2021年8月30日 星期一

‧ 如何在滾動快門和全局快門攝影機模式之間進行選擇

 

Global Shutter vs. Rolling Shutter - Choosing the Right Image Sensor for the Right Application

全局快門與滾動快門 - 為正確的應用選擇正確的圖像感測器



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Andor 的 Neo 和 Zyla 攝影機採用 CIS 2051 感測器,以及我們最新的大面積 Balor sCMOS 攝影機(其傳感器是 Andor 獨有的)採用 5T(5 晶體管)像素架構設計,提供滾動和全局快門模式選擇(也稱為滾動和全局曝光模式)。這提供了卓越的應用和同步靈活性,並能夠通過全局快門密切模擬隔行 CCD 熟悉的「快照」曝光機制。

滾動和全局快門模式描述了兩種不同的序列,透過它們可以從 sCMOS 感測器讀取圖像。在滾動快門模式下,當讀出的「波」掃過感測器時,陣列的不同線在不同時間曝光,而在全局快門模式下,感測器中的每個像素同時開始和結束曝光,類似於曝光機制隔行 CCD。然而,絕對最低的噪音和最快的非同步幀速率,是通過滾動快門模式實現的

顯示滾動和全局快門模式中事件序列的簡化圖

圖 1 - 顯示滾動和全局快門模式下的事件序列的簡化圖。請注意,雖然表示單個圖像採集,但每種模式也與“重疊”讀出兼容,因此下一次曝光與圖像讀出同時開始。

傳統上,大多數 CMOS 感測器提供一種模式或另一種模式,但 Andor 的BalorNeo 和 Zyla  sCMOS 攝影機的感測器提供滾動,和全局快門模式的選擇。使用這些攝影機解決方案,用戶可以從同一感測器中選擇(通過軟體選擇)任一讀出模式,從而可以根據特定的應用要求,選擇最合適的模式。

滾動快門模式

下面將基於 Neo 和 Zyla sCMOS 攝影機解釋滾動快門模式。滾動快門模式基本上意味著當讀出「波」掃過感測器的每一半時,陣列的相鄰行在稍微不同的時間曝光。也就是說,每一行都將開始和結束其曝光時間與其相鄰的稍微偏移。在 560 MHz(Zyla 5.5 和 Neo 5.5)的最大讀出速率下,相鄰行曝光之間的偏移為 10 μs。捲簾式讀取機制如圖1所示。從讀取的角度來看,傳感器被水平分成兩半,每列從中心向外同時並行讀取,逐行讀取。

在曝光開始時,波掃過傳感器的每一半,依次將每一行從「保持清潔狀態」(所有電荷從防暈光結構中的像素中排出)切換到「曝光狀態」模式下運行,在每一行被讀出後,它立即進入下一次曝光。這確保了 100% 的佔空比,這意味著在曝光之間不會浪費時間,也許更重要的是,不會浪費光子。在給定讀出速度的最大幀速率(例如,Zyla 5.5 和 Neo 5.5 在 560 MHz 下為 100 fps),傳感器以重疊模式連續讀出,即一旦讀出前沿到達傳感器的頂部和底部,他們立即返回中心讀取下一次曝光。

滾動快門模式 - 缺點

捲簾快門模式的一個潛在缺點是空間失真,這是由上述曝光機製造成的。在較大物體以圖像讀數無法匹配的速度移動的情況下,失真會更加明顯。然而,當相對較小的對像,以幀速率在時間上過採樣的速率移動時,失真的可能性較小。

另一個缺點是曝光圖像的不同區域,不會與其他區域在時間上精確相關,這對於某些用途可能是必不可少的。最後一個非常重要的因素是同步(例如光源激活或外圍設備移動)到滾動快門讀數可能很複雜,並且相對於全局快門可實現的那些,還可能導致更慢的循環時間和幀速率。

全局快門 - 「行間 CCD 模式」

全局快門模式,也可以被認為是「快照」曝光模式,意味著陣列的所有像素同時曝光,從而實現快速移動或快速變化事件的「定格」捕捉,在這方面,全局快門可以認為其行為類似於行間 CCD 傳感器。在曝光開始之前,陣列中的所有像素都將保持在「保持清潔狀態」,在此期間,電荷會被排放到每個像素的防光暈結構中。在曝光開始時,每個像素同時開始收集電荷,並允許在曝光時間內這樣做。在曝光結束時,每個像素同時將電荷轉移到其讀出節點。

全局快門可以配置為在連續「重疊」模式下運行(類似於行間 CCD),由此可以在從每個像素的讀出節點讀出前一次曝光的同時進行曝光。在此模式下,感測器具有 100% 的佔空比,再次實現最佳時間分辨率和光子收集效率。在整個週期中,沒有捲簾快門中的「瞬態」讀數週期。

重要的是,全局快門模式非常易於同步,並且通常比在相同曝光時間下,與滾動快門同步的努力產生更快的幀速率。當感測器區域的不同區域之間,需要精確的時間相關性時,也可以將全局快門視為必不可少的。

然而,全局快門模式的機制要求,除了從每個像素實際讀出電荷外,還需要在「幕後」執行參考讀出。需要這種額外的數位化讀數來消除全局快門圖像中的複位噪聲由於這種額外的參考讀數,全局快門模式需要權衡將最大非同步幀速率減半,否則在滾動快門模式下可以實現。


滾動快門還是全局快門模式?

