全局快門像素技術和CMOS圖像傳感器形成強大的技術組合

傳統(tǒng)上，全局快門像素技術主要用于CCD圖像傳感器。由于CMOS圖像傳感器的不斷普及，且由于機器視覺、電影制作、工業(yè)、汽車和掃描應用要求必須以高圖像品質捕捉快速移動的物體，圖像傳感器供應商Aptina公司已經致力于克服在CMOS圖像傳感器上使用全局快門像素技術的相關傳統(tǒng)障礙。在這種努力下，所提供的全局快門像素技術具有更小的像素尺寸、更大的填充系數(shù)、更高的GSE、更低的暗電流和更低的噪聲，使得CMOS圖像傳感器在更多應用中成為CCD傳感器的可行替代方案。

卷簾式快門技術概述

卷簾式快門也稱為焦平面快門(focal-plane shutter)，利用行復位和行讀出(reset and readout)兩個掃描來控制曝光時間。實現(xiàn)行復位的快門脈沖在行讀出之前將某一行像素復位(如圖1所示)?？扉T和讀出脈沖的時間間隔決定了曝光時間。然而，在使用卷簾式快門傳感器時，因為不同行的曝光是在不同時點進行的，因而拍攝快速移動物體的靜態(tài)影像時會產生失真，這使得卷簾式快門不適合條形碼讀出、機器視覺或自動檢驗系統(tǒng)等應用，因為這些應用要求對快速移動物體進行成像。

圖1，典型的卷簾式快門工作原理

人們經常在使用某些膠片攝影機以及CMOS數(shù)碼相機和攝像機時發(fā)現(xiàn)，其中的卷簾式快門無法在單一時間點記錄整個畫面，而是通過垂直或水平掃描整個畫面來捕獲連續(xù)的像素條。卷簾式快門的優(yōu)點是圖像傳感器可以在拍攝期間連續(xù)收集光子，這樣增強了光感度。然而在運動或閃光等極端條件下成像時，卷簾式快門有明顯的缺點：即快速移動物體或閃光帶來的失真，比如模糊(smear)、扭曲、晃動和局部曝光。

在過去一段時間里，人們一直在探索如何從卷簾式快門轉變到全局快門。但CMOS圖像傳感器供應商發(fā)現(xiàn)增加額外的存儲單元將會犧牲太多的光敏(電二極管)區(qū)域，對量子效率產生負面影響。而且，出于對當時的半導體工藝技術、應用層面的要求、市場需求、成本和其它因素的考量，無法斷定其產品可行性而未能有所進展。

全局快門技術概述

CCD圖像傳感器需要模擬存儲器來進行工作，自然可以使用全局快門技術，因此采用全局快門技術的CCD相機及攝像機已相當普遍。全局快門通過同時捕獲整個畫面的圖像來消除卷簾式快門偽像(如圖2所示)。

圖2，典型的全局快門工作原理。

然而，對于CMOS圖像傳感器來說，全局快門實施方案的主要缺點是需要增加像素級存儲器，對于某些應用，這使其成為比較昂貴的方案選擇(如圖3和圖4所示)。

圖3，卷簾式快門像素。 圖4，全局快門像素。

以往全局快門技術的其它缺點還包括低填充-系數(shù)，這導致了量子效率的降低。為了補償這一影響，全局快門像素的尺寸通常比卷簾式快門像素的尺寸大。

另一個重要問題就是存儲節(jié)點的暗電流。暗電流指的是即便像素處于完全黑暗狀態(tài)時像素中產生的微小電流。典型的暗電流產生區(qū)域包括PN結的耗盡區(qū)和硅片表面。暗電流是像素噪聲的主要來源之一，并且在全局快門像素中比在卷簾式快門像素中更為嚴重。