4. 全局快门原理
全局快门（Global Shutter）最核心的特征是：所有像素在同一时刻开始曝光，并在同一时刻结束曝光。这意味着整幅图像记录的是同一个物理瞬间，而不是像卷帘快门那样逐行错时曝光。理解全局快门，不能只停留在“同时曝光”这一句话上，还要看清它背后的电荷转移路径、存储节点位置、读出时序以及帧周期之间的关系。
一、同时曝光机制：从“逐行”到“整帧”
卷帘快门中，每一行的曝光起点依次错开，因此高速运动物体在画面中会产生倾斜、弯曲或部分曝光。全局快门则通过一个全局控制信号，让所有像素的光电二极管在同一时刻进入曝光状态，并在同一时刻结束。其基本过程可以概括为：
- 复位阶段：所有像素的光电二极管被复位到参考电平，清除上一帧残留电荷。
- 全局曝光开始：全局控制信号同时打开所有像素的曝光通路，光电二极管开始积累光生电荷。
- 全局曝光结束：经过设定的曝光时间后，所有像素同时关闭曝光通路。
- 电荷转移：每个像素将光电二极管中的电荷转移到对应的存储节点或浮置扩散节点。
- 逐行读出：虽然曝光是全局的，但读出仍可按行、按列或分区进行，以适配 ADC 和输出接口的带宽。
因此，“全局”指的是曝光时刻的全局性，并不代表读出也必须全局并行完成。读出阶段仍然可以逐行进行，这正是全局快门能够兼顾曝光一致性与读出效率的关键。
二、电荷转移与存储节点：全局快门的关键结构
全局快门像素通常需要在光电二极管之外增加一个存储节点（Storage Node）或采样保持电容。曝光结束后，电荷先被快速转移到存储节点，再由读出电路逐行读取。这样做的原因是：如果电荷一直留在光电二极管中等待逐行读出，后续入射光会继续产生电荷，破坏已经结束的曝光结果。
典型全局快门像素的信号链可以表示为：
光电二极管 PD → 转移栅 TX → 存储节点 SN / 浮置扩散 FD → 源极跟随器 SF → 行选开关 RS → 列输出线 → ADC其中，转移栅 TX 负责在曝光结束后把电荷从 PD 转移到 SN；存储节点 SN 负责暂存电荷；浮置扩散 FD 将电荷转换为电压；源极跟随器 SF 进行缓冲放大；行选开关 RS 控制该行是否接入列输出线。与卷帘快门像素相比，全局快门像素多了存储节点和更复杂的时序控制，因此像素面积通常更大，填充因子和灵敏度也可能受到一定影响。
三、读出时序与帧周期关系
全局快门的帧周期由曝光时间、电荷转移时间、读出时间和消隐时间共同决定。其关系可以写成：
帧周期 T_frame = T_exp + T_transfer + T_readout + T_blank
帧率 FPS = 1 / T_frame其中，T_exp 是全局曝光时间，T_transfer 是所有像素电荷转移到存储节点的时间，T_readout 是逐行读出全部像素所需的时间，T_blank 是行间消隐和同步开销。需要注意的是，曝光时间和读出时间可以部分重叠：当第 N 帧正在读出时，第 N+1 帧的曝光可以在下一帧周期中开始。但在同一帧内，曝光结束到电荷转移完成之间通常需要严格隔离，以保证所有像素记录的是同一时刻的光强。
下面这张图展示了全局快门从曝光到读出的典型时序关系：
四、帧周期与曝光时间的关系：不是简单相加
很多初学者会误以为“帧率 = 1 / 曝光时间”，这在全局快门中并不成立。曝光时间只是帧周期的一部分。即使曝光时间很短，读出时间也可能成为瓶颈。例如，一个 500 万像素的全局快门传感器，若读出时间为 20 ms，曝光时间为 1 ms，则帧周期至少约为 21 ms 加上消隐时间，帧率约为 45 fps 左右，而不是 1000 fps。
下表列出了全局快门时序中的关键参数及其影响：
| 参数 | 含义 | 对帧周期的影响 | 优化方向 |
|---|---|---|---|
| T_exp | 全局曝光时间 | 直接增加帧周期 | 提高照度、增大光圈、提升增益 |
| T_transfer | 电荷从 PD 转移到 SN 的时间 | 通常较短，但不可忽略 | 优化转移栅驱动与像素结构 |
| T_readout | 逐行读出全部像素的时间 | 常成为高分辨率下的主要瓶颈 | 提高 ADC 速度、增加并行输出通道 |
| T_blank | 行间消隐与同步开销 | 小幅增加帧周期 | 优化时序控制与接口协议 |
五、典型场景与选型启示
全局快门适合拍摄高速运动物体、需要精确几何测量的场景，例如工业检测中的传送带零件定位、机器视觉中的运动抓拍、无人机姿态测量、激光三角测量以及高速条码识别。在这些场景中，卷帘快门会导致运动畸变，而全局快门可以保证同一帧内所有像素对应同一时刻，从而让测量结果更可靠。
但全局快门也有代价：像素结构更复杂，存储节点占用面积，导致量子效率、满阱容量和低照度性能可能不如同代卷帘快门传感器；同时，全局快门在读出阶段仍需逐行进行，因此高帧率与高分辨率往往难以同时兼顾。选型时需要在运动保真度、分辨率、帧率、灵敏度和成本之间做权衡。
六、复盘：抓住三个关键判断
- 曝光是否全局：所有像素是否在同一时刻开始和结束曝光，这是全局快门的根本标志。
- 电荷是否存在存储节点：曝光结束后，电荷必须先转移到遮光存储节点，再等待读出，否则会继续感光。
- 帧周期是否被读出限制：曝光时间短不代表帧率高，读出时间、ADC 速度和接口带宽往往才是决定帧率的关键。
理解全局快门的原理，本质上就是理解“同时曝光”与“顺序读出”之间的配合关系。只有把曝光、电荷转移、存储节点和读出时序放在同一张时间图上，才能准确判断一颗全局快门传感器在实际系统中的帧率上限与适用边界。