Elektronische CMOS-Verschlüsse: Global vs. Rolling und wie man den richtigen auswählt

In der digitalen Bildgebung beeinflussen nur wenige technische Faktoren die Bildqualität so stark wie der elektronische Verschluss Ihres Sensors. Ob Sie nun industrielle Hochgeschwindigkeitsprozesse fotografieren, Filmsequenzen drehen oder schwache astronomische Phänomene einfangen – die Verschlusstechnologie Ihrer CMOS-Kamera spielt eine entscheidende Rolle für das Endergebnis Ihres Bildes.

Die beiden gängigsten Arten von CMOS-Sensorverschlüssen, Global Shutter und Rolling Shutter, verfolgen grundverschiedene Ansätze bei der Belichtung und Auslesung des Lichts vom Sensor. Um Ihr Bildgebungssystem optimal an Ihre Anwendung anzupassen, ist es unerlässlich, ihre Unterschiede, Stärken und Kompromisse zu verstehen.

Dieser Artikel erklärt, was elektronische CMOS-Verschlüsse sind, wie globale und Rolling-Shutter funktionieren, wie sie sich in realen Situationen bewähren und wie Sie entscheiden können, welcher Verschluss für Sie am besten geeignet ist.

Was sind elektronische CMOS-Verschlüsse?

Ein CMOS-Sensor ist das Herzstück der meisten modernen Kameras. Er wandelt einfallendes Licht in elektrische Signale um, die zu einem Bild verarbeitet werden können. Der „Verschluss“ in einerCMOS-KameraEs handelt sich nicht unbedingt um einen mechanischen Vorhang – viele moderne Designs setzen auf einen elektronischen Verschluss, der steuert, wie und wann die Pixel Licht einfangen.

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

Warum ist die Unterscheidung wichtig? Weil die Belichtungs- und Auslesemethode direkten Einfluss hat auf:

● Bewegungsdarstellung und Verzerrung

● Bildschärfe

● Empfindlichkeit bei schwachem Licht

● Bildrate und Latenz

● Allgemeine Eignung für verschiedene Arten von Fotografie, Video und wissenschaftlicher Bildgebung

Globale Schließung verstehen

GMAX3405 Globaler Verschlusssensor

So funktioniert Global Shutter

CMOS-Global-Shutter-Kameras beginnen und beenden die Belichtung gleichzeitig über den gesamten Sensor. Dies wird durch fünf oder mehr Transistoren pro Pixel und einen Speicherknoten erreicht, der die erfassten 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 gegen Masse ableiten.

2. Warten Sie die gewählte Belichtungszeit ab.

3. Nach Ende der Belichtung werden die erfassten Ladungen in den Speicherknoten jedes Pixels verschoben, wodurch die Belichtung dieses Bildes beendet wird.

4. Zeilenweise werden Elektronen in den Auslesekondensator des Pixels geleitet und die akkumulierte Spannung an die Auslesearchitektur, einschließlich der Analog-Digital-Wandler (ADCs), weitergeleitet. Die nächste Belichtung kann typischerweise gleichzeitig mit diesem Schritt erfolgen.

Vorteile von Global Shutter

● Keine Bewegungsverzerrung – Bewegte Objekte behalten ihre Form und Geometrie ohne die Verzerrung oder das Wackeln, die bei sequenzieller Auslesung auftreten können.

● Hochgeschwindigkeitsaufnahme – Ideal zum Einfrieren von Bewegungen in schnelllebigen Szenen, wie z. B. im Sport, in der Robotik oder in der Fertigungsqualitätskontrolle.

● Geringe Latenz – Alle Bilddaten stehen gleichzeitig zur Verfügung, was eine präzise Synchronisierung mit externen Ereignissen wie Laserimpulsen oder Blitzlichtern ermöglicht.

Einschränkungen des globalen Verschlusses

●Geringere Lichtempfindlichkeit– Bei einigen Global-Shutter-Pixeldesigns wird die Lichtsammelleistung zugunsten der für die gleichzeitige Belichtung benötigten Schaltung geopfert.

●Höhere Kosten und Komplexität– Die Fertigung ist anspruchsvoller, was im Vergleich zu Rollladen häufig zu höheren Preisen führt.

