【導讀】CCD 傳感器中的暗噪聲，它是由傳感器的半導體材料產生的暗電流變化引起的。這是 CCD 應用中的一個重要噪聲源，它對系統設計有直接影響，因為它可以通過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生的暗電流變化引起的。這是 CCD 應用中的一個重要噪聲源，它對系統設計有直接影響，因為它可以通過冷卻傳感器得到有效控制。
在本文中，我們將討論影響 CCD 圖像質量（或缺乏圖像質量）的另外兩個主要因素：光子噪聲和讀取噪聲。我們還將簡要考慮復位噪聲，它不是影響圖像質量的主要因素，因為它實際上已被專門的信號處理技術消除。
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 類型（例如，全畫幅、行間傳輸和幀傳輸）
? 背照式 CCD
讀出和輸出信號
? CCD讀出計時技術
? CCD輸出信號
? 對 CCD 輸出信號進行采樣、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支配并遵循泊松關系。我們使用泊松分布來模擬由單獨的、獨立的事件組成的現象，這些事件表現出不可預測的時間，但以一致的平均速率發生。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 被看起來完全均勻的光照射，也會觀察到由光子噪聲引起的像素到像素強度變化。當我說“像素到像素”時，它可以指空間和時間變化：盡管照明均勻，但單個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像素將表現出與一幀的色調差異到下一個。
這些變化通過計算泊松標準誤差來量化，這意味著光子噪聲是入射光子總數的平方根。因此，如果場景用在積分期間在每個像素中平均產生 1000 個電子的光照亮傳感器的一部分，則該入射光的物理性質會導致大約 32 個電子 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。
我發現光子噪聲特別有趣，因為理論上它也會影響人眼。如果它是我們視覺感知中不可避免且無處不在的特征，為什么我們還要將其視為“噪音”？這個問題可能有一個冗長而復雜的答案，但我懷疑這個解釋主要源于人類視覺和電子傳感器之間的兩個重要區別：我們的眼睛有更高的“分辨率”，尤其是在與光敏感區域相關時，我們的眼睛視覺系統包括復雜的過濾機制。
讀取噪音
術語“讀出噪聲”（或“讀出噪聲”）是指代其他類型噪聲（即熱噪聲和閃爍噪聲）的一種方便方式，這些噪聲通過片上和片外信號降低 CCD 信號-處理電路。我們通過結合標準的低噪聲設計實踐和技術來降低片外讀取噪聲。片上讀取噪聲由 CCD 的輸出放大器產生。
我在關于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。合并是合并來自相鄰像素的光生電荷的過程；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。
該圖傳達了將來自四個獨立像素的電荷包組合成一個合并像素的過程。
與其他類型的 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 個電子 RMS 的范圍內，非應用的 CCD 系統接近 20 個電子 RMS。
復位噪聲與 kTC 噪聲
不久前，我們在涵蓋相關雙采樣的文章中談到了這個話題，但我稱其為“kTC 噪聲”而不是“重置噪聲”。前一個術語指的是這種噪聲的：它受 CCD 輸出電路中的溫度和電容的影響。后一個術語指的是效果，因為 kTC 噪聲會導致 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像素相關的光強度的隨機變化。
復位噪聲的典型值為 50 電子 RMS。如果不是相關雙采樣，這將對總噪聲產生重大影響，相關雙采樣允許系統的 ADC 測量每個像素的復位電壓和數據電壓之間的差異。該技術將復位噪聲降低到可以忽略不計的水平。
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