为什么使用机械快门时没有滚动快门?

电器工程 传感器 CMOS 相机 物理 图像传感器
2022-01-09 15:14:26

所以我知道这可能不是问这个问题的最佳场所,但也许你们中的一些人熟悉数码无反光镜相机的机制和 CMOS 传感器的技术。

我不太明白为什么会产生滚动快门伪影的电子图像传感器在与机械快门结合使用时不会产生具有此问题的图像。我没有得到的是以下内容:

卷帘快门是由于传感器从一侧读取到另一侧(通常是从上到下)而发生的,因此实际图像是从不同连续时刻的扫描线拼接在一起的。据我了解,扫描线读数模拟了在传感器上方移动的机械快门窗口(?)。现在,当在传感器前面使用机械快门时,快门接管了这项任务,而传感器一次全局读取(?)。因此,滚动快门伪影不会出现在最终图像中。但是,如果传感器可以一次全局读取,为什么在使用电子快门时不能简单地发生这种情况?为什么传感器不能在例如 1/2000 秒内完全打开和关闭,避免滚动快门?为什么拍照需要“扫描线法”,

当我有一台可以通过机械快门以 10fps 拍摄静止图像的相机时,为什么不意味着传感器可以以电子方式以 10fps 拍摄图像而不会产生滚动快门呢?

我发现这篇文章解释了滚动快门的一般原因,但不是我的具体问题。

我什至不知道我的假设是否正确,但如果有人能对此有所了解,我会很高兴。

2个回答

当我有一台可以通过机械快门以 10fps 拍摄静止图像的相机时,为什么不意味着传感器可以以电子方式以 10fps 拍摄图像而不会产生滚动快门呢?

为了理解原因,我们必须看一下典型的 3T(晶体管)像素:

3T像素

这个 3T 像素可以与卷帘快门一起使用,但不能与(电子)全局快门一起使用。RST 信号会将光电二极管两端的电压重置为正电压。当检测到光时,该电压将与检测到的光生电荷成比例地降低。全局快门令人讨厌的部分是我们无法关闭光电二极管由于实际原因(太多电线、读出电路、电源等),我们无法同时读出所有像素,因此在读出期间,光会不断聚集在其他像素中,从而导致它们的输出发生变化。添加机械快门可以防止光线到达光电二极管,从而绕过这个问题。

为了在 CMOS 中实现全局快门,至少需要一个 4T 像素:

4T像素

TG 信号可用于关闭或打开路径,以便在 \$M_{sf}\$ 的门上收集检测到的光生电荷。这是一种控制快门的电子方式。

全局快门相对于滚动快门的主要缺点是捕捉的时间窗口变短。这在您提到的帖子中进行了解释。下图也展示了这一点(我很快用油漆画了出来)。

全局与卷帘快门

全局快门之所以成为当今更可行的选择,是因为技术进步(背面​​照明、降低噪声 \$<1e^-\$,...),通常以牺牲成本为代价。

这有两个部分:首先,滚动快门仍然可以使用(一些,见注)机械快门发生。然而,这只是在很短的曝光时间内。百叶窗由两个窗帘构成。曝光前,幕布 1 位于传感器前面。当曝光开始时,窗帘 1 向下(或向上或其他)移动并开始曝光传感器。在曝光结束时,帘 2 移入并覆盖传感器。

假设窗帘需要 2 毫秒来完成整个运动。如果您的曝光时间为 100 毫秒,这意味着在 98 毫秒内,整个传感器同时曝光。结果,没有滚动快门。

然而,在某些时候,快门无法足够快地移动,并且整个传感器都不会暴露(这是您的相机将无法使用简单闪光同步的点)。例如,假设我们的曝光时间为 1/1000。这意味着我们的传感器可能只暴露 1 毫秒。但是,如果第二个帘幕等到第一个帘幕完全曝光传感器,则传感器的某些部分已经暴露了 2 毫秒!相反,第二个帘幕在第一个帘幕完成之前开始移动,并且曝光作为曝光传感器的“线”发生。在 youtube 上观看来自 Slow Mo Guys 的视频,您可以清楚地看到这种情况:

https://www.youtube.com/watch?v=CmjeCchGRQo

那么为什么我们看不到这些相机的相同滚动快门效果呢?我们的确是!我们只是没有注意到。这是数码单反相机上的快门移动得如此之快,以至于即使在 5 毫秒的曝光时间下,它们也经常会在某个点曝光整个传感器(如果移动很大,这只会导致图像模糊,并且隐藏任何“卷帘快门” ” 效果。在较高的快门速度下,为您提供滚动快门效果(例如 1/1000 秒曝光)所需的运动量非常高,远远高于视频中的典型曝光量。但如果我们确实达到了那些速度,卷帘快门是机械快门的东西,看看维基百科的这张图片:

在此处输入图像描述

我不确定现代 DSLR 传感器的传感器读数是如何发生的,但我认为它们仍然会执行某种形式的扫描线。这与传感器的照明无关,后者由机械快门完成。

注意:人们可能会说(非常)昂贵的相机中使用的叶片快门没有滚动快门。