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。