25. 8. 2021Ve světě digitálního zobrazování jen málo technických faktorů ovlivňuje kvalitu obrazu tolik jako typ elektronické závěrky ve vašem snímači. Ať už natáčíte vysokorychlostní průmyslové procesy, filmové sekvence nebo zachycujete slabé astronomické jevy, technologie závěrky ve vašem CMOS fotoaparátu hraje klíčovou roli v tom, jak výsledný snímek dopadne.
Dva dominantní typy elektronických závěrek CMOS, globální závěrky a rolovací závěrky, používají velmi odlišné přístupy k expozici a čtení světla ze senzoru. Pochopení jejich rozdílů, silných stránek a nevýhod je nezbytné, pokud chcete přizpůsobit svůj zobrazovací systém vaší aplikaci.
Tento článek vysvětlí, co jsou elektronické závěrky CMOS, jak fungují globální a rolovací závěrky, jak se chovají v reálných situacích a jak se rozhodnout, která z nich je pro vás nejlepší.
Co jsou elektronické závěrky CMOS?
Snímač CMOS je srdcem většiny moderních fotoaparátů. Je zodpovědný za převod přicházejícího světla na elektrické signály, které lze zpracovat do obrazu. „Závěrka“ vCMOS kameranemusí být nutně mechanická clona – mnoho moderních designů se spoléhá na elektronickou závěrku, která řídí, jak a kdy pixely zachycují světlo.
Na rozdíl od mechanické závěrky, která fyzicky blokuje světlo, elektronická závěrka funguje tak, že spouští a zastavuje tok náboje v každém pixelu. V CMOS zobrazování existují dvě primární architektury elektronické závěrky: globální závěrka a rolovací závěrka.
Proč je rozlišení důležité? Protože způsob expozice a odečtu přímo ovlivňuje:
● Vykreslování a zkreslení pohybu
● Ostrost obrazu
● Citlivost při slabém osvětlení
● Snímková frekvence a latence
● Celková vhodnost pro různé typy fotografie, videa a vědeckého zobrazování
Pochopení globální závěrky
Zdroj: Globální senzor závěrky GMAX3405
Jak funguje globální závěrka
CMOS kamery s globální závěrkou zahajují a ukončují expozici současně na celém snímači. Toho je dosaženo pomocí 5 nebo více tranzistorů na pixel a „storagenode“, který uchovává získané fotoelektronové náboje během čtení. Sekvence expozice je následující:
1. Začněte expozici současně v každém pixelu vyčištěním získaných nábojů do země.
2. Počkejte na zvolený čas expozice.
3. Na konci expozice přesuňte získané náboje do paměťového uzlu v každém pixelu, čímž ukončíte expozici daného snímku.
4. Řádek po řádku přesouvejte elektrony do čtecího kondenzátoru pixelu a přenášejte nahromaděné napětí do čtecí architektury, což vyvrcholí v analogově-digitálních převodnících (ADC). Další expozici lze obvykle provést současně s tímto krokem.
Výhody globální závěrky
● Žádné zkreslení pohybu – Pohybující se objekty si zachovávají svůj tvar a geometrii bez zkreslení nebo chvění, ke kterým může docházet při sekvenčním čtení.
● Vysokorychlostní snímání – Ideální pro zachycení pohybu v rychlých scénách, například ve sportu, robotice nebo při kontrole kvality výroby.
● Nízká latence – Všechna obrazová data jsou k dispozici najednou, což umožňuje přesnou synchronizaci s externími událostmi, jako jsou laserové pulzy nebo stroboskopická světla.
Omezení globální závěrky
● Nižší citlivost na světlo – Některé konstrukce pixelů globální závěrky obětují účinnost shromažďování světla, aby se přizpůsobily obvodům potřebným pro simultánní expozici.
● Vyšší náklady a složitost – Výroba je náročnější, což často vede k vyšším cenám ve srovnání s rolovacími vraty.
● Potenciál zvýšeného šumu – V závislosti na konstrukci senzoru může dodatečná elektronika na pixel vést k mírně vyššímu šumu při čtení.
Pochopení rolovací závěrky
Jak funguje rolovací závěrka
Díky použití pouze 4 tranzistorů a absenci paměťového uzlu vede tato jednodušší forma návrhu CMOS pixelů ke složitějšímu ovládání elektronické závěrky. Pixely s postupným rolováním závěrky spouštějí a zastavují expozici senzoru po jednotlivých řádcích, čímž se „rolují“ po senzoru. Pro každou expozici se dodržuje opačná sekvence (znázorněná také na obrázku):
Obrázek: Proces rolovací závěrky pro snímač kamery s rozlišením 6x6 pixelů
První snímek začíná expozicí (žlutě) v horní části snímače a posouvá se směrem dolů rychlostí jeden řádek na řádek. Jakmile je expozice pro horní řádek dokončena, naměřená hodnota (fialová) a následně začátek další expozice (modře) se posouvají dolů po snímači.
1. Začněte expozici horní řady senzoru vyčištěním získaných nábojů do země.
2. Po uplynutí „doby řady“ se přesuňte do druhé řady senzoru a začněte expozici, přičemž postup opakujte směrem dolů u senzoru.
