數碼相機設計，CMOS 圖像傳感器的基本噪聲考慮

文章展示了基本的 5T 電荷轉移像素如何通過使用一種方法將像素中的電荷集成與電荷感應功能分開來解決復位參考電平問題。最后，我們看到電荷轉移像素可以在卷簾快門和全局快照快門模式下運行，從而解決了當場景中存在運動時卷簾快門運行模式所遭受的焦平面失真問題。我們還注意到，電荷轉移像素中使用的動態(tài)電荷存儲可能會導致圖像質量下降，這是由于暗信號引起的噪聲增加而導致的。

本文將介紹數碼相機設計中噪聲的基礎知識。

光子統(tǒng)計

從 CMOS 圖像傳感器創(chuàng)建電子圖像的基礎是光電效應，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)并獲得 1921 年諾貝爾物理學獎。具有足夠能量的光子與硅相互作用，產生空穴-電子對，它們是帶電粒子。因為它們是帶電的，所以可以通過電場對它們進行操縱、移動和收集，因此它們可以作為制作電子圖像的一部分進行測量。

光子遵循泊松統(tǒng)計：在任何給定時間段內都會收集到平均數量的光子，但實際數量會因源的離散性而有所不同。它是光子散粒噪聲的來源，導致由光子的離散性質引起的測量不確定性。

從數值的角度來看，這種散粒噪聲等于與硅相互作用的光子數的平方根。對于可見光范圍，每個相互作用的光子都會產生一個他對。因此，電子驅動可見光器件的散粒噪聲為：

散粒噪聲 (e-) = SQRT (信號(e-))

散粒噪聲是單個電子圖像中可能出現(xiàn)的最小噪聲;它代表本底噪聲。

如果在對數軸上繪制散粒噪聲與信號的關系，則會出現(xiàn)一條直線，其斜率為 +1/2，對應于噪聲和信號之間的平方根關系。

系統(tǒng)噪音

在沒有信號和零長度曝光的情況下，仍然可以在電子圖像中測量噪聲。雖然有許多促成這種噪聲的成分，但它可以統(tǒng)稱為讀取噪聲。導致讀取噪聲的是源跟隨放大器中的 1/F 噪聲和隨機電報信號噪聲。另一個成分是復位噪聲。復位噪聲是與信號節(jié)點在每次復位操作期間未復位到相同電壓相關的噪聲。

使用相關雙采樣 (CDS)，可以有效地從圖像中去除復位噪聲。CDS 使用放大器和采樣保持電路，這些電路可以有效地對復位電平進行采樣，然后對積分信號電平和一個與另一個之間的差異進行采樣。產生的信號通過這種方法去除了復位噪聲。如第 4 部分所示，3T 像素無法去除像素感應級別的復位噪聲。然而，在卷簾快門模式下使用的 5T 電荷轉移像素可以使用這種差分與采樣保持放大器相結合來消除像素感應級別的復位噪聲。

暗信號噪聲

暗信號是溫度的強函數，對于給定的溫度，它以穩(wěn)定的速率累積。例如，對于恒定溫度，曝光時間加倍將導致暗信號加倍。對于恒定的曝光時間，大約每 5-6 °C 變化會對暗信號產生 2 倍的影響。

從噪聲的角度來看，暗信號產生的噪聲有兩個不同的成分：暗散粒噪聲和暗固定模式噪聲。與光相關的散粒噪聲一樣，暗散粒噪聲在數學上等于積分周期內熱生成電子數的平方根：

暗散粒噪聲 (e-) = SQRT (暗信號 (e-))

暗固定模式噪聲 (DFPN) 是由暗漏電流的不均勻分布引起的。在數學上，DFPN 與曝光時間成正比：

DFPN = DSNU * 暗信號 (e-)

只要沒有飽和，曝光時間加倍就會導致 DFPN 加倍。對于給定的曝光時間和溫度，這種暗固定模式在幀與幀之間是不變的，并且可以通過“暗減”或“去尖峰”從圖像幀中去除。第 3 部分文章中顯示了一個示例。

暗信號不均勻性 (DSNU) 是根據經驗確定的。

無法從圖像中去除暗散粒噪聲。如果冷卻傳感器可行，則可以通過冷卻使暗信號任意小。它會增加大量的復雜性、重量和成本，并急劇增加功耗，因此對于許多應用來說并不實用。

固定模式噪聲

如果相機拍攝均勻照明的無特征目標，則生成的圖像應該沒有可辨別的特征。與此理想情況的任何偏差都是由固定模式噪聲 (FPN) 引起的。

通常，F(xiàn)PN 具有兩個組成部分：與將聚焦光傳遞到具有寬視場的圖像傳感器相關的光學不均勻性以及圖像傳感器的光響應的逐像素變化。圖像傳感器制造商可以指定像素級光響應不均勻性 (PRNU)，并且可以對光學貢獻進行數學建?；蚋鶕涷灤_定。

噪聲成分的綜合影響

在數學上，這些不相關的噪聲分量的組合效應表示為各個分量平方和的平方根。

總噪聲 = SQRT (system_noise^2 + shot_noise^2 + dark_shot_noise^2 + FPN^2 + DFPN^2)

