基于暗电流CMOS图像传感器固定模式噪声校正研究

李 强, 金龙旭, 李国宁

(中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033)

1 引 言

随着半导体技术的发展，在固体成像技术中，CMOS有源像素传感器具有功耗小、高分辨率、操作简单、片上系统集成方便等优点，使得CMOS应用越来越广泛，逐步替代CCD图像传感器[1-2]。然而在CMOS应用过程中，由于CMOS传感器自身固有的结构特点，形成CMOS传感器的固定模式噪声(Fixed Pattern Noise,FPN)，限制了CMOS图像传感器的应用。所以对CMOS图像传感器固定模式噪声的研究及相关校正技术的开发引起广泛关注。

CMOS传感器FPN主要是指不随积分时间变化、在均匀光照条件下像元与像元之间输出响应的相对不一致性所形成的噪声。FPN主要包括两种类型：(1)由输出放大电路偏置及像元暗电流所形成的偏置FPN(Offset FPN)，此类FPN通过帧间相减法可以有效抑制[3-4]；(2)由输出放大电路增益不一致性引入的增益FPN(Gain FPN)，此类FPN严重影响了图像质量。目前消除增益FPN噪声的方法有很多种：(1)基于神经网络非均匀性校正[5]；(2)基于估计的非线性校正[1]；(3)采用图像处理方法对CMOS图像数据进行低通滤波处理；(4)基于灰度补偿的非均匀性校正等[6]。除了第3种处理方法外，其余校正方法都需要一个复杂的校正系统，在均匀光照条件下，采集CMOS图像，并计算相应的校正系数。此类方法尽管校正效果显著，但是校正系统及算法均复杂，并且在实时性与自适应性方面有很大的限制。

随着CMOS半导体工艺的发展，像元间的FPN最大为1 LSB，1 s积分时间暗电流本底图像最大输出仅仅为0.5 LSB[7]。本文深入分析FPN的形成机制，提出了一种基于暗电流固定模式噪声校正方法：在无快门情况下，基于暗电流本底图像，完成对CMOS图像传感器固定模式噪声校正。……