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Rolling shutter sensors/卷帘快门传感器

高成本效益的替代方案

一個圖像傳感器具有許多典型的特色。而快門系統則是自從CMOS問世後最光廣為人知的一個特色。現在已經有許多專業分析文章針對快門系統的優缺點做了許多分析。為什麼我們還要再對這個主題做文章呢? 目前所看到的相關文章對於很多在相關的主題並沒有太深入的解釋,而這些被忽略的主題與現今CMOS的發展有著非常重要的影響。

為什麼我們要在拍攝影像的兩種模式-全局快門模式以及捲簾快門模式-之間做一個基本的區分呢?

 

1. 今日的傳感器

捲簾快門模式與全局快門模式在本質上的區別是根據曝光階段時的曝光反應時間與方式。

使用全局快門模式傳感器,所有的像素內容按時間順序被清除,並測量復位電平。

所有的像素的電子在同一時間對接受曝光的光線,意味著捕捉影像的活動開始。再曝光階段要結束的時候,轉換成的電壓資訊將會被儲存在像素的感光區域。使用 CMOS 影像傳感器時,這個信息會被逐條被轉換成灰階數值,然後被傳輸。

最新的 CMOS 影像傳感器速度非常快,信速信息可以同時使用多達24個通道進行串行傳輸。這對於下游產業都是一個極大的挑戰,無論是FPGA、ASIC、USB或是Ethernet 使用的芯片。

使用全局快門模式拍攝的圖像不會有因為運動產生的任何圖變形(果凍效應),這是由於時間點快照(point-in-time images)的特性。

2. 擷取跟讀出(Capture / read-out)

現今在追求更高的像素時,傳感器開發需要將更多的像素塞進更小的面積內照造成了極大程度的空間壓縮,因為每一個像素包含了需多像素元件。為了要將各個像素做的更小。像是將手機的相機提升到雙位數的解析度,傳感器上的像素會需要縮小到1 µm 的範圍。 這只能通過有系統的捨棄掉一些元件,像是緩衝區的像素組件,來達成。意味著在特定時間點的全局拍攝模式是無法做到的。

解決方式是通過直接讀取信息來確定曝光結束。影像以捲簾滾動的方式拍攝,也就是像素的信息是透過逐行的方式傳輸。因此才會使用”捲簾”這個詞形容此種快門模式。

如果影像傳感器可以達到每秒60張的速度,則讀取跟結束曝光時間會需要16 ms ,從第一條線到最後一條。這意味著曝光時間在上半部的停止時間比下半部早。為了保證每條線都有相同的曝光時間,曝光開始的時間必須相對應的移動。像素依照每條的順序序列開始開始曝光。

如果物體在拍攝時移動– 例如在ITS(智能交通監控)的應用 – 影像將無法被真實的呈現。

3. 影像傳輸

第一代的 CMOS 影像傳感器具有用於輸出圖像數據的並行接口。最多可以處裡每秒100萬像素的數據量。對於一個5百萬像素的影像傳感器,等於每秒鐘大約可以拍攝20張影像,或是一張影像的讀出時間大約是50 ms。這導致捲簾快門的效應清楚可見,因為再曝光期間移動中的車輛覆蓋了大部分視野涵蓋的地面範圍。

新的CMOS影像傳感器的速度比第一代快了5到10倍。所以read-out time非常的大。現在的標準是每秒5MP或是每秒120 或是 240 張圖像。 主要是由於新的轉換技術以及電接口(electrical interfaces)。 產生了240fps與4 ms的快門時間 ,顯著的改善整體效能。

不同快門速度的對比-捲簾快門傳感器。跑車門上的號碼牌 (車速在205 km/h) 還是可以被辨識跟分析。

如果快門開啟的方向跟物體進行相同,則在圖像中幾乎不會觀察到明顯的幾何曲變。在連續表面檢測(Web inspection)系統中使用垂直安裝的捲簾快門相機已成為標準方案。

如果快門開啟的方向跟物體進行相同,則在圖像中幾乎不會觀察到明顯的幾何曲變。在連續表面檢測(Web inspection)系統中使用垂直安裝的捲簾快門相機已成為標準方案。

