行间传输 CCD 的帧速率
在本节中，我们将使用ON Semiconductor 的KAI-2020（一款 1600 × 1200 像素行间传输 CCD）来仔细研究帧速率和像素读出之间的关系。
像素与活动像素
首先，重要的是要了解传感器的指定分辨率并不表示必须传输到输出节点的像素总数。 KAI-2020 被描述为 1600 × 1200 像素传感器，但这仅指活动像素。如下图所示，系统还必须读出终图像中不包含的许多像素。
暗像素、缓冲像素和虚拟像素未合并到该图像中，但它们仍然会影响总读出时间。图表取自KAI-2020 数据表。
单输出与双输出
请注意上图如何有两个水平读出选项：单输出（其中一行中的所有像素都时钟向左）和双输出（其中一半行时钟向左，另一半时钟向左）向右。
这是提高帧速率的一项重要技术，因为可以用一半的时间读出一行。但它也带来了挑战：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来补偿两个模拟信号链中的变化。
以防万一您想知道，两个输出并不是上限。例如，KAF-50100（同样来自 ON Semiconductor 的50 兆像素全画幅CCD）有四个。
四输出操作是通过合并两个双向水平移位寄存器来实现的。图表取自 KAF-50100 数据表。
总读出时间
为了确定传输图像所需的时间，我们需要将像素读出过程分解为不同的阶段：
所有光电二极管将其积分电荷转移到垂直移位寄存器中。
一行被传送到水平移位寄存器。
水平时钟导致线路中的每个像素通过电荷放大器传输到片外。
重复步骤 2 和 3，直到读出所有行的所有像素。
下图提供了此过程的直观表示。
图表取自 KAI-2020 数据表。
当 V1 正常施加脉冲并且 V2 呈现更高幅度的脉冲时，光电二极管会发生电荷转移。随后是延迟 (t L )，然后 V1 和 V2 上的正常脉冲将行传输到水平移位寄存器。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（在本例中为行1214）。
下图指定了行时序，即与上图中表示水平读出的灰色阴影区域相对应的信号活动。
图表取自KAI-2020 数据表。
尽管这需要一些工作，但您可以通过将读出计时的每个单独元素相加来准确计算读出持续时间。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式，一行的读出时间 (t L ) 为 t VCCD + t HD + (25 ns × 1644) + 12.5 ns。如果将其乘以行数并加上光电二极管电荷传输所需的时间，您就知道了总读出时间，因此也知道了帧速率。
但请记住，只有当积分时间始终短于读出时间时，才可以忽略积分时间。涉及低光成像的应用很容易需要超过总读出时间的曝光时间。
影响帧速率的因素
即使数据表指定了帧速率，了解读出时序的详细信息仍然很重要，因为特定应用程序的帧速率受到许多操作特性的影响。其中包括合并的使用、应用于水平移位寄存器的时钟频率以及单输出或双输出的选择。
此外，诸如 KAI-2020 之类的 CCD 具有“行转储”功能，顾名思义，您可以性丢弃整行，从而避免传输单个行所需的所有时钟周期。通过水平移位寄存器的像素。如果您进行大量线路转储，您的帧速率将会大幅增加。
