2021年8月25日デジタルイメージングの世界では、センサーに搭載された電子シャッターの種類ほど画質に影響を与える技術的要素はほとんどありません。高速な工業プロセスの撮影、映画のシーケンスの撮影、あるいはかすかな天文現象の撮影など、CMOSカメラに搭載されたシャッター技術は、最終的な画像の仕上がりに重要な役割を果たします。
CMOS電子シャッターには、グローバルシャッターとローリングシャッターという2つの主要な種類があり、それぞれセンサーからの光の露光と読み出しに大きく異なるアプローチを採用しています。アプリケーションに最適な撮像システムを構築するには、これらの違い、長所、そしてトレードオフを理解することが不可欠です。
この記事では、CMOS 電子シャッターとは何か、グローバル シャッターとローリング シャッターがどのように機能するか、実際の状況でどのように機能するか、そしてどちらが最適かを判断する方法について説明します。
CMOS 電子シャッターとは何ですか?
CMOSセンサーは、ほとんどの現代のカメラの心臓部です。入射光を電気信号に変換し、画像として処理する役割を担っています。CMOSカメラ必ずしも機械的なカーテンである必要はなく、現代のデザインの多くは、ピクセルがいつどのように光を捉えるかを制御する電子シャッターに依存しています。
光を物理的に遮断する機械式シャッターとは異なり、電子シャッターは各ピクセル内で電荷の流れを開始・停止することで機能します。CMOSイメージングには、グローバルシャッターとローリングシャッターという2つの主要な電子シャッターアーキテクチャがあります。
なぜ区別が重要なのでしょうか？それは、露出と読み出しの方法が以下の点に直接影響するからです。
● モーションレンダリングと歪み
● 画像の鮮明さ
● 低照度感度
● フレームレートとレイテンシ
● さまざまな種類の写真、ビデオ、科学画像撮影に総合的に適合
グローバルシャッターについて
出典: GMAX3405 グローバルシャッターセンサー
グローバルシャッターの仕組み
CMOSグローバルシャッターカメラは、センサー全体の露光開始と終了を一斉に行います。これは、1ピクセルあたり5個以上のトランジスタと、読み出し時に取得した光電子電荷を保持する「ストレージノード」によって実現されます。露光シーケンスは以下のとおりです。
1. 取得した電荷をグランドに消去して、各ピクセルで同時に露光を開始します。
2. 選択した露出時間まで待ちます。
3. 露光の終了時に、取得した電荷を各ピクセルのストレージ ノードに移動し、そのフレームの露光を終了します。
4. 行ごとに電子をピクセルの読み出しコンデンサに移動し、蓄積された電圧を読み出しアーキテクチャに中継し、最終的にアナログ-デジタルコンバータ（ADC）に到達します。通常、次の露光はこのステップと同時に実行されます。
グローバルシャッターの利点
● 動きによる歪みなし – 動いている被写体は、連続読み出しで発生する可能性のある歪みや揺れがなく、その形状と幾何学的形状を維持します。
● 高速キャプチャ – スポーツ、ロボット工学、製造品質管理など、動きの速いシーンの動きをフリーズするのに最適です。
● 低遅延 - すべての画像データが一度に利用できるため、レーザーパルスやストロボライトなどの外部イベントとの正確な同期が可能になります。
グローバルシャッターの限界
● 光感度の低下 – 一部のグローバルシャッターピクセル設計では、同時露光に必要な回路を収容するために、集光効率が犠牲になっています。
● コストが高く、複雑 – 製造がより困難で、ローリングシャッターに比べて価格が高くなることがよくあります。
● ノイズが増加する可能性 – センサーの設計によっては、ピクセルあたりの電子機器が増えることで読み取りノイズがわずかに増加する可能性があります。
ローリングシャッターを理解する
ローリングシャッターの仕組み
わずか4個のトランジスタとストレージノードを持たない、よりシンプルなCMOSピクセル設計は、より複雑な電子シャッター動作を実現します。ローリングシャッターピクセルは、センサーの露光を1行ずつ開始・停止し、センサーを「ロールダウン」します。各露光では、図にも示されているように、逆のシーケンスが実行されます。
図: 6x6ピクセルカメラセンサーのローリングシャッタープロセス
最初のフレームはセンサー上部で露光（黄色）を開始し、1ライン時間ごとに1ラインの速度で下方向に掃引します。最上部のラインの露光が完了すると、読み出し（紫色）と次の露光（青色）の開始がセンサー下部で掃引されます。
1. 蓄積した電荷をグランドに放電して、センサーの最上列への露光を開始します。
