25/08/21Στον κόσμο της ψηφιακής απεικόνισης, λίγοι τεχνικοί παράγοντες επηρεάζουν την ποιότητα της εικόνας τόσο όσο ο τύπος του ηλεκτρονικού κλείστρου στον αισθητήρα σας. Είτε τραβάτε βιομηχανικές διεργασίες υψηλής ταχύτητας, είτε γυρίζετε κινηματογραφικές ακολουθίες είτε καταγράφετε αμυδρά αστρονομικά φαινόμενα, η τεχνολογία κλείστρου στο εσωτερικό της κάμερας CMOS παίζει κρίσιμο ρόλο στο πώς θα εξελιχθεί η τελική εικόνα.
Δύο κυρίαρχοι τύποι ηλεκτρονικών κλείστρων CMOS, τα καθολικά κλείστρα και τα ρολά, υιοθετούν πολύ διαφορετικές προσεγγίσεις στην έκθεση και την ανάγνωση φωτός από έναν αισθητήρα. Η κατανόηση των διαφορών, των δυνατών σημείων και των αντισταθμίσεών τους είναι απαραίτητη εάν θέλετε να ταιριάξετε το σύστημα απεικόνισης με την εφαρμογή σας.
Αυτό το άρθρο θα εξηγήσει τι είναι τα ηλεκτρονικά ρολά CMOS, πώς λειτουργούν τα παγκόσμια και τα ρολά, πώς αποδίδουν σε πραγματικές συνθήκες και πώς να αποφασίσετε ποιο είναι το καλύτερο για εσάς.
Τι είναι τα ηλεκτρονικά παντζούρια CMOS;
Ένας αισθητήρας CMOS είναι η καρδιά των περισσότερων σύγχρονων φωτογραφικών μηχανών. Είναι υπεύθυνος για τη μετατροπή του εισερχόμενου φωτός σε ηλεκτρικά σήματα που μπορούν να υποστούν επεξεργασία σε μια εικόνα. Το "κλείστρο" σε έναΚάμερα CMOSδεν είναι απαραίτητα μια μηχανική κουρτίνα—πολλά μοντέρνα σχέδια βασίζονται σε ένα ηλεκτρονικό κλείστρο που ελέγχει πώς και πότε τα pixel συλλαμβάνουν το φως.
Σε αντίθεση με ένα μηχανικό κλείστρο που μπλοκάρει φυσικά το φως, ένα ηλεκτρονικό κλείστρο λειτουργεί ξεκινώντας και σταματώντας τη ροή φορτίου μέσα σε κάθε pixel. Στην απεικόνιση CMOS, υπάρχουν δύο κύριες αρχιτεκτονικές ηλεκτρονικού κλείστρου: το καθολικό κλείστρο και το κυλιόμενο κλείστρο.
Γιατί έχει σημασία η διάκριση; Επειδή η μέθοδος έκθεσης και η ένδειξη επηρεάζει άμεσα:
● Απόδοση κίνησης και παραμόρφωση
● Ευκρίνεια εικόνας
● Ευαισθησία σε χαμηλό φωτισμό
● Ρυθμός καρέ και καθυστέρηση
● Συνολική καταλληλότητα για διαφορετικούς τύπους φωτογραφίας, βίντεο και επιστημονικής απεικόνισης
Κατανόηση του Global Shutter
Πηγή: Αισθητήρας παγκόσμιου κλείστρου GMAX3405
Πώς λειτουργεί το Παγκόσμιο Κλείστρο
Οι κάμερες CMOS Global Shutter ξεκινούν και τερματίζουν την έκθεσή τους ταυτόχρονα σε ολόκληρο τον αισθητήρα. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας 5 ή περισσότερα τρανζίστορ ανά pixel και έναν «κόμβο αποθήκευσης» που συγκρατεί τα φορτία φωτοηλεκτρονίων που έχουν ληφθεί κατά την ανάγνωση. Η ακολουθία μιας έκθεσης έχει ως εξής:
1. Ξεκινήστε την έκθεση ταυτόχρονα σε κάθε pixel, μηδενίζοντας τα φορτία που αποκτήθηκαν στη γη.
