Электронные затворы CMOS: глобальный или скользящий и как выбрать

В мире цифровой фотографии мало какие технические факторы влияют на качество изображения так сильно, как тип электронного затвора в вашем сенсоре. Независимо от того, снимаете ли вы высокоскоростные промышленные процессы, кинематографические сцены или запечатлеваете слабые астрономические явления, технология затвора в вашей CMOS-камере играет решающую роль в том, каким получится итоговое изображение.

Два основных типа электронных затворов CMOS — глобальные затворы и скользящие затворы — используют совершенно разные подходы к экспонированию и считыванию света с сенсора. Понимание их различий, преимуществ и компромиссов имеет важное значение, если вы хотите подобрать систему обработки изображений под свои задачи.

В этой статье объясняется, что такое электронные затворы CMOS, как работают глобальные и роллетные затворы, как они ведут себя в реальных условиях и как выбрать наиболее подходящий для вас вариант.

Что такое электронные затворы CMOS?

CMOS-сенсор — это сердце большинства современных камер. Он отвечает за преобразование поступающего света в электрические сигналы, которые затем обрабатываются для получения изображения. «Затвор» в камереCMOS-камераЭто не обязательно механическая штора — во многих современных конструкциях используется электронный затвор, который контролирует, как и когда пиксели захватывают свет.

В отличие от механического затвора, который физически блокирует свет, электронный затвор работает за счет запуска и остановки потока заряда внутри каждого пикселя. В CMOS-матрицах существует две основные архитектуры электронных затворов: глобальный затвор и скользящий затвор.

Почему важна разница? Потому что метод экспозиции и считывания напрямую влияет на:

● Рендеринг движения и искажение

● Резкость изображения

● Чувствительность к слабому освещению

● Частота кадров и задержка

● Общая пригодность для различных видов фотографии, видеосъемки и научной визуализации.

Понимание принципа работы глобального затвора

Глобальный датчик затвора GMAX3405

Как работает глобальный затвор

Камеры с КМОП-матрицей и глобальным затвором начинают и заканчивают экспозицию одновременно по всему сенсору. Это достигается за счет использования 5 или более транзисторов на пиксель и «накопительного элемента», который удерживает накопленные фотоэлектронные заряды во время считывания. Последовательность экспозиции следующая:

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

2. Дождитесь выбранного времени экспозиции.

3. По окончании экспозиции переместите накопленные заряды в узел хранения каждого пикселя, завершив экспозицию данного кадра.

4. Построчно перемещайте электроны в конденсатор считывания пикселя и передавайте накопленное напряжение на архитектуру считывания, которая завершается на аналого-цифровых преобразователях (АЦП). Как правило, следующую экспозицию можно выполнить одновременно с этим этапом.

Преимущества глобального затвора

● Отсутствие искажений, вызванных движением – движущиеся объекты сохраняют свою форму и геометрию без искажений или колебаний, которые могут возникать при последовательном считывании.

● Высокоскоростная съемка – идеально подходит для фиксации движения в быстро движущихся сценах, например, в спорте, робототехнике или контроле качества на производстве.

● Низкая задержка – Все данные изображения доступны одновременно, что обеспечивает точную синхронизацию с внешними событиями, такими как лазерные импульсы или стробоскопические вспышки.

Ограничения глобального затвора

●Сниженная светочувствительность– В некоторых конструкциях пикселей с глобальным затвором эффективность сбора света снижается ради размещения схем, необходимых для одновременной экспозиции.

●Более высокая стоимость и сложность– Изготовление таких конструкций более сложное, что часто приводит к более высоким ценам по сравнению с рольставнями.

●Потенциал для увеличения шума– В зависимости от конструкции сенсора, дополнительная электроника на пиксель может привести к несколько более высокому уровню шума считывания.

Понимание работы рольставней

Как работают рольставни

Использование всего 4 транзисторов и отсутствие узла хранения данных приводит к более сложной работе электронного затвора благодаря упрощенной конструкции пикселя CMOS. Пиксели скользящего затвора запускают и останавливают экспозицию сенсора построчно, «прокручивая» сенсор вниз. Для каждой экспозиции выполняется следующая последовательность (также показанная на рисунке):

Процесс скользящего затвора для 6x6-пиксельного сенсора камеры

Первый кадр начинается с экспозиции (жёлтый цвет) в верхней части сенсора, сканируясь вниз со скоростью одна строка за раз. После завершения экспозиции верхней строки, считывание (фиолетовый цвет), за которым следует начало следующей экспозиции (синий цвет), сканирует сенсор вниз.

