从光学显微镜数字成像的动态范围看相机的信噪比

2021-09-13 10:26:04 admin 2

电荷耦合器件 ( CCD ) 或互补金属氧化物半导体 ( CMOS ) 图像传感器的动态范围通常指定为最大可实现信号除以相机噪声,其中信号强度由满阱容量决定,并且噪声是暗噪声和读取噪声的总和。随着设备动态范围的增加,定量测量图像中最暗强度的能力(场景内性能)也得到了提高。场景间动态范围表示在针对不同视场调整探测器增益、积分时间、镜头孔径和其他变量时可以适应的强度谱。

光电二极管的尺寸部分决定了耗尽阱的尺寸——与相机噪声相比,更大的二极管具有更大的全阱容量。显微摄影中使用的现代 CCD 中的典型二极管尺寸范围为 4.5 至 24 微米,相应的阱容量为 20,000 至 600,000 个电子。读取噪声是器件读取过程中产生的所有噪声的组合。这包括来自输入时钟和固定模式的噪声,以及复位晶体管噪声和放大器输出噪声。读取噪声通常在 CCD 传感器随附的性能数据表中指定,在室温下运行的高质量芯片中,典型值范围为 10-20 电子/像素,而在珀尔帖冷却 CCD 中降至 2-5 电子/像素用于科学成像应用。:

动态范围 = 20 × Log(N sat /N噪声)

其中N(sat)是线性全阱容量,表示为电子数和N(noise)是读噪声和暗噪声的总值,也表示为电子数。在高性能冷却 CCD 相机中,阱容量与单个光电二极管的尺寸成正比,因此存储的最大电子数约为每个光电二极管横截面积的 1000 倍。因此,具有 6.7 × 6.7 微米光电二极管的 CCD 应具有约 44,900 个电子(或空穴)的最大电荷存储容量(满阱容量)。在 1 MHz 的典型读出速率下,该 CCD 的读取噪声约为 10 电子/像素,从而产生 44,900/10 或 4,490 的动态范围。为了利用此动态范围内可用的全部灰度级,相机应具有 12 位模数 ( A/D) 转换器能够解析 4096 个灰度级。控制读取和暗噪声的大小是在这些设备中保持高动态范围的关键因素。

高性能冷却 CCD 传感器设计有低噪声输出放大器,适用于显微照片的慢扫描成像,通常具有较低的读取噪声和扩展的动态范围。例如,Marconi Applied Technologies CCD39-01 传感器是一种背照式帧传输 CCD,具有 24 微米的方形像素尺寸,带有分离输出寄存器,允许使用四路输出放大器。该器件的满阱容量可以达到 300,000 个电子的水平。再加上 20 kHz(冷却时)三个电子的读出噪声均方根rms ) 水平,CCD39-01 能够产生大约 100,000 的动态范围1. 为充分发挥该CCD的潜力,应采用131,072灰度级的17位A/D转换器(尽管具有65,536级灰度级的16位A/D转换器也足够了)。

特定 CCD 的动态范围取决于几个变量。暗电流受温度影响很大(图 1),每升高 8 到 10 摄氏度就会增加一倍。在较高温度下,暗电流占主导地位,而在较低温度下,动态范围由输出放大器的噪声决定。每个像素中收集的暗电荷量不仅取决于器件温度,还取决于积分时间和读出前的存储时间。噪声水平也与读出放大器的带宽成正比,后者受像素传输速率的影响,因此受时钟频率的影响。随着时钟频率的增加,暗电流和散粒噪声电子的数量相应减少,输出放大器和视频处理电子设备所需的带宽也更少。积分时间也会影响 CCD 的动态范围,如图 1 所示。总积分时间的增加会导致暗电流增加,随后动态范围会减小,但这种影响仅在积分时间超过 5 时发挥作用分钟。

