Elektronische CMOS-Verschlüsse: Global vs. Rolling und wie man sie auswählt |

In der Welt der digitalen Bildgebung beeinflussen nur wenige technische Faktoren die Bildqualität so stark wie die Art des elektronischen Verschlusses in Ihrem Sensor. Ob Sie schnelle Industrieprozesse fotografieren, Filmsequenzen drehen oder schwache astronomische Phänomene einfangen – die Verschlusstechnologie Ihrer CMOS-Kamera spielt eine entscheidende Rolle für das endgültige Bildergebnis.

Zwei gängige Arten elektronischer CMOS-Verschlüsse – Global Shutter und Rolling Shutter – verfolgen sehr unterschiedliche Ansätze bei der Belichtung und Auslesung des Lichts eines Sensors. Um Ihr Bildgebungssystem an Ihre Anwendung anzupassen, ist es wichtig, die Unterschiede, Stärken und Kompromisse zu verstehen.

In diesem Artikel wird erklärt, was elektronische CMOS-Verschlüsse sind, wie Global- und Rolling-Shutter funktionieren, wie sie sich in realen Situationen verhalten und wie Sie entscheiden, welcher für Sie am besten geeignet ist.

Was sind elektronische CMOS-Verschlüsse?

Ein CMOS-Sensor ist das Herzstück der meisten modernen Kameras. Er ist dafür verantwortlich, einfallendes Licht in elektrische Signale umzuwandeln, die zu einem Bild verarbeitet werden können. Der „Verschluss“ in einerCMOS-Kameraist nicht unbedingt ein mechanischer Vorhang – viele moderne Designs basieren auf einem elektronischen Verschluss, der steuert, wie und wann Pixel Licht einfangen.

Im Gegensatz zu einem mechanischen Verschluss, der das Licht physisch blockiert, funktioniert ein elektronischer Verschluss, indem er den Ladungsfluss innerhalb jedes Pixels startet und stoppt. In der CMOS-Bildgebung gibt es zwei primäre elektronische Verschlussarchitekturen: den Global Shutter und den Rolling Shutter.

Warum ist die Unterscheidung wichtig? Weil die Belichtungs- und Ablesemethode einen direkten Einfluss auf Folgendes hat:

● Bewegungswiedergabe und Verzerrung
● Bildschärfe
● Lichtempfindlichkeit
● Bildrate und Latenz
● Allgemeine Eignung für verschiedene Arten der Fotografie, Video- und wissenschaftlichen Bildgebung

Global Shutter verstehen

Quelle: GMAX3405 Global Shutter Sensor

So funktioniert Global Shutter

CMOS-Global-Shutter-Kameras beginnen und beenden ihre Belichtung gleichzeitig über den gesamten Sensor. Dies wird durch fünf oder mehr Transistoren pro Pixel und einen Speicherknoten erreicht, der die aufgenommenen Photoelektronenladungen während des Auslesens speichert. Der Ablauf einer Belichtung ist wie folgt:

1. Beginnen Sie die Belichtung gleichzeitig in jedem Pixel, indem Sie die aufgenommenen Ladungen zur Erde ableiten.

2. Warten Sie die gewählte Belichtungszeit ab.

3. Verschieben Sie am Ende der Belichtung die erfassten Ladungen zum Speicherknoten in jedem Pixel und beenden Sie so die Belichtung dieses Frames.

4. Zeile für Zeile werden Elektronen in den Auslesekondensator des Pixels transportiert und die akkumulierte Spannung an die Auslesearchitektur weitergeleitet, die in den Analog-Digital-Wandlern (ADCs) gipfelt. Die nächste Belichtung kann typischerweise gleichzeitig mit diesem Schritt durchgeführt werden.

Vorteile von Global Shutter

● Keine Bewegungsverzerrung – Bewegte Objekte behalten ihre Form und Geometrie bei, ohne dass es zu Verzerrungen oder Wackeln kommt, die bei der sequentiellen Anzeige auftreten können.
● Hochgeschwindigkeitsaufnahme – Ideal zum Einfrieren von Bewegungen in schnellen Szenen, beispielsweise im Sport, in der Robotik oder bei der Qualitätskontrolle in der Fertigung.
● Geringe Latenz – Alle Bilddaten sind gleichzeitig verfügbar, was eine präzise Synchronisierung mit externen Ereignissen wie Laserimpulsen oder Blitzlichtern ermöglicht.

