互补金属氧化物半导体图像传感器电子快门 电子快门是互补金属氧化物半导体图像传感器控制每个像素曝光时间的关键机制。您可以将它想象成相机中控制光线进入时长的“眼睛眨眼”动作。在CMOS图像传感器中，它并非一个机械部件，而是通过电信号精确控制像素内光电二极管进行电荷积累（即曝光）的起止时刻。 第一步，让我们理解它的基本目的：控制曝光量。图像传感器通过将光子转换为电子来捕获图像。如果光线太强，长时间曝光会导致像素“溢出”，图像过曝变白；光线太弱，短时间曝光则图像欠曝变暗。电子快门让传感器能像眨眼一样，精确控制每个像素“看”光线的时间长短，从而获得正确亮度的图像。 第二步，深入其工作原理的核心——像素内的光电二极管复位与电荷转移。在一个典型的CMOS像素中，核心部件是光电二极管。电子快门的工作分为两个关键电学操作：1. 复位 ：通过施加一个电压脉冲，将光电二极管内的电荷完全清空，使其处于“零”状态，这标志着曝光（积分）开始。2. 转移 ：在曝光结束后，通过另一个电压脉冲，将光电二极管在曝光期间积累的电荷转移到浮置扩散节点进行读取。从复位结束到转移开始的这段时间，就是实际的曝光时间。电子快门就是通过精确控制这两个脉冲的时序来实现的。 第三步，区分两种主要的电子快门工作模式： 全局快门 和 卷帘快门 。这是电子快门概念在实际应用中的两种最重要的实现方式。在 全局快门 模式下，传感器上所有像素在同一时刻被复位，并在同一时刻结束曝光、转移电荷。这就好比所有像素同时眨眼、同时睁开。它能完美冻结快速运动的物体而不产生畸变。在 卷帘快门 模式下，像素的复位和读出是按行顺序进行的。曝光开始和结束的时间点像窗帘一样逐行“滚动”。这种模式结构简单、速度快，但在拍摄高速运动物体时，由于图像上下部分曝光时刻不同，会产生扭曲变形（果冻效应）。 第四步，了解实现短曝光时间的挑战与高级技术。要拍摄高速运动的瞬间（如子弹击穿物体），需要极短的曝光时间（微秒甚至纳秒级）。传统方法是在一个帧周期内，简单地缩短从复位到转移的时间间隔。但更先进的技术是 复位后立即读出 或使用 片上存储型全局快门像素 。后者在像素内集成了一个存储节点，曝光结束后电荷被瞬间转移到该存储节点暂存，然后传感器可以从容地逐行读出存储节点中的数据，既实现了全局快门，又兼顾了高速曝光与稳定读出。 第五步，考虑电子快门与传感器整体性能的关联。电子快门的设计直接影响图像传感器的多个关键指标：1. 动态范围 ：通过双增益或多次曝光（结合不同快门时间）技术，可以扩展传感器能同时记录的亮暗细节范围。2. 信噪比 ：合适的曝光时间能最大化信号电荷，抑制固定模式噪声和暗电流噪声。3. 帧率 ：快门时间决定了曝光所占用的时间，是决定传感器最高帧率的关键因素之一。短的电子快门时间是实现高帧率视频拍摄的前提。 总结，互补金属氧化物半导体图像传感器的电子快门，是一个通过电学时序精确控制每个像素曝光起止时刻的无机械系统。它从基本的复位/转移操作出发，衍生出全局与卷帘两种主要模式，并发展出支持高速摄影和提升图像质量的高级技术，是现代数字影像捕获的基石性控制机制。