26/01/31一、弱光成像常見問題
弱光成像常被視為對信噪比（SNR）要求最高的成像場景，因此高量子效率、低讀出噪聲的高靈敏度相機，往往是標配。但實際應用中，我們反復收到這樣的反饋：
"已經使用讀出噪聲低于 1 e? 的相機，弱信號還是難以區分。“
"提高相機增益后，圖像看起來更亮，但定量結果并沒有提高。”
"延長曝光時間后，背景反而不干凈，信噪比更不好了。”
這些現象真的是參數失效嗎？解釋和解決這些問題，需要回歸信噪比的本質。
二、信噪比本質解析
相機的信噪比(SNR)描述了光信號與圖像噪聲之間的比率。信噪比越高，圖像越清晰，噪聲越少，成像質量就越好。
但圖像并不是“拍下來”的，而是經過一整條“光子-電子-模擬信號-數字信號-圖像”復雜鏈路構建轉化完成。這條鏈路不僅會將光子轉化為信號電子，還會在不同環節不斷引入與成像無關的電子。
圖1：圖像形成鏈路示意圖
以sCMOS相機為例，信噪比可近似表示為：
SNR = S / √(S + R2 + D x t)
其中：
S：有效信號電子數（由光子數與量子效率、像素面積決定）
D：暗電流（和溫度相關）
t: 曝光時間 （和應用場景相關）
R：讀出噪聲（通常假設為時間穩定的隨機噪聲）
所謂“弱光成像難”，主要在于光電子數量受限的條件下，相機系統鏈路既要實現有限光信號的轉化，又要最大程度抑制各類噪聲源的疊加影響，對高保真信號輸出與數據可靠性管理提出了極高要求。
三、不同噪聲源優化策略解析
高保真信號輸出與數據可靠性管理的要求，既是對相機技術與工藝的挑戰，也深度考驗著開發人員對噪聲源底層物理機制的理解水平。
正因如此，盡管高靈敏度芯片已被廣泛應用，但真正能夠實現高信噪比成像的相機技術，仍掌握在少數廠商手中。
1、讀出噪聲 決定了相機靈敏度閾值
關鍵場景解析
在許多高速弱光成像場景中，入射光子通常處于極低水平（≤10 e?/pixel），同時受限于樣本動態過程或時間分辨率要求，單幀可累積的有效信號十分有限。
圖2：原子阱痕量分析（極弱光成像示例）。
這種條件下，讀出噪聲成為系統最小可探測信號的主要限制因素，直接決定目標信號是否能夠被有效分辨。
典型場景示例
生物：單分子熒光定位成像
物理：量子信號探測
工業：平板極低對比度檢測
有效優化策略解析
讀出噪聲產生于像素電荷信號在被轉換為電壓、放大并量化為數字信號的讀出鏈路中。
圖3：讀出噪聲產生的物理機制
優化策略：讀出噪聲的優化需要在讀出速度與噪聲水平之間進行權衡。可行的優化路徑主要包括：
· 降低數據讀出頻率，減小讀出噪聲貢獻；
· 依靠更好的相機電子鏈路設計，降低讀出過程中噪聲的引入。
鑫圖相機技術優勢
鑫圖作為國內率先布局 sCMOS 相機技術研發的廠商，憑借與傳感器廠商的長期深度協同，沉淀了超 10 年超低噪聲電路架構設計與優化的專業技術與經驗。
依托這一核心優勢，鑫圖可在相機固件與驅動層面深度調度芯片底層能力，在系統層面實現對傳感器性能的充分釋放。
表1：Aries 系列產品核心技術參數。
鑫圖 Aries 系列 高靈敏度相機全線實現了低于 1.0 e? 的超低讀出噪聲水平，可有效應對極端弱光的高信噪比成像挑戰。
其中，旗艦型號 Aries 6504 在高靈敏度低噪讀出模式下，讀出噪聲低至 0.4 e?（RMS），不僅具備穩定的單光子級分辨能力，還能在該模式下實現 4.2MP 全分辨率近百幀的高速讀出，可兼顧低噪聲與高速成像需求。
圖4：Aries 6504在高靈敏（單光子級）模式下的實測圖例.
