25/08/21Во светот на дигиталното снимање, малку технички фактори влијаат на квалитетот на сликата толку колку што влијае типот на електронски затворач во вашиот сензор. Без разлика дали снимате брзи индустриски процеси, снимате кинематографски секвенци или снимате слаби астрономски феномени, технологијата на затворачот во вашиот CMOS фотоапарат игра клучна улога во тоа како ќе излезе вашата конечна слика.
Два доминантни типа на CMOS електронски ролетни, глобалните ролетни и ролетните, имаат многу различни пристапи кон експонирање и читање светлина од сензор. Разбирањето на нивните разлики, предности и компромиси е од суштинско значење ако сакате да го усогласите вашиот систем за снимање со вашата апликација.
Оваа статија ќе објасни што се CMOS електронски ролетни, како функционираат глобалните и ролетните, како се однесуваат во реални ситуации и како да одлучите која е најдобра за вас.
Што се CMOS електронски ролетни?
CMOS сензорот е срцето на повеќето модерни фотоапарати. Тој е одговорен за претворање на влезната светлина во електрични сигнали што можат да се обработат во слика. „Блендата“ воCMOS камеране е нужно механичка завеса - многу модерни дизајни се потпираат на електронски затворач кој контролира како и кога пикселите ја доловуваат светлината.
За разлика од механичкиот затворач кој физички ја блокира светлината, електронскиот затворач работи со започнување и запирање на протокот на полнеж во секој пиксел. Во CMOS снимањето, постојат две основни архитектури на електронски затворач: глобален затворач и ротационен затворач.
Зошто е важно разликувањето? Бидејќи методот на експозиција и отчитување директно влијае на:
● Рендерирање на движење и дисторзија
● Острина на сликата
● Чувствителност на слаба светлина
● Фреквенција на слики и латенција
● Целокупна погодност за различни видови фотографија, видео и научно снимање
Разбирање на Глобалниот затворач
Извор: GMAX3405 Глобален сензор за бленда
Како функционира Глобалниот затворач
CMOS камерите со глобален затворач ја започнуваат и ја завршуваат својата експозиција истовремено низ целиот сензор. Ова се постигнува со користење на 5 или повеќе транзистори по пиксел и „јазол за складирање“ кој ги задржува стекнатите фотоелектронски полнежи за време на отчитувањето. Редоследот на експозицијата е како што следува:
1. Започнете ја експозицијата истовремено во секој пиксел со отстранување на стекнатите полнежи од земјата.
2. Почекајте го избраното време на експозиција.
3. На крајот од експозицијата, преместете ги стекнатите полнежи во јазолот за складирање во секој пиксел, со што ќе заврши експозицијата на тој кадар.
4. Ред по ред, преместувајте електрони во кондензаторот за отчитување на пикселот и префрлете го акумулираниот напон на архитектурата за отчитување, што кулминира во аналогно-дигиталните конвертори (ADC). Следната експозиција обично може да се изврши истовремено со овој чекор.
Предности на Global Shutter
● Без дисторзија на движењето – Подвижните објекти ја задржуваат својата форма и геометрија без искривување или нишање што може да се појави при секвенцијално отчитување.
● Снимање со голема брзина – Идеално за замрзнување на движењето во сцени со брзо движење, како што се спорт, роботика или контрола на квалитетот на производството.
● Мала латентност – Сите податоци за сликата се достапни одеднаш, овозможувајќи прецизна синхронизација со надворешни настани, како што се ласерски импулси или стробоскопски светла.
Ограничувања на Global Shutter
● Помала чувствителност на светлина – Некои дизајни на пиксели со глобален затворач ја жртвуваат ефикасноста на собирање светлина за да ги прилагодат колата потребни за истовремена експозиција.
● Повисока цена и сложеност – Изработката е попредизвикувачка, што често резултира со повисоки цени во споредба со еквивалентите на ролетни.
● Потенцијал за зголемен шум – Во зависност од дизајнот на сензорот, дополнителната електроника по пиксел може да доведе до малку поголем шум за читање.
Разбирање на ролетните
Како функционира ролетната
Користејќи само 4 транзистори и без јазол за складирање, оваа поедноставна форма на дизајн на CMOS пиксели води до покомплицирана работа на електронскиот затворач. Пикселите на ротационата бленда ја започнуваат и ја запираат експозицијата на сензорот ред по ред, „тркалајќи“ надолу по сензорот. За секоја експозиција се следи спротивната секвенца (исто така прикажана на сликата):
Слика: Процес на ролетна бленда за сензор за камера со 6x6 пиксели
Првата слика ја започнува експозицијата (жолта) на врвот на сензорот, движејќи се надолу со брзина од еден ред по ред. Откако експозицијата ќе заврши за горната линија, отчитувањето (виолетова), проследено со почетокот на следната експозиција (сина), се движи надолу по сензорот.
