25/08/21I den digitale billeddannelses verden er der få tekniske faktorer, der påvirker billedkvaliteten så meget som typen af elektronisk lukker i din sensor. Uanset om du optager højhastighedsindustrielle processer, filmer filmsekvenser eller indfanger svage astronomiske fænomener, spiller lukkerteknologien i dit CMOS-kamera en afgørende rolle i, hvordan dit endelige billede bliver.
To dominerende typer af CMOS elektroniske lukkere, globale lukkere og rullende lukkere, har meget forskellige tilgange til at eksponere og aflæse lys fra en sensor. Det er vigtigt at forstå deres forskelle, styrker og afvejninger, hvis du vil matche dit billeddannelsessystem til din applikation.
Denne artikel vil forklare, hvad elektroniske CMOS-skodder er, hvordan globale og rullende skodder fungerer, hvordan de fungerer i virkelige situationer, og hvordan du beslutter, hvilken der er bedst for dig.
Hvad er CMOS elektroniske lukkere?
En CMOS-sensor er hjertet i de fleste moderne kameraer. Den er ansvarlig for at konvertere indkommende lys til elektriske signaler, der kan bearbejdes til et billede. "Lukkeren" i enCMOS-kameraer ikke nødvendigvis et mekanisk gardin – mange moderne designs er afhængige af en elektronisk lukker, der styrer, hvordan og hvornår pixels indfanger lys.
I modsætning til en mekanisk lukker, der fysisk blokerer lys, fungerer en elektronisk lukker ved at starte og stoppe ladningsstrømmen i hver pixel. I CMOS-billeddannelse er der to primære elektroniske lukkerarkitekturer: global lukker og rullende lukker.
Hvorfor er sondring vigtig? Fordi eksponerings- og aflæsningsmetoden direkte påvirker:
● Bevægelsesgengivelse og forvrængning
● Billedskarphed
● Lav lysfølsomhed
● Billedhastighed og latenstid
● Generel egnethed til forskellige typer fotografering, video og videnskabelig billeddannelse
Forståelse af global lukker
Kilde: GMAX3405 Global lukkersensor
Sådan fungerer global lukker
CMOS Global shutter-kameraer starter og afslutter deres eksponering samtidigt på tværs af hele sensoren. Dette opnås ved hjælp af 5 eller flere transistorer pr. pixel og en 'storagenode', der holder de optagne fotoelektronladninger under aflæsningen. Eksponeringssekvensen er som følger:
1. Start eksponeringen samtidigt i hver pixel ved at overføre de optagne ladninger til jorden.
2. Vent på den valgte eksponeringstid.
3. Ved afslutningen af eksponeringen flyttes de optagne ladninger til lagringsnoden i hver pixel, hvilket afslutter eksponeringen af det pågældende billede.
4. Række for række flyttes elektroner ind i pixelens udlæsningskondensator, og den akkumulerede spænding videresendes til udlæsningsarkitekturen, hvilket kulminerer i analog-til-digital-konverterne (ADC'er). Den næste eksponering kan typisk udføres samtidig med dette trin.
Fordele ved global lukker
● Ingen bevægelsesforvrængning – Motiver i bevægelse bevarer deres form og geometri uden den skævhed eller slingring, der kan opstå ved sekventiel aflæsning.
● Højhastighedsoptagelse – Ideel til at fryse bevægelse i scener med hurtig bevægelse, f.eks. inden for sport, robotteknologi eller kvalitetskontrol i produktionen.
● Lav latenstid – Alle billeddata er tilgængelige på én gang, hvilket muliggør præcis synkronisering med eksterne begivenheder, såsom laserpulser eller stroboskoplys.
Begrænsninger ved global lukker
● Lavere lysfølsomhed – Nogle globale lukkerpixeldesigns ofrer lysindsamlingseffektiviteten for at imødekomme det kredsløb, der er nødvendigt til samtidig eksponering.
● Højere omkostninger og kompleksitet – Fremstilling er mere udfordrende, hvilket ofte resulterer i højere priser sammenlignet med modstykker til rulleporte.
● Potentiale for øget støj – Afhængigt af sensordesignet kan den ekstra elektronik pr. pixel føre til en smule højere læsestøj.
Forståelse af rullende skodder
Sådan fungerer rulleporte
Ved kun at bruge 4 transistorer og ingen lagringsnode fører denne enklere form for CMOS-pixeldesign til en mere kompliceret elektronisk lukkerfunktion. Rullende lukkerpixel starter og stopper sensorens eksponering én række ad gangen og 'ruller' ned langs sensoren. Den modsatte rækkefølge (også vist i figuren) følges for hver eksponering:
Figur: Rolling shutter-proces for en 6x6 pixel kamerasensor
Det første billede begynder eksponeringen (gul) øverst på sensoren og fejer nedad med en hastighed på én linje pr. linjetid. Når eksponeringen er afsluttet for den øverste linje, fejer aflæsningen (lilla) efterfulgt af starten på den næste eksponering (blå) ned langs sensoren.
