תריסים אלקטרוניים CMOS: גלובליים לעומת גלילה וכיצד לבחור |

בעולם ההדמיה הדיגיטלית, מעט גורמים טכניים משפיעים על איכות התמונה כמו סוג התריס האלקטרוני בחיישן שלכם. בין אם אתם מצלמים תהליכים תעשייתיים במהירות גבוהה, קטעי קולנוע או לוכדים תופעות אסטרונומיות חלשות, טכנולוגיית התריס במצלמת ה-CMOS שלכם ממלאת תפקיד קריטי באופן שבו התמונה הסופית שלכם מתקבלת.

שני סוגים דומיננטיים של תריסי CMOS אלקטרוניים, תריסי גלובליים ותריסים מתגלגלים, נוקטים בגישות שונות מאוד לחשיפה ולקריאת אור מחיישן. הבנת ההבדלים, החוזקות והפשרות ביניהם חיונית אם ברצונך להתאים את מערכת ההדמיה שלך ליישום שלך.

מאמר זה יסביר מהם תריסי CMOS אלקטרוניים, כיצד פועלים תריסי גלובליים ותריסים מתגלגלים, כיצד הם מתפקדים במצבים אמיתיים, וכיצד להחליט איזה מהם הכי מתאים לכם.

מהם תריסים אלקטרוניים של CMOS?

חיישן CMOS הוא לב ליבן של רוב המצלמות המודרניות. הוא אחראי על המרת אור נכנס לאותות חשמליים שניתן לעבד לתמונה. ה"תריס" ב...מצלמת CMOSאינו בהכרח וילון מכני - עיצובים מודרניים רבים מסתמכים על תריס אלקטרוני ששולט באופן ומתי פיקסלים לוכדים אור.

בניגוד לתריס מכני שחוסם פיזית אור, תריס אלקטרוני פועל על ידי הפעלה ועצירה של זרימת המטען בתוך כל פיקסל. בהדמיית CMOS, ישנן שתי ארכיטקטורות תריס אלקטרוניות עיקריות: תריס גלובלי ותריס מתגלגל.

מדוע ההבחנה חשובה? מכיוון ששיטת החשיפה והקריאה משפיעה ישירות על:

● רינדור תנועה ועיוות
● חדות תמונה
● רגישות לאור נמוך
● קצב פריימים והשהייה
● התאמה כללית לסוגים שונים של צילום, וידאו והדמיה מדעית

הבנת התריס הגלובלי

מקור: חיישן תריס גלובלי GMAX3405

כיצד פועל תריס גלובלי

מצלמות CMOS בעלות תריס גלובלי מתחילות ומסיימות את החשיפה שלהן בו זמנית על פני כל החיישן. זה מושג באמצעות 5 טרנזיסטורים או יותר לפיקסל, ו'צומת אחסון' אשר מחזיקה את מטעני הפוטואלקטרונים שנרכשו במהלך הקריאה. רצף החשיפה הוא כדלקמן:

1. התחל את החשיפה בו זמנית בכל פיקסל על ידי ניקוי מטענים שנרכשו לקרקע.

2. המתן לזמן החשיפה שנבחר.

3. בסוף החשיפה, העבירו את המטענים שנרכשו לצומת האחסון בכל פיקסל, ובכך סיימו את החשיפה של אותו פריים.

4. שורה אחר שורה, העבירו אלקטרונים לקבל הקריאה של הפיקסל, והעבירו את המתח המצטבר לארכיטקטורת הקריאה, עד לשלב שבו נוצרים ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים (ADCs). החשיפה הבאה יכולה להתבצע בדרך כלל בו זמנית עם שלב זה.

יתרונות התריס הגלובלי

● ללא עיוות תנועה – נושאים בתנועה שומרים על צורתם וגיאומטריה שלהם ללא ההטיה או הרעד שעלולים להתרחש בקריאה סדרתית.
● צילום במהירות גבוהה – אידיאלי להקפאת תנועה בסצנות מהירות, כמו בספורט, רובוטיקה או בקרת איכות ייצור.
● השהייה נמוכה – כל נתוני התמונה זמינים בו זמנית, מה שמאפשר סנכרון מדויק עם אירועים חיצוניים, כגון פולסי לייזר או אורות הבזק.

