Ruido de fotones, ruido de lectura y ruido de reinicio en sensores de imagen CCD

En el artículo anterior, discutimos el ruido oscuro en los sensores CCD, que resulta de la variación en la corriente oscura generada por el material semiconductor del sensor. Esta es una fuente de ruido importante en las aplicaciones CCD, y tiene una influencia directa en el diseño del sistema, ya que puede controlarse eficazmente enfriando el sensor.

En este artículo, hablaremos sobre otros dos contribuyentes importantes a la calidad de imagen CCD (o falta de ella): ruido de fotones y ruido de lectura. También consideraremos brevemente el ruido de reinicio, que es no Es un factor importante en la calidad de la imagen porque se elimina virtualmente por una técnica especializada de procesamiento de señales.

Antes de continuar, es posible que desee ponerse al día con el resto de esta serie, que cubre la amplitud de los temas a continuación:

  • Los basicos
  • Lectura y señales de salida
  • Cuadros por segundo

Ruido de fotones

En nuestro examen del ruido oscuro, señalé que se rige por la naturaleza discreta de la carga eléctrica y sigue la relación de Poisson. Usamos la distribución de Poisson para modelar fenómenos que consisten en eventos separados e independientes que exhiben tiempos exactos impredecibles pero que ocurren a una tasa promedio constante. Si contamos un cierto número de eventos y aplicamos estadísticas de Poisson, el error estándar asociado con el fenómeno se calcula como la raíz cuadrada del conteo.

Los fotones son «partículas» discretas de luz, y cualquier conjunto de elementos fotosensibles está sujeto al ruido, es decir, la variación aleatoria, que caracteriza la llegada de los fotones.

La iluminación y la generación de carga eléctrica inducida por la iluminación son fenómenos cuánticos regidos por el comportamiento discreto de fotones y electrones.

Por lo tanto, incluso si un CCD está iluminado por una luz que parece ser perfectamente uniforme, se observarán variaciones de intensidad de píxel a píxel causadas por el ruido de los fotones. Cuando digo «píxel a píxel», eso puede referirse tanto a variaciones espaciales como temporales: los píxeles vecinos en un solo cuadro exhibirán diferencias tonales a pesar de la iluminación uniforme, o un solo píxel expuesto a una iluminación constante exhibirá diferencias tonales de un cuadro a la siguiente

Estas variaciones se cuantifican calculando el error estándar de Poisson, lo que significa que el ruido de fotones es la raíz cuadrada del número total de fotones incidentes. Por lo tanto, si la escena ilumina una parte de un sensor con luz que genera un promedio de 1000 electrones en cada píxel durante el período de integración, la naturaleza física de esta luz incidente produce un ruido de aproximadamente 32 electrones RMS. Esta variación aleatoria en la llegada de fotones es impuesta por la naturaleza y hace imposible que ningún sensor de imagen tenga ruido cero.

El ruido de los fotones me parece particularmente interesante, porque en teoría también afecta al ojo humano. ¿Por qué lo consideramos como «ruido» si es una característica inevitable y omnipresente de nuestra percepción visual? Probablemente haya una respuesta larga y complicada a esa pregunta, pero sospecho que la explicación deriva principalmente de dos diferencias importantes entre la visión humana y los sensores electrónicos: nuestros ojos tienen una «resolución» mucho mayor, especialmente en relación con el área sensible a la luz, y nuestro El sistema visual incluye mecanismos de filtrado complejos.

Leer ruido

El término «ruido de lectura» (o «ruido de lectura») es una forma conveniente de referirse a otros tipos de ruido, a saber, ruido térmico y ruido de parpadeo, que degradan la señal CCD a través de la señal en chip y fuera de chip. Circuitos de procesamiento. Reducimos el ruido de lectura fuera del chip incorporando prácticas y técnicas de diseño estándar de bajo ruido. El ruido de lectura en el chip es generado por el amplificador de salida del CCD.

Discutí el ruido de lectura en mi artículo sobre la agrupación de CCD, que es una técnica que nos permite cambiar la resolución por el rendimiento del ruido. Binning es el proceso de combinar la carga generada por la luz de los píxeles vecinos; esto reduce el efecto del ruido de lectura porque el nivel de señal de un píxel en bin aumenta mientras que la cantidad de ruido de lectura permanece igual.

Este diagrama transmite el proceso de combinar los paquetes de carga de cuatro píxeles separados en un píxel agrupado.

Al igual que con otros tipos de ruido CCD, podemos informar el ruido de lectura en electrones. Creo que los valores típicos para el ruido de lectura están en el rango de aproximadamente 2 a 20 electrones RMS por píxel, con sistemas CCD para aplicaciones no especializadas que están más cerca de 20 electrones RMS.

Restablecer ruido frente a ruido kTC

Tocamos este tema hace un tiempo en el artículo que cubre el muestreo doble correlacionado, pero lo llamé «ruido kTC» en lugar de «ruido de reinicio». El primer término se refiere al origen de este ruido: está influenciado por la temperatura y la capacitancia en los circuitos de salida del CCD. El último término se refiere al efecto, ya que el ruido kTC provoca variaciones de píxel a píxel en el nivel de restablecimiento de la señal CCD.

El nivel de datos depende del nivel de reinicio, por lo que las variaciones aleatorias en el nivel de reinicio se traducirían en variaciones aleatorias en la intensidad de la luz asociada con cada píxel.

Un valor típico para el ruido de reinicio es de 50 electrones RMS. Esto contribuiría significativamente al ruido total si no fuera por el muestreo doble correlacionado, lo que permite que el ADC del sistema mida el diferencia entre el voltaje de reinicio y el voltaje de datos de cada píxel. Esta técnica reduce el ruido de reinicio a niveles insignificantes.

Siguiente: Gestión del ruido en un sistema de imágenes CCD

Espero que estés disfrutando de nuestra discusión en curso sobre el ruido CCD. En el siguiente artículo, exploraremos cómo interactúan el ruido de fotones, el ruido de lectura y el ruido oscuro en la operación general de un sistema de imágenes CCD.

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