碼相機(jī)設(shè)計(jì)中的圖像傳感器噪聲源

如今，電荷耦合器件（CCD）數(shù)碼相機(jī)無(wú)處不在，但是很難設(shè)計(jì)出一種高性能的相機(jī)，無(wú)論用戶在何時(shí)何地使用它都可以使用。優(yōu)化數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì)不僅需要了解如何將相機(jī)連接到系統(tǒng)，還需要了解可能降低相機(jī)捕獲清晰圖像的能力的噪聲源。

在良好的數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的噪聲性能受CCD的限制，而不是受其連接的系統(tǒng)的限制。通常，噪聲有兩種主要類型：時(shí)間噪聲和空間噪聲。時(shí)間噪聲通常在很短的持續(xù)時(shí)間內(nèi)僅限于單個(gè)像素，并且可以通過(guò)平均技術(shù)來(lái)緩解?？臻g噪聲在更大范圍內(nèi)是常見(jiàn)的，并且可以通過(guò)幀減法或增益/偏移校正技術(shù)來(lái)消除其中的一些噪聲。

時(shí)間噪聲有五個(gè)主要來(lái)源：

• 散粒噪聲：散粒噪聲受泊松統(tǒng)計(jì)量控制，并且與到達(dá)傳感器的光子數(shù)量成正比。它是自然邊界，可建立最小可能的本底噪聲和信噪比。
• 復(fù)位噪聲：CCD通常使用感測(cè)電容器和源跟隨器電路將帶電的像素轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。復(fù)位噪聲可應(yīng)對(duì)感測(cè)電容器基準(zhǔn)電壓的變化，并且通常使用相關(guān)雙采樣器電路（可測(cè)量復(fù)位電壓與信號(hào)電壓之差）來(lái)消除噪聲。然后將信號(hào)調(diào)整相應(yīng)的量，從而消除此噪聲源。
• 輸出放大器噪聲：這有兩種形式-白噪聲和閃爍噪聲。白噪聲與頻率無(wú)關(guān)，并且是由源極跟隨器FET中的熱阻引起的。白噪聲受電路靈敏度和放大器增益的影響。白噪聲通常隨放大器面積的增加而增加。

閃爍噪聲與像素采樣率成反比，并且與流過(guò)放大器MOSFET的硅氧化物界面的電流效率有關(guān)。噪聲功率每增加十倍頻次便降低10倍，直到噪聲趨于平穩(wěn)為止。對(duì)于緩慢采樣像素（約1MHz采樣率）的CCD，閃爍噪聲通常決定本底噪聲。閃爍噪聲通常隨放大器面積而減小。

設(shè)計(jì)以給定頻率工作的源跟隨放大器時(shí)，目標(biāo)是在競(jìng)爭(zhēng)的傳感器幾何結(jié)構(gòu)之間找到最低的噪聲折衷。

• 時(shí)鐘噪聲：時(shí)鐘噪聲是由時(shí)鐘的切換波形產(chǎn)生的，這些時(shí)鐘是通過(guò)CCD傳輸信號(hào)并處理電路輸出所必需的。時(shí)鐘噪聲通常與時(shí)鐘頻率的平方根成正比。
• 暗電流散粒噪聲：暗電流散粒噪聲無(wú)法消除，并且等于暗信號(hào)的平方根。可以通過(guò)冷卻CCD傳感器來(lái)解決，這可以減少暗電流的總量。有關(guān)暗電流噪聲的說(shuō)明，請(qǐng)參見(jiàn)下文。

空間噪聲的主要來(lái)源包括：

• 暗電流不均勻。暗電流中的不均勻性可以通過(guò)從每個(gè)圖像中減去暗參考幀來(lái)校準(zhǔn)。此過(guò)程可校正過(guò)程變化，硅中的缺陷以及金屬雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)在傳感器的不同區(qū)域產(chǎn)生不同數(shù)量的暗電流。
• 光響應(yīng)非均勻性（PRNU）。這種噪聲是由工藝變化引起的，表現(xiàn)為對(duì)平場(chǎng)圖像的光敏度變化的“棋盤(pán)”圖案。它通常是平均信號(hào)的百分之一到百分之二，并且與平均信號(hào)呈線性關(guān)系?？梢孕?zhǔn)PRNU –盡管散粒噪聲的增加成本是√2。

暗電流的解釋：暗電流噪聲是傳感器耗盡的大塊硅中或硅-二氧化硅界面處產(chǎn)生的熱噪聲。它是由具有足夠熱能進(jìn)入中間狀態(tài)并隨后發(fā)射到導(dǎo)帶中的電子產(chǎn)生的。硅-二氧化硅層上產(chǎn)生的暗電流噪聲（表面暗電流）可以通過(guò)累積模式時(shí)鐘來(lái)緩解，該模式會(huì)產(chǎn)生空穴的反型層，該空穴反型層可以有效地收集熱激發(fā)的表面電子。體硅中產(chǎn)生的噪聲為體暗電流，主要由硅中的缺陷引起。如上所述，減去暗參考系是校正整體暗電流變化的最佳方法。

一旦設(shè)計(jì)并制造了相機(jī)，就可以通過(guò)生成光子傳遞曲線來(lái)對(duì)其進(jìn)行表征。這給出了有關(guān)傳感器的完整阱和轉(zhuǎn)換常數(shù)的信息，并用于導(dǎo)出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。此外，曲線還顯示了相機(jī)的讀取噪底，限制了相機(jī)受到散粒噪聲的動(dòng)態(tài)范圍以及限制了圖案噪聲的范圍。

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