Существуют ли CMOS камеры/матрицы с управляемыми паузами при съемке?

[diant]

Может кто сталкивался с этой темой и направит меня в нужное направление.
Интересуют камеры/матрицы, которые позволяют сделать ОДНУ экспозицию, разбитую по времени на несколько частей (то есть с паузами в накоплении фотоэлектронов). Иными словами, один суб в такой камере/матрице эквивалентен нескольким субам в обычной камере, но завершаемым ОДНИМ актом чтения (один read noise на всех).
Возможно, это можно реализовать, подключившись на какую-то ногу матрицы и меняя на ней напряжение с логической 1 на 0 и обратно (ВКЛ/ВЫКЛ). Если да, никто не пытался это реализовать? Может быть в сети есть материалы на эту тему? Я даже не знаю, что надо правильно набрать в поисковике, чтобы такое найти.

[GraY25]

Может кто сталкивался с этой темой и направит меня в нужное направление.
Интересуют камеры/матрицы, которые позволяют сделать ОДНУ экспозицию, разбитую по времени на несколько частей (то есть с паузами в накоплении фотоэлектронов). Иными словами, один суб в такой камере/матрице эквивалентен нескольким субам в обычной камере, но завершаемым ОДНИМ актом чтения (один read noise на всех).
Возможно, это можно реализовать, подключившись на какую-то ногу матрицы и меняя на ней напряжение с логической 1 на 0 и обратно (ВКЛ/ВЫКЛ). Если да, никто не пытался это реализовать? Может быть в сети есть материалы на эту тему? Я даже не знаю, что надо правильно набрать в поисковике, чтобы такое найти.

Ищите по "Non-destructive Read Out (NDR)"
Например
https://www.researchgate.net/publication/231147817_A_high_dynamic_range_camera_with_a_non-destructive_readout_complementary_metal-oxide-semiconductor_sensor
Я слышал что такие матрицы есть.

Они позволяют считывать сигнал без прекращения интеграции. Или нужна именно пауза в накоплении..? 
Тогда мб  "Time-Delay-Integration (TDI) CMOS"

[Ivan7enych]

затвор ставь и прикрывай на паузы

[diant]

Ищите по "Non-destructive Read Out (NDR)"
Например
https://www.researchgate.net/publication/231147817_A_high_dynamic_range_camera_with_a_non-destructive_readout_complementary_metal-oxide-semiconductor_sensor
Я слышал что такие матрицы есть.

Они позволяют считывать сигнал без прекращения интеграции. Или нужна именно пауза в накоплении..? 
Тогда мб  "Time-Delay-Integration (TDI) CMOS"

Первое совсем не то.
Второе тоже не то - TDI тащит пакет фотоэлектронов через пикселы со скоростью, синхронной с перемещением образа быстродвижущегося объекта. Интересно, но это другая история.

Ваня, я конечно понимаю, что я обречен на затвор. Просто на всякий случай пытаю судьбу - вдруг можно увернуться от механики?
Затвор уже куплен (и не один). Кроме того рассматриваю вариант самопального затвора, управлемого шаговиком или сервой. Это путь более прогрессивный (с возможностью программного управления паузами). Но тут вдруг подумалось - а из какого материала сделать самопальный затвор (саму "шторку"). Было бы очень удобно быстровращающийся диск с двумя симметричными окнами. Его малая масса (и соответственно инерция) были бы мне сильно на руку. Но картон или даже тонкая фанера прозрачны в ближнем ИК (даже в дальнем R), а там чувствительность у камеры еще высока. Остается только металл? Или есть более легкие альтернативы, глухие в Vis+IR?

[Ivan7enych]

Наверно тонкий лист стали (0.1-0.2мм) и лазерная резка.

[Max_Kozlov]

У СБИГов затвор висит на оси шаговика и представляет собой два сектора градусов по 40-50, диаметрально противоположно расположенных. Из стали тонкой, окрашенные в черный мат.

[diant]

У СБИГов затвор висит на оси шаговика и представляет собой два сектора градусов по 40-50, диаметрально противоположно расположенных. Из стали тонкой, окрашенные в черный мат.

О, спасибо, подсмотрел. Да, один из вариантов, который у меня вырисовывается, примерно так и выглядит. Смущает только вращающий момент на роторе шаговика и его резкое изменение. Вчера незакрепленный шаговик аж прыгал на столе при резком старте/остановке. А мне совсем не нужно, чтобы затвор на паузах вызывал смещение сетапа с матрицей. Или придется городить станину с жестким креплением сетапа (вместо обычной монтировки, у которой хоть и малые, но есть люфты и она будет дергаться в ответ на рывки ротора). У меня правда нема17, а у сбига наверное микрошаговик какой-то...
Есть еще мысль центральный затвор механизировать шаговым приводом.

[nasyip]

Есть почти готовое решение - затвор от зеркалки. И весит немного.
Если надо FF, то от CANON 6D.

[diant]

Затвор от зеркалки тоже вариант. Надо подумать, удастся ли всунуть и как им управлять. Спасибо за мысль.

