圖像傳感器 噪聲：CMOS圖像傳感器中的噪聲來源分析
CMOS圖像傳感器中的噪聲來源分析
載流子的隨機(jī)漲落是半導(dǎo)體器件中噪聲的主要來源，噪聲不僅會(huì)使成像質(zhì)量惡化，同時(shí)也決定了圖像傳感器的靈敏度，因此 在圖像傳感器中將噪聲定義為所有使圖像或“信號(hào)“惡化的波動(dòng)，本文將以CMOS為例總結(jié)圖像傳感器中的噪聲來源。
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CMOS圖像傳感器中的噪聲來源分析像素結(jié)構(gòu)(Pixel Structure)微型透鏡陣列(MicroLens)彩色濾光陣列(Color Filter Array)復(fù)位(Reset Operation)電荷檢測(cè)(Charge Detection)滿肼容量(Full-Well Capacity)
傳感器的外設(shè)( Sensor Peripherals)X-Y尋址(X-Y Address)讀出電路(Readout circuits)
暗電流(Dark Current)噪聲(Noise)噪聲的顏色白噪聲與有色噪聲有色噪聲與色噪
復(fù)位噪聲(Reset Noise)熱噪聲(Thermal Noise)讀出噪聲(Readout Noise)
1
/
f
1/f
1/f噪聲(1/f Noise)長(zhǎng)程相關(guān)性
量化噪聲(Quantization noise)列固定噪聲(Column Fixed Pattern Noise)散粒噪聲(Shot Noise)
SummeryReference
像素結(jié)構(gòu)(Pixel Structure)
以3T-APS(3 Transistor-Active Pixel Sensor)為例，CMOS中像素結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)進(jìn)行說明 (CMOS圖像傳感器的像素可以看做是由一個(gè)光電二極管、光電二極管復(fù)位開關(guān)、信號(hào)放大器、輸出電路組成)。APS可以實(shí)現(xiàn)在每個(gè)像素中都存一個(gè)獨(dú)立的放大器，這個(gè)放大器就是一個(gè)簡(jiǎn)單的原極跟隨其(Source Follower)，有源像素的優(yōu)點(diǎn)之一是信號(hào)讀出路徑上產(chǎn)生和引入的噪聲得到了抑制。
像素結(jié)構(gòu)的立體圖
像素結(jié)構(gòu)的截面圖
微型透鏡陣列(MicroLens)
先進(jìn)的制成工藝在減小像素尺寸和增加像素總數(shù)方面卓有成效，但傳感器捕獲光的能力(Light Sensitivity)隨著像素尺寸的下降而減小。將像素中感光區(qū)域(Photosensitive Area)面積
A
p
d
A_{pd}
Apd?與像素面積(Pixel Area)
A
p
i
x
A_{pix}
Apix?之間的比率定義為填充因子(Fill Factor)：
F
F
=
A
p
d
A
p
i
x
FF=frac{A_{pd} }{A_{pix} }
FF=Apix?Apd
從像素結(jié)構(gòu)的截面圖可以看出，如果不考慮微透鏡對(duì)光線的匯聚作用，填充因子由遮光層(Light Shield)的開口面積決定，3T-APS中有三個(gè)晶體管(復(fù)位晶體管、源跟隨器晶體管、行選擇晶體管)，且這些晶體光需要被遮光層所覆蓋，如果使用更多的晶體管，比如4T-APS、6-APS，遮光層的覆蓋面積會(huì)增大，同時(shí)填充因子也會(huì)相應(yīng)降低。為了更好地將光線匯聚到光電二極管上，一般選擇在芯片上放置一個(gè)簡(jiǎn)單的片上微透鏡陣列，可以有效地提高填充因子。除了增加靈敏度之外，微透鏡還有助于減少傳感器中的漏光，降低CCD和CMOS圖像傳感器中由于少數(shù)載流子擴(kuò)散而造成的像素間的串?dāng)_(Cross Talk)。微型透鏡對(duì)提高傳感器的感光度起著非常重要的作用，但值得一提的是在入射光位置不同時(shí)，其從成像透鏡到圖像傳感器的角度也不同，會(huì)導(dǎo)致鏡頭陰影(Lens Shading)產(chǎn)生。