●Potenzial für erhöhtes Rauschen– Je nach Sensordesign kann die zusätzliche Elektronik pro Pixel zu einem etwas höheren Ausleserauschen führen.

Rollladen verstehen

Wie Rollläden funktionieren

Durch die Verwendung von nur vier Transistoren und ohne Speicherknoten führt diese einfachere Form des CMOS-Pixeldesigns zu einer komplexeren elektronischen Verschlussfunktion. Rolling-Shutter-Pixel starten und stoppen die Belichtung des Sensors zeilenweise, indem sie über den Sensor „rollen“. Die umgekehrte Sequenz (ebenfalls in der Abbildung dargestellt) wird für jede Belichtung ausgeführt:

Rolling-Shutter-Prozess für einen 6x6-Pixel-Kamerasensor

Das erste Bild (gelb) beginnt die Belichtung am oberen Rand des Sensors und wandert mit einer Geschwindigkeit von einer Zeile pro Belichtungszeit nach unten. Sobald die Belichtung der obersten Zeile abgeschlossen ist, erfolgt das Auslesen (lila), gefolgt vom Beginn der nächsten Belichtung (blau), die den Sensor nach unten abtastet.

1. Beginnen Sie die Belichtung der obersten Sensorreihe, indem Sie die aufgenommenen Ladungen löschen.

Boden.

2. Nach Ablauf der „Zeilenzeit“ gehen Sie zur zweiten Zeile des Sensors und beginnen mit der Belichtung. Wiederholen Sie dies für jede Zeile des Sensors.

3. Sobald die angeforderte Belichtungszeit für die oberste Zeile abgelaufen ist, wird die Belichtung beendet, indem die erfassten Ladungen über die Auslesearchitektur gesendet werden. Die hierfür benötigte Zeit ist die „Zeilenzeit“.

4. Sobald die Auslesung einer Zeile abgeschlossen ist, kann die Belichtung ab Schritt 1 erneut begonnen werden, auch wenn dies eine Überlappung mit anderen Zeilen bedeutet, die die vorherige Belichtung durchführen.

Vorteile von Rollläden

●Bessere Leistung bei schwachem Licht– Die Pixeldesigns können die Lichterfassung priorisieren und so das Signal-Rausch-Verhältnis bei schwachen Lichtverhältnissen verbessern.

●Höherer Dynamikbereich– Sequenzielle Auslesesysteme können hellere Glanzlichter und dunklere Schatten besser verarbeiten.

●Günstiger– Rolling-Shutter-CMOS-Sensoren sind gebräuchlicher und kostengünstiger in der Herstellung.

Einschränkungen von Rollläden

●Bewegungsartefakte– Bei sich schnell bewegenden Objekten kann es zu Verzerrungen oder Krümmungen kommen, ein Phänomen, das als „Rolling-Shutter-Effekt“ bekannt ist.

●Jello-Effekt im Video– Handaufnahmen mit Vibrationen oder schnellen Schwenks können zu Bildwackeln führen.

●Synchronisierungsherausforderungen– Weniger geeignet für Anwendungen, die eine präzise Abstimmung mit externen Ereignissen erfordern.

Globaler Verschluss vs. Rollladen: Vergleich im direkten Vergleich

Abdeckung von Global Shutter und Rolling Shutter

Hier ein Überblick über die Unterschiede zwischen Rollläden und globalen Verschlüssen:

Besonderheit	Rollladen	Globaler Verschluss
Pixel Design	4-Transistor (4T), kein Speicherknoten	5+ Transistoren, einschließlich Speicherknoten
Lichtempfindlichkeit	Höherer Füllfaktor, einfache Anpassung an das hinterleuchtete Format → höhere Quanteneffizienz	Niedrigerer Füllfaktor, BSI komplexer
Geräuschverhalten	Generell geringeres Ausleserauschen	Kann aufgrund zusätzlicher Schaltungstechnik ein etwas höheres Rauschen aufweisen.
Bewegungsverzerrung	Möglich (Verzerrung, Wackeln, Wackel-Effekt)	Keine – alle Pixel gleichzeitig belichtet
Geschwindigkeitspotenzial	Kann Belichtungen überlappen und mehrere Zeilen lesen; oft schneller bei manchen Konstruktionen	Die Beschränkung liegt in der Vollbildauslesung, wobei die geteilte Auslesung Abhilfe schaffen kann.
Kosten	Niedrigere Herstellungskosten	Höhere Herstellungskosten
Beste Anwendungsfälle	Aufnahmen bei schwachem Licht, Kinematografie, allgemeine Fotografie	Hochgeschwindigkeits-Bewegungserfassung, industrielle Inspektion, Präzisionsmesstechnik

