【導讀】CCD 傳感器中的暗噪聲，它是由傳感器的半導體材料產(chǎn)生的暗電流變化引起的。這是 CCD 應用中的一個(gè)重要噪聲源，它對系統設計有直接影響，因為它可以通過(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體材料產(chǎn)生的暗電流變化引起的。這是 CCD 應用中的一個(gè)重要噪聲源，它對系統設計有直接影響，因為它可以通過(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)要考慮復位噪聲，它不是影響圖像質(zhì)量的主要因素，因為它實(shí)際上已被專(zhuān)門(mén)的信號處理技術(shù)消除。
在繼續之前，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
? 圖像傳感器基礎知識
? CCD 基礎知識
? 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
? CCD讀出計時(shí)技術(shù)
? CCD輸出信號
? 對 CCD 輸出信號進(jìn)行采樣、放大和數字化
幀率
? CCD分檔
? CCD傳感器幀率
? CCD 成像系統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(lái)模擬由單獨的、獨立的事件組成的現象，這些事件表現出不可預測的時(shí)間，但以一致的平均速率發(fā)生。如果我們計算一定數量的事件并應用泊松統計，則與該現象相關(guān)的標準誤差計算為計數的平方根。
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，即隨機變化，這是光子到達的特征。
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象。
因此，即使 CCD 被看起來(lái)完全均勻的光照射，也會(huì )觀(guān)察到由光子噪聲引起的像素到像素強度變化。當我說(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出色調差異，或者暴露在穩定照明下的單個(gè)像素將表現出與一幀的色調差異到下一個(gè)。
這些變化通過(guò)計算泊松標準誤差來(lái)量化，這意味著(zhù)光子噪聲是入射光子總數的平方根。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 )導致大約 32 個(gè)電子 RMS 的噪聲。光子到達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)現光子噪聲特別有趣，因為理論上它也會(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(cháng)而復雜的答案，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)重要區別：我們的眼睛有更高的“分辨率”，尤其是在與光敏感區域相關(guān)時(shí)，我們的眼睛視覺(jué)系統包括復雜的過(guò)濾機制。
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)片上和片外信號降低 CCD 信號-處理電路。我們通過(guò)結合標準的低噪聲設計實(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，因為合并像素的信號電平增加，而讀取噪聲的數量保持不變。
該圖傳達了將來(lái)自四個(gè)獨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，非應用的 CCD 系統接近 20 個(gè)電子 RMS。
復位噪聲與 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(gè)話(huà)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，因為 kTC 噪聲會(huì )導致 CCD 信號復位電平中像素到像素的變化。
數據級別取決于重置級別，因此重置級別的隨機變化將轉化為與每個(gè)像素相關(guān)的光強度的隨機變化。
復位噪聲的典型值為 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)雙采樣允許系統的 ADC 測量每個(gè)像素的復位電壓和數據電壓之間的差異。該技術(shù)將復位噪聲降低到可以忽略不計的水平。
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