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(jìn)行度量，

?可以適應(yīng)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(jìn)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(dǎo)體的1600×1200像素行間傳輸CCD KAI-2020為例，仔細(xì)研究幀頻與像素讀數(shù)之間的關(guān)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(shù)，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(dǎo)體的50兆像素全畫幅CCD）就有四個輸出。

通過結(jié)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(fù)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(dāng)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校缓蟀l(fā)生相同的水平讀出，依此類推，直到到達(dá)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(yīng)。

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(zhǔn)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(xì)節(jié)仍然很重要，因為特定應(yīng)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(dāng)別論。

結(jié)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(rèn)識。