CCD和CMOS相机中的噪声

相机中的噪声通常可广泛地分为两大类：固定模式噪声（time-invariant）和 时变噪声（time-variant）

固定模式噪声特指不随某帧图像发生变化的特定空间模式；而时变噪声不同帧之间不同。

2.1 光到电过程 （from photo to charge）

2.1.1 光散粒噪声 （photo shot noise）

光电器件在吸收光子的过程中存在一定的不确定度，这种随机涨落是由于光子的离散本质决定。上述过程通常用泊松过程描述。当光照很强时（>1000 photons),泊松分布可近似为高斯分布。但是在弱光条件下如荧光成像时，上述近似不成立。

2.1.2 光响应非一致性（photo response non-uniformity）

光响应非一致性是指在均匀光照条件下由于光电探测器的子单位不完全不同而导致的，上述因素主要取决于光电器件的制造过程。

PRUN 依赖于信号大小（proportional to the input signal）,并且是固定模式噪声（time-invariant）

2.1.3 暗电流 （Dark current）

暗电流是指光子撞击到光电探测器上时由于热效应产生的电子

暗电流信号的取决于温度和积分时间 (Sdark=avarage dark current * integration time)

由于热效应导致电子生成过程是随机，也是泊松随机过程，因此这种噪声（或暗信号）也称为暗电流散粒噪声（dark current shot noise）

2.1.4 源跟踪噪声（source follower noise）

在高端CCD和CMOS中上述噪声不显著;但在工业级探测器中上述影响仍然较显著。其主要包括：白噪声（white noise）、飞行噪声（flicker noise）和 随机电报噪声（random telegraph noise RTN）

2.2 从电流到电压（from charge to Voltage）

从电流到电压的过程是非理想的，在这个过程中包括节点重置噪声（node reset noise ）、源跟踪噪（source follower noise）、偏置固定模式噪声 (offset Fixed Pattern Noise )等 

2.3 从电压到离散数值

在数模转换过程中存在由于数模转换器（ADC）引起的噪声、量化噪声、ADC偏置噪声等

如上图表示了相机成像过程中的噪声源，通常我们将这些噪声类型简化为：散粒噪声（泊松分布）、暗电流噪声（泊松分布）和读出噪声（高斯分布，其包括所有与信号无关的噪声，如2.2和2.3过程中的噪声）。此外在某些情况下需要考虑固定模式噪声。

参考文献：High-level numerical simulations of noise in CCD and CMOS photosensors: review and tutorial