25.08.21.Digitālās attēlveidošanas pasaulē tikai daži tehniski faktori ietekmē attēla kvalitāti tik lielā mērā kā sensora elektroniskā slēdža veids. Neatkarīgi no tā, vai filmējat ātrgaitas rūpnieciskos procesus, filmējat kinematogrāfiskas ainas vai iemūžināt vājas astronomiskas parādības, CMOS kamerā iebūvētajai slēdža tehnoloģijai ir izšķiroša nozīme jūsu gala attēla rezultātos.
Divi dominējošie CMOS elektronisko slēdžu veidi — globālie slēdži un ritošie slēdži — izmanto ļoti atšķirīgas pieejas gaismas eksponēšanai un nolasīšanai no sensora. Lai pielāgotu attēlveidošanas sistēmu savam pielietojumam, ir svarīgi izprast to atšķirības, stiprās puses un kompromisus.
Šajā rakstā tiks paskaidrots, kas ir CMOS elektroniskās žalūzijas, kā darbojas globālās un ritošās žalūzijas, kā tās darbojas reālās situācijās un kā izlemt, kura no tām jums ir vispiemērotākā.
Kas ir CMOS elektroniskās žalūzijas?
CMOS sensors ir lielākās daļas mūsdienu kameru sirds. Tas ir atbildīgs par ienākošās gaismas pārveidošanu elektriskos signālos, kurus var apstrādāt attēlā. "Aizvars" kamerāCMOS kameranav obligāti mehānisks aizkars — daudzi mūsdienu modeļi balstās uz elektronisko slēdzi, kas kontrolē, kā un kad pikseļi uztver gaismu.
Atšķirībā no mehāniskā slēdža, kas fiziski bloķē gaismu, elektroniskais slēdzis darbojas, iedarbinot un apturot lādiņa plūsmu katrā pikselī. CMOS attēlveidošanā ir divas galvenās elektronisko slēdžu arhitektūras: globālais slēdzis un ritošais slēdzis.
Kāpēc atšķirība ir svarīga? Jo ekspozīcijas un nolasīšanas metode tieši ietekmē:
● Kustību atveidošana un kropļojumi
● Attēla asums
● Vāja apgaismojuma jutība
● Kadru nomaiņas ātrums un latentums
● Vispārēja piemērotība dažādiem fotografēšanas, video un zinātniskās attēlveidošanas veidiem
Globālā slēdža izpratne
Avots: GMAX3405 globālais slēdža sensors
Kā darbojas globālā aizvara funkcija
CMOS globālā slēdža kameras vienlaikus sāk un beidz ekspozīciju visā sensorā. Tas tiek panākts, izmantojot 5 vai vairāk tranzistorus uz pikseli un "uzglabāšanas kodu", kas nolasīšanas laikā saglabā iegūtos fotoelektronu lādiņus. Ekspozīcijas secība ir šāda:
1. Vienlaikus sāciet ekspozīciju katrā pikselī, attīrot iegūtos lādiņus no zemes.
2. Pagaidiet izvēlēto ekspozīcijas laiku.
3. Ekspozīcijas beigās pārvietojiet iegūtos lādiņus uz katra pikseļa glabāšanas mezglu, tādējādi pārtraucot šī kadra ekspozīciju.
4. Rinda pa rindai pārvietojiet elektronus pikseļa nolasīšanas kondensatorā un nododiet uzkrāto spriegumu nolasīšanas arhitektūrai, kulmināciju sasniedzot analogciparu pārveidotājos (ADC). Nākamo ekspozīciju parasti var veikt vienlaikus ar šo soli.
Globālā slēdža priekšrocības
● Nav kustību kropļojumu — kustīgi objekti saglabā savu formu un ģeometriju bez nobīdes vai vibrācijas, kas var rasties secīgas nolasīšanas laikā.
● Ātrdarbīga uzņemšana — ideāli piemērota kustības iesaldēšanai ātras kustības ainās, piemēram, sportā, robotikā vai ražošanas kvalitātes kontrolē.
● Zema latentuma — visi attēla dati ir pieejami vienlaikus, nodrošinot precīzu sinhronizāciju ar ārējiem notikumiem, piemēram, lāzera impulsiem vai stroboskopiskām gaismām.
Globālā slēdža ierobežojumi
● Zemāka gaismas jutība — daži globālā slēdža pikseļu dizaini upurē gaismas savākšanas efektivitāti, lai pielāgotos vienlaicīgai ekspozīcijai nepieciešamajai shēmai.