微透鏡對(duì)光的匯聚作用
微透鏡導(dǎo)致鏡頭陰影
彩色濾光陣列(Color Filter Array)
圖像傳感器一般而言是單色傳感器，對(duì)敏感波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光產(chǎn)生響應(yīng)，對(duì)于消費(fèi)領(lǐng)域內(nèi)的圖像傳感器來說，可以在光敏二極管上覆蓋彩色濾光陣列，用以實(shí)現(xiàn)色彩信息分離。最常用的彩色濾光模式為"Bayer Pattern"，由于人眼視覺系統(tǒng)主要從綠色光譜部分獲得視覺細(xì)節(jié)，即是，視覺亮度差異與綠色有關(guān)，而顏色感知與紅色和藍(lán)色有關(guān)，因此，所以“Bayer Pattern”當(dāng)中的綠色濾光器是紅色或藍(lán)色濾光器的兩倍(或者說，綠色的采樣率是紅、藍(lán)的兩倍)。
復(fù)位(Reset Operation)
復(fù)位類似于清零的操作，如果是卷簾式曝光(Rolling Shutter)，需要在每行曝光之前或者信號(hào)讀出之后進(jìn)行復(fù)位。3T-APS CMOS的復(fù)位操作通常是通過給
M
R
S
M_{RS}
MRS?柵極加高電平，電壓為
V
d
d
V_{dd}
Vdd?，當(dāng)復(fù)位信號(hào)有效時(shí)，復(fù)位管工作在飽和區(qū)，在復(fù)位管源端的光電二極管陰極節(jié)點(diǎn)電壓將快速上升到
V
d
d
?
V
t
h
V_{dd}-V_{th}
VddVth?，
V
t
h
V_{th}
Vth?為閾值電壓，此時(shí)復(fù)位管進(jìn)入壓閾值區(qū)，至慢慢關(guān)斷。以上復(fù)位操作為軟復(fù)位，由于完成復(fù)位需要的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，容易出現(xiàn)復(fù)位不徹底，最終造成圖像滯后(Image Lag)；相反，在硬復(fù)位中，柵極施加的電壓大于
V
d
d
V_{dd}
Vdd?，
M
R
S
M_{RS}
MRS?始終高于閾值，就能夠很快地完成復(fù)位動(dòng)作，從而抑制圖像滯后，但這種方式的
k
B
T
C
k_{B}TC
kB?TC噪聲相對(duì)較大。
每行復(fù)位到讀出的時(shí)間間隔即是每行的曝光時(shí)間。
3T-APS復(fù)位電路
電荷檢測(cè)(Charge Detection)
CCD傳感器在輸出放大器中完成電荷檢測(cè)，而CMOS傳感器在像素中完成電荷檢測(cè)，電壓放大器連接勢(shì)肼(Potential Well)以監(jiān)測(cè)勢(shì)肼電荷信號(hào)的變化，若有電荷
Q
s
i
g
Q_{sig}
Qsig?進(jìn)入肼中，會(huì)引起勢(shì)肼電壓(Potential Change)變化：
△
V
P
D
=
Q
s
i
g
C
F
D
igtriangleup V_{PD}=frac{Q_{sig} }{C_{FD} }
△VPD?=CFD?Qsig
其中$C_{FD} $為放大器所連接到勢(shì)肼的電容，并充當(dāng)電荷到電壓的轉(zhuǎn)化電容，輸出電壓的變化如下：
△
V
o
u
t
=
A
V
△
V
F
D
igtriangleup V_{out}=A_{V}igtriangleup V_{FD}
△Vout?=AV?△VFD?
