2、全局快門曝光

滾動(dòng)快門曝光在拍攝物體運(yùn)動(dòng)圖像和有閃光圖像時(shí)，會(huì)產(chǎn)生被攝圖像的運(yùn)動(dòng)失真和閃光失真，尤其在靜止圖像攝影中，快門失真會(huì)令人難以容忍。在滾動(dòng)快門曝光的圖像上，每一行都是在不同時(shí)間點(diǎn)開始和結(jié)束曝光的。如果被攝物體在曝光過程中高速運(yùn)動(dòng)，整幅圖像在完成曝光的過程中，目標(biāo)物體已經(jīng)發(fā)生位移。先曝光的畫面部分與后曝光的同一畫面部分在不同的相對空間位置上了，使成像的物體形狀產(chǎn)生失真。在拍攝有閃光畫面時(shí)，如果閃光發(fā)生的時(shí)間與一幅圖像的曝光時(shí)間可比，可能在一幀圖像曝光過程中，閃光發(fā)生了從發(fā)生、增強(qiáng)、達(dá)到最高、降低和消失的過程。這樣一來，不同時(shí)間曝光的畫面部分，被光照射的強(qiáng)度也不相同，造成畫面的閃光失真。。CMOS圖像傳感器的電子快門，可以使用全局快門（Global Shutter）曝光的方法，解決運(yùn)動(dòng)和閃光失真的問題。

在CMOS圖像傳感器上實(shí)現(xiàn)全局快門曝光，可以充分利用APS像素傳感器陣列的有源電路特點(diǎn)。4T-APS可以用全局快門時(shí)序來控制曝光。全局快門的曝光過程，就是將整個(gè)陣列的像素同時(shí)開始曝光，然后同時(shí)結(jié)束曝光；曝光完成后把每個(gè)像素捕獲的光電信號同時(shí)存儲(chǔ)在各自的懸浮擴(kuò)散區(qū)FD中，然后用類似滾動(dòng)快門的讀出方法滾動(dòng)選擇讀出。這里所討論的全局快門曝光方法，是建立在像素信息存儲(chǔ)在懸浮擴(kuò)散區(qū)FD中的基礎(chǔ)上，保證全陣列像素相同的曝光開始和結(jié)束時(shí)間。

在全局快門曝光的時(shí)序中，陣列中所有像素的重置同時(shí)開啟，開始陣列像素的曝光操作；經(jīng)過曝光時(shí)間Texp后，全陣列像素的傳輸門同時(shí)第二次開啟使曝光結(jié)束，所有光電二極管中的光生電荷傳輸?shù)礁髯韵袼氐膽腋U(kuò)散區(qū)FD，然后滾動(dòng)逐行開啟每一行像素的選擇開關(guān)Select，依次讀出每一行的信號電壓。在滾動(dòng)讀出的過程中，尚未讀出的信號存儲(chǔ)在各自像素的CFD中，等待滾動(dòng)選擇讀出。因?yàn)樽x出時(shí)所有傳輸門都已經(jīng)關(guān)閉，光電二極管上的電荷變化不會(huì)再影響輸出結(jié)果。

兩種快門曝光方式的另外一個(gè)不同之處在于：滾動(dòng)快門的曝光-讀出操作是按行執(zhí)行的，因此曝光時(shí)間也是以行時(shí)間Trow的整數(shù)倍計(jì)算的，且最小曝光時(shí)間為一倍的Trow。而全局快門曝光因?yàn)槭顷嚵猩纤械南袼赝瑫r(shí)開始和結(jié)束曝光，Trow時(shí)間只會(huì)限制滾動(dòng)讀出的速度，曝光時(shí)間則可以幾乎完全自由設(shè)定。

三、讀出電路

1、固定圖案噪聲

任何一種在傳感器陣列平面上轉(zhuǎn)換光電信號的技術(shù)方案，都會(huì)遭遇到轉(zhuǎn)換陣列平面制造不均勻而產(chǎn)生的固定圖案噪聲（Fixed Pattern Noise，FPN）問題，盡管不同方案的轉(zhuǎn)換陣列平面產(chǎn)生這種噪聲的機(jī)理并不完全相同。

