Двойная коррелированная выборка

Шум в ПЗС‑матрице имеет несколько источников. Самый значительный – это тепловой шум, в существенной степени он может быть вызван примесями в полупроводниках и недостатками процесса производства.

Высокий уровень шума снижает динамический диапазон фотоэлемента, что в свою очередь ухудшает качество изображения.

Тщательное проектирование ПЗС‑устройств и точное изготовление позволяют снизить шумы. Низкая рабочая температура может снизить тепловые шумы. К сожалению, пользователь редко способен управлять этими параметрами.

Однако, существует метод обработки сигнала, позволяющий существенно уменьшить шум, и этот метод может быть реализован в конструкции ПЗС‑камеры. Этот метод называется двойная коррелированная выборка (ДКВ). Термин выборка здесь относится к выборке выходного сигнала.

Концепция ДКВ основана на том факте, что в видеосигнале и опорном сигнале существует одна и та же шумовая компонента. А именно, когда выходной каскад ПЗС‑матрицы переносит зарядовый пакет, он преобразуется в выходное напряжение. Для этого используется плавающая считывающая диффузия, чтобы собирать зарядовые пакеты сигнала при их переносе с ПЗС‑матрицы. По мере переноса зарядовых пакетов напряжение на считывающей диффузии падает. Это напряжение представляет собой данные видеосигнала и усиливается на матрице усилителем с термокомпенсацией. Прежде чем следующий зарядовый пакет сможет быть перенесен в область диффузии, она должна быть полностью очищена от предыдущего пакета. Это выполняет опорный сигнал сброса, который содержит такую же компоненту теплового шума, что и видеосигнал матрицы. Если заранее сохранить эту компоненту шума, то потом ее легко вычесть из результирующего сигнала, который содержит шум и полезный сигнал.

ДКВ лучше всего работает при использовании двух быстродействующих цепей выборки и фиксации, подсоединенных к выходному сигналу фотоприемника через низкочастотный фильтр.

Мы не будем углубляться в архитектуру этих цепей, так как это выходит за рамки данной книги, но следует помнить, что схема ДКВ является частью электронной системы телекамеры, а не ПЗС‑матрицы.

Рис. 5.33. Двойная коррелированная выборка – один из способов уменьшения шума в ПЗС‑матрице