图像传感器光学黑电平 基本定义与存在位置 图像传感器的“光学黑电平”，是指 成像像素阵列外围、被永久性金属遮光层完全覆盖 的若干行和/或若干列专用像素所输出的信号电平。这些像素在物理结构上与感光像素完全相同，但 无法接收到任何外部入射光 ，其唯一功能是测量传感器在 无光照条件下的本底信号 。 产生原因与信号成分 这些遮光像素产生的信号并非为零，而是包含了一个稳定的基准偏移电压，主要由以下因素构成： 暗电流 ：即使没有光照，由于半导体的热激发，像素的光电二极管和读出电路仍会产生微小的电荷泄漏，形成暗电流信号。该信号值与温度和积分（曝光）时间成正比。 读出噪声 ：从像素电荷转换为电压，再经过模拟放大、传输和模数转换的过程中，电路本身会产生固有的电学噪声。 因此，“光学黑电平”数值是 暗电流信号与读出噪声在遮光条件下的综合体现 ，它是一个 与场景光照内容无关、但随传感器温度和曝光时间变化 的基准值。 核心功能：相关双采样与固定模式噪声校正 这是光学黑电平最关键的应用。在CMOS图像传感器的读出过程中，通常会采用“相关双采样”技术来消除像素内的复位噪声。其基本步骤为： a. 复位电平采样 ：读出像素复位后的电压（包含复位噪声和固定偏移）。 b. 信号电平采样 ：曝光后，读出包含光生电荷的电压。 c. 差值计算 ：两者相减，得到纯净的光信号。 然而，芯片上不同像素的放大器、传输晶体管等存在微小的制造差异，导致即使输入相同，各像素的输出偏移也存在差异，这种固定的像素间差异称为“固定模式噪声”。 光学黑电平校正在此介入 ：由于遮光像素与感光像素经历完全相同的制造工艺和读出路径，它们所测得的固定模式噪声分布，能够 精确代表感光像素阵列的固定模式噪声特性 。图像信号处理器（ISP）会首先 从每个感光像素的最终信号中，减去对应位置或区域的光学黑像素所测得的平均偏移值 ，从而在全局层面消除这种由制造工艺引入的固定图案噪声，使图像背景更加纯净均匀。 动态校准与环境适应性 光学黑电平并非一个固定的数字，而是一个 需要实时动态校准的参考基准 。其主要受两个因素影响： 温度 ：传感器芯片温度升高会导致暗电流指数级增长，从而使光学黑电平的数值显著上升。 曝光时间 ：曝光时间越长，暗电荷积累越多，黑电平值也越高。 因此，在每次拍摄或每一帧图像读出时，系统都会 实时读取和分析光学黑像素阵列的输出 ，计算出一个当前温度与曝光时间条件下的准确黑电平基准值，并用此值对所有感光像素进行校正。这确保了在不同拍摄环境下（如白天与夜晚、常温与高温），图像背景的“零电平”基准始终保持正确，避免出现因基准漂移导致的整体偏色或底噪增大问题。 高级应用与系统集成 在更复杂的成像系统中，光学黑电平的用途进一步扩展： 自动黑电平校准 ：ISP根据测得的黑电平值，动态调整模数转换器的输入参考电压范围，确保信号动态范围被充分利用，提升图像信噪比。 温度与健康监测 ：通过持续监测黑电平的平均值及其增长速率，可以间接推算出传感器芯片的实时工作温度，甚至用于评估传感器的老化状态。 与数字黑电平的协同 ：在完成光学黑电平校正后，图像数据进入ISP的数字处理管线。为了达到理想的视觉效果（如纯黑背景），通常还会在此基础上叠加一个用户可调或算法设定的“数字黑电平”偏移，这是纯粹的数字增益调整，与传感器的物理本底信号无关。 总结来说， 图像传感器光学黑电平 是通过 物理遮光像素 提供的、一个反映传感器 本底噪声与偏移的实时动态基准 。它是实现高质量图像、消除固定模式噪声、并适应不同工作环境的关键校正机制，是连接传感器物理输出与后端图像处理算法的精确“零位”标尺。