● Augstākas izmaksas un sarežģītība — izgatavošana ir sarežģītāka, kā rezultātā cenas bieži vien ir augstākas salīdzinājumā ar ruļļveida slēģu analogiem.
● Iespējamais palielinātais troksnis — atkarībā no sensora konstrukcijas papildu elektronika uz katru pikseli var izraisīt nedaudz lielāku nolasīšanas troksni.
Izpratne par ritošo slēģi
Kā darbojas ritošā slēģa
Izmantojot tikai 4 tranzistorus un bez atmiņas mezgla, šī vienkāršākā CMOS pikseļu konstrukcija noved pie sarežģītākas elektroniskā slēdža darbības. Ritošā slēdža pikseļi sāk un aptur sensora ekspozīciju pa vienai rindai, "ritinot" pa sensoru uz leju. Katrai ekspozīcijai tiek ievērota pretēja secība (kas arī parādīta attēlā):
Attēls: 6x6 pikseļu kameras sensora slīdošā slēdža process
Pirmais kadrs sāk ekspozīciju (dzeltens) sensora augšpusē, slīdot uz leju ar ātrumu viena līnija katrā līnijas reizē. Kad augšējās līnijas ekspozīcija ir pabeigta, nolasījums (violets), kam seko nākamās ekspozīcijas sākums (zils), slīd uz leju pa sensoru.
1. Sāciet sensora augšējās rindas ekspozīciju, novadot iegūtos lādiņus uz zemes.
2. Pēc “rindas laika” beigām pārejiet uz sensora otro rindu un sāciet ekspozīciju, atkārtojot sensoru uz leju.
3. Kad pieprasītais augšējās rindas ekspozīcijas laiks ir beidzies, beidziet ekspozīciju, nosūtot iegūtos lādiņus caur nolasīšanas arhitektūru. Laiks, kas nepieciešams, ir “rindas laiks”.
4. Tiklīdz rindas nolasīšana ir pabeigta, ierīce ir gatava atsākt ekspozīciju no 1. darbības, pat ja tas nozīmē pārklāšanos ar citām rindām, kas veic iepriekšējo ekspozīciju.
Rullveida slēģu priekšrocības
●Labāka veiktspēja vājā apgaismojumā– Pikseļu dizaini var piešķirt prioritāti gaismas savākšanai, uzlabojot signāla un trokšņa attiecību vājā apgaismojumā.
●Augstāks dinamiskais diapazons– Secīgas nolasīšanas modeļi var elegantāk apstrādāt spilgtākus izcēlumus un tumšākas ēnas.
●Pieejamāk– CMOS sensori ar slīdošo aizvaru ir biežāk sastopami un to ražošana ir rentablāka.
Ritošā slēģa ierobežojumi
●Kustības artefakti– Ātri kustīgi objekti var izskatīties šķībi vai saliekti, kas pazīstams kā “slīdošā slēdža efekts”.
●Jello efekts video– Rokas videoieraksts ar vibrāciju vai ātru panoramēšanu var izraisīt attēla ļodzīšanos.
●Sinhronizācijas izaicinājumi– Mazāk ideāli piemērots lietojumprogrammām, kurām nepieciešama precīza laika noteikšana ar ārējiem notikumiem.
Globālais un ritošā slēdža salīdzinājums: salīdzinājums blakus
Šeit ir vispārīgs pārskats par to, kā salīdzināt rullo un globālās žalūzijas:
| Funkcija | Ritošā slēģa | Globālā aizvara |
| Pikseļu dizains | 4-tranzistori (4T), nav uzglabāšanas mezgla | 5+ tranzistori, ieskaitot atmiņas mezglu |
| Gaismas jutība | Augstāks aizpildījuma koeficients, viegli pielāgojams no aizmugures apgaismojuma formātam → augstāks QE | Zemāks aizpildījuma koeficients, sarežģītāka BSI |
| Trokšņa līmenis | Parasti zemāks lasīšanas troksnis | Var būt nedaudz augstāks troksnis pievienotās shēmas dēļ |
| Kustības kropļojumi | Iespējama (šķībums, šūpošanās, želejas efekts) | Nav — visi pikseļi eksponēti vienlaicīgi |
| Ātruma potenciāls | Var pārklāt ekspozīcijas un nolasīt vairākas rindas; dažos dizainos bieži vien ātrāk | Ierobežots ar pilna kadra nolasījumu, lai gan dalītais nolasījums var palīdzēt |
| Izmaksas | Zemākas ražošanas izmaksas | Augstākas ražošanas izmaksas |
| Labākie lietošanas gadījumi | Fotografēšana vājā apgaismojumā, kinematogrāfija, vispārīgā fotogrāfija | Ātrgaitas kustību uztveršana, rūpnieciskā pārbaude, precīzā metroloģija |
Galvenās veiktspējas atšķirības
Ritošā slēdža pikseļi parasti izmanto 4 tranzistoru (4T) dizainu bez atmiņas mezgla, savukārt globālajiem slēdžiem ir nepieciešami 5 vai vairāk tranzistori uz pikseli, kā arī papildu shēmas fotoelektronu glabāšanai pirms nolasīšanas.
