25.08.21.У свету дигиталног снимања, мало техничких фактора утиче на квалитет слике колико тип електронског затварача у вашем сензору. Без обзира да ли снимате брзе индустријске процесе, филмске секвенце или бележите слабе астрономске феномене, технологија затварача унутар ваше CMOS камере игра кључну улогу у томе како ће ваша коначна слика испасти.
Два доминантна типа CMOS електронских затварача, глобални затварачи и ролетни затварачи, користе веома различите приступе експозицији и очитавању светлости са сензора. Разумевање њихових разлика, предности и компромиса је неопходно ако желите да ускладите свој систем за обраду слика са својом применом.
Овај чланак ће објаснити шта су CMOS електронски затварачи, како функционишу глобални и ролетни, како се понашају у реалним ситуацијама и како да одлучите који је најбољи за вас.
Шта су CMOS електронски затварачи?
CMOS сензор је срце већине модерних фотоапарата. Он је одговоран за претварање долазне светлости у електричне сигнале који се могу обрадити у слику. „Затварач“ уЦМОС камераније нужно механичка завеса — многи модерни дизајни се ослањају на електронски затварач који контролише како и када пиксели хватају светлост.
За разлику од механичког затварача који физички блокира светлост, електронски затварач ради тако што покреће и зауставља проток наелектрисања унутар сваког пиксела. Код CMOS снимања постоје две основне архитектуре електронског затварача: глобални затварач и ролетни затварач.
Зашто је разликовање важно? Зато што метод излагања и очитавања директно утиче на:
● Рендеровање и дисторзија покрета
● Оштрина слике
● Осетљивост на слабо осветљење
● Брзина кадрова и латенција
● Општа погодност за различите врсте фотографије, видеа и научног снимања
Разумевање глобалног затварача
Извор: GMAX3405 Глобални сензор затварача
Како функционише Глобални затварач
CMOS камере са глобалним затварачем почињу и завршавају експозицију истовремено на целом сензору. Ово се постиже коришћењем 5 или више транзистора по пикселу и „чвора за складиштење“ који чува стечена фотоелектронска наелектрисања током очитавања. Редослед експозиције је следећи:
1. Започните експозицију истовремено у сваком пикселу уклањањем стечених наелектрисања у земљу.
2. Сачекајте изабрано време експозиције.
3. На крају експозиције, преместите стечена наелектрисања у чвор за складиштење у сваком пикселу, завршавајући експозицију тог кадра.
4. Ред по ред, померајте електроне у кондензатор за очитавање пиксела и преносите акумулирани напон на архитектуру очитавања, што кулминира у аналогно-дигиталним конверторима (ADC). Следећа експозиција се обично може извршити истовремено са овим кораком.
Предности глобалног затварача
● Без изобличења покрета – Покретни објекти задржавају свој облик и геометрију без искривљења или подрхтавања које може настати код секвенцијалног очитавања.
● Снимање великом брзином – Идеално за замрзавање покрета у брзим сценама, као што су спорт, роботика или контрола квалитета производње.
● Мала латенција – Сви подаци слике су доступни одједном, што омогућава прецизну синхронизацију са спољним догађајима, као што су ласерски импулси или стробоскопска светла.
Ограничења глобалног затварача
● Нижа осетљивост на светлост – Неки дизајни пиксела глобалног затварача жртвују ефикасност сакупљања светлости како би се прилагодили колима потребним за истовремену експозицију.
● Већи трошкови и сложеност – Израда је изазовнија, што често резултира вишим ценама у поређењу са еквивалентима роло врата.
● Потенцијал за повећање шума – У зависности од дизајна сензора, додатна електроника по пикселу може довести до нешто већег шума при читању.
Разумевање ролетне
Како функционише ролетна
Користећи само 4 транзистора и без чвора за складиштење, овај једноставнији облик дизајна CMOS пиксела доводи до компликованијег рада електронског затварача. Пиксели са покретним затварачем покрећу и заустављају експозицију сензора ред по ред, „котрљајући“ се надоле по сензору. Супротни редослед (такође приказан на слици) се прати за сваку експозицију:
Слика: Процес роло затварача за сензор камере од 6x6 пиксела
Први кадар почиње експозицију (жуто) на врху сензора, померајући се надоле брзином од једне линије по линији. Када се експозиција заврши за горњу линију, очитавање (љубичасто), а затим почетак следеће експозиције (плаво), помера се надоле дуж сензора.
1. Започните излагање горњем реду сензора тако што ћете уклонити стечена наелектрисања у земљу.
