2、像素结构：4T像素与卷帘快门原理

好，我们直接进入正题。今天聊的是图像传感器最核心的两个概念——4T像素结构和卷帘快门。这两个东西，你搞懂了，后面讲多帧融合、HDR、去噪，你才能听得明白。

我刚开始接触传感器时，觉得像素不就是个光电二极管嘛，有啥好学的？后来被项目狠狠教育了一次——低光下暗电流爆表、高光下 blooming 糊成一片，才知道像素结构里的门道有多深。

2.1 从3T到4T：为什么多了一个晶体管？

先看最经典的4T像素结构。它由四个晶体管加一个光电二极管组成：

• TX（传输管）：控制电荷从PD转移到FD
• RST（复位管）：复位FD节点电压
• SF（源跟随器）：将FD电压转换为输出信号
• RS（行选管）：控制像素是否接入列总线

你可能会问：3T像素不是也能工作吗？为什么非要加个TX管？

嗯，这里有个关键点——相关双采样（CDS）。3T像素没法做真正的CDS，因为它的光电二极管直接连在FD上，复位信号和信号读出来混在一起，噪声大得吓人。4T像素把PD和FD隔开了，先读FD复位值，再打开TX把电荷转移过来，两次相减，kTC噪声和1/f噪声基本被干掉了。

2.2 4T像素的工作时序

我习惯把4T像素的工作分成四个阶段，你记一下：

1. 复位阶段：RST打开，FD被拉到VDD。同时TX关闭，PD开始积累光生电荷。
2. 采样复位值：RST关闭后，读一次FD电压，这叫复位采样。
3. 转移阶段：TX打开，PD里的电荷全部转移到FD。注意，这里要保证转移干净。
4. 采样信号值：TX关闭后，再读一次FD电压。两次相减，得到真正的光信号。

整个过程，说白了就是「先存后读，两次相减」。我当年调试第一颗4T传感器时，时序没调好，TX打开时间太短，电荷没转移完，图像暗部全是条纹。后来把TX脉宽从1μs拉到3μs，问题就解决了。

2.3 卷帘快门：逐行曝光的代价

好了，像素结构讲完了，我们聊聊快门。CMOS传感器主流用的是卷帘快门（Rolling Shutter）。

什么叫卷帘快门？说白了就是：传感器不是所有像素同时曝光，而是逐行进行的。第一行开始曝光，过一段时间第二行才开始，像窗帘一样卷过去。

为什么会这样？因为CMOS传感器的读出电路是共享的，一次只能读一行。如果所有行同时曝光，那读出时电荷就得在像素里等很久，暗电流和漏电会让你崩溃。

卷帘快门的时序是这样的：

• 每一行都有一个曝光开始时间和曝光结束时间
• 行与行之间的曝光开始时间差一个行时间（Row Time）
• 所有行的曝光时长是相同的，但曝光窗口在时间轴上错开了

嗯，这里要注意：曝光时长 = 复位到读出的时间差。你调整这个时间差，就能控制曝光量。

2.4 卷帘快门的三大痛点

卷帘快门虽然成本低、功耗小，但问题也不少。我列三个最常见的：

问题	原因	表现
果冻效应	各行曝光时间不同步	拍摄快速运动物体时，物体倾斜或变形
闪烁	曝光窗口与LED/荧光灯频率不匹配	图像出现明暗条纹
部分曝光	闪光灯与卷帘快门不同步	画面一半亮一半暗

果冻效应我印象最深。有一次拍高速运动的赛车，车身在图像里直接扭成了S形。后来我们改用全局复位+卷帘读出的混合模式，才勉强压住。

2.5 4T像素与卷帘快门的协同

4T像素和卷帘快门是怎么配合的？我画个图你就明白了。

从图上你能看到：每一行的曝光窗口在时间轴上是平移的。行1曝光结束立刻读出，行2要等一个行时间后才读出。这就是卷帘快门的本质。

2.6 4T像素的暗电流与满阱

最后聊两个关键指标——暗电流和满阱容量。

暗电流是像素在没有光照时产生的电荷。4T像素的暗电流主要来自三个地方：

• PD区域的耗尽区热产生
• Si-SiO2界面的表面态
• TX管关断时的漏电

我做过一个实验：把温度从25°C升到60°C，暗电流涨了将近10倍。所以低光长曝光时，温度控制比你想的更重要。

满阱容量决定了像素能存多少电荷。4T像素的满阱受限于FD节点的电容。FD电容越大，满阱越大，但转换增益会降低。这是个trade-off。

嗯，这一章的内容就到这里。像素结构和快门原理是传感器的基础，后面讲多帧融合时，你会反复用到这些概念。尤其是卷帘快门带来的时间错位，在多帧HDR和去运动模糊中，是必须处理的难题。