Einschränkungen von Global Shutter

● Geringere Lichtempfindlichkeit – Bei einigen Global-Shutter-Pixeldesigns wird die Lichtsammeleffizienz geopfert, um Platz für die für die gleichzeitige Belichtung erforderlichen Schaltkreise zu schaffen.
● Höhere Kosten und Komplexität – Die Herstellung ist anspruchsvoller, was im Vergleich zu Rollladen oft zu höheren Preisen führt.
● Potenziell erhöhtes Rauschen – Je nach Sensordesign kann die zusätzliche Elektronik pro Pixel zu etwas höherem Lese-Rauschen führen.

Rolling Shutter verstehen

So funktioniert Rolling Shutter

Mit nur vier Transistoren und ohne Speicherknoten führt diese einfachere Form des CMOS-Pixeldesigns zu einem komplexeren elektronischen Verschlussbetrieb. Rolling-Shutter-Pixel starten und stoppen die Belichtung des Sensors zeilenweise und „rollen“ dabei den Sensor herunter. Für jede Belichtung wird die nebenstehende Sequenz (ebenfalls in der Abbildung dargestellt) eingehalten:

Abbildung: Rolling-Shutter-Verfahren für einen 6x6 Pixel Kamerasensor

Die Belichtung des ersten Bildes (gelb) beginnt oben auf dem Sensor und wandert mit einer Geschwindigkeit von einer Zeile pro Zeile nach unten. Sobald die Belichtung für die oberste Zeile abgeschlossen ist, wandert die Anzeige (lila) und anschließend der Beginn der nächsten Belichtung (blau) über den Sensor.

1. Beginnen Sie mit der Belichtung der oberen Reihe des Sensors, indem Sie die aufgenommenen Ladungen zur Erde ableiten.
2. Nachdem die „Reihenzeit“ abgelaufen ist, gehen Sie zur zweiten Reihe des Sensors und beginnen Sie mit der Belichtung, wobei Sie den Vorgang entlang des Sensors wiederholen.
3. Sobald die gewünschte Belichtungszeit für die oberste Reihe abgelaufen ist, beenden Sie die Belichtung, indem Sie die aufgenommenen Ladungen durch die Auslesearchitektur senden. Die hierfür benötigte Zeit wird als „Reihenzeit“ bezeichnet.
4. Sobald das Auslesen für eine Reihe abgeschlossen ist, kann die Belichtung wieder ab Schritt 1 begonnen werden, auch wenn dies zu einer Überlappung mit anderen Reihen führt, in denen die vorherige Belichtung durchgeführt wird.

Vorteile von Rollläden

●Bessere Leistung bei schwachem Licht– Die Pixeldesigns können die Lichtsammlung priorisieren und so das Signal-Rausch-Verhältnis bei schlechten Lichtverhältnissen verbessern.
●Höherer Dynamikbereich– Sequentielle Auslesedesigns können hellere Lichter und dunklere Schatten eleganter verarbeiten.
●Erschwinglicher– Rolling-Shutter-CMOS-Sensoren sind weiter verbreitet und kostengünstiger herzustellen.

Einschränkungen des Rolling Shutter

●Bewegungsartefakte– Sich schnell bewegende Motive können verzerrt oder verbogen erscheinen, was als „Rolling-Shutter-Effekt“ bezeichnet wird.
●Wackelpudding-Effekt im Video– Handaufnahmen mit Vibrationen oder schnellen Schwenks können zu einem Wackeln des Bildes führen.
●Synchronisierungsherausforderungen– Weniger ideal für Anwendungen, die eine präzise Zeitmessung mit externen Ereignissen erfordern.

Global vs. Rolling Shutter: Nebeneinander-Vergleich

Hier ist ein Überblick über den Vergleich von Rolling Shutters und Global Shutters:

Besonderheit	Rollladen	Global Shutter
Pixel Design	4-Transistor (4T), kein Speicherknoten	5+ Transistoren, einschließlich Speicherknoten
Lichtempfindlichkeit	Höherer Füllfaktor, einfache Anpassung an das Back-Illuminated-Format → höhere QE	Niedrigerer Füllfaktor, BSI komplexer
Geräuschentwicklung	Generell geringeres Leserauschen	Kann aufgrund zusätzlicher Schaltkreise etwas höheres Rauschen aufweisen
Bewegungsverzerrung	Möglich (Schieflauf, Wackeln, Wackelpudding-Effekt)	Keine – alle Pixel werden gleichzeitig belichtet
Geschwindigkeitspotenzial	Kann Belichtungen überlappen und mehrere Zeilen lesen; bei manchen Designs oft schneller	Begrenzt durch Vollbildanzeige, obwohl geteilte Anzeige hilfreich sein kann
Kosten	Niedrigere Herstellungskosten	Höhere Herstellungskosten
Beste Anwendungsfälle	Bildgebung bei schwachem Licht, Kinematografie, allgemeine Fotografie	Hochgeschwindigkeits-Bewegungserfassung, industrielle Inspektion, Präzisionsmesstechnik

