CCD類圖像傳感器成像器件的噪聲研究

電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)是目前攝像機(jī)常用的圖像傳感器。隨著CCD技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，人們對(duì)CCD的性能和數(shù)字化提出了更高的要求。對(duì)于CCD器件的開發(fā)和使用，使得CCD器件的性能得到進(jìn)一步增強(qiáng)和改進(jìn)是研究者永恒的課題，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：使器件的工作的速度更快；動(dòng)態(tài)范圍更寬；在單個(gè)器件上集成更多的像素；噪聲更低等。這些研究課題不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)人做過類似的研究就使新的研究沒有意義。人們永遠(yuǎn)需要更快的器件，更寬的動(dòng)態(tài)范圍，更多的像素和更低的噪聲。

1 CCD成像器件的概念及其分類

電荷耦合器件是一種金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的新型器件，其基本結(jié)構(gòu)是一種密排的MOS電容器，能夠存儲(chǔ)由入射光在CCD像敏單元激發(fā)出的光信息電荷，并能在適當(dāng)相序的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，把存儲(chǔ)的電荷以電荷包的形式定向傳輸轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)自掃描，完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。通常這種電信號(hào)是符合電視標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)，可在電視屏幕上復(fù)原成物體的可見光像，也可以將信號(hào)存儲(chǔ)在磁帶機(jī)內(nèi)，或輸入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行圖像增強(qiáng)、識(shí)別、存儲(chǔ)等處理。因此，CCD器件是一種理想的攝像器件。

普通的科學(xué)CCD器件在微光下探測能力受到限制，不適合微光成像。隨著光電成像技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)以下幾種微光CCD成像器件：增強(qiáng)型CCD(ICCD)，電子轟擊CCD(EBCCD)和電子倍增CCD(EMCCD)。

2 CCD成像器件的噪聲分析

電荷耦合器件(CCD)已經(jīng)普遍應(yīng)用于科學(xué)成像。它在成像方面有如下幾方面優(yōu)勢(shì)：

(1)具有比其他可用探測器更高、更寬的量子效率；

(2)僅由像素大小決定的很高分辨率；

(3)實(shí)際上沒有串?dāng)_和像暈圈的分辨缺陷。

但是不管在什么樣的情況下，信號(hào)出現(xiàn)時(shí)總是有噪聲相伴隨的，當(dāng)然用CCD成像耦合器件也不例外。噪聲是決定畫質(zhì)的重要因素。

CCD圖像傳感器的輸出信號(hào)是空間采樣的離散模擬信號(hào)，其中夾雜著各種噪聲和干擾，而噪聲會(huì)影響CCD成像器件探測微弱光的能力。

對(duì)于光電器件來說，其能否探測到足夠小的輻射功率，是至關(guān)重要的問題。所以一般都把最小可探測輻射功率列為一切光電探測器件的重要參數(shù)。定義Pmin為當(dāng)輸出信號(hào)電壓等于輸出噪聲電壓均方根值時(shí)的探測器入射輻射功率。因此可得入射輻射功率為：



式中：P為入射輻射功率；un為噪聲電壓均方值；Us為輸出信號(hào)電壓；Pmin為最小可探測功率。Pmin越小，器件的探測能力越強(qiáng)，也就是探測微弱光的能力越強(qiáng)。由式(1)可知，在輸出信號(hào)電壓一定的情況下，噪聲un越小，Pmin就越小。器件探測微弱光的能力也就越強(qiáng)。因此，對(duì)CCD信號(hào)進(jìn)行處理的目的就是在不損失圖像細(xì)節(jié)的前提下，盡可能地消除噪聲和干擾，以提高信噪比，獲取高質(zhì)量的圖像。為此，必須對(duì)CCD噪聲的種類、特性有所了解，針對(duì)各種噪聲進(jìn)行相應(yīng)的去噪處理。所以對(duì)CCD成像器件噪聲部分的研究，有利于提高CCD成像器件的分辨率，也能提高探測微弱光的能力。

