相机噪声——固定模式、暂态、拖尾和高光溢出

引自书籍《数码相机中的图像传感器和信号处理》

3.3 噪声

3.3.1 图像传感器中的噪声

3.3.2 固定模式噪声

3.3.3 暂态噪声

3.3.4 拖尾和高光溢出

3.3.5 图像拖影

前言

图像传感器噪声分为固定模式噪声、暂态噪声、拖尾和高光：

1、固定模式噪声：英文缩写为FPN(fixed-pattern noise)，为出现在图像中固定位置的噪声，图像传感器中主要包括白点缺陷和阴影等；

2、暂态噪声：为随时间发生变化的噪声，在电学和光学中三种基本的暂态噪声为热噪声、散粒噪声、1/f噪声，在图像传感器中主要包括复隹(kTC)噪声、读出噪声(本底噪声)、暗电流散粒噪声、光子散粒噪声、输入参考噪声和输出参考噪声等；

3、拖尾和高光溢出：拖尾表现为白色竖条纹，通常发生在漫射光进入V-CDD寄存器时或者体硅深处产生的电荷扩散进V-CCD时。高光溢出在光生电荷超出像素的满阱容量时发生，溢出电荷会进入相邻的像素或V-CCD中。

暗电流指目标物体在无光照条件下观察到的电流，暗电流会积分成为暗电荷并存储在像素内的电荷存储节点，上述的固定模式噪声和暂态噪声中都有暗电流造成的部分。

    Sensor中的噪声可以视为会影响信号采集和图像质量的信号波动。噪声与图像质量（image quality，IQ）息息相关，同时也决定了传感器的灵敏度。

     这里介绍下FPN，其为出现在图像中固定位置的噪声。用于拍摄静态图像的图像传感器会重新生成二维图像(空间)信息。因为在空间上是固定的，所以黑暗情况下的固定模式噪声原则上可以通过信号处理消除。随时间变化的噪声被称为 “随机”（random）或者TN。当所指的是随时间变化的噪声时一般使用”暂态”这一 称谓, 因为”随机”也可以与FPN联系起来。例如，”像素随机”（pixel-random）FPN在二维空间上看来就是随机的。

     当使用数码相机拍摄照片时, TN被“冻结”为空间噪声。尽管暂态噪声在单独的一次拍照中于空间上是固定的, 但它在连续拍照时出现的位置会产生变化。没发现这种变化可能是视频图像中的TN或多或少经过了人眼的滤波，然后人眼无法在短时间(1/60s)或者一帧的时间(1/30s)内做出准确的响应。

     在光照下，黑暗时的噪声成分依然存在。黑暗和光照下FPN的大小分别称为暗信号非均匀性( dark signal non uniformity，DSNU）和光响应非均匀性(photo response non uniformity, PRNU)。拖尾和高光溢出出现在光照条件高于饱和的情况下。

一、固定模式噪声 – Fixed Pattern Noise

暗环境下的FPN可视为输出信号中有偏移量变化，可用DSNU来衡量。FPN在低光照情况下也很常见，此时用PRNU评估。如果FPN的大小与曝光量成比例，则把它看做灵敏度的非一致性（sensitivity nonuniformity）或者增益波动（gain variation）。

CCD 图像传感器中的固定模式噪声主要来源是暗电流的不均匀性（dark current nonuniformity）。尽管这种噪声在通常的工作模式下几乎观察不到，但在长曝光时间或者在高温下拍摄的图像则可以观测到。如果在整个像素阵列中，各个像素的暗电流不同,那么就会造成FPN，因为相关双采样(CDS)并不能消除这种噪声成分。在 CMOS 图像传感器中，固定模式噪声的主要来源是暗电流的不同以及像素中有缘晶体管（active transistor）的性能波动。