1. Започнете со изложеност на горниот ред на сензорот со отстранување на стекнатите полнежи од земјата.
2. Откако ќе истече „времето во редот“, преминете на вториот ред од сензорот и започнете со експозицијата, повторувајќи го процесот низ сензорот.
3. Откако ќе заврши бараното време на експозиција за горниот ред, завршете ја експозицијата со испраќање на добиените полнежи преку архитектурата за отчитување. Времето потребно за ова се нарекува „време во редот“.
4. Штом ќе заврши отчитувањето за еден ред, тој е подготвен за повторно започнување со експозицијата од Чекор 1, дури и ако тоа значи преклопување со други редови што ја извршуваат претходната експозиција.
Предности на ролетни
●Подобри перформанси при слаба осветленост– Дизајните на пикселите можат да дадат приоритет на собирањето светлина, подобрувајќи го односот сигнал-шум во услови на слаба осветленост.
●Повисок динамички опсег– Дизајните со секвенцијално отчитување можат поелегантно да ги обработуваат посветлите светли делови и потемните сенки.
●Попристапно– CMOS сензорите со ролетни се почести и поекономични за производство.
Ограничувања на ролетните
●Артефакти од движење– Брзо движечките објекти може да изгледаат искривени или свиткани, познато како „ефект на вртење на блендата“.
●Ефект на желе во видео– Снимките снимени со рака со вибрации или брзо панорамирање може да предизвикаат треперење на сликата.
●Предизвици за синхронизација– Помалку идеално за апликации што бараат прецизно темпирање со надворешни настани.
Глобална наспроти ролетна: споредба една до друга
Еве еден преглед на високо ниво за тоа како се споредуваат ролетните и глобалните ролетни:
| Карактеристика | Ролинг-ролет | Глобален затворач |
| Дизајн на пиксели | 4-транзистор (4T), без јазол за складирање | 5+ транзистори, вклучува јазол за складирање |
| Чувствителност на светлина | Повисок фактор на полнење, лесно се прилагодува на формат со задно осветлување → повисок QE | Помал фактор на полнење, BSI посложен |
| Перформанси на бучава | Генерално помал шум за читање | Може да има малку поголем шум поради додадени кола |
| Дисторзија на движење | Можно (искривување, нишање, ефект на желе) | Нема — сите пиксели се изложени истовремено |
| Потенцијал за брзина | Може да преклопува експозиции и да чита повеќе редови; често побрзо во некои дизајни | Ограничено со отчитување во цел кадар, иако поделеното отчитување може да помогне |
| Цена | Пониски трошоци за производство | Повисоки трошоци за производство |
| Најдобри случаи на употреба | Сликање при слаба осветленост, кинематографија, општа фотографија | Брзо снимање на движење, индустриска инспекција, прецизна метрологија |
Разлики во основните перформанси
Пикселите на ролетните бленди обично користат дизајн со 4 транзистори (4T) без јазол за складирање, додека глобалните бленди бараат 5 или повеќе транзистори по пиксел плус дополнителни кола за складирање на фотоелектрони пред отчитувањето.
●Фактор на полнење и чувствителност– Поедноставната 4T архитектура овозможува поголем фактор на полнење на пиксели, што значи дека поголем дел од површината на секој пиксел е наменет за собирање светлина. Овој дизајн, во комбинација со фактот дека сензорите за ролетни бленди можат полесно да се прилагодат на формат со задно осветлување, често резултира со поголема квантна ефикасност.
●Перформанси на бучава– Помалку транзистори и помалку сложени кола генерално значат дека ролетните покажуваат помал шум при читање, што ги прави посоодветни за апликации при слаба осветленост.
●Потенцијал за брзина– Ролетните можат да бидат побрзи во одредени архитектури бидејќи овозможуваат преклопување на експозицијата и отчитувањето, иако ова во голема мера зависи од дизајнот на сензорот и електрониката за отчитување.
Цена и производство – Едноставноста на пикселите на ролетните обично се преведува во пониски трошоци за производство во споредба со глобалните ролетни.
Напредни размислувања и техники
Псевдо-глобален затворач
Во ситуации каде што можете прецизно да контролирате кога светлината ќе стигне до сензорот - како на пример со користење на LED или ласерски извор на светлина активиран од хардвер - можете да постигнете „глобални“ резултати со ролетна бленда. Овој псевдо-глобален метод на бленда ја синхронизира осветлувањето со прозорецот за експозиција, минимизирајќи ги артефактите од движење без да бара вистински глобален дизајн на блендата.
Преклопување на слики
Сензорите за ролетни можат да почнат да го експонираат следниот кадар пред да заврши отчитувањето на тековниот кадар. Оваа преклопувачка експозиција го подобрува работниот циклус и е корисна за апликации со голема брзина каде што снимањето на максималниот број кадри во секунда е клучно, но може да ги комплицира експериментите чувствителни на времето.
