CCD類(lèi)成像器件的噪聲研究
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光散粒噪聲和暗電流散粒噪聲一樣，將入射光電二極管的光子數(shù)Ns的平方根當(dāng)作光散粒噪聲Nn。舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)光強(qiáng)使一個(gè)光電二極管內(nèi)發(fā)生10 000個(gè)信號(hào)電荷的條件下，發(fā)生100個(gè)光散粒噪聲，信噪比為40 dB。
總的說(shuō)來(lái)，器件的散粒噪聲公式如下：
根據(jù)式(4)可得出，要想提高散粒噪聲，使其成為主要噪聲來(lái)源，最直接的方法就是提高電子增益G。
2．4 暗電流噪聲
對(duì)于CCD圖像傳感器而言，導(dǎo)致暗自點(diǎn)、白色損傷或顆粒的原因是由于光電二極管的暗電流，這也是決定畫(huà)質(zhì)最重要的因素。固定圖像噪聲的起因是各像素中暗電流不均勻，即使沒(méi)有入射光一樣會(huì)發(fā)生，它與噪聲信號(hào)電壓的儲(chǔ)存時(shí)間成正比，并具有與溫度密切相關(guān)的性質(zhì)．如式(5)所示：
由式(5)可以看出，暗電流噪聲的大小與溫度關(guān)系密切。另外，它還與點(diǎn)荷包在勢(shì)阱中存儲(chǔ)的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，存儲(chǔ)時(shí)間越長(zhǎng)，暗電流噪聲越大。
3 抑制CCD圖像傳感器噪聲的方法
在分析圖像質(zhì)量的時(shí)候，要考慮其信噪比，信噪比越高，圖像的質(zhì)量就越好。因此必須對(duì)決定CCD圖像傳感器性能的信噪比，進(jìn)行綜合性評(píng)估。
首先，一旦改變攝影條件，隨著噪聲種類(lèi)的不同，有些會(huì)變得比較明顯，有些會(huì)出現(xiàn)大小的替換。考慮到攝影條件中的溫度，總體來(lái)說(shuō)，隨機(jī)噪聲與絕對(duì)溫度的平方根成正比；另一方面，在固定圖像噪聲中，溫度每升高10℃，暗電流噪聲就會(huì)提高2倍，具有很強(qiáng)的溫度相關(guān)性。因此降低溫度可以減小隨機(jī)噪聲和暗電流噪聲。
此外，考慮光強(qiáng)度的關(guān)系，光的散粒噪聲與信號(hào)電荷量的平方根成正比，當(dāng)光強(qiáng)度增加時(shí)，信噪比會(huì)變得越大，并且暗電流與信號(hào)的儲(chǔ)存時(shí)間成正比。存儲(chǔ)時(shí)間越長(zhǎng)，暗電流噪聲就越大。因此應(yīng)盡量減低電荷的轉(zhuǎn)移時(shí)間。
對(duì)于轉(zhuǎn)移噪聲，可以采用提高襯底電壓或者CCD電壓取反倒置來(lái)消除界面態(tài)的俘獲噪聲，并且降低器件的運(yùn)行溫度也可以使俘獲的噪聲明顯呈指數(shù)減小。另外，也可以將CCD在序列圖像取出之前放電，這樣也能有效減小轉(zhuǎn)移噪聲。對(duì)于輸出的復(fù)位噪聲，一般采用相關(guān)雙采樣電路來(lái)消除。
圖1是相關(guān)雙采樣的原理電路。根據(jù)圖1分析相關(guān)雙采樣電路的工作原理。當(dāng)開(kāi)關(guān)打到t1時(shí)，復(fù)位電平為高電平的參考信號(hào)，經(jīng)過(guò)△τ時(shí)期，假設(shè)在電容C1上采樣保持的初始信號(hào)是n(t)，這個(gè)信號(hào)包括復(fù)位電平、復(fù)位失調(diào)電壓和復(fù)位噪聲。當(dāng)開(kāi)關(guān)打到t2時(shí)刻，復(fù)位電平為低電平，此時(shí)的電平攜帶有用信號(hào)，經(jīng)過(guò)△τ的時(shí)期送到差分放大器輸入端的信號(hào)除了復(fù)位電平，復(fù)位失調(diào)電壓和復(fù)位噪聲外，還要外加有用的視頻信號(hào)，因此可以表述成n(t)+s(t)。這個(gè)信號(hào)與C1電容上保持的信號(hào)經(jīng)過(guò)差分運(yùn)放輸出到C2電容之后，通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)。最理想的情況是n(t)+s(t)-n(t)=s(t)，剩下的信號(hào)只是有用的視頻信號(hào)。因此對(duì)照?qǐng)D1可以看出，CCD信號(hào)出來(lái)后經(jīng)過(guò)CDS電路，輸出的就是有用的視頻信號(hào)，復(fù)位噪聲已經(jīng)消除。
在CCD的應(yīng)用領(lǐng)域中。相關(guān)雙采樣電路得到了廣泛的應(yīng)用。很多公司專(zhuān)門(mén)研發(fā)了相關(guān)雙采樣的集成電路芯片。這些專(zhuān)用芯片不僅使用方便，且性能也能得到很大的提高。CDS1402芯片是一種典型的相關(guān)雙采樣電路芯片，它是專(zhuān)門(mén)為CCD成像器件研制的，用來(lái)消除復(fù)位噪聲。 CDSl402進(jìn)行了優(yōu)化，適合用于10～14位轉(zhuǎn)換精度的數(shù)字視頻。低噪聲的CDS1402芯片也是利用對(duì)高低電平信號(hào)的采樣并相減來(lái)精確確定視屏信號(hào)的。結(jié)果在CCD輸出的浮動(dòng)電容器上，那些剩余電荷和kTC噪聲被最大限度的消除。
CDSl402芯片一共有24個(gè)引腳。它包含有2個(gè)獨(dú)立的采樣保持放大器和s／H電路。每個(gè)S／H電路都有獨(dú)立的控制線(xiàn)，輸入和輸出管腳，有兩個(gè)管腳提供偏置調(diào)流和調(diào)壓。一般來(lái)說(shuō)，CCD的輸出信號(hào)都要連接到2個(gè)S／H的輸入端，S／H1端用來(lái)采集和保持偏置信號(hào)，它的輸出值與CCD輸出信號(hào)相減，當(dāng)CCD輸出偏置+視頻信號(hào)的時(shí)候，s／H2端就進(jìn)入信號(hào)的采集狀態(tài)，從而獲得有用的視頻信號(hào)。
評(píng)論