值得注意的是，只有系統(tǒng)噪聲與信號電平無關。其他術語具有曝光或時間依賴性。例如，散粒噪聲和 FPN 都是曝光產生的信號電荷的函數。同樣，暗散粒噪聲和 DFPN 都是暗信號電荷的函數，取決于時間和溫度。

因此，可以繪制噪聲與信號的關系圖，如圖 1 所示，并以圖形方式識別四種不同的操作狀態(tài)：

1. 讀取噪音受限

2. 散粒噪聲受限

3. 固定模式噪聲限制

4. 飽和度(充分)

當使用對數軸繪制時，每個狀態(tài)的描述由噪聲曲線斜率的變化表示。讀取噪聲限制狀態(tài)的斜率為零。散粒噪聲限制狀態(tài)的斜率為 +1/2，表示噪聲和信號之間的平方根關系。固定模式噪聲限制機制具有 +1 的斜率，并且當噪聲開始使像素飽和時下降時指示飽和機制。

通過對同一圖表的分析，可以以圖形方式確定許多關鍵性能參數，例如：

1. 讀取系統(tǒng)噪聲(DN 或 e-)

2. 飽和度(DN 或 e-)

3. 照片響應不均勻或 PRNU (%)

4. 暗信號不均勻或 DSNU (%)

5. 相機增益常數 (e-/DN)

6. 相機增益線性度 (%)

噪音最小化

可以采取以下措施來減少噪音：

1. 可以通過以下方式減少暗噪聲分量：

a. 減少曝光時間

b. 降低傳感器的工作溫度

2. 非飽和像素的暗固定圖案噪聲可以通過暗減法(也稱為去尖峰)去除。它涉及從圖像幀中逐個像素地減去暗幀。本系列文章的第 3 部分展示了一個去尖峰的示例。

3. 固定模式噪聲可以通過稱為平場的過程去除。該過程包括逐個像素地將圖像幀除以像素校準圖像幀。校準框架只是使用聚焦光學系統(tǒng)拍攝的均勻照明的無特征背景的高 SNR 圖像。

散粒噪聲和讀取噪聲是基本限制

唯一不能從具有非飽和像素的圖像中去除的噪聲分量是讀取噪聲、圖像散粒噪聲和暗散粒噪聲。如果冷卻傳感器是可行的，則可以將暗散粒噪聲降低到任意低的水平，從而成為非因素。

暗減法和平場法是否實用和有益取決于應用。例如，高幀率攝像機可能沒有太多暗信號;在 1/60 秒內的一幀中不會積累多少暗信號電荷。另一方面，對于 30 分鐘曝光時間的靜止圖像，可能需要冷卻傳感器。

快速廣角鏡頭通常會從視野中心到邊緣引入顯著的光強度變化。這種變化作為固定模式的一部分在幀與幀之間是固定的，并且與圖像的平均強度成比例。平面場可以消除這種固定模式，但實時應用于視頻流可能不切實際，因為計算帶寬可能超過低成本消費產品的系統(tǒng)能力。另一方面，應用于高分辨率靜止圖像可能是一件小事。

傳感器的特性和使用它的相機設計將建立系統(tǒng)并讀取噪聲特性。影響因素包括傳感器設計和制造技術以及相機設計參數，例如電源噪聲和去耦以及 PCB 信號路由和屏蔽，特別是數字電路與小信號敏感模擬電路的屏蔽和隔離。

圖像傳感器的噪聲成分

圖像傳感器設計和晶圓制造技術對系統(tǒng)噪聲有巨大影響。該系統(tǒng)噪聲可以分解為三個主要成分：放大器噪聲、復位噪聲和列偏移噪聲。與其他不相關的噪聲源一樣，這些噪聲源的綜合效應也是平方和的平方根：

傳感器系統(tǒng)噪聲 = SQRT (reset_noise^2 + column_offset_noise^2 +ampl_noise^2)

像素設計會影響復位噪聲。電荷轉移像素可用于相關雙采樣方案，以消除模擬處理域中存在的片上復位噪聲。

因為每列都有自己的放大器，所以零電平信號會因列而異。這種列到列的變化稱為列偏移噪聲，通常會主導傳感器的系統(tǒng)噪聲。幸運的是，可以通過從圖像中減去零長度曝光來消除它。

圖像傳感器的基本本底噪聲

唯一的基本且無法消除的片上噪聲源是源跟隨器放大器噪聲。

，使用 Iron 55 軟 X 射線源照射傳感器。X 射線的能級每相互作用的 X 射線釋放 1,620 個電子。除其他用途外，它還提供了一種將數字 (DN) 校準為電子計數的便捷方法;每個記錄的“命中”是 1,620 個電子。6,480 DN 處的峰值對應于 1620e- 導致計算出的相機增益為 0.25 e-/DN。

偏移和復位噪聲的幅度與源跟隨器表示的“本底噪聲”的關系非常重要。因此，如果低信號強度的圖像信噪比 (SNR) 在您的應用中很重要，那么消除這些噪聲分量就很有價值。在這種情況下，通過組合 64 個圖像，通過將單個圖像的 7.6e- 噪聲降低到組合圖像中的 0.97e-，可以將有效讀取噪聲降低 8 倍。