●Aizpildījuma koeficients un jutība– Vienkāršākā 4T arhitektūra nodrošina augstāku pikseļu aizpildījuma koeficientu, kas nozīmē, ka lielāka daļa katra pikseļa virsmas ir veltīta gaismas savākšanai. Šis dizains apvienojumā ar to, ka ritošā slēdža sensorus var vieglāk pielāgot aizmugurgaismojuma formātam, bieži vien nodrošina augstāku kvantu efektivitāti.
●Trokšņa līmenis– Mazāks tranzistoru skaits un vienkāršākas shēmas parasti nozīmē, ka ritošajiem slēģiem ir zemāks nolasīšanas troksnis, padarot tos labāk piemērotus lietošanai vājā apgaismojumā.
●Ātruma potenciāls– Rullveida slēģi var būt ātrāki noteiktās arhitektūrās, jo tie ļauj pārklāties ekspozīcijai un nolasīšanai, lai gan tas ir ļoti atkarīgs no sensora konstrukcijas un nolasīšanas elektronikas.
Izmaksas un ražošana — ritošā slēdža pikseļu vienkāršība parasti nozīmē zemākas ražošanas izmaksas salīdzinājumā ar globālajiem slēdžiem.
Papildu apsvērumi un metodes
Pseidoglobālā aizvara
Situācijās, kad var precīzi kontrolēt, kad gaisma sasniedz sensoru, piemēram, izmantojot LED vai lāzera gaismas avotu, ko aktivizē aparatūra, var sasniegt “globāli līdzīgus” rezultātus ar slīdošo slēdzi. Šī pseidoglobālā slēdža metode sinhronizē apgaismojumu ar ekspozīcijas logu, samazinot kustības artefaktus, neprasot patiesi globāla slēdža dizainu.
Attēlu pārklāšanās
Ritošā slēdža sensori var sākt eksponēt nākamo kadru, pirms ir pabeigta pašreizējā kadra nolasīšana. Šī pārklājošā ekspozīcija uzlabo darba ciklu un ir noderīga ātrdarbīgām lietojumprogrammām, kurās ir kritiski svarīgi uzņemt maksimālo kadru skaitu sekundē, taču tas var sarežģīt laika ziņā jutīgus eksperimentus.
Vairāku rindu nolasīšana
Daudzas ātrdarbīgas CMOS kameras var vienlaikus nolasīt vairāk nekā vienu pikseļu rindu. Dažos režīmos rindas tiek nolasītas pa pāriem; uzlabotos režīmos vienlaikus var nolasīt līdz pat četrām rindām, efektīvi samazinot kopējo kadru nolasīšanas laiku.
Dalītā sensora arhitektūra
Gan ritošie, gan globālie slēģi var izmantot dalītu sensoru izkārtojumu, kur attēla sensors ir vertikāli sadalīts divās daļās, katrai no tām ir sava ADC rinda.
● Ritošā slēdža dalītajos sensoros nolasīšana bieži sākas no centra un virzās uz āru gan uz augšu, gan uz leju, vēl vairāk samazinot latentumu.
● Globālā slēdža konstrukcijās dalītā nolasīšana var uzlabot kadru ātrumu, nemainot ekspozīcijas vienlaicīgumu.
Kā izvēlēties savam pielietojumam: ritošo vai globālo slēģi?
Globālā slēģa tehnoloģija varētu sniegt labumu lietojumprogrammām
● Nepieciešama ļoti precīza notikumu laika noteikšana
● Nepieciešams ļoti īss iedarbības laiks
● Lai sinhronizētos ar notikumu, pirms iegūšanas sākuma ir nepieciešama aizkave, kas ir mazāka par milisekundi.
● Uzņemiet liela mēroga kustību vai dinamiku līdzīgā vai ātrākā laika skalā kā ritošā slēdža režīmā.
