图像传感器像素读出
Image Sensor Pixel Readout
以转移、采样和电荷电压转换把像素积分结果变成可量化的输出。
速览
约 1 分钟4T像素让储荷区和浮动扩散读出分工；相关双采样只抵消两次采样共有的部分误差。
系统理解
约 2 分钟光生电荷只是信号链的起点。转移栅决定电荷是否完整到达FD，FD电容决定转换增益，采样时序决定哪些偏差能够相关抵消。
最终读出还受满阱、摆幅、暗电流、随机噪声和固定非均匀性共同约束。应按同一输入参考量和明确工作条件比较信噪比及动态范围。
连接CMOS图像传感器结构与采样保持、噪声和模数转换。
常见误区
- 两次作差会消除全部噪声。
- FD转换增益可以脱离满阱和摆幅无限提高。
- 动态范围就是ADC位数。
工程深入
12 条结论 · 3 道例题读出链路
3T像素用三个基本晶体管完成复位与读出
典型3T有源像素具有复位晶体管、源跟随晶体管和行选晶体管，列电路提供相应负载与采样。感光节点电压在积分期间变化，再由行选连接到列读出。1
成立条件 仅指典型3T APS，不把共享晶体管等效计数强行归入同一单元。
转换与噪声
FD电容控制每个电子对应的电压变化
当FD等效电容在所用小信号范围内近似恒定，电荷读出电压变化的大小为Ne·q/CFD，每电子转换增益为q/CFD。减小CFD提高转换增益，但要同时检查可容纳电荷和输出摆幅。12
- FD电压变化单位 V
- 转移的电子个数无量纲
- 元电荷单位 C
- FD等效电容单位 F
- 每电子电压转换增益单位 V/电子
成立条件 这是FD节点电压，不包含源跟随和后级增益；q取正值，电子注入引起的实际电压方向另依节点约定。
例题：动手算一次教学假设，可复算
教学假设CFD=10.0 fF，完整转移1000个电子，求FD电压变化大小与转换增益。
已知
- q=1.602176634×10⁻¹⁹ C，电容和电子数是教学假设。
- 后级增益不计，FD未饱和。
步骤
- Gconv = 1.602176634×10⁻¹⁹/(10.0×10⁻¹⁵) ≈ 16.0 μV/电子把fF换成F后求每个电子的节点电压。
- |ΔV| = 1000×16.02176634 μV ≈ 16.0 mV乘以完整转移到FD的电子数。
数值是FD端，读出端还要考虑源跟随及后级增益。
适用边界 电容随电压变化、转移不全或摆幅饱和时不能使用此线性结果。
跨越下一次复位的作差不能消掉原来的复位噪声
典型3T的先读积分信号、再读下一次复位电平属于另一种采样安排。两次复位噪声若独立，差值中的方差相加，不会像共享同一复位状态的4T CDS那样抵消。1
成立条件 结论限于所述典型时序，不排除专门设计的额外存储或校准电路。
光子散粒限制下线性信噪比随电子数平方根增长
若收集电子数服从泊松统计，且忽略暗电流、读出和非均匀性噪声，均值Ne的标准差为√Ne，线性幅度信噪比为√Ne。以dB表示时应用20log₁₀于该幅度比。12
- 电子计数的散粒标准差单位 电子
- 收集电子数均值无量纲
- 线性幅度信噪比无量纲
成立条件 不存在增益涨落、额外噪声与饱和；电子数是无量纲计数，不把线性SNR与dB数值混写。
例题：动手算一次教学假设，可复算
教学假设每次曝光平均收集10000个电子且只有泊松散粒噪声，求线性幅度SNR及dB值。
已知
- 电子数10000是教学假设。
- 忽略暗电流、读噪声、非均匀性及饱和。
步骤
- σshot = √10000 = 100 个电子泊松方差等于均值。
- SNRlin = 10000/100 = 100；SNRdB = 20log₁₀100 = 40.0 dB先算幅度比，再转为dB。
增加光子数能改善散粒极限，但必须仍处于未饱和区。
适用边界 不能用于把其他噪声显著的实测器件直接判为此SNR。
容量与表征
简化动态范围比较使用满阱与暗态输入噪声
当暗电流很小且读出噪声主导暗态阈值时，可用20log₁₀(NFW/σread)估算动态范围。若曝光加长导致暗电流噪声或非均匀性显著，不能继续把σread当作全部暗态噪声。12
- 所述简化模型动态范围单位 dB
- 满阱电子数无量纲
- 暗态输入参考读噪声均方根单位 电子
成立条件 NFW和σread均以电子计数表示；该式是特定噪声模型下的比值，不是场景HDR合成或显示位深。
例题：动手算一次教学假设，可复算
教学假设有效满阱20000个电子、输入参考暗态读噪声5.00个电子rms，估算简化动态范围。
已知
- 假设暗电流等其他噪声可忽略，数值不是任何产品规格。
步骤
- NFW/σread = 20000/5.00 = 4000两项均按电子计数使用，先形成无量纲比值。
- DR ≈ 20log₁₀4000 = 72.0 dB按幅度比的dB定义计算。
动态范围不是ADC位数本身，也不是满阱时的光子散粒SNR。
适用边界 若暗电流、非均匀性或读出饱和先限制信号，需重新评估分子或分母。
偏置非均匀性与响应非均匀性需要不同标定
像素或列的零信号偏置变化形成一类固定图样，随光信号比例变化的响应差异形成另一类。CDS可减小部分共有偏置，却不能直接消除光响应非均匀性；标定需按信号电平区分误差。1
成立条件 固定图样的稳定性受温度、工作模式和时间影响；标定系数不能无条件跨设置使用。
出处
3 份资料 · 21 处引用- 1
CMOS Image Sensors
- CMOS Image Sensors，第 11 页 支持：3T像素用三个基本晶体管完成复位与读出；4T像素的转移栅把积分与FD采样分开
- CMOS Image Sensors，第 10–11 页 支持：FD电容控制每个电子对应的电压变化；有效满阱容量由储荷与读出链共同限制
- CMOS Image Sensors，第 13 页 支持：相关双采样要求两次样本共享同一次复位状态；跨越下一次复位的作差不能消掉原来的复位噪声；光子散粒限制下线性信噪比随电子数平方根增长
- CMOS Image Sensors，第 10、13 页 支持：扣除暗场平均值不能消除暗电流散粒噪声
- CMOS Image Sensors，第 13–14 页 支持：简化动态范围比较使用满阱与暗态输入噪声
- CMOS Image Sensors，第 9 页 支持：转移不完全会把上一帧的电荷带到下一帧
- CMOS Image Sensors，第 8、10–12 页 支持：列并行转换把阵列读出任务分给多条通道
- CMOS Image Sensors，第 12–13 页 支持：偏置非均匀性与响应非均匀性需要不同标定
- 2
A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors
- §III及相关图，第 35–37 页 支持：4T像素的转移栅把积分与FD采样分开
- §III及相关图，第 37–38 页 支持：FD电容控制每个电子对应的电压变化；有效满阱容量由储荷与读出链共同限制
- §I、§III.B–D，第 33、37–38 页 支持：相关双采样要求两次样本共享同一次复位状态
- §III及相关图，第 38 页 支持：光子散粒限制下线性信噪比随电子数平方根增长；简化动态范围比较使用满阱与暗态输入噪声
- §III及相关图，第 39 页 支持：扣除暗场平均值不能消除暗电流散粒噪声
- §III及相关图，第 38–39 页 支持：转移不完全会把上一帧的电荷带到下一帧
- 3
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