2. Након што истекне „време реда“, пређите на други ред сензора и започните експозицију, понављајући поступак надоле на сензору.
3. Када се заврши захтевано време експозиције за горњи ред, завршите експозицију слањем стечених наелектрисања кроз архитектуру очитавања. Време потребно за то је „време реда“.
4. Чим се очитавање за ред заврши, спреман је за поновни почетак експозиције од корака 1, чак и ако то значи преклапање са другим редовима који изводе претходну експозицију.
Предности ролетни
●Боље перформансе при слабом осветљењу– Дизајн пиксела може дати приоритет сакупљању светлости, побољшавајући однос сигнал-шум у условима слабог осветљења.
●Виши динамички опсег– Дизајни секвенцијалног очитавања могу грациозније да обраде светлије делове и тамније сенке.
●Приступачније– CMOS сензори са ролетном су чешћи и исплативији за производњу.
Ограничења ролетне
●Артефакти кретања– Брзо покретни објекти могу изгледати искривљено или савијено, познато као „ефекат ролетне“.
●Желе ефекат у видеу– Снимци из руке са вибрацијама или брзим померањем могу изазвати подрхтавање слике.
●Изазови синхронизације– Мање идеално за апликације које захтевају прецизно мерење времена са спољним догађајима.
Глобални наспрам ролетног затварача: упоредно поређење
Ево упоредног прегледа ролетни и глобалних ролетни:
| Карактеристика | Роло затварач | Глобални затварач |
| Дизајн пиксела | 4-транзистор (4Т), без чвора за складиштење | 5+ транзистора, укључујући чвор за складиштење |
| Осетљивост на светлост | Већи фактор попуњавања, лако се прилагођава формату са позадинским осветљењем → већи квалитет квалитета | Нижи фактор пуњења, BSI сложенији |
| Перформансе буке | Генерално нижи шум при читању | Може имати мало већи шум због додатног кола |
| Изобличење покрета | Могуће (искривљење, колебање, желе ефекат) | Ниједан — сви пиксели су истовремено експонирани |
| Потенцијал брзине | Може преклапати експозиције и читати више редова; често брже у неким дизајнима | Ограничено очитавањем целог кадра, мада подељено очитавање може помоћи |
| Цена | Нижи трошкови производње | Виши трошкови производње |
| Најбољи случајеви употребе | Снимање при слабом осветљењу, кинематографија, општа фотографија | Снимање покрета великом брзином, индустријска инспекција, прецизна метрологија |
Основне разлике у перформансама
Пиксели са ролетном типом обично користе дизајн са 4 транзистора (4T) без чвора за складиштење, док глобални затварачи захтевају 5 или више транзистора по пикселу плус додатна кола за складиштење фотоелектрона пре очитавања.
●Фактор попуњавања и осетљивост– Једноставнија 4T архитектура омогућава већи фактор попуњавања пиксела, што значи да је већи део површине сваког пиксела посвећен сакупљању светлости. Овај дизајн, у комбинацији са чињеницом да се сензори са ротирајућим затварачем могу лакше прилагодити формату са позадинским осветљењем, често резултира већом квантном ефикасношћу.
●Перформансе буке– Мањи број транзистора и мање сложена кола генерално значе да ролетне показују нижи ниво шума при читању, што их чини погоднијим за примене у условима слабог осветљења.
●Потенцијал брзине– Ролне затварачи могу бити бржи у одређеним архитектурама јер омогућавају преклапање експозиције и очитавања, мада то у великој мери зависи од дизајна сензора и електронике за очитавање.
Трошкови и производња – Једноставност пиксела ролетни обично се преводи у ниже трошкове производње у поређењу са глобалним ролетнама.
Напредна разматрања и технике
Псеудоглобални затварач
У ситуацијама где можете прецизно контролисати када светлост доспе до сензора — као што је коришћење ЛЕД или ласерског извора светлости који се активира хардвером — можете постићи „глобалне“ резултате помоћу ролетног затварача. Ова псеудо-глобална метода затварача синхронизује осветљење са прозором експозиције, минимизирајући артефакте кретања без потребе за правим глобалним дизајном затварача.
Преклапање слика
Сензори са покретним затварачем могу почети са експозицијом следећег кадра пре него што се заврши очитавање тренутног кадра. Ово преклапање експозиције побољшава радни циклус и корисно је за примене велике брзине где је снимање максималног броја кадрова у секунди критично, али може да искомпликује експерименте осетљиве на време.
