مصاريع CMOS الإلكترونية: العالمية مقابل الدوارة وكيفية الاختيار |

في عالم التصوير الرقمي، لا تؤثر إلا عوامل تقنية قليلة على جودة الصورة بقدر تأثير نوع الغالق الإلكتروني في المستشعر. سواء كنت تصوّر عمليات صناعية عالية السرعة، أو تصوّر مشاهد سينمائية، أو تلتقط ظواهر فلكية خافتة، فإن تقنية الغالق داخل كاميرا CMOS تلعب دورًا حاسمًا في جودة الصورة النهائية.

هناك نوعان رئيسيان من مصاريع CMOS الإلكترونية، وهما المصاريع الشاملة والمصاريع الدوارة، ويتبعان نهجين مختلفين تمامًا في تعريض الضوء وقراءته من المستشعر. يُعد فهم اختلافاتهما ونقاط قوتهما ومزاياهما أمرًا بالغ الأهمية إذا كنت ترغب في مواءمة نظام التصوير الخاص بك مع تطبيقك.

ستشرح هذه المقالة ما هي مصاريع CMOS الإلكترونية، وكيف تعمل المصاريع العالمية والمتحركة، وكيف تعمل في المواقف الواقعية، وكيفية تحديد أيها الأفضل بالنسبة لك.

ما هي مصاريع CMOS الإلكترونية؟

يُعد مستشعر CMOS جوهر معظم الكاميرات الحديثة. فهو مسؤول عن تحويل الضوء الوارد إلى إشارات كهربائية يمكن معالجتها وتحويلها إلى صورة. أما "الغالق" في الكاميرا،كاميرا CMOSلا يعد الستار الميكانيكي بالضرورة ستارة ميكانيكية، حيث تعتمد العديد من التصميمات الحديثة على مصراع إلكتروني يتحكم في كيفية وتوقيت التقاط البكسل للضوء.

بخلاف المصراع الميكانيكي الذي يحجب الضوء ماديًا، يعمل المصراع الإلكتروني عن طريق بدء وإيقاف تدفق الشحنة داخل كل بكسل. في تصوير CMOS، هناك بنيتان رئيسيتان للمصراع الإلكتروني: المصراع الشامل والمصراع الدوار.

لماذا يُعدّ التمييز مهمًا؟ لأنّ طريقة العرض والقراءة تؤثر مباشرةً على:

● تقديم الحركة والتشويه
● حدة الصورة
● حساسية الإضاءة المنخفضة
● معدل الإطارات والزمن الكامن
● الملاءمة العامة لأنواع مختلفة من التصوير الفوتوغرافي والفيديو والتصوير العلمي

فهم المصراع العالمي

المصدر: مستشعر الغالق العالمي GMAX3405

كيف يعمل Global Shutter

تبدأ كاميرات الغالق العالمية CMOS وتنتهي من تعريضها الضوئي في آنٍ واحد عبر المستشعر بأكمله. ويتحقق ذلك باستخدام 5 ترانزستورات أو أكثر لكل بكسل، و"عقدة تخزين" تحفظ شحنات الإلكترونات الضوئية المكتسبة أثناء القراءة. تسلسل التعريض الضوئي هو كما يلي:

1. ابدأ التعريض في نفس الوقت في كل بكسل عن طريق مسح الشحنات المكتسبة على الأرض.

2. انتظر وقت التعرض المختار.

3. في نهاية التعرض، قم بنقل الشحنات المكتسبة إلى عقدة التخزين في كل بكسل، مما يؤدي إلى إنهاء تعرض هذا الإطار.

٤. صفًا تلو الآخر، انقل الإلكترونات إلى مكثف قراءة البكسل، ثم انقل الجهد المتراكم إلى بنية القراءة، ليصل إلى المحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs). عادةً ما يُجرى التعريض التالي بالتزامن مع هذه الخطوة.

مزايا الغالق العالمي

● عدم وجود تشويه للحركة - تحتفظ الكائنات المتحركة بشكلها وهندستها دون الانحراف أو الاهتزاز الذي قد يحدث مع القراءة المتسلسلة.
● التقاط عالي السرعة - مثالي لتجميد الحركة في المشاهد سريعة الحركة، مثل الرياضة، أو الروبوتات، أو مراقبة جودة التصنيع.
● زمن انتقال منخفض - تتوفر جميع بيانات الصورة مرة واحدة، مما يتيح المزامنة الدقيقة مع الأحداث الخارجية، مثل نبضات الليزر أو أضواء ستروب.