מגבלות התריס הגלובלי

● רגישות נמוכה יותר לאור – חלק מתכנני פיקסלים של תריס גלובלי מקריבים את יעילות איסוף האור כדי להתאים את המעגלים הדרושים לחשיפה סימולטנית.
● עלות ומורכבות גבוהות יותר – ייצור מאתגר יותר, ולעתים קרובות מוביל למחירים גבוהים יותר בהשוואה לתריסים גלילה מקבילים.
● פוטנציאל לרעש מוגבר – בהתאם לתכנון החיישן, האלקטרוניקה הנוספת לפיקסל עלולה להוביל לרעש קריאה מעט גבוה יותר.

הבנת תריס גלילה

איך תריס גלילה עובד

באמצעות 4 טרנזיסטורים בלבד וללא צומת אחסון, צורה פשוטה יותר זו של עיצוב פיקסלי CMOS מובילה לפעולת תריס אלקטרונית מסובכת יותר. פיקסלים של תריס מתגלגל מתחילים ועוצרים את חשיפת החיישן שורה אחר שורה, ו'מתגלגלים' כלפי מטה את החיישן. הרצף הנגדי (מוצג גם באיור) מתבצע עבור כל חשיפה:

איור: תהליך תריס גלילה עבור חיישן מצלמה 6x6 פיקסלים

החשיפה של הפריים הראשון (צהוב) מתחילה בחלק העליון של החיישן, כשהיא גורפת כלפי מטה בקצב של שורה אחת בכל שורה. לאחר סיום החשיפה עבור השורה העליונה, הקריאה (סגולה) ולאחריה תחילת החשיפה הבאה (כחול) גורפת כלפי מטה לאורך החיישן.

1. התחל את החשיפה לשורה העליונה של החיישן על ידי ניקוי המטענים שנרכשו לקרקע.
2. לאחר ש"זמן השורה" חלף, עברו לשורה השנייה של החיישן והתחלו לחשוף, תוך חזרה על הפעולה לאורך החיישן.
3. לאחר שזמן החשיפה המבוקש עבור השורה העליונה הסתיים, סיימו את החשיפה על ידי שליחת המטענים שנרכשו דרך ארכיטקטורת הקריאה. הזמן שלוקח לעשות זאת נקרא 'זמן השורה'.
4. ברגע שהקריאה עבור שורה הושלמה, היא מוכנה להתחיל חשיפה שוב משלב 1, גם אם פירוש הדבר חפיפה עם שורות אחרות המבצעות את החשיפה הקודמת.

יתרונות תריס גלילה

●ביצועים טובים יותר בתאורה חלשה– עיצובי הפיקסלים יכולים לתעדף איסוף אור, ובכך לשפר את יחס אות לרעש בתנאים עמומים.
●טווח דינמי גבוה יותר– עיצובים של קריאה סדרתית יכולים להתמודד עם נקודות בהירות יותר וצללים כהים יותר בצורה חיננית יותר.
●יותר משתלםחיישני CMOS מסוג תריס גלילה נפוצים יותר וחסכוניים יותר לייצור.

מגבלות של תריס גלילה

●אובייקטי תנועה– נושאים הנעים במהירות עשויים להיראות עקומים או עקומים, המכונה "אפקט תריס מתגלגל".
●אפקט ג'לו בסרטון– צילום ידני עם רטט או הזזה מהירה עלול לגרום לרעידות בתמונה.
●אתגרי סנכרון– פחות אידיאלי עבור יישומים הדורשים תזמון מדויק עם אירועים חיצוניים.

תריסים גלובליים לעומת תריסים מתגלגלים: השוואה זו לצד זו

הנה מבט מקיף על האופן שבו תריסי גלילה ותריסים גלובליים משתווים:

תכונה	תריס גלילה	תריס גלובלי
עיצוב פיקסל	4 טרנזיסטור (4T), ללא צומת אחסון	5+ טרנזיסטורים, כולל צומת אחסון
רגישות לאור	גורם מילוי גבוה יותר, מותאם בקלות לפורמט עם תאורה אחורית → QE גבוה יותר	גורם מילוי נמוך יותר, BSI מורכב יותר
ביצועי רעש	רעש קריאה נמוך יותר באופן כללי	יכול להיות רעש מעט גבוה יותר עקב מעגלים נוספים
עיוות תנועה	אפשרי (הטיה, רעד, אפקט ג'לי)	ללא - כל הפיקסלים נחשפים בו זמנית
פוטנציאל מהירות	יכול לחפוף חשיפות ולקרוא שורות מרובות; לעתים קרובות מהיר יותר בעיצובים מסוימים	מוגבל על ידי קריאת מסגרת מלאה, אם כי קריאת פיצול יכולה לעזור
עֲלוּת	עלות ייצור נמוכה יותר	עלות ייצור גבוהה יותר
מקרי שימוש מומלצים	צילום בתאורה חלשה, צילום קולנועי, צילום כללי	לכידת תנועה במהירות גבוהה, בדיקה תעשייתית, מטרולוגיה מדויקת

הבדלי ביצועי ליבה

פיקסלים של תריס מתגלגל משתמשים בדרך כלל בעיצוב של 4 טרנזיסטורים (4T) ללא צומת אחסון, בעוד שתריסים גלובליים דורשים 5 טרנזיסטורים או יותר לפיקסל בתוספת מעגלים נוספים לאחסון פוטואלקטרונים לפני הקריאה.

