CCD图像传感器中的光子噪声、读取噪声和复位噪声

CCD 传感器中的暗噪声，它是由传感器的半导体材料产生的暗电流变化引起的。这是 CCD 应用中的一个重要噪声源，它对系统设计有直接影响，因为它可以通过冷却传感器得到有效控制。

在本文中，我们将讨论影响 CCD 图像质量（或缺乏图像质量）的另外两个主要因素：光子噪声和读取噪声。我们还将简要考虑复位噪声，它不是影响图像质量的主要因素，因为它实际上已被专门的信号处理技术消除。

在继续之前，您可能希望了解本系列的其余部分，其中涵盖了以下主题的广度：

基础

图像传感器基础知识

CCD 基础知识

CCD 类型（例如，全画幅、行间传输和帧传输）

背照式 CCD

读出和输出信号

CCD读出计时技术

CCD输出信号

对 CCD 输出信号进行采样、放大和数字化

帧率

CCD分档

CCD传感器帧率

CCD 成像系统中的像素读出和帧速率

光子噪声

在我们对暗噪声的研究中，我指出它受电荷的离散性质支配并遵循泊松关系。我们使用泊松分布来模拟由单独的、独立的事件组成的现象，这些事件表现出不可预测的时间，但以一致的平均速率发生。如果我们计算一定数量的事件并应用泊松统计，则与该现象相关的标准误差计算为计数的平方根。

光子是光的离散“粒子”，任何光敏元件阵列都会受到噪声的影响，即随机变化，这是光子到达的特征。

照明和照明引起的电荷产生是由光子和电子的离散行为控制的量子现象。

因此，即使 CCD 被看起来完全均匀的光照射，也会观察到由光子噪声引起的像素到像素强度变化。当我说“像素到像素”时，它可以指空间和时间变化：尽管照明均匀，但单个帧中的相邻像素将表现出色调差异，或者暴露在稳定照明下的单个像素将表现出与一帧的色调差异到下一个。

这些变化通过计算泊松标准误差来量化，这意味着光子噪声是入射光子总数的平方根。因此，如果场景用在积分期间在每个像素中平均产生 1000 个电子的光照亮传感器的一部分，则该入射光的物理性质会导致大约 32 个电子 RMS 的噪声。光子到达的这种随机变化是大自然强加的，使得任何图像传感器都不可能具有零噪声。

我发现光子噪声特别有趣，因为理论上它也会影响人眼。如果它是我们视觉感知中不可避免且无处不在的特征，为什么我们还要将其视为“噪音”？这个问题可能有一个冗长而复杂的答案，但我怀疑这个解释主要源于人类视觉和电子传感器之间的两个重要区别：我们的眼睛有更高的“分辨率”，尤其是在与光敏感区域相关时，我们的眼睛视觉系统包括复杂的过滤机制。

读取噪音

术语“读出噪声”（或“读出噪声”）是指代其他类型噪声（即热噪声和闪烁噪声）的一种方便方式，这些噪声通过片上和片外信号降低 CCD 信号-处理电路。我们通过结合标准的低噪声设计实践和技术来降低片外读取噪声。片上读取噪声由 CCD 的输出放大器产生。

我在关于CCD binning 的文章中讨论了读取噪声，这是一种允许我们用分辨率换取噪声性能的技术。合并是合并来自相邻像素的光生电荷的过程；这减少了读取噪声的影响，因为合并像素的信号电平增加，而读取噪声的数量保持不变。

该图传达了将来自四个独立像素的电荷包组合成一个合并像素的过程。

与其他类型的 CCD 噪声一样，我们可以电子中的读取噪声。我相信读取噪声的典型值在每像素约 2 到 20 个电子 RMS 的范围内，非应用的 CCD 系统接近 20 个电子 RMS。

复位噪声与 kTC 噪声

不久前，我们在涵盖相关双采样的文章中谈到了这个话题，但我称其为“kTC 噪声”而不是“重置噪声”。前一个术语指的是这种噪声的：它受 CCD 输出电路中的温度和电容的影响。后一个术语指的是效果，因为 kTC 噪声会导致 CCD 信号复位电平中像素到像素的变化。

数据级别取决于重置级别，因此重置级别的随机变化将转化为与每个像素相关的光强度的随机变化。

复位噪声的典型值为 50 电子 RMS。如果不是相关双采样，这将对总噪声产生重大影响，相关双采样允许系统的 ADC 测量每个像素的复位电压和数据电压之间的差异。该技术将复位噪声降低到可以忽略不计的水平。