CMOS影像感測器是廣泛應用於各種領域的主要成像技術。然而，「雜訊」是限制其性能的重要因素之一。本文將詳細解析CMOS影像感測器中的主要雜訊類型（時間性隨機雜訊、固定模式雜訊、讀出雜訊），並介紹其產生機制與對應的降噪方法。
時間性隨機雜訊（Temporal Random Noise）
概要
時間性隨機雜訊是指在不同影格間隨機變動的雜訊，即使光照條件保持不變，畫素輸出仍可能發生變化。此類雜訊主要由以下因素引起：
- 光子散粒雜訊（Photon Shot Noise）
- 暗電流散粒雜訊（Dark Current Shot Noise）
- 熱雜訊（Thermal Noise，由熱激發電子產生）
- 1/f雜訊（低頻雜訊）
主要雜訊成分
- 光子散粒雜訊（Photon Shot Noise）
由於光子到達感測器的過程是隨機的，因此產生統計性變動。此雜訊與照明條件成正比增加，屬於物理極限雜訊，基本上無法消除。 - 暗電流散粒雜訊（Dark Current Shot Noise）
即使在無光條件下，熱能仍可能激發電子，導致感測器產生電流。此雜訊會隨著溫度上升而急劇增加。 - 熱雜訊（Thermal Noise）
由於放大電路和讀出電路中的電阻熱振動所產生，通常具有高頻成分。
降噪方法
- 冷卻技術
對於暗電流散粒雜訊特別有效，降低感測器溫度可以大幅減少雜訊影響。 - 相關雙重取樣（CDS, Correlated Double Sampling）
可有效消除重置雜訊（Reset Noise）以及部分熱雜訊，提高影像品質。 - 多重取樣（Multiple Sampling）
透過時間平均化來降低雜訊，提高信號穩定性。
固定模式雜訊（Fixed Pattern Noise, FPN）
概要
固定模式雜訊是指特定畫素或行列具有固定的輸出偏差。由於此雜訊在不同影格間不變，因此容易被察覺，通常會以條紋或斑點的形式出現在影像中。
發生原因
- 畫素間的不均勻性
- CMOS製造過程中的畫素間電晶體特性差異（如閘極臨界電壓、增益變化）
- 列讀出電路的匹配誤差
- 暗電流的不均勻性
降噪方法
- 偏移補償（Offset Correction）
透過離線或即時校正，補償各畫素或列的偏移量。 - 數位訊號處理（DSP, Digital Signal Processing）
透過影像處理技術降低FPN，例如黑電平補償（Black Level Correction）。 - 製造流程最佳化
採用改善電晶體特性均勻性及降低暗電流的技術，以減少FPN的影響。
讀出雜訊（Read Noise）
概要
讀出雜訊是CMOS感測器在信號讀出過程中產生的雜訊。它是決定感測器性能上限的重要因素之一，尤其在低光環境下，會顯著影響訊噪比（S/N比）。
發生原因
- 源極隨耦放大器（Source Follower Amplifier）雜訊
來自各畫素的源極隨耦放大器，包含熱雜訊與1/f雜訊。 - 列並行讀出電路雜訊
來自開關電容（SC, Switched Capacitor）電路或類比數位轉換器（ADC）的量化誤差。 - 緩衝電路（Buffer Circuit）雜訊
來自感測器輸出端的放大過程，可能引入額外雜訊。
降噪方法
- 高增益放大器（High-Gain Amplifier）
增強信號，使雜訊影響相對降低。 - 高精度ADC（High-Precision ADC）
降低量化誤差，提高數據精度。 - 類比相關雙重取樣（Analog CDS, Correlated Double Sampling）
減少重置雜訊與低頻雜訊，提高影像品質。
總結
CMOS影像感測器中的雜訊是影響其性能提升的重要因素。然而，透過以下方法可以有效降低雜訊：
- 冷卻技術與取樣技術的應用
- 最佳化信號處理
- 改進電路設計
這些措施能夠有效降低時間性隨機雜訊、固定模式雜訊以及讀出雜訊，從而提升影像品質，使CMOS影像感測器能夠應用於更廣泛的場景。になります。
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