Очитавање више редова
Многе брзе CMOS камере могу да читају више од једног реда пиксела истовремено. У неким режимима, редови се читају у паровима; код напредних дизајна, могу се истовремено читати до четири реда, што ефикасно смањује укупно време очитавања кадра.
Архитектура подељених сензора
И ролетне и глобалне затварачи могу користити распоред подељених сензора, где је сензор слике вертикално подељен на две половине, свака са својим редом А/Д претварача.
● Код сензора са подељеним ротационим затварачем, очитавање често почиње од центра и креће се ка горе и доле, што додатно смањује латенцију.
● Код глобалних дизајна затварача, подељено очитавање може побољшати број слика у секунди без промене истовремености експозиције.
Како одабрати за своју примену: ролетни или глобални затвор?
Глобални затварач може користити апликацијама
● Захтевају високу прецизност мерења времена догађаја
● Захтевају веома кратко време експозиције
● Захтева кашњење мање од милисекунде пре почетка аквизиције ради синхронизације са догађајем
● Снимање покрета или динамике великих размера у сличном или бржем временском периоду као код ролетне затварача
● Захтевају истовремено снимање преко сензора, али не могу да контролишу изворе светлости да би користили псеудоглобални затварач на великој површини
Ролетна може бити од користи за апликације
● Изазовне примене у условима слабог осветљења: Додатна квантна ефикасност и нижи ниво шума камера са ротирајућим затварачем често доводе до побољшаног односа сигнал/шум
● Примене велике брзине где тачна истовременост преко сензора није важна или је кашњење мало у поређењу са експерименталним временским скалама
● Друге, општије примене где су једноставност производње и нижа цена камера са ролетном корисне
Уобичајене заблуде
1. „Ролтинг затварач је увек лош.“
Није тачно — ролетне су идеалне за многе случајеве употребе и често надмашују глобалне ролетне при слабом осветљењу и динамичком опсегу.
2. „Глобални затварач је увек бољи.“
Иако је снимање без изобличења предност, компромиси у погледу цене, шума и осетљивости могу надмашити предности споријег снимања.
3. „Не можете снимати видео са ролетном.“
Многе врхунске филмске камере ефикасно користе ролетне; пажљиве технике снимања могу минимизирати артефакте.
4. „Глобални затварачи елиминишу сваку замућеност покрета.“
Они спречавају геометријско изобличење, али се и даље може јавити замућење покрета услед дугих времена експозиције.
Закључак
Избор између глобалне и технологије ролетне код CMOS камере своди се на равнотежу између руковања покретом, осетљивости на светло, цене и специфичних потреба ваше примене.
● Ако вам је потребно снимање брзих сцена без изобличења, глобални затварач је јасан избор.
● Ако дајете приоритет перформансама при слабом осветљењу, динамичком опсегу и буџету, ролетна често даје најбоље резултате.
Разумевање ових разлика осигурава да можете одабрати прави алат - било да је у питању научно снимање, индустријски мониторинг или креативна производња.
Честа питања
Који тип затварача је бољи за аерофотографију или мапирање дроном?
За мапирање, геодетска снимања и инспекције где је геометријска тачност кључна, глобални затварач је пожељнији како би се избегло изобличење. Међутим, за креативне видео снимке из ваздуха, ролетни затварач и даље може дати одличне резултате ако се покрети контролишу.
Како избор затварача утиче на снимање при слабом осветљењу?
Роло затварачи генерално имају предност у перформансама при слабом осветљењу јер њихови дизајни пиксела могу дати приоритет ефикасности сакупљања светлости. Глобални затварачи могу захтевати сложенија кола која могу мало смањити осетљивост, иако модерни дизајни затварају ову празнину.
Како тип затварача утиче нанаучна камера?
Код брзог научног снимања – као што су праћење честица, динамика ћелија или балистика – глобални затварач је често неопходан да би се избегло изобличење кретања. Али за флуоресцентну микроскопију при слабом светлу,sCMOS камераса ролетном затварачем може се изабрати да би се максимизирала осетљивост и динамички опсег.
Шта је боље за индустријску инспекцију?
У већини индустријских инспекцијских задатака — посебно онима који укључују покретне транспортне траке, роботику или машински вид — глобални затварач је безбеднији избор за обезбеђивање прецизних мерења без геометријских грешака изазваних кретањем.
Тусен Фотоникс Ко., Лтд. Сва права задржана. Приликом цитирања, молимо вас да наведете извор:www.tucsen.com
