图像传感器小科普5——黑电平和图像传感器的常见缺陷

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今天首先给大家简单介绍一下黑电平，首先大家都知道，对于一张照片来说，照片亮度越高，从照片上看，就是照片越白，亮度越低，就是照片越暗。那么所谓的黑电平，就是代表着亮度最低的水平，也就是最黑的水平。表现的也就是在没有光照的条件下，拍出来的照片。之前在图像传感器参数中，我们提到过图片像素的数字表现形式，就是LSB有效数字位，假设有效数字位区间为0~1023，就代表从黑到白可以区分出1024个档位，区间越大，代表区分度越高，图片的明暗分辨率越高。这里0就代表最黑，1023就代表最白。那么黑电平是什么呢？是否就是代表LSB=0的状态呢？其实不是的，黑电平代表一个有效数字位，但是并不是LSB=0，为什么呢？我们知道图像传感器是有暗电流的，也就是说在黑暗的条件下，图像传感器因为暗电流的存在，依然会在图片上有所显示。这时候就用到黑电平了，直接定义，某一有效数字位以下，都代表黑色。举个例子，像下面这张图片，定义LSB=64为黑电平，那就代表着LSB≤64的像素点都是黑色。黑电平的作用大家应该到这里就理解了，黑电平其实是对图像传感器无光条件下照片的修正，目的就是屏蔽掉黑电平在图片上的体现。

到这里可能有些细心的小伙伴就发现了，黑电平定在LSB=64，之前讲到0~1023是从黑到白，这下≤64都代表一个黑色，那么从黑到白不就是64~1023了吗？分辨区间变小了呀。确实如此，所以黑电平的位置也代表了图像传感器厂商的制造水平，暗电流越小，就可以把黑电平的有效数字位定义的更低，亮度识别区间在同样的数字位下就越大。例子中黑电平LSB=64，如果黑电平变成LSB=32，或者LSB=16，那么亮度识别区间的数字位就会有效的拉大。

黑电平代表着没有光照的条件下，图像体现的最黑的水平，所以在测试的时候，都是在没有光照的条件下进行的，但是我们看到上面的图片中还有很多LSB>100的存在，这些又是什么呢？这就是我们今天的第一个图像传感器缺陷——白像素。

所谓的白相素就是在暗光条件下依然显示白色的像素点，这些白色并不是光电子产生的信号，而是像素本身有问题，与暗电流不同，暗电流是整个图像的漏电，所以黑电平是针对整个图像传感器的校正。而白像素是单个或几个的像素坏点，而且白像素的亮度较高，不是黑电平校正的范围。一般只有LSB达到一定的值才被定义为白相素。

下面一张图展示的是暗光条件下，像素的有效数字位的统计分布，假设整体图像传感器

是1300万像素，那么所有有效数字位的累积数量就是130万。因为是暗光条件下，所以大部分像素的有效数字位都集中在黑电平附近， 假设我们定义LSB=264为白像素的临界值，那么LSB≥264的像素都被定义为白相素，会通过其他的外围电路进行校正。定义白像素的有效数字位并不是看小峰的位置，而是LSB大于一定数值就会定义成白像素，白像素数量是一个累积量，小峰只能代表这个LSB位数下的白像素数量较多。

实际照片中的白像素就如下图这样了，有的是单个的点分布，有的是相邻几个分布的，这些都需要通过外围电路的算法进行修正，通常的算法是通过白像素周围的像素点进行补偿，就是参照周围像素点，把白像素的有效数字位通过算法，用周围像素点的有效数字位进行替代，这种方法针对单个像素点很容易修复，但是对于那些多个白相素点相邻的状况就很难修复了，如果一个白像素周围都是白像素，那么这个像素点就没有可以参照的正常像素，就无法进行校正。

下面给大家介绍第二个图像传感器的常见问题——开花(blooming), 他在照片上的表现就是照片上出现白色的光斑，但是与白像素不同，白像素是像素在没有光照的条件下，有漏电造成像素呈现白色。而开花的原因是在光照下，接收光照的某个或某些像素产生的光生载流子溢出到隔壁像素，导致周围像素都呈现白色或亮度较高，与真实情况失真的情况，造成这种现象的原因一般是像素之间的隔离结构电势不足。

第三个要给大家介绍的是拖尾(image lag)，是指在一帧信号输出后，有部分电荷并未完全实现转移而残留至光电二极管内，造成的下一帧输出图像中存在前一帧图像残影的现象。造成这种现象的原因一般是光电二极管中的离子注入造成电势较低，或者传输晶体管开启不足，也可能是光电二极管中电势线梯度不够平顺，造成电子传输困难。

最后一个要给大家介绍的是满阱容量不足，像素的满阱容量是指通过光电二极管可以收集并顺利转移至浮空节点FD的最大可用光生电荷数，满阱容量影响图像传感器的动态范围和信噪比。满阱容量越大，代表图像传感器能接受的亮度从低到高的接受范围越大，光照就像水龙头，产生光生载流子的水流，满阱容量就像是杯子，杯子容量越大，能接的水就越多，动态范围就是能接水的下限和接水的上限之间的范围。信噪比就是信号和噪音的比例，在图像传感器中就体现为暗电流等噪声对图片质量的影响。同样，假设噪音是沙子，同样是十个沙砾，水杯里水越多，沙砾是不是就越不容易看出来呢。而影响满阱容量的因素一般就是离子注入浓度以及浮置扩散区的面积，因为存储光生载流子的浮置扩散区本质上是一个电容。

好了，关于黑电平和图像传感器的常见缺陷就给大家介绍到这里啦。