2. Περιμένετε τον επιλεγμένο χρόνο έκθεσης.
3. Στο τέλος της έκθεσης, μετακινήστε τα φορτία που αποκτήθηκαν στον κόμβο αποθήκευσης σε κάθε pixel, τερματίζοντας την έκθεση αυτού του καρέ.
4. Σειρά προς σειρά, μετακινήστε ηλεκτρόνια στον πυκνωτή ανάγνωσης του pixel και αναμεταδώστε τη συσσωρευμένη τάση στην αρχιτεκτονική ανάγνωσης, με αποκορύφωμα τους αναλογικούς σε ψηφιακούς μετατροπείς (ADC). Η επόμενη έκθεση μπορεί συνήθως να πραγματοποιηθεί ταυτόχρονα με αυτό το βήμα.
Πλεονεκτήματα του Global Shutter
● Χωρίς παραμόρφωση κίνησης – Τα κινούμενα θέματα διατηρούν το σχήμα και τη γεωμετρία τους χωρίς την ασυμμετρία ή την ταλάντωση που μπορεί να προκύψει με τη διαδοχική ανάγνωση.
● Λήψη υψηλής ταχύτητας – Ιδανική για το πάγωμα της κίνησης σε σκηνές με γρήγορη κίνηση, όπως σε αθλήματα, ρομποτική ή έλεγχο ποιότητας κατασκευής.
● Χαμηλή καθυστέρηση – Όλα τα δεδομένα εικόνας είναι διαθέσιμα ταυτόχρονα, επιτρέποντας τον ακριβή συγχρονισμό με εξωτερικά συμβάντα, όπως παλμούς λέιζερ ή φώτα φλας.
Περιορισμοί του Global Shutter
● Χαμηλότερη ευαισθησία φωτός – Ορισμένα σχέδια pixel παγκόσμιου κλείστρου θυσιάζουν την απόδοση συλλογής φωτός για να καλύψουν τα κυκλώματα που απαιτούνται για ταυτόχρονη έκθεση.
● Υψηλότερο Κόστος & Πολυπλοκότητα – Η κατασκευή είναι πιο απαιτητική, με αποτέλεσμα συχνά υψηλότερες τιμές σε σύγκριση με τα αντίστοιχα ρολά.
● Πιθανότητα Αυξημένου Θορύβου – Ανάλογα με τον σχεδιασμό του αισθητήρα, τα επιπλέον ηλεκτρονικά ανά pixel μπορούν να οδηγήσουν σε ελαφρώς υψηλότερο θόρυβο ανάγνωσης.
Κατανόηση του ρολού
Πώς λειτουργεί το ρολό
Χρησιμοποιώντας μόνο 4 τρανζίστορ και χωρίς κόμβο αποθήκευσης, αυτή η απλούστερη μορφή σχεδιασμού εικονοστοιχείων CMOS οδηγεί σε μια πιο περίπλοκη λειτουργία ηλεκτρονικού κλείστρου. Τα εικονοστοιχεία ρολού κλείστρου ξεκινούν και σταματούν την έκθεση του αισθητήρα μία σειρά κάθε φορά, «κυλιόμενα» προς τα κάτω στον αισθητήρα. Η απέναντι ακολουθία (που φαίνεται επίσης στο σχήμα) ακολουθείται για κάθε έκθεση:
Σχήμα: Διαδικασία ρολού κλείστρου για αισθητήρα κάμερας 6x6 pixel
Το πρώτο καρέ ξεκινά την έκθεση (κίτρινο) στο πάνω μέρος του αισθητήρα, σαρώνοντας προς τα κάτω με ρυθμό μίας γραμμής ανά γραμμή. Μόλις ολοκληρωθεί η έκθεση για την πάνω γραμμή, η ένδειξη (μωβ) ακολουθούμενη από την έναρξη της επόμενης έκθεσης (μπλε) σαρώνει τον αισθητήρα προς τα κάτω.
1. Ξεκινήστε την έκθεση στην επάνω σειρά του αισθητήρα αντισταθμίζοντας τα φορτία που αποκτήσατε από τη γη.
