一文读懂CCD图像传感器的帧频

在这篇文章中，将介绍CCD图像传感器的帧频，为了尝试把它说清楚，我将分成三个要点来谈。

CCD的帧频

•以每秒产生的帧(即单个图像)为单位进行度量，

•可以适应特定系统的要求

•受总读出时间加上曝光时间的限制，或者，如果可能同时进行读出和积分，则仅受读出时间的限制。

行间传输CCD的帧频

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在本文中，我们将以安森美半导体的1600×1200像素行间传输CCD KAI-2020为例，仔细研究帧频与像素读数之间的关系。

一、像素与有效像素

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首先，必须明确的一点是，传感器的指定分辨率并不表示必须转移到输出节点的像素总数。KAI-2020被称为1600×1200像素传感器，但仅指有效像素。如下图所示，系统还必须读出许多最终图像中将不包含的像素。

暗像素、缓冲像素和虚拟像素未合并到此图像中，但它们仍会影响总读取时间。该图取自KAI-2020产品数据表

二、单输出与双输出

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请注意，上图为水平读出提供了两种选择：单输出，其中一行中的所有像素都向左计时；双输出中，一行的一半向左，而另一半则向右。这是提高帧频的一项重要技术，因为可以在一半时间内读取一行。但是，它带来了新的挑战：系统的数字部分必须能够处理两个并行的像素数据流，并且必须实施某种匹配策略以补偿两个模拟信号链中的变化。要知道，两个输出并不是上限，例如，KAF-50100（同样是安森美半导体的50兆像素全画幅CCD）就有四个输出。

通过结合两个双向水平移位寄存器来实现四输出操作。该图取自KAF-50100产品数据表。

三、总读出时间

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为了确定交付图像所需的时间，我们需要将像素读出过程分解为不同的阶段：

1.所有光电二极管将其积分电荷传输到垂直移位寄存器中。

2.一行转移到水平移位寄存器。

3.水平时钟使行中的每个像素通过电荷放大器在芯片外传输。

4.重复步骤2和3，直到读取所有行中的所有像素。

下图直观地显示了此过程。

该图取自KAI-2020产品数据表。当V1正常脉冲且V2呈现较高幅度的脉冲时，就会发生光电二极管电荷转移。这之后是一个延迟（tL），然后V1和V2上的正常脉冲将第一行传输到水平移位寄存器中。接下来，发生水平读出，然后传输第二行，然后发生相同的水平读出，依此类推，直到到达图像数据的末尾（在这种情况下，为行1214）。下图指定了行时序，即，信号活动与上一张图中代表水平读数的灰色阴影区域相对应。

图取自KAI-2020数据表 尽管需要花费一些时间，但是您可以通过将读出定时的每个元素相加来准确地计算出读出持续时间。例如，如果水平移位时钟的频率为40 MHz，则采用上面所示的实现方法，一行的读取时间(tL)为tVCCD + tHD +(25 ns×1644)+ 12.5 ns。如果将其乘以行数并加上光电二极管电荷转移所需的时间，则就可以知道总读出时间的和是多少。

影响最大帧频的因素

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即使数据表指定了帧频，了解读出定时的细节仍然很重要，因为特定应用程序的最大帧频会受到许多操作特性的影响。其中包括使用合并，施加到水平移位寄存器的时钟频率以及选择单输出还是双输出。

此外，诸如KAI-2020之类的CCD具有"行转储"(line dump)功能，它的作用与名称所暗示的差不多--你可以一举丢弃整条行，从而避免所有通过水平移位寄存器传输单个像素所需的时钟周期。如果你做了大量的"行转储"，那么最大帧频将大大增加。

原则上，像素不能随意丢弃，但如果为了特定的要求不得不这么做，那另当别论。

结论

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通过以上的介绍，相信你对如何通过检查传感器数据表中的时序图和其他信息来确定CCD的帧频已经有了一个清晰的认识。