最大的误区在于：有噪点的相机都不好。但并不是所有的噪点是相同的。记录图像时，不同来源的干扰都会引起图像噪点。有些噪点可以归究于照相机的质量，而其它的则是自然情况下的结果，并不能防止 - 相反，它们甚至是可取的。

光子噪声是一种“好”的或可取的噪声。它描述了光能量的最小单位-光子的行为不能精确地按照量子物理学定律来预测的现象。因此，由摄像头芯片测得的发光强度有所波动，即使被摄物体的亮度是恒定的。这种不可预测性显示在图像的噪音上 - 这是一件好事。光子噪声增大成比例的信号，即当一定数目的光子到达相机芯片- 同时传感器芯片也获得有大量的光。因此，光子噪声作为一种自然现象是始终存在的，虽然它只能通过相同照明场景的的连续两个图像的像素与像素的比较来感知。

不幸的是，还存在“不良”或不希望有的噪声。它由相机和其他多方面的原因引起。主要来源是图像传感器，它将在每个像素中的光入射为的电荷载体的相应数量。

这样的电荷载体，即使完全没有入射光，也会因为热量或在半导体材料的缺陷而产生。另一个影响是由电荷载体或电压通过芯片引起的传输噪声。如果该信号电压被放大，并通过模拟 - 数字转换器转换为数字信号，这将导致相机的附加噪声，统称为读出噪声。该信号是不希望有的 - 好在它在正常运行条件下通常是不变的（只要是在室温下没有显著波动）。如果我们在整个动态范围检查摄像机的信号与噪声的比值，可以清楚地看到光子噪声占主导地位，开始以传感器的最大光的10％到15％的水平吸收容量。另一方面相机的噪声在低光照水平时是最强的，往往对深色图像产生不利影响。

那么，用户应该注意什么？尽可能将相机噪音减到最低？原则上是的，但这种做法只在一半的情况下是可行的。为了获取最佳图像，我们必须考虑这个问题的性质：光线太暗抑或太亮？

光照有限的拍摄条件

在光照有限的环境下工作的用户就是“噪音是最大问题”的体验者。其中一个极端的例子就是使用现代显微镜程序的单分子测量。这是因为样品中通常标记有荧光染料，发出非常少的光。

然而，稳定的和精确的发光强度必须被测量。这类应用的一些例子是超分辨率显微镜，单平面照明显微镜（SPIM）和结构照明显微镜（SIM）。此时相机的噪点是必须最小。低照应用的相机中获取最佳图像的传感器的平均读出噪音为1.1电荷载体。这意味着每一个曝光中每个像素只有大概一个“坏”电荷载体。在这种情况下，即使是最弱的光，生成每个像素仅有少数载体，也可与背景噪声充分对比。

同样重要的是高量子效率。这指的是图像传感器将尽可能多的光子转换成电荷载体的能力。如今一个好的量子效率值是70％，这意味着传感器需要一个平均不到两个光子来创建一个电荷载体。由于大多数图像传感器将每个像素的表面的主要部分用于其它功能，使之不能用于光转化，而微透镜收集光并将其聚焦在感光区域。同时有相机具有甚至达90％以上的量子效率。这些摄像机将几乎所有的光子转换成电荷载体 - 尽管有其他缺点。

具有高亮度的研究对象的拍摄情况是完全不同的。在这种情况下，相机噪声几乎没有意义。然而，这种能够做到均匀照明的研究对象极少。通常情况是，光亮区域与黑暗区域在图像中交替存在。在流动系统中所使用的流量测量技术就是一个例子。在这里，宽内场动态范围非常必要。这指的是信号 - 噪声比，即最低的信号之间的比率，限制了读出噪声，以及全容量的最高的信号。后者是由于单个像素的电荷载体的最大容量，即满阱或饱和容量。

大像素图像传感器一般具有较高的满阱容量，而较小的传感器具有较低的读出噪声。从长远来看，由此产生的动态范围是决定性的。以下计算用来说明这一点：以10的读出噪声和30,000载体的满阱容量，动态比为1〜3000。如果读出的噪声只有两个电荷载体，换句话说，动态比为1〜15000。那将对应于14位，并提供显著好的由光到暗的色调等级。

显微镜的低发光强度

在现代显微镜程序里很值得熟悉这些关系。在照射时发出光的染料，被用来标记生物-例如标记蛋白质。可为细胞提供更多的光来接收来自所述生物标志物更多的信号，且只有达到一定的程度才能起作用，否则会破坏细胞。原因在于，许多染料是光毒性的：当它们被照射时，它们对细胞将起毒性作用。因此，小剂量照射应保持尽可能低。建议使用高灵敏度的照相机，便于用户容易地识别信号。

在超高分辨率显微镜中，用户能够看到细胞的标记部分，或生物标志物的信号。因此细胞壁或细胞核与染料结合到一起。化学或物理技巧是用来防止所有分子同时发光。由于分辨率不足（衍射极限），用户将在显微镜上看到一个聚焦的亮点。通过检查这个亮点也能够确定其质量中心，并能够找到分子的位置信息。如果亮点在后面的图像的同一位置，该亮点就会接收到一个更高的值。重复这个过程10000次，最后将获得一个累积图像。根据所使用的程序，所得到的图像可达到10纳米分辨率，这比常规的显微镜图像的分辨率显著提高。这可以解释为什么这种技术被称为超高分辨率显微镜。

由于在这种应用中用到的光非常少，新的科学CMOS图像传感器在这方面是有优势的，原因是它们同样灵敏和快速，可以在不到一分钟的时间内创建一个图像。

不同类型的显微镜，例如STORM（随机光学重构显微术），PALM（光活化定位显微镜）或GSD（Ground State Depletion）显微镜，将使用不同的方法来防止分子同时发光。

透明标准化数据

上面的例子说明，显微镜应用困难往往在于低光照条件。如何选择合适的相机（高灵敏度或低噪声）对于特定的应用是很重要的。但是，这并不总是容易的。在过去，许多相机厂商的数据表通常都很粗略，或不允许与其他厂商的数据进行比较。这就是为什么欧洲机器视觉协会（European Machine Vision Association）于2005年推出了EMVA 1288标准（www.emva.org）。该标准定义了如何测量动力学，灵敏度，读出噪声和其它参数。这使得比较不同的制造商的数据成为可能 - 理论上。该标准是自愿的，到目前为止，只有少数厂家愿意透露必要的相关数据。它是由客户来改变这一点 - 通过明确地要求数据符合EMVA 1288标准。

作者
Dr. Mona Clerico
Storymaker GmbH, Tübingen, Germany

Dr. Gerhard Holst (corresponding author via e-mail request)
PCO AG
Kelheim, Germany