2.3? 散粒噪聲

??? 即使光強度一定，由于光具有光子的粒子特性，一次儲存時間內(nèi)入射到光電二極管的光，其每次的光子數(shù)不會相同，這樣的變動特性引發(fā)出了光的散粒噪聲。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。舉例來說，假設(shè)光強使一個光電二極管內(nèi)發(fā)生10 000個信號電荷的條件下，發(fā)生100個光散粒噪聲，信噪比為40 dB。

??? 總的說來，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源，最直接的方法就是提高電子增益G。

2.4? 暗電流噪聲

??? 對于CCD圖像傳感器而言，導(dǎo)致暗白點、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，即使沒有入射光一樣會發(fā)生，它與噪聲信號電壓的儲存時間成正比，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，它還與點荷包在勢阱中存儲的時間長短有關(guān)，存儲時間越長，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。因此必須對決定CCD圖像傳感器性能的信噪比，進行綜合性評估。

??? 首先，一旦改變攝影條件，隨著噪聲種類的不同，有些會變得比較明顯，有些會出現(xiàn)大小的替換。考慮到攝影條件中的溫度，總體來說，隨機噪聲與絕對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℃，暗電流噪聲就會提高2倍，具有很強的溫度相關(guān)性。因此降低溫度可以減小隨機噪聲和暗電流噪聲。

??? 此外，考慮光強度的關(guān)系，光的散粒噪聲與信號電荷量的平方根成正比，當(dāng)光強度增加時，信噪比會變得越大，并且暗電流與信號的儲存時間成正比。存儲時間越長，暗電流噪聲就越大。因此應(yīng)盡量減低電荷的轉(zhuǎn)移時間。

??? 對于轉(zhuǎn)移噪聲，可以采用提高襯底電壓或者CCD電壓取反倒置來消除界面態(tài)的俘獲噪聲，并且降低器件的運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。對于輸出的復(fù)位噪聲，一般采用相關(guān)雙采樣電路來消除。

??? 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)開關(guān)打到t1時，復(fù)位電平為高電平的參考信號，經(jīng)過△τ時期，假設(shè)在電容C1上采樣保持的初始信號是n(t)，這個信號包括復(fù)位電平、復(fù)位失調(diào)電壓和復(fù)位噪聲。當(dāng)開關(guān)打到t2時刻，復(fù)位電平為低電平，此時的電平攜帶有用信號，經(jīng)過△τ的時期送到差分放大器輸入端的信號除了復(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，因此可以表述成n(t)+s(t)。這個信號與C1電容上保持的信號經(jīng)過差分運放輸出到C2電容之后，通過A／D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號。最理想的情況是n(t)+s(t)-n(t)=s(t)，剩下的信號只是有用的視頻信號。因此對照圖1可以看出，CCD信號出來后經(jīng)過CDS電路，輸出的就是有用的視頻信號，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。很多公司專門研發(fā)了相關(guān)雙采樣的集成電路芯片。這些專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，它是專門為CCD成像器件研制的，用來消除復(fù)位噪聲。CDS1402進行了優(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芯片也是利用對高低電平信號的采樣并相減來精確確定視屏信號的。結(jié)果在CCD輸出的浮動電容器上，那些剩余電荷和kTC噪聲被最大限度的消除。

??? CDS1402芯片一共有24個引腳。它包含有2個獨立的采樣保持放大器和S／H電路，每個S／H電路都有獨立的控制線，輸人和輸出管腳，有兩個管腳提供偏置調(diào)流和調(diào)壓。一般來說，CCD的輸出信號都要連接到2個S／H的輸入端，S／H1端用來采集和保持偏置信號，它的輸出值與CCD輸出信號相減，當(dāng)CCD輸出偏置+視頻信號的時候，S／H2端就進入信號的采集狀態(tài)，從而獲得有用的視頻信號。

??? DATEL公司的CDS-1402芯片與普通CDS電路相比略有不同，但是明顯優(yōu)于普通的CDS電路。它的采樣方法被稱為“采樣-相減-采樣”技術(shù)。圖2為CDS-1402的功能原理框圖。在正常操作時，CCD的輸出信號被同時送到每一個S／H放大器的輸入端(引腳3和引腳4)。通常S／H1是用來俘獲和保持每個像素的偏置信號，因此最初它處在信號采集狀態(tài)(也就是說引腳11是輸入高電平)。即通常被稱為采樣或跟蹤模式。CCD的輸出信號經(jīng)過短暫的間隔之后，引腳11輸入低電平，S／H1推動其保持的模式。

??? 在一般簡單的配置下，把引腳7和引腳8連接起來，就可以把S／H1的輸出和S／H2的總結(jié)節(jié)點連接起來。當(dāng)CCD輸出偏置和視頻信號的時候，引腳12輸入高電平，使得S／H2進入信號采集模式。

??? S／H2采用電流一總結(jié)架構(gòu)，它從CCD的輸出信號(偏置加視頻信號)中減去S／H1的輸出信號(偏置信號)，只保留有用的視頻信號。引腳12輸入低電平，使得S／H2進入保持模式，經(jīng)過一段暫態(tài)的穩(wěn)定過程，有用的視頻信號從引腳22輸出。對于CCD的輸出信號，相關(guān)雙采樣電路是最常用的處理方法，主要是為了去除CCD信號中的復(fù)位噪聲和kTC噪聲，處理效果如圖3所示。

??? 從圖3可以看出，當(dāng)復(fù)位部脈沖是高電平的時候。CCD的輸出信號進行第1次采樣，采樣信號為復(fù)位電壓、復(fù)位失調(diào)電壓和復(fù)位噪聲；當(dāng)數(shù)據(jù)部脈沖是高電平時，CCD的輸出信號進行第2次采樣，采樣信號除包括復(fù)位電壓、復(fù)位失調(diào)電壓和復(fù)位噪聲外，還包括有用的視頻信號。

??? 2次采樣的信號通過差動放大電路后輸出，正好把復(fù)位部噪聲去除掉。因為兩次采樣的噪聲可以近似看成是相當(dāng)?shù)摹Ｒ虼送ㄟ^相關(guān)雙采樣電路基本上可以把復(fù)位噪聲去掉。

4 結(jié)? 語

??? 這里對CCD成像器件的噪聲進行了分析，從幾個噪聲源著手(包括轉(zhuǎn)移損失噪聲、復(fù)位噪聲、散粒噪聲和暗電流噪聲)，分析了CDS相關(guān)雙采樣電路。雖然限于CCD其他噪聲及電路工藝結(jié)構(gòu)等原因，系統(tǒng)并未達到器件本身的讀出噪聲水平，但是CDS電路的作用確實明顯，已將大部分噪聲消除了。CDS技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，CDS-1402是一種專門為CCD設(shè)計的相關(guān)雙采樣電路，它的采樣方法稱為“采樣-相減-采樣”技術(shù)，比一般的CDS技術(shù)少一次采樣保持，這樣就減少了采樣尖峰。

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