2025/09/30在數位影像領域，很少有技術因素能像感測器中的電子快門類型一樣對影像品質產生如此大的影響。無論您是拍攝高速工業流程、電影片段，還是捕捉微弱的天文現象，CMOS 相機內部的快門技術都對最終影像的成像效果起著至關重要的作用。
CMOS電子快門主要分為兩大類：全域快門和捲簾快門。它們採用截然不同的方式來曝光和讀取感測器發出的光。了解它們的差異、優勢和優缺點對於選擇合適的成像系統至關重要。
本文將解釋什麼是 CMOS 電子快門，全局快門和捲簾快門的工作原理，它們在實際應用中的表現，以及如何決定哪種快門最適合您。
什麼是CMOS電子快門？
CMOS感測器是大多數現代相機的核心元件。它負責將入射光轉換成電訊號，這些電訊號可以被處理成影像。相機中的「快門」負責將入射光轉換成電訊號，從而產生影像。CMOS相機不一定是機械簾幕——許多現代設計都依賴電子快門來控制像素如何以及何時捕捉光線。
與物理性阻擋光線的機械快門不同，電子快門的工作原理是透過控制每個像素內電荷的流動來啟動和停止。在CMOS成像中，主要有兩種電子快門架構：全局快門和捲簾快門。
為什麼區分很重要？因為曝光和讀數方法直接影響：
● 動作渲染與失真
● 影像清晰度
●低光照靈敏度
● 幀速率和延遲
● 整體適用於不同類型的攝影、視訊和科學影像
了解全球快門
GMAX3405 全域快門感應器
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全域快門的工作原理
CMOS全域快門相機在整個感光元件上同時開始和結束曝光。這是透過每個像素使用5個或更多的晶體管，以及在讀出過程中儲存所獲取的光電子電荷的「儲存節點」來實現。曝光過程如下：
1. 透過清除每個像素中累積的電荷並將其接地，同時開始曝光。
2. 等待選定的曝光時間。
3. 曝光結束時，將擷取的電荷移到每個像素的儲存節點，結束該畫面的曝光。
4. 逐行地將電子移入像素的讀出電容器，並將累積的電壓傳遞到讀出架構，最終到達類比數位轉換器 (ADC)。通常，下一次曝光可以與此步驟同時進行。
全域快門的優勢
● 無運動失真 – 運動的物體保持其形狀和幾何形狀，不會像順序讀取那樣出現傾斜或晃動。
●高速捕捉 – 非常適合在快速移動的場景中凍結動作，例如運動、機器人技術或製造品質控制。
●低延遲 – 所有影像資料均可立即取得，因此能夠與外部事件（如雷射脈衝或頻閃燈）精確同步。
全域快門的局限性
●光敏感度降低– 一些全域快門像素設計犧牲了聚光效率，以容納同時曝光所需的電路。
●成本更高，複雜性更大– 與捲簾門相比，製造流程更具挑戰性，通常會導致價格更高。
●噪音增加的可能性– 根據感測器設計，每個像素額外的電子元件可能會導致讀取雜訊略微升高。
了解捲門
捲簾快門的工作原理
這種僅使用 4 個電晶體且無需儲存節點的簡化 CMOS 像素設計，導致了更複雜的電子快門操作。捲簾快門像素逐行啟動和停止感光元件的曝光，如同「滾動」感光元件一般。每次曝光都遵循相反的順序（圖中也顯示了該順序）：
6x6像素相機感光元件的捲簾快門過程
第一幀從感測器頂部開始曝光（黃色），以每行時間一行的速度向下掃描。頂部一行曝光完成後，讀取資料（紫色），隨後開始下一幀的曝光（藍色），掃描過程向下遍歷感測器。
1. 開始對感測器頂行進行曝光，清除已累積的電荷。
地面。
2. “行時間”結束後，移動到感應器的第二行並開始曝光，向下重複此操作。
3. 當頂行所需的曝光時間結束後，透過讀出架構發送採集到的電荷來結束曝光。此過程所需的時間稱為“行時間”。
4. 一旦某一行的讀數完成，就可以從步驟 1 重新開始曝光，即使這表示與其他正在執行先前曝光的行重疊。
捲門的優點
●更好的低光照性能– 像素設計可以優先收集光線，從而在昏暗條件下提高訊號雜訊比。
●更高的動態範圍– 順序讀取設計可以更優雅地處理更明亮的高光和更暗的陰影。
●更實惠– 捲簾快門 CMOS 感光元件更常見，製造成本也更低。
捲門的局限性
●運動偽影– 快速移動的物體可能會出現傾斜或彎曲的現象，這稱為「滾動快門效應」。
●影片中的果凍效果– 手持拍攝時，如果畫面搖晃或快速平移，可能會導致影像晃動。
●同步挑戰– 對於需要與外部事件進行精確計時的應用來說，不太理想。
全域快門與捲簾快門：並排比較
以下是捲門和整體式百葉窗的簡要對比：
| 特徵 | 捲門 | 全球快門 |
| 像素設計 | 4電晶體（4T），無儲存節點 | 5個以上電晶體，包括儲存節點 |
| 光敏感性 | 更高的填充因子，更容易適應背光格式 → 更高的量子效率 | 填充因子降低，BSI 更複雜 |
| 噪音性能 | 通常讀出雜訊較低 | 由於增加了電路，噪音可能會略高。 |
| 運動畸變 | 可能出現（傾斜、搖晃、果凍效應） | 無 — 所有像素同時曝光 |
