所有關于全域快門 vs 滾動快門的討論是怎么回事？（下）

全域快門的操作

全域快門的優(yōu)點是所有像元同時開始和停止曝光，這相當于真正的快照。所有運動（只要它比快門慢）都會在圖像中“凍結”。這種快門決定性的缺點是每個像元內的裝置數量較多（更多晶體管），這些裝置對噪聲有貢獻且在某些情況下在半導體中有更多層數，從而產生更多噪聲并導致更低的填充因子。

圖 6：全域快門操作的示意圖，此圖中采用普通全域快門 CMOS 圖像傳感器，而且曝光時間 < 讀出時間。不同的行顯示了具有 10 x 10 像元的 CMOS 模型的不同操作時刻。左邊是圖像傳感器的快照，右邊是相應的時序圖。深灰色表示曝光開始（重置），淺灰色箭頭是實際曝光時間，橙色表示曝光停止，藍色神經元圖像是圖像數據或信息，中灰色表示不相關。

從圖6中可以看出，所有像元同時復位，從而開始曝光。然后曝光停止并開始逐行或逐列讀出。當這個讀出完成后，通常可以開始下一次曝光。在某些圖像傳感器中，曝光可以更早的開始，但在讀出前一圖像的***一行之前，新開始的曝光無法停止。

BAE Fairchild 制造的***款 sCMOS 圖像傳感器 CIS2521 具有特殊性。它可以在滾動或全域快門模式下操作。然而，為了不破壞具有太多晶體管的像元區(qū)域，決定在全域快門操作中讀出兩個圖像。外部相關雙采樣所需的復位值減法在相機 RAM 或計算機中進行。因此，全域快門 sCMOS 圖像傳感器的時序如圖 7 所示。首先，所有行或列都被重置，并讀出每個像元的暗值。參考時間點是讀出***一行的時刻。在這個時間點之前是可以開始曝光的，不過直到暗重置“圖像” （暗值讀出被視為一張圖像，反映了每個像元中的起始值）的***一行/列已被讀出前，曝光可能不會停止。圖 7 假設曝光時間比讀出時間短。首先，讀出重置圖像，在讀出***一行時，開始所有像元的曝光，并在讀出***一行暗圖像時停止。然后開始圖像的逐行讀出。讀出完成后，可以開始處理下一張圖像。從數據圖像中減去暗圖像是在相機中還是在外部完成則具體取決于相機系統(tǒng)的設計。

圖 7：全域快門操作的示意圖，以 sCMOS 圖像傳感器 CSI2521 為例，曝光時間 < 讀出時間。不同的行顯示了 10 x 10 像元的 sCMOS 模型的不同操作時刻。左邊是圖像傳感器的快照，右邊是相應的時序圖。深灰色表示曝光開始（重置），淺灰色箭頭是實際曝光時間，橙色表示曝光停止，藍色神經元圖像是圖像數據或信息，中灰色表示不相關。

全域重置或全域啟動的操作

對于某些使用閃光燈照明的應用來說，當相機必須立即跟隨外部觸發(fā)事件進行響應時，具有全域開始的曝光功能可能很重要。主要的曝光控制是通過閃光燈照明的持續(xù)時間來實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)這一點，在 sCMOS 圖像傳感器 CIS2521 和 CIS2020 中引入了全域重置或全域啟動功能。雖然它具有非恒定暗電流的缺點，***一行的暗電流將是比較大的，但它可以為純滾動快門圖像傳感器CIS2020實現(xiàn)全域重置的操作，并且在結合使用 CIS2521 sCMOS 圖像傳感器的全域啟動且滾動停止的功能時，可以實現(xiàn)更好的讀出噪聲值和幀速率。

如圖8所示，所有像元同時開始曝光，然后停止***行的曝光并讀取，然后第二行，依此類推，***一行曝光時間比較大，即曝光時間+圖像讀取時間。在曝光時間低于 100 ms 的情況下，可以忽略額外的暗電流量，并且在這些應用中，曝光無論如何都由閃光燈照明持續(xù)時間控制。

圖 8：全域快門操作的示意圖，以 sCMOS 圖像傳感器 CSI2521和 CIS2020為例，曝光時間 < 讀出時間。不同的行顯示了 10 x 10 像元的 sCMOS 模型的不同操作時刻。左邊是圖像傳感器的快照，右邊是相應的時序圖。深灰色表示曝光開始（重置），淺灰色箭頭是實際曝光時間，橙色表示曝光停止，藍色神經元圖像是圖像數據或信息，中灰色表示不相關。

應用功能

用于運動物體的全域快門和滾動快門

關于全域快門和滾動快門哪個更好的常規(guī)討論都很類似，并且結論非常依賴于應用。使用滾動快門最常見的提醒是與運動物體有關的，這些物體垂直于視軸的移動速度比滾動快門圖像傳感器的讀取時間快。這意味著每個曝光的行都在稍微不同的位置獲取物體的圖像信息，并且在回放圖像序列時會出現(xiàn)眾所周知的失真，如風扇螺旋槳的情況（圖 9 [d]）。

