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CCD图像传感器中的暗噪声

2020年5月21日通过罗伯特Keim

本文介绍了图像噪声的概念，并讨论了在CCD系统设计中发挥着突出作用的一个噪声源。

欢迎参加AAC系列的CCD（电荷耦合器件）图像传感器的第11部分！在继续前进了这篇文章的黑暗噪音之前，请查看以下链接以赶上到目前为止所涵盖的任何主题：

什么是图像噪声?

在我的文章中电噪音我将噪声定义为(通常)随机且(通常)幅度相对较低的不可取的电压或电流变化。同样的定义也适用于视觉信息中的噪音。

但是，在我们处理图像时，有一个有趣的考虑因素。如果我正在使用热敏电阻为了收集温度数据，我对产生的电压信号“看起来应该是什么样子”没有很强的期望。我可以在示波器上显示传感器信号，我可能会注意到一些可能是噪声的高频变化，但波形的外观并没有冒犯也就是说，我对这个特定热敏电阻信号的特性的先入为主的想法。

另一方面，图像数据往往与人类视觉系统产生的“官方”表现形式直接竞争。我观察过无数不同的树，在无数不同的场合，在各种各样的光照和大气条件下。因此，关于树木应该是什么样子，我有详细而顽固的想法。如果有人给我看一张树的照片，照片上的色调或颜色变化与我的预期不一致，我就会把这些变化解释为噪音——特别是当它们的空间频率相对较高时。

考虑以下示例：

此图像肯定不会复制我的感知现实（没有颜色，并且使用对人眼不可用的摄影技术模糊，背景模糊）。但是，我不会将它描述为嘈杂因为它缺乏与我的视觉预期相冲突的高空间频率变化。

但是，如果我们放大图像，情况就会改变:

现在，我们具有不符合我的视觉期望的音调的突出变化，并且我将这些功能解释为对图像质量产生负面影响的噪声。

顺便说一下，这张照片的变化部分是由于胶片颗粒造成的。这提醒我们，图像噪声并不是一种固有的数字现象。事实上，一个CCD噪声源(将在以后的文章中讨论)是入射光的物理特性，因此独立于捕捉图像数据的传感器而存在。

CCD黑暗噪音

CCD的光电二极管（或光电偶联器）的目的是响应于入射光子产生游离电子。自由电子的数量与到达给定像素位置的光子的数量成比例，因此CCD的二维电子包阵列变为场景的光学特性的电气表示。

因此，如果一个像素收集的电子不是由光子产生的，那么电子表示就会不准确。这种非光学产生的像素电荷不断地发生在ccd中，因为器件的硅结构有规律地产生自由电子以响应内部温度。我们称之为暗电流，因为光电二极管产生这些载流子，即使在没有照明的情况下。

暗电流与暗噪声

暗噪声的起源是暗电流。他们不是同样的事情，重要的是要认识到这两个现象之间的区别。

暗电流是指热生成的电子总数。我们使用每秒每个像素（E / P / s）的单位电子量化这一点。暗噪声从暗电流的变化导致。我们不应该将暗电流本身视为噪音，因为可以通过减去典型值来消除大部分暗电流。

例如，如果我们知道CCD倾向于生成100 e / p / s的暗电流，我们可以通过积分时间乘以该数量，然后从每个像素中减去相应的信号幅度。在这种情况下，噪声不是100 E / P / S暗电流，而是导致暗电流偏离100 E / P / s的随机变化。

暗电流的行为与电荷的离散性束缚，因此暗噪声是射击噪音的形式，并遵循泊松关系。因此，可以通过在给定积分期间产生的暗电流的平方根来计算RMS暗噪声：

\[\text{dark noise} = \sqrt{\text{(dark current)}\times\text{(integration time)}}\ \]

黑色像素和暗电流

暗电流补偿通常是通过逐帧测量暗电流来完成的，而不是依赖于CCD数据表中的规范。您可能还记得我文章中的下面图表处理CCD输出信号。

这个框图来自数据表对于AD9845B，来自模拟设备的CCD信号处理器。

包括在每个CCD线中的光学屏蔽像素提供有关暗电流产生的电荷量的信息。该电荷在CCD信号中产生偏移，并且“光学黑色钳位”子电路补偿了此偏移量。

暗噪声和温度

因为像素数据中的暗噪声量是温度的函数，所以它也称为热噪声。我宁愿避免后一期限，因为“热噪声”更频繁地是指受温度影响的不同形式的电噪声以及电阻和带宽。

尽管如此，暗噪声和温度之间的关系是非常重要的，因为它提供了一种直接减少CCD噪声的方法:让传感器非常冷!专门的应用使用热电冷却甚至液氮来降低暗噪声到可以忽略的水平。下面的图让你了解到如何有效地通过降低CCD的工作温度来弥补暗噪声。

结论

我希望你们现在理解了CCD暗噪声的本质，暗噪声和暗电流之间的关系，以及这两种现象是如何影响系统设计实践的。我们将在下一篇文章中继续讨论CCD噪声。