25/08/21In die wêreld van digitale beeldvorming beïnvloed min tegniese faktore beeldkwaliteit soveel soos die tipe elektroniese sluiter in jou sensor. Of jy nou hoëspoed-industriële prosesse afneem, rolprenttonele verfilm of dowwe astronomiese verskynsels vasvang, die sluitertegnologie in jou CMOS-kamera speel 'n kritieke rol in hoe jou finale beeld uitdraai.
Twee dominante tipes CMOS elektroniese sluiters, globale sluiters en rolsluiters, volg baie verskillende benaderings tot die blootstelling en uitlees van lig van 'n sensor. Om hul verskille, sterk punte en kompromieë te verstaan, is noodsaaklik as jy jou beeldstelsel by jou toepassing wil pas.
Hierdie artikel sal verduidelik wat CMOS elektroniese sluiters is, hoe globale en rolluike werk, hoe hulle in werklike situasies presteer, en hoe om te besluit watter een die beste vir jou is.
Wat is CMOS elektroniese sluiters?
'n CMOS-sensor is die hart van die meeste moderne kameras. Dit is verantwoordelik vir die omskakeling van inkomende lig in elektriese seine wat in 'n beeld verwerk kan word. Die "sluiter" in 'nCMOS-kamerais nie noodwendig 'n meganiese gordyn nie—baie moderne ontwerpe maak staat op 'n elektroniese sluiter wat beheer hoe en wanneer pixels lig vasvang.
Anders as 'n meganiese sluiter wat lig fisies blokkeer, werk 'n elektroniese sluiter deur die vloei van lading binne elke pixel te begin en te stop. In CMOS-beelding is daar twee primêre elektroniese sluiterargitekture: globale sluiter en rollende sluiter.
Waarom maak onderskeiding saak? Omdat die metode van blootstelling en uitlees direk die volgende beïnvloed:
● Bewegingsweergawe en vervorming
● Beeldskerpte
● Lae liggevoeligheid
● Raamtempo en latensie
● Algemene geskiktheid vir verskillende tipes fotografie, video en wetenskaplike beeldvorming
Verstaan Globale Sluiter
Bron: GMAX3405 Globale Sluitersensor
Hoe Globale Sluiter Werk
CMOS Globale sluiterkameras begin en eindig hul blootstelling gelyktydig oor die hele sensor. Dit word bereik deur 5 of meer transistors per pixel te gebruik, en 'n 'bergingsnode' wat verkrygde foto-elektronladings tydens uitlees hou. Die volgorde van 'n blootstelling is soos volg:
1. Begin blootstelling gelyktydig in elke pixel deur die verkrygde ladings na die grond te verwyder.
2. Wag vir die gekose blootstellingstyd.
3. Aan die einde van die blootstelling, skuif die verkrygde ladings na die stoorknooppunt in elke pixel, wat die blootstelling van daardie raam beëindig.
4. Ry vir ry, skuif elektrone na die pixel se uitleeskondensator, en herlei die opgehoopte spanning na die uitleesargitektuur, wat uitloop op die analoog-na-digitale omsetters (ADC's). Die volgende blootstelling kan tipies gelyktydig met hierdie stap uitgevoer word.
Voordele van Globale Sluiter
● Geen Bewegingsvervorming – Bewegende onderwerpe behou hul vorm en geometrie sonder die skeefheid of wiebeling wat met opeenvolgende uitlesing kan voorkom.
● Hoëspoed-opname – Ideaal vir die vries van beweging in vinnig bewegende tonele, soos in sport, robotika of vervaardigingskwaliteitsbeheer.
● Lae latensie – Alle beelddata is gelyktydig beskikbaar, wat presiese sinchronisasie met eksterne gebeurtenisse, soos laserpulse of stroboskopligte, moontlik maak.
Beperkings van Globale Sluiter
● Laer liggevoeligheid – Sommige globale sluiterpixelontwerpe offer liginsamelingsdoeltreffendheid op om die stroombane wat nodig is vir gelyktydige blootstelling te akkommodeer.