位深度是指 A/D 转换器使用的可能灰度值的二进制范围,将模拟图像信息转换为能够被计算机读取和分析的离散数字值。例如,最流行的 8 位 A/D 转换器的二进制范围为 2⋅(E8) 或 256 个可能值(图 2),而 12 位转换器的范围为 2⋅(E12) 或 4,096 个值, 16 位转换器有 2⋅(E16) 或 65,536 个可能的值。A/D 转换器的位深决定了灰度级增量的大小,位深越高,相机可用的有用图像信息范围越大。当信号的采样电平远低于读出噪声建议的限值时,可以获得更好的结果。例如,如果 Marconi CCD39-01 与信号平均一起使用,可以使用 18 位(262,144 灰度级)A/D 转换器对 262,144 中的 1 部分的数据进行采样。但是,此设备的噪声水平统计数据表明,如果不进行信号平均,则无法准确测量图像数据的比例,使其超过 100,000 分之一。显然,16 位或 18 位 A/D 转换器在与 Marconi CCD39-01 芯片耦合时会产生更好的结果。相比之下,Fujichrome Velvia 是一种细粒度彩色透明胶片,已被证明可产生小于 10 档(1024 灰度级)的动态范围。16 位或 18 位 A/D 转换器与 Marconi CCD39-01 芯片耦合时会产生更好的结果。相比之下,Fujichrome Velvia 是一种细粒度彩色透明胶片,已被证明可产生小于 10 档(1024 灰度级)的动态范围。16 位或 18 位 A/D 转换器与 Marconi CCD39-01 芯片耦合时会产生更好的结果。相比之下,Fujichrome Velvia 是一种细粒度彩色透明胶片,已被证明可产生小于 10 档(1024 灰度级)的动态范围。

表 1 显示了用于存储数字信息的位数、灰度级的数值等效值与以分贝为单位的相应值(一位约等于 6 dB)之间的关系。如表中所示,如果 0.72 伏视频信号由 A/D 转换器以 1 位精度进行数字化,则该信号将由两个值表示,二进制 0 或 1,电压值为 0 和 0.72 伏。显微摄影中使用的数码相机中的大多数数字化仪采用 8 位 A/D 转换器,该转换器具有 256 个离散灰度级(介于 0 和 255 之间)来表示电压幅度。然后将 0.72 伏的最大信号细分为 256 个步长,每个步长的值为 2.9 毫伏。


电荷耦合器件的位深度和动态范围
位深灰度
等级
动态范围
(分贝)
126分贝
2412 分贝
3818 分贝
41624 分贝
53230分贝
66436 分贝
712842 分贝
825648 分贝
951254 分贝
101,02460 分贝
112,04866 分贝
124,09672 分贝
138,19278 分贝
1416,38484分贝
1665,53696 分贝
18262,144108 分贝
201,048,576120分贝
表格1

为获得可接受的视觉质量而必须生成的灰度级数应足以使人眼无法辨别各个灰度值之间的步长。在理想的观看条件下,普通人眼的灰度图像强度的“明显差异”约为 2%。在视频监视器的强度范围内,人眼最多可以区分大约 50 种离散的灰度阴影,这表明图像的最小动态范围应介于 6 到 7 位(64 到 128 个灰度级;图 2)之间。

数字图像应至少具有 8 位分辨率,以避免在图像处理过程中增加对比度时在增强图像中产生视觉上明显的灰度级。减少灰度级数对显微照片外观的影响如图 3 所示,该图显示了以不同分辨率显示的马铃薯(马铃薯)染色薄片的黑白(最初为 8 位)图像范围从 6 位(图 3(a))到 5 位(图 3(b))、4 位(图 3(c))和 3 位(图 3(d))。

改进的带有 12 位分辨率 CCD 的数码相机使调查人员能够以比 8 位图像更大的宽容度显示图像。这是可能的,因为适当的软件可以从更大的调色板(4,096 级灰度级)渲染必要的灰度,以便在计算机显示器上显示,通常以 256 级灰度呈现图像。相比之下,8 位数字图像仅限于最初由数码相机捕获的 256 个灰度级的调色板。随着图像处理过程中放大倍数的增加,软件可以选择最准确的灰度来再现放大图像的部分,而不会改变原始数据。

模拟视频信号的数字转换所需的精度取决于数字灰度级阶跃与摄像机输出中的均方根噪声之间的差异。带有内部 A/D 转换器的 CCD 相机产生不需要在计算机中重新采样和数字化的数字数据流。这些摄像机能够在高端型号中生成高达 18 位分辨率(262,144 灰度)的数字数据,并且不受 RS-170 视频系统的 0.72 伏信号限制,并在他们的 A/D 转换器。CCD 相机所表现出的大数字范围的主要优势在于所显示的 8 位图像的信噪比改进以及信号可以数字化的宽线性动态范围。