對(duì)于任何電子測(cè)量系統(tǒng)中， 信號(hào)-噪聲比（SNR）表征了測(cè)量的質(zhì)量，并且確定該系統(tǒng)的*終性能。 用CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器，所述SNR值具體地表示所測(cè)量的光信號(hào)的比值，以合并的噪聲，它由電子系統(tǒng)中所產(chǎn)生的不期望的信號(hào)分量，并且與入射光子通量的固有的自然變化。 因?yàn)橐粋€(gè)CCD傳感器通過(guò)離散的物理位置的一個(gè)陣列收集電荷，信號(hào)與噪聲的比可以被認(rèn)為是相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度，相對(duì)于測(cè)量的不確定性，在每個(gè)像素的基礎(chǔ)。 在CCD成像系統(tǒng)噪聲的三個(gè)主要來(lái)源是光子噪聲 ， 暗噪聲和讀取噪聲 ，所有這些都在SNR計(jì)算必須考慮。

本教程與初始化的信號(hào)噪聲比為一體化的函數(shù)的假設(shè)CCD系統(tǒng)具有典型的規(guī)格在顯微成像應(yīng)用中使用的高性能相機(jī)（曝光）時(shí)間的圖形繪圖的顯示。 影響信號(hào)噪聲比CCD傳感器參數(shù)可以改變通過(guò)使用鼠標(biāo)重新定位的任何位置顯示窗口下方的滑塊建模教程系統(tǒng)。 作為各變量改變時(shí)，信號(hào) - 噪聲比的計(jì)算值在左側(cè)黃色框被更新。 在與電子傳感器，包括CCD的圖像采集，顯然隨機(jī)波動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度構(gòu)成的噪聲疊加在信號(hào)上，并作為噪聲的幅度增加，在所測(cè)量的信號(hào)不確定性變得更大。 變化直接影響信號(hào)電平的因素作出，并且這些變量主要貢獻(xiàn)噪聲的系統(tǒng)中，對(duì)信噪比的逆效應(yīng)，這反映在所顯示的值。 大信號(hào)噪聲比是很重要的收購(gòu)高質(zhì)量的數(shù)字圖像，并在需要精確的光測(cè)量應(yīng)用中尤為關(guān)鍵。 標(biāo)記的分級(jí)因子的單選按鈕可單獨(dú)選擇，以使信號(hào)對(duì)噪聲比的改善與科學(xué)CCD相機(jī)，其中從鄰近像素組的信號(hào)產(chǎn)生的電荷的讀出過(guò)程中，組合成較大的“superpixels”常用的方法。 的分級(jí)因子代表的像素被組合以形成更大的每個(gè)像素的數(shù)目。 當(dāng)SNR被重新計(jì)算，以反映分塊操作中，假定該信號(hào)是相同的組內(nèi)的每一個(gè)象素。

來(lái)自CCD成像系統(tǒng)，在計(jì)算SNR利用測(cè)得的信號(hào)，依賴于光子通量入射到CCD（表示為每像素的光子每秒），設(shè)備（其中，1表示100％的效率）的量子效率，并且集成在其上的信號(hào)被收集（曝光）時(shí)間（秒）。 這三個(gè)變量的乘積確定的信號(hào) - 噪聲比，這是權(quán)衡有助于比率的分母項(xiàng)的所有的噪聲源的信號(hào)部分（分子）。 本教程中的量子效率滑塊提供了20％到98％的調(diào)整范圍， 光子通量滑塊允許選擇每像素0.1和10000光子每秒之間的入射光水平。 積分時(shí)間滑塊調(diào)整CCD的積分時(shí)間在一定范圍為0.1至100秒。

提供用于改變CCD規(guī)格為讀出噪聲 （每像素2?20的電子有效值）和暗電流 （每秒每像素0.01?50電子）滑塊。 對(duì)總噪聲的光子噪聲的貢獻(xiàn)是信號(hào)電平的函數(shù)，而不是一個(gè)獨(dú)立的噪聲變量，可以通過(guò)相機(jī)的設(shè)計(jì)或操作方法會(huì)降低，但被占的SNR計(jì)算。 右手黃色數(shù)值字段（檢測(cè)到的光子/像素 ），顯示信號(hào)的光子的總數(shù)中讀出由CCD每個(gè)像素*過(guò)目前由滑塊設(shè)置積分周期。 此值表示光子通量，量子效率和積分時(shí)間的乘積。 五個(gè)滑塊的操作，在與相鄰的幾個(gè)單選按鈕的同時(shí)，產(chǎn)生了一系列對(duì)應(yīng)于大多數(shù)操作條件下可能在利用CCD攝像機(jī)設(shè)計(jì)用于低光成像在顯微鏡中可能遇到的信號(hào) - 噪聲比的值。 當(dāng)教程*初加載或復(fù)位時(shí)，滑塊的位置預(yù)設(shè)為，是典型用于利用冷卻CCD高性能科學(xué)級(jí)攝像機(jī)系統(tǒng)的值。

