13.05.2022Avlesningsstøy er usikkerheten som ligger i elektronisk måling av antall fotoelektroner kameraet har oppdaget. Det er vanligvis spesifisert ielektroner (e⁻ RMS)og avhenger av avlesningshastighet, forsterknings-/konverterings-forsterkningsmodus, ADC-konfigurasjon og ROI – så det er bare sammenlignbart når forholdene samsvarer.
I lyse scener,skuddstøydominerer vanligvis, og avlesningsstøy har liten innvirkning. Ved avbildning i svakt lys – svak fluorescens, astronomi, arbeid med kort eksponering og høy hastighet – kan avlesningsstøy vesentlig begrense signal-støyforholdet og til og med detekterbarheten.
Denne veiledningen viser hvordan du tolker spesifikasjoner for avlesningsstøy, når det er viktig, hvilke innstillinger som endrer det, og hvordan du måler det pålitelig.
Hva er avlesningsstøy?
Avlesningsstøy (ofte kaltles støy) er den tilfeldige usikkerheten som introduseres når et kameraleser utet bilde – dvs. når ladningen som samles inn i hver piksel konverteres til en spenning og deretter digitaliseres til et digitalt tall (DN). Selv med perfekt optikk og en stabil scene, er avlesningselektronikken aldri helt støyfri: forsterkere, tilbakestillings- og samplingskretser, analoge signalbaner og analog-til-digital-omformeren (ADC) kan alle bidra med små svingninger. Resultatet er en tilfeldig feil per piksel, per bilde, som legges til ved avlesning.
Figur 1: Les støybegrenset bilde
I dette regimet med ultralavt lys er signalverdiene sammenlignbare med lesestøy, noe som betyr at lesestøy er den primære begrensende faktoren for signal-støyforholdet.
Fordi sensoren til slutt måler lys somelektroner, avlesningsstøy er oftest spesifisert ielektroner (e⁻), vanligvis some⁻ RMSÅ uttrykke støy i elektroner gjør det enklere å sammenligne ytelse på tvers av kamerainnstillinger og modeller. (Hvis du starter fra DN, krever konvertering til e⁻ systemkonverteringsforsterkningen,e⁻/DN.) I moderne vitenskapelige kameraer kan avlesningsstøyen være svært lav – ofte ved~1–3 e⁻ RMS-nivå i lavstøymoduserfor avbildning i svakt lys – selv om den nøyaktige verdien avhenger av avlesningshastighet, forsterknings-/konverteringsforsterkningsmodus, ADC-konfigurasjon, ROI og temperatur.
Typiske verdier og hvorfor de varierer
For mangesCMOS-kameraer, har lesestøyen blitt lav nok til at svært små signaler kan måles med god gjengivelse. Andre sensorteknologier og driftsmoduser kan vise høyere avlesningsstøy, spesielt når de er optimalisert for maksimal bildefrekvens. Se tabell 1 for noen representative verdier. Derfor er det viktig å sammenligne lesestøy kun under samsvarende testforhold (modus, avlesningshastighet, forsterkning, bitdybde, ROI osv.).
Tabell 1: Typiske RMS-lesestøyverdier for ulike vitenskapelige kamerateknologier
* EMCCD-er har ekstra støykilder som reduserer følsomheten deres
** Høyhastighets sCMOS som f.eks.Tucsen Dhyana 2100 sCMOS-kamera
*** HøyhastighetCMOS-kameraerbrukes både i vitenskapelig avbildning og film for høyhastighets bevegelsesfangst. Disse kameraene kan vanligvis ikke brukes til avbildning i svakt lys på grunn av den høye støyen som skjuler signaler i svakt lys.
RMS vs. median lesestøy (og hvorfor noen datablad viser to tall)
I CMOS/sCMOS-sensorer kan lesestøy variere noe fra piksel til piksel, så det kan være nyttig å tenke på lesestøy som en fordeling snarere enn en enkelt verdi. Noen kameraer viser også en liten «hale» av piksler med høyere støy, der effekter som tilfeldig telegrafstøy (RTN) kan være mer uttalte.
For å oppsummere denne fordelingen, kan produsenter rapportere en median (typisk) lesestøyverdi, og noen ganger et ekstra RMS-tall som er mer følsomt for piksler med høyere støy. Definisjoner kan variere fra produsent til produsent, så den sikreste tilnærmingen er å sjekke den oppgitte målemetoden og forholdene – spesielt når du sammenligner kameraer eller velger en modus for arbeid i svakt lys.
Hvordan lese av støyspesifikasjoner for avlesning?
