Nederlands
Menu

Rolling versus global shutter: belichting, vervorming, ruis en toepassingen

Beide zijn methoden voor de elektronische sluiter van een beeldsensor. Een rolling shutter belicht de pixels rij voor rij met een kleine tijdsverschuiving en leest ze achtereenvolgens uit. De pixelschakeling is eenvoudig en de ruis kan laag zijn, maar omdat de bovenste en onderste rijen op verschillende tijdstippen worden opgenomen, worden snel bewegende objecten schuin vervormd. Een global shutter belicht alle pixels tegelijk, houdt de lading tijdelijk in de pixel vast en leest daarna uit, zodat er geen vervorming ontstaat. Daar staat tegenover dat de pixelschakeling uitgebreider wordt en de pixels vaak groter worden.

KenmerkRolling shutterGlobal shutter
BelichtingstimingBegin en einde van de belichting verschuiven per rij een klein beetjeAlle pixels beginnen en eindigen de belichting tegelijk
UitleesvolgordeRijen worden uitgelezen zodra hun belichting klaar isDe lading van alle pixels wordt tegelijk naar een opslagelement in de pixel overgebracht en daarna rij voor rij uitgelezen
Tijdsverschil bij de opnameTussen boven- en onderrand van het beeld zit de uitleestijd van één frame (enkele ms tot enkele tientallen ms)Geen verschil
Bewegende objectenSnel bewegende objecten of een bewegende camera geven schuine vervormingGeen vervorming
Knipperend licht en flitserFlikkering van de verlichting geeft gemakkelijk horizontale strepen. Met een korte flits kan slechts een deel van het beeld helder wordenHet hele beeld ontvangt tegelijk licht, dus geen strepen, en eenvoudig te synchroniseren met gepulst licht
PixelschakelingTypisch een pixel met vier transistorsExtra nodig: een element dat de lading tijdelijk vasthoudt en de transistors daarvoor
Pixelgrootte en gevoeligheidKleine pixels zijn eenvoudig te makenPixels worden vaak groter door het opslagelement, en het lichtgevoelige oppervlak neemt vaak af
RuisMet correlated double sampling (CDS), dat het verschil neemt tussen reset- en signaalniveau, is de uitleesruis eenvoudig laag te houdenAfhankelijk van de methode is CDS moeilijk en neemt de ruis gemakkelijk toe. Donkerstroom tijdens het vasthouden en lichtlekkage naar het opslagelement zijn ook uitdagingen
KostenLaagHoger
Belangrijkste toepassingenSmartphones, digitale camera's, video-opname, bewakingscamera'sInspectiecamera's in fabrieken (machine vision), barcodelezers, bestuurdersmonitoring in auto's, afstandsmeting zoals ToF, tracking voor robots en AR/VR

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Rolling shutter
Wanneer het onderwerp niet te snel beweegt en kleine pixels, gevoeligheid, lage ruis en kosten voorop staan. De standaard in de meeste camera's.
Global shutter
Wanneer snel bewegende objecten met de juiste vorm moeten worden vastgelegd, of wanneer de belichting nauwkeurig moet worden afgestemd op gepulst licht of een flitser. Voor inspectie, meting en toepassingen waarin een machine het beeld beoordeelt.
Vervorming beperken
Ook bij een rolling shutter wordt de vervorming kleiner als de uitleestijd van één frame korter wordt. Mogelijkheden zijn snellere uitlezing met een gestapelde sensor of een combinatie met een mechanische sluiter.

Veelgestelde vragen

Waarom vervormen bewegende objecten bij een rolling shutter?

Omdat de pixels rij voor rij worden belicht en uitgelezen, verschilt het opnametijdstip tussen de bovenste en onderste rijen enkele ms tot enkele tientallen ms. Beweegt het onderwerp in die tijd, dan legt elke rij een andere positie vast en wordt het geheel schuin vervormd.

Is een global shutter altijd beter?

Niet per se. Een global shutter heeft een opslagelement in de pixel nodig, waardoor de pixels vaak groter worden en gevoeligheid, ruis en kosten vaak in het nadeel zijn. Bij toepassingen waar bewegingsvervorming geen probleem is, wordt voor een rolling shutter gekozen.

Waarom geeft flikkerende verlichting strepen?