3. Jakmile uplyne požadovaná doba expozice pro horní řádek, ukončete expozici odesláním získaných nábojů přes architekturu čtení. Čas potřebný k tomu se nazývá „doba řádku“.
4. Jakmile je odečet dat pro danou řadu dokončen, je možné znovu zahájit expozici od kroku 1, i kdyby to znamenalo překrývání s jinými řadami, které prováděly předchozí expozici.
Výhody rolovacích vrat
●Lepší výkon za slabého osvětlení– Design pixelů může upřednostňovat sběr světla a zlepšovat poměr signálu k šumu za špatných světelných podmínek.
●Vyšší dynamický rozsah– Sekvenční čtecí systémy dokáží elegantněji zpracovat jasnější světla a tmavší stíny.
●Cenově dostupnější– CMOS senzory s rolovací závěrkou jsou běžnější a jejich výroba je nákladově efektivnější.
Omezení rolovacích závěrek
●Pohybové artefakty– Rychle se pohybující objekty se mohou jevit zkosené nebo ohnuté, což je známé jako „efekt rolující závěrky“.
●Želatinový efekt ve videu– Záběry pořízené z ruky s vibracemi nebo rychlým posunem mohou způsobit chvění obrazu.
●Synchronizační výzvy– Méně vhodné pro aplikace vyžadující přesné načasování s externími událostmi.
Globální vs. rolovací závěrka: Srovnání vedle sebe
Zde je všeobecný pohled na srovnání rolovacích a globálních závěrek:
| Funkce | Rolovací závěrka | Globální závěrka |
| Pixelový design | 4-tranzistorový (4T), bez úložného uzlu | 5+ tranzistorů, včetně paměťového uzlu |
| Citlivost na světlo | Vyšší činitel vyplnění, snadné přizpůsobení formátu s podsvícením → vyšší kvantová účinnost (QE) | Nižší činitel plnění, složitější BSI |
| Hlukový výkon | Obecně nižší šum při čtení | Může mít mírně vyšší hluk kvůli přidaným obvodům |
| Zkreslení pohybu | Možné (zkosení, chvění, želatinový efekt) | Žádné – všechny pixely exponovány současně |
| Rychlostní potenciál | Může překrývat expozice a číst více řádků; v některých provedeních často rychlejší | Omezeno čtením celého snímku, i když rozdělené čtení může pomoci |
| Náklady | Nižší výrobní náklady | Vyšší výrobní náklady |
| Nejlepší případy použití | Snímání za slabého osvětlení, kinematografie, běžná fotografie | Vysokorychlostní snímání pohybu, průmyslová inspekce, přesná metrologie |
Základní rozdíly ve výkonu
Pixely s rolovací závěrkou obvykle používají konstrukci se 4 tranzistory (4T) bez paměťového uzlu, zatímco globální závěrky vyžadují 5 nebo více tranzistorů na pixel a další obvody pro ukládání fotoelektronů před načtením.
●Faktor plnění a citlivost– Jednodušší architektura 4T umožňuje vyšší faktor vyplnění pixelů, což znamená, že větší část povrchu každého pixelu je věnována sběru světla. Tato konstrukce v kombinaci se skutečností, že senzory s rolovací závěrkou lze snadněji adaptovat na formát s podsvícením, často vede k vyšší kvantové účinnosti.
●Hlukový výkon– Méně tranzistorů a méně složité obvody obecně znamenají, že rolovací závěrky vykazují nižší čtecí šum, díky čemuž jsou vhodnější pro aplikace za slabého osvětlení.
●Rychlostní potenciál– Rolovací závěrky mohou být v určitých architekturách rychlejší, protože umožňují překrývání expozice a odečtu, i když to velmi závisí na konstrukci senzoru a elektronice pro odečet.
Náklady a výroba – Jednoduchost pixelů rolovacích závěrek se obvykle promítá do nižších výrobních nákladů ve srovnání s globálními závěrkami.
Pokročilé úvahy a techniky
Pseudoglobální závěrka
V situacích, kdy můžete přesně ovládat, kdy světlo dosáhne senzoru – například pomocí LED nebo laserového zdroje světla spouštěného hardwarem – můžete dosáhnout „globálních“ výsledků pomocí rolovací závěrky. Tato pseudoglobální metoda závěrky synchronizuje osvětlení s expozičním oknem a minimalizuje artefakty pohybu, aniž by vyžadovala skutečný globální návrh závěrky.
Překrývání obrázků
Snímače s rolovací závěrkou mohou začít s expozicí dalšího snímku ještě před dokončením načítání aktuálního snímku. Toto překrývající se expozice zlepšuje pracovní cyklus a je výhodná pro vysokorychlostní aplikace, kde je zachycení maximálního počtu snímků za sekundu kritické, ale může komplikovat experimenty citlivé na časování.
Odečet více řádků
Mnoho vysokorychlostních CMOS kamer dokáže číst více než jeden řádek pixelů najednou. V některých režimech se řádky čtou po dvojicích; u pokročilejších modelů lze číst až čtyři řádky současně, což efektivně zkracuje celkovou dobu čtení snímku.
