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作者：Luo Xin 如在前面“APS像素的原理和結(jié)構(gòu)”中所述，每一個APS像素的重置Reset信號是用來控制曝光開始的，其選擇Select信號是用來控制讀出的。如圖4（C）所示意：在CMOS成像器像素陣列中，水平方向的每一行Row（x）上的所有像素共享同一組重置Reset（x）和選擇Select（x）控制信號。因此，每一行上的所有像素將同時被控制曝光或讀出，換言之曝光和讀出是按行進行的。 
CMOS成像器的基本曝光方式是滾動快門Rolling Shutter曝光，圖3（A）示意一個3T-APS像素陣列滾動快門方式的曝光和讀出時序。在陣列起始的Row（0）行，重置信號Reset（0）控制本行所有像素的光電二極管充電重置，開始了對整幅圖像的曝光。然后按相等的時間間隔Trow，依次逐行（即滾動）執(zhí)行Reset（1）、Reset（2）、Reset（3）…的重置操作，直到
Reset（N-1）完成整幅圖像的曝光開始操作。每行Row（x）像素曝光之后，經(jīng)過曝光時間Exposure Time，用同樣在一行像素**享的選擇信號Select（x）控制這一行像素的讀出，以完成這一行像素的全部曝光過程。曝光時間就是這一行的重置信號Reset（x）到選擇信號Select（x）的時間間隔。與重置Reset控制一樣，從Row（0）行的Select（0）開始依次逐行（滾動）讀出操作直到Row（N-1）行的Select（N-1）控制完成一整幅圖像的全陣列讀出。 滾動快門可以是單幅圖像的也可以是連續(xù)圖像的曝光，單幅圖像曝光應(yīng)用于靜止圖像照相機still camera的攝像，連續(xù)圖像曝光被廣泛應(yīng)用于視頻和電視攝像場合。連續(xù)曝光是當(dāng)某一行像素的曝光過程 - 從重置到選擇輸出 - 完成之后，下一次曝光就開始工作了，而不必等待整幅圖像完成曝光。如圖4（A）所示。連續(xù)曝光通常有固定的幀刷新頻率Fframe，使得每一行重置有固定的周期Trst = 1 / Fframe。為了完整地實現(xiàn)每一次曝光過程，曝光時間Texp必須小于重置周期：Texp ＜Trst，即Texp ＜ 1 / Fframe。譬如對于每秒60幀的連續(xù)圖像曝光，最長的曝光時間不能大于1/60秒。 滾動快門曝光方式接近于傳統(tǒng)的電視逐行掃描攝像過程，在整幅圖像上，每一個像素不是在同一時刻同時開始和結(jié)束曝光的。在拍攝運動物體或光線快速變化的圖像時會引起幾何的或光的失真。全局快門Global Shutter 曝光方式與滾動快門方式不同，圖像上的每一個像素，同時開始曝光并然后同時結(jié)束。這種理想的曝光方式，甚至在傳統(tǒng)的化學(xué)膠片film曝光照相術(shù)中，也是難以完全實現(xiàn)的。因為用電子信號控制快門速度，遠比機械快門的動作快得多。在數(shù)字?jǐn)z影或攝像的全局快門曝光下，一幅圖像上每個像素的曝光時間差異可以完全忽略不計。 CMOS成像器的全局快門曝光可以用4晶體管像素4T-APS陣列結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，這種像素的電原理圖示意于圖4（D）。4T-APS像素的電路在3T-APS的基礎(chǔ)上增加了一個作為傳輸門的晶體管TX，它的源極S和漏極D跨接在光電二極管和源極跟隨器的柵極G之間，并在Tsf的柵極到地之間形成一個分布的懸浮PN結(jié)電容CFD。4T-APS像素陣列在執(zhí)行全局曝光過程中，可以在陣列上所有像素行同時重置開始曝光；通過在所有的TX柵極同時加信號TX控制晶體管通導(dǎo)，使所有像素同時象3T-APS一樣曝光；這時候每個光電二極管PD上的電壓也同時存儲在懸浮電容CFD上。停止曝光的控制方法是使TX管截止，從而導(dǎo)致CFD懸浮并存儲了曝光的最終電壓，然后從源極跟隨器輸出。這樣就可以實現(xiàn)陣列上所有像素同時開始曝光，并且在達到曝光時間后同時停止曝光。全局曝光完成后通過選擇信號的控制用與滾動曝光方式相同的滾動時序，讀出存儲在整個陣列CFD上的圖像信息。也就是說通過TX的控制實現(xiàn)全局曝光；經(jīng)過CFD存儲的環(huán)節(jié)，然后用滾動的方式，從CFD上讀出全幅圖像信息。 因為全局快門曝光在滾動讀出的過程中存儲信息的CFD與光電二極PD可以完全隔離，所以在上一幀滾動讀出的同時完全可以進行下一幀的曝光。使用適當(dāng)?shù)目刂茣r序，可以實現(xiàn)連續(xù)的全局曝光，被稱為流水線快門Pipeline Shutter方式。這種方式可以用于高速攝像，如每秒500幀的高速攝像機，以克服高速攝像的圖像失真。 |
