中心議題：

• CCD成像器件的概念及其分類
• CCD成像器件的各種噪聲分析
• 抑製CCD圖像傳感器噪聲的方法

解決方案：

• 降低溫度可以減小隨機噪聲和暗電流噪聲
• 盡量減低電荷的轉移時間
• 利用2次采樣消除噪聲

電荷耦合器件(chargecoupleddevice
，CCD)是目前攝像機常用的圖像傳感器。隨著CCD技術的不斷發展和應用，人們對CCD的性能和數字化提出了更高的要求。對於CCD器件的開發和使用，使得CCD器件的性能得到進一步增強和改進是研究者永恒的課題，具體體現在以下幾個方麵：使器件的工作的速度更快

；動態範圍更寬；在單個器件上集成更多的像素；噪zao聲sheng更geng低di等deng。這zhe些xie研yan究jiu課ke題ti不bu會hui因yin為wei某mou個ge人ren做zuo過guo類lei似si的de研yan究jiu就jiu使shi新xin的de研yan究jiu沒mei有you意yi義yi。人ren們men永yong遠yuan需xu要yao更geng快kuai的de器qi件jian，更geng寬kuan的de動dong態tai範fan圍wei，更geng多duo的de像xiang素su和he更geng低di的de噪zao聲sheng。

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-半導體結構的新型器件，其基本結構是一種密排的MOS電容器，能夠存儲由入射光在CCD像(xiang)敏(min)單(dan)元(yuan)激(ji)發(fa)出(chu)的(de)光(guang)信(xin)息(xi)電(dian)荷(he)
，並(bing)能(neng)在(zai)適(shi)當(dang)相(xiang)序(xu)的(de)時(shi)鍾(zhong)脈(mai)衝(chong)驅(qu)動(dong)下(xia)
，把(ba)存(cun)儲(chu)的(de)電(dian)荷(he)以(yi)電(dian)荷(he)包(bao)的(de)形(xing)式(shi)定(ding)向(xiang)傳(chuan)輸(shu)轉(zhuan)移(yi)，實(shi)現(xian)自(zi)掃(sao)描(miao)，完(wan)成(cheng)從(cong)光(guang)信(xin)號(hao)到(dao)電(dian)信(xin)號(hao)的(de)轉(zhuan)換(huan)。通(tong)常(chang)這(zhe)種(zhong)電(dian)信(xin)號(hao)是(shi)符(fu)合(he)電(dian)視(shi)標(biao)準(zhun)的(de)視(shi)頻(pin)信(xin)號(hao)
，可(ke)在(zai)電(dian)視(shi)屏(ping)幕(mu)上(shang)複(fu)原(yuan)成(cheng)物(wu)體(ti)的(de)可(ke)見(jian)光(guang)像(xiang)，也(ye)可(ke)以(yi)將(jiang)信(xin)號(hao)存(cun)儲(chu)在(zai)磁(ci)帶(dai)機(ji)內(nei)，或(huo)輸(shu)入(ru)計(ji)算(suan)機(ji)，進(jin)行(xing)圖(tu)像(xiang)增(zeng)強(qiang)、識別、存儲等處理。因此
，CCD器件是一種理想的攝像器件。

普通的科學CCD器件在微光下探測能力受到限製，不適合微光成像。隨著光電成像技術的發展，出現以下幾種微光CCD成像器件：增強型CCD(ICCD)，電子轟擊CCD(EBCCD)和電子倍增CCD(EMCCD)。