Architektura rozdělených senzorů
Jak rolovací, tak globální závěrky mohou používat rozdělené uspořádání senzorů, kde je obrazový senzor vertikálně rozdělen na dvě poloviny, z nichž každá má vlastní řadu ADC.
● U senzorů s rolovací závěrkou čtení často začíná od středu a postupuje směrem nahoru i dolů, což dále snižuje latenci.
● U globálních závěrkových systémů může rozdělené čtení zlepšit snímkovou frekvenci bez změny simultánnosti expozice.
Jak si vybrat pro vaši aplikaci: Rolovací nebo globální závěrku?
Globální závěrka by mohla být přínosem pro aplikace
● Vyžadují vysoce přesné načasování událostí
● Vyžadují velmi krátké expoziční časy
● Vyžadovat submilisekundové zpoždění před zahájením akvizice pro synchronizaci s událostí
● Zachycuje rozsáhlý pohyb nebo dynamiku v podobném nebo rychlejším časovém horizontu jako rolovací závěrka
● Vyžadují simultánní snímání napříč senzorem, ale nelze ovládat světelné zdroje pro použití pseudoglobální závěrky na velké ploše
Rolovací uzávěr může být přínosem pro aplikace
● Náročné aplikace za slabého osvětlení: Dodatečná kvantová účinnost a nižší šum kamer s postupným uzávěrem často vedou ke zlepšení poměru signálu k šumu (SNR)
● Vysokorychlostní aplikace, kde není důležitá přesná simultánnost napříč senzorem nebo je zpoždění malé ve srovnání s experimentálními časovými rámcemi
● Další obecnější aplikace, kde je výhodou jednoduchost výroby a nižší náklady na rolovací závěrkové kamery
Časté mylné představy
1. „Rolovací závěrka je vždycky špatná.“
To není pravda – rolovací závěrky jsou ideální pro mnoho případů použití a často překonávají globální závěrky při slabém osvětlení a dynamickém rozsahu.
2. „Globální závěrka je vždycky lepší.“
I když je snímání bez zkreslení výhodou, kompromisy v oblasti nákladů, šumu a citlivosti mohou převážit nad výhodami pomalejšího zobrazování.
3. „S rolovací závěrkou se nedá natáčet video.“
Mnoho špičkových filmových kamer efektivně využívá rolovací závěrku; pečlivé techniky natáčení mohou minimalizovat artefakty.
4. „Globální závěrky eliminují veškeré rozmazání pohybem.“
Zabraňují geometrickému zkreslení, ale stále může docházet k rozmazání pohybem způsobenému dlouhými expozičními časy.
Závěr
Volba mezi technologií globální a rolovací závěrky u CMOS kamery se scvrkává na rovnováhu mezi zpracováním pohybu, citlivostí na světlo, cenou a specifickými potřebami vaší aplikace.
● Pokud potřebujete záznam rychlých scén bez zkreslení, je globální závěrka jasnou volbou.
● Pokud upřednostňujete výkon za slabého osvětlení, dynamický rozsah a rozpočet, rolovací závěrka často přináší nejlepší výsledky.
Pochopení těchto rozdílů vám zajistí, že si budete moci vybrat ten správný nástroj – ať už se jedná o vědecké zobrazování, průmyslový monitoring nebo kreativní produkci.
Často kladené otázky
Který typ závěrky je lepší pro letecké snímkování nebo mapování z dronu?
Pro mapování, geodetické práce a inspekce, kde je zásadní geometrická přesnost, se upřednostňuje globální závěrka, aby se zabránilo zkreslení. Pro kreativní letecké video však může rolovací závěrka stále přinést vynikající výsledky, pokud jsou pohyby kontrolovány.
Jaký vliv má volba závěrky na snímání za slabého osvětlení?
Rolovací závěrky mají obecně výhodu ve výkonu za slabého osvětlení, protože jejich pixelové konstrukce mohou upřednostňovat účinnost shromažďování světla. Globální závěrky mohou vyžadovat složitější obvody, které mohou mírně snížit citlivost, ačkoli moderní konstrukce tuto mezeru zmenšují.
Jak typ závěrky ovlivňujevědecká kamera?
Ve vysokorychlostním vědeckém zobrazování – jako je sledování částic, buněčná dynamika nebo balistika – je globální závěrka často nezbytná, aby se zabránilo zkreslení pohybu. Ale pro fluorescenční mikroskopii za slabého osvětlení je…sCMOS kameras rolovací závěrkou lze zvolit pro maximalizaci citlivosti a dynamického rozsahu.
Který je lepší pro průmyslovou inspekci?
Ve většině průmyslových inspekčních úkolů – zejména těch, které zahrnují pohyblivé dopravníkové pásy, robotiku nebo strojové vidění – je globální závěrka bezpečnější volbou pro zajištění přesných měření bez geometrických chyb vyvolaných pohybem.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všechna práva vyhrazena. Při citaci prosím uveďte zdroj:www.tucsen.com
