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跟着卷卷龙一起学 Camera--CMS

作者:卷卷龙
  • 2022 年 10 月 07 日
    广东
  • 本文字数:766 字

    阅读完需:约 3 分钟

跟着卷卷龙一起学Camera--CMS

手机拍照对于暗光下画质要求越来越高。暗光下,进光量少,read noise 变为主导噪声。所以 read noise 减小,对于暗光画质提升有很重要意义。随着技术发展、工艺提升,主流 cmos 图像传感器的 read noise 已经减小到了 1·2 e-。但是如何进一步减小图像传感器的 read noise 仍然是一个热门话题。这篇文章就简单介绍如何利用 CMS (Correlated multi-sampling)技术来减小 Pixel 的 read noise。

CMS 介绍

CMS 技术是指在信号提取时,对信号值和 reset 值多次抽样,通过多次抽样平均之后来减小噪声。

研究图像传感器各种噪声的来源与性质非常重要,根据噪声性质的不同才可以相应地采取适当的去噪方法。本文只介绍 CMS 的基本原理。噪声来源、各种噪声的性质,以及优化 CMS 的方法这些方方面面的知识点以后慢慢填。

以手机 sensor 最常用的 4Tpixel 为例,一个 pixel 内有 4 个 Transistors。Transfer Gate、Reset、Source follower 和 Select。一般 4T Pixel 电路的工作原理是,先进行 Reset,光电二极管开始曝光。曝光结束以后,TransferGate 打开,信号通过 Source follower 读出之后进入 ADC,变为数字信号。先进行 Reset,光电二极管开始累计信号,TransferGate 处于关闭状态。在这段时间对对 reset 信号多次读出,抽样 M 次,得到平均的 reset 信号 Vreset。

然后曝光结束,Transfer Gate 打开,信号从光电二极管到 FD,经过 source follower 放大后读出。再对积分后的信号值再读出多次,抽样 M 次,得到平均的 reset 信号 Vsignal。

抽样结束后,再将这两个信号相减,就得到真正的信号值。

结论

1.经过 M 次抽样,理想情况下 read noise 可以减小到 1/M0.5;

2.抽样次数越多,read noise 越小。但是由于 correlated 噪声部分,最终 read noise 会趋于定值;

3.多次抽样,需要 ADC 多次读出,如果 ADC 读出速率不变,多次抽样会导致输出图像帧率下降。为了保持图像的高帧率,就需要设计高速读出电路,设计复杂度和成本也就相应提高了。


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