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(kāi)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(guò)類似的研究就使新的研究沒(méi)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(jiàn)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(cè)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(cè)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(méi)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(cè)微弱光的能力。

對(duì)于光電器件來(lái)說(shuō)，其能否探測(cè)到足夠小的輻射功率，是至關(guān)重要的問(wèn)題。所以一般都把最小可探測(cè)輻射功率列為一切光電探測(cè)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(cè)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(cè)功率。Pmin越小，器件的探測(cè)能力越強(qiáng)，也就是探測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)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(guò)程的二倍。當(dāng)Nε1時(shí)，各次轉(zhuǎn)移過(guò)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_(kāi)關(guān)介入電容帶來(lái)的電壓，當(dāng)開(kāi)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(cè)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(guò)相關(guān)雙取樣法加以消除?？梢园褟?fù)位過(guò)程看作通過(guò)電阻R對(duì)電容C的光電過(guò)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(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(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?？紤]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(lái)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(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。

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(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)。

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(lái)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(shuō)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(guò)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(jiǎn)單的配置下，把引腳7和引腳8連接起來(lái)，就可以把S／H1的輸出和S／H2的總結(jié)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)。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(guò)一段暫態(tài)的穩(wěn)定過(guò)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(guò)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(guò)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(yǔ)

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。