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=σread2+σshot_dark2+σquantization2\text{暗噪声} = \sqrt{\sigma_{\text{read}}^2 + \sigma_{\text{shot\_dark}}^2 + \sigma_{\text{quantization}}^2}暗噪声=σread2+σshot_dark2+σquantization2
- 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。