$A_{V} $是電壓放大器的增益。
電荷檢測(cè)電路
滿肼容量(Full-Well Capacity)
光電二極管工作在電荷積分(Charge-Integrating)模式下，勢(shì)肼只有有限的電荷儲(chǔ)存能力，光電二極管的電容能夠積累的最大電荷量為“滿肼容量”：
N
s
a
t
=
1
q
∫
V
r
e
s
e
t
V
m
a
x
C
P
D
(
V
)
.
d
V
[
e
l
e
c
t
r
o
n
s
]
N_{sat}=frac{1}{q}int_{V_{reset} }^{V_{max}}C_{PD}(V).dV[electrons]
Nsat?=q1?∫Vreset?VmaxCPD?(V).dV[electrons]
滿肼容量決定了傳感器動(dòng)態(tài)范圍的上限
傳感器的外設(shè)( Sensor Peripherals)
X-Y尋址(X-Y Address)
在大多數(shù)CMOS圖像傳感器中，信號(hào)電荷在像素中被有源晶體管轉(zhuǎn)化為電壓或者電流，最終的視頻信號(hào)是通過行、列掃描器對(duì)像素陣列進(jìn)行光柵掃描獲得的。一般情況下，行掃描器在每幀時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)行選擇信號(hào)和一個(gè)復(fù)位脈沖并送入選定行的像素中，列掃描器在每個(gè)行周期掃描各列。正如“X-Y地址”的字面意思，像素信號(hào)是通過垂直掃描器(移位寄存器或者解碼器)選通一行(Y)讀出以及水平掃描器選通一列(X)讀出的方式進(jìn)行尋址。CMOS中兩種常見的行掃描器是移位寄存器和解碼器。CCD、CMOS圖像傳感器都是電荷積分型傳感器，像素中的信號(hào)電荷在電荷積分開始前應(yīng)當(dāng)被復(fù)位，而不同的掃描方案導(dǎo)致了工作時(shí)序的不同，在CCD傳感器中，電荷復(fù)位是通過垂直電荷轉(zhuǎn)移電路當(dāng)中實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)過程在整個(gè)像素陣列中是同時(shí)發(fā)生的，而大多數(shù)CMOS圖像傳感器中，復(fù)位和信號(hào)讀出是逐行進(jìn)行的。CCD將光生電荷轉(zhuǎn)移到CCD寄存器后端的電荷檢測(cè)器放大，使得所有信號(hào)均通過同樣的放大器讀出，因此，放大器的失調(diào)保持恒定；而CMOS圖像傳感器一般在列輸出線上有一個(gè)列放大器(Column Amplifier)，列放大器之間存在的差異，往往會(huì)造成圖像的列固定噪聲(Column Fixed Pattern Noise)。
CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)
讀出電路(Readout circuits)
在大多數(shù)CMOS圖像傳感器中，同一行的像素被同時(shí)讀出然后并行處理是非常流行的讀出電路結(jié)構(gòu)，同一行的像素的光電二極管所產(chǎn)生的電壓同時(shí)被光電二極管所接的源跟隨器讀出然后并行處理，處理后的信號(hào)被存儲(chǔ)在一個(gè)行存儲(chǔ)器中，并按順序讀出，電荷積分時(shí)間逐行出現(xiàn)偏移。在這種結(jié)構(gòu)中，一個(gè)像素只需要一個(gè)行選擇脈沖，從而減少了用于傳輸像素控制脈沖的總線數(shù)量。最常見的讀出結(jié)構(gòu)中有源極跟隨器→相關(guān)雙采樣(CDS)→列放大器(模擬放大)→ADC。
暗電流(Dark Current)
暗電流是在鏡頭無光線透過的條件下觀測(cè)到的電流，是傳感器成像過程中的一種非理想因素，暗電流會(huì)積分成為暗電荷并存儲(chǔ)在勢(shì)肼當(dāng)中，同時(shí)暗電荷還是溫度的函數(shù)，暗電荷的數(shù)量與積分時(shí)間成正比：
N
d
a
r
k
=
Q
d
a
r
k
q
=
I
d
a
r
k
?
t
q
N_{dark}=frac{Q_{dark}}{q}=frac{I_{dark}cdot t}{q}
Ndark?=qQdark=qIdarkt?
