CCD灵敏度和噪声-什么是噪声?它有什么关系?

相机的灵敏度通常用光子的数量或光子通量来表示，这与人类的观测有关，称为勒克斯。勒克斯(Lux)是照度的量度单位，其值为每平方米1流明。流明是一种相当于瓦特的光度，它被加权以匹配“标准观察者”的眼睛反应。

人眼的灵敏度在不同的波长下有所不同，这意味着等同于给定光度量的光子数量。上表中对光子的转换假设光是单色的黄绿色光，波长为555nm，是人眼灵敏度的峰值。对于给定的以流明为单位的最小灵敏度，光子的数量是不同的，例如，下面的表格显示了一个典型的人类观察者在各种测量中可识别的最小光级。

光度法(考虑到人类对光强的感知)和辐射法(光强的绝对测量)的细节将在后面的部分中介绍。

如果一个给定的光信号在相机上诱导了一个低于相机读出噪声的信号，它不能被检测到，因此相机的总噪声是一个定义相机灵敏度的有用方法。由数码相机测量的噪声来自许多来源，这些来源将在后面的部分中详细介绍。

在这里，我们将主要集中在三个主要来源，它们是:
传感器读出噪声
热噪声
来自信号本身的噪声:光子噪声

总相机噪声是总和，在正交中，(即取各种噪声平方和的平方根)计算如下所示:

读出噪声是传感器的固有属性，除EMCCD相机外(稍后将介绍)，通常是大多数相机灵敏度的限制。读出噪声是噪声源的组合，噪声源源于将产生的光电子放大并转换为电压的过程。多年来，读出噪声已经有所改善，但从根本上说，相机读出的速度越快，由于所需带宽的增加，噪声就越高。低噪声CCD在过去通常采用非常低的读出速度，因此它们通常被称为慢扫描CCD。

第二种噪声源是硅传感器中热产生电荷产生的暗噪声。CCD设计的最新改进已将暗噪声大大降低到可以忽略不计的水平，并将其在室温下对总读出噪声的贡献降低到每像素10个电子以下。为了获得最终的灵敏度，仍然需要将CCD冷却到~-100°C的温度。

一些室温相机可能有如此低的暗信号，它可以忽略一秒或更短的积分周期。冷却进一步降低了暗信号，并允许更长的集成周期，长达几个小时，没有明显的暗电荷积累。由泊松统计量给出由暗电荷产生的噪声为由热效应产生的电荷的平方根，即:

入射光子有一个固有的噪声信号，称为光子射噪声。如果我们考虑一些光子P的影响，这些光子P将在一个像素中产生一个Ne个电子的信号，它们将有一个由泊松统计量定义的噪声，如图所示:

如果我们看一下上面的图表，我们可以通过计算DW436相机在冷却到- 65°C或- 25°C时，将曝光从1秒增加到1000秒的灵敏度和噪声来看到一个实际示例的结果。

从规格表中，我们可以看到读出噪声= 7.5e- @ 1MHz，暗电流在-65°C = 0.003 e-/像素/秒，在- 25°C为1e-/像素/秒。

如图所示，在-25°C时，较高的暗电流开始增加曝光10秒或更长时间的整体噪声。当冷却到-65°C时，暗电流对曝光时间小于1000秒的影响可以忽略不计。注意:计算的噪声是平均值，实际测量的峰值值通常比平均噪声高5倍。在接下来的章节中，您将看到，要检测一个具有相当高置信度的信号，该信号通常必须大于读噪声的平方!