所有关于全域快门 vs 滚动快门的讨论是怎么回事？（下）

所有关于全域快门 vs 滚动快门的讨论是怎么回事？（下）

全域快门的操作

全域快门的优点是所有像元同时开始和停止曝光，这相当于真正的快照。所有运动（只要它比快门慢）都会在图像中“冻结”。这种快门决定性的缺点是每个像元内的装置数量较多（更多晶体管），这些装置对噪声有贡献且在某些情况下在半导体中有更多层数，从而产生更多噪声并导致更低的填充因子。

图 6：全域快门操作的示意图，此图中采用普通全域快门 CMOS 图像传感器，而且曝光时间 < 读出时间。不同的行显示了具有 10 x 10 像元的 CMOS 模型的不同操作时刻。左边是图像传感器的快照，右边是相应的时序图。深灰色表示曝光开始（重置），浅灰色箭头是实际曝光时间，橙色表示曝光停止，蓝色神经元图像是图像数据或信息，中灰色表示不相关。

从图6中可以看出，所有像元同时复位，从而开始曝光。然后曝光停止并开始逐行或逐列读出。当这个读出完成后，通常可以开始下一次曝光。在某些图像传感器中，曝光可以更早的开始，但在读出前一图像的***一行之前，新开始的曝光无法停止。

BAE Fairchild 制造的***款 sCMOS 图像传感器 CIS2521 具有特殊性。它可以在滚动或全域快门模式下操作。然而，为了不破坏具有太多晶体管的像元区域，决定在全域快门操作中读出两个图像。外部相关双采样所需的复位值减法在相机 RAM 或计算机中进行。因此，全域快门 sCMOS 图像传感器的时序如图 7 所示。首先，所有行或列都被重置，并读出每个像元的暗值。参考时间点是读出***一行的时刻。在这个时间点之前是可以开始曝光的，不过直到暗重置“图像” （暗值读出被视为一张图像，反映了每个像元中的起始值）的***一行/列已被读出前，曝光可能不会停止。图 7 假设曝光时间比读出时间短。首先，读出重置图像，在读出***一行时，开始所有像元的曝光，并在读出***一行暗图像时停止。然后开始图像的逐行读出。读出完成后，可以开始处理下一张图像。从数据图像中减去暗图像是在相机中还是在外部完成则具体取决于相机系统的设计。

图 7：全域快门操作的示意图，以 sCMOS 图像传感器 CSI2521 为例，曝光时间 < 读出时间。不同的行显示了 10 x 10 像元的 sCMOS 模型的不同操作时刻。左边是图像传感器的快照，右边是相应的时序图。深灰色表示曝光开始（重置），浅灰色箭头是实际曝光时间，橙色表示曝光停止，蓝色神经元图像是图像数据或信息，中灰色表示不相关。

全域重置或全域启动的操作

对于某些使用闪光灯照明的应用来说，当相机必须立即跟随外部触发事件进行响应时，具有全域开始的曝光功能可能很重要。主要的曝光控制是通过闪光灯照明的持续时间来实现的。为了实现这一点，在 sCMOS 图像传感器 CIS2521 和 CIS2020 中引入了全域重置或全域启动功能。虽然它具有非恒定暗电流的缺点，***一行的暗电流将是比较大的，但它可以为纯滚动快门图像传感器CIS2020实现全域重置的操作，并且在结合使用 CIS2521 sCMOS 图像传感器的全域启动且滚动停止的功能时，可以实现更好的读出噪声值和帧速率。

如图8所示，所有像元同时开始曝光，然后停止***行的曝光并读取，然后第二行，依此类推，***一行曝光时间比较大，即曝光时间+图像读取时间。在曝光时间低于 100 ms 的情况下，可以忽略额外的暗电流量，并且在这些应用中，曝光无论如何都由闪光灯照明持续时间控制。

图 8：全域快门操作的示意图，以 sCMOS 图像传感器 CSI2521和 CIS2020为例，曝光时间 < 读出时间。不同的行显示了 10 x 10 像元的 sCMOS 模型的不同操作时刻。左边是图像传感器的快照，右边是相应的时序图。深灰色表示曝光开始（重置），浅灰色箭头是实际曝光时间，橙色表示曝光停止，蓝色神经元图像是图像数据或信息，中灰色表示不相关。

应用功能

用于运动物体的全域快门和滚动快门

关于全域快门和滚动快门哪个更好的常规讨论都很类似，并且结论非常依赖于应用。使用滚动快门最常见的提醒是与运动物体有关的，这些物体垂直于视轴的移动速度比滚动快门图像传感器的读取时间快。这意味着每个曝光的行都在稍微不同的位置获取物体的图像信息，并且在回放图像序列时会出现众所周知的失真，如风扇螺旋桨的情况（图 9 [d]）。

