【導(dǎo)讀】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。
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(zhuān)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(chēng)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。
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
采用SiC MOSFET的3kW圖騰柱無(wú)橋PFC和次級(jí)端穩(wěn)壓LLC電源