快门图像传感器技术

Posted 2022-11-26 bobuddy

快门主要用来控制摄像头传感器的有效曝光时间。一般而言快门的时间范围越大越好。若想抓到急速移动的物体，就需要快门速度越快越好。而若需要看到夜晚的车水马龙，就需要快门时间越长越好。

图像传感器的作用是将光信号转换为电信号，信号随后由图像信号处理器等处理为照片或视频。CMOS图像传感器有两种快门方式，卷帘快门(rolling shutter)和全局快门(global shutter)。

Rolling shutter: Pixel并不在同一时间曝光，而是采用逐行曝光的方式，从而导致一帧图像内每行曝光时间的起始点有差异。

Global Shutter: 可以允许所有的pixel在同一时间开始和结束曝光，曝光结束后再顺序读出。因为所有Pixel曝光的时间都在同一时间点，不会有时间差，所以不会出现拍摄快速运动物体时的果冻效应。

 

 

和rolling shutter不同，评价global shutter sensor有一个重要的参数Parasitic Light Sensitivity (PLS) 代表了当shutter结束之后，sensor的光敏感度。这个值通常用dB表示，越小越好。

两张图可以介绍这两种技术

Rolling Shutter对它进行逐行扫描，成像结果如右图。面对一个运动中的物体，Rolling Shutter是一行一行曝光，采集画面，所以形变非常严重。而Global Shutter是所有像素同时曝光，所以不会产生此形变。

为了实现Global Shutter， 电路的复杂程度会高于rolling shutter。实现Global Shutter有3种方式。

 

 

• Charge domain

光子转换为电子之后，在转换为电压信号之前，存储在memory node。这样的方式好处是可以进行CDS（correlated double sampling）, 噪声特性好。缺点在于存储空间需要占用一部分感光面积，会减低sensor的灵敏度。

• Voltage domain

光子转换为电子、在FD转换为电压信号，再存储在memory node。但通常来说，这种方式噪声特性不好。

• Digital domain

这个方式是这几年随着工艺发展新提出来的，要实现digital domain global shutter，需要产生的信号可以实时输出，也就是说每个pixel需要一个单独的ADC。这种方式目前还没有商用，还停留在学术研究阶段。Sony在2018的ISSCC发表了学术论文，感兴趣的读者可以查阅

 

 

同Rolling shutter相比，Global shutter的sensor可以很好的解决以下问题：

1. 高速物体变形（左图是采用Global shutter技术的SmartSens SC132GS拍摄的图片，右图是Rolling shutter sensor拍摄的图片）。

可以明显看出用Rolling shutter sensor拍摄高速运动的风扇，物体会变形。

 

 

2. 明暗现象（左图是采用Global shutter技术的SC132GS拍摄的图片，右图是没有采用HDR技术拍摄的图片）

在光线有明暗变化的时候，左图Global shutter sensor不会有明暗瑕疵，可以做到单帧HDR。

 

 

 通过AI，大数据和互联网技术，带动了智慧城市的建设。智能安防，智慧交通，智慧工厂，智慧商业，智能家居，都能看到Camera的身影。一般情况下，Rolling shutter技术就足够了，但若要捕捉高速运动物体，或在环境光条件不理想的情况下获取清晰图像的时候，使用Global Shutter技术，无疑会带来更好的效果