En verdi for avlesningsstøy er bare meningsfull når den er knyttet til hvordan kameraet ble brukt under målingen. Modus, bitdybde, avlesningshastighet, forsterkning/konverteringsforsterkning og ROI kan alle endre tallet – så sammenlign alltid spesifikasjoner under samsvarende forhold.
Testforholdene er viktige
Et tall for avlesningsstøy er bare meningsfullt når det er knyttet tildriftsforholdbrukes til å måle det. Det samme kameraet kan rapportere forskjellige verdier avhengig av avlesningsmodus og konfigurasjon, så «lavere» er ikke automatisk «bedre» med mindre du sammenligner likeverdige. Før du sammenligner kameraer – eller til og med to moduser på samme kamera – se etter disse forholdene i databladtabellen, fotnoter eller ytelsesplott:
●Avlesningshastighet / pikselfrekvens (kHz–MHz):Raskere avlesning øker vanligvis avlesningsstøy.
Forsterkning-/konverteringsforsterkningsmodus (f.eks. HCG/LCG): Endrer e⁻/DN og kan forskyve den rapporterte støyverdien.
●ADC-bane / bitdybde:Noen kameraer tilbyr flere ADC-moduser som påvirker støy og kvantiseringsatferd.
●ROI og avlesningskanaler:ROI kan endre hvordan sensoren leses og kan endre ytelsen i enkelte arkitekturer.
●Temperatur (hvis oppgitt):Spesifikasjoner måles ofte ved en definert sensortemperatur; sammenlign alltid under lignende forhold.
Hvis en overskriftsstøytall for lesing vises uten modus/hastighetskontekst, behandle den som ufullstendig og finn den detaljerte modustabellen eller plottet.
Typisk vs. maks. / median vs. RMS: hvorfor du kan se to tall
På grunn av parallelle avlesningsarkitekturer,de fleste CMOS/sCMOS-sensorerviser noe variasjon i avlesningsstøy fra piksel til piksel, så det kan være nyttig å tenke på avlesningsstøy som en fordeling snarere enn en enkelt verdi. Det er derfor noen spesifikasjonsark rapporterer to tall.
A medianVerdien for lesestøy indikerer at 50 % av pikslene er på eller under dette tallet, noe som ofte gjenspeiler «typisk» ytelse. En ekstraRMSFiguren (når den er oppgitt) er mer følsom for spredningen av fordelingen og kan bedre fange opp påvirkningen av piksler med høyere støy i halen. Siden definisjoner kan variere fra produsent til produsent, bør du alltid sjekke de angitte målebetingelsene og rapporteringskonvensjonen.
CMOS/sCMOS-sensorer kan visepiksel-til-piksel variasjoni avlesningsstøy, så lesestøy er bedre å tenke på som endistribusjonsnarere enn én enkelt verdi. For å oppsummere denne fordelingen kan produsenter rapportere:
●Typisk / Median:En «typisk piksel»-figur som representerer vanlig ytelse i den modusen.
●RMS (eller noen ganger et mer konservativt tall):En statistikk som kan være mer følsom for piksler med høyere støy og bedre gjenspeiler den totale spredningen.
Ikke alle leverandører bruker disse begrepene på nøyaktig samme måte, så sjekk alltid den oppgitte definisjonen og målemetoden. Når du er i tvil, sammenlign kameraer ved hjelp av verdier rapportert undersamme statistikk og betingelser.
Eksempler på kameramodus (hvorfor ett kamera har flere spesifikasjoner for lesestøy)
For å gjøre dette konkret, vurderTucsen Aries 6510 sCMOS-kamera med ultimat følsomhetPå databladet rapporteres avlesningsstøy for flere avlesningsmoduser – fordi kameraet kan betjenes med forskjellige bitdybder og avlesningsrørledninger, og hver har et annet støynivå:
Figur 2: Avlesningsstøy på Aries 6510
Slik tolker du dette: disse tallene er ikke motstridende – de beskriverforskjellige driftspunkterav samme kamera. En pipeline med høyere hastighet (her hastighetsmodus) prioriterer vanligvis gjennomstrømning og kan vise høyere avlesningsstøy, mens følsomhetsoptimaliserte pipelines kan redusere gulvet for avlesningsstøy. Det er nettopp derfor spesifikasjoner for avlesningsstøy alltid bør lesessammen med modusnavnet og den oppgitte bitdybdenNår du sammenligner kameraer (eller sammenligner et kamera med en publisert verdi), sørg for at du sammenlignersamme modus, ikke bare det laveste overskriftstallet.
Når avlesningsstøy er viktig?