由于固定圖案噪聲的影響，在沒有光信號照射的情況下，傳感器陣列也會(huì)輸出一個(gè)固定不變的圖案信號；而在有光學(xué)圖像照射的情況下，這個(gè)固定圖案信號會(huì)疊加在真實(shí)的圖像信號上面。

采用APS有源像素的CMOS圖像傳感器陣列，固定圖案噪聲的來源有：

• 有源晶體管開啟電壓Vth不一致；
• 重置開關(guān)導(dǎo)通電阻Ron不一致；
• 由導(dǎo)通電阻的不一致引起熱噪聲kBTRon不一致；
• 光電二極管的暗電流Idark不一致；
• 列選擇開關(guān)和列處理電路參數(shù)的不一致。

采用APS像素的傳感器陣列因?yàn)橛性雌骷?shù)量多，產(chǎn)生參數(shù)偏差的情況更為復(fù)雜，與只有一個(gè)光電二極管的無源像素（PPS）陣列方案相比，固定圖案噪聲值也更高。幸好CMOS圖像傳感器的技術(shù)優(yōu)勢幫助彌補(bǔ)了這個(gè)問題：在傳感器陣列芯片上同時(shí)集成CMOS模擬和數(shù)字電路，用以修正疊加在有用圖像信號上的固定圖案噪聲偏差。其中最常用的和證明有效的模擬信號處理方法，就
是采用相關(guān)雙采樣電路（CDS）。

2、相關(guān)雙采樣

相關(guān)雙取樣（Correlated Double Sampling，CDS）電路不是直接測量陣列中每個(gè)像素曝光完成后的輸出電壓，而是在每個(gè)像素曝光過程中測量兩次輸出電壓：

相關(guān)雙取樣電路輸出的是這兩次取樣測量的電壓差值。

VCDS＝VO2-VO1
式中，VO1是第一次取樣得到的曝光開始時(shí)刻像素的輸出電壓值，它作為第二次取樣輸出電壓的相關(guān)值；VO2是第二次取樣得到的曝光結(jié)束時(shí)刻像素的輸出電壓值，兩次取樣的過程被稱為相關(guān)雙采樣。陣列中每個(gè)像素兩次取樣測量中的偏差值將被抵消。從而修正了整幅圖像信號的固定圖案噪聲（FPN）誤差。

以4T-APS像素為例，一般采用差分電路讀出，結(jié)構(gòu)如下圖

下圖為為這個(gè)電路的工作過程和控制時(shí)序，在TX第二次開啟之前，列通道電路的S1開啟，實(shí)現(xiàn)第一次取樣，測量到的電壓VO1就是保持在懸浮二極管FD上的重置電壓VO1＝VFD1＝Vrst，這個(gè)電壓保持在電容CS1上。在TX第二次開啟之后，懸浮二極管FD上存儲(chǔ)曝光終點(diǎn)電壓VFD2，然后CDS讀出電路進(jìn)行第二次取樣，開關(guān)S2開啟對VFD2取樣，并保持在電容CS2上形成VO2。最后SCDS開啟把保持在電
容上的VO1和VO2同時(shí)輸入到差分放大器，輸出：VCDS＝VO2-VO1＝VFD2-VFD1＝VFD2-Vrst 。在兩次取樣的時(shí)間內(nèi)，行選擇信號Select保持開啟，使CDS讀出電路完成相關(guān)雙取樣運(yùn)算過程。在4T-APS像素陣列的曝光操作中，曝光時(shí)間為兩次傳輸門TX開啟之間的時(shí)間間隔。

3、讀出速率

一幅圖像中的每一個(gè)像素的模擬電壓信息，從被選擇的行和被選擇的列，按順序讀出到模擬放大器。在這一段模擬電壓的傳輸、轉(zhuǎn)換和處理時(shí)間定義為像素的模擬讀出時(shí)間Tpix。這一時(shí)間的數(shù)值，受行像素選擇開關(guān)Select（）x）的速度、列共享輸出總線長度的分布電容、列通道的帶寬、CDS采樣電路的時(shí)序、列選擇開關(guān)Sc（）x）的速度和模擬放大器的帶寬等因素影響。受器件和電路性能參數(shù)的制約，像素信號讀出時(shí)間Tpix大約是在10到數(shù)十納秒之間。這樣的信息傳輸速度對于高刷新率和高清晰度圖像是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求的，所以從最初設(shè)計(jì)的CMOS圖像傳感器開始，就采用了多列像素信號并行輸出模式。即在同樣的Tpix時(shí)間延遲下，并行讀出Ncol列的像素信號。列并行讀出的像素讀出速率（Pixel Readout Ratio，PRR）為PRR＝Ncol/Tpix，從最早期設(shè)計(jì)的CMOS圖像傳感器Ncol＝2，當(dāng)前數(shù)字影院攝像器件已經(jīng)達(dá)到Ncol＝100數(shù)量級。

