunnen verstrijken per elektron van het donkerstroomsignaal in elke pixel.

Bij exact dezelfde sensortemperatuur echter,Tucsen FL 9BW Lange Belichtingstijd Gekoelde CMOS-cameraDeze sensor, die specifiek is ontworpen voor lange belichtingstijden, vertoont minder dan 0,0005 e-/p/s, wat betekent dat een gemiddelde belichtingstijd van meer dan een half uur nodig zou zijn om één donker elektron per pixel te genereren.

Hoe camerakoeling werkt

De meest voorkomende vorm van sensorkoeling voor wetenschappelijke camera's is thermo-elektrische koeling. Deze werkt doorgaans in drie 'fasen':

Allereerst wordt de warmte van de sensor afgevoerd via een thermo-elektrische koeler, ook wel een Peltier-koeler of Peltier-plaat genoemd. Dit apparaat maakt gebruik van het Peltier-effect, waarbij een elektrisch component, een thermokoppel, warmte van de ene kant naar de andere verplaatst wanneer er een spanning op wordt aangelegd.

Ten tweede wordt de warmte via thermisch verbonden metalen componenten van de Peltier-platen overgedragen naar warmtewisselaars.

Ten derde wordt de warmtewisselaar ofwel gekoeld door een ventilator die lucht langs de warmtewisselaars blaast om de warmte naar buiten de camera af te voeren, ofwel door een pomp die vloeibare koelvloeistof erlangs pompt, ofwel door passieve luchtstroom.

Wanneer is donkerstroomruis belangrijk?

Het relatieve belang van donkerstroomruis hangt sterk af van twee factoren: ten eerste de typische belichtingstijden in uw experiment of beeldvormingstoepassing, en ten tweede de donkerstroom van uw specifieke camera.

Bij toepassingen met zeer korte belichtingstijden, bijvoorbeeld minder dan 50 ms, kan de lekstroom zelfs bij ongekoelde camera's vaak zo laag zijn dat dit volledig verwaarloosbaar is.

Bij langere belichtingstijden moet echter wel rekening worden gehouden met de bijdrage van de donkerstroom. Voor veel zeer gevoelige apparaten is dit het geval.CMOS-camera'sEen belichtingstijd van slechts één of twee seconden kan ertoe leiden dat de donkerstroomruis de uitleesruis overtreft.

Voorbeeld: Overwegingen bij beeldvorming met lange belichtingstijden

Beeldvorming met lange belichtingstijden wordt gedefinieerd als toepassingen die belichtingstijden van tientallen seconden tot minuten of uren vereisen om objecten met een zeer lage fotonenflux vast te leggen. Toepassingsvoorbeelden zijn bioluminescentie, chemiluminescentie en astronomie.

Bij deze toepassingen moet de lekstroom een specificatie van primair belang worden. Er moet echter ook rekening worden gehouden met aanvullende factoren:

● Sensorkwaliteit en beeldcorrecties kunnen de impact van hot pixels verminderen.

● Een groot dynamisch bereik van de camera kan enorm voordelig zijn, omdat zeer heldere signalen (opzettelijk of per ongeluk) bij lange belichtingstijden in dezelfde afbeelding kunnen worden vastgelegd als zwakke signalen.

● 'Anti-blooming'-technologieën en -technieken kunnen helpen voorkomen dat verzadigde pixels signaal doorsijpelen naar hun buren.

● In sommige gevallen kan het nuttig zijn om de oversampling te verhogen door kleinere pixels te gebruiken om de impact van kosmische straling of hete pixels op het beeld te verminderen, hoewel dit de maximale capaciteit van de pixel kan verlagen.

Conclusie

Donkerstroom is een onvermijdelijk verschijnsel in camerasensoren, maar inzicht in de oorzaken en gevolgen ervan maakt effectieve maatregelen mogelijk. Door donkerstroomruis te berekenen, donkere frames af te trekken en, indien nodig, de camera te koelen, kunt u de beeldkwaliteit aanzienlijk verbeteren.

Voor wetenschappelijke beeldvormingstoepassingen, met name die waarbij lange belichtingstijden of een hoge gevoeligheid vereist zijn, is het beheersen van de donkerstroom cruciaal. Door de juiste camera te kiezen, adequate koeling toe te passen en beeldverwerkingstechnieken te gebruiken, zorgt u ervoor dat uw gegevens nauwkeurig blijven en uw beelden maximale details behouden.

Tucsen is gespecialiseerd in de ontwikkeling van geavanceerde producten.wetenschappelijke camera'sOntworpen om de lekstroom te minimaliseren en superieure prestaties te leveren in veeleisende beeldvormingsomgevingen.Neem contact met ons opOntdek hoe onze innovaties uw beeldvormingsresultaten kunnen verbeteren.