如何选择滚动快门和全局快门模式

安多的Neo和Zyla相机，采用CIS 2051传感器，以及我们最新的大面积Balor sCMOS相机(其传感器是安多独有的)设计了5T(5晶体管)像素架构，以提供两者的选择滚动和全局快门模式(也称为滚动曝光和全局曝光模式)。这提供了卓越的应用程序和同步灵活性，并能够通过全局快门，密切模仿互连ccd的熟悉的“快照”曝光机制。

滚动和全局快门模式描述两个不同的序列通过它可以从sCMOS传感器读取图像。在滚动快门模式下，当读出的“波”扫过传感器时，阵列的不同线在不同的时间被曝光，而在全局快门模式下，传感器中的每个像素同时开始和结束曝光，类似于行间CCD的曝光机制。但是，绝对最低的噪声和最快的非同步帧速率可以从卷帘快门模式．

图1-简化的插图显示事件序列滚动和全局快门模式。请注意，当表示单个图像采集时，每种模式也与“重叠”读出兼容，因此下一个曝光与图像读出同时开始。

传统上，大多数CMOS传感器提供一种模式或另一种模式，但安多的传感器巴洛，尼奥和齐拉sCMOS相机提供滚动和全局快门模式的选择。通过这些摄像头解决方案，用户可以从同一传感器中选择(通过软件选择)读出模式，从而根据特定的应用需求选择最合适的模式。

滚动快门模式

在下面，滚动快门模式将解释基于Neo和Zyla sCMOS相机。卷帘快门模式本质上意味着当读出“波”扫过传感器的每一半时，阵列的相邻行在稍微不同的时间被暴露。也就是说，每一行开始和结束时的暴露时间都与相邻行略有偏移。在最大读出速率为560 MHz (Zyla 5.5和Neo 5.5)时，相邻行曝光之间的偏移为10 μs。卷帘门读出机构如图1所示。从读出的角度看，传感器水平分成两半，每列从中心向外同时平行读出，一排接着一排。在曝光开始时，波扫过传感器的每一半，依次将每一行从“保持清洁状态”切换到“曝光状态”，在“保持清洁状态”中，所有的电荷都从防开花结构中的像素中排出，在“曝光状态”中，光诱导的电荷收集在每个像素中。在曝光结束时，读出波再次扫过传感器，将每一行的电荷转移到每个像素的读出节点。重要的一点是，每一行都将受到完全相同的曝光时间，但是位于每个传感器一半顶部或底部的行将比位于传感器中心的行晚10毫秒(1000行x 10 μs/行)开始和结束其曝光。

滚动快门当捕捉一系列动态图像时，可以在连续的“重叠”模式下操作，在每一行被读出后，它立即进入下一次曝光。这确保了100%的占空比，这意味着曝光之间没有时间浪费，也许更重要的是，没有光子被浪费。在给定读出速度的最大帧率下(例如，Zyla 5.5和Neo 5.5在560 MHz下为100帧/秒)，传感器以重叠模式连续读出，即一旦读出前沿到达传感器的顶部和底部，它们立即返回到中心读出下一个曝光。

滚动快门模式-缺点

卷帘快门模式的一个潜在缺点是空间失真，这是由上述曝光机制引起的。当较大的物体以图像读数无法匹配的速度移动时，失真将更加明显。然而，当相对较小的物体以帧率临时过采样的速度移动时，失真不太可能发生。

另一个缺点是，曝光图像的不同区域将不能与其他区域在时间上精确相关，这对于某些用途来说是必不可少的。最后一个非常重要的因素是同步(例如光源激活或外围设备移动)快门读数可能会比较复杂，也可能导致较慢的循环时间和帧率，相对于那些在全局快门实现。

全局快门-“线间CCD模式”

全局快门模式，它也可以被认为是一种“快照”曝光模式，这意味着阵列的所有像素同时曝光，从而实现快速移动或快速变化事件的“定格”捕捉。在这方面，全局快门可以被认为是一种行间CCD传感器。在曝光开始之前，阵列中的所有像素都将保持在“保持干净状态”，在此期间电荷被排到每个像素的抗开花结构中。在曝光开始时，每个像素同时开始收集电荷，并允许在曝光时间的持续时间内这样做。在曝光结束时，每个像素同时将电荷传输到其读出节点。

全球快门可配置为连续“重叠”模式(类似于行间CCD)，在从每个像素的读出节点读出前一次曝光时，可以继续进行曝光。在这种模式下，传感器有100%的占空比，再次导致最佳的时间分辨率和光子收集效率。在整个周期中，没有一段时间的“瞬态”读数发现卷帘快门。

重要的是，全局快门模式是非常简单的同步，往往产生更快的帧速率比努力与滚动快门同步在相同的曝光时间。当传感器区域的不同区域之间需要精确的时间相关性时，全局快门也可以被认为是必不可少的。

然而，全局快门模式的机制要求除了每个像素的实际电荷读数外，还需要在“幕后”执行参考读数。这额外的数字化读出是必需的，以消除复位噪声从全局快门图像．由于这个额外的参考读数，全局快门模式的代价是在滚动快门模式下实现的最大不同步帧率减半。