CCD成像器件的噪聲分析

電荷耦合器件(CCD)已經普遍應用於科學成像。它在成像方麵有如下幾方麵優勢：

(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)實際上沒有串擾和像暈圈的分辨缺陷。

但是不管在什麼樣的情況下，信號出現時總是有噪聲相伴隨的
，當然用CCD成像耦合器件也不例外。噪聲是決定畫質的重要因素。

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

對(dui)於(yu)光(guang)電(dian)器(qi)件(jian)來(lai)說(shuo)，其(qi)能(neng)否(fou)探(tan)測(ce)到(dao)足(zu)夠(gou)小(xiao)的(de)輻(fu)射(she)功(gong)率(lv)，是(shi)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)問(wen)題(ti)。所(suo)以(yi)一(yi)般(ban)都(dou)把(ba)最(zui)小(xiao)可(ke)探(tan)測(ce)輻(fu)射(she)功(gong)率(lv)列(lie)為(wei)一(yi)切(qie)光(guang)電(dian)探(tan)測(ce)器(qi)件(jian)的(de)重(zhong)要(yao)參(can)數(shu)。定(ding)義(yi)Pmin為當輸出信號電壓等於輸出噪聲電壓均方根值時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為輸出信號電壓
；Pmin為最小可探測功率。Pmin越小，器件的探測能力越強

，也就是探測微弱光的能力越強。由式(1)可知，在輸出信號電壓一定的情況下，噪聲un越小，Pmin就越小。器件探測微弱光的能力也就越強。因此
，對CCD信號進行處理的目的就是在不損失圖像細節的前提下
，盡可能地消除噪聲和幹擾，以提高信噪比
，獲取高質量的圖像。為此，必須對CCD噪聲的種類、特性有所了解，針對各種噪聲進行相應的去噪處理。所以對CCD成像器件噪聲部分的研究，有利於提高CCD成像器件的分辨率，也能提高探測微弱光的能力。2.1轉移噪聲

當dang電dian荷he包bao由you一yi個ge勢shi阱jing轉zhuan移yi到dao另ling一yi個ge勢shi阱jing時shi

，由you於yu種zhong種zhong原yuan因yin

，會hui從cong前qian一yi個ge電dian荷he包bao中zhong得de到dao一yi些xie電dian荷he
，同tong時shi還hai會hui向xiang後hou一yi電dian荷he包bao留liu下xia一yi些xie電dian荷he。這zhe些xie電dian荷he的de量liang都dou是shi隨sui機ji的de，所suo以yi會hui出chu現xian漲zhang落luo，構gou成cheng噪zao聲sheng。考kao慮lv到dao在zai每mei次ci轉zhuan移yi中zhong都dou包bao括kuo得de到dao電dian荷he和he失shi去qu電dian荷he2個過程
，所以漲落噪聲應取為二者之和。如有完全電荷轉移模型

，則得失電荷相等，故噪聲為單一過程的二倍。當Nε<<1時，各次轉移過程中的漲落是獨立的，則N次轉移的漲落噪聲為：


式中：Ns為每個電荷包中的信號載流子數；Ns0為每個電荷包中的基底載流子數。

複位噪聲

複位噪聲是因為開關介入電容帶來的電壓，當開關切到OFF後出現噪聲，也是采樣電路必然發生的噪聲。即使是CCD圖像傳感器，在信號電荷檢測之前
，必須複位FD電源電壓等，複位後恢複基準的FD電源電壓，就會加上噪聲kTC。

當二極管輸出信號之後，為了連續接收下一個電荷包，需要將其電壓複位。由MOST構gou成cheng的de複fu位wei電dian路lu，在zai工gong作zuo時shi必bi然ran有you噪zao聲sheng饋kui入ru輸shu出chu電dian路lu。這zhe種zhong噪zao聲sheng即ji複fu位wei噪zao聲sheng可ke以yi通tong過guo相xiang關guan雙shuang取qu樣yang法fa加jia以yi消xiao除chu。可ke以yi把ba複fu位wei過guo程cheng看kan作zuo通tong過guo電dian阻zuR對電容C的光電過程。

