互补金属氧化物半导体图像传感器电子全局快门 我们先从最基础的概念开始。 什么是图像传感器的“快门”？ 在摄影中，快门是控制光线进入相机传感器时间长短的机械或电子装置。在电子图像传感器中，“快门”指的是控制每个像素开始和停止收集光子的电子开关机制。它决定了曝光时间。 两种主要的电子快门方式：卷帘快门与全局快门 卷帘快门 ：这是大多数消费级CMOS图像传感器采用的方式。它的工作原理是逐行顺序地对像素进行“复位”（开始曝光）和“读出”（停止曝光并读取信号）。就像用扫描仪扫描文档一样，从上到下，一行一行地进行。这导致图像中不同行的像素，其曝光的开始和结束时间并不同步，存在一个微小的、连续的时间差。 全局快门 ：其目标是让传感器上 所有像素 在同一时刻开始曝光，并在同一时刻结束曝光。然后，所有像素收集到的光信号被同时转移到不会被光干扰的存储区，最后再逐行读出。这就像是让所有像素同时睁开眼睛看一瞬间，然后同时闭上眼睛，再把看到的“记忆”保存下来慢慢处理。 全局快门的关键技术挑战与实现原理 核心挑战在于，在标准CMOS像素结构中，光电二极管在读出信号时（电荷转换为电压的过程）仍然对光敏感。如果一边转换一边还在曝光，信号就会混乱。因此，实现全局快门的关键是 将曝光（光积分）阶段与信号读出阶段在物理空间上完全分离 。 典型实现方式是在每个像素内部增加一个 专用的、遮光的存储节点 。其工作流程如下： 全局复位 ：所有像素的光电二极管在同一时刻被清空，开始曝光。 全局曝光 ：所有像素在同一时间段内收集光子，生成电荷。 全局转移 ：曝光时间结束时，一个全局控制信号同时作用于所有像素，将每个光电二极管中积累的电荷 瞬时 转移到与之相邻的、被金属层遮蔽的存储节点中。至此，曝光过程对所有像素同步结束。 逐行读出 ：电荷安全地存储在遮光区域后，传感器可以像卷帘快门传感器一样，从容地逐行将存储节点中的电荷转换为电压并读出。因为原始的光信号已被“冻结”在存储区，读出过程的光线不会影响已捕获的图像。 全局快门的优势 无运动畸变 ：由于所有像素捕获的是同一时刻的场景，拍摄高速运动的物体（如高尔夫球杆、旋转的螺旋桨）时不会产生扭曲、倾斜等卷帘快门常见的果冻效应。 无闪光带 ：在使用脉冲光源（如频闪灯、LED屏幕）时，全局快门能确保所有像素要么全部捕捉到闪光，要么全部没捕捉到，不会出现图像部分亮、部分暗的条纹。 与外部事件精确同步 ：非常适合机器视觉、科学成像等需要与外部触发信号（如生产线传感器、激光脉冲）进行亚微秒级精确定时同步的应用。 全局快门的代价与局限性 像素面积增大 ：每个像素内需要集成额外的晶体管和遮光存储节点，占用了感光区域面积，导致 填充因子 下降或在相同工艺下像素尺寸难以做小。 噪声更高 ： 暗电流不均匀性 ：额外的存储节点和转移路径会引入新的暗电流源，且其不均匀性会增加 固定模式噪声 。 存储节点噪声 ：电荷在从感光区转移到存储区的过程中，可能引入额外的噪声，并可能因转移效率非100%而导致信号损失。 动态范围可能受限 ：由于像素内部分面积用于非感光电路，用于收集光子的光电二极管面积相对减小，可能影响满阱容量和动态范围。 技术演进与现代应用 堆叠背照式技术 ：先进的CMOS制造工艺，特别是堆叠式（3D）背照式技术，为全局快门带来了革新。可以将像素中的感光部分（光电二极管）制造在一层晶圆上，而将复杂的读出电路、存储节点和逻辑部分制造在另一层晶圆上，然后通过 硅通孔 垂直连接。这极大地解决了填充因子问题，能在小像素尺寸下实现高性能全局快门。 主要应用领域 ：高速工业检测、机器视觉、运动分析、无人机避障、三维扫描、增强现实/虚拟现实追踪、科学成像（如荧光显微镜）等对时序精度和图像真实性要求极高的领域。