●גורם מילוי ורגישות– ארכיטקטורת 4T הפשוטה יותר מאפשרת גורם מילוי פיקסלים גבוה יותר, כלומר יותר מפני השטח של כל פיקסל מוקדש לאיסוף אור. עיצוב זה, בשילוב עם העובדה שניתן להתאים בקלות רבה יותר חיישני תריס מתגלגל לפורמט עם תאורה אחורית, מביא לעתים קרובות ליעילות קוונטית גבוהה יותר.
●ביצועי רעשפחות טרנזיסטורים ומעגלים פחות מורכבים גורמים בדרך כלל לתריסי גלילה להפגין רעש קריאה נמוך יותר, מה שהופך אותם למתאימים יותר ליישומים בתאורה חלשה.
●פוטנציאל מהירותתריסי גלילה יכולים להיות מהירים יותר בארכיטקטורות מסוימות מכיוון שהם מאפשרים חשיפה וקריאה חופפים, אם כי זה תלוי במידה רבה בתכנון החיישנים ובאלקטרוניקה של הקריאה.

עלות וייצור – הפשטות של פיקסלים של תריס גלילה מתורגמת בדרך כלל לעלויות ייצור נמוכות יותר בהשוואה לתריסים גלובליים.

שיקולים וטכניקות מתקדמות

תריס פסאודו-גלובלי

במצבים בהם ניתן לשלוט במדויק מתי האור מגיע לחיישן - כגון שימוש במקור אור LED או לייזר המופעל על ידי חומרה - ניתן להשיג תוצאות "גלובליות" באמצעות תריס מתגלגל. שיטת תריס פסאודו-גלובלית זו מסנכרנת את התאורה עם חלון החשיפה, וממזערת תופעות תנועה מבלי לדרוש עיצוב תריס גלובלי אמיתי.

חפיפת תמונות

חיישני תריס גלילה יכולים להתחיל לחשוף את הפריים הבא לפני השלמת קריאת הפריים הנוכחי. חשיפה חופפת זו משפרת את מחזור העבודה ומועילה ליישומים במהירות גבוהה שבהם לכידת מספר הפריימים המרבי לשנייה היא קריטית, אך עלולה לסבך ניסויים רגישים לתזמון.

קריאת שורות מרובות

מצלמות CMOS מהירות רבות יכולות לקרוא יותר משורה אחת של פיקסלים בו זמנית. במצבים מסוימים, השורות נקראות בזוגות; בעיצובים מתקדמים, ניתן לקרוא עד ארבע שורות בו זמנית, מה שמפחית ביעילות את זמן קריאת הפריימים הכולל.

ארכיטקטורת חיישנים מפוצלים

גם תריסים מתגלגלים וגם תריסים גלובליים יכולים להשתמש בפריסת חיישן מפוצלת, שבה חיישן התמונה מחולק אנכית לשני חצאים, לכל אחד שורת ADCs משלו.

● בחיישני פיצול תריס מתגלגל, הקריאה מתחילה לרוב מהמרכז ומתגלגלת החוצה לכיוון החלק העליון והתחתון, מה שמפחית עוד יותר את ההשהיה.
● בתכנוני תריס גלובליים, קריאה מפוצלת יכולה לשפר את קצב הפריימים מבלי לשנות את בו זמניות החשיפה.

כיצד לבחור עבור היישום שלך: תריס גלילה או תריס גלובלי?

התריס הגלובלי עשוי להועיל ליישומים

● דורשים תזמון מדויק של אירועים

● דורשים זמני חשיפה קצרים מאוד

● דרוש השהיה של פחות ממילישנייה לפני תחילת רכישה כדי לסנכרן עם אירוע

● לכידת תנועה או דינמיקה בקנה מידה גדול בציר זמן דומה או מהיר יותר מזה של תריס מתגלגל

● דורש רכישה סימולטנית על פני החיישן, אך אינו יכול לשלוט במקורות אור כדי להשתמש בתריס פסאודו-גלובלי על פני שטח גדול.