交通監控系統通常都會安裝在陸橋上或是交通號誌燈的電桿上,相機對準了朝向機靠近的物體。現在同樣的字體辨識或是物體辨識等任務可以被高成本效應的傳感器所取代。

在相反的情況-靜止的物體與移動的相機-像是,巴士、火車、或是手持式的條碼讀取機也是一樣的道理。現在更貴的全局快門對於這些應用已經不是必需的了。

4. 捲簾快門影像傳感器的優點

捲簾快門模式有兩個全局快門模式所沒有的優點。

1. 更高畫質的影像品質 歸功於被移除的緩衝區。在結束曝光時,亮度的數值被直接儲存在全局快門像素中的儲存單位。最新的影像傳感器中,儲存單元可以儲存電子或實際電壓(已經轉換)。隨著時間的推移跟溫度的變化,由於最後一行在等待所有幀全部跑完中間等待的過程,這個儲存的信息可能會惡化。

根據每個傳感器的不同設計,這可能會導致熱點更頻繁的出現,以及黑電平和圖像噪音的增加。相反的,捲簾快門的傳感器可以直接轉換信度信息,不需要其他中間的步驟。

2. 影像無幻影  全局快門傳感器在戶外陽光下拍照容易產品變形的幻象或是幻影圖像。這是因為在極高的亮度下需要使用極短的曝光時間-在10 到 30 µs 之間-,這對於任何傳感器都是一個非常極端的條件。

儲存在緩衝器中的信息也在捕獲後和讀出之前間接的曝光。來自光電二極館的電子在這裡移動並產生額外的曝光。像是移動的物體也會變成圖像曝光結束後產生的的影像重疊,這導致了幻影效果。而這種現象不會發生在捲簾快門模式的傳感器身上。

左圖是全局快門使用超短曝光時間跟高增益。圖像中的光點條紋清晰可見。使用捲簾快門不會有這個條文 (右圖) 。

5. Sony STARVIS 系列影像傳感器

Sony新的 STARVIS 系列 影像傳感器經過了系統化的方式優化了圖像的質量。STARVIS 傳感器系列每秒只提供兩個電子極低的噪音表現。由於像素本身具有較少的原件,因此較大的光電二極體管也可以累積更多的電荷。這種高充電容量與傳感器的低噪憶起產生了非常高的動態範圍-也是許多應用中的重要關鍵參數。

另外一個STARVIS 捲簾快門的好處是可以長時間曝光。經過IDS整合後,傳感器可以曝光長達120秒。這些條件可以應用到更多的應用方案中,像是顯微鏡、以及在沒有太多光照的環境下的影像分析應用等都需要應用到較長的曝光時間。這些應用都不太會有面對道移動的物體的狀況,所以也就不需要使用昂貴的全局快門。

其中IDS捲簾快門相機最廣泛被使用的是在品質檢測應用上。例如,整合相機到生產流程中用來定位樣品,或是賦予機器視覺能力,食品在分類前會先經過體積還有品質檢測,或是檢測印刷跟鍍膜的表面品質。這種傳感器也在其他領域被採用,像是醫療、生物、科學、交通、kiosk、條碼讀取以及偵測。

6. Summary

IDS的USB 3.0, USB 3.1 Gen.1 以及 GigE 接口像機使用Sony STARVIS IMX178 與 IMX290可以提供高品質的檢測方案。特別是大批量的相機需求並且對價格敏感的案件。特別是使用我們的USB3.1 Gen 1 uEye LE 單板相機的時候,可以讓您訂製自己的應用選項,例如選擇使用M12、C/CS接口或是不帶鏡頭接口的裸板相機。

Camera model (USB)
UI-3860CP
UI-3860LE
UI-3880CP
UI-3880LE
Sensor
Sony IMX290
(2.12 MP)
Sony IMX178
(6.41 MP)
SNR 40.5 dB/ 6.7 bit 41.2 dB/ 6.8 bit
QE @ 533 nm 78% 72%
Linearity error 0.04% 0.18%
Dynamics 70.5 dB/ 11.7 bit 71.3 dB/ 11.8 bit
Dark noise 2.7e-/s 2.9e-/s
 
EMVA 1288 測量結果證明了搭載Sony STARVIS傳感器的IDS相機有著出色的影像品質。