25/08/21I den digitala bildvärlden är det få tekniska faktorer som påverkar bildkvaliteten så mycket som typen av elektronisk slutare i din sensor. Oavsett om du fotograferar höghastighetsindustriella processer, filmar filmsekvenser eller fångar svaga astronomiska fenomen, spelar slutartekniken i din CMOS-kamera en avgörande roll för hur din slutliga bild blir.
Två dominerande typer av elektroniska CMOS-slutare, globala slutare och rullande slutare, har väldigt olika metoder för att exponera och läsa av ljus från en sensor. Att förstå deras skillnader, styrkor och avvägningar är viktigt om du vill matcha ditt bildsystem till din applikation.
Den här artikeln förklarar vad elektroniska CMOS-slutare är, hur globala och rullande slutare fungerar, hur de fungerar i verkliga situationer och hur du bestämmer vilken som är bäst för dig.
Vad är elektroniska CMOS-slutare?
En CMOS-sensor är hjärtat i de flesta moderna kameror. Den ansvarar för att omvandla inkommande ljus till elektriska signaler som kan bearbetas till en bild. "Slutaren" i enCMOS-kameraär inte nödvändigtvis en mekanisk gardin – många moderna designer förlitar sig på en elektronisk slutare som styr hur och när pixlar fångar ljus.
Till skillnad från en mekanisk slutare som fysiskt blockerar ljus, fungerar en elektronisk slutare genom att starta och stoppa laddningsflödet inom varje pixel. I CMOS-avbildning finns det två primära elektroniska slutararkitekturer: global slutare och rullande slutare.
Varför spelar åtskillnaden roll? Eftersom exponerings- och avläsningsmetoden direkt påverkar:
● Rörelseåtergivning och distorsion
● Bildskärpa
● Låg ljuskänslighet
● Bildfrekvens och latens
● Övergripande lämplighet för olika typer av fotografering, video och vetenskaplig avbildning
Förstå global slutare
Källa: GMAX3405 Global slutarsensor
Hur global slutare fungerar
CMOS Global shutter-kameror börjar och avslutar sin exponering samtidigt över hela sensorn. Detta uppnås med hjälp av 5 eller fler transistorer per pixel och en "lagringsnod" som lagrar förvärvade fotoelektronladdningar under avläsning. Exponeringssekvensen är följande:
1. Börja exponeringen samtidigt i varje pixel genom att överföra de förvärvade laddningarna till marken.
2. Vänta på den valda exponeringstiden.
3. Flytta de förvärvade laddningarna till lagringsnoden i varje pixel vid slutet av exponeringen, vilket avslutar exponeringen av den bilden.
4. Rad för rad, flytta elektroner till pixelns avläsningskondensator och vidarebefordra den ackumulerade spänningen till avläsningsarkitekturen, vilket kulminerar i analog-till-digital-omvandlarna (ADC). Nästa exponering kan vanligtvis utföras samtidigt med detta steg.
Fördelar med global slutare
● Ingen rörelsedistorsion – Rörliga motiv behåller sin form och geometri utan den skevhet eller vinkling som kan uppstå vid sekventiell avläsning.
● Höghastighetsinspelning – Perfekt för att frysa rörelse i snabba scener, till exempel inom sport, robotteknik eller kvalitetskontroll i tillverkningen.
● Låg latens – All bilddata är tillgänglig samtidigt, vilket möjliggör exakt synkronisering med externa händelser, såsom laserpulser eller stroboskopljus.
Begränsningar med global slutare
● Lägre ljuskänslighet – Vissa globala slutarpixeldesigner offrar ljusinsamlingseffektiviteten för att rymma de kretsar som behövs för samtidig exponering.
● Högre kostnad och komplexitet – Tillverkningen är mer utmanande, vilket ofta resulterar i högre priser jämfört med motsvarigheter till rullande portar.
● Potentiell ökad brusnivå – Beroende på sensordesign kan den extra elektroniken per pixel leda till något högre läsbrus.
Förstå rullande jalusi
Hur rullande jalusi fungerar
Med endast fyra transistorer och ingen lagringsnod leder denna enklare form av CMOS-pixeldesign till en mer komplicerad elektronisk slutarfunktion. Rullande slutarpixlar startar och stoppar sensorns exponering en rad i taget och "rullar" ner sensorn. Motsatt sekvens (visas också i figuren) följs för varje exponering:
Figur: Rullande slutarprocess för en 6x6 pixlars kamerasensor
Den första bilden börjar exponeringen (gul) högst upp på sensorn och sveper nedåt med en hastighet av en linje per linjetid. När exponeringen är klar för den översta raden sveper avläsningen (lila) följt av början av nästa exponering (blå) ner längs sensorn.
