詳解CCD與CMOS圖像傳感器快門

1. 一些基礎(chǔ)知識
在進(jìn)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(guān)的關(guān)鍵詞，如下：


1.1 噪聲相關(guān)
圖像傳感器噪聲分為固定模式噪聲、暫態(tài)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(xiàn)在圖像中固定位置的噪聲，圖像傳感器中主要包括白點(diǎn)缺陷和陰影等；
（2）暫態(tài)噪聲： 為隨時間發(fā)生變化的噪聲，在電學(xué)和光學(xué)中三種基本的暫態(tài)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(fù)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?yún)⒖荚肼暫洼敵鰠⒖荚肼暤龋?br /> （3）拖尾和高光溢出： 拖尾表現(xiàn)為白色豎條紋，通常發(fā)生在漫射光進(jìn)入 V-CDD 寄存器時或者體硅深處產(chǎn)生的電荷擴(kuò)散進(jìn) V-CCD 時。高光溢出在光生電荷超出像素的滿阱容量時發(fā)生 ，溢出電荷會進(jìn)入相鄰的像素或 V-CCD 中 。


暗電流指目標(biāo)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(nèi)的電荷存儲節(jié)點(diǎn)，上述的固定模式噪聲和暫態(tài)噪聲中都有暗電流造成的部分。

2. 介紹

在數(shù)字相機(jī)里，通過CCD或CMOS圖像傳感器里的光二極管將景物的光轉(zhuǎn)換為電信號形成圖像，傳感器感光元件產(chǎn)生的電信號大小取決于光強(qiáng)度和光照時間（積分時間），因此，數(shù)字相機(jī)要求快門來控制曝光時間，這通?？梢允褂猛獠繖C(jī)械快門和片上電子快門來實(shí)現(xiàn)。

對裝備有機(jī)械快門的數(shù)字相機(jī)來說，感光元件的積分時間取決于機(jī)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(jī)械快門，通常使用電子快門和機(jī)械快門的組合來控制曝光。

有三種電子快門機(jī)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(jī)械快門的使用。

(1) 對逐行掃描傳感器，在積分之前會復(fù)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(jìn)行充電，充電結(jié)束后，所有充電電荷被傳輸?shù)絺鞲衅鞯谋芄鈪^(qū)域，然后電荷被從避光區(qū)域移出和讀出，這種模式，并不需要機(jī)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(fù)位所有的光二極管，但是曝光結(jié)束時，并不是所有的充電電荷都被同事移出光二極管，奇數(shù)行和偶數(shù)行在不同的時間被移出，所以傳感器不能合適地結(jié)束曝光：奇數(shù)行和偶數(shù)行會有不同的積分時間，在這種情況下就要求有個機(jī)械快門來正確地終止曝光：一點(diǎn)機(jī)械快門關(guān)閉，奇偶場能在同一時刻被讀出，曝光時間相同，大部分消費(fèi)類相機(jī)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(fù)位是順序依次進(jìn)行的，從頂行開始，一行一行處理直到底行。當(dāng)復(fù)位過程進(jìn)行了一些行時，讀出處理開始，以與復(fù)位一樣的速度順序讀出像素行直到底行。

在行復(fù)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?yàn)槊啃蟹e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(yùn)動圖像會有瑕疵。我們稱這個為卷簾效應(yīng)。

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(fù)位然后同時開始積分，在積分時間到達(dá)后同時停止積分并將累積的電荷傳輸?shù)奖芄獯鎯^(qū)，然后從避光存儲區(qū)讀出，所以沒有卷簾快門的運(yùn)動場景的瑕疵

6. 閃光燈在CMOS相機(jī)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(shù)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(jī)械快門的CMOS圖像傳感器（卷簾或全局）

(2) 全局快門CMOS相機(jī)

(3) 卷簾快門CMOS相機(jī)

7. 同時具有卷簾快門和機(jī)械快門CMOS相機(jī)如何使用閃光燈

如果機(jī)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(diào)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?yàn)橐话愣际窃诠庹蘸艿偷臅r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(jī)械快門打開

(3) 閃光燈點(diǎn)亮

(4) 機(jī)械快門關(guān)閉

(5) 數(shù)據(jù)讀出

因?yàn)殚W光燈點(diǎn)亮?xí)r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?？紤]這種情況：復(fù)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(shù)，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(jī)械快門的CMOS相機(jī)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(diào)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(fù)位處理過程一行行依次進(jìn)行直到整個傳感器被復(fù)位。

(3) 閃光燈點(diǎn)亮。

(4) 圖像一行行依次讀出

因?yàn)閭鞲衅鞯乃邢袼乇仨毻瑫r積分，為了使用閃光燈，要將最小曝光時間設(shè)置為復(fù)位整個傳感器的總時間再加上閃光燈點(diǎn)亮?xí)r間。

這種模式的凈曝光是由環(huán)境光和閃光燈光共同的積分，為了獲得最佳圖像質(zhì)量，環(huán)境光應(yīng)當(dāng)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(xiàn)占絕對多的成分，由于復(fù)位和讀出處理的速度慢，最小曝光時間足以導(dǎo)致由于攝像機(jī)或目標(biāo)的運(yùn)動而產(chǎn)生的模糊，為了使這種模糊最小化，應(yīng)該增加閃光燈的光亮。

9. 全局快門的CMOS相機(jī)如何使用閃光燈

這種情況要按如下方式使用閃光燈：

（1) 機(jī)械快門打開（如果有的話）

 (2) 所有像素同時復(fù)位

 (3)  閃光燈點(diǎn)亮

 (4) 每個像素的充電電荷同時傳輸?shù)奖芄獯鎯^(qū)

 (5) 機(jī)械快門關(guān)閉（如果有的話）

 (6) 讀出數(shù)據(jù)。

第（2）到（4）步所需時間只需閃光燈的點(diǎn)亮?xí)r間，我們知道的點(diǎn)亮?xí)r間非常短，結(jié)果，曝光的貢獻(xiàn)主要來自于閃光燈，環(huán)境光的影響很小。

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