● Hoër koste en kompleksiteit – Vervaardiging is meer uitdagend, wat dikwels lei tot hoër pryse in vergelyking met roldeur-eweknieë.
● Potensiaal vir Verhoogde Geraas – Afhangende van die sensorontwerp, kan die ekstra elektronika per pixel tot effens hoër leesgeraas lei.
Verstaan Rollende Sluiter
Hoe Rolluik Werk
Deur slegs 4 transistors en geen stoorknooppunt te gebruik nie, lei hierdie eenvoudiger vorm van CMOS-pikselontwerp tot 'n meer ingewikkelde elektroniese sluiterwerking. Rolsluiterpiksels begin en stop die blootstelling van die sensor een ry op 'n slag, en 'rol' die sensor af. Die teenoorgestelde volgorde (ook in die figuur getoon) word vir elke blootstelling gevolg:
Figuur: Rolsluiterproses vir 'n 6x6 pixel kamerasensor
Die eerste raam begin blootstelling (geel) bo-aan die sensor en beweeg afwaarts teen 'n tempo van een lyn per lyntyd. Sodra die blootstelling vir die boonste lyn voltooi is, beweeg die uitlesing (pers) gevolg deur die begin van die volgende blootstelling (blou) langs die sensor af.
1. Begin blootstelling aan die boonste ry van die sensor deur die verkrygde ladings na die grond te verwyder.
2. Nadat die 'rytyd' verstryk het, beweeg na die tweede ry van die sensor en begin blootstelling, en herhaal die proses afwaarts langs die sensor.
3. Sodra die versoekte blootstellingstyd vir die boonste ry verstryk het, beëindig die blootstelling deur die verkrygde ladings deur die uitleesargitektuur te stuur. Die tyd wat dit neem om dit te doen, is die 'rytyd'.
4. Sodra die uitlees vir 'n ry voltooi is, is dit gereed om weer vanaf Stap 1 met blootstelling te begin, selfs al beteken dit dat dit oorvleuel met ander rye wat die vorige blootstelling uitvoer.
Voordele van Rolluik
●Beter Lae-lig prestasie– Die pixelontwerpe kan ligversameling prioritiseer, wat die sein-tot-ruisverhouding in dowwe toestande verbeter.
●Hoër Dinamiese Reikwydte– Opeenvolgende uitleesontwerpe kan helderder hoogtepunte en donkerder skaduwees meer grasieus hanteer.
●Meer bekostigbaar– Rollende sluiter CMOS-sensors is meer algemeen en koste-effektief om te vervaardig.
Beperkings van Rolluik
●Bewegingsartefakte– Vinnig bewegende onderwerpe kan skeef of gebuig voorkom, bekend as die "rollende sluiter-effek".
●Jello-effek in video– Handheld-beeldmateriaal met vibrasie of vinnige panning kan bewerasies in die beeld veroorsaak.
●Sinchronisasie-uitdagings– Minder ideaal vir toepassings wat presiese tydsberekening met eksterne gebeurtenisse vereis.
Globaal teenoor Rolluikdeur: Sy-aan-Sy-Vergelyking
Hier is 'n hoëvlak-oorsig van hoe rol- en globale luike vergelyk:
| Kenmerk | Roldeur | Globale Sluiter |
| Pikselontwerp | 4-transistor (4T), geen stoornodus nie | 5+ transistors, sluit stoorknooppunt in |
| Liggevoeligheid | Hoër vulfaktor, maklik aangepas vir agterbeligte formaat → hoër QE | Laer vulfaktor, BSI meer kompleks |
| Geraasprestasie | Oor die algemeen laer leesgeraas | Kan effens hoër geraas hê as gevolg van bygevoegde stroombane |
| Bewegingsvervorming | Moontlik (skeefheid, wiebeling, jellie-effek) | Geen — alle pixels word gelyktydig blootgestel |
| Spoedpotensiaal | Kan blootstellings oorvleuel en verskeie rye lees; dikwels vinniger in sommige ontwerpe | Beperk deur volraam-uitlesing, alhoewel gesplete uitlesing kan help |
| Koste | Laer vervaardigingskoste | Hoër vervaardigingskoste |
| Beste gebruiksgevalle | Lae-lig beelding, kinematografie, algemene fotografie | Hoëspoed-bewegingsopname, industriële inspeksie, presisiemetrologie |
Kernprestasieverskille
Rollende sluiterpixels gebruik tipies 'n 4-transistor (4T) ontwerp sonder 'n stoorknoop, terwyl globale sluiters 5 of meer transistors per pixel plus bykomende stroombane benodig om foto-elektrone te stoor voor uitlees.