2. Αφού παρέλθει ο «χρόνος σειράς», μετακινηθείτε στη δεύτερη σειρά του αισθητήρα και ξεκινήστε την έκθεση, επαναλαμβάνοντας τη διαδικασία στον αισθητήρα.
3. Μόλις ολοκληρωθεί ο απαιτούμενος χρόνος έκθεσης για την επάνω σειρά, τερματίστε την έκθεση στέλνοντας τα φορτία που αποκτήθηκαν μέσω της αρχιτεκτονικής ανάγνωσης. Ο χρόνος που απαιτείται για να γίνει αυτό ονομάζεται «χρόνος σειράς».
4. Μόλις ολοκληρωθεί η ανάγνωση για μια σειρά, είναι έτοιμη να ξεκινήσει ξανά η έκθεση από το Βήμα 1, ακόμα κι αν αυτό σημαίνει επικάλυψη με άλλες σειρές που εκτελούν την προηγούμενη έκθεση.
Πλεονεκτήματα του ρολού
●Καλύτερη απόδοση σε χαμηλό φωτισμό– Τα σχέδια των pixel μπορούν να δώσουν προτεραιότητα στη συλλογή φωτός, βελτιώνοντας την αναλογία σήματος προς θόρυβο σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού.
●Υψηλότερο δυναμικό εύρος– Τα σχέδια διαδοχικών ενδείξεων μπορούν να χειριστούν τα φωτεινότερα σημεία και τις πιο σκούρες σκιές με μεγαλύτερη κομψότητα.
●Πιο προσιτό– Οι αισθητήρες CMOS με ρολό είναι πιο συνηθισμένοι και οικονομικά αποδοτικοί στην κατασκευή.
Περιορισμοί του ρολού
●Τεχνουργήματα κίνησης– Τα θέματα που κινούνται γρήγορα ενδέχεται να εμφανίζονται ασύμμετρα ή στραβά, κάτι που είναι γνωστό ως «φαινόμενο ρολού κλείστρου».
●Εφέ ζελέ σε βίντεο– Τα πλάνα που τραβάτε στο χέρι με κραδασμούς ή γρήγορη μετατόπιση μπορεί να προκαλέσουν τρεμούλιασμα στην εικόνα.
●Προκλήσεις συγχρονισμού– Λιγότερο ιδανικό για εφαρμογές που απαιτούν ακριβή χρονισμό με εξωτερικά συμβάντα.
Global vs. Rolling Shutter: Σύγκριση μεταξύ τους
Ακολουθεί μια γενική εικόνα για το πώς συγκρίνονται τα ρολά και τα γενικά ρολά:
| Χαρακτηριστικό | Ρολό παντζουριού | Παγκόσμιο κλείστρο |
| Σχεδιασμός εικονοστοιχείων | 4-τρανζίστορ (4Τ), χωρίς κόμβο αποθήκευσης | 5+ τρανζίστορ, περιλαμβάνει κόμβο αποθήκευσης |
| Ευαισθησία στο φως | Υψηλότερος συντελεστής πλήρωσης, εύκολα προσαρμοσμένος σε μορφή με οπίσθιο φωτισμό → υψηλότερο QE | Χαμηλότερος συντελεστής πλήρωσης, BSI πιο σύνθετο |
| Απόδοση θορύβου | Γενικά χαμηλότερος θόρυβος ανάγνωσης | Μπορεί να έχει ελαφρώς υψηλότερο θόρυβο λόγω πρόσθετων κυκλωμάτων |
| Παραμόρφωση κίνησης | Πιθανό (στρέβλωση, ταλάντωση, φαινόμενο ζελέ) | Κανένα — όλα τα pixel εκτίθενται ταυτόχρονα |
| Δυναμικό ταχύτητας | Μπορεί να επικαλύπτει τις εκθέσεις και να διαβάζει πολλαπλές σειρές. Συχνά πιο γρήγορα σε ορισμένα σχέδια. | Περιορίζεται σε ανάγνωση πλήρους καρέ, αν και η διαιρεμένη ανάγνωση μπορεί να βοηθήσει |
| Κόστος | Χαμηλότερο κόστος παραγωγής | Υψηλότερο κόστος παραγωγής |
| Βέλτιστες περιπτώσεις χρήσης | Απεικόνιση σε χαμηλό φωτισμό, κινηματογράφηση, γενική φωτογραφία | Καταγραφή κίνησης υψηλής ταχύτητας, βιομηχανική επιθεώρηση, μετρολογία ακριβείας |
Βασικές διαφορές απόδοσης
Τα pixel ρολού κλείστρου χρησιμοποιούν συνήθως σχεδιασμό 4 τρανζίστορ (4T) χωρίς κόμβο αποθήκευσης, ενώ τα καθολικά κλείστρα απαιτούν 5 ή περισσότερα τρανζίστορ ανά pixel συν πρόσθετα κυκλώματα για την αποθήκευση φωτοηλεκτρονίων πριν από την ανάγνωση.