三個(gè)主要的不希望的信號(hào)成分（噪聲），這會(huì)降低一CCD成象裝置通過(guò)降低信號(hào)噪聲比的性能，被認(rèn)為是在計(jì)算總SNR：

光子噪聲 （有時(shí)也被稱為散粒噪聲 ），從在光子入射到CCD上的到達(dá)速率的固有統(tǒng)計(jì)變化的結(jié)果。 在半導(dǎo)體器件內(nèi)產(chǎn)生的光電子構(gòu)成的信號(hào)，其大小是由遵循的光子入射到CCD上的泊松統(tǒng)計(jì)分布在給定的位置的波動(dòng)擾動(dòng)。 光子噪聲或測(cè)量變差，因此相當(dāng)于該信號(hào)的平方根。

暗噪聲來(lái)自于CCD，它是獨(dú)立的光子引起的信號(hào)的，但高度依賴于器件溫度的硅結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱產(chǎn)生的電子的數(shù)量的統(tǒng)計(jì)變化。 生成熱電子在給定的CCD溫度的速率被稱為暗電流 。 在相似的光子噪聲，暗噪聲服從泊松關(guān)系到暗電流，并且等效于圖像的曝光時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱電子的數(shù)量的平方根。 冷卻CCD降低了暗電流顯著，并且在實(shí)踐中，高性能的攝像機(jī)通常冷卻到的溫度下的暗電流是可以忽略不計(jì)了一個(gè)典型的曝光間隔。（本文來(lái)源：尼康顯微鏡成像CCD信號(hào)與噪聲比）

讀噪聲是固有的變換的CCD的電荷載體轉(zhuǎn)化為量化的電壓信號(hào)的處理系統(tǒng)的噪聲分量，并且隨后的處理和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的組合。 讀取噪聲的主要貢獻(xiàn)通常起源于芯片上的前置放大器，并且該噪聲是均勻地加入到每一個(gè)圖像像素。 高性能攝像系統(tǒng)利用增強(qiáng)型設(shè)計(jì)，大大降低噪音閱讀的意義。

該CCD信號(hào)與噪聲的比值計(jì)算在本教程中使用下面的公式：

SNR = PQet / [ PQet + Dt + Nr2 ]1/2

其中P是入射的光子通量（光子/像素/秒），Q（E）表示CCD的量子效率，t為積分時(shí)間（秒），D是暗電流值（電子/像素/秒） 和 N （R）代表讀取噪聲（有效值電子/像素）。

檢查表明，上面的方程簡(jiǎn)單地構(gòu)造為在曝光時(shí)由歸屬于前面所述的三個(gè)噪聲分量的組合的噪聲分頻后的總信號(hào)的比值。 三個(gè)噪聲源不相關(guān)，而分母采用為每個(gè)噪聲分量相應(yīng)的值：用于光子噪聲信號(hào)賬戶的平方根，暗噪聲等效的暗電流和積分時(shí)間的乘積的平方根，和N（R）-平方對(duì)應(yīng)于所讀取的噪聲分量的平方根。

信噪比（SNR）使用以前的公式計(jì)算假設(shè)信號(hào)是光的*來(lái)源。 的不必要的背景光的各種來(lái)源，如分散在所述成像系統(tǒng)中，可能產(chǎn)生噪聲，并且如果顯著，這個(gè)背景光子通量（B）必須被添加到該光子噪聲成分如下：

SNR = PQet / [(P + B)Qet + Dt + Nr2 ]1/2

應(yīng)當(dāng)考慮的另一個(gè)因素是，事件和背景光子通量，和量子效率的值是波長(zhǎng)的函數(shù)，并且當(dāng)寬帶照明源被采用時(shí)，信號(hào) - 噪聲比的計(jì)算需要這些變量被集成多用于成像的所有波長(zhǎng)。

