Pixel Readout e frame rate nei sistemi di imaging CCD

4 ore fa p Robert Keim Questa è la parte 10 di una serie di sensori di immagine CCD (dispositivo accoppiato a carica). Finora abbiamo parlato dei concetti più ampi di sensori di immagine, introdotto le basi dei CCD e approfondito i vari tipi di CCD (inclusi full frame, interline-transfer e frame-transfer). Da lì, abbiamo discusso di argomenti più granulari come le tecniche di clock di lettura CCD, i segnali di uscita CCD e il campionamento, l'amplificazione e la digitalizzazione di quei segnali di uscita.
Più recentemente, abbiamo discusso dei CCD retroilluminati e del concetto di utilizzando il binning CCD per produrre frame rate e rapporto segnale-rumore migliori. Nell'ultimo articolo, abbiamo introdotto il concetto di frame rate nei sensori di immagine CCD. Consiglio vivamente di leggere l'articolo precedente prima di questo, in quanto sono essenzialmente due componenti della stessa discussione.
Ma se davvero non vuoi, cercherò di non essere offeso e anche tentare di riassumere il tutto in una frase divisa in tre punti elenco. In questa sezione, utilizzeremo KAI-2020, un CCD a trasferimento interlinea 1600 × 1200 pixel di ON Semiconductor, per esaminare più da vicino la relazione tra frame rate e lettura dei pixel. Prima di tutto, è importante capire che la risoluzione specificata del sensore non indica il numero totale di pixel che devono essere trasferiti al nodo di output.
Il KAI-2020 è descritto come un sensore da 1600 × 1200 pixel, ma che si riferisce solo ai pixel attivi. Come mostrato nel diagramma seguente, il sistema deve anche leggere molti pixel che non saranno inclusi nell'immagine finale. Nota come il diagramma sopra ha due opzioni per la lettura orizzontale: output singolo, in cui tutti i pixel di una riga sono sincronizzati a sinistra, e output doppio, in cui metà della riga è sincronizzata a sinistra e l'altra metà è clock a destra.
Questa è una tecnica importante per aumentare la frequenza dei fotogrammi, perché una riga può essere letta in metà tempo. Presenta sfide, tuttavia: la parte digitale del sistema deve essere in grado di gestire due flussi di dati pixel paralleli e una sorta di strategia di abbinamento deve essere implementata per compensare le variazioni nelle due catene di segnali analogici. Nel caso ti stia chiedendo, due uscite non sono il limite superiore.
Ad esempio, il KAF-50100, un CCD full frame da 50 megapixel, anch'esso di ON Semiconductor, ne ha quattro. Per determinare la quantità di tempo necessaria per consegnare un'immagine, è necessario suddividere la procedura di lettura dei pixel in fasi distinte: Il diagramma seguente fornisce una rappresentazione visiva di questo processo. Il trasferimento di carica del fotodiodo si verifica quando V1 viene pulsato normalmente e V2 mostra l'impulso di ampiezza superiore. Seguito da un ritardo (tL), quindi un impulso normale su V1 e V2 trasferisce la prima linea nel registro a spostamento orizzontale. Successivamente, si verifica la lettura orizzontale, quindi viene trasferita la seconda riga, quindi si verifica la stessa lettura orizzontale e così via fino al raggiungimento della fine dei dati dell'immagine (in questo caso, riga 1214). I diagrammi seguenti specificano il tempo di linea, ovvero l'attività di segnale che corrisponde alle regioni ombreggiate in grigio che rappresentano la lettura orizzontale nel diagramma precedente. Sebbene richieda un po 'di lavoro, puoi calcolare accuratamente la durata della lettura sommando ogni singolo elemento del tempo di lettura.
Ad esempio, se l'orologio a spostamento orizzontale ha una frequenza di 40 MHz, il tempo di lettura per una riga (tL), con l'implementazione mostrata sopra, è tVCCD + tHD + (25 ns × 1644) + 12,5 ns. Se si moltiplica questo per il numero di righe e si aggiunge il tempo richiesto per il trasferimento della carica del fotodiodo, si conosce il tempo di lettura totale e quindi anche il frame rate massimo.
Tieni presente, tuttavia, che il tempo di integrazione può essere ignorato solo se è sempre più breve del tempo di lettura. Le applicazioni specializzate che prevedono immagini in condizioni di scarsa illuminazione potrebbero richiedere facilmente periodi di esposizione che superano il tempo totale di lettura. Anche se il foglio dati specifica un frame rate, è comunque importante comprendere i dettagli del timing di lettura, poiché il frame rate massimo della tua particolare applicazione è influenzato da una serie di caratteristiche operative.
Questi includono l'uso del binning, la frequenza dell'orologio applicato al registro a scorrimento orizzontale e la scelta dell'uscita singola o doppia. Inoltre, i CCD come KAI-2020 hanno una capacità di "discarica di linea" che fa praticamente ciò che suggerisce il nome: puoi scartare un'intera linea in un colpo solo ed evitare così tutti i cicli di clock che sarebbero necessari per trasferire l'individuo pixel attraverso il registro a scorrimento orizzontale. Il frame rate massimo aumenterà in modo sostanziale se si sta eseguendo molte operazioni di dumping delle righe.
Personalmente ho troppo rispetto per i pixel per scaricarli in quel modo, ma è una tua chiamata. Non ti giudicherò. Spero che tu abbia ora una chiara idea di come determinare le capacità di frame rate del tuo CCD esaminando i diagrammi di temporizzazione e altre informazioni nel foglio dati del tuo sensore.
Spero anche che ti piaccia la serie Technology Sensor Technology, perché la fine non è ancora in vista ...