其中
q
q
q為基元電荷，
t
t
t為積分時(shí)間。暗電流對(duì)傳感器成像質(zhì)量的最顯著的影響是降低了圖像傳感器成像的動(dòng)態(tài)范圍(Dynamic Range)，和勢(shì)肼容量不同的是，暗電流決定的是圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的下限，將圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍做如下定義：
D
R
=
20
l
o
g
10
(
S
m
a
x
S
m
i
n
)
(
d
B
)
DR=20log_{10}(frac{S_{max}}{S_{min}})(dB)
DR=20log10?(Smin?Smax)(dB)
S
m
a
x
S_{max}
Smax?由滿肼容量決定，
S
m
i
n
S_{min}
Smin?由暗電流決定(Represents the Minimum Temporal Noise Value at Zero Exposure)。光電二極管中的暗電流有如下幾個(gè)來源：
暗電流類型依賴關(guān)系描述擴(kuò)散電流
∝
e
x
p
(
?
E
g
k
B
T
)
propto exp(-frac{E_{g} }{k_{B}T } )
∝exp(?kB?TEg)隨溫度上升而指數(shù)增加；對(duì)偏置電壓的依賴性比較弱，主要依賴偏置電壓的平方根生產(chǎn)-復(fù)合電流
∝
V
e
x
p
(
?
E
g
2
k
B
T
)
propto sqrt{V} exp(-frac{E_{g} }{2k_{B}T } )
∝V
?exp(?2kB?TEg)隨耗盡層寬度和本征載流子濃度的增加而增加；隨載流子在深能級(jí)復(fù)合中心的壽命的增加而減少帶帶隧穿電流
∝
V
2
e
x
p
(
?
a
V
)
propto V^{2}exp(-frac{a}{V} )
∝V2exp(?Va?)與偏置電壓呈指數(shù)關(guān)系(當(dāng)摻雜濃度很大時(shí)，由于耗盡層寬度變薄而導(dǎo)致隧穿效應(yīng)的反正)缺陷輔助隧穿電流
∝
e
x
p
(
?
a
′
V
)
2
propto exp(-frac{a^{'} }{V} )^{2}
∝exp(?Va′?)2與偏置電壓呈指數(shù)關(guān)系碰撞電離電流
a
∝
e
x
p
(
?
b
V
)
apropto exp(-frac{V} )
a∝exp(?Vb?)隨著偏置電壓增加，碰撞電離和雪崩擊穿會(huì)引起暗電流的增加；電離系數(shù)隨著偏置電壓的增加而指數(shù)增加Frankel-Poole
∝
V
e
x
p
(
?
c
T
)
propto Vexp(-frac{c}{T} )
∝Vexp(?Tc?)Frankel-Poole電流是由于被俘獲電子發(fā)射到導(dǎo)帶而形成的，和隧穿電流一樣，在很大程度上依賴于偏置電壓表面漏電流
∝
e
x
p
(
?
E
g
2
k
B
T
)
propto exp(-frac{E_{g} }{2k_{B}T } )
∝exp(?2kB?TEg)隨本征載流子濃度、表面復(fù)合速率、表面積的增加而增加
其中
E
g
E_{g}
Eg?為禁帶寬度(Bandgap)；
k
B
k_{B}
kB?為玻爾茲曼常數(shù)；
T
T
T為熱力學(xué)溫度；
V
V
V為偏置電壓?？偟膩碚f，暗電流依賴于溫度和偏置電壓。在后續(xù)的ISP處理當(dāng)中，一般會(huì)通過標(biāo)定暗電流的方式，來實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器中的暗電流的補(bǔ)償，但這種黑電平補(bǔ)償?shù)姆绞接须[含地假設(shè)傳感器當(dāng)中的暗電流對(duì)于每個(gè)像素而言是相同的，也就是黑電平(Black Level)均勻，如果傳感器附件存在一個(gè)局部熱源，溫度的變化將導(dǎo)致像素陣列中的暗電流的梯度變化 ，也就是非均勻的陰影(Shading)，需要在后續(xù)的陰影校正模塊進(jìn)行進(jìn)一步的校正。同時(shí)，在CMOS傳感器中，偏置電壓與接地電壓的非一致性也會(huì)導(dǎo)致陰影。
