在前一篇文章中，我们讨论过CCD传感器中的暗噪声，这是由传感器半导体材料产生的暗电流变化造成的。这是CCD应用中一个重要的噪声源，它直接影响系统设计，因为它可以通过冷却传感器来有效地控制。
在本文中，我们将讨论另外两个影响CCD图像质量(或缺乏图像质量)的主要因素:光子噪声和读取噪声。我们还将简要地考虑重置噪声，也就是不这是影响图像质量的一个主要因素，因为它实际上被一种专门的信号处理技术消除了。
在继续之前，您可能希望了解本系列的其余内容，它们涵盖了以下广泛的主题:
- 最基本的
- 读出和输出信号
- 帧率
光子噪声
在我们对暗噪声的研究中，我指出它是由电荷的离散性质支配的，并遵循泊松关系。我们使用泊松分布来模拟由独立事件组成的现象，这些事件表现出不可预测的精确时间，但以一致的平均速率发生。如果我们计算一定数量的事件并应用泊松统计，那么与该现象相关的标准误差将计算为计数的平方根。
光子是离散的光的“粒子”，任何阵列的光敏元件都会受到噪声的影响——也就是。即随机变化——光子到达的特征。
照明和照明诱导的电荷产生是由光子和电子的离散行为控制的量子现象。
因此，即使CCD被看起来完全均匀的光照亮，光子噪声引起的像素到像素的强度变化也会被观察到。当我说“像素到像素”时，它既可以指空间变化，也可以指时间变化:单个帧中的相邻像素即使在均匀光照下也会表现出色调差异，或者单个像素在稳定光照下也会表现出不同帧之间的色调差异。
这些变化可以通过计算泊松标准误差来量化，这意味着光子噪声是入射光子总数的平方根。因此，如果场景用在每个像素中平均产生1000个电子的光照亮传感器的一部分，那么这个入射光的物理性质将导致大约32个电子均数的噪声。这种光子到达的随机变化是由自然造成的，这使得任何图像传感器都不可能有零噪声。
我发现光子噪声特别有趣，因为理论上它也会影响人眼。如果它是我们视觉感知中不可避免且无所不在的特征，我们为什么还要认为它是“噪音”呢?这个问题可能有一个长而复杂的答案，但我怀疑这主要源于人类视觉和电子传感器之间的两个重要区别:我们的眼睛有更高的“分辨率”，特别是在光敏感区域，我们的视觉系统包括复杂的过滤机制。
读噪音
“读出噪声”(或“读出噪声”)是对其他类型噪声的一种方便的描述，即热噪声和闪烁噪声-通过片上和片外信号处理电路降低CCD信号。我们通过结合标准的低噪声设计实践和技术来降低芯片外读取噪声。片上读取噪声是由CCD的输出放大器产生的。
我在我的文章里讨论过阅读噪音CCD装箱这种技术可以让我们用分辨率来换取噪音性能。装箱是将相邻像素产生的光电荷进行组合的过程;这减少了读噪声的影响，因为当读噪声的数量保持不变时，被收纳像素的信号级别会增加。
这张图传达了将四个独立像素的电荷包组合成一个被收纳的像素的过程。
与其他类型的CCD噪声一样，我们可以报告电子中的读取噪声。我认为，读取噪声的典型值大约在每像素2到20个电子均方根之间，而非专业应用的CCD系统则接近20个电子均方根。
复位噪声与kTC噪声
我们在前面的文章中讨论过这个话题相关双采样但我把它叫做“kTC噪音”，而不是“重置噪音”。前者指的是这种噪声的来源:它受到CCD输出电路中的温度和电容的影响。后者指的是影响，因为kTC噪声导致CCD信号的重置水平的像素到像素的变化。
数据级别取决于重置级别，因此重置级别的随机变化将转化为与每个像素相关的光强度的随机变化。
复位噪声的典型值为50电子均方根。如果没有相关的双采样(允许系统的ADC测量)，这将对总噪声做出显著贡献区别重置电压与每个像素的数据电压之间。这种技术将重置噪声降低到可以忽略的水平。
接下来:在CCD成像系统中管理噪音
我希望你们喜欢我们正在进行的关于CCD噪声的讨论。在下一篇文章中，我们将探索光子噪声、读噪声和暗噪声在CCD成像系统的整体运行中是如何相互作用的。