2. 「行時間」が経過したら、センサーの 2 行目に移動し、露出を開始して、センサーの下に向かって繰り返します。
3. 最上行の要求された露光時間が終了したら、取得した電荷を読み出しアーキテクチャに送り、露光を終了します。この処理にかかる時間が「行時間」です。
4. 1 行の読み出しが完了すると、前の露光を実行している他の行と重複する場合でも、ステップ 1 から再度露光を開始する準備が整います。
ローリングシャッターの利点
●低照度性能の向上– ピクセル設計により光の収集を優先し、薄暗い状況での信号対雑音比を向上させることができます。
●より高いダイナミックレンジ– シーケンシャル読み出し設計により、明るいハイライトと暗いシャドウをより適切に処理できます。
●より手頃な価格– ローリングシャッター CMOS センサーはより一般的であり、製造コスト効率に優れています。
ローリングシャッターの限界
●モーションアーティファクト– 高速で動く被写体は歪んだり曲がったりして見える場合があります。これは「ローリング シャッター効果」として知られています。
●ビデオでのゼリー効果– 振動や急速なパンを伴う手持ち撮影では、画像が揺れることがあります。
●同期の課題– 外部イベントとの正確なタイミングを必要とするアプリケーションには適していません。
グローバルシャッターとローリングシャッターの比較
ローリング シャッターとグローバル シャッターの概要は次のとおりです。
| 特徴 | ローリングシャッター | グローバルシャッター |
| ピクセルデザイン | 4 トランジスタ (4T)、ストレージ ノードなし | 5個以上のトランジスタ、ストレージノードを含む |
| 光過敏症 | フィルファクターが高く、裏面照射型フォーマットに簡単に適応可能 → QE が高い | 充填率が低いとBSIがより複雑になる |
| ノイズ性能 | 一般的に読み取りノイズが低い | 追加された回路によりノイズが若干高くなる可能性があります |
| モーションディストーション | 可能（歪み、揺れ、ゼリー効果） | なし - すべてのピクセルが同時に露光される |
| スピードポテンシャル | 露光を重ねて複数行を読み取ることができ、設計によってはより高速になることが多い | フルフレーム読み出しに制限があるが、分割読み出しが役立つ |
| 料金 | 製造コストの低減 | 製造コストの上昇 |
| 最適なユースケース | 低照度撮影、映画撮影、一般写真撮影 | 高速モーションキャプチャ、産業検査、精密計測 |
コアパフォーマンスの違い
ローリング シャッター ピクセルでは通常、ストレージ ノードのない 4 トランジスタ (4T) 設計が使用されますが、グローバル シャッターではピクセルあたり 5 個以上のトランジスタに加えて、読み出し前に光電子を保存するための追加回路が必要になります。
●フィルファクターと感度– よりシンプルな4Tアーキテクチャにより、ピクセルフィルファクター（画素充填率）が向上し、各ピクセルの表面積のより広い領域が光収集に充てられます。この設計と、ローリングシャッターセンサーが裏面照射型フォーマットに容易に適応できるという事実が相まって、より高い量子効率が実現されることがよくあります。
●ノイズ性能– トランジスタ数が少なく回路が複雑でないということは、一般的にローリング シャッターの読み取りノイズが低くなることを意味します。そのため、低照度アプリケーションに適しています。
●スピードポテンシャル– ローリング シャッターは、露出と読み出しの重複を可能にするため、特定のアーキテクチャではより高速になる可能性がありますが、これはセンサーの設計と読み出し電子機器に大きく依存します。
コストと製造 – ローリング シャッター ピクセルのシンプルさにより、通常はグローバル シャッターに比べて製造コストが低くなります。
高度な考慮事項とテクニック
疑似グローバルシャッター
ハードウェアでトリガーされるLEDやレーザー光源など、光がセンサーに到達するタイミングを正確に制御できる状況では、ローリングシャッターを用いることで「グローバルシャッターのような」結果を得ることができます。この擬似グローバルシャッター方式は、照明と露光ウィンドウを同期させ、真のグローバルシャッター設計を必要とせずにモーションアーティファクトを最小限に抑えます。
画像の重なり
ローリングシャッターセンサーは、現在のフレームの読み出しが完了する前に次のフレームの露光を開始できます。この露光の重複によりデューティサイクルが改善され、1秒あたり最大フレーム数を取得することが重要な高速アプリケーションには効果的ですが、タイミングが重要な実験を複雑化させる可能性があります。
複数行の読み出し