Unterschiede in der Kernleistung

Rolling-Shutter-Pixel verwenden typischerweise ein 4-Transistor-Design (4T) ohne Speicherknoten, während Global Shutter 5 oder mehr Transistoren pro Pixel sowie zusätzliche Schaltkreise zum Speichern von Fotoelektronen vor dem Auslesen erfordern.

●Füllfaktor und EmpfindlichkeitDie einfachere 4T-Architektur ermöglicht einen höheren Pixelfüllfaktor, d. h., ein größerer Anteil der Pixelfläche steht der Lichtsammlung zur Verfügung. Dieses Design, kombiniert mit der Tatsache, dass Rolling-Shutter-Sensoren leichter an ein rückwärtig beleuchtetes Format angepasst werden können, führt oft zu einer höheren Quanteneffizienz.
●Geräuschentwicklung– Weniger Transistoren und weniger komplexe Schaltkreise bedeuten im Allgemeinen, dass Rolling Shutter ein geringeres Leserauschen aufweisen und sich daher besser für Anwendungen mit schwachem Licht eignen.
●Geschwindigkeitspotenzial– Rolling Shutter können in bestimmten Architekturen schneller sein, da sie eine Überlappung von Belichtung und Auslesung ermöglichen. Dies hängt jedoch stark vom Sensordesign und der Ausleseelektronik ab.

Kosten und Herstellung – Die Einfachheit von Rolling-Shutter-Pixeln führt im Vergleich zu Global Shutters in der Regel zu niedrigeren Produktionskosten.

Erweiterte Überlegungen und Techniken

Pseudo-Global Shutter

In Situationen, in denen Sie präzise steuern können, wann das Licht den Sensor erreicht – beispielsweise bei einer hardwaregesteuerten LED- oder Laserlichtquelle –, können Sie mit einem Rolling Shutter „global-ähnliche“ Ergebnisse erzielen. Diese pseudo-globale Shutter-Methode synchronisiert die Beleuchtung mit dem Belichtungsfenster und minimiert so Bewegungsartefakte, ohne dass ein echtes Global Shutter-Design erforderlich ist.

Bildüberlappung

Rolling-Shutter-Sensoren können mit der Belichtung des nächsten Bildes beginnen, bevor das aktuelle Bild vollständig ausgelesen ist. Diese überlappende Belichtung verbessert den Arbeitszyklus und ist vorteilhaft für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, bei denen die Erfassung der maximalen Anzahl von Bildern pro Sekunde entscheidend ist. Sie kann jedoch zeitkritische Experimente erschweren.

Mehrzeilige Anzeige

Viele Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kameras können mehrere Pixelzeilen gleichzeitig lesen. In einigen Modi werden die Zeilen paarweise gelesen; in fortgeschrittenen Designs können bis zu vier Zeilen gleichzeitig gelesen werden, wodurch die Gesamtzeit zum Auslesen der Einzelbilder effektiv reduziert wird.

Geteilte Sensorarchitektur

Sowohl Rolling- als auch Global-Shutter-Systeme können ein geteiltes Sensorlayout verwenden, bei dem der Bildsensor vertikal in zwei Hälften geteilt ist, die jeweils über eine eigene ADC-Reihe verfügen.

● Bei Rolling-Shutter-Split-Sensoren beginnt die Auslesung oft in der Mitte und rollt nach außen nach oben und unten, wodurch die Latenz weiter reduziert wird.
● Bei Global-Shutter-Designs kann die geteilte Auslesung die Bildraten verbessern, ohne die Belichtungssimultanität zu verändern.

Wie wählen Sie für Ihre Anwendung: Rolling Shutter oder Global Shutter?

