技术贴二：如何选择适合你的成像系统 ：信噪比

信噪比（SIGNAL-NOISE RATIO，简称：SNR）是一个经常被提及的概念，也是成像系统的一个重要指标，它指的是信号与噪声的比值。今天让我们一起来深入理解信噪比。

信号Signal

我们先来说信号：在化学发光实验中，信号是指样品的自发光，而光子数就是光强度的定量表述。在上一期技术贴的分享中，我们就提到相机所能捕捉到的信号强度与其量子效率（QE）成正比：相机量子效率越高，灵敏度也越高，所能采集到的信号就越强。（点击这里回顾上期内容）。

（图一：同一样品采用不同的曝光时间）

在同一个显示范围下，延长曝光时间，可以增加相机所获取的信号强度。

散粒噪声是一种物理现象，它不能通过相机的设计来减少，因此在比对相机信噪比的时候，我们主要考虑的是另两种噪声：读出噪声和暗电流噪声。

读出噪声是相机在读出信号时产生的噪声，是电子通过前置放大器和模-数转换器（ADC）转换为数字信号时所产生的噪声（如图二所示）。低的读出噪声有利于检测非常微弱的信号，使其不至于被淹没在读出噪声中。
 

（图二：读出噪声的产生）

相机传感器内部的硅晶格产热所产生的电子被称为暗电流。由于这些电子也会被像素采集，所以暗电流也成为了一种噪声。因为暗电流是随时间累积的，它的单位以每个像素每秒产生的的电子(e-/p/s)表示。这就意味着在长时间曝光的应用中，暗电流影响相对较大，是一个需要着重考虑的因素。

（图三：降低CCD温度，减少背景噪点）

（图四：制冷温度和暗电流）

举个例子

 

如上表所示，F 相机尽管可以达到绝对温度-40℃，但是它的暗电流在极限情况下为0.0005e/p/sec。P相机绝对温度最低可降至-30℃以下，但是在零下20℃时产生的暗电流仅为F相机的1/5，说明P相机在整体设计上可以更合理地减少暗电流。此外，制冷温度过低，也会影响相机的寿命，尤其当相机的生产工艺不能达到完全真空密封时，低的制冷温度可能造成相机雾化和内部积水的情况，造成相机的损坏。

学习了信号以及噪声后，我们便可以推导出信号的信噪比公式：

在相机本身的量子效率不变的前提下，我们可通过增强样品信号或延长曝光时间来收集更多信号，即光子。信号越强，信噪比越好。

2. 散粒噪声

噪声本身也是一种信号，而散粒噪声作为无法避免但影响最大的噪声，伴随着信号的加强而增大，然而信噪比仍然会随着信号的增强而增大。

3. 暗电流噪声

尽管延长曝光时间可以增强信号，但是暗电流噪声却随着曝光时间的增加而增强。在需要长时间曝光的应用中，我们常用制冷的方式来降低暗电流。由于制冷只是降低暗电流的手段之一，所以制冷的温度事实上不能作为制冷CCD相机的参数之一。

4. 读出噪声

低的读出噪声有利于检测非常微弱的信号，使其不至于被淹没在读出噪声中。