2.1 轉(zhuǎn)移噪聲

當(dāng)電荷包由一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到另一個(gè)勢(shì)阱時(shí)，由于種種原因，會(huì)從前一個(gè)電荷包中得到一些電荷，同時(shí)還會(huì)向后一電荷包留下一些電荷。這些電荷的量都是隨機(jī)的，所以會(huì)出現(xiàn)漲落，構(gòu)成噪聲?？紤]到在每次轉(zhuǎn)移中都包括得到電荷和失去電荷2個(gè)過程，所以漲落噪聲應(yīng)取為二者之和。如有完全電荷轉(zhuǎn)移模型，則得失電荷相等，故噪聲為單一過程的二倍。當(dāng)Nε1時(shí)，各次轉(zhuǎn)移過程中的漲落是獨(dú)立的，則N次轉(zhuǎn)移的漲落噪聲為：



式中：Ns為每個(gè)電荷包中的信號(hào)載流子數(shù)；Ns0為每個(gè)電荷包中的基底載流子數(shù)。

2.2 復(fù)位噪聲

復(fù)位噪聲是因?yàn)殚_關(guān)介入電容帶來的電壓，當(dāng)開關(guān)切到OFF后出現(xiàn)噪聲，也是采樣電路必然發(fā)生的噪聲。即使是CCD圖像傳感器，在信號(hào)電荷檢測之前，必須復(fù)位FD電源電壓等，復(fù)位后恢復(fù)基準(zhǔn)的FD電源電壓，就會(huì)加上噪聲kTC。

當(dāng)二極管輸出信號(hào)之后，為了連續(xù)接收下一個(gè)電荷包，需要將其電壓復(fù)位。由MOST構(gòu)成的復(fù)位電路，在工作時(shí)必然有噪聲饋入輸出電路。這種噪聲即復(fù)位噪聲可以通過相關(guān)雙取樣法加以消除?？梢园褟?fù)位過程看作通過電阻R對(duì)電容C的光電過程。

QC(t)所產(chǎn)生的噪聲為：



2.3 散粒噪聲

即使光強(qiáng)度一定，由于光具有光子的粒子特性，一次儲(chǔ)存時(shí)間內(nèi)入射到光電二極管的光，其每次的光子數(shù)不會(huì)相同，這樣的變動(dòng)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(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(duì)于CCD圖像傳感器而言，導(dǎo)致暗白點(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(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)間長短有關(guān)，存儲(chǔ)時(shí)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(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，總體來說，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，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(shí)，復(fù)位電平為高電平的參考信號(hào)，經(jīng)過△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△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)過差分運(yùn)放輸出到C2電容之后，通過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)出來后經(jīng)過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(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。

CDS1402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，輸人和輸出管腳，有兩個(gè)管腳提供偏置調(diào)流和調(diào)壓。一般來說，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)。

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(shí)，CCD的輸出信號(hào)被同時(shí)送到每一個(gè)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(gè)像素的偏置信號(hào)，因此最初它處在信號(hào)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(hào)經(jīng)過短暫的間隔之后，引腳11輸入低電平，S／H1推動(dòng)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(diǎn)連接起來。當(dāng)CCD輸出偏置和視頻信號(hào)的時(shí)候，引腳12輸入高電平，使得S／H2進(jìn)入信號(hào)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(hào)(偏置加視頻信號(hào))中減去S／H1的輸出信號(hào)(偏置信號(hào))，只保留有用的視頻信號(hào)。引腳12輸入低電平，使得S／H2進(jìn)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(hào)從引腳22輸出。對(duì)于CCD的輸出信號(hào)，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(hào)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(shí)候。CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行第1次采樣，采樣信號(hào)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(shí)，CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行第2次采樣，采樣信號(hào)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(hào)。

2次采樣的信號(hào)通過差動(dòng)放大電路后輸出，正好把復(fù)位部噪聲去除掉。因?yàn)閮纱尾蓸拥脑肼暱梢越瓶闯墒窍喈?dāng)?shù)?。因此通過相關(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(duì)CCD成像器件的噪聲進(jìn)行了分析，從幾個(gè)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(dá)到器件本身的讀出噪聲水平，但是CDS電路的作用確實(shí)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(jì)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。