1. Начните экспозицию верхнего ряда сенсора, очистив накопленные заряды.

земля.

2. По истечении времени, отведенного на обработку ряда, перейдите ко второму ряду сенсора и начните экспозицию, повторяя действия по ряду сенсора.

3. После истечения запрошенного времени экспозиции для верхнего ряда завершите экспозицию, отправив полученные заряды через архитектуру считывания. Время, затраченное на это, называется «временем строки».

4. Как только считывание данных для строки завершено, она готова к повторному началу экспозиции с шага 1, даже если это означает перекрытие с другими строками, для которых выполнялась предыдущая экспозиция.

Преимущества рольставней

●Улучшенная производительность в условиях низкой освещенности– Конструкция пикселей позволяет отдавать приоритет сбору света, улучшая соотношение сигнал/шум в условиях недостаточного освещения.

●Расширенный динамический диапазон– Конструкции с последовательным считыванием данных позволяют более плавно обрабатывать светлые участки и темные тени.

●Более доступный по цене– CMOS-сенсоры с скользящим затвором более распространены и экономичны в производстве.

Ограничения использования рольставней

●Артефакты движения– Быстро движущиеся объекты могут выглядеть искаженными или изогнутыми, что известно как «эффект скользящего затвора».

●Эффект желе в видео– Съемка с рук с вибрацией или быстрым панорамированием может вызвать дрожание изображения.

●Проблемы синхронизации– Менее подходит для приложений, требующих точного синхронизации с внешними событиями.

Глобальный и роллетный затвор: сравнение двух типов затворов.

Крышка глобального затвора и роллетного затвора

Вот краткое сравнение рольставней и глобальных жалюзи:

Особенность	Роллетные ворота	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 квантовая эффективность	Более низкий коэффициент заполнения, BSI более сложный
Шумовые характеристики	Как правило, более низкий уровень шума считывания.	Возможно, уровень шума будет немного выше из-за добавления дополнительных электронных схем.
Искажение движения	Возможные эффекты (искажение, дрожание, эффект желе)	Нет — все пиксели экспонируются одновременно.
Потенциал скорости	Может перекрывать экспозиции и считывать несколько строк; в некоторых конструкциях часто работает быстрее.	Ограничение заключается в полнокадровом считывании, хотя раздельное считывание может помочь.
Расходы	Снижение производственных затрат	Более высокая себестоимость производства
Наилучшие варианты использования	Съемка в условиях низкой освещенности, киносъемка, общая фотография	Высокоскоростной захват движений, промышленный контроль, прецизионная метрология

Основные различия в производительности

В пикселях с скользящим затвором обычно используется 4-транзисторная (4T) схема без узла хранения, в то время как для глобальных затворов требуется 5 или более транзисторов на пиксель, а также дополнительная схема для хранения фотоэлектронов перед считыванием.

●Коэффициент заполнения и чувствительность– Более простая 4T-архитектура позволяет достичь более высокого коэффициента заполнения пикселя, что означает, что большая часть поверхности каждого пикселя отводится для сбора света. Такая конструкция в сочетании с тем фактом, что датчики с скользящим затвором легче адаптируются к формату с задней подсветкой, часто приводит к более высокой квантовой эффективности.

●Шумовые характеристики– Меньшее количество транзисторов и менее сложная схемотехника, как правило, означают, что у рольставней более низкий уровень шума считывания, что делает их более подходящими для работы в условиях низкой освещенности.

●Потенциал скорости– В некоторых архитектурах роллетные затворы могут быть быстрее, поскольку позволяют одновременно экспонировать и считывать данные, хотя это в значительной степени зависит от конструкции сенсора и электроники считывания.

●Стоимость и производство– Простота пикселей в системе скользящего затвора обычно приводит к снижению производственных затрат по сравнению с глобальным затвором.

Передовые соображения и методы

Псевдо-глобальный затвор

В ситуациях, когда можно точно контролировать момент попадания света на сенсор — например, при использовании светодиодного или лазерного источника света, управляемого аппаратным обеспечением, — можно добиться результатов, близких к «глобальному» затвору, с помощью скользящего затвора. Этот псевдо-глобальный метод синхронизирует освещение с окном экспозиции, минимизируя артефакты движения без необходимости использования настоящего глобального затвора.

Перекрытие изображений

Датчики с скользящим затвором могут начать экспонирование следующего кадра до завершения считывания текущего кадра. Такое перекрытие экспозиций улучшает коэффициент заполнения и полезно для высокоскоростных приложений, где критически важно захватывать максимальное количество кадров в секунду, но может усложнить эксперименты, чувствительные ко времени.

