25/08/21I den digitale bildeverdenen er det få tekniske faktorer som påvirker bildekvaliteten så mye som typen elektronisk lukker i sensoren. Enten du fotograferer industrielle prosesser i høy hastighet, filmer kinosekvenser eller fanger opp svake astronomiske fenomener, spiller lukkerteknologien i CMOS-kameraet en avgjørende rolle i hvordan det endelige bildet blir.
To dominerende typer elektroniske CMOS-lukkere, globale lukkere og rullende lukkere, har svært forskjellige tilnærminger til eksponering og lesing av lys fra en sensor. Å forstå forskjellene, styrkene og avveiningene deres er viktig hvis du vil tilpasse bildesystemet ditt til applikasjonen din.
Denne artikkelen vil forklare hva elektroniske CMOS-skodder er, hvordan globale og rullende skodder fungerer, hvordan de fungerer i virkelige situasjoner, og hvordan du bestemmer hvilken som er best for deg.
Hva er elektroniske CMOS-skodder?
En CMOS-sensor er hjertet i de fleste moderne kameraer. Den er ansvarlig for å konvertere innkommende lys til elektriske signaler som kan behandles til et bilde. «Lukkeren» i enCMOS-kameraer ikke nødvendigvis et mekanisk gardin – mange moderne design er avhengige av en elektronisk lukker som styrer hvordan og når piksler fanger opp lys.
I motsetning til en mekanisk lukker som fysisk blokkerer lys, fungerer en elektronisk lukker ved å starte og stoppe ladningsflyten i hver piksel. I CMOS-avbildning finnes det to primære elektroniske lukkerarkitekturer: global lukker og rullende lukker.
Hvorfor er det viktig å skille mellom ting? Fordi eksponerings- og avlesningsmetoden direkte påvirker:
● Bevegelsesgjengivelse og forvrengning
● Bildeskarphet
● Lav lysfølsomhet
● Bildefrekvens og ventetid
● Generell egnethet for ulike typer fotografering, video og vitenskapelig avbildning
Forstå global lukker
Kilde: GMAX3405 Global lukkersensor
Hvordan global lukker fungerer
CMOS Global Shutter-kameraer starter og avslutter eksponeringen samtidig over hele sensoren. Dette oppnås ved hjelp av 5 eller flere transistorer per piksel, og en «lagringsnode» som holder på innhentede fotoelektronladninger under avlesning. Eksponeringssekvensen er som følger:
1. Start eksponeringen samtidig i hver piksel ved å overføre de innhentede ladningene til bakken.
2. Vent til den valgte eksponeringstiden er nådd.
3. Flytt de innhentede ladningene til lagringsnoden i hver piksel på slutten av eksponeringen, og avslutt dermed eksponeringen av det bildet.
4. Rad for rad, flytt elektroner inn i pikselens avlesningskondensator, og videresend den akkumulerte spenningen til avlesningsarkitekturen, som kulminerer i analog-til-digital-omformerne (ADC-ene). Neste eksponering kan vanligvis utføres samtidig med dette trinnet.
Fordeler med global lukker
● Ingen bevegelsesforvrengning – Bevegelige motiver beholder formen og geometrien uten skjevheten eller ustabiliteten som kan oppstå ved sekvensiell avlesning.
● Høyhastighetsopptak – Ideelt for å fryse bevegelse i scener med rask bevegelse, for eksempel innen sport, robotikk eller kvalitetskontroll i produksjon.
● Lav latens – Alle bildedata er tilgjengelige samtidig, noe som muliggjør presis synkronisering med eksterne hendelser, for eksempel laserpulser eller strobelys.
Begrensninger ved global lukker
● Lavere lysfølsomhet – Noen globale lukkerpikseldesign ofrer lysinnsamlingseffektiviteten for å få plass til kretsene som trengs for samtidig eksponering.
● Høyere kostnader og kompleksitet – Produksjon er mer utfordrende, noe som ofte resulterer i høyere priser sammenlignet med andre rulleporter.
● Potensial for økt støy – Avhengig av sensordesign kan den ekstra elektronikken per piksel føre til litt høyere lesestøy.
Forstå rulleporter
Hvordan rulleporter fungerer
Denne enklere formen for CMOS-pikseldesign, som kun bruker fire transistorer og ingen lagringsnode, fører til en mer komplisert elektronisk lukkeroperasjon. Rullende lukkerpiksler starter og stopper eksponeringen av sensoren én rad om gangen, og «ruller» nedover sensoren. Sekvensen motsatt (også vist i figuren) følges for hver eksponering:
Figur: Rullende lukkerprosess for en 6x6 pikslers kamerasensor
Det første bildet starter eksponeringen (gul) øverst på sensoren, og sveiper nedover med en hastighet på én linje per linjetid. Når eksponeringen er fullført for den øverste linjen, sveiper avlesningen (lilla) etterfulgt av starten på neste eksponering (blå) nedover sensoren.