●Συντελεστής πλήρωσης και ευαισθησία– Η απλούστερη αρχιτεκτονική 4T επιτρέπει υψηλότερο συντελεστή πλήρωσης pixel, που σημαίνει ότι μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας κάθε pixel είναι αφιερωμένο στη συλλογή φωτός. Αυτός ο σχεδιασμός, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι οι αισθητήρες ρολού κλείστρου μπορούν να προσαρμοστούν πιο εύκολα σε μορφή οπίσθιου φωτισμού, συχνά οδηγεί σε υψηλότερη κβαντική απόδοση.
●Απόδοση θορύβου– Λιγότερα τρανζίστορ και λιγότερο πολύπλοκα κυκλώματα σημαίνουν γενικά ότι τα ρολά εμφανίζουν χαμηλότερο θόρυβο ανάγνωσης, καθιστώντας τα πιο κατάλληλα για εφαρμογές χαμηλού φωτισμού.
●Δυναμικό ταχύτητας– Τα ρολά μπορεί να είναι ταχύτερα σε ορισμένες αρχιτεκτονικές επειδή επιτρέπουν την επικάλυψη της έκθεσης και της ένδειξης, αν και αυτό εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον σχεδιασμό του αισθητήρα και τα ηλεκτρονικά ένδειξης.
Κόστος & Κατασκευή – Η απλότητα των pixel ρολού συνήθως μεταφράζεται σε χαμηλότερο κόστος παραγωγής σε σύγκριση με τα παγκόσμια ρολά.
Προηγμένες Σκέψεις και Τεχνικές
Ψευδο-Παγκόσμιο Κλείστρο
Σε περιπτώσεις όπου μπορείτε να ελέγξετε με ακρίβεια πότε το φως φτάνει στον αισθητήρα —όπως χρησιμοποιώντας μια πηγή φωτός LED ή λέιζερ που ενεργοποιείται από υλικό— μπορείτε να επιτύχετε αποτελέσματα «καθολικού τύπου» με ένα κυλιόμενο κλείστρο. Αυτή η μέθοδος ψευδο-καθολικού κλείστρου συγχρονίζει τον φωτισμό με το παράθυρο έκθεσης, ελαχιστοποιώντας τα τεχνουργήματα κίνησης χωρίς να απαιτείται πραγματικός σχεδιασμός καθολικού κλείστρου.
Επικάλυψη εικόνας
Οι αισθητήρες ρολού κλείστρου μπορούν να ξεκινήσουν την έκθεση του επόμενου καρέ πριν ολοκληρωθεί η ανάγνωση του τρέχοντος καρέ. Αυτή η επικαλυπτόμενη έκθεση βελτιώνει τον κύκλο λειτουργίας και είναι ωφέλιμη για εφαρμογές υψηλής ταχύτητας όπου η καταγραφή του μέγιστου αριθμού καρέ ανά δευτερόλεπτο είναι κρίσιμη, αλλά μπορεί να περιπλέξει πειράματα που είναι ευαίσθητα στον χρονισμό.