●Vulfaktor en sensitiwiteit– Die eenvoudiger 4T-argitektuur laat 'n hoër pixelvulfaktor toe, wat beteken dat meer van elke pixel se oppervlak aan ligversameling toegewy is. Hierdie ontwerp, gekombineer met die feit dat rolluiksensors makliker aangepas kan word vir 'n agterbeligte formaat, lei dikwels tot hoër kwantumdoeltreffendheid.
●Geraasprestasie– Minder transistors en minder komplekse stroombane beteken oor die algemeen dat rolluike laer leesgeraas toon, wat hulle beter geskik maak vir toepassings in lae lig.
●Spoedpotensiaal– Roldeure kan vinniger wees in sekere argitekture omdat hulle oorvleuelende blootstelling en uitlesing toelaat, hoewel dit hoogs afhanklik is van sensorontwerp en uitlesingselektronika.
Koste en vervaardiging – Die eenvoud van rollende sluiterpixels vertaal tipies na laer produksiekoste in vergelyking met globale sluiters.
Gevorderde oorwegings en tegnieke
Pseudo-Globale Sluiter
In situasies waar jy presies kan beheer wanneer lig die sensor bereik – soos om 'n LED- of laserligbron te gebruik wat deur hardeware geaktiveer word – kan jy "globale" resultate met 'n rollende sluiter behaal. Hierdie pseudo-globale sluitermetode sinchroniseer die beligting met die blootstellingsvenster, wat bewegingsartefakte tot die minimum beperk sonder om 'n ware globale sluiterontwerp te vereis.
Beeldoorvleueling
Rolsluitersensors kan die volgende raam begin blootstel voordat die huidige raam se uitlesing voltooi is. Hierdie oorvleuelende blootstelling verbeter die werksiklus en is voordelig vir hoëspoed-toepassings waar die vaslegging van die maksimum aantal rame per sekonde krities is, maar dit kan tydsberekeningsensitiewe eksperimente bemoeilik.
Meervoudige Ry-uitlees
Baie hoëspoed-CMOS-kameras kan meer as een ry pixels op 'n slag lees. In sommige modusse word rye in pare gelees; in gevorderde ontwerpe kan tot vier rye gelyktydig gelees word, wat die totale raamuitleestyd effektief verminder.
Gesplete Sensorargitektuur
Beide rol- en globale sluiters kan 'n gesplete sensoruitleg gebruik, waar die beeldsensor vertikaal in twee helftes verdeel word, elk met sy eie ry ADC's.
● In rollende sluiter-splitsensors begin die uitlesing dikwels vanaf die middelpunt en rol uitwaarts na beide bo en onder, wat die latensie verder verminder.
● In globale sluiterontwerpe kan gesplete uitlesing raamtempo's verbeter sonder om die gelyktydigheid van blootstelling te verander.
Hoe om te kies vir jou toepassing: Rol- of globale sluiter?
