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(gè)重要噪聲源，它對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有直接影響，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)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(gè)主要因素：光子噪聲和讀取噪聲。我們還將簡(jiǎn)要考慮復(fù)位噪聲，它不是影響圖像質(zhì)量的主要因素，因?yàn)樗鼘?shí)際上已被專門(mén)的信號(hào)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(shí)

CCD 基礎(chǔ)知識(shí)

CCD 類(lèi)型（例如，全畫(huà)幅、行間傳輸和幀傳輸）

背照式 CCD

讀出和輸出信號(hào)

CCD讀出計(jì)時(shí)技術(shù)

CCD輸出信號(hào)

對(duì) CCD 輸出信號(hào)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(duì)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(lái)模擬由單獨(dú)的、獨(dú)立的事件組成的現(xiàn)象，這些事件表現(xiàn)出不可預(yù)測(cè)的時(shí)間，但以一致的平均速率發(fā)生。如果我們計(jì)算一定數(shù)量的事件并應(yīng)用泊松統(tǒng)計(jì)，則與該現(xiàn)象相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)誤差計(jì)算為計(jì)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(huì)受到噪聲的影響，即隨機(jī)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(lái)完全均勻的光照射，也會(huì)觀察到由光子噪聲引起的像素到像素強(qiáng)度變化。當(dāng)我說(shuō)“像素到像素”時(shí)，它可以指空間和時(shí)間變化：盡管照明均勻，但單個(gè)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(gè)像素將表現(xiàn)出與一幀的色調(diào)差異到下一個(gè)。

這些變化通過(guò)計(jì)算泊松標(biāo)準(zhǔn)誤差來(lái)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(chǎng)景用在積分期間在每個(gè)像素中平均產(chǎn)生 1000 個(gè)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(huì)導(dǎo)致大約 32 個(gè)電子 RMS 的噪聲。光子到達(dá)的這種隨機(jī)變化是大自然強(qiáng)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?yàn)槔碚撋纤矔?huì)影響人眼。如果它是我們視覺(jué)感知中不可避免且無(wú)處不在的特征，為什么我們還要將其視為“噪音”？這個(gè)問(wèn)題可能有一個(gè)冗長(zhǎng)而復(fù)雜的答案，但我懷疑這個(gè)解釋主要源于人類(lèi)視覺(jué)和電子傳感器之間的兩個(gè)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(shí)，我們的眼睛視覺(jué)系統(tǒng)包括復(fù)雜的過(guò)濾機(jī)制。

讀取噪音

術(shù)語(yǔ)“讀出噪聲”（或“讀出噪聲”）是指代其他類(lèi)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(guò)片上和片外信號(hào)降低 CCD 信號(hào)-處理電路。我們通過(guò)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的低噪聲設(shè)計(jì)實(shí)踐和技術(shù)來(lái)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(lái)自相鄰像素的光生電荷的過(guò)程；這減少了讀取噪聲的影響，因?yàn)楹喜⑾袼氐男盘?hào)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(lái)自四個(gè)獨(dú)立像素的電荷包組合成一個(gè)合并像素的過(guò)程。

與其他類(lèi)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(gè)電子 RMS 的范圍內(nèi)，非應(yīng)用的 CCD 系統(tǒng)接近 20 個(gè)電子 RMS。

復(fù)位噪聲與 kTC 噪聲

不久前，我們?cè)诤w相關(guān)雙采樣的文章中談到了這個(gè)話題，但我稱其為“kTC 噪聲”而不是“重置噪聲”。前一個(gè)術(shù)語(yǔ)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(gè)術(shù)語(yǔ)指的是效果，因?yàn)?kTC 噪聲會(huì)導(dǎo)致 CCD 信號(hào)復(fù)位電平中像素到像素的變化。

數(shù)據(jù)級(jí)別取決于重置級(jí)別，因此重置級(jí)別的隨機(jī)變化將轉(zhuǎn)化為與每個(gè)像素相關(guān)的光強(qiáng)度的隨機(jī)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(duì)總噪聲產(chǎn)生重大影響，相關(guān)雙采樣允許系統(tǒng)的 ADC 測(cè)量每個(gè)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(jì)的水平。