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）。

为了加强信号，除了选择高灵敏度的相机，还可以：1. 增强样品信号（比如：我们做化学发光的时候可以选择信号更强的发光液）；2. 延长曝光时间（如下图所示）
 

（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。

成像过程中的三种噪声，接下来，让我们了解一下在成像过程中不可避免的三种“噪声”，他们会对成像结果产生影响。

1、散粒噪声（Photo shot noise） 由于光信号的量子特性，入射到芯片的光子变成电子时的不确定性被称之为散粒噪声。他和信号的关系如下：

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。

2、读出噪声（Read noise） 

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）

举个例子，上海勤翔化学发光成像系统相机的读出噪声在 3e-5e 左右，即每转换一次数字信号，会产生的噪声为3到5个电子数。

3、暗电流（Dark current）

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。

因为暗电流是热效应导致的，所以制冷是降低暗电流的主要措施。制冷相机最常用的制冷方法是热电冷却，又称珀尔帖冷却 (Peltier cooling)，即由和传感器相连的散热器进行散热。如图三所示，降低CCD温度可以减少噪点。
 

（图三：降低CCD温度，减少背景噪点）

但是，暗电流并非随着温度的降低而线性下降。如图四所示：在接近-23℃时，暗电流的下降趋于平缓并接近水平。因此，很多品牌的化学发光成像系统采用绝对温度-25℃的制冷相机。上海勤翔所采用的制冷相机，其绝对温度可达-30℃以下，并且在绝对温度-20℃时就可以将暗电流降至最低 0.0001e/Pixel/Second。
 

（图四：制冷温度和暗电流）

值得注意的是：制冷温度并不是制冷CCD相机的重要指标之一，因为制冷仅仅是降低暗电流的手段之一，所以暗电流大小才是关键性指标。

举个例子

 
噪声的公式成像所产生的噪声为以上三种噪声的标准差，用公式可表示为：

 

 

噪比SNR
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：
由于散粒噪声无法避免，对比相机信噪比主要考虑读出噪声和暗电流噪声，因此，信噪比公式也可以简化为：

 

 

总结一下，今天我们一起学习了信噪比，它作为成像系统的一个重要指标与以下几点有关：
1. 信号强度

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。

 

举个例子 上海勤翔化学发光成像系统所采用的制冷CCD相机，读出噪声为3-5e，暗电流最低可达0.0001e/p/sec，即使曝光时间长达30min，其产生的暗电流最低为（0.0001e*1800sec）=0.18e，远低于信号本身，可在长时间曝光的应用下保证信噪比，从而满足化学发光成像系统的需要。