噪聲(Noise)
在前面，總結(jié)了像素的結(jié)構(gòu)及其外設(shè)，并回顧了暗電流及其對(duì)動(dòng)態(tài)范圍和陰影的影響，接下來將總結(jié)傳感器成像過程中由傳感器內(nèi)部電路及其外設(shè)引起的幾種噪聲。
噪聲的顏色
在討論噪聲種類之前，需要了解白噪聲(White Noise)、有色噪聲(Colored Noise)、色噪(Chromatic Noise)之間的關(guān)系。
白噪聲與有色噪聲
這是就噪聲信號(hào)的功率譜密度而言，如果噪聲信號(hào)的功率譜密度接近均勻分布，此噪聲即為白噪聲，包括熱噪聲、散粒噪聲等；如果噪聲信號(hào)的功率譜密度是非均勻的，此噪聲即為有色噪聲，包括布朗噪聲、紅噪聲、粉紅噪聲等。
有色噪聲與色噪
一般將色噪定義為低頻噪聲，同時(shí)也可以將色噪看做是圖像在空域中具有一定自相關(guān)性的噪聲。在圖像當(dāng)中常表現(xiàn)為彩色斑塊，通常呈紅、藍(lán)色，尤其是在底圖像質(zhì)量的暗區(qū)。在ISP及其后處理過程中，色噪主要有兩個(gè)來源，一個(gè)是傳感器采集到的Raw數(shù)據(jù)當(dāng)中的有色噪聲，即
1
/
f
1/f
1/f噪聲，一個(gè)是Raw數(shù)據(jù)當(dāng)中原本的白噪聲，經(jīng)過Bayer域的降噪之后，噪聲的功率譜密度將不再呈均勻分布，變?yōu)橐灾械皖l為主，且降噪模塊會(huì)引入噪聲的相關(guān)性，原本Raw數(shù)據(jù)當(dāng)中的白噪聲將變?yōu)樯?。所以，有色噪聲和色噪之間基本共通。
色噪示意圖
復(fù)位噪聲(Reset Noise)
當(dāng)電容被復(fù)位時(shí)，MOS開關(guān)關(guān)斷，導(dǎo)通的MOS管可以看 做是一個(gè)電阻，就會(huì)產(chǎn)生的熱噪聲，噪聲電荷如下：
q
n
=
C
2
.
v
n
2
=
k
B
T
C
q_{n}=C^{2}.v_{n}^{2}=k_{B}TC
qn?=C2.vn2?=kB?TC
噪聲電荷僅與溫度和電容值有關(guān)，因此也稱
k
B
T
C
k_{B}TC
kB?TC噪聲。
熱噪聲(Thermal Noise)
在負(fù)載電阻中，自由電子存在隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)，將引起電阻兩端電壓的波動(dòng)，即為熱噪聲，將熱噪聲的功率譜密度用電壓表示為：
S
v
(
f
)
=
4
k
B
T
R
(
V
2
/
H
z
)
S_{v}(f)=4k_{B}TR(V^{2}/Hz)
Sv?(f)=4kB?TR(V2/Hz)
其中
R
R
R為電阻，可以看出熱噪聲的功率譜密度在所有頻率上恒定，為白噪聲。在CMOS傳感器中，熱噪聲常以
k
B
T
C
k_{B}TC
kB?TC噪聲的形式出現(xiàn)。
讀出噪聲(Readout Noise)
在傳感器讀出電路中產(chǎn)生的噪聲，由讀出電路及像素內(nèi)部的放大器決定，主要表現(xiàn)為熱噪聲和
1
/
f
1/f
1/f噪聲兩種噪聲形式。
1
/
f
1/f
1/f噪聲(1/f Noise)
1
/
f
1/f
1/f噪聲又稱Flicker Noise、Fractal Noise、Pink Noise，
1
/
f
1/f
1/f噪聲的一個(gè)形成原因是硅晶體和氧化層界面處存在懸空鍵，當(dāng)載流子流過的時(shí)候就有可能被隨機(jī)地捕獲，從而在漏電流中形成噪聲。
1
/
f
1/f
1/f的功率譜密度和
1
/
f
γ
1/f^{gamma }
1/fγ成比例，其中
γ
gamma
γ大約在0.8~1.3的范圍內(nèi)，噪聲表達(dá)式如下：
V
n
2
ˉ
=
K
C
o
x
W
L
1
f
γ
ar{V_{n}^{2}}=frac{K}{C_{ox}WL}frac{1}{f^{gamma}}
Vn2?ˉ?=Cox?WLK?fγ1?
