Изучение темного тока в научных камерах: причины, шум и способы его снижения

Темновой ток — это зависящий от температуры и времени экспозиции источник шума камеры. Основная причина охлаждения многих научных камер — стремление к снижению темнового тока. Хотя темновой ток может быть незначительным при коротких выдержках, он может стать основным препятствием для успешной съемки с длительной выдержкой, когда экспозиция одного кадра может составлять десятки секунд, минуты или часы.

Понимание темнового тока, его причин, способов его расчета и методов уменьшения его воздействия имеет важное значение для фотографов, астрономов и исследователей, использующих научные камеры. В этой статье представлено исчерпывающее руководство по темновому току и практические стратегии эффективного управления им.

Что такое тёмный ток?

Темновой ток — это небольшой электрический ток, генерируемый датчиком камеры даже в полной темноте. Он возникает из-за тепловой активности в полупроводниковом материале датчика, в результате чего образуются электроны, имитирующие реальные фотосигналы.

Важно различать сигнал темнового тока и шум темнового тока:

●Сигнал темного тока: Постепенное накопление электронов с течением времени.

●Шум темного токаСлучайные флуктуации в этом сигнале, которые проявляются в виде зернистости или пятен на вашем изображении.

Понимание этого различия помогает как в расчете, так и в смягчении его последствий.

Почему возникает шум темного тока?

Внутри сенсора каждой камеры молекулы, атомы и субатомные частицы находятся в постоянном тепловом движении. Чем выше температура сенсора, тем больше энергия этого теплового движения. Внутри каждого пикселя электроны будут двигаться, движимые этой тепловой энергией.

Существует высокая вероятность того, что некоторые из них попадут в область пикселя — подобно фотоэлектронам, обнаруженным нами в поступающем сигнале. Отличить эти тепловые электроны от «истинного» сигнала невозможно. Именно в этом заключается причина возникновения темнового тока и шума темнового тока.

На интенсивность темнового тока влияют несколько факторов:

●ТемператураПовышение температуры увеличивает тепловую активность, повышая уровень темного тока.

●Время контактаБолее длительная выдержка позволяет накопить больше темновой ток.

●Тип и качество датчикаCCD-сенсоры часто имеют более высокий темновой ток, чем современные CMOS-сенсоры, хотя это зависит от конструкции и технологического процесса производства.

Темновой ток, сигнал темновой тока и шум темновой тока

В течение времени экспозиции термически генерируемые электроны накапливаются в пиксельных ячейках. Общее количество электронов в пикселе называется сигналом темнового тока (иногда просто «темновый сигнал»). Это новый «базовый уровень», относительно которого необходимо измерять истинный фотонный сигнал.

В зависимости от архитектуры, конструкции и температуры датчика, электроны могут накапливаться сотен в секунду, или же может потребоваться час, прежде чем станет вероятным проникновение одного термически генерируемого электрона.

Типичное, среднее поведение датчика камеры заключается в том, что сигнал темнового тока растет с заданной линейной скоростью при заданной поддерживаемой температуре датчика, измеряемой в электронах на пиксель в секунду. Эта средняя скорость сигнала темнового тока обычно обозначается в технических характеристиках камеры как «темновой ток». Сигнал темнового тока в данном пикселе определяется путем умножения этого значения темнового тока на время экспозиции.

Хотя обычно накопление сигнала темновой составляющей происходит линейно, оно не обязательно равномерно распределяется по сенсору. Очень часто камеры демонстрируют «свечение» по краям сенсора и другие неоднородности. Хотя иногда их происхождение отличается от обычного теплового шума, высокий уровень темновой составляющей в этих областях можно рассматривать как более высокий уровень темновой составляющей.

Однако наиболее важным фактором в нашей визуализации является не обязательно сигнал темнового тока, который, благодаря своему линейному поведению, часто можно вычесть из результирующих изображений, как отмечено в разделе напротив. Невозможно вычесть шумовой вклад, обусловленный случайным характером фактических событий захвата темных электронов.

Подобно фотонному дробовому шуму, хотя сигнал темнового тока накапливается с известной средней скоростью, фактические отдельные события случайны во времени. Следовательно, шум темнового тока подчиняется следующим условиям:Статистика ПуассонаТочно так же, как и фотонный дробовой шум. Однако следует отметить, что некоторые источники сигнала темнового тока могут не подчиняться статистике Пуассона, поэтому тщательное измерение шума темнового тока целесообразно, если эти значения важны для вашего приложения.

Как рассчитать шум темнового тока

Вклад шума от темнового тока, как и от других источников шума, подчиняющихся закону Пуассона, равен квадратному корню из обнаруженного сигнала темнового тока.

Где t — время экспозиции в секундах. Как указано в приведенном выше уравнении, оценку шума темнового тока в пикселе можно получить, просто взяв квадратный корень из значения темнового тока, указанного в технической документации, и умножив его на время экспозиции. Более точную оценку можно получить, сопоставив значения темнового тока каждого пикселя камеры.

Вычитание темного тока из изображений

Как отмечалось выше, темновой ток повышает значение «нулевого сигнала» пикселей. Для количественных методов, требующих измерения или сравнения значений пикселей, это недопустимо. Кроме того, если (что часто бывает) распределение темновой тока по сенсору неравномерно, результирующий рисунок может ухудшить качество изображения, если он будет виден поверх истинного сигнала. Можно вычесть эффект накопленного сигнала темновой тока из изображений, оставив только шумовой вклад.

