一、信噪比的定义

 

在相机的成像过程中，除了真实的信号，还会引入一系列的不确定性(光信号本身的不确定性、材料热运动等)，这些称为噪声。而信噪比是指信号与噪声的比值。

 

相机的信噪比可以通过以下公式计算得出：

 

$SNR=\frac{N·QE·t}{\sqrt{N·QE·t+I_D·t+R^2}}$

 

其中：

公式中的分子部分为"信号"，N为单位时间入射的光子数目；

t为曝光时间；

QE为量子效率(光子转换成电荷的比例)；

公式中的分母部分为"噪声"，$\sqrt{N·QE·t}$为来自"真实信号"的散粒噪声，即光子散粒噪声；(与测量信号的强度有关)

$\sqrt{I_D·t}$为来自暗电流的散粒噪声，即暗散粒噪声；(由硅片中自发产生电荷而引起的热现象，与传感器的温度有关)

R为读出噪声。

 

对于特定的拍摄条件，暗电流和读出噪声是固定的。信号越强，其散粒噪声就越大，成为噪声的主要来源；如果信号很弱，来自信号的散粒噪声就很小，此时暗电流和读出噪声的影响就不能忽略。

 

二、影响信噪比的因素

 

1、曝光时间

 

从信噪比的公式可以看出，曝光时间(t)越长，信噪比就越高。但是，曝光时间过长，帧速就无法得到保障。

 

2、像素尺寸

 

像素尺寸会影响信噪比公式中的"N"，像素尺寸越大，落到一个像素上的光子就越多。在其他参数相同的情况下，信噪比就越高。但是，过大的像素尺寸会使得相机的分辨率有所损失。

 

3、暗电流

 

暗电流(信噪比公式中的"$I_D$")来源于材料中电子的热运动，所以芯片的温度越高，暗电流就越大。由于暗电流随曝光时间会积累，所以越是长曝光时间的应用，制冷就越重要。

 

4、量子效率

 

量子效率(信噪比公式中的"QE")为光子在相机像素上转换成为电子的比例。比如100个光子落到一个像素上，量子效率80%意味着相机能够转换得到80个电子。量子效率越大，相机的信噪比就越高。

 

5、读出噪声

 

当用于弱信号探测，来自信号的散粒噪声较小，而且在高端的科研相机，暗散粒噪声通常可以忽略，此时相机的读出噪声需要进行考虑。对于同样的芯片，读出噪声的大小与读出速度有关，读出速度越快，读出噪声就越高。