CCD类图像传感器成像器件的噪声研究

    电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)是目前摄像机常用的图像传感器。随着CCD技术的不断发展和应用，人们对CCD的性能和数字化提出了更高的要求。对于CCD器件的开发和使用，使得CCD器件的性能得到进一步增强和改进是研究者永恒的课题，具体体现在以下几个方面：使器件的工作的速度更快；动态范围更宽；在单个器件上集成更多的像素；噪声更低等。这些研究课题不会因为某个人做过类似的研究就使新的研究没有意义。人们永远需要更快的器件，更宽的动态范围，更多的像素和更低的噪声。

1 CCD成像器件的概念及其分类

     电荷耦合器件是一种金属-氧化物-半导体结构的新型器件，其基本结构是一种密排的MOS电容器，能够存储由入射光在CCD像敏单元激发出的光信息电荷，并能在适当相序的时钟脉冲驱动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，实现自扫描，完成从光信号到电信号的转换。通常这种电信号是符合电视标准的视频信号，可在电视屏幕上复原成物体的可见光像，也可以将信号存储在磁带机内，或输入计算机，进行图像增强、识别、存储等处理。因此，CCD器件是一种理想的摄像器件。

    普通的科学CCD器件在微光下探测能力受到限制，不适合微光成像。随着光电成像技术的发展，出现以下几种微光CCD成像器件：增强型CCD(ICCD)，电子轰击CCD(EBCCD)和电子倍增CCD(EMCCD)。

2 CCD成像器件的噪声分析

    电荷耦合器件(CCD)已经普遍应用于科学成像。它在成像方面有如下几方面优势：

    (1)具有比其他可用探测器更高、更宽的量子效率；

    (2)仅由像素大小决定的很高分辨率；

    (3)实际上没有串扰和像晕圈的分辨缺陷。

    但是不管在什么样的情况下，信号出现时总是有噪声相伴随的，当然用CCD成像耦合器件也不例外。噪声是决定画质的重要因素。

    CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号，其中夹杂着各种噪声和干扰，而噪声会影响CCD成像器件探测微弱光的能力。

    对于光电器件来说，其能否探测到足够小的辐射功率，是至关重要的问题。所以一般都把最小可探测辐射功率列为一切光电探测器件的重要参数。定义Pmin为当输出信号电压等于输出噪声电压均方根值时的探测器入射辐射功率。因此可得入射辐射功率为：



    式中：P为入射辐射功率；un为噪声电压均方值；Us为输出信号电压；Pmin为最小可探测功率。Pmin越小，器件的探测能力越强，也就是探测微弱光的能力越强。由式(1)可知，在输出信号电压一定的情况下，噪声un越小，Pmin就越小。器件探测微弱光的能力也就越强。因此，对CCD信号进行处理的目的就是在不损失图像细节的前提下，尽可能地消除噪声和干扰，以提高信噪比，获取高质量的图像。为此，必须对CCD噪声的种类、特性有所了解，针对各种噪声进行相应的去噪处理。所以对CCD成像器件噪声部分的研究，有利于提高CCD成像器件的分辨率，也能提高探测微弱光的能力。

2.1  转移噪声

    当电荷包由一个势阱转移到另一个势阱时，由于种种原因，会从前一个电荷包中得到一些电荷，同时还会向后一电荷包留下一些电荷。这些电荷的量都是随机的，所以会出现涨落，构成噪声。考虑到在每次转移中都包括得到电荷和失去电荷2个过程，所以涨落噪声应取为二者之和。如有完全电荷转移模型，则得失电荷相等，故噪声为单一过程的二倍。当Nε<<1时，各次转移过程中的涨落是独立的，则N次转移的涨落噪声为：



式中：Ns为每个电荷包中的信号载流子数；Ns0为每个电荷包中的基底载流子数。

2.2  复位噪声

    复位噪声是因为开关介入电容带来的电压，当开关切到OFF后出现噪声，也是采样电路必然发生的噪声。即使是CCD图像传感器，在信号电荷检测之前，必须复位FD电源电压等，复位后恢复基准的FD电源电压，就会加上噪声kTC。

    当二极管输出信号之后，为了连续接收下一个电荷包，需要将其电压复位。由MOST构成的复位电路，在工作时必然有噪声馈入输出电路。这种噪声即复位噪声可以通过相关双取样法加以消除。可以把复位过程看作通过电阻R对电容C的光电过程。

    QC(t)所产生的噪声为：



2.3  散粒噪声

    即使光强度一定，由于光具有光子的粒子特性，一次储存时间内入射到光电二极管的光，其每次的光子数不会相同，这样的变动特性引发出了光的散粒噪声。光散粒噪声和暗电流散粒噪声一样，将入射光电二极管的光子数Ns的平方根当作光散粒噪声Nn。举例来说，假设光强使一个光电二极管内发生10 000个信号电荷的条件下，发生100个光散粒噪声，信噪比为40 dB。

    总的说来，器件的散粒噪声公式如下：



    根据式(4)可得出，要想提高散粒噪声，使其成为主要噪声来源，最直接的方法就是提高电子增益G。

2.4  暗电流噪声

    对于CCD图像传感器而言，导致暗白点、白色损伤或颗粒的原因是由于光电二极管的暗电流，这也是决定画质最重要的因素。固定图像噪声的起因是各像素中暗电流不均匀，即使没有入射光一样会发生，它与噪声信号电压的储存时间成正比，并具有与温度密切相关的性质，如式(5)所示：