1. Start eksponeringen af den øverste række af sensoren ved at sende de optagne ladninger til jorden.
2. Når 'rækketiden' er udløbet, skal du gå til den anden række på sensoren og begynde eksponeringen. Gentag processen ned langs sensoren.
3. Når den ønskede eksponeringstid er udløbet for den øverste række, afsluttes eksponeringen ved at sende de indsamlede ladninger gennem udlæsningsarkitekturen. Den tid, det tager at gøre dette, kaldes 'rækketiden'.
4. Så snart udlæsningen er færdig for en række, er den klar til at starte eksponeringen igen fra trin 1, selvom det betyder overlapning med andre rækker, der udfører den forrige eksponering.
Fordele ved rulleporte
●Bedre ydeevne i svagt lys– Pixeldesignene kan prioritere lysindsamling og dermed forbedre signal-støj-forholdet under svage lysforhold.
●Højere dynamisk område– Design med sekventiel aflæsning kan håndtere lysere højlys og mørkere skygger mere elegant.
●Mere overkommelig– Rolling shutter CMOS-sensorer er mere almindelige og omkostningseffektive at fremstille.
Begrænsninger ved rulleporte
●Bevægelsesartefakter– Motiver i hurtig bevægelse kan virke skæve eller bøjede, kendt som "rullende lukkereffekt".
●Jello-effekt i video– Håndholdt optagelse med vibration eller hurtig panorering kan forårsage ujævnheder i billedet.
●Synkroniseringsudfordringer– Mindre ideel til applikationer, der kræver præcis timing med eksterne begivenheder.
Global vs. rullende skodder: Sammenligning side om side
Her er et overblik over, hvordan rullende og globale skodder sammenlignes:
| Funktion | Rullende skodde | Global lukker |
| Pixeldesign | 4-transistor (4T), ingen lagringsknude | 5+ transistorer, inklusive lagringsnode |
| Lysfølsomhed | Højere fyldningsfaktor, let at tilpasse til bagbelyst format → højere QE | Lavere fyldningsfaktor, BSI mere kompleks |
| Støjpræstation | Generelt lavere læsestøj | Kan have lidt højere støj på grund af ekstra kredsløb |
| Bevægelsesforvrængning | Mulig (skævhed, slingren, geléeffekt) | Ingen — alle pixels eksponeres samtidigt |
| Hastighedspotentiale | Kan overlappe eksponeringer og læse flere rækker; ofte hurtigere i nogle designs | Begrænset af fuldformatsaflæsning, selvom delt aflæsning kan hjælpe |
| Koste | Lavere produktionsomkostninger | Højere produktionsomkostninger |
| Bedste brugsscenarier | Billeddannelse i svagt lys, filmfotografering, generel fotografering | Højhastigheds-bevægelsesregistrering, industriel inspektion, præcisionsmetrologi |
Forskelle i kerneydelse
Rullende lukkerpixels bruger typisk et 4-transistor (4T) design uden en lagringsnode, mens globale lukkere kræver 5 eller flere transistorer pr. pixel plus yderligere kredsløb til at lagre fotoelektroner før aflæsning.
●Fyldningsfaktor og følsomhed– Den enklere 4T-arkitektur tillader en højere pixelfyldningsfaktor, hvilket betyder, at mere af hver pixels overflade er dedikeret til lysindsamling. Dette design, kombineret med det faktum, at rullende lukkersensorer lettere kan tilpasses et bagbelyst format, resulterer ofte i højere kvanteeffektivitet.
●Støjpræstation– Færre transistorer og mindre komplekse kredsløb betyder generelt, at rulleskodder udviser lavere læsestøj, hvilket gør dem bedre egnede til applikationer med svagt lys.
●Hastighedspotentiale– Rullende skodder kan være hurtigere i visse arkitekturer, fordi de tillader overlappende eksponering og aflæsning, selvom dette er meget afhængigt af sensordesign og aflæsningselektronik.
Omkostninger og fremstilling – Enkelheden ved rullende lukkerpixel resulterer typisk i lavere produktionsomkostninger sammenlignet med globale lukkere.
Avancerede overvejelser og teknikker
Pseudo-global lukker
I situationer, hvor du præcist kan kontrollere, hvornår lyset når sensoren – f.eks. ved at bruge en LED- eller laserlyskilde, der udløses af hardware – kan du opnå "globallignende" resultater med en rullende lukker. Denne pseudo-globale lukkermetode synkroniserer belysningen med eksponeringsvinduet og minimerer bevægelsesartefakter uden at kræve et ægte globalt lukkerdesign.
Billedoverlapning
Rullende lukkersensorer kan begynde at eksponere det næste billede, før det aktuelle billedes udlæsning er færdig. Denne overlappende eksponering forbedrer arbejdscyklussen og er gavnlig for højhastighedsapplikationer, hvor det er afgørende at optage det maksimale antal billeder pr. sekund, men det kan komplicere tidsfølsomme eksperimenter.
