CCD圖像傳感器中的光子噪聲、讀取噪聲和復(fù)位噪聲

CCD 傳感器中的暗噪聲，它是由傳感器的半導(dǎo)體材料產(chǎn)生的暗電流變化引起的。這是 CCD 應(yīng)用中的一個重要噪聲源，它對系統(tǒng)設(shè)計有直接影響，因為它可以通過冷卻傳感器得到有效控制。

在本文中，我們將討論影響 CCD 圖像質(zhì)量（或缺乏圖像質(zhì)量）的另外兩個主要因素：光子噪聲和讀取噪聲。我們還將簡要考慮復(fù)位噪聲，它不是影響圖像質(zhì)量的主要因素，因為它實際上已被專門的信號處理技術(shù)消除。

在繼續(xù)之前，您可能希望了解本系列的其余部分，其中涵蓋了以下主題的廣度：

基礎(chǔ)

圖像傳感器基礎(chǔ)知識

CCD 基礎(chǔ)知識

CCD 類型（例如，全畫幅、行間傳輸和幀傳輸）

背照式 CCD

讀出和輸出信號

CCD讀出計時技術(shù)

CCD輸出信號

對 CCD 輸出信號進(jìn)行采樣、放大和數(shù)字化

幀率

CCD分檔

CCD傳感器幀率

CCD 成像系統(tǒng)中的像素讀出和幀速率

光子噪聲

在我們對暗噪聲的研究中，我指出它受電荷的離散性質(zhì)支配并遵循泊松關(guān)系。我們使用泊松分布來模擬由單獨的、獨立的事件組成的現(xiàn)象，這些事件表現(xiàn)出不可預(yù)測的時間，但以一致的平均速率發(fā)生。如果我們計算一定數(shù)量的事件并應(yīng)用泊松統(tǒng)計，則與該現(xiàn)象相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)誤差計算為計數(shù)的平方根。

光子是光的離散“粒子”，任何光敏元件陣列都會受到噪聲的影響，即隨機變化，這是光子到達(dá)的特征。

照明和照明引起的電荷產(chǎn)生是由光子和電子的離散行為控制的量子現(xiàn)象。

因此，即使 CCD 被看起來完全均勻的光照射，也會觀察到由光子噪聲引起的像素到像素強度變化。當(dāng)我說“像素到像素”時，它可以指空間和時間變化：盡管照明均勻，但單個幀中的相鄰像素將表現(xiàn)出色調(diào)差異，或者暴露在穩(wěn)定照明下的單個像素將表現(xiàn)出與一幀的色調(diào)差異到下一個。

這些變化通過計算泊松標(biāo)準(zhǔn)誤差來量化，這意味著光子噪聲是入射光子總數(shù)的平方根。因此，如果場景用在積分期間在每個像素中平均產(chǎn)生 1000 個電子的光照亮傳感器的一部分，則該入射光的物理性質(zhì)會導(dǎo)致大約 32 個電子 RMS 的噪聲。光子到達(dá)的這種隨機變化是大自然強加的，使得任何圖像傳感器都不可能具有零噪聲。

我發(fā)現(xiàn)光子噪聲特別有趣，因為理論上它也會影響人眼。如果它是我們視覺感知中不可避免且無處不在的特征，為什么我們還要將其視為“噪音”？這個問題可能有一個冗長而復(fù)雜的答案，但我懷疑這個解釋主要源于人類視覺和電子傳感器之間的兩個重要區(qū)別：我們的眼睛有更高的“分辨率”，尤其是在與光敏感區(qū)域相關(guān)時，我們的眼睛視覺系統(tǒng)包括復(fù)雜的過濾機制。

讀取噪音

術(shù)語“讀出噪聲”（或“讀出噪聲”）是指代其他類型噪聲（即熱噪聲和閃爍噪聲）的一種方便方式，這些噪聲通過片上和片外信號降低 CCD 信號-處理電路。我們通過結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的低噪聲設(shè)計實踐和技術(shù)來降低片外讀取噪聲。片上讀取噪聲由 CCD 的輸出放大器產(chǎn)生。

我在關(guān)于CCD binning 的文章中討論了讀取噪聲，這是一種允許我們用分辨率換取噪聲性能的技術(shù)。合并是合并來自相鄰像素的光生電荷的過程；這減少了讀取噪聲的影響，因為合并像素的信號電平增加，而讀取噪聲的數(shù)量保持不變。

該圖傳達(dá)了將來自四個獨立像素的電荷包組合成一個合并像素的過程。

與其他類型的 CCD 噪聲一樣，我們可以電子中的讀取噪聲。我相信讀取噪聲的典型值在每像素約 2 到 20 個電子 RMS 的范圍內(nèi)，非應(yīng)用的 CCD 系統(tǒng)接近 20 個電子 RMS。

復(fù)位噪聲與 kTC 噪聲

不久前，我們在涵蓋相關(guān)雙采樣的文章中談到了這個話題，但我稱其為“kTC 噪聲”而不是“重置噪聲”。前一個術(shù)語指的是這種噪聲的：它受 CCD 輸出電路中的溫度和電容的影響。后一個術(shù)語指的是效果，因為 kTC 噪聲會導(dǎo)致 CCD 信號復(fù)位電平中像素到像素的變化。

數(shù)據(jù)級別取決于重置級別，因此重置級別的隨機變化將轉(zhuǎn)化為與每個像素相關(guān)的光強度的隨機變化。

復(fù)位噪聲的典型值為 50 電子 RMS。如果不是相關(guān)雙采樣，這將對總噪聲產(chǎn)生重大影響，相關(guān)雙采樣允許系統(tǒng)的 ADC 測量每個像素的復(fù)位電壓和數(shù)據(jù)電壓之間的差異。該技術(shù)將復(fù)位噪聲降低到可以忽略不計的水平。