無論是滾動快門或全局快門模式是正確的,你將在很大程度上取決於實驗。全局快門具有完全類似於行間 CCD 的「非瞬態」曝光機制,並且對於許多將在零空間失真的動態採集系列期間,提供「定格」捕獲移動物體或瞬態事件的保證,以及提供更簡單、更快的同步性能。對於特定應用,例如需要圖像的不同區域,保持時間相關性,或需要準確同步相對較短的事件,全局快門將被視為必需品。

使用滾動和全局快門模式捕獲的移動風扇圖像

圖 2 - 移動風扇的圖像,使用具有滾動和全局快門曝光模式的 Neo sCMOS 攝影機獲取,曝光時間相同。與「捲簾快門效應」相關的空間失真在左圖中很明顯。全局快門是一種「快照」採集模式,可避免空間失真。

圖 2 顯示了移動風扇的圖像,使用Neo sCMOS 相機的滾動和全局快門曝光模式拍攝,曝光時間相同。在使用捲簾快門拍攝的圖像中,風扇葉片的顯著空間失真(超越運動模糊)很明顯。這樣做的原因是,相對於捲簾快門的「瞬態」曝光激活/讀出前沿橫切葉片寬度所花費的時間,葉片移動速度較快。這種空間失真通常被稱為「滾動快門效應」。

然而,滾動快門模式,具有增強的非同步 最大幀率的可能性和較低的讀取噪聲,仍然可能適合許多科學應用,例如,人們只需要跟踪作為時間函數的 2D 中相對較小的對象。只要幀速率使得攝影機在圖像區域內,對物體動態進行時間過採樣,在滾動快門模式下,觀察到的空間失真可以忽略不計。這種過採樣是良好的成像實踐,因為在單次曝光期間通常不希望物體移動很遠的距離。但是,必須始終牢記的是,即使失真不明顯,圖像底部頂部的物體,將被捕獲到與圖像中心的物體相距最多 10 毫秒的距離:如果這是一個為您的實驗考慮因素,則不應使用捲簾快門。

使用全局快門在 2 次連續曝光之間縮短電荷傳輸時間

Neo sCMOS 的全局快門模式可用於實現電子門控,類似於行間 CCD 的可能效果。在曝光之前,陣列中的所有像素都將保持在「保持清潔狀態」,在此期間,電荷會被排放到每個像素的防暈光結構中,從而充當「電子快門」。曝光「開啟」是電子的,速度極快(亞微秒)。在曝光結束時,每個像素同時將電荷轉移到其讀出節點,再次充當電子快門關閉機制。此步驟的傳輸時間規格僅為 2 µs,經光學測量小於 1 µs。

全局快門模式下2 個連續圖像之間的短傳輸時間使Neo sCMOS 可用於快速「雙重曝光」應用,例如粒子成像測速 (PIV)。

與滾動和全局快門同步

靈活性來提供兩個 卷簾和真正的全局快門可以被認為是非常有利的。捲簾快門提供絕對最低的讀取噪聲,最適合用於非常快速的數據流(> 50 fps 全幀),無需與光源或外圍設備同步。然而,它存在空間失真的風險,尤其是在對相對較大、快速移動的物體進行成像時。使用真正的全局快門時沒有空間失真的風險。為了避免捲簾快門中的空間失真,必須使用模擬全局曝光同步方法,這需要脈衝光源並且還顯著降低光子收集的佔空比(即減少每個週期收集的光子)。相比之下,全局快門可以保持 100% 的佔空比。

當同步到快速切換的外圍設備時,真正的 全局快門模式相對簡單,可以帶來更快的幀速率。雖然全局快門模式下的讀取噪聲 (~2.5 e - ) 大約是捲簾快門 (~ 1.2 e - ) 的兩倍,但這通常可以抵消更高的佔空比(因此每個週期的光子收集增加),和更高的同步幀在真正的 全局快門模式下可能的速率 

「第一代」與「第二代」sCMOS?

令人感興趣的是,sCMOS 領域的另一位傑出參與者選擇將術語「第二代」應用於Zyla 和 Neo sCMOS 攝影機中使用的低噪聲像素架構的 4T(4 晶體管)變體雖然可以認為 4T 設計,有利於提供略微改進的量子效率響應,但這樣做是以犧牲全局快門能力為代價的,從而限制了應用靈活性和同步性能。

在作者看來,當 4T(捲簾快門)和 5T(全局快門)CMOS 概念,已經存在一段時間並且非常重要時,將激進的「第二代」行銷標籤,應用於這種感測器變體是相當大的。有據可查。

事實上,CIS2051 sCMOS 感測器的架構,如果有的話,可以被認為更具創新性,因為它經過獨特設計,可提供全局快門,同時保持滾動快門功能在設計階段,Andor 和合作夥伴可以選擇 4T 捲簾門或我們選擇的設計 —— 這個決定是基於可靠的應用推理做出的。 



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