了解科學相機中的暗電流：成因、雜訊和緩解措施

暗電流雜訊是一種與溫度和曝光時間相關的相機雜訊源。降低暗電流是許多科學相機採用冷卻系統的主要原因。雖然在短曝光時間內暗電流雜訊可以忽略不計，但它可能是成功進行長時間曝光成像的主要障礙，因為單幀曝光時間可能長達數十秒，甚至數分鐘或數小時。

對於使用科學相機的攝影師、天文學家和研究人員來說，了解暗電流及其成因、計算方法以及降低其影響的途徑至關重要。本文全面介紹了暗電流及其有效的管理策略。

什麼是暗電流？

暗電流是指即使在完全黑暗的環境下，相機感光元件也會產生的微弱電流。它源自於感測器半導體材料內部的熱活動，產生的電子會模擬真實的光生訊號。

區分暗電流訊號和暗電流雜訊非常重要：

●暗電流訊號電子隨時間穩定累積。

●暗電流噪音：此訊號中的隨機波動，在影像中表現為顆粒或斑點。

理解這種區別有助於計算和減輕其影響。

為什麼會出現暗電流噪聲

在每台相機的感光元件內部，分子、原子和亞原子粒子不斷地進行熱運動。感測器的溫度越高，這種熱運動的能量就越大。在每個像素內部，電子都會在這種熱能的驅動下移動。

其中一些電子很可能會進入像素阱——就像我們從入射訊號中探測到的光電子一樣。我們無法將這些熱電子與「真實」訊號區分開來。這就是暗電流和暗電流雜訊的根源。

暗電流強度受多種因素影響：

●溫度溫度升高會增加熱活動，從而提高暗電流水準。

●曝露時間曝光時間越長，暗電流累積越多。

●感測器類型和質量CCD感測器的暗電流通常比現代CMOS感測器高，儘管這取決於設計和製造流程。

暗電流、暗電流訊號和暗電流噪聲

在曝光時間內，熱產生的電子會在像素阱中累積。像素中的電子總數稱為暗電流訊號（有時簡稱「暗訊號」）。這是測量真實光子訊號的新「基線」。

根據感測器架構、設計和溫度的不同，電子的累積速度可能達到每秒數百個，或者可能需要一個小時才能使單一熱產生的電子進入。

對於給定的相機感測器，其暗電流訊號通常會以設定的線性速率增長，該速率在給定的感測器溫度下以每秒每像素的電子數來衡量。這種平均暗電流訊號速率通常在相機規格表中被稱為“暗電流”。給定像素的暗電流訊號可以透過將該暗電流值乘以曝光時間來獲得。

雖然暗電流訊號的累積通常呈線性關係，但它並非均勻分佈在整個感測器上。相機感光元件邊緣出現「輝光」和其他不均勻現象非常普遍。雖然這些現象的成因有時與傳統的熱噪音不同，但這些區域的高暗訊號可以視為其暗電流較高。

然而，在我們成像過程中，最重要的因素並非暗電流訊號。由於暗電流訊號呈線性變化，通常可以從所得影像中減去，如對面章節所述。無法減去的是由於實際暗電子捕獲事件的隨機性而產生的雜訊。

與光子散粒雜訊類似，儘管暗電流訊號以已知的平均速率累積，但實際發生的單一事件在時間上是隨機的。因此，暗電流雜訊遵循以下規律：泊松統計就像光子散粒雜訊一樣。但要注意的是，某些暗電流訊號源可能不符合泊松統計，因此，如果這些值對您的應用很重要，則仔細測量暗電流雜訊是明智之舉。

如何計算暗電流噪音

暗電流的雜訊貢獻，就像其他泊松統計雜訊源一樣，是偵測到的暗電流訊號的平方根。

其中 t 為曝光時間，單位為秒。如上式所示，像素中的暗電流雜訊估計值可透過將規格表中的暗電流值乘以曝光時間並開平方根來獲得。更精確的測量方法是繪製相機中每個像素的暗電流值圖。

從影像中減去暗電流

如上所述，暗電流會提高像素的「零訊號」值。對於需要測量或比較像素值的定量技術而言，這是不可接受的。此外，如果（通常情況下）暗電流在感測器上的分佈不均勻，則由此產生的圖案如果疊加在真實訊號之上，可能會降低影像品質。可以從影像中減去累積暗電流訊號的影響，從而只保留雜訊成分。