حدود الغالق العالمي

● حساسية ضوء أقل - بعض تصميمات بكسل الغالق العالمية تضحي بكفاءة جمع الضوء لاستيعاب الدوائر الكهربائية اللازمة للتعرض المتزامن.
● تكلفة أعلى وتعقيد - تعد عملية التصنيع أكثر تحديًا، مما يؤدي غالبًا إلى ارتفاع الأسعار مقارنة بنظيراتها من الستائر الدوارة.
● إمكانية زيادة الضوضاء - اعتمادًا على تصميم المستشعر، يمكن للإلكترونيات الإضافية لكل بكسل أن تؤدي إلى زيادة طفيفة في ضوضاء القراءة.

فهم الستائر الدوارة

كيف تعمل الستائر الدوارة

باستخدام أربعة ترانزستورات فقط وبدون عقدة تخزين، يؤدي هذا التصميم البسيط لبيكسلات CMOS إلى عملية غالق إلكترونية أكثر تعقيدًا. تبدأ بيكسلات الغالق الدوارة وتُوقف تعريض المستشعر صفًا تلو الآخر، "بالتدحرج" لأسفل المستشعر. يُتبع التسلسل المعاكس (الموضح أيضًا في الشكل) لكل تعريض:

الشكل: عملية مصراع الدوران لمستشعر كاميرا 6 × 6 بكسل

يبدأ الإطار الأول بالتعريض (الأصفر) من أعلى المستشعر، ويتحرك للأسفل بمعدل سطر واحد لكل سطر. بعد اكتمال التعريض للخط العلوي، تنتقل القراءة (الأرجوانية) متبوعة ببداية التعريض التالي (الأزرق) إلى أسفل المستشعر.

1. ابدأ التعرض للصف العلوي من المستشعر عن طريق مسح الشحنات المكتسبة إلى الأرض.
2. بعد انقضاء "وقت الصف"، انتقل إلى الصف الثاني من المستشعر وابدأ التعريض، وكرر ذلك لأسفل المستشعر.
٣. بعد انتهاء وقت التعريض المطلوب للصف العلوي، أنهِ التعريض بإرسال الشحنات المُكتسبة عبر بنية القراءة. يُسمى هذا الوقت "وقت الصف".
4. بمجرد اكتمال القراءة لصف واحد، يصبح الصف جاهزًا لبدء التعرض مرة أخرى من الخطوة 1، حتى لو كان ذلك يعني التداخل مع صفوف أخرى تقوم بالتعرض السابق.

مزايا الستائر الدوارة

●أداء أفضل في الإضاءة المنخفضة- يمكن لتصميمات البكسل إعطاء الأولوية لجمع الضوء، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الظروف الخافتة.
●نطاق ديناميكي أعلى– يمكن لتصميمات القراءة المتسلسلة التعامل مع الأضواء الساطعة والظلال الداكنة بشكل أكثر أناقة.
●أكثر بأسعار معقولة– أجهزة استشعار CMOS ذات الستائر الدوارة أكثر شيوعًا وفعالية من حيث التكلفة في التصنيع.

حدود الستائر الدوارة

●آثار الحركة– قد تظهر الأجسام سريعة الحركة منحرفة أو منحنية، وهو ما يُعرف باسم "تأثير الغالق المتدحرج".
●تأثير الجيلي في الفيديو– قد تتسبب اللقطات الملتقطة باليد مع الاهتزاز أو التحريك السريع في حدوث اهتزاز في الصورة.
●تحديات المزامنة- أقل مثالية للتطبيقات التي تتطلب توقيتًا دقيقًا مع الأحداث الخارجية.

مقارنة بين الستائر العالمية والستائر الدوارة: مقارنة جنبًا إلى جنب

فيما يلي نظرة عامة رفيعة المستوى حول كيفية مقارنة الستائر الدوارة والعالمية:

ميزة	مصراع دوار	مصراع عالمي
تصميم البكسل	4- ترانزستور (4T)، لا يوجد عقدة تخزين	5+ ترانزستورات، بما في ذلك عقدة التخزين
حساسية الضوء	عامل تعبئة أعلى، يتكيف بسهولة مع تنسيق الإضاءة الخلفية → QE أعلى	عامل تعبئة أقل، BSI أكثر تعقيدًا
أداء الضوضاء	ضوضاء قراءة أقل عمومًا	يمكن أن يكون هناك ضوضاء أعلى قليلاً بسبب الدوائر المضافة
تشويه الحركة	ممكن (انحراف، تذبذب، تأثير الجيلي)	لا شيء — يتم عرض جميع وحدات البكسل في وقت واحد
إمكانات السرعة	يمكن أن تتداخل التعريضات وتقرأ صفوفًا متعددة؛ غالبًا ما تكون أسرع في بعض التصميمات	محدودة بقراءة الإطار الكامل، على الرغم من أن القراءة المنقسمة يمكن أن تساعد
يكلف	انخفاض تكلفة التصنيع	ارتفاع تكلفة التصنيع
أفضل حالات الاستخدام	التصوير في الإضاءة المنخفضة، التصوير السينمائي، التصوير الفوتوغرافي العام	التقاط الحركة عالية السرعة، والتفتيش الصناعي، والقياس الدقيق

اختلافات الأداء الأساسية

تستخدم بكسلات المصراع المتدحرجة عادةً تصميمًا مكونًا من 4 ترانزستورات (4T) بدون عقدة تخزين، بينما تتطلب المصاريع العالمية 5 ترانزستورات أو أكثر لكل بكسل بالإضافة إلى دوائر إضافية لتخزين الفوتونات الإلكترونية قبل القراءة.