1. Start eksponeringen mot den øverste raden på sensoren ved å sende de innsamlede ladningene til jord.
2. Etter at «radtiden» er utløpt, gå til den andre raden på sensoren og begynn eksponeringen. Gjenta nedover sensoren.
3. Når den forespurte eksponeringstiden er over for den øverste raden, avslutter du eksponeringen ved å sende innhentede ladninger gjennom avlesningsarkitekturen. Tiden det tar å gjøre dette er «radtiden».
4. Så snart avlesningen er fullført for en rad, er den klar til å starte eksponeringen på nytt fra trinn 1, selv om det betyr overlapping med andre rader som utfører den forrige eksponeringen.
Fordeler med rulleporter
●Bedre ytelse i svakt lys– Pikseldesignene kan prioritere lysinnsamling, noe som forbedrer signal-til-støy-forholdet under svake lysforhold.
●Høyere dynamisk område– Sekvensielle avlesningsdesign kan håndtere lysere høylys og mørkere skygger mer elegant.
●Rimeligere– CMOS-sensorer med rullende lukker er mer vanlige og kostnadseffektive å produsere.
Begrensninger ved rulleporter
●Bevegelsesartefakter– Motiver i rask bevegelse kan virke skjeve eller bøyd, kjent som «rullende lukkereffekt».
●Jello-effekt i video– Håndholdt opptak med vibrasjon eller rask panorering kan føre til vingling i bildet.
●Synkroniseringsutfordringer– Mindre ideelt for applikasjoner som krever presis timing med eksterne hendelser.
Global vs. rullende skodder: Sammenligning side om side
Her er en oversikt over hvordan rullende og globale skodder sammenlignes:
| Trekk | Rullende skodde | Global lukker |
| Pikseldesign | 4-transistor (4T), ingen lagringsnode | 5+ transistorer, inkluderer lagringsnode |
| Lysfølsomhet | Høyere fyllfaktor, enkel å tilpasse til bakgrunnsbelyst format → høyere QE | Lavere fyllfaktor, BSI mer kompleks |
| Støyytelse | Generelt lavere lesestøy | Kan ha litt høyere støy på grunn av ekstra kretser |
| Bevegelsesforvrengning | Mulig (skjevhet, vingling, geléeffekt) | Ingen – alle piksler eksponeres samtidig |
| Hastighet Potensial | Kan overlappe eksponeringer og lese flere rader; ofte raskere i noen design | Begrenset av fullformatavlesning, men delt avlesning kan hjelpe |
| Koste | Lavere produksjonskostnader | Høyere produksjonskostnader |
| Beste brukstilfeller | Bilder i svakt lys, kinematografi, generell fotografering | Høyhastighets bevegelsesfangst, industriell inspeksjon, presisjonsmetrologi |
Forskjeller i kjerneytelse
Rullende lukkerpiksler bruker vanligvis en 4-transistor (4T) design uten en lagringsnode, mens globale lukkere krever 5 eller flere transistorer per piksel pluss ekstra kretser for å lagre fotoelektroner før avlesning.
●Fyllfaktor og følsomhet– Den enklere 4T-arkitekturen tillater en høyere pikselfyllingsfaktor, noe som betyr at mer av hver piksels overflate er dedikert til lysinnsamling. Denne designen, kombinert med det faktum at rullende lukkersensorer enklere kan tilpasses et bakgrunnsbelyst format, resulterer ofte i høyere kvanteeffektivitet.
●Støyytelse– Færre transistorer og mindre komplekse kretser betyr generelt at rulleporter har lavere lesestøy, noe som gjør dem bedre egnet for applikasjoner med lite lys.
●Hastighet Potensial– Rulleporter kan være raskere i visse arkitekturer fordi de tillater overlappende eksponering og avlesning, selv om dette er sterkt avhengig av sensordesign og avlesningselektronikk.
Kostnad og produksjon – Enkelheten til rullende lukkerpiksler betyr vanligvis lavere produksjonskostnader sammenlignet med globale lukkere.
Avanserte hensyn og teknikker
Pseudo-global lukker
I situasjoner der du kan kontrollere nøyaktig når lyset når sensoren – for eksempel ved å bruke en LED- eller laserlyskilde utløst av maskinvare – kan du oppnå «globallignende» resultater med en rullende lukker. Denne pseudo-globale lukkermetoden synkroniserer belysningen med eksponeringsvinduet, og minimerer bevegelsesartefakter uten å kreve et ekte globalt lukkerdesign.
Bildeoverlapping
Rullende lukkersensorer kan begynne å eksponere neste bilde før avlesningen av gjeldende bilde er fullført. Denne overlappende eksponeringen forbedrer driftssyklusen og er fordelaktig for høyhastighetsapplikasjoner der det er kritisk å fange maksimalt antall bilder per sekund, men kan komplisere tidsfølsomme eksperimenter.