如圖所示：在平均2光子/像素的信號條件下，信號曲線有明顯的波峰特征。
圖5：Aries 6504 vs. Dhyana 400BSI V3(上一代背照式sCMOS相機，1.1e-讀出噪聲)實測圖例對比。
2、暗電流——長曝光不可忽略的因素
關鍵場景解析
在許多弱光成像應用中，為獲得足夠的有效信號，通常需要采用較長的曝光時間。此時，暗電流成為信噪比另一個不可忽略的因素。
典型場景示例
生物：生物發光成像
天文：深空長曝光觀測
工業：PL / EL 發光檢測
有效優化策略解析
暗電流是相機傳感器內部的硅晶格產熱所產生的多余電子，單位是每個像素每秒產生的電子 (e-/p/s)。
圖6：暗電流噪聲物理機制示意
暗電流噪聲源于電子產生事件的隨機性，符合泊松分布，和曝光時間相關；不能通過讀出或算法消除，只能通過降低暗電流來抑制。
傳統 CMOS 相機受限于芯片底層電路架構，暗電流控制難度更高，曝光時間通常小于10 s。因此，長期在長曝光應用中受限。
表2：不同暗電流水平相機長曝光性能對比。結果表明：在相同曝光時間下，相機暗電流水平越低，可以更好地滿足長時間曝光的應用需求。
優化策略：制冷是降低暗電流的主要手段。一般情況下，芯片溫度每降低約 7 °C，暗電流可降低約一半。如圖6所示：相機制冷后，拍攝的圖像噪聲基線明顯下降，成像背景更均一。
圖7：制冷前后圖像背景噪聲基線對比。
鑫圖相機技術優勢
鑫圖先進制冷系統不僅支持多級熱電制冷（Thermoelectric Cooling，縮寫：TEC），還突破了高真空維持技術：可確保在長時間持續運行條件下芯片無水汽凝結、無溫度漂移等風險，確保暗噪聲隨時間變化的一致性與可預測性，滿足科學研究、醫療儀器等高可靠工程應用要求。
表3：FL系列相機核心技術參數。
鑫圖FL 系列長曝光CMOS相機采用高可靠TEC制冷技術，可實現芯片低于環境溫度50℃的深度制冷，對應暗電流低至 0.0005 e?/p/s，支持數十分鐘曝光下，保持極高的成像信噪比。
圖8：(a) FL 26BW和CCD相機的對比結果顯示，即使在長達 30 分鐘的超長曝光條件下，FL 26BW 依然表現出顯著優于典型深度制冷 CCD（ICX695）的成像性能與信噪比水平。(b) 在 10 分鐘曝光條件下，FL 26BW 的背景噪聲仍保持在極低水平，圖像背景分布均一，未出現明顯的時間相關噪聲累積或背景漂移現象。
3、光子散粒噪聲 考驗的是相機軟實力
關鍵場景解析
當單幀信號約大于 100e-/pixel 時，入射光子不再處于極限狀態，此時無論是明場還是暗場，散粒噪聲都是信噪比中的關鍵影響因素。
典型場景示例
生物：寬場熒光成像
物理：熒光光譜檢測
工業：晶圓表面明場檢測
有效優化策略解析
散粒噪聲是由于光子到達探測器時間的不確定性造成的，是一種固有的物理現象，信號越強，散粒噪聲越強。
散粒噪聲 (e-)=√光電子=√(光子數*量子效率)
圖9：散粒噪聲物理機制示意
優化策略：優化重點不再是降低相機本底噪聲，而是提高有效信號占比，包括：
? 選擇應用波段匹配的高QE相機或延長曝光時間
? 通過背景抑制與算法校正，降低無效光子干擾
鑫圖相機技術優勢
鑫圖可提供覆蓋X射線、紫外、可見光至近紅外波段的高靈敏度專業相機，全線標配Mosaic高性能圖像處理軟件。
圖10：鑫圖專業相機產品線
Mosaic軟件基于光子統計規律研發，在保障信號統計真實性的基礎上，提供多種實時圖像處理算法及定量分析工具，可顯著提升復雜背景下弱信號的可判讀性與定量可靠性。
圖11： Mosaic 軟件功能界面示例。
· 實時減背景：減少無效光子干擾，降低實驗環境雜散光影響；
· 實時 3D 降噪：降低背景隨機噪聲波動，提升成像信噪比；
· 實時 ROI 分析：實現從“看圖像”到“讀統計”的直接轉化，為用戶提供量化可重復依據。
圖11： Mosaic 軟件功能界面示例。
圖12：（a）Dhyana XF95相機用于氣體高次諧波探測的實驗裝置圖；（b）實驗中拍攝的原始諧波信號圖像，圖中背景雜散光干擾嚴重，目標信號幾乎無法識別；（c）經鑫圖Mosaic軟件“實時減背景”功能處理后得到的高信噪比圖像，目標信號清晰可辨。
四、SNR X 弱光成像總結
真正的高保真信號輸出與數據可靠性管理，必須建立在系統級相機設計能力與光子統計規律深度理解的雙重基石之上。
鑫圖依托超低讀出噪聲信號鏈路設計、穩定可靠的制冷工藝，結合先進圖像處理算法與軟件定量分析工具，構建起一套覆蓋多類噪聲源的系統級弱光成像優化方案—— 為科學定量研究與工業批量檢測，提供從 “拍得清” 到 “測得準” 的全鏈路高可靠性保障。
聯系我們：在弱光成像領域，成像質量從不取決于某一個孤立參數。如您正面臨相關應用挑戰，歡迎與鑫圖工程師團隊交流，獲得專業技術支持與解決方案。