Der Global Shutter kann Anwendungen zugute kommen

● Erfordern eine hochpräzise Zeitmessung der Ereignisse

● Erfordern sehr kurze Belichtungszeiten

● Erfordert eine Verzögerung von weniger als einer Millisekunde vor dem Beginn einer Erfassung, um die Synchronisierung mit einem Ereignis zu ermöglichen

● Erfassen Sie großflächige Bewegungen oder Dynamiken in einem ähnlichen oder schnelleren Zeitrahmen als ein Rolling Shutter

● Erfordert eine gleichzeitige Erfassung über den gesamten Sensor, kann aber keine Lichtquellen steuern, um einen Pseudo-Global Shutter über einen großen Bereich zu verwenden

Der Rolling Shutter kann Anwendungen zugute kommen

● Anspruchsvolle Anwendungen bei schwachem Licht: Die zusätzliche Quanteneffizienz und das geringere Rauschen von Rolling-Shutter-Kameras führen oft zu einem verbesserten SNR

● Hochgeschwindigkeitsanwendungen, bei denen die exakte Gleichzeitigkeit über den Sensor hinweg nicht wichtig ist oder die Verzögerung im Vergleich zu experimentellen Zeitskalen gering ist

● Andere allgemeinere Anwendungen, bei denen die einfache Herstellung und die geringeren Kosten von Rolling-Shutter-Kameras von Vorteil sind

Häufige Missverständnisse

1. „Rolling Shutter ist immer schlecht.“

Stimmt nicht – Rolling Shutters sind für viele Anwendungsfälle ideal und übertreffen Global Shutters bei schwachem Licht und im Dynamikbereich oft.

2. „Global Shutter ist immer besser.“

Obwohl eine verzerrungsfreie Aufnahme ein Vorteil ist, können die Nachteile hinsichtlich Kosten, Rauschen und Empfindlichkeit die Vorteile einer langsameren Bildgebung überwiegen.

3. „Mit einem Rolling Shutter kann man keine Videos aufnehmen.“

Viele High-End-Kinokameras nutzen Rolling Shutter effektiv; durch sorgfältige Aufnahmetechniken können Artefakte minimiert werden.

4. „Global Shutter eliminieren jegliche Bewegungsunschärfe.“

Sie verhindern geometrische Verzerrungen, es kann jedoch trotzdem zu Bewegungsunschärfen durch lange Belichtungszeiten kommen.

Abschluss

Bei der Wahl zwischen Global- und Rolling-Shutter-Technologie in einer CMOS-Kamera kommt es letztendlich auf die Balance zwischen Bewegungsverarbeitung, Lichtempfindlichkeit, Kosten und Ihren spezifischen Anwendungsanforderungen an.

● Wenn Sie eine verzerrungsfreie Aufnahme von Szenen mit schnellen Bewegungen benötigen, ist Global Shutter die klare Wahl.

● Wenn Sie Wert auf Leistung bei schwachem Licht, Dynamikbereich und Budget legen, liefert der Rolling Shutter oft die besten Ergebnisse.

Wenn Sie diese Unterschiede verstehen, können Sie das richtige Werkzeug auswählen – sei es für die wissenschaftliche Bildgebung, die industrielle Überwachung oder die kreative Produktion.

FAQs

Welcher Verschlusstyp eignet sich besser für Luftaufnahmen oder Drohnenkartierung?

Für Kartierungen, Vermessungen und Inspektionen, bei denen geometrische Genauigkeit entscheidend ist, wird ein Global Shutter bevorzugt, um Verzerrungen zu vermeiden. Für kreative Luftaufnahmen kann jedoch auch ein Rolling Shutter hervorragende Ergebnisse liefern, sofern die Bewegungen kontrolliert werden.

Welchen Einfluss hat die Wahl des Verschlusses auf die Bildgebung bei schwachem Licht?

Rollläden bieten im Allgemeinen einen Vorteil bei schwachem Licht, da ihre Pixeldesigns die Lichtsammeleffizienz priorisieren können. Globale Shutter erfordern möglicherweise komplexere Schaltkreise, die die Empfindlichkeit leicht reduzieren können. Moderne Designs schließen diese Lücke jedoch.

Welchen Einfluss hat der Verschlusstyp aufwissenschaftliche Kamera?

Bei der wissenschaftlichen Hochgeschwindigkeitsbildgebung – wie etwa bei der Partikelverfolgung, Zelldynamik oder Ballistik – ist ein Global Shutter oft unerlässlich, um Bewegungsverzerrungen zu vermeiden. Für die Fluoreszenzmikroskopie bei schwachem Licht ist jedoch einsCMOS-KameraZur Maximierung der Empfindlichkeit und des Dynamikbereichs kann ein Rolling Shutter gewählt werden.

Was ist besser für die industrielle Inspektion?

Bei den meisten industriellen Inspektionsaufgaben – insbesondere bei beweglichen Förderbändern, Robotern oder maschinellem Sehen – ist ein Global Shutter die sicherere Wahl, um präzise Messungen ohne bewegungsbedingte geometrische Fehler zu gewährleisten.