Многострочное считывание

Многие высокоскоростные CMOS-камеры могут считывать более одного ряда пикселей одновременно. В некоторых режимах ряды считываются парами; в более совершенных конструкциях можно одновременно считывать до четырех рядов, что эффективно сокращает общее время считывания кадра.

Архитектура с раздельным датчиком

Как в системах с скользящим, так и с глобальным затвором может использоваться разделенная компоновка сенсора, при которой датчик изображения вертикально разделен на две половины, каждая со своим рядом АЦП.

● В датчиках с раздельным считыванием и эффектом построчной развертки считывание часто начинается с центра и распространяется наружу как вверх, так и вниз, что еще больше снижает задержку.

● В конструкциях с глобальным затвором раздельное считывание может повысить частоту кадров без изменения одновременности экспозиции.

Как выбрать подходящий вариант для вашего применения: рулонный или глобальный затвор?

Глобальный затвор может быть полезен в различных приложениях.

● Требуют высокоточной синхронизации событий

● Требуют очень короткого времени экспозиции

● Требуется задержка менее миллисекунды перед началом сбора данных для синхронизации с событием.

● Захват крупномасштабных движений или динамики в масштабе времени, аналогичном или более быстром, чем при использовании скользящего затвора.

● Требуется одновременный сбор данных по всему сенсору, но невозможно управлять источниками света для использования псевдоглобального затвора на большой площади.

Роллетные ставни могут быть полезны в различных областях применения.

● Сложные задачи при слабом освещении: дополнительная квантовая эффективность и более низкий уровень шума камер с скользящим затвором часто приводят к улучшению отношения сигнал/шум.

● Высокоскоростные приложения, где точная одновременность на всех датчиках не важна, или задержка мала по сравнению с экспериментальными временными масштабами.

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

Распространенные заблуждения

1. «Роллетные ставни — это всегда плохо».

Это неправда — рольставни идеально подходят для многих сценариев использования и часто превосходят глобальные рольставни по эффективности при слабом освещении и динамическому диапазону.

2. «Глобальный затвор всегда лучше».

Хотя получение изображений без искажений является преимуществом, компромиссы в отношении стоимости, шума и чувствительности могут перевесить преимущества более медленной съемки.

3. «Нельзя снимать видео с помощью эффекта «скользящего затвора»».

Многие высококачественные кинокамеры эффективно используют эффект «роллинг-шаттера»; грамотная техника съемки позволяет свести к минимуму артефакты.

4. «Глобальный затвор полностью устраняет размытие изображения при движении».

Они предотвращают геометрические искажения, но размытие изображения из-за длительной выдержки всё ещё может возникать.

Заключение

Выбор между глобальным и скользящим затвором в CMOS-камере сводится к балансу между обработкой движения, светочувствительностью, стоимостью и конкретными потребностями вашего приложения.

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

● Если для вас приоритетны качество съемки в условиях низкой освещенности, динамический диапазон и бюджет, то роллинг-шаттер часто обеспечивает наилучшие результаты.

Понимание этих различий позволит вам выбрать подходящий 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, геодезических работ и инспекций, где геометрическая точность имеет решающее значение, предпочтительнее использовать глобальный затвор, чтобы избежать искажений. Однако для создания креативных аэровидеосъемок скользящий затвор также может обеспечить отличные результаты, если движения контролируются.

Как выбор выдержки влияет на съемку в условиях низкой освещенности?

Роллетные затворы, как правило, имеют преимущество в работе при слабом освещении, поскольку их пиксельная конструкция позволяет отдавать приоритет эффективности сбора света. Глобальные затворы могут требовать более сложной схемы, что может несколько снизить чувствительность, хотя современные конструкции сокращают этот разрыв.

Как тип затвора влияет на работу научной камеры?

В высокоскоростной научной визуализации — например, при отслеживании частиц, изучении клеточной динамики или баллистике — глобальный затвор часто необходим для предотвращения искажений, вызванных движением. Но для флуоресцентной микроскопии в условиях низкой освещенности необходим глобальный затвор.sCMOS-камераДля максимального повышения чувствительности и динамического диапазона можно выбрать вариант с скользящим затвором.

Что лучше подходит для промышленного контроля?

В большинстве задач промышленного контроля, особенно тех, которые связаны с движущимися конвейерными лентами, робототехникой или машинным зрением, глобальный затвор является более безопасным выбором для обеспечения точных измерений без геометрических ошибок, вызванных движением.