傳統(tǒng)上，全局快門像素技術(shù)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(jī)器視覺、電影制作、工業(yè)、汽車和掃描應(yīng)用要求必須以高圖像品質(zhì)捕捉快速移動(dòng)的物體，圖像傳感器供應(yīng)商Aptina公司已經(jīng)致力于克服在CMOS圖像傳感器上使用全局快門像素技術(shù)的相關(guān)傳統(tǒng)障礙。在這種努力下，所提供的全局快門像素技術(shù)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(yīng)用中成為CCD傳感器的可行替代方案。

卷簾式快門技術(shù)概述

卷簾式快門也稱為焦平面快門(focal-plane shutter)，利用行復(fù)位和行讀出(reset and readout)兩個(gè)掃描來控制曝光時(shí)間。實(shí)現(xiàn)行復(fù)位的快門脈沖在行讀出之前將某一行像素復(fù)位(如圖1所示)。快門和讀出脈沖的時(shí)間間隔決定了曝光時(shí)間。然而，在使用卷簾式快門傳感器時(shí)，因?yàn)椴煌械钠毓馐窃诓煌瑫r(shí)點(diǎn)進(jìn)行的，因而拍攝快速移動(dòng)物體的靜態(tài)影像時(shí)會(huì)產(chǎn)生失真，這使得卷簾式快門不適合條形碼讀出、機(jī)器視覺或自動(dòng)檢驗(yàn)系統(tǒng)等應(yīng)用，因?yàn)檫@些應(yīng)用要求對(duì)快速移動(dòng)物體進(jìn)行成像。

圖1，典型的卷簾式快門工作原理

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

在過去一段時(shí)間里，人們一直在探索如何從卷簾式快門轉(zhuǎn)變到全局快門。但CMOS圖像傳感器供應(yīng)商發(fā)現(xiàn)增加額外的存儲(chǔ)單元將會(huì)犧牲太多的光敏(電二極管)區(qū)域，對(duì)量子效率產(chǎn)生負(fù)面影響。而且，出于對(duì)當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)、應(yīng)用層面的要求、市場(chǎng)需求、成本和其它因素的考量，無法斷定其產(chǎn)品可行性而未能有所進(jìn)展。

全局快門技術(shù)概述

CCD圖像傳感器需要模擬存儲(chǔ)器來進(jìn)行工作，自然可以使用全局快門技術(shù)，因此采用全局快門技術(shù)的CCD相機(jī)及攝像機(jī)已相當(dāng)普遍。全局快門通過同時(shí)捕獲整個(gè)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(duì)于CMOS圖像傳感器來說，全局快門實(shí)施方案的主要缺點(diǎn)是需要增加像素級(jí)存儲(chǔ)器，對(duì)于某些應(yīng)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(shù)的其它缺點(diǎn)還包括低填充-系數(shù)，這導(dǎo)致了量子效率的降低。為了補(bǔ)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(gè)重要問題就是存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的暗電流。暗電流指的是即便像素處于完全黑暗狀態(tài)時(shí)像素中產(chǎn)生的微小電流。典型的暗電流產(chǎn)生區(qū)域包括PN結(jié)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(yán)重。