可以用多種方法來(lái)增加在高性能CCD成像系統(tǒng)的信號(hào) - 噪聲比。 以減少CCD，其表現(xiàn)為暗電流，特殊設(shè)備的制造技術(shù)和操作模式有時(shí)被采用的半導(dǎo)體層內(nèi)的熱產(chǎn)生電荷。 是很常見(jiàn)的冷卻CCD來(lái)降低暗電流，以使用熱電或低溫制冷可以忽略的水平，或如果需要，液氮冷卻的極端的方法可以采取。 在一般情況下，高性能CCD傳感器表現(xiàn)出一個(gè)半減少暗電流為攝氏每5?9度，因?yàn)樗鼈儽焕鋮s到低于室溫的溫度，稱為“加倍溫度”的規(guī)范。 改善此比率通常持續(xù)約5至零下10度的溫度，*過(guò)該暗電流的減少而迅速減弱。 除了專門的電路和電子設(shè)計(jì)，利用*的集成商和雙采樣方法過(guò)濾技術(shù)有時(shí)被用來(lái)去除讀出噪聲的某些組件。

因?yàn)楣庾釉肼暤腃CD信號(hào)的檢測(cè)，不能由相機(jī)設(shè)計(jì)因素降低的固有屬性，它本質(zhì)上代表了“噪聲底限”，也就是*小可實(shí)現(xiàn)的噪聲電平，在相對(duì)影響，因?yàn)楣庾油康脑黾訙p少。 因此，理想的是操作成像系統(tǒng)，它是由光子噪聲受限的條件下，與其它噪聲分量被降低到相對(duì)微不足道。 在低照明度條件下（假設(shè)暗噪聲是由CCD冷卻基本上消除），讀取噪聲大于光子噪聲和圖像信號(hào)被認(rèn)為是只讀的噪聲限制 。 相機(jī)的曝光時(shí)間（累積時(shí)間）可以增加，以收集更多的光子，并提高信噪比，直到一個(gè)點(diǎn)為止在該光子噪聲*過(guò)讀取噪聲和暗噪聲。 上面這個(gè)曝光時(shí)間，圖像被說(shuō)成是光子噪聲的限制 。

可用于圖像形成的光子的數(shù)量有限，在許多顯微技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵因素，并且高性能的CCD照相機(jī)系統(tǒng)是專門設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到的光子噪聲受限工作模式比傳統(tǒng)的攝像機(jī)，它通常從未實(shí)現(xiàn)在低得多的信號(hào)電平光子噪聲性能有限（和適當(dāng)?shù)母咝旁氡龋┰诘凸庹账健?/span> 在寬視場(chǎng)顯微鏡，這通常采用CCD攝像機(jī)，可從標(biāo)本聚集體積的總信號(hào)可以由幾個(gè)數(shù)量級(jí)，在很大程度上取決于所采用的成像技術(shù)和試樣本身發(fā)生變化。 10E6每秒（100萬(wàn)美元）的光子從焦點(diǎn)體積，極低的光照水平，的光子通量相當(dāng)于平均1光子/像素/秒分布在具有100萬(wàn)有效像素的傳感器的表面。 作為一個(gè)參照點(diǎn)，暗適應(yīng)眼的*小檢出限為約40倍（40元光子/秒）。 正確設(shè)計(jì)的熒光顯微鏡通常會(huì)產(chǎn)生10E8從焦量10E9每秒光子，或100?1000光子/像素/秒，相同的100萬(wàn)像素的傳感器。 傳統(tǒng)的明場(chǎng)成像模式通常產(chǎn)生的照度水平，平均在整個(gè)感應(yīng)區(qū)，5000至約40,000光子/像素/秒。 除非積分間隔是很短的，一個(gè)寬視場(chǎng)圖像的亮區(qū)可以產(chǎn)生每像素*過(guò)100,000光子共檢測(cè)到的信號(hào)。