QC(t)所產生的噪聲為：



散粒噪聲

即(ji)使(shi)光(guang)強(qiang)度(du)一(yi)定(ding)，由(you)於(yu)光(guang)具(ju)有(you)光(guang)子(zi)的(de)粒(li)子(zi)特(te)性(xing)，一(yi)次(ci)儲(chu)存(cun)時(shi)間(jian)內(nei)入(ru)射(she)到(dao)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)的(de)光(guang)，其(qi)每(mei)次(ci)的(de)光(guang)子(zi)數(shu)不(bu)會(hui)相(xiang)同(tong)
，這(zhe)樣(yang)的(de)變(bian)動(dong)特(te)性(xing)引(yin)發(fa)出(chu)了(le)光(guang)的(de)散(san)粒(li)噪(zao)聲(sheng)。光(guang)散(san)粒(li)噪(zao)聲(sheng)和(he)暗(an)電(dian)流(liu)散(san)粒(li)噪(zao)聲(sheng)一(yi)樣(yang)，將(jiang)入(ru)射(she)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)的(de)光(guang)子(zi)數(shu)Ns的平方根當作光散粒噪聲Nn。舉例來說
，假設光強使一個光電二極管內發生10000個信號電荷的條件下
，發生100個光散粒噪聲
，信噪比為40dB。

總的說來，器件的散粒噪聲公式如下：


根據式(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。
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暗電流噪聲

對於CCD圖像傳感器而言

，導致暗白點、baisesunshanghuokelideyuanyinshiyouyuguangdianerjiguandeandianliu
，zheyeshijuedinghuazhizuizhongyaodeyinsu。gudingtuxiangzaoshengdeqiyinshigexiangsuzhongandianliubujunyun，jishimeiyourusheguangyiyanghuifasheng
，tayuzaoshengxinhaodianyadechucunshijianchengzhengbi
，bingjuyouyuwendumiqiexiangguandexingzhi，rushi(5)所示：


由式(5)可以看出，暗電流噪聲的大小與溫度關係密切。另外，它還與點荷包在勢阱中存儲的時間長短有關
，存儲時間越長，暗電流噪聲越大。

抑製CCD圖像傳感器噪聲的方法

在分析圖像質量的時候，要考慮其信噪比，信噪比越高

，圖像的質量就越好。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。

shouxian
，yidangaibiansheyingtiaojian

，suizhezaoshengzhongleidebutong
，youxiehuibiandebijiaomingxian

，youxiehuichuxiandaxiaodetihuan。kaolvdaosheyingtiaojianzhongdewendu
，zongtilaishuo，suijizaoshengyujueduiwendudepingfanggenchengzhengbi；另一方麵

，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性。因此降低溫度可以減小隨機噪聲和暗電流噪聲。

此ci外wai，考kao慮lv光guang強qiang度du的de關guan係xi，光guang的de散san粒li噪zao聲sheng與yu信xin號hao電dian荷he量liang的de平ping方fang根gen成cheng正zheng比bi，當dang光guang強qiang度du增zeng加jia時shi
，信xin噪zao比bi會hui變bian得de越yue大da，並bing且qie暗an電dian流liu與yu信xin號hao的de儲chu存cun時shi間jian成cheng正zheng比bi。存cun儲chu時shi間jian越yue長chang，暗an電dian流liu噪zao聲sheng就jiu越yue大da。因yin此ci應ying盡jin量liang減jian低di電dian荷he的de轉zhuan移yi時shi間jian。

對於轉移噪聲
，可以采用提高襯底電壓或者CCD電壓取反倒置來消除界麵態的俘獲噪聲，並且降低器件的運行溫度也可以使俘獲的噪聲明顯呈指數減小。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移噪聲。對於輸出的複位噪聲，一般采用相關雙采樣電路來消除。

