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技术贴五: 如何选择适合你的成像系统:相机技术综合贴
人阅读 发布时间:2019-12-09 12:56
在前四期的技术贴中,我们学习了科研级相机的几个重要参数,今天我们来对它们做一个总结。
1. 数码相机成像原理
温故而知新,我们回顾一下数码相机的成像原理:
(图一:数码相机成像原理)
如图一所示,在WB实验中,镜头收集样品自发光并将其聚焦于感光芯片上,感光芯片将接收到的光信号(光子)转换成电子,电子通过模数转换器(ADC)按照一定的转换系数转换成数字信号,这个转换系数我们称之为增益(Gain),转换成的数字信号我们称之为灰度值(Gray Scale)。最后通过软件的处理,图像可被输出为各种格式的电子文件(如:JPG, Tiff,Png等)。
量子效率(Quantum Efficiency,简称:QE)指的是感光芯片将光子转化为电子的效率(点击此处查看原文)。量子效率是衡量相机灵敏度的重要指标,因为灵敏度是指相机采集真实的信号的能力,它可以用电子数来量化:
电子数=(灰度值–偏置) X 增益
通过相机的工作原理我们了解到,量子效率与电子数和灰度值均成正比。一款相机的QE越高,其灵敏度也越强。
3.信噪比SNR
信噪比(SIGNAL-NOISE RATIO,简称:SNR)是指在成像过程中信号与噪声的比值(点击此处查看原文)。
a. 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。
b. 散粒噪声
噪声本身也是一种信号。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。由于散粒噪声无法避免,对比相机信噪比主要比较的是读出噪声和暗电流噪声。信噪比公式可简化为:
c. 读出噪声
读出噪声是相机在读出信号时产生的噪声,低的读出噪声有利于检测非常微弱的信号。
d. 暗电流噪声
尽管延长曝光时间可以增强信号,但是暗电流噪声会随着曝光时间而累积,因此在需要长时间曝光的实验(如WB实验)中,暗电流会产生较大的影响。CCD制冷是降低暗电流的手段之一,但我们真正应该关心的并非CCD的制冷温度而是暗电流的大小。
此外,我们还学习了如何使用Image J对图像的信噪比进行计算(点击此处查看原文)。
4.分辨率和像素合并
在化学发光的应用中,是不是相机的分辨率越高就越好?这取决于我们的应用场景。如果我们要将wb的实验结果印刷在海报上,那么我们需要高分辨率的大图确保条带的边缘不会虚化。但是如果我们投递文献或者验证一下实验结果,那我们可以牺牲高分辨率选择使用像素合并(Binning)功能提高相机灵敏度,提高信噪比并快速获得实验结果。
像素合并(Binning)是指将相邻的像素所感应的电子合并在一起,以一个像素的模式读出,使用 Binning 模式会产生以下几点效应:
总结一下
为化学发光成像系统选择适合的相机,我们需要综合以下几方面考虑:
1. 量子效率越大,相机越灵敏,相同的曝光时间下所能采集到的信号越强,从而更适合捕捉微弱的条带信号;
2. 噪声分为散粒噪声、读出噪声和暗电流噪声。由于散粒噪声无法避免,因此我们会选择读出噪声和暗电流都很低的相机。尤其因为化学发光成像需要长时间曝光,所以暗电流是我们着重考虑的因素;
3. 分辨率越高意味着图像更细节,然而在化学发光成像的应用中,分辨率的大小取决于我们的应用场景,如果是投递文献或者验证一下实验结果,我们可以牺牲高分辨率选择使用像素合并(Binning)功能提高相机灵敏度,提高信噪比并快速获得实验结果。
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