Die globale sluiter kan toepassings bevoordeel
● Vereis hoë-presisie tydsberekening van gebeurtenisse
● Vereis baie kort blootstellingstye
● Vereis 'n vertraging van minder as 'n millisekonde voor die begin van 'n verkryging om met 'n gebeurtenis te sinchroniseer
● Vang grootskaalse beweging of dinamika vas op 'n soortgelyke of vinniger tydskaal as 'n rollende sluiter
● Vereis gelyktydige verkryging oor die sensor, maar kan nie ligbronne beheer om pseudo-globale sluiter oor 'n groot area te gebruik nie
Die roldeur kan toepassings bevoordeel
● Uitdagende toepassings in lae lig: Die bykomende kwantumdoeltreffendheid en laer geraas van rolsluiterkameras lei dikwels tot verbeterde SNR (Sustainable Relationship Number - SNR)
● Hoëspoed-toepassings waar presiese gelyktydigheid oor die sensor nie belangrik is nie, of die vertraging klein is in vergelyking met eksperimentele tydskale
● Ander meer algemene toepassings waar die vervaardigingseenvoud en laer koste van rolsluiterkameras voordelig is
Algemene wanopvattings
1. "Rolsluiter is altyd sleg."
Nie waar nie—rolluike is ideaal vir baie gebruiksgevalle en presteer dikwels beter as globale luike in lae lig en dinamiese omvang.
2. "Globale sluiter is altyd beter."
Alhoewel vervormingsvrye vaslegging 'n voordeel is, kan die afwegings in koste, geraas en sensitiwiteit swaarder weeg as die voordele van stadiger beeldvorming.
3. "Jy kan nie video met 'n rollende sluiter skiet nie."
Baie hoë-end rolprentkameras gebruik rolsluiters effektief; versigtige skiettegnieke kan artefakte verminder.
4. "Globale sluiters elimineer alle bewegingsonscherpte."
Hulle voorkom geometriese vervorming, maar bewegingsonscherpte van lang blootstellingstye kan steeds voorkom.
Gevolgtrekking
Die keuse tussen globale en rollende sluitertegnologie in 'n CMOS-kamera kom neer op die balans tussen bewegingshantering, ligsensitiwiteit, koste en jou spesifieke toepassingsbehoeftes.
● As jy vervormingsvrye opnames vir vinnig bewegende tonele benodig, is globale sluiter die duidelike keuse.
● As jy voorkeur gee aan lae-ligprestasie, dinamiese omvang en begroting, lewer die rollende sluiter dikwels die beste resultate.
Deur hierdie verskille te verstaan, verseker jy dat jy die regte instrument kan kies – of dit nou vir wetenskaplike beeldvorming, industriële monitering of kreatiewe produksie is.
Gereelde vrae
Watter sluitertipe is beter vir lugfotografie of hommeltuigkartering?
Vir kartering, opmeting en inspeksie waar geometriese akkuraatheid van kritieke belang is, word 'n globale sluiter verkies om vervorming te vermy. Vir kreatiewe lugvideo kan 'n rolsluiter egter steeds uitstekende resultate lewer indien bewegings beheer word.
Hoe beïnvloed sluiterkeuse beelde in lae lig?
Rolluike het oor die algemeen 'n voordeel in lae-ligprestasie omdat hul pixelontwerpe liginsamelingsdoeltreffendheid kan prioritiseer. Globale luike benodig moontlik meer komplekse stroombane wat sensitiwiteit effens kan verminder, hoewel moderne ontwerpe hierdie gaping sluit.
Hoe beïnvloed sluitertipe 'nwetenskaplike kamera?
In hoëspoed-wetenskaplike beeldvorming – soos deeltjieopsporing, seldinamika of ballistiek – is 'n globale sluiter dikwels noodsaaklik om bewegingsvervorming te vermy. Maar vir lae-lig fluoresensiemikroskopie, 'nsCMOS-kameramet 'n rollende sluiter kan gekies word om sensitiwiteit en dinamiese omvang te maksimeer.
Watter een is beter vir industriële inspeksie?
In die meeste industriële inspeksietake – veral dié wat bewegende vervoerbande, robotika of masjienvisie behels – is 'n globale sluiter die veiliger keuse om akkurate metings te verseker sonder bewegingsgeïnduseerde geometriese foute.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle regte voorbehou. Wanneer u aanhaal, erken asseblief die bron:www.tucsen.com