1. Börja exponeringen mot sensorns översta rad genom att släppa ut de insamlade laddningarna på jord.
2. När 'radtiden' har gått, gå till den andra raden på sensorn och börja exponeringen, upprepa nedåt längs sensorn.
3. När den begärda exponeringstiden har gått ut för den översta raden, avsluta exponeringen genom att skicka de insamlade laddningarna genom avläsningsarkitekturen. Tiden det tar att göra detta kallas 'radtiden'.
4. Så snart avläsningen är klar för en rad är den redo att börja exponeringen igen från steg 1, även om det innebär att överlappning sker med andra rader som utför den föregående exponeringen.
Fördelar med rullande jalusi
●Bättre prestanda i svagt ljus– Pixeldesignerna kan prioritera ljusinsamling, vilket förbättrar signal-brusförhållandet i svagt ljus.
●Högre dynamiskt omfång– Sekventiella avläsningsdesigner kan hantera ljusare högdagrar och mörkare skuggor mer elegant.
●Mer prisvärt– CMOS-sensorer med rullande slutare är vanligare och kostnadseffektiva att tillverka.
Begränsningar med rullande jalusier
●Rörelseartefakter– Motiv som rör sig snabbt kan verka sneda eller böjda, vilket kallas ”rullande slutareffekt”.
●Jello-effekt i video– Handhållen filmning med vibrationer eller snabb panorering kan orsaka skakningar i bilden.
●Synkroniseringsutmaningar– Mindre idealiskt för tillämpningar som kräver exakt timing med externa händelser.
Global vs. rullande jalusi: Jämförelse sida vid sida
Här är en översiktlig bild av hur rullande och globala jalusier jämförs:
| Särdrag | Rullande jalusi | Global slutare |
| Pixeldesign | 4-transistor (4T), ingen lagringsnod | 5+ transistorer, inkluderar lagringsnod |
| Ljuskänslighet | Högre fyllnadsfaktor, enkelt anpassad till bakgrundsbelyst format → högre QE | Lägre fyllnadsfaktor, BSI mer komplex |
| Bullerprestanda | Generellt lägre läsbrus | Kan ha något högre brus på grund av extra kretsar |
| Rörelseförvrängning | Möjlig (sned, vingla, geléeffekt) | Ingen — alla pixlar exponeras samtidigt |
| Hastighetspotential | Kan överlappa exponeringar och läsa flera rader; ofta snabbare i vissa designer | Begränsad av fullformatsavläsning, även om delad avläsning kan hjälpa |
| Kosta | Lägre tillverkningskostnad | Högre tillverkningskostnad |
| Bästa användningsfall | Bildtagning i svagt ljus, filmfotografering, allmän fotografering | Höghastighetsrörelseinspelning, industriell inspektion, precisionsmetrologi |
Skillnader i kärnprestanda
Rullande slutarpixlar använder vanligtvis en 4-transistor (4T) design utan en lagringsnod, medan globala slutare kräver 5 eller fler transistorer per pixel plus ytterligare kretsar för att lagra fotoelektroner före avläsning.
●Fyllningsfaktor och känslighet– Den enklare 4T-arkitekturen möjliggör en högre pixelfyllnadsfaktor, vilket innebär att mer av varje pixels yta är dedikerad till ljusinsamling. Denna design, i kombination med det faktum att rullande slutarsensorer lättare kan anpassas till ett bakgrundsbelyst format, resulterar ofta i högre kvanteffektivitet.
●Bullerprestanda– Färre transistorer och mindre komplexa kretsar innebär generellt att rullande jalusier uppvisar lägre läsbrus, vilket gör dem bättre lämpade för tillämpningar i svagt ljus.
●Hastighetspotential– Rullande jalusier kan vara snabbare i vissa arkitekturer eftersom de tillåter överlappande exponering och avläsning, även om detta är starkt beroende av sensordesign och avläsningselektronik.
Kostnad och tillverkning – Enkelheten med rullande slutarpixlar innebär vanligtvis lägre produktionskostnader jämfört med globala slutare.
Avancerade överväganden och tekniker
Pseudo-global slutare
I situationer där du exakt kan styra när ljuset når sensorn – till exempel genom att använda en LED- eller laserljuskälla som utlöses av hårdvara – kan du uppnå "globalliknande" resultat med en rullande slutare. Denna pseudoglobala slutarmetod synkroniserar belysningen med exponeringsfönstret, vilket minimerar rörelseartefakter utan att kräva en verkligt global slutardesign.
Bildöverlappning
Rullande slutarsensorer kan börja exponera nästa bildruta innan den aktuella bildrutans avläsning är klar. Denna överlappande exponering förbättrar arbetscykeln och är fördelaktig för höghastighetsapplikationer där det är avgörande att fånga maximalt antal bildrutor per sekund, men kan komplicera tidskänsliga experiment.