| 速度潛力 | 可以重疊曝光並讀取多行；在某些設計中通常速度更快 | 受限於全幀讀取，但分段讀取可以有所幫助。 |
| 成本 | 降低製造成本 | 更高的製造成本 |
| 最佳應用案例 | 低光照影像、電影攝影、一般攝影 | 高速運動捕捉、工業檢測、精密計量 |
核心效能差異
捲簾快門像素通常採用 4 電晶體 (4T) 設計，沒有儲存節點，而全局快門每個像素需要 5 個或更多電晶體，外加額外的電路來儲存光電子，然後再進行讀出。
●填充因子和靈敏度– 更簡潔的 4T 架構允許更高的像素填充率，這意味著每個像素表面有更多面積用於光線收集。這種設計，再加上捲簾快門感測器更容易適應背照式結構，通常能帶來更高的量子效率。
●噪音性能– 較少的電晶體和較簡單的電路通常意味著捲簾快門具有較低的讀取噪聲，使其更適合低光源應用。
●速度潛力– 在某些架構中，捲簾快門速度可能更快，因為它們允許重疊曝光和讀取，但這很大程度上取決於感測器設計和讀取電子設備。
●成本與製造– 與全域快門相比，捲簾快門像素的簡單性通常意味著更低的生產成本。
高級考量與技巧
偽全域快門
在能夠精確控制光線到達感測器的時間的情況下——例如使用硬體觸發的 LED 或雷射光源——可以使用捲簾快門實現類似全局快門的效果。這種偽全域快門方法將照明與曝光視窗同步，最大限度地減少運動偽影，而無需真正的全域快門設計。
影像重疊
捲簾快門感測器可以在目前幀讀取完成之前就開始曝光下一幀。這種重疊曝光可以提高佔空比，有利於對每秒幀數要求極高的高速應用，但也會為對時間要求較高的實驗帶來複雜性。
多行讀取
許多高速CMOS相機可以同時讀取多行像素。在某些模式下，像素行成對讀取；在更先進的設計中，最多可以同時讀取四行，從而有效縮短幀讀取時間。
分離式感測器架構
捲簾快門和全局快門都可以使用分離式感測器佈局，其中影像感測器在垂直方向上分成兩半，每一半都有自己的一行ADC。
● 在捲簾式分割畫面感應器中，讀取通常從中心開始，然後向頂部和底部滾動，進一步降低延遲。
● 在全域快門設計中，分割幀讀取可以在不改變曝光同步性的情況下提高幀速率。
如何根據您的應用選擇：捲簾式還是整體快門？
全域快門可能對應用程式有利
● 需要對事件進行高精度計時。
● 需要極短的曝光時間
● 採集開始前需要亞毫秒級的延遲，以便與事件同步。
● 以與捲簾快門相似或更快的速度捕捉大規模運動或動態畫面
● 需要感測器上的同步擷取，但無法控制光源以在大範圍內使用偽全域快門
捲簾門可能對某些應用有利
● 應對低光照環境挑戰：捲簾快門相機更高的量子效率和更低的雜訊通常能帶來更高的訊號雜訊比。
● 高速應用，其中對感測器上的精確同步性要求不高，或延遲與實驗時間尺度相比很小
● 其他一些更廣泛的應用場景，例如捲簾快門相機的製造流程簡單和成本較低等優點也同樣適用。
常見誤解
1.“捲簾式快門總是不好的。”
並非如此——捲簾快門適用於許多應用場景，並且在低光照和動態範圍內通常比全局快門表現更好。
2.“全局快門總是更好。”
雖然無失真拍攝是一項優勢，但成本、雜訊和靈敏度方面的權衡可能會抵消慢速成像帶來的好處。
3. “你不能用捲簾快門拍攝影片。”
許多高端電影攝影機都有效地利用了捲簾快門；精心的拍攝技巧可以最大限度地減少偽影。
4.“全局快門消除所有運動模糊。”
它們可以防止幾何畸變，但長時間曝光仍可能出現運動模糊。
結論
CMOS 相機中全局快門和捲簾快門技術之間的選擇，歸根結底取決於運動處理、光靈敏度、成本以及您的特定應用需求之間的平衡。
● 如果您需要拍攝快速移動的場景而不產生失真，全域快門顯然是最佳選擇。
● 如果您優先考慮低光照性能、動態範圍和預算，那麼捲簾快門通常會帶來最佳效果。
了解這些差異可以確保您能夠選擇合適的工具—無論是用於科學成像、工業監控還是創意製作。
常見問題解答
哪種快門類型更適合航拍攝影或無人機測繪？
對於測繪、勘測和檢查等對幾何精度要求極高的作業，為了避免畫面變形，通常首選全域快門。然而，對於創意空拍視頻，如果能夠有效控制運動，捲簾快門也能帶來出色的效果。
快門選擇如何影響低光源成像？
捲簾快門在低光照性能方面通常具有優勢，因為其像素設計可以優先考慮聚光效率。全域快門可能需要更複雜的電路，這可能會略微降低感光度，不過現代設計正在縮小這一差距。
快門類型如何影響科學相機？
在高速科學成像（例如粒子追蹤、細胞動力學或彈道學）中，全局快門通常對於避免運動失真至關重要。但對於低光螢光顯微鏡而言，sCMOS相機可以選擇捲簾快門來最大限度地提高靈敏度和動態範圍。
哪種比較適合工業檢測？
在大多數工業檢測任務中——尤其是涉及移動傳送帶、機器人或機器視覺的任務——全局快門是更安全的選擇，可以確保精確測量而不會產生運動引起的幾何誤差。
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