Как вычесть сигнал темного тока

Существует два метода, зависящих от равномерности или неравномерности распределения темнового тока. Однако в обоих случаях необходимо либо преобразовать изображение в единицы фотоэлектронов, либо преобразовать значения сигнала темнового тока в уровни серого перед вычитанием.

Если накопление темнового тока примерно равномерно распределено по всему сенсору, то может быть достаточно просто вычесть средний сигнал темнового тока в оттенках серого из каждого пикселя:

Однако, если темновой ток распределен неравномерно, может потребоваться создание карты темнового тока, сформированной из усредненных данных нескольких темных изображений с длительной выдержкой. Значения на этом изображении затем можно масштабировать в соответствии со временем экспозиции (с учетом смещения камеры) и вычесть из изображения. Теперь остается только вклад шума.

Примечание: В экспериментальных рабочих процессах иногда может использоваться вычитание одного «темного кадра», полученного непосредственно перед началом эксперимента. Для обеспечения максимального качества изображения и отношения сигнал/шум это не рекомендуется. Это приведет к вычитанию темного сигнала и смещения камеры. Но при этом будет добавлен вклад шума темного тока и шума считывания темного кадра, что фактически удвоит вклад этих источников шума.

Охлаждение против темновой составляющей тока

Важно отметить, что хотя для конкретного сенсора камеры темновой ток зависит от температуры сенсора, сравнение разных камер на основе одной только температуры невозможно. Архитектура и конструкция сенсора являются гораздо более важным фактором, определяющим величину темнового тока, чем температура сенсора.

Например, для сравнения двух CMOS-камер с задней подсветкой:

При температуре датчика -25°C,sCMOS-камера Tucsen Dhyana 400BSI V3Наблюдается темновой ток 0,2e-/п/с. Это означает, что в среднем на каждый электрон сигнала темнового тока в каждом пикселе может уйти 5 секунд экспозиции.

Однако при той же самой температуре датчика...Охлаждаемая CMOS-камера Tucsen FL 9BW с длительной выдержкойЭтот материал, специально разработанный для длительных экспозиций, демонстрирует интенсивность излучения менее 0,0005 е-/п/с, что означает, что для генерации одного темного электрона на пиксель потребуется среднее время экспозиции более получаса.

FL 9BW Длительная выдержка Охлаждаемая CMOS-камера

Как работает система охлаждения камеры

Наиболее распространенным методом охлаждения сенсоров в научных камерах является термоэлектрическое охлаждение. Обычно оно работает в три «этапа»:

Сначала тепло отводится от датчика с помощью термоэлектрического охладителя, также называемого охладителем Пельтье или пластиной Пельтье. Это устройство использует эффект Пельтье, при котором электрический компонент, известный как термопара, перемещает тепло с одной стороны на другую при подаче напряжения.

Во-вторых, тепло передается от пластин Пельтье через термически соединенные металлические компоненты к теплообменникам.

В-третьих, либо вентилятор прогоняет воздух мимо теплообменников для отвода тепла наружу камеры, либо насос прогоняет мимо них жидкий охлаждающий агент, либо они охлаждаются пассивным воздушным потоком.

Когда шум темных токов имеет значение?

Относительная значимость шума, вызванного темновой токовой нагрузкой, в значительной степени зависит от двух факторов: во-первых, от типичного времени экспозиции в вашем эксперименте или приложении для получения изображений, и, во-вторых, от темновой ток вашей конкретной камеры.

В приложениях, где время экспозиции очень короткое, например, менее 50 мс, даже у неохлаждаемых камер часто бывает достаточно низкий темновой ток, поэтому им можно полностью пренебречь.

Однако при более длительных выдержках необходимо произвести расчет для проверки вклада темновой тока. Для многих высокочувствительных камер это необходимо.CMOS-камерыПри выдержке всего в одну-две секунды шум темнового тока может превзойти шум считывания.

Пример: Рекомендации по съемке с длительной выдержкой

Длительная экспозиция определяется как область применения, требующая времени экспозиции от десятков секунд до минут или часов для получения изображений объектов с очень низким потоком фотонов. Примерами таких областей применения являются биолюминесценция, хемилюминесценция и астрономия.

В таких приложениях темновой ток должен стать первостепенной характеристикой. Однако необходимо также учитывать и другие факторы:

● Качество сенсора и коррекция изображения могут уменьшить влияние «горячих пикселей».

● Высокий динамический диапазон камеры может оказаться чрезвычайно полезным, поскольку очень яркие сигналы могут быть (намеренно или случайно) получены при длительной выдержке на том же изображении, что и тусклые сигналы.

● Технология и методы «защиты от засветки» могут помочь избежать утечки сигнала от перенасыщенных пикселей к соседним.

● В некоторых случаях может быть полезно увеличить передискретизацию, используя пиксели меньшего размера, чтобы уменьшить влияние космических лучей или горячих пикселей на изображение, хотя это может снизить полную емкость ячейки.

Заключение

Темновой ток — неизбежное явление в сенсорах камер, но понимание его причин и влияния позволяет эффективно его смягчать. Расчет шума темнового тока, использование вычитания темных кадров и применение охлаждения камеры при необходимости позволяют значительно улучшить качество изображения.

Для научных приложений визуализации, особенно тех, которые требуют длительной выдержки или высокой чувствительности, управление темновой током имеет решающее значение. Правильный выбор камеры, надлежащее охлаждение и применение методов обработки изображений гарантируют точность данных и максимальную детализацию изображений.

Компания Tucsen специализируется на разработке передовых технологий.научные камерыРазработан для минимизации темнового тока и обеспечения превосходной производительности в сложных условиях получения изображений.Связаться с намии узнайте, как наши инновации могут улучшить результаты вашей визуализации.