光子散粒噪聲

   圖像傳感器包含很多的噪聲源,可以分為時(shí)域噪聲源和空間噪聲源,舉例如下:

   1)時(shí)域噪聲:拓℃噪聲、約翰遜噪聲、1〃噪聲、RTS噪聲、暗電流散粒噪聲、光子散粒噪聲、電源噪聲、相位噪聲、量化噪聲等。

P0030SA

   2)空間噪聲:暗固定模式噪聲、亮固定模式噪聲、列固定模式噪聲、行固定模式噪聲、缺陷像素、壞點(diǎn)像素、劃痕等。本章的目的不是研究所有的噪聲,而是把光子散粒噪聲當(dāng)作討論的重點(diǎn)。光子散粒噪聲是在曝光時(shí)間內(nèi),照射到傳感器上光子數(shù)量的統(tǒng)計(jì)變化。照射到傳感器上的光子數(shù)量是由柏松統(tǒng)計(jì)描述的隨機(jī)過(guò)程。像素在曝光時(shí)間接收到數(shù)量為uph的光子,則u止是一個(gè)平均值,并由偏離標(biāo)準(zhǔn)的噪聲系數(shù)σph表征,被稱(chēng)為光子散粒噪聲。平均值和噪聲之間的關(guān)系為

    σph=√uph        

    光子被硅吸收后,數(shù)量為uph的光子在每個(gè)像素中產(chǎn)生ue個(gè)電子,由噪聲σph表征,兩者關(guān)系也是方均根的關(guān)系。無(wú)時(shí)不在的光子散粒噪聲對(duì)成像系統(tǒng)的信噪比有著一個(gè)非常有趣的影響:在 一個(gè)完美無(wú)其他噪聲的相機(jī)中的無(wú)噪聲傳感器中,該成像系統(tǒng)的性能則完全由光子散粒噪聲所限制。最大的信噪比(s/Ⅳ)MAx被定義為

或者說(shuō)最大的信噪比等于信號(hào)值的方均根。這個(gè)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了一個(gè)有趣的經(jīng)驗(yàn)法則:為了滿(mǎn)足顧客對(duì)圖像質(zhì)量的需求,最小的信噪比需要達(dá)到嫻dB甚至更高,相當(dāng)于每個(gè)像素要產(chǎn)生10OO0個(gè)電子(這個(gè)數(shù)量隨著圖像處理技術(shù)以及噪聲的消除而呈逐漸降低的趨勢(shì))。

   一方面,隨著CMOS技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展,像素越來(lái)越小,像素尺寸的下限將不再由CMOS技術(shù)設(shè)定的最小尺寸確定,而主要取決于像素存儲(chǔ)的電子數(shù)量。另一方面,像素中較低的電子飽和度水平將總是致較低的信噪比,因?yàn)樵谧罴亚闆r下,光子散粒噪聲將是主要的噪聲源。