●عامل التعبئة والحساسيةيتيح تصميم 4T الأبسط عامل تعبئة أعلى للبكسل، مما يعني تخصيص مساحة أكبر من سطح كل بكسل لجمع الضوء. هذا التصميم، بالإضافة إلى سهولة تكييف مستشعرات الغالق الدوار مع نظام الإضاءة الخلفية، غالبًا ما يؤدي إلى كفاءة كمية أعلى.
●أداء الضوضاء- إن العدد الأقل من الترانزستورات والدوائر الكهربائية الأقل تعقيدًا يعني عمومًا أن الستائر الدوارة تُظهر ضوضاء قراءة أقل، مما يجعلها أكثر ملاءمة لتطبيقات الإضاءة المنخفضة.
●إمكانات السرعة– يمكن أن تكون الستائر الدوارة أسرع في بعض التصميمات المعمارية لأنها تسمح بتداخل التعرض والقراءة، على الرغم من أن هذا يعتمد بشكل كبير على تصميم المستشعر وإلكترونيات القراءة.

التكلفة والتصنيع – إن بساطة بكسلات مصاريع الدوران تترجم عادةً إلى انخفاض تكاليف الإنتاج مقارنة بالمصاريع العالمية.

اعتبارات وتقنيات متقدمة

مصراع شبه عالمي

في الحالات التي يمكنك فيها التحكم بدقة في وصول الضوء إلى المستشعر - مثل استخدام مصدر ضوء LED أو ليزر مُفعّل بواسطة جهاز - يمكنك تحقيق نتائج "عالمية" باستخدام مصراع دوار. تُزامن هذه الطريقة شبه العالمية للإغلاق الإضاءة مع نافذة التعريض، مما يُقلل من تشوهات الحركة دون الحاجة إلى تصميم مصراع عالمي حقيقي.

تداخل الصورة

يمكن لمستشعرات الغالق الدوار أن تبدأ بتعريض الإطار التالي قبل اكتمال قراءة الإطار الحالي. يُحسّن هذا التعريض المتداخل دورة العمل، وهو مفيد للتطبيقات عالية السرعة حيث يكون التقاط أقصى عدد من الإطارات في الثانية أمرًا بالغ الأهمية، ولكنه قد يُعقّد التجارب التي تتطلب توقيتًا دقيقًا.

قراءة الصفوف المتعددة

تستطيع العديد من كاميرات CMOS عالية السرعة قراءة أكثر من صف واحد من البكسلات في آنٍ واحد. في بعض الأوضاع، تُقرأ الصفوف أزواجًا؛ أما في التصاميم المتقدمة، فيمكن قراءة ما يصل إلى أربعة صفوف في آنٍ واحد، مما يُقلل بشكل فعال من وقت قراءة الإطار الإجمالي.

هندسة المستشعر المنقسم

يمكن لكل من المصاريع الدوارة والعالمية استخدام تخطيط مستشعر منقسم، حيث يتم تقسيم مستشعر الصورة عموديًا إلى نصفين، كل منهما يحتوي على صف خاص به من المحولات التناظرية إلى الرقمية.

● في أجهزة استشعار تقسيم الغالق المتدحرج، تبدأ القراءة غالبًا من المركز وتتدحرج إلى الخارج نحو الأعلى والأسفل، مما يقلل من زمن الوصول بشكل أكبر.
● في تصميمات الغالق العالمية، يمكن للقراءة المنقسمة تحسين معدلات الإطارات دون تغيير تزامن التعرض.

