在光学成像、图像传感器如 CMOS/CCD以及光电探测领域暗电流、暗信号和暗噪声是三个经常被提及且容易混淆的概念。它们密切相关但本质上处于不同的物理或数据层面。1. 暗电流 (Dark Current)物理本质在完全黑暗、没有光照的条件下像素光电二极管因热激发产生电子-空穴对或晶格缺陷而自发产生的微小电流。物理单位每个像素每秒产生的电子数e−/pixel/sece^- / \text{pixel} / \text{sec}e−/pixel/sec或微安、皮安。特性它是温度和曝光时间的函数。虽然它随着温度升高呈指数增长每升高6∼8∘C6\sim8^\circ\text{C}6∼8∘C翻倍但在常温且短曝光如1/30s1/30\text{s}1/30s下它累积出的电荷非常少通常只有几个电子在总暗信号中占比极低。2. 暗信号 (Dark Signal)物理本质在没有光照时传感器最终输出的总暗场灰度值Dark Frame DN/ADU。核心组成暗信号固定偏置 (Bias)暗电流累积信号固定图案噪声 (DSNU)\text{暗信号} \text{固定偏置 (Bias)} \text{暗电流累积信号} \text{固定图案噪声 (DSNU)}暗信号固定偏置(Bias)暗电流累积信号固定图案噪声(DSNU)固定偏置 (Bias/Offset)占绝对主导地位。为了防止相机后端的模拟数字转换器ADC在处理微弱信号或噪声波动时跌落到负值导致信号截断芯片在出厂时就会人为注入一个固定的电压偏置例如让全黑输出基准保持在646464或256 DN256 \text{ DN}256DN。暗电流信号占比极小。只有在极端高温或天文成像等超长曝光数秒到数分钟情况下暗电流累积的电荷才会显著增长并显现出来。特性无论构成比例如何暗信号整体上是一个确定性的均值可以通过拍摄暗场Dark Frame在算法中直接减去。3. 暗噪声 (Dark Noise)物理本质在没有光照时输出信号所伴随的、无法预测的随机统计波动用标准差σ\sigmaσ或RMS\text{RMS}RMS衡量。核心组成它并不是暗信号的简单波动而是由几个独立的物理噪声源均方根叠加而成暗噪声σread2σshot_dark2σquantization2\text{暗噪声} \sqrt{\sigma_{\text{read}}^2 \sigma_{\text{shot\_dark}}^2 \sigma_{\text{quantization}}^2}暗噪声σread2σshot_dark2σquantization2读出噪声 (σread\sigma_{\text{read}}σread)放大器、相关双采样CDS以及电路本身的噪声。这是暗噪声的绝对主力。暗电流散粒噪声 (σshot_dark\sigma_{\text{shot\_dark}}σshot_dark)由暗电流产生电子的随机性导致服从泊松分布大小为Ndark_electron\sqrt{N_{\text{dark\_electron}}}Ndark_electron。由于暗电流本身极小它的散粒噪声在常规下也几乎可以忽略。量化噪声 (σquantization\sigma_{\text{quantization}}σquantization)ADC 量化时引入的微小噪声。特性固定偏置Bias作为常量是没有噪声的。暗噪声主要由读出噪声和微弱的暗电流散粒噪声构成无法被相减算法消除它直接决定了相机的基底噪声Noise Floor和动态范围的上限。总结再次提炼三者的核心逻辑暗电流热激发导致的电流使暗信号在不同温度、曝光时间下有微弱变化。暗信号是“固定偏置”加上“暗电流导致的信号”后在图像上表现出来的总灰度表现。暗噪声则是由电路“读出噪声”和“暗电流导致信号的散粒噪声”带来的随机抖动。
