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进阶版长曝光成像视觉方案：热噪声与热像素抑制技术

长曝光成像技术是检测细微缺陷的核心手段，例如显示面板坏点检测或低照度环境下半导体晶圆的微弱信号捕捉。然而，长曝光时间会引入热像素噪声等挑战，影响成像质量与检测精度。

进阶长曝光成像视觉方案：热噪声与热像素抑制技术 — 长曝光图像对比 | 测试条件：曝光时间10秒 | 增益27dB | 光圈f/4 | 测试环境：暗箱

长曝光成像捕捉每一处细节

在显示面板与半导体检测领域，精度至关重要，任何细微缺陷都不容忽视。显示面板检测中，长曝光技术常用于识别低亮度缺陷及色度均匀性差异；半导体检测中，虽短曝光时间可保障高吞吐量，但在光照不足导致信号难以与噪声区分的场景下，长曝光则发挥着关键作用。

半导体与显示检测中长曝光成像的核心挑战

更长的曝光时间会带来诸多挑战，如热噪声、热像素、暗电流增加以及运动伪影，所有这些都会降低图像质量，影响检测精度。

热噪声与热像素：
更长的曝光时间会使传感器热量积聚，产生热噪声和热像素，这些会模拟缺陷，导致误报以及代价高昂的返工。
图像细节丢失：
机械位移、环境振动或热膨胀产生的运动伪影，会使高倍率半导体成像和高分辨率显示器分析中的精细细节变得模糊。
信噪比（SNR）权衡：
虽然更长的曝光时间通过捕捉更多光子来改善信噪比，但也会放大热像素和暗电流噪声，掩盖高分辨率传感器中的关键缺陷。
成本与图像质量：
具备优化冷却功能的高端传感器可减少噪声，但会增加成本与复杂度，对于对预算敏感的应用而言并不实用。

长曝光成像的挑战 — 使用显微镜对带有 8.5 微米结构的荧光载体进行成像。左 / 中：曝光 1 秒、增益 24 分贝、2×2 像素合并、40 倍放大。右：基于人工智能的处理降低了时间噪声。

热噪声与热像素的多样化应对方案

为突破上述技术瓶颈，需综合采用传感器优化设计、主动式冷却方案及多模态图像处理算法，在保障检测效率的同时实现缺陷识别精度的最大化。

方法	工作原理	优势	局限性
热像素校正	通过多帧识别并校正热像素	精准修正热像素，保持信号完整性	实时处理算力要求高
传统暗帧降噪	采集暗场参考图并扣除热噪声	对固定噪声模式效果显著	需双帧采集，无法处理时变噪声
像素映射与掩膜	识别热像素并用邻域像素值替换	对持续性热像素有效	可能扭曲真实缺陷特征
时域降噪（帧叠加）	多帧平均抑制随机噪声	提升信噪比，适用于静态噪声	不适用于运动目标或高动态场景
相机结构优化设计	降低传感器温度抑制热噪声与热像素	从源头预防热像素，提升成像质量	极端长曝光下仍有残余噪声

最优方案：混合视觉方案架构

在半导体晶圆检测、显示面板质检等复杂成像场景中，单一技术路径难以全面解决热噪声抑制、动态范围扩展与检测效率平衡的矛盾。因此，推荐采用软硬协同的混合解决方案：通过传感器级硬件优化（如TEC制冷、像素级暗电流校正）与智能后处理算法（多帧降噪、缺陷特征分类）的深度融合，在保障检测节拍的前提下实现亚微米级缺陷识别能力。

适用于长曝光成像的定制相机外壳 — 定制相机外壳，可在长时间曝光成像时降低核心电路板的温度： 41.7 mm x 29.3 mm x 35.4 mm

硬件优化 : 优化设计的相机外壳可维持传感器处于稳定低温状态，显著抑制热噪声与热点像素的产生。将相机核心温度控制在 45°C 以下，对最大限度减少热点像素尤为有效。
软件后处理: 捕获后，通过热点像素关联、暗帧扣除及像素映射等算法精修图像，可校正因长曝光产生的残余伪影。
基于 FPGA 的实时降噪: 先进的基于 FPGA 的视觉方案可在传感器层面动态调整曝光参数并执行实时噪声校正，确保在无处理延迟的前提下，最大限度地抑制噪声与热点像素。