當傳感器檢測到光子時，像素內會釋放光電子。在曝光結束時測量光電子數并產生數字。這稱為模數單元 (ADU)或“灰度級”。然而，灰度級的數量并不等于檢測到的光電子的數量。灰度級很重要的決定因素是相機的增益。

對于科學相機來說，釋放的光電子和顯示的灰度級之間存在線性關系。增益是該線性響應的梯度，以電子 (e – )/灰度級 (ADU)表示。例如，如果相機的增益為 6 e – /gray，則捕獲信號的每 6 個光電子，顯示值就會增加 1 個灰度級。

像素可以包含的最大信號還取決于相機的增益和位深度。對于 16 位相機，我們的最大灰度級值為 65,535 - 將此值(減去任何偏移值)乘以增益即可提供可用的全阱容量 - 我們可以檢測到的光電子中的最大信號。

相機的偏移是指在檢測到任何光子之前像素內的少量電子。這些決定了像素陣列的黑色電平(即最低電平)。這是為了確保不存在零值像素，因為無法從 0 值創建任何信息。由于全阱容量 也是傳感器的屬性，因此通常選擇相機的默認增益值，使得傳感器全阱與最大可顯示信號相匹配。

EMCCD 相機的不同之處在于它們引入了額外的 EM 增益系數。通過乘以檢測到的光電子，即使對于非常低的信號，也可以克服讀取噪聲，并通過該乘法除以所得增益值。因此，EMCCD在低光成像模式下具有非常高的增益，例如大約0.03 e-/gray。

如何計算增益

系統增益可以通過以下步驟使用均值方差測試來測量：

1、收集 100 幀平均圖像(零積分暗圖像)并將圖像標記為“偏差”。

2、收集兩個均勻照明圖像并將它們標記為“flat1”和“flat2”。您的實驗設置應該足夠靜態，以便圖像“相同”，除了相機噪聲和光子散粒噪聲之外。

3、通過從一幅圖像中減去另一幅圖像(保留負值)來計算差異圖像：diff = flat2-flat1。

4、計算差異圖像中中心 100 x 100 像素的標準差。

5、通過對標準差進行平方并除以 2 來計算方差(方差按圖像相加，因此差異圖像的方差是 flat1 和 flat2 的方差之和)。

6、通過從其中一張平面圖像中減去偏差來計算偏差校正圖像，并將其標記為 corr：corr = flat 1 – 偏差。

7、通過計算 corr 圖像中心 100 x 100 區域的平均值來獲取平均照明級別。

8、均值除以方差等于增益：增益 = 均值/方差。

審核編輯 黃宇