[diant]

Небольшой итог, и заодно - всем большое спасибо за советы.
Итак, задача: разбить экспозицию CMOS (или CCD) матрицы на несколько субэкспозиций (с управляемыми паузами между ними), со считыванием результата ОДИН РАЗ в самом конце (с одним шумом чтения на все субэкспозиции). В паузах матрица не должна ловить фотоны, точнее, не должна генерировать фотоэлектроны.

В решении поставленной задачи пока видятся три пути (и соответственно три перспективы), которые суть следующие:

1. Останавливать накопление фотоэлектронов посреди экспозиции электронным путем. Самый изящный и чистый путь, но увы, видимо, недостижимый. Таких матриц и девайсов пока на горизонте не видно. Возможно, причина в том, что отключение на ячейке матрицы напряжения (разводящего дырку и фотоэлектрон в ЗП) приводит к рассасыванию уже накопленных фотоэлектронов. Не знаю, но не важно, в любом случае этот путь пока сродни темному лесу.

2. Делать вращающийся механический затвор на шаговике ПЕРЕД объективом и управлять им, скажем, с ардуинки. То есть порядок такой: камера, объектив, затвор. Получится затвор такого же рода, как в астрокамерах SBIG, Moravian и т.п. Только там этот затвор стоит между матрицей и телескопом и служит другим целям - начать и окончить экспозицию. На этом пути очевидно будут следующие трудности: некоторая громоздкость, инертность (особенно инертность ротора шаговика с круглым затвором на нем) и соответственно вибрации, передающиеся на камеру (что не желательно). Вероятно, подбор шаговика (мощный тут и не нужен) сведет эти трудности к минимуму. Предварительные эксперименты показали, что даже на Nema 17 при понижении тока до 1/4-1/3 от номинала и использовании микрошагов (1/16) вибрирует уже совсем не сильно и не демонстрирует сильных бросков даже при резкой остановке ротора на скорости 300rpm (1000 полных шагов/сек). Правда при понижении тока он не достигает заявленных пиковых 1500 шагов/сек на старте (срывается в стопор), но это мелочи, хватит и 1000.

3. Вставлять электро-механический ламельный затвор от FF зеркалки или цифрозеркалки между матрицей и объективом. То есть так: камера, затвор, объектив. Рабочий отрезок у фотообъективов около 45 мм, охл. камера обычно имеет матрицу на глубине 17,5мм от переднего фланца. Таким образом около 25мм остается на эту "самоделку". Должно хватить вроде бы. Я электро-механические затворы еще не щупал и даже в руках не держал. Но этот путь все же представляется более изящным, чем городить вращающийся механический затвор перед объективом. Хочется его попробовать. У людей вполне получается управлять им ардуинкой - трах, тибидох.
Отсюда первая мысль: у кого валяются старые заброшенные или нерабочие камеры с электро-механическим ламельным затвором - приму в дар и сам приеду в любую точку Москвы. Не обязательно FF, можно и кропы. Шампанское с меня (без шуток).

[diant]

Отладка работы внешнего затвора на шаговике в целом проведена. Макет затвора - собран (пока без корпуса и шторки затвора, но с металлическим фланцем для нее), программа открытия/закрытия затвора для ардуинки написана и обкатана.
Детали: шаговик Nema 17 (пока 17HS4401, однако с али уже едут более компактные 23мм немы с инерцией ротора раза в 1,5-2 меньше), драйверы пока обычные A4988 (но уже заказаны для испытаний LV8729, может покажут большую скорость).
Результат в целом хороший, затвор работает. За счет понижения тока на шаговике и микрошага 1/16 удалось добится тихой и плавной работы даже на высокой скорости (сейчас максимум 1200rpm). Основная борьба идет за плавный разгон/останов шаговика, без сильного рывка. Сторонние библиотеки не привлекал, хочу сам написать код. Пока удалось сделать плавное начало старта и окончание стопа (линейным сокращением/наращиванием паузы между микрошагами), но этот алгоритм хорошо работает только в начале старта и в конце стопа, когда скорость вращения вала низка - около максимальной скорости все равно получается резкий рывок. Надо чего-то в код добавить в этом месте... Сегодня уже голова не варит, завтра повоюю.

А пока вопрос - насколько вредны шаговикам резкие остановки и пуски, если нагрузки почти нет (затвор реально легкий)? Может забить на это?

[Ivan7enych]

Пока удалось сделать плавное начало старта и окончание стопа (линейным сокращением/наращиванием паузы между микрошагами), но этот алгоритм хорошо работает только в начале старта и в конце стопа, когда скорость вращения вала низка - около максимальной скорости все равно получается резкий рывок. Надо чего-то в код добавить в этом месте... Сегодня уже голова не варит, завтра повоюю.

А пока вопрос - насколько вредны шаговикам резкие остановки и пуски, если нагрузки почти нет (затвор реально легкий)? Может забить на это?

У тебя ускорение растет до бесконечности.
Для линейного ускорения надо паузы менять не линейно, а 1/корень(N шага + начальная пауза). И для быстроты (корень медленно считается) сделай в памяти таблицу пауз для всего разгона.

