CMOS 图像传感器简介（3）：黑电平与暗电流

1. 黑电平简介  

黑电平（Black Level）是图像传感器输出信号中对应零光照条件下的基准电压或数字值，通常由暗电流（Dark Current）及读出电路的本底噪声共同贡献。在数字图像中，黑电平的标定是图像信号处理（ISP, Image Signal Processing）的关键步骤，直接影响图像的对比度、动态范围和噪声特性。若黑电平未正确校准，图像中将出现色偏、暗场噪声或细节丢失等问题。  

2. 黑电平形成原因 

黑电平的主要成因是暗电流，即传感器在无光照条件下因热激发产生的非理想电流。其物理机制可归因于以下因素：  
1. 热激发载流子：根据肖克利-里德-霍尔（SRH）理论，半导体材料中的缺陷态会通过热激发产生电子-空穴对，形成暗电流。暗电流密度（\(J_{dark}\)）与温度（\(T\)）呈指数关系：  
   \[
   J_{dark} \propto T^{3/2} \exp\left(-\frac{E_g}{2kT}\right)
   \]  
   其中\(E_g\)为半导体禁带宽度，\(k\)为玻尔兹曼常数。  
2. 工艺缺陷：制造过程中引入的晶格缺陷、杂质能级（如金属污染）或界面态（如SiO₂/Si界面）会增强载流子复合率，加剧暗电流。  
3. 积分时间与偏置电压：长曝光时间或高偏置电压会积累更多暗电流，导致黑电平抬升。  

3. 黑电平矫正  

3.1 Sensor端矫正  

传感器（Sensor）端的黑电平矫正通过硬件设计与标定算法实现：  
1. 光学黑区（Optical Black Region, OB）：在传感器边缘设置遮蔽光线的像素区域（OB像素），用于实时监测暗电流。OB像素与有效像素经历相同的制造工艺和电路环境，其输出值可近似为全局黑电平。如图1，OB区通常位于dummy区外围，dummy区位于有效像素外围，通常是给demosaic或者滤波算法使用。

图 1 CMOS Sensor OB区和Dummy区

2. 温度补偿电路：集成温度传感器与反馈电路，动态调整模拟增益以抵消暗电流的温度漂移。例如，通过查表法（LUT）存储不同温度下的黑电平偏移量。  
3. 多帧降噪：在低照度场景下，采用多帧平均（如CDS, Correlated Double Sampling）抑制随机噪声，同时通过数字模拟混合电路（Dual Gain Conversion）分离信号与暗电流分量。  

3.2 ISP端矫正  

ISP端矫正通过数字信号处理实现黑电平的动态补偿：  
1. OB区域统计：提取OB像素的均值与方差，构建黑电平校正曲线。对于Bayer阵列传感器，需分别计算R、Gr、Gb、B通道的偏移量以避免色彩失衡。  
2. 非线性映射：采用分段线性校正或多项式拟合算法，消除暗电流的非均匀性（如边缘像素与中心像素的暗电流差异）。  
3. 动态黑电平调整：结合温度传感器数据与曝光参数，实时更新黑电平值。例如，在高温或长曝光条件下增加补偿量。  

局限性：ISP矫正无法完全消除固定模式噪声（FPN），且可能因过度补偿导致动态范围压缩或噪声放大。  当然，通过标定ISP端也能消除FPN，但会付出更多计算资源和标定资源。当年笔者就用标定的方式，在商用机器上消除过sensor温度过高和长曝带来的FPN。

4. 总结  

黑电平矫正需结合Sensor端硬件优化与ISP端算法处理：  
- Sensor端优势在于从源头抑制暗电流，但受限于工艺成本与电路复杂度；  
- ISP端灵活性高，但依赖精确的噪声模型与计算资源。  
未来发展趋势包括：低暗电流材料（如背照式BSI-CMOS）、深耗尽层工艺（减少热载流子扩散），以及基于深度学习的自适应黑电平预测算法。  

5. 参考文献  

1. Janesick, J. R. (2001). *Scientific Charge-Coupled Devices*. SPIE Press.  
2. Nakamura, J. (2005). *Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras*. CRC Press.  
3. Fossum, E. R. (1997). "CMOS Image Sensors: Electronic Camera-on-a-Chip." *IEEE Transactions on Electron Devices*, 44(10), 1689-1698.  
4. Sony Semiconductor Solutions. (2021). *Technical White Paper: Dark Current Reduction in CMOS Image Sensors*.  
5. ISO 15739:2017. *Photography — Electronic still-picture imaging — Noise measurements*.