Avlesningsstøy begrenser ikke alle eksperimenter. Om det har noen betydning, avhenger av et enkelt spørsmål: er avlesningsstøy en meningsfull del av det totale støybudsjettet på signalnivået du jobber med? Under lyse forhold dominerer vanligvis fotonstøy (skuddstøy). Under forhold med lavt signal kan avlesningsstøy bli begrepet som bestemmer signal-støyforholdet (SNR) – og noen ganger om svak struktur i det hele tatt er synlig.
Lesestøy kontra skuddstøy: en rask tommelfingerregel
Skuddstøyen øker med signalet√N(der N er antallet detekterte fotoelektroner). Avlesningsstøyen er omtrent enkonstant per piksel per bildefor en gitt modus. Dette betyr:
● Påhøy N, √N er stor og avlesningsstøy bidrar lite.
● Pålav N, √N er liten og avlesningsstøy kan dominere.
Et praktisk krysningspunkt er nårskuddstøy ≈ avlesningsstøy, dvs. når√N ≈ RDet tilsvarerN ≈ R².
For eksempel, hvis en modus harR = 2 e⁻ RMS,Avlesningsstøyen blir betydelig når signalet er i størrelsesorden fra noen få elektroner til noen få titalls elektroner per piksel (siden R2=4). HvisR = 10 e⁻, skifter delefiltret til rundt 102 = 100 elektroner per piksel.
Et konkret eksempel på signal-støyforhold (hvorfor det er ubetydelig i lyse scener)
Anta at en piksel inneholder2000 krav signal. Skuddstøy er√2000 ≈ 44,7 e⁻.
Hvis det er støy i avlesningen10 e⁻, total støy (RMS) er:
Så endres signal-støyforholdet (SNR) fra 2000/44,7≈44,7 til 2000/45,8≈43,7 – en liten forskjell. Med andre ord, ved høye signalnivåer vil reduksjon av avlesningsstøy sjelden endre det du kan se.
I scener med mye lys, hvor hver piksel samler tusenvis av fotoelektroner, blir avlesningsstøy en liten del av det totale støybudsjettet. For eksempel, ved 2000 e⁻ signal, endrer det å legge til 10 e⁻ avlesningsstøy signal-støyforholdet (SNR) bare med noen få prosent – ofte umerkelig – mens avlesningsstøy kan begrense SNR og synlige detaljer betydelig ved titalls elektroner per piksel.
Når avlesningsstøy blir en reell begrenser
Avlesningsstøy er viktigst når eksperimentet ditt er signalbegrenset per bilde – som betyr at hver piksel bare samler et lite antall fotoelektroner i en enkelt eksponering. I dette regimet kan avlesningsstøy dominere støybudsjettet, redusere signal-støyforholdet (SNR) og skjule den svake strukturen.
Vanlige applikasjonssignaler inkluderer:
●Svak fluorescens / lav merkingstetthet, spesielt med korte eksponeringer eller raske timelapse-bilder
●Enkeltmolekylfluorescensog lokaliseringsbasert superoppløsning, hvor signaler bare kan være noen få fotoner per emitter per ramme
●Kjemiluminescensavbildning, hvor fotonbudsjettene er iboende lave og avlesningsstøy kan dominere
●Høyhastighets funksjonell avbildning (spenning/membranpotensial, rask kalsiumavbildning), hvor korte eksponeringer reduserer antall fotoner per bilde
●Foton-sultne avbildningsarbeidsflyter(f.eks. veldig svake rammer selv om du planlegger å stable/gjennomsnitte senere)
Som en praktisk sjekk: hvis ditt typiske pikselsignal er ihundrevis til tusenvis av elektronerper ramme er avlesningsstøy sjelden dominerende. Hvis det er ititalls elektroner eller mindre, avlesningsstøy og modusvalg kan påvirke bildekvaliteten sterkt.
Konklusjon
Avlesningsstøy er et modusavhengig, avlesningskjedebegrenset begrep – så de eneste meningsfulle sammenligningene gjøres under samsvarende forhold (modus, avlesningshastighet, forsterkning/konverteringsforsterkning, ADC/bitdybde, ROI). I lyse scener er den ofte ubetydelig, men i avbildning med lavt signal kan den vesentlig begrense SNR og detekterbarhet.
Hvis du ønsker en anbefaling for eksperimentet ditt, kan du dele applikasjonsdetaljene dine (signalnivå, eksponeringstid, bildefrekvens, bølgelengde og mål-SNR). Våre bildespesialister kan foreslå enTucsen-kameraog den beste avlesningsmodusen for å balansere følsomhet, hastighet og dynamisk område.