其中
K
K
K是由工藝決定的噪聲系數(shù)；
C
o
x
C_{ox}
Cox?為單位面積的柵電容；
W
、
L
W、L
W、L分別為柵的寬、高。從上式可以看出，與懸空鍵相關(guān)的捕獲-釋放現(xiàn)象在低頻下更容易發(fā)生，另外增加器件的溝道面積也可以減小
1
/
f
1/f
1/f噪聲。
目前對(duì)
1
/
f
1/f
1/f噪聲的研究主要依托于兩個(gè)物理模型，一個(gè)是表面載流子數(shù)漲落模型，一個(gè)是遷移率漲落模型。但時(shí)至今日，學(xué)界依舊沒能給出一個(gè)統(tǒng)一的理論來解釋
1
/
f
1/f
1/f噪聲的形成機(jī)制，對(duì)于以上兩個(gè)物理模型的具體解釋，可以參考論文[1、8、11]。就圖像處理的噪聲分析而言，比較重要的是認(rèn)識(shí)到
1
/
f
1/f
1/f噪聲的功率譜密度的形狀及
1
/
f
1/f
1/f噪聲的長(zhǎng)程相關(guān)性。
長(zhǎng)程相關(guān)性
設(shè)
X
1
,
X
2
,
X
3
,
.
.
.
{X_{1},X_{2},X_{3},...}
X1?,X2?,X3?,...是時(shí)間序列，則
X
i
X_{i}
Xi?與
X
j
X_{j}
Xj?之間的自相關(guān)函數(shù)為：
ρ
=
E
(
X
i
?
u
)
(
X
j
?
u
)
σ
2
=
E
(
X
t
?
u
)
(
E
t
+
k
?
u
)
σ
2
,
k
=
∣
j
?
i
∣
ho = frac{E{(X_{i}-u)(X_{j}-u)}}{sigma^{2}}=frac{E{(X_{t}-u)(E_{t+k}-u)}}{sigma^{2}},k=left |j-i
ight |
ρ=σ2E(Xiu)(Xju)?=σ2E(Xtu)(Et+ku)?,k=∣j?i∣
理想的情況下，白噪聲僅與自身相關(guān)，及當(dāng)且僅到
i
=
j
i=j
i=j時(shí)，
ρ
≠
0
ho
eq0
ρ?=0；但
1
/
f
1/f
1/f噪聲具有長(zhǎng)程相關(guān)性，即是當(dāng)
k
k
k足夠大時(shí)，
ρ
≠
0
ho
eq0
ρ?=0，自相關(guān)函數(shù)呈雙曲線衰減，當(dāng)
k
k
k趨向與無窮時(shí)：
ρ
=
c
ρ
∣
k
∣
1
?
α
,
k
→
∞
ho=frac{c_{
ho}}{left |k
ight |^{1-alpha}},k o infty
ρ=∣k∣1?αcρ,k→∞
其中
α
,
c
ρ
alpha,c_{
ho}
α,cρ?為正常數(shù)。自相關(guān)性是
t
t
t時(shí)刻的隨機(jī)變量能持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間的度量，反應(yīng)隨機(jī)變量在不同時(shí)刻之間的相關(guān)性，因此圖像當(dāng)中的
1
/
f
1/f
1/f噪聲具有空間相關(guān)性，常以斑狀的形態(tài)出現(xiàn)在圖像當(dāng)中。
量化噪聲(Quantization noise)
光生電荷經(jīng)放大器放大之后，需再經(jīng)過
A
/
D
A/D
A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為一組離散的數(shù)字信號(hào)，由信號(hào)在量化的過程中引入的誤差即為量化噪聲，特別是當(dāng)
A
/
D
A/D
A/D轉(zhuǎn)換后的比特位寬很小，比如
8
b
i
t
8bit
8bit時(shí)，量化噪聲會(huì)顯著增大，一般來說，對(duì)于同一個(gè)模擬信號(hào)，
A
/
D
A/D
A/D轉(zhuǎn)換后的
b
i
t
bit
bit位寬越小，量化噪聲越大，即有：
N
L
8
b
i
t
>
N
L
10
b
i
t
>
N
L
12
b
i
t
…
…
NL_{8bit}>NL_{10bit}>NL_{12bit}……
NL8bit?>NL10bit?>NL12bit?……
另外值得注意的是，量化噪聲決定了圖像傳感器中模擬增益引入的噪聲小于數(shù)字增益引入的噪聲這一事實(shí)，因?yàn)槟M增益是在模擬電路中對(duì)像素輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大，而數(shù)字增益是對(duì)電信號(hào)進(jìn)行
A
/
D
A/D
A/D轉(zhuǎn)換后把數(shù)字信號(hào)進(jìn)行放大，
A
/
D
A/D
A/D轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號(hào)當(dāng)中包含量化過程中產(chǎn)生的量化噪聲，也會(huì)被數(shù)字增益放大。