如何扣除暗電流訊號

根據暗電流分佈的均勻程度，有兩種方法可供選擇。但無論採用哪種方法，我們都必須注意在相減之前，要麼將影像轉換為光電子單位，要麼將暗電流訊號值轉換為灰階。

如果暗電流在整個感測器上的累積大致均勻，那麼只需從每個像素的灰階中減去平均暗電流訊號即可：

然而，如果暗電流分佈不均勻，則可能需要建立暗電流圖，該圖由多張長時間曝光的暗電流影像的平均值構成。然後，可以根據曝光時間對該影像中的值進行縮放（注意考慮相機偏移），並從影像中減去該值。此時，就只剩下噪音成分了。

注意：實驗流程有時會從結果中減去實驗開始前拍攝的單一「暗幀」。為了最大程度地提高影像品質和信噪比，不建議這樣做。這樣做雖然可以減去暗信號和相機偏移，但會引入暗幀的暗電流噪聲和讀出噪聲，實際上使這些噪聲源的影響加倍。

冷卻與暗電流

需要注意的是，雖然對於給定的相機感測器而言，暗電流取決於感測器溫度，但僅憑溫度無法比較不同相機的性能。感測器的架構和設計才是決定暗電流大小的重要因素，遠比感測器溫度重要得多。

例如，要比較兩款背照式CMOS相機：

在感測器溫度為-25°C時，圖森Dhyana 400BSI V3 sCMOS相機暗電流為 0.2e-/p/s。這意味著平均而言，每個像素中每產生一個電子的暗電流訊號需要 5 秒的曝光時間。

然而，在完全相同的感測器溫度下，Tucsen FL 9BW 長曝光冷卻式 CMOS 相機專為長時間曝光而設計，其暗電子密度低於 0.0005 e-/p/s，這意味著平均曝光時間超過半小時才能在每個像素上產生一個暗電子。

相機散熱原理

科學相機中最常見的感測器冷卻方式是熱電冷卻。它通常分三個“階段”進行：

首先，透過熱電冷卻器（也稱為珀爾帖冷卻器或珀爾帖板）將感測器產生的熱量散發出去。該裝置利用珀爾帖效應，即當施加電壓時，被稱為熱電偶的電子元件會將熱量從自身的一側轉移到另一側。

其次，熱量透過熱連接的金屬部件從珀爾帖板傳遞到熱交換器。

第三，要么風扇使空氣流過熱交換器，將熱量排出到相機外部；要么泵使液體冷卻劑流過熱交換器；要么通過被動氣流進行冷卻。

暗電流雜訊何時重要？

暗電流雜訊的相對重要性很大程度上取決於兩個因素：首先是實驗或成像應用中的典型曝光時間，其次是特定相機的暗電流。

在曝光時間非常短的應用中，例如小於 50 毫秒，即使是非冷凍相機，其暗電流通常也足夠低，可以完全忽略不計。

然而，對於較長的曝光時間，必須進行計算以檢查暗電流的影響。對於許多高靈敏度CMOS相機曝光時間僅一、兩秒，就可能導致暗電流雜訊超過讀取雜訊。

範例：長時間曝光成像的注意事項

長時間曝光成像是指需要數十秒到數分鐘甚至數小時曝光時間才能捕捉到光子通量極低的成像物體的應用。應用實例包括生物發光、化學發光和天文學。

在這些應用中，暗電流必須成為至關重要的指標。然而，還必須考慮其他因素：

● 感測器品質和影像校正可以減少熱像素的影響。

● 高相機動態範圍可以變得非常有利，因為在長時間曝光下，可以（有意或無意地）在同一張影像中獲得非常明亮的訊號和微弱的訊號。

● 「防溢光」技術可以幫助避免飽和像素向相鄰像素洩漏訊號。

● 在某些情況下，使用較小的像素增加過採樣可能有助於減少宇宙射線或熱像素對影像的影響，儘管這可能會降低滿阱容量。

結論

暗電流是相機感光元件中不可避免的現象，但了解其成因和影響有助於有效緩解。透過計算暗電流雜訊、使用暗幀減法以及在必要時採用相機散熱，可以顯著提高影像品質。

對於科學成像應用，尤其是那些需要長時間曝光或高靈敏度的應用，控制暗電流至關重要。選擇合適的相機、採用適當的冷卻方式以及結合影像處理技術，可確保資料的準確性，並使影像保留最大程度的細節。

圖森公司專門從事先進技術的開發。科學相機旨在最大限度地減少暗電流，並在嚴苛的成像環境中提供卓越的性能。聯絡我們了解我們的創新技術如何提升您的影像檢查結果。