多くの高速CMOSカメラは、一度に複数のピクセル行を読み出すことができます。一部のモードでは、行は2行ずつ読み出されますが、高度な設計では最大4行を同時に読み出すことができ、フレーム全体の読み出し時間を効果的に短縮します。
分割センサーアーキテクチャ
ローリング シャッターとグローバル シャッターはどちらも分割センサー レイアウトを使用できます。分割センサー レイアウトでは、イメージ センサーが垂直に 2 つに分割され、それぞれに独自の ADC 行があります。
● ローリング シャッター スプリット センサーでは、多くの場合、読み出しは中央から始まり、上部と下部に向かって外側にロールされるため、レイテンシがさらに短縮されます。
● グローバルシャッター設計では、分割読み出しにより露出の同時性を変えずにフレームレートを向上させることができます。
アプリケーションに応じてローリング シャッターかグローバル シャッターかを選択する方法
グローバルシャッターはアプリケーションにメリットをもたらす可能性がある
● イベントの高精度なタイミングを必要とする
● 非常に短い露出時間が必要
● イベントと同期するために、取得開始前に1ミリ秒未満の遅延が必要です。
● ローリングシャッターと同等かそれより速いタイムスケールで大規模な動きやダイナミクスを捉える
● センサー全体で同時取得が必要ですが、広い領域にわたって擬似グローバルシャッターを使用するために光源を制御することはできません
ローリングシャッターはアプリケーションにメリットをもたらす可能性がある
● 低照度アプリケーションへの挑戦：ローリングシャッターカメラの量子効率の向上と低ノイズ化により、SNRが向上することが多い。
● センサー全体での正確な同時性が重要でない、または実験の時間スケールに比べて遅延が小さい高速アプリケーション
● ローリングシャッターカメラの製造の簡便性と低コストがメリットとなるその他の一般的な用途
よくある誤解
1.「ローリング シャッターは常に悪影響を及ぼします。」
正しくはありません。ローリング シャッターは多くの使用例に最適であり、低照度およびダイナミック レンジではグローバル シャッターよりも優れた性能を発揮することがよくあります。
2. 「グローバルシャッターは常に優れています。」
歪みのないキャプチャは利点ですが、コスト、ノイズ、感度のトレードオフが、低速の画像処理の利点を上回る可能性があります。
3. 「ローリングシャッターではビデオを撮影できません。」
多くの高級映画用カメラはローリング シャッターを効果的に使用しており、慎重な撮影テクニックによってアーティファクトを最小限に抑えることができます。
4. 「グローバルシャッターにより、あらゆるモーションブラーが排除されます。」
これらは幾何学的な歪みを防ぎますが、長時間の露出によるモーションブラーは依然として発生する可能性があります。
結論
CMOS カメラにおけるグローバル シャッター テクノロジとローリング シャッター テクノロジの選択は、モーション処理、光感度、コスト、および特定のアプリケーションのニーズとのバランスによって決まります。
● 動きの速いシーンを歪みなく撮影する必要がある場合は、グローバルシャッターが最適です。
● 低照度でのパフォーマンス、ダイナミック レンジ、予算を優先する場合は、ローリング シャッターを使用すると最良の結果が得られることが多いです。
これらの違いを理解することで、科学的な画像処理、産業用監視、クリエイティブな制作など、どのような用途でも適切なツールを選択できるようになります。
よくある質問
航空写真やドローンマッピングにはどのシャッタータイプが適していますか?
幾何学的な精度が極めて重要なマッピング、測量、検査などでは、歪みを避けるためにグローバルシャッターが推奨されます。しかし、クリエイティブな空撮動画の場合、動きを制御できればローリングシャッターでも優れた結果が得られます。
シャッターの選択は低光量撮影にどのような影響を与えますか?
ローリングシャッターは、ピクセル設計によって集光効率を優先できるため、一般的に低照度性能に優れています。グローバルシャッターはより複雑な回路を必要とするため、感度が若干低下する可能性がありますが、最新の設計ではこの差は縮まりつつあります。
工業検査にはどちらが適していますか?
ほとんどの産業検査タスク、特に移動するコンベア ベルト、ロボット工学、またはマシン ビジョンが関係するタスクでは、動きによる幾何学的誤差なしに正確な測定を行うために、グローバル シャッターがより安全な選択肢となります。
トゥーセンフォトニクス株式会社。無断転載禁止。引用の際は出典を明記してください。www.tucsen.com