Aflæsning af flere rækker
Mange højhastigheds-CMOS-kameraer kan læse mere end én række pixels ad gangen. I nogle tilstande læses rækkerne parvis; i avancerede designs kan op til fire rækker læses samtidigt, hvilket effektivt reducerer den samlede billedlæsningstid.
Split Sensor Arkitektur
Både rullende og globale lukkere kan bruge et delt sensorlayout, hvor billedsensoren er lodret opdelt i to halvdele, hver med sin egen række af ADC'er.
● I rullende lukker-splitsensorer starter aflæsningen ofte fra midten og ruller udad mod både toppen og bunden, hvilket yderligere reducerer latensen.
● I globale lukkerdesign kan delt udlæsning forbedre billedhastigheder uden at ændre eksponeringssamtidigheden.
Hvordan vælger du til din anvendelse: Rulle- eller global jalousie?
Den globale lukker kan gavne applikationer
● Kræver meget præcis timing af begivenheder
● Kræver meget korte eksponeringstider
● Kræver en forsinkelse på under et millisekund før starten af en optagelse for at synkronisere med en hændelse
● Optag bevægelse eller dynamik i stor skala på en lignende eller hurtigere tidsskala end en rullende lukker
● Kræver samtidig registrering på tværs af sensoren, men kan ikke styre lyskilder til at bruge pseudo-global lukker på tværs af et stort område
Den rullende lukker kan gavne applikationer
● Udfordrende applikationer i svagt lys: Den ekstra kvanteeffektivitet og lavere støj fra rullende lukkerkameraer fører ofte til forbedret signal-støj-forhold (SNR).
● Højhastighedsapplikationer, hvor præcis samtidighed på tværs af sensoren ikke er vigtig, eller forsinkelsen er lille sammenlignet med eksperimentelle tidsskalaer
● Andre mere generelle anvendelser, hvor den enkle fremstilling og de lavere omkostninger ved rullende lukkerkameraer er fordelagtige
Almindelige misforståelser
1. "Rullende lukker er altid dårligt."
Ikke sandt – rulleskodder er ideelle til mange anvendelsesområder og klarer sig ofte bedre end globale skodder i svagt lys og med lavt dynamisk område.
2. "Global lukker er altid bedre."
Selvom forvrængningsfri optagelse er en fordel, kan afvejningerne i forhold til omkostninger, støj og følsomhed opveje fordelene ved langsommere billeddannelse.
3. "Du kan ikke optage video med en rullende lukker."
Mange avancerede biografkameraer bruger rullende lukkere effektivt; omhyggelige optageteknikker kan minimere artefakter.
4. "Globale lukkere eliminerer al bevægelsessløring."
De forhindrer geometrisk forvrængning, men bevægelsesslør fra lange eksponeringstider kan stadig forekomme.
Konklusion
Valget mellem global og rullende lukkerteknologi i et CMOS-kamera afhænger af balancen mellem bevægelseshåndtering, lysfølsomhed, omkostninger og dine specifikke applikationsbehov.
● Hvis du har brug for forvrængningsfri optagelse af motiver i hurtig bevægelse, er global lukker det klare valg.
● Hvis du prioriterer ydeevne i svagt lys, dynamisk område og budget, giver rullende lukker ofte de bedste resultater.
Forståelse af disse forskelle sikrer, at du kan vælge det rigtige værktøj – uanset om det er til videnskabelig billeddannelse, industriel overvågning eller kreativ produktion.
Ofte stillede spørgsmål
Hvilken lukkertype er bedst til luftfotografering eller dronekortlægning?
Til kortlægning, landmåling og inspektion, hvor geometrisk nøjagtighed er afgørende, foretrækkes en global lukker for at undgå forvrængning. Til kreativ luftvideo kan en rullende lukker dog stadig give fremragende resultater, hvis bevægelserne kontrolleres.
Hvordan påvirker valg af lukkertid billeder i svagt lys?
Rulleskodder har generelt en fordel i forhold til ydeevne i svagt lys, fordi deres pixeldesign kan prioritere lysindsamlingseffektivitet. Globale skodder kræver muligvis mere komplekse kredsløb, der kan reducere følsomheden en smule, selvom moderne designs lukker dette hul.
Hvordan påvirker lukkertypen envidenskabeligt kamera?
I videnskabelig billeddannelse med høj hastighed – såsom partikelsporing, celledynamik eller ballistik – er en global lukker ofte afgørende for at undgå bevægelsesforvrængning. Men til fluorescensmikroskopi i svagt lys er ensCMOS-kameramed en rullende lukker kan vælges for at maksimere følsomhed og dynamisk område.
Hvilken er bedst til industriel inspektion?
I de fleste industrielle inspektionsopgaver – især dem, der involverer bevægelige transportbånd, robotteknologi eller maskinsyn – er en global lukker det sikrere valg for at sikre præcise målinger uden bevægelsesinducerede geometriske fejl.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rettigheder forbeholdes. Angiv venligst kilden ved henvisning:www.tucsen.com