תריס הגלילה עשוי להועיל ליישומים

● יישומים מאתגרים בתאורה חלשה: יעילות הקוונטים הנוספת והרעש הנמוך יותר של מצלמות תריס מתגלגל מובילים לעיתים קרובות לשיפור יחס אות לרעש (SNR)

● יישומים במהירות גבוהה שבהם הסימולטניות המדויקת על פני החיישן אינה חשובה, או שהעיכוב קטן בהשוואה ללוחות הזמנים הניסויים

● יישומים כלליים נוספים שבהם פשטות הייצור והעלות הנמוכה יותר של מצלמות תריס מתגלגלות מועילות

תפיסות מוטעות נפוצות

1. "תריס גלילה זה תמיד רע."

לא נכון - תריסי גלילה אידיאליים עבור מקרי שימוש רבים ולעתים קרובות עולים על תריסים גלובליים בתאורה נמוכה ובטווח דינמי נמוך.

2. "תריס גלובלי תמיד עדיף."

בעוד שלכידה ללא עיוותים היא יתרון, הפשרות מבחינת עלות, רעש ורגישות עשויות לעלות על היתרונות של צילום בקצב איטי יותר.

3. "אי אפשר לצלם וידאו עם תריס מתגלגל."

מצלמות קולנוע יוקרתיות רבות משתמשות בתריסים מתגלגלים ביעילות; טכניקות צילום זהירות יכולות למזער תופעות לוואי.

4. "תריסים גלובליים מבטלים כל טשטוש תנועה."

הם מונעים עיוות גיאומטרי, אך טשטוש תנועה כתוצאה מזמני חשיפה ארוכים עדיין יכול להתרחש.

מַסְקָנָה

הבחירה בין טכנולוגיית תריס גלובלית לטכנולוגיית תריס מתגלגל במצלמת CMOS מסתכמת באיזון בין טיפול בתנועה, רגישות לאור, עלות וצרכי היישום הספציפיים שלך.

● אם אתם זקוקים לצילום ללא עיוותים עבור סצנות בתנועה מהירה, תריס גלובלי הוא הבחירה הברורה.

● אם אתם נותנים עדיפות לביצועים בתאורה חלשה, טווח דינמי ותקציב, תריס מתגלגל לרוב מספק את התוצאות הטובות ביותר.

הבנת ההבדלים הללו מבטיחה שתוכלו לבחור את הכלי הנכון - בין אם זה עבור הדמיה מדעית, ניטור תעשייתי או הפקה יצירתית.

שאלות נפוצות

איזה סוג תריס עדיף לצילום אווירי או למיפוי באמצעות רחפן?

עבור מיפוי, מדידה ובדיקה שבהם דיוק גיאומטרי הוא קריטי, עדיף להשתמש בתריס גלובלי כדי למנוע עיוות. עם זאת, עבור וידאו אווירי יצירתי, תריס גלילה עדיין יכול לספק תוצאות מצוינות אם התנועות נשלטות.

כיצד בחירת התריס משפיעה על צילום בתאורה חלשה?

לתריסים גלילה יש בדרך כלל יתרון בביצועים בתאורה נמוכה מכיוון שעיצובי הפיקסלים שלהם יכולים לתת עדיפות ליעילות איסוף אור. תריסים גלובליים עשויים לדרוש מעגלים מורכבים יותר שיכולים להפחית מעט את הרגישות, אם כי עיצובים מודרניים סוגרים את הפער הזה.

כיצד סוג התריס משפיע עלמצלמה מדעית?

בהדמיה מדעית במהירות גבוהה - כגון מעקב אחר חלקיקים, דינמיקת תאים או בליסטיקה - תריס גלובלי חיוני לעתים קרובות כדי למנוע עיוות תנועה. אבל עבור מיקרוסקופ פלואורסצנטי באור נמוך,מצלמת sCMOSעם תריס גלילה ניתן לבחור כדי למקסם את הרגישות והטווח הדינמי.

איזה מהם עדיף לבדיקה תעשייתית?

ברוב משימות הבדיקה התעשייתיות - במיוחד אלו הכרוכות בהנעת מסועים, רובוטיקה או ראיית מכונה - תריס גלובלי הוא הבחירה הבטוחה יותר כדי להבטיח מדידות מדויקות ללא שגיאות גיאומטריות הנגרמות מתנועה.

Tucsen Photonics Co., Ltd. כל הזכויות שמורות. בעת ציטוט, אנא ציינו את המקור:www.tucsen.com