sensor binning信号及信噪比

Signal是简单的增加,Noise是以均方根形式增加

例如:
2*2的binning模式中,signal增加4倍,noise增加 4 \sqrt4 4 ​倍,so SNR增加2倍。

sony sensor 每个pixel是10bit的,4个10bit的 binning后输出一个12bit数据

signal data S S S is:
S = S 10 + S 10 + S 10 + S 10 = S 12 S = S_{10} + S_{10} + S_{10} + S_{10} = S_{12} S=S10​+S10​+S10​+S10​=S12​

其中, S 10 S_{10} S10​为10bit signal data

N = N 10 2 + N 10 2 + N 10 2 + N 10 2 N = \sqrt {N_{10}^2 + N_{10}^2 + N_{10}^2 + N_{10}^2} N=N102​+N102​+N102​+N102​
其中, N 10 N_{10} N10​为10bit noise data

Binning

Binning是将相邻pixel(相同颜色)感应的电荷加在一起,以一个pixel的模式读出。在环境光照低的情况下,提高摄像头表现力

处理位置:电荷域(charge)、模拟(电压)域(valtage)、数模转换后的数字域(digital)。

1、电荷域的N个pixel做binning,signal放大N倍,readout noise 减少,所以 S/N差不多增加N倍。

2、模拟(电压)域(valtage)和数字域环节在读出pixel值之后,会有readout noise,N个pixel做binning,signal放大N倍,因为readout noise 增加导致noise放大 N \sqrt N N ​,所以 S/N差不多是之前 N \sqrt N N ​倍。

sensor binning信号及信噪比
上图行列均做x2,相当分辨率下降为之前的1/4

方案1:sensor靶面大小不变,pixel数目不变,pixel合并降低分辨率

低照环境下,通过binning技术降低sensor输出分辨率提高亮度和信噪比

比如800w pixels 的sensor,良好光照环境下,输出800w 10bit数据,低照环境下做2x2的binning,输出200w 的12bit数据较之前会有信噪比的提升,若输出10bit数据,亮度也会有提升

方案2:扩大sensor靶面,pixel数目不变,pixel大小增大

目标输出400w pixels,靶面增加,pixel大小增加即感光面积增加

比如pixel大小 x x x 平方微米,增加为 2 x 2x 2x平方微米,即pixel感光面积为 4 x 2 4x^2 4x2,较之前的 x 2 x^2 x2提升4倍,SNR由 S S + D \frac {S}{\sqrt{S} + D} S ​+DS​提升为 S 4 S + D \frac {S}{\sqrt{4S} + D} 4S ​+DS​,整体SNR约提升2倍

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