Ανάγνωση πολλαπλών γραμμών
Πολλές κάμερες CMOS υψηλής ταχύτητας μπορούν να διαβάσουν περισσότερες από μία σειρές pixel ταυτόχρονα. Σε ορισμένες λειτουργίες, οι σειρές διαβάζονται ανά ζεύγη. Σε προηγμένα σχέδια, μπορούν να διαβαστούν έως και τέσσερις σειρές ταυτόχρονα, μειώνοντας αποτελεσματικά τον συνολικό χρόνο ανάγνωσης καρέ.
Αρχιτεκτονική διαιρεμένου αισθητήρα
Τόσο τα ρολά όσο και τα γενικά κλείστρα μπορούν να χρησιμοποιήσουν μια διάταξη διαχωρισμένου αισθητήρα, όπου ο αισθητήρας εικόνας χωρίζεται κάθετα σε δύο μισά, το καθένα με τη δική του σειρά ADC.
● Στους αισθητήρες ρολού κλείστρου split, η ένδειξη συχνά ξεκινά από το κέντρο και κυλάει προς τα έξω τόσο προς τα πάνω όσο και προς τα κάτω, μειώνοντας περαιτέρω την καθυστέρηση.
● Στα σχέδια καθολικού κλείστρου, η διαιρεμένη ανάγνωση μπορεί να βελτιώσει τους ρυθμούς καρέ χωρίς να μεταβάλει την ταυτόχρονη έκθεση.
Πώς να επιλέξετε για την εφαρμογή σας: Rolling ή Global Shutter;
Το παγκόσμιο κλείστρο μπορεί να ωφελήσει εφαρμογές
● Απαιτείται χρονισμός υψηλής ακρίβειας των συμβάντων
● Απαιτούνται πολύ σύντομοι χρόνοι έκθεσης
● Απαιτείται καθυστέρηση μικρότερη των χιλιοστών του δευτερολέπτου πριν από την έναρξη μιας λήψης για συγχρονισμό με ένα συμβάν
● Καταγράψτε κίνηση ή δυναμική μεγάλης κλίμακας σε παρόμοια ή ταχύτερη χρονική κλίμακα με ένα ρολό κλείστρου
● Απαιτείται ταυτόχρονη λήψη σε όλο τον αισθητήρα, αλλά δεν είναι δυνατός ο έλεγχος των πηγών φωτός για τη χρήση ψευδο-ολικού κλείστρου σε μια μεγάλη περιοχή
Το ρολό μπορεί να ωφελήσει εφαρμογές
● Δύσκολες εφαρμογές χαμηλού φωτισμού: Η πρόσθετη κβαντική απόδοση και ο χαμηλότερος θόρυβος των φωτογραφικών μηχανών με ρολό συχνά οδηγούν σε βελτιωμένο SNR
● Εφαρμογές υψηλής ταχύτητας όπου η ακριβής ταυτόχρονη λειτουργία στον αισθητήρα δεν είναι σημαντική ή η καθυστέρηση είναι μικρή σε σύγκριση με τα πειραματικά χρονικά πλαίσια
● Άλλες πιο γενικές εφαρμογές όπου η απλότητα κατασκευής και το χαμηλότερο κόστος των φωτογραφικών μηχανών με ρολό είναι επωφελή
Συνήθεις παρανοήσεις
1. «Το ρολό κλείστρου είναι πάντα κακό.»
Δεν ισχύει—τα ρολά είναι ιδανικά για πολλές περιπτώσεις χρήσης και συχνά έχουν καλύτερη απόδοση από τα παγκόσμια ρολά σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού και δυναμικού εύρους.
2. «Το Global Shutter είναι πάντα καλύτερο.»
Ενώ η λήψη χωρίς παραμόρφωση αποτελεί πλεονέκτημα, οι συμβιβασμοί σε κόστος, θόρυβο και ευαισθησία μπορεί να υπερτερούν των πλεονεκτημάτων της απεικόνισης με πιο αργό ρυθμό.
3. «Δεν μπορείς να τραβήξεις βίντεο με ρολό κλείστρου.»
