Электронные затворы CMOS: глобальные или рулонные и как выбрать |

В мире цифровой обработки изображений мало какой технический фактор влияет на качество изображения так же сильно, как тип электронного затвора в вашей матрице. Снимаете ли вы высокоскоростные промышленные процессы, кинематографические сцены или слабые астрономические явления, технология затвора в вашей КМОП-камере играет решающую роль в том, как получится финальное изображение.

Два основных типа электронных затворов КМОП-матриц, глобальные затворы и роллинговые затворы, используют совершенно разные подходы к экспонированию и считыванию света с матрицы. Понимание их различий, преимуществ и недостатков крайне важно, если вы хотите адаптировать систему формирования изображений к вашим задачам.

В этой статье объясняется, что такое электронные затворы КМОП, как работают глобальные и рулонные затворы, как они проявляют себя в реальных ситуациях и как решить, какой из них лучше всего подходит именно вам.

Что такое электронные затворы КМОП?

КМОП-матрица — сердце большинства современных камер. Она отвечает за преобразование входящего света в электрические сигналы, которые затем преобразуются в изображение. «Затвор» вКМОП-камеране обязательно представляет собой механическую завесу — многие современные конструкции используют электронный затвор, который контролирует, как и когда пиксели захватывают свет.

В отличие от механического затвора, который физически блокирует свет, электронный затвор работает, запуская и останавливая поток заряда внутри каждого пикселя. В КМОП-матрицах используются две основные архитектуры электронного затвора: глобальный затвор и скользящий затвор.

Почему различие важно? Потому что способ экспозиции и считывания напрямую влияет на:

● Рендеринг движения и искажения
● Резкость изображения
● Чувствительность к низкой освещенности
● Частота кадров и задержка
● Общая пригодность для различных типов фотографии, видео и научных изображений

Понимание глобального затвора

Источник: датчик глобального затвора GMAX3405

Как работает глобальный затвор

В камерах КМОП с глобальным затвором экспозиция начинается и заканчивается одновременно по всему сенсору. Это достигается за счёт использования пяти или более транзисторов на пиксель и «запоминающего узла», который сохраняет полученные фотоэлектронные заряды во время считывания. Последовательность экспозиции выглядит следующим образом:

1. Начните экспозицию одновременно в каждом пикселе, сбросив полученные заряды на землю.

2. Подождите выбранное время экспозиции.

3. В конце экспозиции переместите полученные заряды в узел хранения в каждом пикселе, завершив экспозицию этого кадра.

4. Построчно перемещайте электроны в считывающий конденсатор пикселя и передавайте накопленное напряжение на считывающую архитектуру, которая затем поступает в аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Следующую экспозицию обычно можно выполнить одновременно с этим этапом.

Преимущества глобального затвора

● Отсутствие искажений движения — движущиеся объекты сохраняют свою форму и геометрию без перекосов или колебаний, которые могут возникнуть при последовательном считывании.
● Высокоскоростная съемка — идеально подходит для остановки движения в быстро движущихся сценах, например, в спорте, робототехнике или при контроле качества на производстве.
● Низкая задержка — все данные изображения доступны одновременно, что обеспечивает точную синхронизацию с внешними событиями, такими как лазерные импульсы или стробоскопы.

Ограничения глобального затвора

● Низкая светочувствительность. Некоторые конструкции пикселей глобального затвора жертвуют эффективностью сбора света, чтобы обеспечить работу схемы, необходимой для одновременной экспозиции.
● Более высокая стоимость и сложность — изготовление более трудоемко, что часто приводит к более высоким ценам по сравнению с рулонными воротами.
● Вероятность повышенного шума. В зависимости от конструкции датчика дополнительная электроника на пиксель может привести к небольшому повышению шума при считывании.

Понимание принципа работы рольставней

Как работают рольставни

Используя всего 4 транзистора и не используя запоминающий узел, эта более простая конструкция КМОП-пикселя приводит к более сложному принципу работы электронного затвора. Пиксели с скользящим затвором начинают и останавливают экспозицию матрицы по одной строке, «прокатываясь» по сенсору. Для каждой экспозиции соблюдается обратная последовательность (также показанная на рисунке):

Рисунок: Процесс скользящего затвора для сенсора камеры размером 6x6 пикселей

Первый кадр начинается с экспозиции (жёлтый) в верхней части сенсора, которая перемещается вниз со скоростью одна строка за время. После завершения экспозиции верхней строки, считывание (фиолетовый) и начало следующей экспозиции (синий) перемещаются вниз по сенсору.