Avlesning av flere rader
Mange høyhastighets CMOS-kameraer kan lese mer enn én rad med piksler om gangen. I noen moduser leses rader parvis; i avanserte design kan opptil fire rader leses samtidig, noe som effektivt reduserer den totale bildelesningstiden.
Delt sensorarkitektur
Både rullende og globale lukkere kan bruke et delt sensorlayout, der bildesensoren er delt vertikalt i to halvdeler, hver med sin egen rad med ADC-er.
● I rullende lukkersensorer starter avlesningen ofte fra midten og ruller utover mot både toppen og bunnen, noe som reduserer ventetiden ytterligere.
● I globale lukkerdesign kan delt avlesning forbedre bildefrekvensen uten å endre eksponeringssamtiden.
Hvordan velge for ditt bruksområde: rulleport eller global port?
Den globale lukkeren kan være til fordel for applikasjoner
● Krever svært presis timing av hendelser
● Krever svært korte eksponeringstider
● Krev en forsinkelse på under et millisekund før starten av en innsamling for å synkronisere med en hendelse
● Fang opp storskala bevegelse eller dynamikk på en lignende eller raskere tidsskala som en rullende lukker
● Krever samtidig innsamling på tvers av sensoren, men kan ikke kontrollere lyskilder til å bruke pseudoglobal lukker over et stort område
Rullende lukker kan være til fordel for bruksområder
● Utfordrende bruksområder i svakt lys: Den ekstra kvanteeffektiviteten og lavere støyen fra rullende lukkerkameraer fører ofte til forbedret signal-støy-forhold (SNR).
● Høyhastighetsapplikasjoner der nøyaktig samtidighet på tvers av sensoren ikke er viktig, eller forsinkelsen er liten sammenlignet med eksperimentelle tidsskalaer
● Andre mer generelle bruksområder der produksjonsvennligheten og de lavere kostnadene for rullende lukkerkameraer er fordelaktige
Vanlige misoppfatninger
1. «Rullende lukker er alltid dårlig.»
Ikke sant – rulleskodder er ideelle for mange bruksområder og yter ofte bedre enn globale skodder i svakt lys og dynamisk område.
2. «Global lukker er alltid bedre.»
Selv om forvrengningsfri opptak er en fordel, kan avveiningene i kostnad, støy og følsomhet oppveie fordelene med langsommere avbildning.
3. «Du kan ikke filme med rullende lukker.»
Mange avanserte kinokameraer bruker rullende lukkere effektivt; nøye fotograferingsteknikker kan minimere artefakter.
4. «Globale lukkere eliminerer all bevegelsesuskarphet.»
De forhindrer geometrisk forvrengning, men bevegelsesuskarphet fra lange eksponeringstider kan fortsatt oppstå.
Konklusjon
Valget mellom global og rullende lukkerteknologi i et CMOS-kamera koker ned til balansen mellom bevegelseshåndtering, lysfølsomhet, kostnad og dine spesifikke behov.
● Hvis du trenger forvrengningsfri opptak av motiver i rask bevegelse, er global lukker det klare valget.
● Hvis du prioriterer ytelse i svakt lys, dynamisk område og budsjett, gir rullende lukker ofte de beste resultatene.
Å forstå disse forskjellene sikrer at du kan velge riktig verktøy – enten det er for vitenskapelig avbildning, industriell overvåking eller kreativ produksjon.
Vanlige spørsmål
Hvilken lukkertype er best for luftfotografering eller dronekartlegging?
For kartlegging, landmåling og inspeksjon der geometrisk nøyaktighet er avgjørende, foretrekkes en global lukker for å unngå forvrengning. For kreativ luftvideo kan imidlertid en rullende lukker fortsatt gi utmerkede resultater hvis bevegelsene kontrolleres.
Hvordan påvirker valg av lukker bilder i svakt lys?
Rulleskodder har generelt en fordel når det gjelder ytelse i svakt lys fordi pikseldesignene deres kan prioritere lysinnsamlingseffektivitet. Globale skodder kan kreve mer komplekse kretser som kan redusere følsomheten noe, selv om moderne design tetter dette gapet.
Hvordan påvirker lukkertypen envitenskapelig kamera?
I høyhastighets vitenskapelig avbildning – som partikkelsporing, celledynamikk eller ballistikk – er en global lukker ofte viktig for å unngå bevegelsesforvrengning. Men for fluorescensmikroskopi i svakt lys, ensCMOS-kameramed rullende lukker kan velges for å maksimere følsomhet og dynamisk område.
Hvilken er bedre for industriell inspeksjon?
I de fleste industrielle inspeksjonsoppgaver – spesielt de som involverer bevegelige transportbånd, robotikk eller maskinsyn – er en global lukker det tryggere valget for å sikre presise målinger uten bevegelsesinduserte geometriske feil.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rettigheter forbeholdt. Vennligst oppgi kilden ved sitering:www.tucsen.com