    由式(5)可以看出，暗电流噪声的大小与温度关系密切。另外，它还与点荷包在势阱中存储的时间长短有关，存储时间越长，暗电流噪声越大。

3  抑制CCD图像传感器噪声的方法

    在分析图像质量的时候，要考虑其信噪比，信噪比越高，图像的质量就越好。因此必须对决定CCD图像传感器性能的信噪比，进行综合性评估。

    首先，一旦改变摄影条件，随着噪声种类的不同，有些会变得比较明显，有些会出现大小的替换。考虑到摄影条件中的温度，总体来说，随机噪声与绝对温度的平方根成正比；另一方面，在固定图像噪声中，温度每升高10℃，暗电流噪声就会提高2倍，具有很强的温度相关性。因此降低温度可以减小随机噪声和暗电流噪声。

    此外，考虑光强度的关系，光的散粒噪声与信号电荷量的平方根成正比，当光强度增加时，信噪比会变得越大，并且暗电流与信号的储存时间成正比。存储时间越长，暗电流噪声就越大。因此应尽量减低电荷的转移时间。

    对于转移噪声，可以采用提高衬底电压或者CCD电压取反倒置来消除界面态的俘获噪声，并且降低器件的运行温度也可以使俘获的噪声明显呈指数减小。另外，也可以将CCD在序列图像取出之前放电，这样也能有效减小转移噪声。对于输出的复位噪声，一般采用相关双采样电路来消除。

    图1是相关双采样的原理电路。根据图1分析相关双采样电路的工作原理。当开关打到t1时，复位电平为高电平的参考信号，经过△τ时期，假设在电容C1上采样保持的初始信号是n(t)，这个信号包括复位电平、复位失调电压和复位噪声。当开关打到t2时刻，复位电平为低电平，此时的电平携带有用信号，经过△τ的时期送到差分放大器输入端的信号除了复位电平，复位失调电压和复位噪声外，还要外加有用的视频信号，因此可以表述成n(t)+s(t)。这个信号与C1电容上保持的信号经过差分运放输出到C2电容之后，通过A／D转换器输出数字信号。最理想的情况是n(t)+s(t)-n(t)=s(t)，剩下的信号只是有用的视频信号。因此对照图1可以看出，CCD信号出来后经过CDS电路，输出的就是有用的视频信号，复位噪声已经消除。

    在CCD的应用领域中。相关双采样电路得到了广泛的应用。很多公司专门研发了相关双采样的集成电路芯片。这些专用芯片不仅使用方便，且性能也能得到很大的提高。CDS1402芯片是一种典型的相关双采样电路芯片，它是专门为CCD成像器件研制的，用来消除复位噪声。CDS1402进行了优化，适合用于10～14位转换精度的数字视频。低噪声的CDS1402芯片也是利用对高低电平信号的采样并相减来精确确定视屏信号的。结果在CCD输出的浮动电容器上，那些剩余电荷和kTC噪声被最大限度的消除。

    CDS1402芯片一共有24个引脚。它包含有2个独立的采样保持放大器和S／H电路，每个S／H电路都有独立的控制线，输人和输出管脚，有两个管脚提供偏置调流和调压。一般来说，CCD的输出信号都要连接到2个S／H的输入端，S／H1端用来采集和保持偏置信号，它的输出值与CCD输出信号相减，当CCD输出偏置+视频信号的时候，S／H2端就进入信号的采集状态，从而获得有用的视频信号。

    DATEL公司的CDS-1402芯片与普通CDS电路相比略有不同，但是明显优于普通的CDS电路。它的采样方法被称为“采样-相减-采样”技术。图2为CDS-1402的功能原理框图。在正常操作时，CCD的输出信号被同时送到每一个S／H放大器的输入端(引脚3和引脚4)。通常S／H1是用来俘获和保持每个像素的偏置信号，因此最初它处在信号采集状态(也就是说引脚11是输入高电平)。即通常被称为采样或跟踪模式。CCD的输出信号经过短暂的间隔之后，引脚11输入低电平，S／H1推动其保持的模式。

    在一般简单的配置下，把引脚7和引脚8连接起来，就可以把S／H1的输出和S／H2的总结节点连接起来。当CCD输出偏置和视频信号的时候，引脚12输入高电平，使得S／H2进入信号采集模式。

    S／H2采用电流一总结架构，它从CCD的输出信号(偏置加视频信号)中减去S／H1的输出信号(偏置信号)，只保留有用的视频信号。引脚12输入低电平，使得S／H2进入保持模式，经过一段暂态的稳定过程，有用的视频信号从引脚22输出。对于CCD的输出信号，相关双采样电路是最常用的处理方法，主要是为了去除CCD信号中的复位噪声和kTC噪声，处理效果如图3所示。

    从图3可以看出，当复位部脉冲是高电平的时候。CCD的输出信号进行第1次采样，采样信号为复位电压、复位失调电压和复位噪声；当数据部脉冲是高电平时，CCD的输出信号进行第2次采样，采样信号除包括复位电压、复位失调电压和复位噪声外，还包括有用的视频信号。

    2次采样的信号通过差动放大电路后输出，正好把复位部噪声去除掉。因为两次采样的噪声可以近似看成是相当的。因此通过相关双采样电路基本上可以把复位噪声去掉。

4 结  语

    这里对CCD成像器件的噪声进行了分析，从几个噪声源着手(包括转移损失噪声、复位噪声、散粒噪声和暗电流噪声)，分析了CDS相关双采样电路。虽然限于CCD其他噪声及电路工艺结构等原因，系统并未达到器件本身的读出噪声水平，但是CDS电路的作用确实明显，已将大部分噪声消除了。CDS技术已经得到广泛的应用，CDS-1402是一种专门为CCD设计的相关双采样电路，它的采样方法称为“采样-相减-采样”技术，比一般的CDS技术少一次采样保持，这样就减少了采样尖峰。