イメージセンサのノイズは固定パターン (Fixed pattern noise)とランダムノイズ (Random noise)である光ショットノイズ、暗電流ショットノイズ、読出しノイズに大別できます。S/N比は本来求める信号と必要のないノイズの比を表し、センサを評価する指標の一つです。
ノイズの種類
イメージセンサのノイズは同じ箇所で生じる固定パターンノイズ (FPN：Fixed pattern noise)とランダムに生じるランダムノイズ (Random noise)があります。またFPNと混同されがちなPRNUノイズ(Photo Response Non-Uniformity)もあります．ランダムノイズはさらに光ショットノイズ、暗電流ショットノイズ、読出しノイズがあります。
固定パターンノイズ
固定パターンノイズ (FPN：Fixed pattern noise)は各画素のばらつきによって発生します。空間的に同じ位置で発生し、各画素の感度や飽和のばらつきなどが原因になります。また画素の欠陥や暗電流のむらにもよって発生するため、画素のばらつきや暗電流を抑えることで固定パターンノイズを減らすことができます。
PRNUノイズ
PRNU(Photo Response Non-Uniformity)は画素毎の感度のバラつきのことです．例えすべての画素に全く同じ数の光子が入射されても画素毎に感度が違うためすべての画素で一様の明るさにはならないため画像で見るとノイズになります．PRNUはFPNと混同されることがありますが，FPNは暗い状態で撮影しても固定パターンのノイズが発生するのに対して，PRNUは入射された光が感度の違いによってノイズとして現れるためFPNとPRNUは別ものになります．PRNUを補正するためにFFC (フラットフィールド補正)などが行われます．
光ショットノイズ
光ショットノイズ (フォトンショットノイズ、又は単にショットノイズ)はセンサが捉える単位時間あたりの光子数がポアソン分布に従い不均一であることで生じます。例えば全く同じ条件で撮影したとしても、ある画素が捉える光子数は１回目では1001個、2回目は998個といったことが起きます。光ショットノイズは自然の現象であるためセンサでなくすことはできません。
暗電流ショットノイズ
暗電流ショットノイズ (暗電流ノイズ)は暗電流によって生じるノイズで、素子の温度が高くなると暗電流ショットノイズも大きくなります。また光ショットノイズと同様にポアソン分布に従います。暗電流を抑えることで暗電流ショットノイズを抑えることができます。
読出しノイズ
読出しノイズは信号を読み出すときにトランジスタなどで発生するノイズで、熱雑音、1/fノイズ(フリッカノイズ)、リセットノイズ (kTCノイズ)に分けられます。
熱雑音
熱雑音はトランジスタなどの抵抗体で自由電子が不規則な熱振動によって生じます。
1/fノイズ
1/fノイズ(フリッカノイズ)は周波数特性が周波数に反比例し、素子内での電子のゆらぎによって発生します。
リセットノイズ
リセットノイズ (kTCノイズ)はPD (フォトダイオード)をリセットする際にリセットしきれないために発生するノイズです。
その他の特殊なノイズ
以上で上げたノイズとは他に表立って比較されないノイズもあります。以下にその他ノイズを示します。これらのノイズは被写体が強い光や高速で動く場合などの特殊な条件で発生します。詳しくはこちらを参照してください。
S/N比
S/N比 (信号対雑音比)は信号(Signal)とノイズ(Noise)の比です。単位は通常はデシベル (dB)で、値が大きいほど良くなります。しかし測定方法や条件にもよって変わるので一概にすべての値を比べられるわけではありませんが、S/N比がよくなることで画質も上がります。
まとめ
- 固定パターンノイズ：空間的に同じ位置で発生するノイズ
- ランダムノイズ：ランダムに発生するノイズ
- 光ショットノイズ：光のゆらぎで生じるノイズ
- 暗電流ノイズ：暗電流によるノイズ
- 読出しノイズ：信号を読みだすタイミングで発生するノイズ
- S/N比：信号(Signal)とノイズ(Noise)の比
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