1. Начните воздействие на верхний ряд датчика, сбросив накопленные заряды на землю.
2. По истечении «времени ряда» перейдите ко второму ряду датчика и начните экспозицию, повторяя процедуру по всему датчику.
3. По завершении запрошенного времени экспозиции для верхней строки завершите экспозицию, передав полученные заряды через архитектуру считывания. Время, необходимое для этого, называется «временем строки».
4. Как только считывание для строки завершено, она готова начать повторное экспонирование с шага 1, даже если это означает наложение с другими строками, выполняющими предыдущее экспонирование.

Преимущества рольставней

●Лучшая производительность при слабом освещении– Конструкция пикселей позволяет отдавать приоритет сбору света, улучшая соотношение сигнал/шум в условиях слабого освещения.
●Более высокий динамический диапазон– Конструкции последовательного считывания позволяют более изящно обрабатывать яркие блики и темные тени.
●Более доступный– КМОП-датчики со скользящим затвором более распространены и экономичны в производстве.

Ограничения рулонных ворот

●Артефакты движения– Быстро движущиеся объекты могут выглядеть перекошенными или изогнутыми, что известно как «эффект вращающегося затвора».
●Эффект желе в видео– Съемка с рук с вибрацией или быстрым панорамированием может привести к дрожанию изображения.
●Проблемы синхронизации– Менее подходит для приложений, требующих точной синхронизации с внешними событиями.

Глобальные и рулонные ставни: наглядное сравнение

глобальный затвор против скользящего затвора

Ниже представлен общий обзор рулонных и глобальных ставней:

Особенность	Рольставни	Глобальный затвор
Пиксельный дизайн	4-транзисторный (4Т), без узла хранения	5+ транзисторов, включая узел хранения
Светочувствительность	Более высокий коэффициент заполнения, легко адаптируется к формату с задней подсветкой → более высокая QE	Меньший коэффициент заполнения, более сложная BSI
Шумовые характеристики	В целом более низкий уровень шума при чтении	Может иметь немного более высокий уровень шума из-за дополнительных схем.
Искажение движения	Возможно (перекос, колебание, эффект желе)	Нет — все пиксели экспонируются одновременно
Потенциал скорости	Может перекрывать экспозиции и считывать несколько строк; в некоторых конструкциях часто быстрее	Ограничено полнокадровым считыванием, хотя раздельное считывание может помочь
Расходы	Более низкая стоимость производства	Более высокая стоимость производства
Лучшие варианты использования	Съемка при слабом освещении, кинематография, общая фотография	Высокоскоростной захват движения, промышленный контроль, прецизионная метрология

Основные различия в производительности

Пиксели с вращающимся затвором обычно используют конструкцию из 4 транзисторов (4T) без узла хранения, тогда как для глобальных затворов требуется 5 или более транзисторов на пиксель плюс дополнительная схема для хранения фотоэлектронов перед считыванием.

●Фактор заполнения и чувствительность– Более простая архитектура 4T обеспечивает более высокий коэффициент заполнения пикселей, что означает, что большая часть поверхности каждого пикселя предназначена для сбора света. Такая конструкция, в сочетании с тем, что датчики с вращающимся затвором легче адаптировать к формату с задней подсветкой, часто приводит к более высокой квантовой эффективности.
●Шумовые характеристики– Меньшее количество транзисторов и менее сложная схема, как правило, означают, что рольставни демонстрируют меньший уровень шума при считывании, что делает их более подходящими для применений в условиях низкой освещенности.
●Потенциал скорости– В некоторых архитектурах рольставни могут работать быстрее, поскольку они допускают перекрытие экспозиции и считывания, хотя это во многом зависит от конструкции датчика и считывающей электроники.

Стоимость и производство. Простота пикселей с вращающимся затвором обычно приводит к снижению производственных затрат по сравнению с глобальными затворами.

Расширенные соображения и методы

Псевдо-глобальный затвор

В ситуациях, когда можно точно контролировать момент попадания света на сенсор, например, при использовании светодиода или лазера, управляемого аппаратно, можно добиться «глобальных» результатов с помощью скользящего затвора. Этот метод псевдоглобального затвора синхронизирует освещение с экспозиционным окном, минимизируя артефакты движения без необходимости использования настоящего глобального затвора.

Перекрытие изображений

Датчики с скользящим затвором могут начать экспонирование следующего кадра до завершения считывания текущего. Такое перекрывающееся экспонирование улучшает рабочий цикл и полезно для высокоскоростных приложений, где критически важно захватывать максимальное количество кадров в секунду, но может усложнить эксперименты, чувствительные к временным интервалам.