1.1 暗电流 – Dark Current

1.2 阴影 – Shading

阴影是一种在还原的图像中可见的、变化缓慢的或者空间频率输出变化很小的现象。在 CCD/CMOS 图像传感器中，阴影的主要来源包括：

源于暗电流的阴影：如果有一个局部热源存在，它导致的温度分布会使得成像阵列的暗电流产生梯度变化。

源于微型透镜的阴影：对于在成像阵列边缘的微型透镜，如果它的光收集效率因为光线倾斜角而减小,则位于边缘的像素的输出值会变小。

源于电路的阴影：在 CCD 图像传感器中，由于驱动脉冲所输人的多晶硅棚的电阻不同，V-CCD 的输人脉冲幅值可能随空间位置变化，这可能导致局部电荷转移效率的下降，从而导致阴影的发生。在CMOS图像传感器中，偏置电压和接地电压的非一致性也会导致阴影。

二、暂态噪声 – Temporal Noise

暂态噪声是信号随着时间变化的随机起伏。

2.1  热噪声 – Thermal Noise

热噪声起源于电阻中电子的热运动，它也被称为约翰逊噪声（Johnson noise），因为这种噪声是 J. B. Johnson 在 1928 年发现的。奈奎斯特（Nyquist）在同一年用热力学推论描述了噪声电压的数学模型。

2.2 散粒噪声 – Shot Noise

散粒噪声在电流流过势垒(potential barrier)时产生, 这种噪声可以在电子管和半导体器件中观测到，例如 PN 结. 双极晶体管、MOS 管的亚阈值电流。在 CCD 和 CMOS 图像传感器中 , 散粒噪声与入射光子和暗电流有关。

热噪声和散粒噪声的功率谱密度在所有的频率上都恒定，而与之相似的，白光在光学波段的功率分布曲线也呈平坦化，这种噪声被称为“白噪声”。

2.3 噪声 –  Noise

1/ f 噪声的功率谱密度与1/fr成比例，这里1/f的值在1附近，

显而易见，1/f 噪声关于 时间的平均值可能不是常量。CCD 图像传感器的输出放大器和 CMOS 图像传感器中的像素在低频段都受 1/ f 噪声的影响。然而,1/ f 噪声大部分被相关双采样(correlated double sampling, CDS)所抑制，只要两次采样之间的间隔足够短,可以认为 1/ f 噪声是失调。

2.4 图像传感器中的暂态噪声 – Temporal Noise in Image Sensors

2.4.1 – 复位噪声或者kTC噪声 – Reset Noise or kTC Noise

当浮置扩散电容被复位时，电容节点产生“复位噪声”, 亦可称为“kTC 噪声”。它出现在 MOS 开关关断时刻，是来源于 MOS 开关的热噪声。图4展示了复位操作的等效电路。

2.4.2 读出噪声

读出噪声, 或称为noise floor，其定义是读出电路产生的噪声，它不包括探测器中产生的噪声。在 CCD 图像传感器中，假设 CCD 移位寄存器能够实现完全的电荷转移, 那么noise floor由输出放大器产生的噪声决定。在 CMOS 图像传感器中，noise floor由读出电路(包括像素内部的放大器）决定。 在图 5 所示的 MOS 管噪声模型中, 两个噪声(热噪声和 1/ f 噪声)等效电压串联在棚极上。

2.4.3 暗电流散粒噪声和光子散粒噪声 – Dark Current Shot Noise and Photon Shot Noise

2.5 输入参考噪声和输出参考噪声 – Input Referred Noise and Output Referred Noise

显而易见，前文讨论的是在电荷探测节点产生的“输入参考”噪声。

三、 拖尾和高光溢出 – Smear and Blooming

这些现象发生在高强光照射传感器时。拖尾表现为白色坚条纹, 通常发生在漫射光进入 V-CDD 寄存器时或者体硅深处产生的电荷扩散进 V-CCD 时。高光溢出在光生电荷超出像素的满阱容量时发生，溢出电荷会进人相邻的像素或 V-CCD 中。为了抑制高光溢出，像素中应当加入溢出漏极。

四、图像拖影 – Image Lag

    图像拖影是一种在光强突然改变后，残余的图像仍然出现在接下来的数齿中的现象。在 IT-CCD 中，如果从光电二极管到 V-CCD 的电荷转移没有完成,就会产生这种拖影现象。在四管像素的 CMOS 图像传感器中, 如果从光电二极管到浮置扩散区的电荷转移没有完成，就可能导致这种现象。在三管像素的 CMOS 图像传感器中，它的起源是软复位模式，此时光电二极管的复位在 MOS 管的亚阈值模式下进行。

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