理解什么是CMOS感光元件(Understanding CMOS Image Sensor)-第20页-宁波猫的窝

下图显示了串扰的原理，黄色像素周围的多个像素都有可能捕获一些本属于黄色的光子，这也是一种噪声来源。

从下图可以看出，波长越长，串扰越严重，某些像素位置串扰能量可以达到5%。

三星公司研发了ISOCELL技术用于抑制串扰，该技术使用metal grid制造电势屏障阻止电子进入相邻的像素，但是会引入一些新的问题，所以后来又发展出了ISOCELL Plus技术，该技术是在ISOCELL的基础上改进了材料，避免了metal grid 引起的不良反应。

索尼的HAD CCD技术给像素设计了一个特别的盖子,可以防止像素内的光电子逃逸，同时也防止像素外的自由电子进入像素内部。

噪声模型

下图测量了sensor中4种像素的光响应特性，从图种可以看出4种噪声的表现机理。PRNU体现的是红、绿、蓝三种像素的增益差异。对于任一种像素，光信号越强像素值抖动越大，这体现了光信号本身的散粒噪声。光信号为零时，输出幅度最小的像素体现了半导体的暗散粒噪声，而红、绿、蓝三种像素之间的差异体现了FPN噪声。

尽管像素噪声有多种来源，但每种噪声的贡献程度并不是同等重要的。为了简化计算，实际上经常采用简化的噪声模型，只考虑光散粒噪声、暗散粒噪声、读出噪声、以及ADC器件的量化噪声，如下图所示。

甚至可以进一步将量化噪声吸收到读出噪声中，于是每个像素的总有效噪声是下列所有噪声的总和：

由于暗散粒噪声和sensor工作温度有关，因此降低sensor温度有助于减少图像噪声。在科学、武器等应用中常会使用液氮给sensor制冷以提高图像信噪比。很多装备了CCD/CMOS camera 的导弹会带一个盛液氮的杜瓦瓶，导弹开机后杜瓦瓶向sensor 吹冷气使sensor 保持在零下几十度低温工作。

下图所示的是某科学级sCMOS sensor，通过气冷或者水冷的方式可以工作在-40~-30度低温下，像素的噪声得到极大的改善。