列固定噪聲(Column Fixed Pattern Noise)
由上述"X-Y尋址電路"及“列放大器”可知，一般的CMOS對(duì)像素中的電信號(hào)是通過"X-Y尋址電路"逐行讀出的，讀出電路會(huì)在每一列像素放置一個(gè)通用的列放大器，列放大器之間本身存在的工藝差異，造成了圖像列輸出信號(hào)之間的不一致，從而產(chǎn)生列固定噪聲，這種噪聲可以用暗信號(hào)的非均勻性進(jìn)行評(píng)估并加以補(bǔ)償。同時(shí)列固定噪聲不僅在暗光條件下存在，在強(qiáng)光照下也存在，可以用光響應(yīng)的非均勻性進(jìn)行評(píng)估并加以補(bǔ)償，下圖為常見的列固定噪聲：
散粒噪聲(Shot Noise)
散粒噪聲是各類光電成像器件中由光電發(fā)射過程產(chǎn)生的具有Poisson分布的的噪聲，帶電粒子發(fā)射或隨機(jī)地穿過勢(shì)壘時(shí)，每瞬間的粒子數(shù)量不穩(wěn)定，而是圍繞其均值起伏的隨機(jī)過程，這一隨機(jī)過程吻合Poisson分布，光子或電子在給定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射的概率可以表示為：
P
N
=
(
N
ˉ
)
N
.
e
?
N
N
!
P_{N}=frac{(ar{N} )^{N}.e^{-N} }{N!}
PN?=N!(Nˉ)N.e?N?
其中
N
ˉ
、
N
ar{N}、N
Nˉ、N分別表示均值和粒子數(shù)量。和熱噪聲一樣，Poisson噪聲的功率譜密度在所有頻率上恒定，也是白噪聲。值得注意的是光電發(fā)射過程和暗電流都會(huì)產(chǎn)生散粒噪聲，分別為Photon Shot Noise和Dark Current Shot Noise。
Summery
總的來說，圖像傳感器中的噪聲主要有白噪聲，包括熱噪聲、復(fù)位噪聲、散粒噪聲、量化噪聲；有色噪聲，包括在復(fù)位、讀出、電荷積分過程中都會(huì)產(chǎn)生的
1
/
f
1/f
1/f噪聲；固定噪聲，包括暗電流、列固定噪聲。
Reference
[1]：《Image Sensors And Signal Processing For Digital Still Cameras》
[2]：《Image Processing For Embedded Devices》
[3]：《A CMOS Imager Pixel based Temperature Sensor For Dark Current Compensation》
[4]：《A Review of Published Research on Low Frequency Noise and its Effects》
[5]：《CCD or CMOS camera noise characterisation》
[6]：《Characterization of Noise in Digital Photographs for Image Processing》
[7]：《CMOS image sensors State-of-the-art》
[8]：《Flicker Noise》
[9]：《Photon,Poison Noise》
[10]：《Research on Noise Sources in CMOS Image Sensors》
[11]：《Analysis of 1/f noise in CMOS APS》
圖像傳感器 噪聲：CMOS圖像傳感器的噪聲分析及圖像處理
摘要：
隨著大規(guī)模集成電路制造工藝及設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,CMOS圖像傳感器具有成本低,功耗低,高集成度等優(yōu)點(diǎn),并且在成像水平上接近甚至超過CCD圖像傳感器,具有非常廣闊的應(yīng)用前景.本論文以CMOS成像系統(tǒng)為研究對(duì)象,分析了CMOS圖像傳感器的噪聲,并對(duì)圖像傳感器在實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)字圖像進(jìn)行了降噪處理實(shí)驗(yàn). 本論文主要有三部分內(nèi)容,首先我們分析了CMOS圖像傳感器的模擬噪聲類型,主要以時(shí)間和空間噪聲為分類基礎(chǔ),詳細(xì)介紹了三維噪聲模型的原理.在此基礎(chǔ)上,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于三維噪聲模型理論的圖像傳感器時(shí)間和空間噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn).利用試實(shí)驗(yàn)成像系統(tǒng)拍攝一系列均勻背景圖像,然后對(duì)所拍攝圖像進(jìn)行一系列的分析和處理,得出時(shí)間噪聲和空間噪聲在不同照度下的具體值,并得出其變化趨勢(shì). CMOS圖像傳感器在經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后會(huì)產(chǎn)生數(shù)字噪聲,本論文對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)后得到的數(shù)字圖像進(jìn)行了降噪處理實(shí)驗(yàn).在中值濾波和均值濾波的基礎(chǔ)上,加入噪聲判別部分,設(shè)計(jì)混合噪聲降噪處理算法,運(yùn)用MATLAB語言進(jìn)行編程并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),首先進(jìn)行噪聲判別,然后根據(jù)噪聲判別的結(jié)果進(jìn)行降噪處理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本算法具有比較好的降噪效果. 在實(shí)際應(yīng)用中,特別是在光線較暗的情況下,成像系統(tǒng)會(huì)采取加補(bǔ)充光源的方法來增加曝光量.本論文中對(duì)成像系統(tǒng)的不均勻性,主要是光源造成的不均勻性,其余還有光學(xué)系統(tǒng)的漸暈效果,成像系統(tǒng)的暗電流及光響應(yīng)的非均勻性等進(jìn)行了探討,并采用校正矩陣的方法進(jìn)行校正,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種方法具有很好的校正效果.
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圖像傳感器 噪聲：TIDA-
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Design guide — TIDA-
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參考設(shè)計(jì)概述和經(jīng)過驗(yàn)證的性能測(cè)試數(shù)據(jù)
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Schematic — TIDA-
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設(shè)計(jì)布局和元件的詳細(xì)原理圖
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Bill of materials (BOM) — TIDA-
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設(shè)計(jì)元件、引用標(biāo)識(shí)符和制造商/器件型號(hào)的完整列表
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Assembly drawing — TIDA-
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元件放置方式設(shè)計(jì)布局的詳細(xì)原理圖
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Gerber file — TIDA-
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包含設(shè)計(jì) PCB 物理板層信息的設(shè)計(jì)文件
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PCB layout — TIDA-
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用于生成 PCB 設(shè)計(jì)布局的 PCB 層圖文件
圖像傳感器 噪聲：圖像傳感器--噪聲
圖像傳感器中的噪聲，可以被定義為： 導(dǎo)致所有圖像或者信號(hào)產(chǎn)生惡化的波動(dòng)；
從圖像傳感器的傳感機(jī)理上，我們可以總結(jié)如下兩類：
（1） 固定模式噪聲
（2）暫態(tài)噪聲
我們這里提及的固定模式噪聲，是指拍攝靜態(tài)圖像時(shí)候，出現(xiàn)在二維空間上位置固定的噪聲信息，與之相對(duì)應(yīng)的，暫態(tài)噪聲，是隨時(shí)間變化的噪聲；
暫態(tài)噪聲包括： 散粒噪聲，讀出噪聲（本底）噪聲，放大器噪聲，復(fù)位噪聲等；其中散粒噪聲在不同光照下表現(xiàn)不同，暗光下表現(xiàn)為暗電流散粒噪聲，光照下主要表現(xiàn)為光子散粒噪聲；
除了這些，在高于飽和的光照條件下，有拖尾和高光溢出，也屬于噪聲表現(xiàn)；