Kernleistungsunterschiede

Rolling-Shutter-Pixel verwenden typischerweise ein 4-Transistor-Design (4T) ohne Speicherknoten, während Global Shutter 5 oder mehr Transistoren pro Pixel sowie zusätzliche Schaltkreise benötigen, um die Photoelektronen vor dem Auslesen zu speichern.

●Füllfaktor & EmpfindlichkeitDie einfachere 4T-Architektur ermöglicht einen höheren Pixelfüllfaktor, wodurch ein größerer Teil der Pixeloberfläche für die Lichterfassung genutzt wird. Dieses Design, kombiniert mit der Tatsache, dass Rolling-Shutter-Sensoren leichter an ein rückseitig belichtetes Format angepasst werden können, führt häufig zu einer höheren Quanteneffizienz.

●Geräuschverhalten– Weniger Transistoren und eine weniger komplexe Schaltung bedeuten im Allgemeinen, dass Rolling Shutter ein geringeres Ausleserauschen aufweisen, wodurch sie sich besser für Anwendungen bei schwachem Licht eignen.

●Geschwindigkeitspotenzial– Rolling Shutter können in bestimmten Architekturen schneller sein, da sie eine überlappende Belichtung und Auslesung ermöglichen, dies hängt jedoch stark vom Sensordesign und der Ausleseelektronik ab.

●Kosten und Fertigung– Die Einfachheit der Rolling-Shutter-Pixel führt in der Regel zu geringeren Produktionskosten im Vergleich zu Global Shutters.

Weiterführende Überlegungen und Techniken

Pseudo-Globalverschluss

In Situationen, in denen sich der Lichteinfall auf den Sensor präzise steuern lässt – beispielsweise durch die Verwendung einer hardwareseitig ausgelösten LED- oder Laserlichtquelle –, lassen sich mit einem Rolling Shutter „global-ähnliche“ Ergebnisse erzielen. Diese Methode des Pseudo-Global Shutters synchronisiert die Beleuchtung mit dem Belichtungsfenster und minimiert so Bewegungsartefakte, ohne dass ein echter Global Shutter erforderlich ist.

Bildüberlappung

Rolling-Shutter-Sensoren können mit der Belichtung des nächsten Bildes beginnen, bevor das Auslesen des aktuellen Bildes abgeschlossen ist. Diese überlappende Belichtung verbessert das Tastverhältnis und ist vorteilhaft für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, bei denen die Aufnahme einer maximalen Anzahl von Bildern pro Sekunde entscheidend ist, kann aber zeitkritische Experimente erschweren.

Mehrzeilen-Auslesung

Viele Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kameras können mehrere Pixelzeilen gleichzeitig auslesen. In manchen Modi werden die Zeilen paarweise ausgelesen; bei fortschrittlichen Modellen können bis zu vier Zeilen gleichzeitig ausgelesen werden, wodurch die Gesamtauslesezeit des Bildes effektiv reduziert wird.

Split-Sensor-Architektur

Sowohl Rolling Shutter als auch Global Shutter können ein Split-Sensor-Layout verwenden, bei dem der Bildsensor vertikal in zwei Hälften geteilt wird, von denen jede ihre eigene Reihe von ADCs besitzt.

● Bei Rolling-Shutter-Split-Sensoren beginnt das Auslesen oft in der Mitte und rollt nach außen sowohl nach oben als auch nach unten, wodurch die Latenz weiter reduziert wird.

● Bei Global-Shutter-Systemen kann die geteilte Auslesung die Bildrate verbessern, ohne die Belichtungssimultanität zu verändern.

Wie Sie die richtige Wahl für Ihre Anwendung treffen: Rollverschluss oder globaler Verschluss?