● Nepieciešama vienlaicīga attēla iegūšana visā sensorā, bet nevar kontrolēt gaismas avotus, lai izmantotu pseidoglobālo slēdzi lielā apgabalā
Rullveida slēģis varētu būt noderīgs lietojumprogrammām
● Sarežģīti pielietojumi vājā apgaismojumā: Papildu kvantu efektivitāte un zemāks trokšņu līmenis, ko nodrošina ritošā slēdža kameras, bieži vien uzlabo signāla un trokšņa attiecību (SNR).
● Ātrdarbīgas lietojumprogrammas, kurās precīza vienlaicīgums visā sensorā nav svarīgs vai aizkave ir maza, salīdzinot ar eksperimentāliem laika periodiem
● Citi vispārīgāki pielietojumi, kuros ir izdevīga ražošanas vienkāršība un zemākas ritošā slēdža kameru izmaksas
Bieži sastopami nepareizi priekšstati
1. "Slēģa aizvēršana vienmēr ir slikta."
Nav taisnība — rullo žalūzijas ir ideāli piemērotas daudziem lietošanas gadījumiem un bieži vien pārspēj globālās žalūzijas vājā apgaismojumā un dinamiskā diapazonā.
2. "Globālā slēģa funkcija vienmēr ir labāka."
Lai gan attēlu uzņemšana bez kropļojumiem ir priekšrocība, izmaksu, trokšņa un jutības kompromisi var atsvērt lēnākas attēlveidošanas priekšrocības.
3. "Video nevar uzņemt ar slīdošo slēdzi."
Daudzas augstas klases kinokameras efektīvi izmanto slīdošos slēģus; rūpīgas uzņemšanas tehnikas var samazināt artefaktus.
4. "Globālie slēdži novērš visu kustību izplūšanu."
Tie novērš ģeometriskus kropļojumus, taču joprojām var rasties kustības izplūšana ilga ekspozīcijas laika dēļ.
Secinājums
Izvēle starp globālo un ritošā slēdža tehnoloģiju CMOS kamerā ir atkarīga no līdzsvara starp kustību apstrādi, gaismas jutību, izmaksām un jūsu īpašajām lietojumprogrammas vajadzībām.
● Ja nepieciešams uzņemt attēlus bez kropļojumiem ātri kustīgās ainās, globālais slēdzis ir nepārprotama izvēle.
● Ja prioritāte ir veiktspēja vājā apgaismojumā, dinamiskais diapazons un budžets, slīdošā slēdža funkcija bieži vien nodrošina vislabākos rezultātus.
Izpratne par šīm atšķirībām nodrošina, ka varat izvēlēties pareizo rīku — neatkarīgi no tā, vai tas ir paredzēts zinātniskai attēlveidošanai, rūpnieciskai uzraudzībai vai radošai ražošanai.
Bieži uzdotie jautājumi
Kura slēdža tips ir labāks aerofotogrāfijai vai dronu kartēšanai?
Kartēšanai, uzmērīšanai un pārbaudei, kur ģeometriskā precizitāte ir izšķiroša, priekšroka tiek dota globālajam slēdža tipam, lai izvairītos no kropļojumiem. Tomēr radošiem aerovideo ierakstiem slīdošais slēdzis joprojām var nodrošināt lieliskus rezultātus, ja kustības tiek kontrolētas.
Kā slēdža izvēle ietekmē fotografēšanu vājā apgaismojumā?
Rullveida slēģiem parasti ir priekšrocības vājā apgaismojumā, jo to pikseļu dizains var piešķirt prioritāti gaismas savākšanas efektivitātei. Globālajiem slēģiem var būt nepieciešama sarežģītāka shēma, kas var nedaudz samazināt jutību, lai gan mūsdienu konstrukcijas šo plaisu samazina.
Kā slēdža tips ietekmēzinātniskā kamera?
Ātrdarbīgā zinātniskā attēlveidošanā, piemēram, daļiņu izsekošanā, šūnu dinamikā vai ballistikā, globālais slēdzis bieži vien ir būtisks, lai izvairītos no kustības kropļojumiem. Taču vāja apgaismojuma fluorescences mikroskopijāsCMOS kameraar slīdošo slēdzi var izvēlēties, lai maksimāli palielinātu jutību un dinamisko diapazonu.
Kura ir labāka rūpnieciskajai pārbaudei?
Vairumā rūpniecisko pārbaudes uzdevumu, īpaši tajos, kas saistīti ar kustīgām konveijera lentēm, robotiku vai mašīnredzi, globālais slēdzis ir drošāka izvēle, lai nodrošinātu precīzus mērījumus bez kustības izraisītām ģeometriskām kļūdām.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Visas tiesības aizsargātas. Citējot, lūdzu, norādiet avotu:www.tucsen.com
