CCD圖像傳感器中文全稱：電荷耦合元件。簡單介紹下，什么是CCD？其實它是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。 CCD上植入的微小光敏物質稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉換成數字信號。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應光線，并將影像轉變成數字信號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。本文主要講解CCD圖像傳感器的幀頻的那些事兒，從三方面進行去解析！

CCD的幀頻

?以每秒產生的幀(即單個圖像)為單位進行度量，

?可以適應特定系統的要求

?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移到輸出節點的像素總數。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，但它們仍會影響總讀取時間。該圖取自KAI-2020產品數據表

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讀取一行。但是，它帶來了新的挑戰：系統的數字部分必須能夠處理兩個并行的像素數據流，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四輸出操作。該圖取自KAF-50100產品數據表。

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到垂直移位寄存器中。

2.一行轉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產品數據表。當V1正常脈沖且V2呈現較高幅度的脈沖時，就會發生光電二極管電荷轉移。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到水平移位寄存器中。接下來，發生水平讀出，然后傳輸第二行，然后發生相同的水平讀出，依此類推，直到到達圖像數據的末尾（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的灰色陰影區域相對應。

圖取自KAI-2020數據表 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。如果將其乘以行數并加上光電二極管電荷轉移所需的時間，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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即使數據表指定了幀頻，了解讀出定時的細節仍然很重要，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據表中的時序圖和其他信息來確定CCD的幀頻已經有了一個清晰的認識。