互补金属氧化物半导体图像传感器固定模式噪声 互补金属氧化物半导体图像传感器固定模式噪声，是CMOS图像传感器特有的一种空间非均匀性噪声。与随机出现的时域噪声不同，它表现为在相同光照和曝光条件下，每个像素输出的固定偏差图案，这些图案在图像中静止不动，因此得名。 第一步：理解其本质与成因 固定模式噪声的根本来源，是CMOS图像传感器每个像素内部有源电路（主要是放大晶体管）的制造工艺微小差异。由于半导体制造过程中掺杂浓度、氧化层厚度、晶体管尺寸的微观不一致，导致不同像素单元中晶体管的阈值电压、跨导等电学参数存在固有偏差。这种偏差使得即使在完全相同的信号输入下，每个像素的增益（放大倍数）和偏移（暗电平）也不完全相同，从而在最终图像上形成固定的明暗斑点或网格状图案。 第二步：主要组成部分 FPN通常可分解为两个核心部分： 偏移固定模式噪声 ：也称为暗信号不均匀性。在无光照条件下，由于每个像素的复位电平和暗电流存在差异，导致输出的“暗电平”不统一，形成固定的背景噪声图案。 增益固定模式噪声 ：也称为光响应不均匀性。在光照条件下，每个像素对光信号转换成电信号并进行放大的效率（增益）不一致。这导致图像中亮度均匀的区域出现固定的明暗纹理。 第三步：FPN的特性与影响 空间固定性 ：其噪声图案是固定的，不随时间随机变化，但会随温度、工作电压等缓慢漂移。 与光强的关系 ：偏移FPN与光强无关，增益FPN则与信号光强成正比。 影响 ：FPN会降低图像的均匀性和对比度，在低照度或需要高精度定量测量的应用（如科学成像、天文摄影、医疗影像）中尤为有害，因为它会掩盖微弱的真实信号。 第四步：降低与校正技术 由于其固定性和可预测性，FPN可以通过电路设计和后续图像处理进行有效抑制： 相关双采样技术 ：这是CMOS图像传感器读出电路中最关键的技术之一。它在每个像素内部，在信号读取阶段先后对复位电平和信号电平进行两次采样并求差。这可以完美抵消由像素内放大器阈值电压不一致引起的偏移FPN，因为两次采样经过的是同一个放大器。 像素设计优化 ：采用更精密的制造工艺、增大晶体管尺寸以减小工艺波动影响，或使用特殊的像素电路结构（如共享放大器结构）来减少有源器件数量。 数字校正 ： 两点校正法 ：这是最常用的出厂校正方法。传感器先在完全黑暗环境下拍摄一幅图像，得到每个像素的偏移量并存储为“暗场校正图”；然后在均匀光照下拍摄，结合暗场数据计算出每个像素的相对增益系数并存储为“增益校正图”。在实际成像时，对每个像素的原始输出值应用公式： 校正后信号 = (原始信号 - 偏移量) × 增益系数 。 实时背景扣除 ：在某些监控应用中，可以定期拍摄无目标的背景帧，将其从后续图像中减去，以消除缓慢变化的FPN。 第五步：与CCD及其他噪声的区别 与CCD的对比 ：CCD图像传感器通过电荷的模拟移位进行统一读出，所有像素共享输出放大器，因此其像素间非均匀性主要来源于后级放大电路，而非像素本身，FPN水平通常远低于CMOS传感器。这是早期CMOS图像传感器的一个主要劣势。 与随机噪声的区别 ：FPN是空间固定、时间固定的，而像热噪声、散粒噪声是随机变化的时域噪声，二者性质不同，处理方法也不同。 与串扰、渐晕的区别 ：FPN源于像素电路的电气特性差异，是离散的点状或小区域不均匀；光学串晕或镜头渐晕则是由于光路造成的大面积、连续的亮度梯度。 通过以上从本质、构成到影响和校正的逐步分析，可以看出，固定模式噪声是CMOS图像传感器因制造工艺决定的一种固有特性，但通过精心的芯片电路设计和系统的数字校正，其影响可以被显著降低，达到满足绝大多数应用需求的水平。现代高性能CMOS图像传感器的FPN已经可以控制得非常低。