Avläsning av flera rader
Många höghastighets-CMOS-kameror kan läsa mer än en rad pixlar åt gången. I vissa lägen läses raderna parvis; i avancerade konstruktioner kan upp till fyra rader läsas samtidigt, vilket effektivt minskar den totala bildläsningstiden.
Delad sensorarkitektur
Både rullande och globala slutare kan använda en delad sensorlayout, där bildsensorn är vertikalt uppdelad i två halvor, var och en med sin egen rad av ADC:er.
● I rullande slutarsensorer börjar avläsningen ofta från mitten och rullar utåt mot både toppen och botten, vilket ytterligare minskar latensen.
● I globala slutarlägen kan delad avläsning förbättra bildfrekvensen utan att ändra exponeringssamtidigheten.
Hur man väljer för sin tillämpning: Rullande eller global jalusi?
Den globala slutaren kan gynna applikationer
● Kräver högprecisionstidsbestämning av händelser
● Kräver mycket korta exponeringstider
● Kräv en fördröjning på under en millisekund innan en inspelning påbörjas för att synkronisera med en händelse
● Fånga storskalig rörelse eller dynamik på en liknande eller snabbare tidsskala än en rullande slutare
● Kräver samtidig insamling över sensorn, men kan inte styra ljuskällor för att använda pseudoglobal slutare över ett stort område
Rullporten kan gynna applikationer
● Utmanande tillämpningar i svagt ljus: Den extra kvanteffektiviteten och det lägre bruset hos rullande slutarkameror leder ofta till förbättrat signal-brusförhållande (SNR).
● Höghastighetsapplikationer där exakt samtidighet över sensorn inte är viktig, eller där fördröjningen är liten jämfört med experimentella tidsskalor
● Andra mer generella tillämpningar där tillverkningsförenklingen och den lägre kostnaden för rullande slutarkameror är fördelaktiga
Vanliga missuppfattningar
1. "Rullande jalusier är alltid dåligt."
Inte sant – rullande jalusier är idealiska för många användningsområden och överträffar ofta globala jalusier i svagt ljus och dynamiskt omfång.
2. "Global slutare är alltid bättre."
Även om distorsionsfri bildtagning är en fördel, kan avvägningarna vad gäller kostnad, brus och känslighet uppväga fördelarna med långsammare bildtagning.
3. "Du kan inte filma med rullande slutare."
Många avancerade filmkameror använder rullande slutare effektivt; noggranna fotograferingstekniker kan minimera artefakter.
4. "Globala slutare eliminerar all rörelseoskärpa."
De förhindrar geometrisk distorsion, men rörelseoskärpa från långa exponeringstider kan fortfarande uppstå.
Slutsats
Valet mellan global och rullande slutarteknik i en CMOS-kamera handlar om balansen mellan rörelsehantering, ljuskänslighet, kostnad och dina specifika applikationsbehov.
● Om du behöver distorsionsfri bildtagning för snabba scener är global slutare det självklara valet.
● Om du prioriterar prestanda i svagt ljus, dynamiskt omfång och budget ger rullande slutare ofta de bästa resultaten.
Att förstå dessa skillnader säkerställer att du kan välja rätt verktyg – oavsett om det är för vetenskaplig avbildning, industriell övervakning eller kreativ produktion.
Vanliga frågor
Vilken slutartyp är bäst för flygfotografering eller drönarkartläggning?
För kartläggning, mätning och inspektion där geometrisk noggrannhet är avgörande är en global slutare att föredra för att undvika distorsion. För kreativ flygvideo kan dock en rullande slutare fortfarande ge utmärkta resultat om rörelserna kontrolleras.
Hur påverkar valet av slutare bilder i svagt ljus?
Rullande jalusier har generellt en fördel när det gäller prestanda i svagt ljus eftersom deras pixeldesign kan prioritera ljusinsamlingseffektivitet. Globala jalusier kan kräva mer komplexa kretsar som kan minska känsligheten något, även om moderna designer minskar detta gap.
Hur påverkar slutartyp envetenskaplig kamera?
Vid höghastighetsvetenskaplig avbildning – såsom partikelspårning, celldynamik eller ballistik – är en global slutare ofta avgörande för att undvika rörelseförvrängning. Men för fluorescensmikroskopi i svagt ljus, ensCMOS-kameramed en rullande slutare kan väljas för att maximera känslighet och dynamiskt omfång.
Vilken är bäst för industriell inspektion?
I de flesta industriella inspektionsuppgifter – särskilt de som involverar rörliga transportband, robotteknik eller maskinseende – är en global slutare det säkrare valet för att säkerställa exakta mätningar utan rörelseinducerade geometriska fel.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Med ensamrätt. Vänligen ange källan vid citering:www.tucsen.com
