數(shù)碼相機(jī)設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)功能分開來解決復(fù)位參考電平問題。最后，我們看到電荷轉(zhuǎn)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(dāng)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(zhuǎn)移像素中使用的動態(tài)電荷存儲可能會導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，這是由于暗信號引起的噪聲增加而導(dǎo)致的。

本文將介紹數(shù)碼相機(jī)設(shè)計中噪聲的基礎(chǔ)知識。

光子統(tǒng)計

從 CMOS 圖像傳感器創(chuàng)建電子圖像的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)并獲得 1921 年諾貝爾物理學(xué)獎。具有足夠能量的光子與硅相互作用，產(chǎn)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(jìn)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(jìn)行測量。

光子遵循泊松統(tǒng)計：在任何給定時間段內(nèi)都會收集到平均數(shù)量的光子，但實際數(shù)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(dǎo)致由光子的離散性質(zhì)引起的測量不確定性。

從數(shù)值的角度來看，這種散粒噪聲等于與硅相互作用的光子數(shù)的平方根。對于可見光范圍，每個相互作用的光子都會產(chǎn)生一個他對。因此，電子驅(qū)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(shù)軸上繪制散粒噪聲與信號的關(guān)系，則會出現(xiàn)一條直線，其斜率為 +1/2，對應(yīng)于噪聲和信號之間的平方根關(guān)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(dǎo)致讀取噪聲的是源跟隨放大器中的 1/F 噪聲和隨機(jī)電報信號噪聲。另一個成分是復(fù)位噪聲。復(fù)位噪聲是與信號節(jié)點在每次復(fù)位操作期間未復(fù)位到相同電壓相關(guān)的噪聲。

使用相關(guān)雙采樣 (CDS)，可以有效地從圖像中去除復(fù)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(fù)位電平進(jìn)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(jìn)行采樣。產(chǎn)生的信號通過這種方法去除了復(fù)位噪聲。如第 4 部分所示，3T 像素?zé)o法去除像素感應(yīng)級別的復(fù)位噪聲。然而，在卷簾快門模式下使用的 5T 電荷轉(zhuǎn)移像素可以使用這種差分與采樣保持放大器相結(jié)合來消除像素感應(yīng)級別的復(fù)位噪聲。

暗信號噪聲

暗信號是溫度的強(qiáng)函數(shù)，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(dǎo)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(chǎn)生 2 倍的影響。

從噪聲的角度來看，暗信號產(chǎn)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(guān)的散粒噪聲一樣，暗散粒噪聲在數(shù)學(xué)上等于積分周期內(nèi)熱生成電子數(shù)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(shù)學(xué)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(dǎo)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(jù)經(jīng)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(fù)雜性、重量和成本，并急劇增加功耗，因此對于許多應(yīng)用來說并不實用。

固定模式噪聲

如果相機(jī)拍攝均勻照明的無特征目標(biāo)，則生成的圖像應(yīng)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(guān)的光學(xué)不均勻性以及圖像傳感器的光響應(yīng)的逐像素變化。圖像傳感器制造商可以指定像素級光響應(yīng)不均勻性 (PRNU)，并且可以對光學(xué)貢獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)學(xué)建?；蚋鶕?jù)經(jīng)驗確定。

噪聲成分的綜合影響

在數(shù)學(xué)上，這些不相關(guān)的噪聲分量的組合效應(yīng)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(guān)。其他術(shù)語具有曝光或時間依賴性。例如，散粒噪聲和 FPN 都是曝光產(chǎn)生的信號電荷的函數(shù)。同樣，暗散粒噪聲和 DFPN 都是暗信號電荷的函數(shù)，取決于時間和溫度。

因此，可以繪制噪聲與信號的關(guān)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(dāng)使用對數(shù)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(guān)系。固定模式噪聲限制機(jī)制具有 +1 的斜率，并且當(dāng)噪聲開始使像素飽和時下降時指示飽和機(jī)制。

通過對同一圖表的分析，可以以圖形方式確定許多關(guān)鍵性能參數(shù)，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(yīng)不均勻或 PRNU (%)

4. 暗信號不均勻或 DSNU (%)

5. 相機(jī)增益常數(shù) (e-/DN)

6. 相機(jī)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(zhǔn)圖像幀。校準(zhǔn)框架只是使用聚焦光學(xué)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(yīng)用。例如，高幀率攝像機(jī)可能沒有太多暗信號;在 1/60 秒內(nèi)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(qiáng)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(qiáng)度成比例。平面場可以消除這種固定模式，但實時應(yīng)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(chǎn)品的系統(tǒng)能力。另一方面，應(yīng)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(jī)設(shè)計將建立系統(tǒng)并讀取噪聲特性。影響因素包括傳感器設(shè)計和制造技術(shù)以及相機(jī)設(shè)計參數(shù)，例如電源噪聲和去耦以及 PCB 信號路由和屏蔽，特別是數(shù)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(shè)計和晶圓制造技術(shù)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(fù)位噪聲和列偏移噪聲。與其他不相關(guān)的噪聲源一樣，這些噪聲源的綜合效應(yīng)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(shè)計會影響復(fù)位噪聲。電荷轉(zhuǎn)移像素可用于相關(guān)雙采樣方案，以消除模擬處理域中存在的片上復(fù)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(dǎo)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(shù)字 (DN) 校準(zhǔn)為電子計數(shù)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(yīng)于 1620e- 導(dǎo)致計算出的相機(jī)增益為 0.25 e-/DN。

偏移和復(fù)位噪聲的幅度與源跟隨器表示的“本底噪聲”的關(guān)系非常重要。因此，如果低信號強(qiáng)度的圖像信噪比 (SNR) 在您的應(yīng)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。