Πολλές κινηματογραφικές κάμερες υψηλής τεχνολογίας χρησιμοποιούν αποτελεσματικά τα ρολά κλείστρων. Οι προσεκτικές τεχνικές λήψης μπορούν να ελαχιστοποιήσουν τα τεχνουργήματα.
4. «Τα παγκόσμια κλείστρα εξαλείφουν κάθε θόλωση λόγω κίνησης.»
Αποτρέπουν τη γεωμετρική παραμόρφωση, αλλά μπορεί να εμφανιστεί θόλωση κίνησης από μεγάλους χρόνους έκθεσης.
Σύναψη
Η επιλογή μεταξύ τεχνολογίας καθολικού και ρολού κλείστρου σε μια κάμερα CMOS εξαρτάται από την ισορροπία μεταξύ χειρισμού κίνησης, ευαισθησίας στο φως, κόστους και των συγκεκριμένων αναγκών της εφαρμογής σας.
● Αν χρειάζεστε λήψη χωρίς παραμόρφωση για σκηνές με γρήγορη κίνηση, η λειτουργία global shutter είναι η ιδανική επιλογή.
● Αν δίνετε προτεραιότητα στην απόδοση σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού, το δυναμικό εύρος και τον προϋπολογισμό, το ρολό κλείστρου συχνά προσφέρει τα καλύτερα αποτελέσματα.
Η κατανόηση αυτών των διαφορών σάς διασφαλίζει ότι μπορείτε να επιλέξετε το σωστό εργαλείο—είτε πρόκειται για επιστημονική απεικόνιση, βιομηχανική παρακολούθηση είτε για δημιουργική παραγωγή.
Συχνές ερωτήσεις
Ποιος τύπος κλείστρου είναι καλύτερος για αεροφωτογράφηση ή χαρτογράφηση με drone;
Για χαρτογράφηση, τοπογραφική αποτύπωση και επιθεώρηση όπου η γεωμετρική ακρίβεια είναι κρίσιμη, προτιμάται ένα καθολικό κλείστρο για την αποφυγή παραμόρφωσης. Ωστόσο, για δημιουργικό εναέριο βίντεο, ένα ρολό κλείστρου μπορεί να προσφέρει εξαιρετικά αποτελέσματα εάν οι κινήσεις ελέγχονται.
Πώς επηρεάζει η επιλογή κλείστρου την απεικόνιση σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού;
Τα ρολά έχουν γενικά ένα πλεονέκτημα στην απόδοση σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού, επειδή ο σχεδιασμός των pixel τους μπορεί να δώσει προτεραιότητα στην αποτελεσματικότητα της συλλογής φωτός. Τα παγκόσμια ρολά ενδέχεται να απαιτούν πιο σύνθετα κυκλώματα που μπορούν να μειώσουν ελαφρώς την ευαισθησία, αν και τα σύγχρονα σχέδια καλύπτουν αυτό το κενό.
Πώς επηρεάζει ο τύπος κλείστρου έναεπιστημονική κάμερα?
Στην επιστημονική απεικόνιση υψηλής ταχύτητας —όπως η παρακολούθηση σωματιδίων, η κυτταρική δυναμική ή η βαλλιστική— ένα καθολικό κλείστρο είναι συχνά απαραίτητο για την αποφυγή παραμόρφωσης κίνησης. Αλλά για τη μικροσκοπία φθορισμού χαμηλού φωτισμού, ένακάμερα sCMOSμε ρολό κλείστρου μπορεί να επιλεγεί για μεγιστοποίηση της ευαισθησίας και του δυναμικού εύρους.
Ποιο είναι καλύτερο για βιομηχανική επιθεώρηση;
Στις περισσότερες βιομηχανικές εργασίες επιθεώρησης —ειδικά σε εκείνες που αφορούν κινούμενους ιμάντες μεταφοράς, ρομποτική ή μηχανική όραση— ένα παγκόσμιο κλείστρο είναι η ασφαλέστερη επιλογή για να εξασφαλιστούν ακριβείς μετρήσεις χωρίς γεωμετρικά σφάλματα που προκαλούνται από κίνηση.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. Κατά την αναφορά, παρακαλούμε να αναφέρετε την πηγή:www.tucsen.com
