科研相機成像品質的關鍵Vol.2—雜訊（上）
上期我們介紹了科研相機圖像品質的關鍵因素：收光、雜訊、均勻度、校正，並針對收光做了更進一步的解釋，接下來我們將分成兩期深入介紹「雜訊」。
雜訊的影響
信噪比（SNR）高低代表測量的品質，在科研相機的成像中，信噪比指信號的相對幅度與該信號中每個像素的不確定性相比，也就是信號與噪聲的比值，在需要精確測量光的應用中，高信噪比尤其重要。
信噪比
信噪比 (SNR)就是信號除以三個主要雜訊源的總和（光子散粒雜訊、暗電流和讀取雜訊）公式計算如下：
高信噪比表示圖像沒有因雜訊引起失真和偽影，信噪比越高，代表信號越突出、圖像品質越好，越容易實現預期的結果；此外許多定量分析技術都有一個信噪比閾值，低於這個閾值的表現就會很差，而理想的信噪比通常取決於樣品、分析技術和應用需求，並無一個固定的數值，下圖展示了不同信噪比對應的圖像品質。
螢光顯微鏡中的信噪比比較，樣品：肌動蛋白標記的BPAE固定樣品載玻片
根據圖片樣品最亮點周圍 3x3 像素區域的平均信號響應計算信噪比，第二列圖像為橘框區域的放大影像
小結：信噪比（SNR）是衡量圖像品質的一個重要量化指標，包括相機的信號收集和雜訊性能，但未考慮圖樣和偽影。
光子散粒雜訊
光子散粒雜訊是指一系列光子源(包含螢光)發射光子的隨機性，其分布平均值則是遵從卜瓦松分布，一種統計與機率學裡常見到的離散機率分布。
每次測量中，信號 𝑆都會以 √ 𝑆的方式變化，因此這是一個隨信號增長而增長的雜訊源，所以在高信號電平下，主要是光子散粒雜訊。
讀取雜訊
讀取雜訊是在相機中測量檢測到的信號的不確定性，受讀出速度和電子設計質量影響，CCD的相機感光元件具有高讀取雜訊（6至10個電子），工業CMOS相機也具有4至10或多達50個電子雜訊，科研CMOS相機通常只具有大約1.0至1.6電子的讀取雜訊。高讀取雜訊會降低昏暗信號的圖像品質，是弱光成像的一大挑戰。
量子效率和讀取雜訊的重要性高低，是科研成像中常見的問題之一，下圖對此進行了更進一步的探討。將具有0.7e-讀取雜訊但只有80%QE的相機，與具有1.0e-讀取雜訊和95%QE的相機進行比較，較高的QE相機在所有信號電平高於每像素1個光子時，都獲得了更高的信噪比，例如弱螢光顯微鏡中，信號範圍通常為每像素10 至100個光電子，即使將較高QE相機的讀取雜訊增加到1.6e-，也能為10個光電子以上的信號提供更好的SNR，信號如此低的狀況下，導致大多數成像應用會遠超這個值。
然而將95%QE相機的讀取雜訊從1.0e-降低到0.7e-時，對信號幾乎不造成影響，在10個光子時使SNR增加2%，在100個光子時使SNR增加0.2%。
假設暗電流忽略不計， 在不同量子效率（QE）和讀取雜訊（r.n.）下，計算出的信噪比與入射信號的比較。左圖：信噪比；右圖：相對信噪比（rSNR）與具有100%QE且無讀取雜訊的「完美」理論相機相比。
小結：讀取雜訊是弱光成像的一個重要因素，但微小的差異僅影響極端弱光條件下的成像，相較來說量子效率有的影響更大
背景光
讀取雜訊在圖像品質中的作用，一定程度上取決於樣品中是否存在背景光，例如離焦螢光、自發螢光、室內光和漏光，由於背景光也會表現出光子散粒雜訊，每個像素只有 2~3 個光電子的冗餘信號，對測量產生的雜訊已超過了 CMOS 相機的典型讀取雜訊，使得相機之間的讀取雜訊差異在這些設置中已不是重點。