圖1是相關雙采樣的原理電路。根據圖1分析相關雙采樣電路的工作原理。當開關打到t1時，複位電平為高電平的參考信號，經過△τ時期，假設在電容C1上采樣保持的初始信號是n(t)，這個信號包括複位電平、複位失調電壓和複位噪聲。當開關打到t2時刻，複位電平為低電平，此時的電平攜帶有用信號，經過△τ的時期送到差分放大器輸入端的信號除了複位電平，複位失調電壓和複位噪聲外，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過差分運放輸出到C2電容之後
，通過A／D轉換器輸出數字信號。最理想的情況是n(t)+s(t)-n(t)=s(t)，剩下的信號隻是有用的視頻信號。因此對照圖1可以看出
，CCD信號出來後經過CDS電路，輸出的就是有用的視頻信號
，複位噪聲已經消除。


在CCD的de應ying用yong領ling域yu中zhong。相xiang關guan雙shuang采cai樣yang電dian路lu得de到dao了le廣guang泛fan的de應ying用yong。很hen多duo公gong司si專zhuan門men研yan發fa了le相xiang關guan雙shuang采cai樣yang的de集ji成cheng電dian路lu芯xin片pian。這zhe些xie專zhuan用yong芯xin片pian不bu僅jin使shi用yong方fang便bian，且qie性xing能neng也ye能neng得de到dao很hen大da的de提ti高gao。CDS1402芯片是一種典型的相關雙采樣電路芯片，它是專門為CCD成像器件研製的，用來消除複位噪聲。CDS1402進行了優化，適合用於10～14位轉換精度的數字視頻。低噪聲的CDS1402芯片也是利用對高低電平信號的采樣並相減來精確確定視屏信號的。結果在CCD輸出的浮動電容器上，那些剩餘電荷和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電路都有獨立的控製線
，輸人和輸出管腳，有兩個管腳提供偏置調流和調壓。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，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，但是明顯優於普通的CDS電路。它的采樣方法被稱為“采樣-相減-采樣”技術。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(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的輸出信號經過短暫的間隔之後，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的總結節點連接起來。當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采用電流一總結架構，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)，隻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，經過一段暫態的穩定過程，有用的視頻信號從引腳22輸出。對於CCD的輸出信號，相關雙采樣電路是最常用的處理方法，主要是為了去除CCD信號中的複位噪聲和kTC噪聲
，處理效果如圖3所示。


從圖3可以看出
，當複位部脈衝是高電平的時候。CCD的輸出信號進行第1次采樣
，采樣信號為複位電壓
、複位失調電壓和複位噪聲；當數據部脈衝是高電平時
，CCD的輸出信號進行第2次采樣
，采樣信號除包括複位電壓、複位失調電壓和複位噪聲外
，還包括有用的視頻信號。

2次(ci)采(cai)樣(yang)的(de)信(xin)號(hao)通(tong)過(guo)差(cha)動(dong)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)後(hou)輸(shu)出(chu)
，正(zheng)好(hao)把(ba)複(fu)位(wei)部(bu)噪(zao)聲(sheng)去(qu)除(chu)掉(diao)。因(yin)為(wei)兩(liang)次(ci)采(cai)樣(yang)的(de)噪(zao)聲(sheng)可(ke)以(yi)近(jin)似(si)看(kan)成(cheng)是(shi)相(xiang)當(dang)的(de)。因(yin)此(ci)通(tong)過(guo)相(xiang)關(guan)雙(shuang)采(cai)樣(yang)電(dian)路(lu)基(ji)本(ben)上(shang)可(ke)以(yi)把(ba)複(fu)位(wei)噪(zao)聲(sheng)去(qu)掉(diao)。

這裏對CCD成像器件的噪聲進行了分析，從幾個噪聲源著手(包括轉移損失噪聲、複位噪聲、散粒噪聲和暗電流噪聲)
，分析了CDS相關雙采樣電路。雖然限於CCD其他噪聲及電路工藝結構等原因，係統並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技術已經得到廣泛的應用

，CDS-1402是一種專門為CCD設計的相關雙采樣電路，它的采樣方法稱為“采樣-相減-采樣”技術，比一般的CDS技術少一次采樣保持，這樣就減少了采樣尖峰。