كيفية اختيار لتطبيقك: مصراع دوار أو مصراع عالمي؟

قد يستفيد التطبيقات من المصراع العالمي

● تتطلب توقيتًا عالي الدقة للأحداث

● تتطلب أوقات تعرض قصيرة جدًا

● يتطلب تأخيرًا أقل من ميلي ثانية قبل بدء عملية الاستحواذ للمزامنة مع حدث ما

● التقاط الحركة أو الديناميكيات واسعة النطاق على مقياس زمني مماثل أو أسرع للغالق الدوار

● يتطلب الاستحواذ المتزامن عبر المستشعر، ولكن لا يمكنه التحكم في مصادر الضوء لاستخدام مصراع شبه عالمي عبر مساحة كبيرة

قد يستفيد التطبيقات من الستائر الدوارة

● تطبيقات الإضاءة المنخفضة الصعبة: غالبًا ما تؤدي الكفاءة الكمية الإضافية والضوضاء المنخفضة لكاميرات الغالق المتدحرج إلى تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء

● التطبيقات عالية السرعة حيث لا يكون التزامن الدقيق عبر المستشعر مهمًا، أو يكون التأخير صغيرًا مقارنة بالمقاييس الزمنية التجريبية

● تطبيقات أخرى أكثر عمومية حيث تكون بساطة التصنيع والتكلفة المنخفضة لكاميرات الستائر الدوارة مفيدة

المفاهيم الخاطئة الشائعة

1. "الستائر الدوارة سيئة دائمًا."

غير صحيح - تعتبر الستائر الدوارة مثالية للعديد من حالات الاستخدام وغالبًا ما تتفوق على الستائر العالمية في الإضاءة المنخفضة والنطاق الديناميكي.

2. "المصراع العالمي هو الأفضل دائمًا."

على الرغم من أن الالتقاط الخالي من التشويه يعد ميزة، إلا أن التضحيات في التكلفة والضوضاء والحساسية قد تفوق فوائد التصوير الأبطأ وتيرة.

3. "لا يمكنك تصوير الفيديو باستخدام مصراع دوار."

تستخدم العديد من كاميرات السينما المتطورة مصاريع دوارة بشكل فعال؛ ويمكن لتقنيات التصوير الدقيقة أن تقلل من الآثار.

4. "تعمل مصاريع التصوير العالمية على إزالة أي ضبابية في الصورة."

إنها تمنع التشوه الهندسي، لكن لا يزال من الممكن حدوث ضبابية الحركة بسبب أوقات التعرض الطويلة.

خاتمة

يعتمد الاختيار بين تقنية المصراع العالمي والمتحرك في كاميرا CMOS على التوازن بين التعامل مع الحركة وحساسية الضوء والتكلفة واحتياجات التطبيق المحددة لديك.

● إذا كنت بحاجة إلى التقاط صور خالية من التشويه للمشاهد سريعة الحركة، فإن الغالق العالمي هو الخيار الواضح.

● إذا كنت تعطي الأولوية للأداء في الإضاءة المنخفضة والنطاق الديناميكي والميزانية، فغالبًا ما توفر لك تقنية الغالق المتدحرج أفضل النتائج.

إن فهم هذه الاختلافات يضمن لك القدرة على اختيار الأداة المناسبة، سواء كان ذلك للتصوير العلمي، أو المراقبة الصناعية، أو الإنتاج الإبداعي.

الأسئلة الشائعة

ما هو نوع الغالق الأفضل للتصوير الجوي أو تصوير الخرائط بواسطة الطائرات بدون طيار؟

في رسم الخرائط والمسح والتفتيش، حيث تكون الدقة الهندسية بالغة الأهمية، يُفضّل استخدام مصراع شامل لتجنب التشوه. ومع ذلك، في تصوير الفيديو الجوي الإبداعي، يُمكن للمصراع الدوار أن يُحقق نتائج ممتازة إذا تم التحكم في الحركات.

كيف يؤثر اختيار الغالق على التصوير في الإضاءة المنخفضة؟

تتميز الستائر الدوارة عمومًا بأداء جيد في الإضاءة المنخفضة، لأن تصميمات البكسل فيها تُعطي الأولوية لكفاءة جمع الضوء. قد تتطلب الستائر الشاملة دوائر كهربائية أكثر تعقيدًا، مما يُقلل الحساسية بشكل طفيف، مع أن التصاميم الحديثة تُسدّ هذه الفجوة.

كيف يؤثر نوع الغالق علىكاميرا علمية?

في التصوير العلمي عالي السرعة - مثل تتبع الجسيمات، وديناميكيات الخلايا، أو المقذوفات - غالبًا ما يكون المصراع الشامل ضروريًا لتجنب تشوه الحركة. ولكن في مجهر الفلورسنت منخفض الإضاءة،كاميرا sCMOSيمكن اختيار مصراع دوار لتحقيق أقصى قدر من الحساسية والنطاق الديناميكي.

ما هو الأفضل للتفتيش الصناعي؟

في معظم مهام التفتيش الصناعية - وخاصة تلك التي تنطوي على أحزمة ناقلة متحركة، أو الروبوتات، أو الرؤية الآلية - يعد المصراع العالمي هو الخيار الأكثر أمانًا لضمان قياسات دقيقة دون أخطاء هندسية ناجمة عن الحركة.