一文讀懂CCD圖像傳感器的幀頻

在這篇文章中，將介紹CCD圖像傳感器的幀頻，為了嘗試把它說清楚，我將分成三個要點來談。

CCD的幀頻

?以每秒產(chǎn)生的幀(即單個圖像)為單位進行度量，

?可以適應特定系統(tǒng)的要求

?受總讀出時間加上曝光時間的限制，或者，如果可能同時進行讀出和積分，則僅受讀出時間的限制。

行間傳輸CCD的幀頻

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在本文中，我們將以安森美半導體的1600×1200像素行間傳輸CCD KAI-2020為例，仔細研究幀頻與像素讀數(shù)之間的關系。

一、像素與有效像素

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首先，必須明確的一點是，傳感器的指定分辨率并不表示必須轉(zhuǎn)移到輸出節(jié)點的像素總數(shù)。KAI-2020被稱為1600×1200像素傳感器，但僅指有效像素。如下圖所示，系統(tǒng)還必須讀出許多最終圖像中將不包含的像素。

暗像素、緩沖像素和虛擬像素未合并到此圖像中，但它們?nèi)詴绊懣傋x取時間。該圖取自KAI-2020產(chǎn)品數(shù)據(jù)表

二、單輸出與雙輸出

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請注意，上圖為水平讀出提供了兩種選擇：單輸出，其中一行中的所有像素都向左計時；雙輸出中，一行的一半向左，而另一半則向右。這是提高幀頻的一項重要技術，因為可以在一半時間內(nèi)讀取一行。但是，它帶來了新的挑戰(zhàn)：系統(tǒng)的數(shù)字部分必須能夠處理兩個并行的像素數(shù)據(jù)流，并且必須實施某種匹配策略以補償兩個模擬信號鏈中的變化。要知道，兩個輸出并不是上限，例如，KAF-50100（同樣是安森美半導體的50兆像素全畫幅CCD）就有四個輸出。

通過結合兩個雙向水平移位寄存器來實現(xiàn)四輸出操作。該圖取自KAF-50100產(chǎn)品數(shù)據(jù)表。

三、總讀出時間

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為了確定交付圖像所需的時間，我們需要將像素讀出過程分解為不同的階段：

1.所有光電二極管將其積分電荷傳輸?shù)酱怪币莆患拇嫫髦小?/p>

2.一行轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器。

3.水平時鐘使行中的每個像素通過電荷放大器在芯片外傳輸。

4.重復步驟2和3，直到讀取所有行中的所有像素。

下圖直觀地顯示了此過程。

該圖取自KAI-2020產(chǎn)品數(shù)據(jù)表。當V1正常脈沖且V2呈現(xiàn)較高幅度的脈沖時，就會發(fā)生光電二極管電荷轉(zhuǎn)移。這之后是一個延遲（tL），然后V1和V2上的正常脈沖將第一行傳輸?shù)剿揭莆患拇嫫髦小＝酉聛?，發(fā)生水平讀出，然后傳輸?shù)诙?，然后發(fā)生相同的水平讀出，依此類推，直到到達圖像數(shù)據(jù)的末尾（在這種情況下，為行1214）。下圖指定了行時序，即，信號活動與上一張圖中代表水平讀數(shù)的灰色陰影區(qū)域相對應。

圖取自KAI-2020數(shù)據(jù)表 盡管需要花費一些時間，但是您可以通過將讀出定時的每個元素相加來準確地計算出讀出持續(xù)時間。例如，如果水平移位時鐘的頻率為40 MHz，則采用上面所示的實現(xiàn)方法，一行的讀取時間(tL)為tVCCD + tHD +(25 ns×1644)+ 12.5 ns。如果將其乘以行數(shù)并加上光電二極管電荷轉(zhuǎn)移所需的時間，則就可以知道總讀出時間的和是多少。

影響最大幀頻的因素

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即使數(shù)據(jù)表指定了幀頻，了解讀出定時的細節(jié)仍然很重要，因為特定應用程序的最大幀頻會受到許多操作特性的影響。其中包括使用合并，施加到水平移位寄存器的時鐘頻率以及選擇單輸出還是雙輸出。

此外，諸如KAI-2020之類的CCD具有"行轉(zhuǎn)儲"(line dump)功能，它的作用與名稱所暗示的差不多--你可以一舉丟棄整條行，從而避免所有通過水平移位寄存器傳輸單個像素所需的時鐘周期。如果你做了大量的"行轉(zhuǎn)儲"，那么最大幀頻將大大增加。

原則上，像素不能隨意丟棄，但如果為了特定的要求不得不這么做，那另當別論。

結論

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通過以上的介紹，相信你對如何通過檢查傳感器數(shù)據(jù)表中的時序圖和其他信息來確定CCD的幀頻已經(jīng)有了一個清晰的認識。