Understanding CMOS Image Sensor(13) _像素密度

2.5 双相关采样（CDS）
双相关采样即，其基本思想是进行两次采样，先采样一个参考信号用于评估背景噪声，延迟很短时间后再采集目标信号，从第二次采样中减去参考信号即得到去除了大部分背景噪声的目标信号，其原理模型如下图所示。

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CDS成立的条件是在两次采样间背景噪声的幅度变化不大，因此它对去除固定噪声（FPN）和低频噪声效果比较理想，如1/f噪声， kTC噪声等。

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下图以伪彩色的形式显示了CDS技术对像素低频噪声的过滤效果

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pixel noise(a) 无CDS (b) 有CDS
3 CMOS 特性
CMOS 的本质是计量光电转换事件的线性传感器，在一定意义上可以说是光子计数器，上每个像素的读值都反映了指定时间内该像素捕获光子的数量。一个理想的应该具备以下一些特性
理想 CMOS的响应特性下图所示

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理想的响应特性
图中直线的斜率决定了单位输入能够激励的响应大小，这个斜率称为增益系数（gain）。会提供一组接口用于调节实际生效的增益值。

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而实际的只能是在一段有限的区间内保持线性响应，对于幅度过小或者过大的输入信号会不能如实地表示。

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实际的响应特性（简化模型）
下图是用示波器实测像素线性度的测试数据。

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下图是实验测量的输入输出曲线，横坐标是入射到的光子数，纵坐标是输出的数值（ , DN）。

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以上关系用公式描述就是
S(N, t) = q(λ)·N·t
其中， S(N, t)是的一个像素采集到的电子数， q(λ,)是在波长λ处的光电转换效率， N是单位时间内入射到表面的光子数（波长λ的单色光）， t是曝光时间。
最终输出的像素值是使用ADC对S(N,t)进行采样和AD转换得到的量化值，该值会有PV(Pixel Value) ， ADU(- Unit) ， DN( ) ， Code等多种表述方式，并且
DN=g*S(N, t)
其中符号g代表增益系数gain ，意义是多少个光子能够激励出1个比特的DN值。
下图描述了一个CMOS像素发生光电转换和收集光生电子的过程。

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以上过程会涉及几个关键性的参数，下面简要给出描述。
3.1 量子效率（）
量子效率是描述光电器件光电转换能力的一个重要参数，它是在某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比。
由于存在三种像素，所以量子效率一般针对三种像素分别给出。下图是一个实际的量子效率规格示例。

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3.2 势阱容量（）
势阱容量又称Full Well ，指一个像素的势阱最多能够容纳多少个光生电子，消费类的一般以2000~4000较为常见，此值越大则的动态性能越好。