FIRST LIGHT Imaging

グローバルシャッタとは?

グローバルシャッタについて

C-BLUE One は、高性能理科学用 CMOS カメラです。1608×1104 px センサは、フルフレームで 662 FPS で稼働できます。最低のレイテンシーを確保するために、本カメラは CoaXPress 2.0 ケーブルを採用しています。動的撮像(dynamic imaging)において、アーチファクト・フリーな撮影の実現に、欠かすことができない重要な機能、それがグローバルシャッタモードです。

CMOS センサーの画像取得には 2 つの方法があります。

  1. ローリングシャッタ
    画像取得は 1 ラインずつおこなわれ、センサーはアレイのそれぞれのラインを順番に読取ります。ピクセルは、1 つの画素から次の画素へと時間的にずれて露光されます。

    ローリングシャッタ

  2. グローバルシャッタ
    フルアレイが一度に露出されます。すべてのピクセルが同時に露光を開始、終了します。
    露光が終了すると画像がメモリに転送されます。その後、次の露光が始まる間に画像が読みだされます。

    グローバルシャッタ

画像取得モードはカメラ本来が持つ特性です。しかし、ローリングシャッタやグローバルシャッタを搭載したカメラを使用する場合は、実験的にどのような違いが発生するのかを理解しておくことが重要です。
グローバルシャッタは、動的撮像(dynamic imaging)のアプリケーションに非常に有利となります。その理由について見ていきましょう。


アーチファクト・フリー

ローリングシャッタでは、画像の読み出し速度が被写体の動きに追いつかない場合、一時的なアンダーサンプリング状態が発生します。「ローリングシャッタ効果」と呼ばれる、動いている被写体の空間的な歪みが生じます。対象物が大きくなれば、その動きはより速くなり、歪みは酷くなります。さらに、センサーがより大きくなり解像度が高くなると、センサーの読み出しに時間がかかり、その結果、歪みも悪化します。このアーチファクトは、物体の速度に比べて積分時間が長すぎるとグローバルシャッタでもローリングシャッタでも発生する、モーションブラー(被写体のブレ)とは異なります。
ローリングシャッタ効果のよく知られた例は、羽根やプロペラの回転を撮影する場合です。
下図は、ローリングシャッタモード(Nikon D500 カメラ)とグローバルシャッタモード(C-BLUE One)で撮影した回転するファンの画像です。ローリングシャッタを使用すると、ファンのプロペラの空間的な歪みが大きくなります。

ローリングシャッタ・グローバルシャッタ


時間的な相関関係

たとえ歪みが発生しなかった場合でも、ローリングシャッタで撮影した画像の上下が全く同じタイミングで撮影されることはありません。画像の異なる領域は、その他の領域と時間的には相関しません。一方、グローバルシャッタでは、すべての画素が同時に露光されるため、センサーの異なる領域での時間的な相関関係を正確に把握することができます。


シンプルでより速い同期

ローリングシャッタカメラを光源など他のコンポーネントと同期させることは、センサーのライン間の時間遅延などの理由から簡単ではありません。そのため、グローバルシャッタと比較すると、サイクルタイムやフレームレートが遅くなることがあります。


C-BLUE One がゲームチェンジャーとなる理由

ローリングシャッタは、グローバルシャッタよりもシンプルなピクセルアーキテクチャを採用しています。したがって、通常ローリングシャッタはグローバルシャッタよりもノイズが少なくなり、このアーキテクチャにも欠点はあるものの理化学アプリケーションではよく使用されています。C-BLUE One は、グローバルシャッタ・アーキテクチャーと低ノイズを初めて同時に実現しており、高速撮影を要する理科学アプリケーションで多大な改善をもたらしています。

C-BLUE One は、グローバルシャッタ、高フレームレート(フルフレームで最大662 FPS)、超低ノイズを組み合わせることで、真実性の高い・変形なしの画像、高い時間分解能、高感度が同時に必要とされるアプリケーションに新たな可能性をもたらします。 C-BLUE One は、低ノイズで高速な可視光イメージングの新たな新地を切り開きます。



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