提高像素陣列的圖像讀出并行列數(shù)，對于提高圖像的幀刷新率和清晰度是至關(guān)重要的。一幀像素陣列的讀出時(shí)間Tframe為：Tframe＝（M·N）/PRR＝NP/PRR。式中，M 為像素陣列的列數(shù)；N為行數(shù)；NP為陣列總像素?cái)?shù)。對于連續(xù)圖像，陣列刷新率（Frame Fresh Ratio，FFR）為：FFR＝1/Tframe＝PRR/NP。

在CMOS圖像傳感器集成電路上，并行列輸出的像素模擬信號，通過集成在同一芯片上的Ncol組模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后利用先進(jìn)的高速并行數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，輸出數(shù)字圖像數(shù)據(jù)到芯片引腳上。表4.2列出像素陣列的刷新率、像素讀出速率和圖像陣列的并行像素列數(shù)。在高清晰度和高刷新率要求下，只有高并行像素列數(shù)NPC，才能傳輸和處理高達(dá)吉比特每秒（Gb/s）的圖像信號數(shù)據(jù)率。

4、并行讀出

早期CMOS圖像傳感器上最簡單的并行列讀出結(jié)構(gòu)是由兩組構(gòu)成的，采用由奇數(shù)列和偶數(shù)列兩路并行輸出的方式。如圖所示，列模擬開關(guān)S（0）、S（2）、S（4）、…，選擇陣列的偶數(shù)列像素信號輸入模擬放大器Amp 0，然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 0變換成偶數(shù)列數(shù)據(jù)輸出；列模擬開關(guān)S（1）、S（3）、S（5）、…，選擇陣列的奇數(shù)列像素信號輸入模擬放大器Amp1，然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 1變換成奇數(shù)列數(shù)據(jù)輸出。

四、基本工作過程

一個(gè)4T-APS像素陣列的滾動(dòng)快門曝光讀出時(shí)如圖所示，圖中每一行曝光-讀出過程的重置、傳輸、選擇和相關(guān)雙取樣（CDS）運(yùn)算都與上面所描述的一樣，這里的討論將省略S1和S2兩次取樣的時(shí)序。

由Reset（x）和TX（x）控制第（x）行重置開始曝光之后，經(jīng)過行間隔時(shí)間Trow，下一行（x＋1）開始曝光，并依次間隔相同時(shí)間Trow，（x＋2）、（x＋3）…行開始曝光。每一行曝光后經(jīng)過相同的曝光時(shí)間Texp，傳輸門TX（x＋n）分別依次第二次開啟，在TX（x＋n）前后選擇Select（x＋n）開啟，然后經(jīng)過雙取樣運(yùn)算CDS依次輸出每一行像素的光電轉(zhuǎn)換信號VCDS（x ＋n ），這里n ＝0、1、2、…。當(dāng)某一行像素被選擇輸出時(shí)，這一行中的每一個(gè)像素的光電轉(zhuǎn)換信號，都通過各自的列通道輸出。在每一個(gè)行間隔時(shí)間Trow內(nèi)，列輸出開關(guān)Sc（0）、Sc（1）、Sc（2）、…輪流開啟，把像素信號依次輸出到信號總線上去，這個(gè)操作稱為水平掃描。陣列中的每一行像素曝光后，這一行所有像素信號全部順序完成CDS讀出，就可以開始下一幅圖像的曝光，而不必等待一幀圖像信號全部完成曝光和信號輸出。連續(xù)地反復(fù)曝光和讀出，就形成了連續(xù)滾動(dòng)電子快門操作。滾動(dòng)快門所要求的幀刷新周期時(shí)間，必須長于曝光時(shí)間加上完成一幀最后一行全部列CDS讀出的操作時(shí)間。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的CMOS图像传感器——工作原理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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