圖1呈現(xiàn)的信號(hào) - 噪聲比與積分（曝光）時(shí)間為一個(gè)典型的高性能CCD相機(jī)在低信號(hào)電平設(shè)計(jì)的成像，以固定在圖中所示的值的光子通量和傳感器特性的曲線圖。 在這種類型中，讀 - 噪聲有限區(qū)域和光子噪聲有限區(qū)域的曲線圖可以被識(shí)別，在曝光時(shí)間的量光子噪聲開(kāi)始*過(guò)讀取噪聲（約0.15秒為指定的傳感器和光束分離值在該圖中）。 因?yàn)楣庾釉肼曅盘?hào)的平方根關(guān)系，這兩個(gè)地區(qū)之間的這種分裂發(fā)生，而本總檢測(cè)每一個(gè)像素的信號(hào)大約是讀出噪聲值的平方的曝光時(shí)間。 例如，對(duì)于每個(gè)像素5的電子均方根讀噪聲規(guī)范，光子噪聲成為主要噪聲源時(shí)的曝光時(shí)間是足以導(dǎo)致每像素多于25檢測(cè)到的光子在現(xiàn)有的入射光子通量。 在交互式指南顯示一個(gè)類似于圖1中的曲線圖，但變化反映在圖形情節(jié)，因?yàn)槊總€(gè)通過(guò)滑塊控制的變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。 除了 計(jì)算出的SNR值，顯示在左側(cè)，右側(cè)黃色的窗口更新檢測(cè)到的光子/像素的值，并在圖形的變化上部的紅色文字訊息，表示讀出噪音或光子噪聲占主導(dǎo)地位是否由滑塊所選擇的值。 紅色箭頭所示的繪制曲線作為當(dāng)前選定的積分時(shí)間的指示。 兩個(gè)主要的噪聲制度之間的過(guò)渡假設(shè)暗噪聲可以忽略不計(jì)，這是典型的科學(xué)級(jí)CCD成像系統(tǒng)的操作，但其他情況都是可能的。 工作在高暗電流水平改變讀出噪聲和光子噪聲在一定條件下的相對(duì)價(jià)值的意義，在這種情況下暗噪聲可以壓倒信號(hào)和其他噪聲成分。

一些科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)允許執(zhí)行一個(gè)片上像素合并功能作為另一種機(jī)制來(lái)提高信號(hào)的信噪比。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，這種方法涉及到一個(gè)犧牲一些空間分辨率，以及在暗電流隨之增加。 通過(guò)提高CCD的信號(hào) - 噪聲比，所述成像系統(tǒng)是能夠達(dá)到的光子噪聲受限的條件在較低光水平和/或較短的曝光時(shí)間。 有些攝像系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)利用像素組合模式的顯示器預(yù)覽圖像，提供更明亮的圖像，以快速的幀速率，這有利于標(biāo)本的定位和聚焦的顯示。 為了證明在計(jì)算信噪比這個(gè)分級(jí)的效果，本教程提供了對(duì)應(yīng)三種分級(jí)因素的單選按鈕。 按鈕標(biāo)簽表示的離散化的像素的數(shù)目如下：1的象素，沒(méi)有分級(jí);組合成一個(gè)16個(gè)像素，4×4像素陣列; 4像素，2×2像素陣列結(jié)合成一體。 圖2顯示了不同的分級(jí)值的曲線上繪制信噪比與曝光時(shí)間的變化的影響。 在本教程中用于計(jì)算信噪比所使用的公式修改為占分級(jí)，如下圖所示：

SNR = MPQet / [ MPQet + MDt + Nr2 ]1/2

在該修改方程中，符號(hào)M表示的離散化的像素的數(shù)量，并假設(shè)在每個(gè)這些像素的信號(hào)是相同的。 三條曲線繪制在同典型的CCD規(guī)格，并標(biāo)示在圖上，并為一個(gè)非常低的樣品的信號(hào)強(qiáng)度，產(chǎn)生的每個(gè)像素40的光子每秒鐘入射到傳感器上的光子通量。 注意，如果沒(méi)有像素組合，以實(shí)現(xiàn)光子噪聲有限的信號(hào)電平是必需的大約4秒的曝光時(shí)間。 通過(guò)實(shí)施16像素組合，等效SNR和每個(gè)像素檢測(cè)到的光子的總數(shù)，只有0.25秒的曝光時(shí)間達(dá)到（參見(jiàn)圖2），這將允許爽快的預(yù)覽圖像以足夠的幀速率，以允許聚焦和試樣即使在低亮度圖像的定位。 另一個(gè)考慮是，使用4秒的積分時(shí)間獲取的圖像將受益于一個(gè)近似5倍的改善的信號(hào)噪聲比與使用16像素組合，相對(duì)于未像素合并模式。 在許多情況下，特別是在低光照水平，降低了噪音和所得到的改進(jìn)的圖像對(duì)比度的好處大于理論值的空間分辨率是固有的像素合并過(guò)程中的損失。