圖 9：風扇的四張圖片：[a] 停止風扇的全域快門圖像、[b] 停止風扇的滾動快門圖像、[c] 主動轉動風扇的全域快門圖像和 [d] 主動轉動風扇的滾動快門圖像（相同的 sCMOS 相機）。

在應用中需要精確捕捉物體運動的情況下，顯然滾動快門圖像傳感器不是比較好選擇。另一方面，這與在舊時代的模擬攝影的話題幾乎相同。因為大多數相機都有垂直或水平焦平面狹縫快門，如果當時要捕捉動作，則要求要么使用狹縫控制極短的曝光時間（狹縫跑得比動作快），要么使用閃光燈進行短時間的曝光，然后將動作定格。

用閃光燈凍結運動

如果應用允許，可以使用閃光燈來獲得清晰的快照。例如，在粒子追蹤測速 (PTV) 中，這是一種測量和可視化各種流動狀態(tài)的成熟技術，總是使用兩次閃光來捕捉種子粒子的位置。另外，電子快門技術對觸發(fā)信號的時序有影響，它定義了到底是相機還是閃光燈為觸發(fā)信號的主控裝置。

圖 10 顯示了閃光燈的計時選項。讓我們從普通且簡單的全域快門開始，相機或閃光燈都可以作為主觸發(fā)源，在全域曝光期間，閃光燈可以隨時啟動。它也可能比**短曝光時間更短。CIS2521 sCMOS圖像傳感器具有特殊的全域快門模式，更方便的讓相機成為閃光燈的主觸發(fā)器（使用曝光信號）。在全域啟動或重置的情況下，主控是誰無關緊要，因為相機可以啟動閃光燈而閃光燈也能觸發(fā)相機曝光。***在滾動快門的情況下，如果曝光時間比圖像讀取時間長，有一段時間整個圖像傳感器都暴露在信號下，那么***一行的曝光開始信號可以觸發(fā)閃光燈。有了此功能，可以使用滾動快門圖像傳感器拍攝不失真的快照。

圖 10：如果應使用閃光燈照明，則不同時序要求的示意圖。黃**域表示閃光燈開始照明，當不同圖像傳感器與閃光燈一起使用的情況下：（從上到下）全域快門 CMOS 圖像傳感器、全域快門 sCMOS 圖像傳感器 (CIS2521)、允許全域啟動的具有全域快門或滾動快門的圖像傳感器以及滾動快門 sCMOS 圖像傳感器。

使用區(qū)域圖像傳感器掃描

由于時間問題和失真結果（圖 9），滾動快門有時名聲不佳。另一方面，因為像元架構中所需的電子設備數量較少，并且在半導體中所需層數較少，所以在所有現(xiàn)有的 CMOS 和 sCMOS 圖像傳感器中，滾動快門圖像傳感器總是具有更好的量子效率和更好的讀出噪聲性能。此外，滾動快門與移動狹縫的相似性有時使應用能夠受益于這種類似于“掃描”操作的移動曝光行為。

圖 11：滾動快門操作示意圖，可以與照明的線掃描移動同步（sCMOS 圖像傳感器 CSI2521 或 CIS2020 的示例，具有行曝光時間）。不同的行顯示了 10 x 10 像元的 sCMOS 模型的不同時刻。左邊是圖像傳感器的快照，右邊是相應的時序圖。深灰色表示曝光開始（重置），淺灰色箭頭是實際曝光時間，橙色表示曝光停止，藍色神經元圖像是圖像數據或信息，中灰色表示不相關。

圖 11 說明了如何進行同步。在左側，顯示了該時刻的快照，在右側，給出了信號的相應時序。曝光只是一行（但如果需要可以更長）并且相機發(fā)出觸發(fā)信號，該信號可用于同步例如樣本圖像中的照明線，當曝光狹縫移動時，掃描儀移動通過樣品焦平面的照明線。通過這種方式，可以減少樣品上的光能負載（光應力）。這可能被某些相機制造商稱為“光片 (Lightsheet) 模式”，因為它非常適合光片顯微鏡應用和讀出技術。

滾動快門與全域快門 CMOS / sCMOS 圖像傳感器的**終比較

既然本文是關于全域快門和滾動快門的討論，應該將每個快門對重要成像參數的影響進行總結性比較。像往常一樣，在這種情況下，對于具有特定快門機制的圖像傳感器的使用決定取決于應用的要求。

**重要的區(qū)別可能是移動物體圖像失真的風險，這在滾動快門圖像傳感器中肯定更高。然而，應始終對情況進行評估，當移動速度足夠快以導致失真，并且在曝光時間長于圖像讀取時間的情況下，如果可以使用適當的閃光燈照明，則可以凍結移動。由于滾動快門圖像傳感器始終在架構上更簡便，它們在每個像元中的組件也更少，因此它們往往更便宜，而且具有更好的填充因子和更低的讀出噪聲。另一方面，有例如粒子跟蹤測速 (PTV) 這樣的成像方法需要全域快門操作。因此，所有關于全域快門和滾動快門的討論都需要弄清楚一個前提，即哪種是**適合某個應用的圖像傳感器。

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