详解CCD与CMOS图像传感器快门

1. 一些基础知识
在进行图像传感器原理介绍前，本文先介绍若干和图像传感器性能相关的关键词，如下：


1.1 噪声相关
图像传感器噪声分为固定模式噪声、暂态噪声、拖尾和高光：
（1）固定模式噪声： 英文缩写为FPN（fixed-pattern noise），为出现在图像中固定位置的噪声，图像传感器中主要包括白点缺陷和阴影等；
（2）暂态噪声： 为随时间发生变化的噪声，在电学和光学中三种基本的暂态噪声为热噪声、散粒噪声、1/f噪声，在图像传感器中主要包括复位（kTC）噪声、读出噪声（本底噪声）、暗电流散粒噪声、光子散粒噪声、输入参考噪声和输出参考噪声等；
（3）拖尾和高光溢出： 拖尾表现为白色竖条纹，通常发生在漫射光进入 V-CDD 寄存器时或者体硅深处产生的电荷扩散进 V-CCD 时。高光溢出在光生电荷超出像素的满阱容量时发生 ，溢出电荷会进入相邻的像素或 V-CCD 中 。


暗电流指目标物体在无光照条件下观察到的电流，暗电流会积分成为暗电荷并存储在像素内的电荷存储节点，上述的固定模式噪声和暂态噪声中都有暗电流造成的部分。

2. 介绍

在数字相机里，通过CCD或CMOS图像传感器里的光二极管将景物的光转换为电信号形成图像，传感器感光元件产生的电信号大小取决于光强度和光照时间（积分时间），因此，数字相机要求快门来控制曝光时间，这通常可以使用外部机械快门和片上电子快门来实现。

对装备有机械快门的数字相机来说，感光元件的积分时间取决于机械快门，某些图像传感器具有电子快门，这些传感器允许省去机械快门，通常使用电子快门和机械快门的组合来控制曝光。

有三种电子快门机制：

(1) 带电子快门的CCD图像传感器

(2) 卷帘快门的CMOS图像传感器

(3) 全局快门的CMOS图像传感器

3. 具有电子快门的CCD

CCD图像传感器有两种扫描方式：逐行和隔行。这两种扫描方式影响机械快门的使用。

(1) 对逐行扫描传感器，在积分之前会复位整个传感器以消除光二极管的残留信号，在曝光期间光二极管进行充电，充电结束后，所有充电电荷被传输到传感器的避光区域，然后电荷被从避光区域移出和读出，这种模式，并不需要机械快门来控制曝光。

(2) 对隔行扫描传感器，在曝光开始，电子快门电路同样也会复位所有的光二极管，但是曝光结束时，并不是所有的充电电荷都被同事移出光二极管，奇数行和偶数行在不同的时间被移出，所以传感器不能合适地结束曝光：奇数行和偶数行会有不同的积分时间，在这种情况下就要求有个机械快门来正确地终止曝光：一点机械快门关闭，奇偶场能在同一时刻被读出，曝光时间相同，大部分消费类相机的操作都是这种方式。

4. 卷帘快门CMOS图像传感器

卷帘快门一般是图像传感器中的像素行的复位是顺序依次进行的，从顶行开始，一行一行处理直到底行。当复位过程进行了一些行时，读出处理开始，以与复位一样的速度顺序读出像素行直到底行。

在行复位和行读出之间的延迟就是积分时间。通过改变这个延迟时间就能控制积分时间（曝光时间）。对于卷帘快门，积分时间可以从一行时间到整帧时间。

因为每行积分的开始时间不一样，或者说是一行一行依次曝光的，所以，卷帘快门对运动图像会有瑕疵。我们称这个为卷帘效应。

5. 全局快门的CMOS传感器

全局曝光就是整个传感器在积分之前同时复位然后同时开始积分，在积分时间到达后同时停止积分并将累积的电荷传输到避光存储区，然后从避光存储区读出，所以没有卷帘快门的运动场景的瑕疵

6. 闪光灯在CMOS相机中的使用

闪光灯通常是在低照度下使得图像能够合适曝光，闪光灯的闪光时间是非常短暂的，通常只有数百微妙到毫秒，而CMOS图像传感器的读出时间要长得多，因此CMOS图像传感器使用闪光灯要做特别考虑，下面分三种情况加以讨论

(1) 带有机械快门的CMOS图像传感器（卷帘或全局）

(2) 全局快门CMOS相机

(3) 卷帘快门CMOS相机

7. 同时具有卷帘快门和机械快门CMOS相机如何使用闪光灯

如果机械快门与CMOS传感器一起用，闪光灯操作如下：

(1) CMOS的电子快门积分时间调整到让所有的像素都能够在闪光时积分，这样做会要求非常长的积分时间。因为一般都是在光照很低的时候才使用闪光灯的，所以，一定让所有像素都能够在闪光灯闪光时积分。

(2) 机械快门打开

(3) 闪光灯点亮

(4) 机械快门关闭

(5) 数据读出

因为闪光灯点亮时间相对于整帧读出的时间来说是非常短暂的，所以，闪光灯仅能用于所有像素在同一时间积分的情形。考虑这种情况：复位和读出的延迟（积分时间）小于整帧时间，比如1/4整帧行数，显然，只能部分行的曝光能借助到闪光灯。

8. 卷帘快门但没有机械快门的CMOS相机如何使用闪光灯

这种情况，要按如下方式使用闪光灯：

(1) 积分时间调整到所有像素在闪光期间能同时积分（这会要求非常长的积分时间）

(2) 复位处理过程一行行依次进行直到整个传感器被复位。

(3) 闪光灯点亮。

(4) 图像一行行依次读出

因为传感器的所有像素必须同时积分，为了使用闪光灯，要将最小曝光时间设置为复位整个传感器的总时间再加上闪光灯点亮时间。

这种模式的净曝光是由环境光和闪光灯光共同的积分，为了获得最佳图像质量，环境光应当显著低于使用闪光灯的最小光照亮度，以便使闪光灯的光照对曝光的贡献占绝对多的成分，由于复位和读出处理的速度慢，最小曝光时间足以导致由于摄像机或目标的运动而产生的模糊，为了使这种模糊最小化，应该增加闪光灯的光亮。

9. 全局快门的CMOS相机如何使用闪光灯

这种情况要按如下方式使用闪光灯：

（1) 机械快门打开（如果有的话）

 (2) 所有像素同时复位

 (3)  闪光灯点亮

 (4) 每个像素的充电电荷同时传输到避光存储区

 (5) 机械快门关闭（如果有的话）

 (6) 读出数据。

第（2）到（4）步所需时间只需闪光灯的点亮时间，我们知道的点亮时间非常短，结果，曝光的贡献主要来自于闪光灯，环境光的影响很小。

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