Я именно так делал в прошивке быстрого колеса, работающего и как затвор.
http://www.youtube.com/watch?v=5htDZpRH9aI

[diant]

Ваня, спасибо, очень полезный для меня ролик.
Про таблицу пауз я уже ночью сам сообразил. Она и правда небольшая, а корень и деление ардуинка медленно считает.
Еще полезная для меня идея в ролике - магнитный датчик. Я собирался на ИК паре делать, позиционировать, а потом отключать, чтобы не засвечивать попусту затвор. Про магнитный датчик и в голову не пришло.

Ваня, у тебя там в настройках аском-драйвера есть поле "ширина импульса". И кажется стоит 10 мкс. Ты ее (ширину импульса) что, тоже позволяешь настраивать? Или это констатация примерного времени на выполнение команд "HIGH/LOW". Я вчера посчитал - моя ардуинка как раз успевает примерно за 10 мкс выставить HIGH/LOW на ногу, управляющую входом STEP драйвера. То есть, у меня 10 мкс - это примерное время выполнения двух команд digitalWrite().

[Ivan7enych]

Вместо digitalWrite() для скорости можно прямую запись в порт использовать.
Ширину импульса я учитываю в таблице пауз. Ну и в целом stm гораздо шустрее работает с портами, так что да, пауза настраиваема.

[diant]

Вместо digitalWrite() для скорости можно прямую запись в порт использовать.

Ваня, знаю, уже пользовался, но здесь это не так актуально. stm пока не планирую, ардуинки тут хватает.

PS. Неожиданное открытие. Размышляя над легким и непрозрачным в полосе 300-1000нм материале для затвора, сделал один эксперимент. Металл, конечно, идеален, но он вЕсит, это раз, и требует качественного чернения (в домашних условиях никогда не делал и не уверен, что получится). Взял и купил на валберис за копейки полипропиленовые листы А4 (ПП 0.5мм). Сам по себе ПП, как и любой пластик, люто течет в ИК. Но тут он прокрашен в массе и, соответственно, - рулетка, ибо краситель неизвестен. Сыграл в нее. Только что вышел из ванной. Испытывал один лист (то есть 0.5мм ПП) на просвет с помощью 630 и 660 нм светодиодов. Абсолютно глухо! Редкий случай удачной рулетки. Конечно материал гибкий, но я сразу планирую сделать двухсторонние круговые направляющие для сектора затвора. Если он (ПП) и в ближнем ИК не будет течь, вообще находка. Если будет, UV|IR-cut придется ставить. Но есть еще мысль трехслойный затвор сделать: ПП-фольга-ПП. Тогда гарантия.

PPS. Да, разгон/торможение как f~1/sqrt(N) дали великолепный результат. Ваня, мое глубокое мерси!
На микрошаге 1/16 я даю на разгон всего 100 микрошагов (и столько же в конце на торможение, линейный участок будет около 600-800 микрошагов), и при этом вал разгоняется до 1000rpm (5 об/сек). По сути разгона почти и не видно (несколько мс), зато рывок практически исчез. Теперь надо будет посмотреть, что получится с реальным сектором затвора, закрепленным на фланце вала, инерция конечно подрастет, но думаю не сильно. Не хочется городить шестеренки и компенсирующий маховик... ох как не хочется.

PPPS. Проверил и устойчивость двигателя после такого разгона. Драйвер - классика A4988 (1/16 шаг). На 1300rpm вполне устойчив, после 1380rmp появляются на слух пропуски шагов. Как-то так. Это позволит открывать/закрывать затвор быстрее чем за 40-50мс без потери позиционирования.

[diant]

Пришли моторы 17HS4023, с высотой всего 23мм (против 40 мм у обычных нем 4401). Провел сравнительные испытания на драйвере A4988 с примерно такими результатами (опорное напряжение, ограничивающее ток на обмотки, поставил 0.40V, что составляет 70% от номинального тока для 4023 и всего 29% для 4401)
- (главное), да, инерция ротора у 4023 ощутимо меньше и его работа совсем тиха, хотя и 4401 на микрошаге были не громкими
- скорость: примерно паритет (4023 на каплю быстрее, но едва заметно). Возможно, на своем нормальном токе 4401 ему не уступит
- оба движка я в состоянии остановить, сильно зажав фланец на роторе рукой (d22mm); но для 4023 это почти приговор (он работает практически на максимальном токе), тогда как для 4401 запас по току огромен, и его едва ли удастся остановить на 70% от макс. тока.
Пока как-то так. Пришла пора воплощать затвор в окончательный вид. И здесь у меня появилась конструктивная идея - уйти от вращения, сделав две расходящиеся шторки с открывающимся в центре ромбом, управляемые двумя движками на встречном вращении. В этом случае без всякой балансировки рывков не будет по определению, поскольку движки вращаются синхронно-взаимно-встречно. Все дело упрощает еще один факт: мне не нужно быстрое закрытие затвора, но только быстрое открытие.

PS. Выше писал "rpm", когда имелось в виду "полных шагов/сек" (слепая ошибка). 5 об/сек, это 1000 шагов/сек и тд.