Считывание нескольких строк

Многие высокоскоростные КМОП-камеры могут считывать более одной строки пикселей одновременно. В некоторых режимах строки считываются парами; в современных моделях возможно одновременное считывание до четырёх строк, что существенно сокращает общее время считывания кадра.

Архитектура разделенного датчика

Как вращающиеся, так и глобальные затворы могут использовать схему с разделенным датчиком, в которой датчик изображения разделен вертикально на две половины, каждая из которых имеет свой ряд АЦП.

● В датчиках с подвижным затвором считывание часто начинается с центра и распространяется наружу к верху и низу, что еще больше сокращает задержку.
● В конструкциях с глобальным затвором раздельное считывание может повысить частоту кадров без изменения одновременности экспозиции.

Как выбрать рулонные или глобальные ставни для вашего применения?

Глобальный затвор может принести пользу приложениям

● Требуют высокоточного хронометража событий

● Требуют очень короткого времени экспозиции

● Требует задержки менее миллисекунды перед началом сбора данных для синхронизации с событием

● Запечатлейте масштабное движение или динамику в том же масштабе времени или быстрее, что и при использовании скользящего затвора.

● Требует одновременного захвата по всему сенсору, но не может контролировать источники света для использования псевдоглобального затвора на большой площади.

Рольставни могут принести пользу приложениям

● Сложные задачи в условиях низкой освещенности: дополнительная квантовая эффективность и меньший уровень шума камер с подвижным затвором часто приводят к улучшению отношения сигнал/шум.

● Высокоскоростные приложения, где точная одновременность по всему датчику не важна или задержка мала по сравнению с экспериментальными временными масштабами

● Другие более общие применения, где простота изготовления и низкая стоимость камер с вращающимся затвором являются преимуществом.

Распространенные заблуждения

1. «Рольставни — это всегда плохо».

Неверно — рольставни идеально подходят для многих случаев использования и часто превосходят глобальные затворы при слабом освещении и в динамическом диапазоне.

2. «Глобальный затвор всегда лучше».

Хотя отсутствие искажений при съемке является преимуществом, компромиссы в стоимости, шуме и чувствительности могут перевесить преимущества более медленной съемки.

3. «Снимать видео с помощью роллингового затвора невозможно».

Многие высококлассные кинокамеры эффективно используют роликовые затворы; тщательные методы съемки позволяют свести артефакты к минимуму.

4. «Глобальные затворы устраняют любую размытость изображения».

Они предотвращают геометрические искажения, однако размытость изображения при движении из-за длительной экспозиции все равно может иметь место.

Заключение

Выбор между технологией глобального и скользящего затвора в CMOS-камере зависит от баланса между обработкой движения, светочувствительностью, стоимостью и конкретными потребностями вашего приложения.

● Если вам нужна съемка быстро движущихся сцен без искажений, то глобальный затвор — очевидный выбор.

● Если для вас приоритетны производительность при слабом освещении, динамический диапазон и бюджет, то скользящий затвор часто обеспечивает наилучшие результаты.

Понимание этих различий позволит вам выбрать правильный инструмент — будь то для научной визуализации, промышленного мониторинга или творческого производства.

Часто задаваемые вопросы

Какой тип затвора лучше подходит для аэрофотосъемки или картографирования с помощью дронов?

Для картографирования, геодезии и инспекций, где геометрическая точность критически важна, предпочтительным является глобальный затвор, позволяющий избежать искажений. Однако для творческой аэровидеосъёмки скользящий затвор всё ещё может обеспечить отличные результаты, если движения контролируются.

Как выбор затвора влияет на качество изображения при слабом освещении?

Рольставни, как правило, имеют преимущество в условиях слабого освещения, поскольку конструкция их пикселей позволяет в первую очередь повысить эффективность сбора света. Глобальные затворы могут потребовать более сложной схемы, что может немного снизить чувствительность, хотя современные конструкции устраняют этот пробел.

Как тип затвора влияет нанаучная камера?

В высокоскоростной научной визуализации, например, при отслеживании частиц, динамике клеток или баллистике, глобальный затвор часто необходим для предотвращения искажений движения. Но для флуоресцентной микроскопии при слабом освещенииsCMOS-камераможно выбрать режим вращающегося затвора, чтобы максимально увеличить чувствительность и динамический диапазон.

Что лучше подходит для промышленной инспекции?

В большинстве задач промышленного контроля, особенно связанных с движущимися конвейерными лентами, робототехникой или машинным зрением, глобальный затвор является более безопасным выбором, обеспечивающим точные измерения без геометрических ошибок, вызванных движением.