CMOS数字相机的卷帘式快门原理与应用

CMOS数字相机具有2种快门模式：卷帘快门和同步（快照）快门。

在数字照相机中，图像是将来自目标的光线在固态CCD或CMOS图像传感器的感光区转化为电信号的，从强度和持续时间的长短来说，图像传感器所釆集到的信号的强弱主要由照相机的光信号的强弱来决定的。因此，一个片子上的电子开关就应该能控制曝光量，在积分期间，象数会积累电荷。利用全局快门图像传感器时，整个图像在积分时就会被重建，每一个像素累积的电荷会同时转移到存储区，由于所有的像素都会在同一时间被重建，并且在同一间隔内结合起来，因此在图像中没有虚影。使用CMOS卷帘快门的图像传感器，图像上的像素列会有序的被重建，而且从顶部开始一排一排的过虑到底部，一旦像素被重建后，在一个时间延迟内，会以相同的速度被读取出来，在重建与读取的这段时间的延迟就是曝光时间。随着图像在一组传感器组中的移动，积分的开始与结束时间会发生转变，在这种情况下，如果目标在积分时间内运动，一些虚影就会出现，目标运动得越快，失真便会越大，卷帘快门的益处是读取和曝光时间不会重叠，而且还可以使所有帧在不降低帧频下全部显露出来。

（一）卷帘式快门的工作原理

这种快门之所以被称为卷帘式快门，是因为它的作用效果类似于单反胶片相机的卷帘快门，虽然这是一种纯电子操作，但是其效果就是像在图像上滑过一样。卷帘快门在CMOS传感器中很容易实现。2个列方向移位寄存器，一个寄存器指向当前正被读出的行，另一个指向正被复位的行。2个寄存器的指针在同一个列时钟下同向扫过整个焦平面，每一行的积分时间就由2个指针之间的延迟决定。每一行以连续的方式做读出和复位。积分时间对于所有行都是一样的，只是时间上是顺次推移的。积分时间可以通过设定积分时间寄存器（INT_Time register，设定行数）来改变积分时间。由于所有的像元不是在同一时间感光，所以在捕捉运动物体时可能会导致图像模糊。

下面以IBIS5-A-1300型图像传感器为例，说明卷帘式快门的具体工作原理。当传感器被设定为卷帘式快门时，输入管脚SS_START和SS_STOP必须被置低。

在这种模式下一帧的周期可以按下式计算：(www.xing528.com)

其中，Nr.Lines代表每一帧读出的行数（Y方向）；Nr.Pixels代表每一行读出的像素单元数（X方向）；RBT代表行空白时间（Row Blanking Time）典型值为3.5μs；Pixel period为1/40MHz=25ns。

在最高分辨率下以标称速度（40MHz像元速率）：

（二）卷帘式快门的特点

卷帘式快门模式的特点是工作时有2个y方向的寻址寄存器，一个指向正在被读出的行，另一个指向正在被复位的行，这2个寻址寄存器在同一时钟频率下逐行移位并扫过整个像平面，图像传感器每行像素的积分时间相同，由2个寻址寄存器脉冲之间的时间延迟来决定。x方向的移位寄存器用来指向正被读出的列，每行数据依次被读出并复位。

卷帘式快门模式在行开始信号Y_START的高电平下开始工作，此时y方向上的寻址读取寄存器开始移位，每经过一个Y_CLOCK脉冲，计数器计数，寄存器指针指向新的一行，在PIXEL_VALID信号的高电平时读取该行图像数据，当计数与积分时间寄存器的值相等时，TIME_OUT信号产生高电平，启动y方向上的寻址复位寄存器开始工作，对寄存器指针所指向的像素行进行复位，此后2个寻址寄存器保持同步移动，依次扫过整个像平面。因此，像平面的总行数与积分时间寄存器数值的差值为图像传感器像素的实际积分时间。