詳解CCD與CMOS圖像傳感器快門

1. 一些基礎知識
在進行圖像傳感器原理介紹前，本文先介紹若干和圖像傳感器性能相關的關鍵詞，如下：


1.1 噪聲相關
圖像傳感器噪聲分為固定模式噪聲、暫態噪聲、拖尾和高光：
（1）固定模式噪聲： 英文縮寫為FPN（fixed-pattern noise），為出現在圖像中固定位置的噪聲，圖像傳感器中主要包括白點缺陷和陰影等；
（2）暫態噪聲： 為隨時間發生變化的噪聲，在電學和光學中三種基本的暫態噪聲為熱噪聲、散粒噪聲、1/f噪聲，在圖像傳感器中主要包括復位（kTC）噪聲、讀出噪聲（本底噪聲）、暗電流散粒噪聲、光子散粒噪聲、輸入參考噪聲和輸出參考噪聲等；
（3）拖尾和高光溢出： 拖尾表現為白色豎條紋，通常發生在漫射光進入 V-CDD 寄存器時或者體硅深處產生的電荷擴散進 V-CCD 時。高光溢出在光生電荷超出像素的滿阱容量時發生 ，溢出電荷會進入相鄰的像素或 V-CCD 中 。


暗電流指目標物體在無光照條件下觀察到的電流，暗電流會積分成為暗電荷并存儲在像素內的電荷存儲節點，上述的固定模式噪聲和暫態噪聲中都有暗電流造成的部分。

2. 介紹

在數字相機里，通過CCD或CMOS圖像傳感器里的光二極管將景物的光轉換為電信號形成圖像，傳感器感光元件產生的電信號大小取決于光強度和光照時間（積分時間），因此，數字相機要求快門來控制曝光時間，這通常可以使用外部機械快門和片上電子快門來實現。

對裝備有機械快門的數字相機來說，感光元件的積分時間取決于機械快門，某些圖像傳感器具有電子快門，這些傳感器允許省去機械快門，通常使用電子快門和機械快門的組合來控制曝光。

有三種電子快門機制：

(1) 帶電子快門的CCD圖像傳感器

(2) 卷簾快門的CMOS圖像傳感器

(3) 全局快門的CMOS圖像傳感器

3. 具有電子快門的CCD

CCD圖像傳感器有兩種掃描方式：逐行和隔行。這兩種掃描方式影響機械快門的使用。

(1) 對逐行掃描傳感器，在積分之前會復位整個傳感器以消除光二極管的殘留信號，在曝光期間光二極管進行充電，充電結束后，所有充電電荷被傳輸到傳感器的避光區域，然后電荷被從避光區域移出和讀出，這種模式，并不需要機械快門來控制曝光。

(2) 對隔行掃描傳感器，在曝光開始，電子快門電路同樣也會復位所有的光二極管，但是曝光結束時，并不是所有的充電電荷都被同事移出光二極管，奇數行和偶數行在不同的時間被移出，所以傳感器不能合適地結束曝光：奇數行和偶數行會有不同的積分時間，在這種情況下就要求有個機械快門來正確地終止曝光：一點機械快門關閉，奇偶場能在同一時刻被讀出，曝光時間相同，大部分消費類相機的操作都是這種方式。

4. 卷簾快門CMOS圖像傳感器

卷簾快門一般是圖像傳感器中的像素行的復位是順序依次進行的，從頂行開始，一行一行處理直到底行。當復位過程進行了一些行時，讀出處理開始，以與復位一樣的速度順序讀出像素行直到底行。

在行復位和行讀出之間的延遲就是積分時間。通過改變這個延遲時間就能控制積分時間（曝光時間）。對于卷簾快門，積分時間可以從一行時間到整幀時間。

因為每行積分的開始時間不一樣，或者說是一行一行依次曝光的，所以，卷簾快門對運動圖像會有瑕疵。我們稱這個為卷簾效應。

5. 全局快門的CMOS傳感器

全局曝光就是整個傳感器在積分之前同時復位然后同時開始積分，在積分時間到達后同時停止積分并將累積的電荷傳輸到避光存儲區，然后從避光存儲區讀出，所以沒有卷簾快門的運動場景的瑕疵

6. 閃光燈在CMOS相機中的使用

閃光燈通常是在低照度下使得圖像能夠合適曝光，閃光燈的閃光時間是非常短暫的，通常只有數百微妙到毫秒，而CMOS圖像傳感器的讀出時間要長得多，因此CMOS圖像傳感器使用閃光燈要做特別考慮，下面分三種情況加以討論

(1) 帶有機械快門的CMOS圖像傳感器（卷簾或全局）

(2) 全局快門CMOS相機

(3) 卷簾快門CMOS相機

7. 同時具有卷簾快門和機械快門CMOS相機如何使用閃光燈

如果機械快門與CMOS傳感器一起用，閃光燈操作如下：

(1) CMOS的電子快門積分時間調整到讓所有的像素都能夠在閃光時積分，這樣做會要求非常長的積分時間。因為一般都是在光照很低的時候才使用閃光燈的，所以，一定讓所有像素都能夠在閃光燈閃光時積分。

(2) 機械快門打開

(3) 閃光燈點亮

(4) 機械快門關閉

(5) 數據讀出

因為閃光燈點亮時間相對于整幀讀出的時間來說是非常短暫的，所以，閃光燈僅能用于所有像素在同一時間積分的情形。考慮這種情況：復位和讀出的延遲（積分時間）小于整幀時間，比如1/4整幀行數，顯然，只能部分行的曝光能借助到閃光燈。

8. 卷簾快門但沒有機械快門的CMOS相機如何使用閃光燈

這種情況，要按如下方式使用閃光燈：

(1) 積分時間調整到所有像素在閃光期間能同時積分（這會要求非常長的積分時間）

(2) 復位處理過程一行行依次進行直到整個傳感器被復位。

(3) 閃光燈點亮。

(4) 圖像一行行依次讀出

因為傳感器的所有像素必須同時積分，為了使用閃光燈，要將最小曝光時間設置為復位整個傳感器的總時間再加上閃光燈點亮時間。

這種模式的凈曝光是由環境光和閃光燈光共同的積分，為了獲得最佳圖像質量，環境光應當顯著低于使用閃光燈的最小光照亮度，以便使閃光燈的光照對曝光的貢獻占絕對多的成分，由于復位和讀出處理的速度慢，最小曝光時間足以導致由于攝像機或目標的運動而產生的模糊，為了使這種模糊最小化，應該增加閃光燈的光亮。

9. 全局快門的CMOS相機如何使用閃光燈

這種情況要按如下方式使用閃光燈：

（1) 機械快門打開（如果有的話）

 (2) 所有像素同時復位

 (3)  閃光燈點亮

 (4) 每個像素的充電電荷同時傳輸到避光存儲區

 (5) 機械快門關閉（如果有的話）

 (6) 讀出數據。

第（2）到（4）步所需時間只需閃光燈的點亮時間，我們知道的點亮時間非常短，結果，曝光的貢獻主要來自于閃光燈，環境光的影響很小。

更多本公司產品情況,請訪問本公司產品網址：http://m.ruyi-bj.com