科研相機成像品質的關鍵Vol.3—雜訊（下）
在科研相機的成像中，信噪比（SNR）高低代表測量的品質，上期我們深入介紹了影響雜訊的相關參數，這期將介紹分析過量雜訊因數和暗電流。
EMCCD 和過量雜訊因數
過去用於低光成像的領先技術是EMCCD相機，它在測量前使用電子倍增來克服相機的讀取雜訊，然而此倍增是隨機對測量的每個像素產生不同的乘法，因此引入了一個額外的雜訊因數，稱為過量雜訊因數，在統計模型中，這種額外的雜訊分佈具有將所有預乘法雜訊源增加√2倍或 41% 的效果，造成光子散粒雜訊隨著信號的增加而遞增。
儘管EMCCD圖像具有40%的像素面積優勢，但EMCCD圖像的「顆粒狀」雜訊程度較高，雜訊因數的存在很明顯
因此在每像素2-3個光子以上的所有信號下，背照式CMOS相機比EMCCD的信噪比好，在10-100光子範圍內差異尤其顯著，此外EMCCD的唯一優勢僅為低讀取雜訊，因為背景光亦會因過量雜訊因數而遭受額外的光子散粒雜訊影響，所以只要有任何背景光存在，此項優勢將不復存在。
不過在單光子計數中（每像素最多1-2個光子的信號）， EMCCD的低讀取雜訊仍能提供良好的信噪比，因此在科研成像中仍佔有一席之地。
小結：EMCCD 的圖像品質受過量雜訊係數影響，而無法媲美現代背照式 CMOS 相機的生物成像品質，但在單光子計數中仍有其競爭力。
暗電流，冷卻起了什麼作用？
暗電流是在曝光過程中產生的熱雜訊，是由於電子從周圍的矽中進入像素井時，被檢測到而產生信號。讀出期間像素中暗電流電子的平均數量為「規格表」暗電流（以電子/像素/秒為單位）乘以曝光時間。
由於熱電子的收集為隨機，但平均速率已知，這是另一個卜瓦松分布過程，如光子散粒雜訊，因此暗電流的實際雜訊貢獻由下式給出:
冷卻相機的主要目的為暗電流、同時減少熱像素（具有異常高暗電流的像素），不過，暗電流的重要性取決於使用的曝光時間，對於10ms或更短的短曝光，即使是高暗電流的無製冷相機，也可以提供良好的信噪比；但當曝光時間為100ms時，暗電流就會產生影響，無製冷相機的SNR會大大降低。如下表所示，根據暗電流值的不同，曝光1秒後，無製冷相機實際上無法成像。
然而，冷卻程度（即達到的溫度）並非為極大的影響因素，因為在相同的感光元件溫度下，不同技術的相機，暗電流表現會有很大的差異，此外，讀取雜訊通常會在冷卻相機的典型<2s曝光中有著更大的影響，下表對此進行了探討。
上：基於不同相機製造商的相同感光元件的三款相機的讀取雜訊和暗電流比較。
中：在規定的曝光時間內，檢測到信號的10個光電子的信噪比。
下：在規定的曝光時間內，檢測到信號的100個光電子的信噪比。Prime BSI的低讀取雜訊和暗電流意味著該相機在所有情況下都處於領先地位。-25°C和-45°C冷卻之間的差異即使在1秒曝光時間內也會被這兩個相機之間的讀取雜訊差異所抵消。對於100ms及以上的曝光時間，無製冷相機的靈敏度僅為其一小部分。