Der globale Verschluss könnte Anwendungen zugutekommen.

● Erfordern eine hochpräzise Zeitmessung von Ereignissen

● Erfordern sehr kurze Belichtungszeiten

● Erfordert eine Verzögerung im Submillisekundenbereich vor Beginn einer Datenerfassung, um diese mit einem Ereignis zu synchronisieren

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

● Erfordert simultane Datenerfassung über den gesamten Sensor, jedoch können Lichtquellen nicht so gesteuert werden, dass ein Pseudo-Global-Shutter über einen großen Bereich verwendet werden kann.

Der Rollladen könnte für verschiedene Anwendungen von Vorteil sein.

● Anspruchsvolle Anwendungen bei schwachem Licht: Die höhere Quanteneffizienz und das geringere Rauschen von Rolling-Shutter-Kameras führen häufig zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis.

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

● Weitere, allgemeinere Anwendungsbereiche, in denen die einfache Herstellung und die geringeren Kosten von Rolling-Shutter-Kameras von Vorteil sind

Häufige Missverständnisse

1. „Rolling Shutter ist immer schlecht.“

Das stimmt nicht – Rolling Shutter sind für viele Anwendungsfälle ideal und übertreffen Global Shutter oft bei schlechten Lichtverhältnissen und im Dynamikumfang.

2. „Global Shutter ist immer besser.“

Obwohl verzerrungsfreie Aufnahmen ein Vorteil sind, können die Nachteile in Bezug auf Kosten, Rauschen und Empfindlichkeit die Vorteile einer langsameren Bildgebung überwiegen.

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

Viele hochwertige Kinokameras nutzen Rolling Shutter effektiv; sorgfältige Aufnahmetechniken können Artefakte minimieren.

4. „Globale Verschlüsse eliminieren jegliche Bewegungsunschärfe.“

Sie verhindern geometrische Verzerrungen, aber Bewegungsunschärfe durch lange Belichtungszeiten kann trotzdem auftreten.

Abschluss

Die Wahl zwischen globaler und Rolling-Shutter-Technologie bei einer CMOS-Kamera hängt letztendlich von der Balance zwischen Bewegungsverarbeitung, Lichtempfindlichkeit, Kosten und Ihren spezifischen Anwendungsanforderungen ab.

● Wenn Sie verzerrungsfreie Aufnahmen von sich schnell bewegenden Szenen benötigen, ist der Global Shutter die eindeutige Wahl.

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

Das Verständnis dieser Unterschiede stellt sicher, dass Sie das richtige Werkzeug auswählen können – sei es für wissenschaftliche Bildgebung, industrielle Überwachung oder kreative Produktion.

Häufig gestellte Fragen

Welcher Verschlusstyp eignet sich besser für Luftbildfotografie oder Drohnenkartierung?

Für Kartierungs-, Vermessungs- und Inspektionsarbeiten, bei denen geometrische Genauigkeit entscheidend ist, wird ein Global Shutter bevorzugt, um Verzerrungen zu vermeiden. Für kreative Luftbildaufnahmen kann jedoch auch ein Rolling Shutter hervorragende Ergebnisse liefern, sofern die Bewegungen kontrolliert werden.

Wie beeinflusst die Wahl des Verschlusses die Bildgebung bei schlechten Lichtverhältnissen?

Rolling Shutter bieten im Allgemeinen Vorteile bei schwachem Licht, da ihre Pixelarchitektur die Lichtausbeute optimiert. Global Shutter benötigen unter Umständen komplexere Schaltkreise, was die Lichtempfindlichkeit leicht verringern kann, obwohl moderne Designs diesen Unterschied verringern.

Wie beeinflusst der Verschlusstyp eine wissenschaftliche Kamera?

In der Hochgeschwindigkeitsbildgebung – etwa bei der Partikelverfolgung, Zelldynamik oder Ballistik – ist ein Global Shutter oft unerlässlich, um Bewegungsartefakte zu vermeiden. Bei der Fluoreszenzmikroskopie mit schwachem Licht hingegen…sCMOS-KameraUm die Empfindlichkeit und den Dynamikumfang zu maximieren, kann ein Rolling-Shutter-Filter gewählt werden.

Welches ist besser für die industrielle Inspektion?

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