Bij een rolling shutter verschilt het belichtingstijdstip per rij, dus rijen die werden belicht terwijl de helderheid van de knipperende verlichting veranderde, verschillen in helderheid van de andere rijen, wat als horizontale strepen zichtbaar wordt. Bij een global shutter worden alle pixels tegelijk belicht, dus ontstaan er geen strepen.

Test uw begrip

Waarom worden snel bewegende onderwerpen vervormd weergegeven bij de rolling-shuttermethode van CMOS-beeldsensoren?

  1. AOmdat de timing van belichting en uitlezen per rij verschilt
  2. BOmdat alle pixels tegelijk worden belicht
  3. CVanwege het patroon van de kleurenfilters
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Omdat de timing van belichting en uitlezen per rij verschilt

Bij de rolling-shuttermethode worden pixels rij voor rij achtereenvolgens belicht en uitgelezen, dus de opnametijd van de bovenste en de onderste rij verschilt enkele ms tot enkele tientallen ms. Daardoor worden snel bewegende onderwerpen schuin vervormd en wordt het flikkeren van tl-licht strepen. Bij de global-shuttermethode, waarbij alle pixels tegelijk worden belicht, ontstaat geen vervorming en wordt die gebruikt in inspectiecamera's voor de industrie en in voertuigen, maar er is een schakeling in de pixel nodig om de lading tijdelijk vast te houden, waardoor de pixel groter wordt.

Welke transistor in een gangbare CMOS-pixel met vier transistoren heeft de rol de lading van de fotodiode naar de floating diffusion over te brengen?

  1. AOverdrachtstransistor (transfer)
  2. BResettransistor
  3. CSelectietransistor
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Overdrachtstransistor (transfer)

Een pixel met vier transistoren bestaat uit vier transistoren: overdracht, reset, versterking (source follower) en selectie. De overdrachtstransistor brengt de lading van de pinned photodiode naar de floating diffusion (FD) en de versterkertransistor voert de spanning daarvan uit. Reset initialiseert de FD en selectie kiest de rij die wordt uitgelezen. Het voordeel van deze structuur is dat CDS mogelijk wordt, waarbij het verschil tussen de waarden vóór en na de overdracht wordt genomen, en ook wordt de oppervlakte verkleind door bijvoorbeeld de FD met naburige pixels te delen.

Wat is het doel van correlated double sampling (CDS), dat bij het uitlezen van CMOS-beeldsensoren wordt gebruikt?

  1. AHet signaal twee keer versterken
  2. BKleurinformatie interpoleren
  3. CHet verschil tussen de resetwaarde en de signaalwaarde nemen om resetruis en offset per pixel te verwijderen
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Het verschil tussen de resetwaarde en de signaalwaarde nemen om resetruis en offset per pixel te verwijderen

Bij CDS worden de uitgang direct na het resetten van de floating diffusion en de uitgang na het overdragen van de lading van de fotodiode elk bemonsterd en wordt het verschil het signaal. De kTC-ruis die bij elke reset varieert en de offset van de versterker per pixel zijn beide waarden gemeen, dus ze heffen elkaar op bij het nemen van het verschil. In combinatie met volledige overdracht van de pinned photodiode kan de uitleesruis worden teruggebracht tot enkele elektronen of minder.

  1. Welk belangrijk voordeel van de methode, toegepast in veel CMOS-beeldsensoren, waarbij per pixelkolom een AD-omzetter wordt geplaatst en parallel wordt omgezet, is juist?

Oefenvragen over Beeldsensoren en optische componenten

Belangrijke termen uitgelegd

Rolling shutter
Methode waarbij rij na rij pixels achtereenvolgens worden belicht en uitgelezen. De schakeling is eenvoudig, maar snel bewegende onderwerpen worden vervormd afgebeeld. De methode waarbij alle pixels tegelijk worden belicht is de global shutter.
Global shutter
Elektronische sluitermethode waarbij alle pixels tegelijk worden belicht. Anders dan bij een rolling shutter, die rij na rij uitleest, wordt het beeld van bewegende objecten niet vervormd.
Correlated double sampling (CDS)
Bewerking waarbij het verschil wordt genomen tussen de spanning bij het resetten van de pixel en de spanning bij het uitlezen van het signaal. Verwijdert resetruis en de offset per pixel.
CMOS-beeldsensor
Beeldsensor met een versterkerschakeling per pixel, vervaardigd in een CMOS-proces. Verbruikt weinig stroom en laat integratie van randschakelingen toe; de standaard in onder meer smartphonecamera's.

Verwante vergelijkingen