模式	滚动快门	全球快门
快照 曝光	没有	是的
铁路联运相似	不，非常不同 短暂的接触 序列	是的，非常好 类似的暴露 序列
时间 相关 之间的不同 图像区域 区域	不-最多10ms (@ 560 mhz)差异 中心之间的 顶部或底部 Zyla 5.5和Neo 5.5的图像	是的-所有像素 代表的 同一时间 曝光。
同步 能力	复杂的同步。 需要频闪灯源。 更长的循环时间。	同步很简单。 任何光源。 更短的循环时间。
快速二次曝光能力	没有	是的
最大帧速率	最大可用(非同步)。	最大帧速率减半。
读噪音	最低可能(1 e-到1.3 e-Zyla 5.5和Neo 5.5和2.9e-巴洛)	略高(2.3 e-到2.6 e-Zyla 5.5和Neo 5.5和4.3-巴洛)
空间扭曲	如果没有可能 暂时 过采样 对象动态	没有一个
占空比效率	减少，例如，如果需要关闭快门照明在“瞬态”读数阶段	通常要大得多，因为没有“瞬态”读出阶段要避免。

表1 -比较滚动快门和全局快门的优缺点

滚动快门模式还是全局快门模式?

是否滚动快门或全局快门模式是否适合你在很大程度上取决于实验结果。全球快门具有完全类似于行间ccd的“非瞬态”曝光机制，对于许多人来说，将在零空间失真的动能采集系列中提供“冻结帧”捕捉运动物体或瞬态事件的保证，以及提供更简单和更快的同步性能。对于特定的应用，例如需要图像的bob综合app官网登录不同区域保持时间相关性，或者需要精确地同步相对较短的事件，全局快门将被视为必要的。

图2-移动风扇图像，用Neo sCMOS相机与滚动和全局快门曝光模式，相同的曝光时间。在左图中，与“卷帘快门效果”相关的空间扭曲很明显。全局快门是一种“快照”采集模式，避免了空间失真。

图2显示了移动风扇的图像，使用滚动和全局快门曝光模式的图像Neo sCMOS相机，曝光时间相同。在滚动快门捕捉到的图像中，风扇叶片明显存在显著的空间扭曲(超出运动模糊)。这样做的原因是，相对于卷帘的“瞬态”曝光激活/读出前端横向叶片宽度所花费的时间，叶片移动得很快。这种空间扭曲通常被称为“滚动快门效应”。

然而,卷帘快门模式，随着增强non-synchronized最大的帧速率可能性和更低的读噪声，仍然可能适合许多科学应用，例如，一个人只是需要在2D中跟踪相对较小的对象作为时间的函数。bob综合app官网登录只要帧率是这样，相机在图像区域内对物体动态进行了时间上的过采样，在卷帘快门模式下就会观察到可以忽略不计的空间失真。这种过采样是很好的成像实践，因为通常不希望在一次曝光中有一个物体移动很大的距离。然而，一定要记住，即使没有明显的扭曲，图像顶部和底部的物体与图像中心的物体之间的距离也会达到10毫秒:如果这是你的实验的一个因素，那么不应该使用卷帘快门。

短的电荷转移时间之间2连续曝光与全球快门

的全局快门模式Neo sCMOS可用于影响电子门控，类似于可能与联行ccd。在曝光之前，阵列中的所有像素都将保持在“保持干净状态”，在此期间，电荷被排到每个像素的抗开花结构中，从而起到“电子快门”的作用。曝光“开关”是电子的，速度极快(亚µs)。在曝光结束时，每个像素同时将电荷传输到其读出节点，再次充当电子快门关闭机构。该步骤的传输时间规范仅为2µs，光学测量结果小于1µs。

2个连续图像之间的短传输时间全局快门模式美妙的经历Neo sCMOS到快速“双重曝光”应用，如粒子成像测速(PIV)。bob综合app官网登录

同步滚动和全局快门

提供灵活性这两个卷帘和真正的全球快门可以被认为是非常有利的。卷帘快门提供绝对最低的阅读噪声，最好用于非常快速的数据流(> 50 fps全帧)，无需同步到光源或外围设备。然而，它有空间失真的风险，特别是当成像相对较大、快速移动的物体时。当使用真正的全局快门时，没有空间失真的风险。为了避免卷帘门中的空间失真，必须使用模拟全局曝光同步方法，这需要脉冲光源，并显著降低光子收集的占空比(即减少每个周期收集的光子)。相比之下，在全局快门中可以保持100%的占空比。

当同步到快速切换的外围设备时，真正的全局快门模式相对简单，可以导致更快的帧速率。而在全局快门模式(~2.5 e^-)大约是卷帘快门(~ 1.2 e^-)，这通常可以抵消较高的占空比(因此增加每周期的光子收集)和更高的同步帧速率真正的全局快门模式。

“I代”vs“II代”sCMOS?

人们饶有兴趣地注意到，sCMOS领域的另一个著名参与者已选择将术语“Gen II”应用于用于低噪声像素架构的4T(4晶体管)变体Zyla和Neo sCMOS相机．虽然4T设计可以被认为是有益的，可以提供稍微改善的量子效率响应，但它这样做是以牺牲全局快门能力，从而限制了应用程序的灵活性和同步性能。

在作者看来，当4T(卷帘快门)和5T(全局快门)CMOS概念已经存在一段时间并且有非常好的文档记录时，将激进的“II代”营销标签应用于这样的传感器变型是相当大的延伸。

事实上，CIS2051 sCMOS传感器的架构，如果有什么的话，可以被认为是更具创新性的，因为它是独特的设计，在维护的同时提供全局快门卷帘门性能．在设计阶段，安道和合作伙伴可以选择4T卷帘门还是我们选择的设计，这是基于扎实的应用推理做出的决定。

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