Отчитување на повеќе редови
Многу CMOS камери со голема брзина можат да читаат повеќе од еден ред пиксели истовремено. Во некои режими, редовите се читаат во парови; кај напредните дизајни, може да се читаат до четири реда истовремено, со што ефикасно се намалува вкупното време на читање на кадри.
Архитектура на поделен сензор
И ролетните и глобалните бленди можат да користат распоред на поделен сензор, каде што сензорот за слика е поделен вертикално на две половини, секоја со свој ред аналогни конвертори (ADC).
● Кај сензорите со ролетни поделена бленда, отчитувањето често започнува од центарот и се врти нанадвор кон врвот и дното, дополнително намалувајќи ја латенцијата.
● Кај дизајните со глобален бленд, поделеното отчитување може да ги подобри стапките на слики без да ја промени истовременоста на експозицијата.
Како да изберете за вашата апликација: Ролинг или Глобален затворач?
Глобалната бленда може да биде од корист за апликациите
● Потребен е високопрецизен временски распоред на настаните
● Потребно е многу кратко време на експозиција
● Потребен е милисекунденски задоцнување пред почетокот на снимањето за синхронизација со настан
● Снимајте движење или динамика во голем обем во слична или побрза временска скала како со ролетна бленда
● Потребно е истовремено снимање низ сензорот, но не може да се контролираат изворите на светлина за користење на псевдо-глобален затворач низ голема површина
Ролетната може да биде од корист за апликациите
● Предизвикувачки апликации при слаба осветленост: Дополнителната квантна ефикасност и помалиот шум на камерите со ролетни затворачи честопати водат до подобрен SNR
● Апликации со голема брзина каде што точната истовременост низ сензорот не е важна или доцнењето е мало во споредба со експерименталните временски скали
● Други поопшти примени каде што едноставноста на производството и пониската цена на камерите со ролетни се корисни
Чести заблуди
1. „Ролинг блендата е секогаш лоша.“
Не е точно - ролетните се идеални за многу случаи на употреба и честопати имаат подобри перформанси од глобалните ролетни при слаба осветленост и динамички опсег.
2. „Глобалниот бленд е секогаш подобар.“
Иако снимањето без дисторзија е предност, компромисите во цената, шумот и чувствителноста може да ги надминат придобивките од снимањето со побавно темпо.
3. „Не можете да снимате видео со ролетна бленда.“
Многу врвни кино камери ефикасно користат ролетни; внимателните техники на снимање можат да ги минимизираат артефактите.
4. „Глобалните затворачи го елиминираат целото замаглување при движење.“
Тие спречуваат геометриско искривување, но сепак може да се појави заматување на движењето од долго време на експозиција.
Заклучок
Изборот помеѓу глобалната технологија и технологијата со ролетни бленди кај CMOS камерата се сведува на рамнотежата помеѓу ракувањето со движење, чувствителноста на светлина, цената и вашите специфични потреби за апликацијата.
● Доколку ви е потребно снимање без дисторзија за сцени со брзо движење, глобалното затворање на блендата е јасен избор.
● Ако ги давате приоритет на перформансите при слаба осветленост, динамичкиот опсег и буџетот, ролетната бленда честопати дава најдобри резултати.
Разбирањето на овие разлики ви овозможува да ја изберете вистинската алатка - без разлика дали станува збор за научно снимање, индустриско следење или креативно производство.
Најчесто поставувани прашања
Кој тип на бленда е подобар за воздушно фотографирање или мапирање со дрон?
За мапирање, снимање и инспекција каде што геометриската точност е клучна, се претпочита глобален затворач за да се избегне дисторзија. Сепак, за креативно воздушно видео, ролетниот затворач сè уште може да даде одлични резултати ако движењата се контролирани.
Како изборот на блендата влијае врз снимањето при слаба осветленост?
Ролетните генерално имаат предност во перформансите при слаба осветленост бидејќи нивниот дизајн на пиксели може да даде приоритет на ефикасноста на собирање светлина. Глобалните ролетни може да бараат посложени кола што можат малку да ја намалат чувствителноста, иако модерните дизајни го затвораат овој јаз.
Како типот на бленда влијае нанаучна камера?
Во брзото научно снимање - како што е следењето на честички, динамиката на клетките или балистиката - глобалниот затворач е често неопходен за да се избегне нарушување на движењето. Но, за флуоресцентна микроскопија при слаба светлина,sCMOS камераможе да се избере ролетна бленда за да се максимизира чувствителноста и динамичкиот опсег.
Што е подобро за индустриска инспекција?
Во повеќето задачи за индустриска инспекција - особено оние што вклучуваат подвижни транспортни ленти, роботика или машински вид - глобалниот затворач е побезбеден избор за да се обезбедат прецизни мерења без геометриски грешки предизвикани од движење.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Сите права се задржани. При цитирање, ве молиме наведете го изворот:www.tucsen.com