图 9：风扇的四张图片：[a] 停止风扇的全域快门图像、[b] 停止风扇的滚动快门图像、[c] 主动转动风扇的全域快门图像和 [d] 主动转动风扇的滚动快门图像（相同的 sCMOS 相机）。

在应用中需要精确捕捉物体运动的情况下，显然滚动快门图像传感器不是比较好选择。另一方面，这与在旧时代的模拟摄影的话题几乎相同。因为大多数相机都有垂直或水平焦平面狭缝快门，如果当时要捕捉动作，则要求要么使用狭缝控制极短的曝光时间（狭缝跑得比动作快），要么使用闪光灯进行短时间的曝光，然后将动作定格。

用闪光灯冻结运动

如果应用允许，可以使用闪光灯来获得清晰的快照。例如，在粒子追踪测速 (PTV) 中，这是一种测量和可视化各种流动状态的成熟技术，总是使用两次闪光来捕捉种子粒子的位置。另外，电子快门技术对触发信号的时序有影响，它定义了到底是相机还是闪光灯为触发信号的主控装置。

图 10 显示了闪光灯的计时选项。让我们从普通且简单的全域快门开始，相机或闪光灯都可以作为主触发源，在全域曝光期间，闪光灯可以随时启动。它也可能比**短曝光时间更短。CIS2521 sCMOS图像传感器具有特殊的全域快门模式，更方便的让相机成为闪光灯的主触发器（使用曝光信号）。在全域启动或重置的情况下，主控是谁无关紧要，因为相机可以启动闪光灯而闪光灯也能触发相机曝光。***在滚动快门的情况下，如果曝光时间比图像读取时间长，有一段时间整个图像传感器都暴露在信号下，那么***一行的曝光开始信号可以触发闪光灯。有了此功能，可以使用滚动快门图像传感器拍摄不失真的快照。

图 10：如果应使用闪光灯照明，则不同时序要求的示意图。黄**域表示闪光灯开始照明，当不同图像传感器与闪光灯一起使用的情况下：（从上到下）全域快门 CMOS 图像传感器、全域快门 sCMOS 图像传感器 (CIS2521)、允许全域启动的具有全域快门或滚动快门的图像传感器以及滚动快门 sCMOS 图像传感器。

使用区域图像传感器扫描

由于时间问题和失真结果（图 9），滚动快门有时名声不佳。另一方面，因为像元架构中所需的电子设备数量较少，并且在半导体中所需层数较少，所以在所有现有的 CMOS 和 sCMOS 图像传感器中，滚动快门图像传感器总是具有更好的量子效率和更好的读出噪声性能。此外，滚动快门与移动狭缝的相似性有时使应用能够受益于这种类似于“扫描”操作的移动曝光行为。

图 11：滚动快门操作示意图，可以与照明的线扫描移动同步（sCMOS 图像传感器 CSI2521 或 CIS2020 的示例，具有行曝光时间）。不同的行显示了 10 x 10 像元的 sCMOS 模型的不同时刻。左边是图像传感器的快照，右边是相应的时序图。深灰色表示曝光开始（重置），浅灰色箭头是实际曝光时间，橙色表示曝光停止，蓝色神经元图像是图像数据或信息，中灰色表示不相关。

图 11 说明了如何进行同步。在左侧，显示了该时刻的快照，在右侧，给出了信号的相应时序。曝光只是一行（但如果需要可以更长）并且相机发出触发信号，该信号可用于同步例如样本图像中的照明线，当曝光狭缝移动时，扫描仪移动通过样品焦平面的照明线。通过这种方式，可以减少样品上的光能负载（光应力）。这可能被某些相机制造商称为“光片 (Lightsheet) 模式”，因为它非常适合光片显微镜应用和读出技术。

滚动快门与全域快门 CMOS / sCMOS 图像传感器的**终比较

既然本文是关于全域快门和滚动快门的讨论，应该将每个快门对重要成像参数的影响进行总结性比较。像往常一样，在这种情况下，对于具有特定快门机制的图像传感器的使用决定取决于应用的要求。

**重要的区别可能是移动物体图像失真的风险，这在滚动快门图像传感器中肯定更高。然而，应始终对情况进行评估，当移动速度足够快以导致失真，并且在曝光时间长于图像读取时间的情况下，如果可以使用适当的闪光灯照明，则可以冻结移动。由于滚动快门图像传感器始终在架构上更简便，它们在每个像元中的组件也更少，因此它们往往更便宜，而且具有更好的填充因子和更低的读出噪声。另一方面，有例如粒子跟踪测速 (PTV) 这样的成像方法需要全域快门操作。因此，所有关于全域快门和滚动快门的讨论都需要弄清楚一个前提，即哪种是**适合某个应用的图像传感器。

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