當(dāng)傳感器檢測(cè)到光子時(shí)，像素內(nèi)會(huì)釋放光電子。在曝光結(jié)束時(shí)測(cè)量光電子數(shù)并產(chǎn)生數(shù)字。這稱為模數(shù)單元 (ADU)或“灰度級(jí)”。然而，灰度級(jí)的數(shù)量并不等于檢測(cè)到的光電子的數(shù)量。灰度級(jí)很重要的決定因素是相機(jī)的增益。

對(duì)于科學(xué)相機(jī)來(lái)說(shuō)，釋放的光電子和顯示的灰度級(jí)之間存在線性關(guān)系。增益是該線性響應(yīng)的梯度，以電子 (e – )/灰度級(jí) (ADU)表示。例如，如果相機(jī)的增益為 6 e – /gray，則捕獲信號(hào)的每 6 個(gè)光電子，顯示值就會(huì)增加 1 個(gè)灰度級(jí)。

像素可以包含的最大信號(hào)還取決于相機(jī)的增益和位深度。對(duì)于 16 位相機(jī)，我們的最大灰度級(jí)值為 65,535 - 將此值(減去任何偏移值)乘以增益即可提供可用的全阱容量 - 我們可以檢測(cè)到的光電子中的最大信號(hào)。

相機(jī)的偏移是指在檢測(cè)到任何光子之前像素內(nèi)的少量電子。這些決定了像素陣列的黑色電平(即最低電平)。這是為了確保不存在零值像素，因?yàn)闊o(wú)法從 0 值創(chuàng)建任何信息。由于全阱容量 也是傳感器的屬性，因此通常選擇相機(jī)的默認(rèn)增益值，使得傳感器全阱與最大可顯示信號(hào)相匹配。

EMCCD 相機(jī)的不同之處在于它們引入了額外的 EM 增益系數(shù)。通過乘以檢測(cè)到的光電子，即使對(duì)于非常低的信號(hào)，也可以克服讀取噪聲，并通過該乘法除以所得增益值。因此，EMCCD在低光成像模式下具有非常高的增益，例如大約0.03 e-/gray。

如何計(jì)算增益

系統(tǒng)增益可以通過以下步驟使用均值方差測(cè)試來(lái)測(cè)量：

1、收集 100 幀平均圖像(零積分暗圖像)并將圖像標(biāo)記為“偏差”。

2、收集兩個(gè)均勻照明圖像并將它們標(biāo)記為“flat1”和“flat2”。您的實(shí)驗(yàn)設(shè)置應(yīng)該足夠靜態(tài)，以便圖像“相同”，除了相機(jī)噪聲和光子散粒噪聲之外。

3、通過從一幅圖像中減去另一幅圖像(保留負(fù)值)來(lái)計(jì)算差異圖像：diff = flat2-flat1。

4、計(jì)算差異圖像中中心 100 x 100 像素的標(biāo)準(zhǔn)差。

5、通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行平方并除以 2 來(lái)計(jì)算方差(方差按圖像相加，因此差異圖像的方差是 flat1 和 flat2 的方差之和)。

6、通過從其中一張平面圖像中減去偏差來(lái)計(jì)算偏差校正圖像，并將其標(biāo)記為 corr：corr = flat 1 – 偏差。

7、通過計(jì)算 corr 圖像中心 100 x 100 區(qū)域的平均值來(lái)獲取平均照明級(jí)別。

8、均值除以方差等于增益：增益 = 均值/方差。

審核編輯 黃宇