成像系統中的CCD合并：提高信噪比和幀速率

　　CCD 以及將它們集成到功能系統中的工程師出人意料地擅長防止數千或數百萬電子束在從像素點到讀出放大器的過程中發生混淆。然而，如果由于某種原因我們希望一個像素的電荷與另一個像素的電荷混合，CCD 的結構使這一點很容易實現。

　　有意地組合來自不同像素的光產生的電荷稱為分箱——就好像我們將電子扔進某種公共箱中一樣。

　　讓我們考慮一下為什么我們要這樣做。

　　分箱的優點

　　在 CCD 中利用合并的優點可分為兩大點：

　　提高幀率

　　提高信噪比

　　提高幀速率

　　分箱的好處之一是速度。分箱就像下采樣；圖像數據的分辨率根據執行合并的多少而降低。

　　假設我們有一個 1000 × 1000 像素的傳感器。如果我們在激活水平移位寄存器之前將兩行合二為一，我們將只有 500 行數據。因此，總讀出時間減少了大約兩倍。

　　然后，如果我們在水平讀出期間將兩個像素合并為一個，我們將創建 500 像素的線寬，并將讀出時間減少兩倍。請記住，這不是裁剪 - 整個圖像仍然顯示在終數據集中，但分辨率較低。

　　該技術可用于需要靈活成像操作的各種應用。一個例子是需要生成高質量靜態圖像和低質量視頻的數碼相機。合并以高幀速率提供下采樣圖像數據，然后使用非合并讀出來獲取全分辨率的單個圖像。

　　在此圖中，兩個垂直相鄰的像素被合并，然后這些合并的帶電數據包中的兩個被沉積到輸出節點上，導致合并因子為四。

　　提高信噪比 （SNR） — 并對 CCD 中的噪聲源進行額外觀察

　　分箱與數字下采樣類似，但又不同。如果我們通過消除例如每隔一條線和每隔一個像素來進行下采樣，那么數據就會丟失。我們降低了分辨率，但沒有采取任何措施來改進剩余數據。

　　當我們進行裝箱時，數據不會被簡單地丟棄，因為我們正在合并相鄰像素的電荷。這意味著合并是在弱光條件下提高 SNR 的一種方法。

　　了解合并對 SNR 的影響非常重要，為此我們需要了解 CCD 噪聲的本質。我計劃在以后的文章中更徹底地探討圖像傳感器噪聲，因此這只是基本的內容。

　　CCD 中的主要噪聲源是光子噪聲、暗噪聲和讀取噪聲。光子噪聲和暗噪聲成為每個像素中生成的電荷包的一部分。讀取噪聲包括將 CCD 的電荷包轉換為可用數字數據的過程中引入的所有噪聲。

　　分箱并不是光子噪聲或暗噪聲的解決方案。例如，當您組合來自兩個相鄰像素的電荷包時，您只需將一個像素的暗噪聲添加到另一個像素的暗噪聲中。信噪比沒有改變。

　　然而，讀取噪聲的影響可以大大降低，因為外部電子器件的操作不受合并的影響。這些電路甚至不知道合并已經發生。如果將接收等量入射光的兩個像素組合起來，信號就會加倍，并且該組合像素在片外處理期間會看到相同量的讀取噪聲。因此，SNR 增加了兩倍。如果合并四個像素，SNR 會增加四倍。

　　分箱的限制：不要超過您的滿井容量

　　那么我們可以看到，分箱是一種用分辨率換取噪聲性能的簡單而有效的方法。不過，您確實必須采取一定程度的克制——這種提高 SNR 的方法有其局限性。

　　CCD 中的每個電荷保持位點都有一個滿阱容量（也稱為阱深度），它指定了可以包含的電子數量。垂直合并將額外的電子（即，多于一個像素的電子）移動到水平移位寄存器中，而水平合并將額外的電子移動到輸出節點中。如果合并引入的電荷量超過滿阱容量，則會發生飽和并且圖像質量下降。

　　實施 CCD 合并

　　讓我們簡單看一下一些時序圖，它們說明了控制信號和分級之間的關系。我們將使用來自 ON Semiconductor 的 KAI-1003 CCD 圖像傳感器的示例。

　　下圖顯示了標準讀數的樣子。

　　圖表取自KAI-1003 數據表。

　　V1 和 V2 脈沖代表垂直移位寄存器活動：像素行向水平移位寄存器移動。V1/V2 脈沖后面是 H 時鐘（H1A、H2A 等）上的（頻率更高）脈沖，用于控制水平移位寄存器。R（復位）時鐘在每個 H 時鐘周期產生脈沖。該信號將電子從浮動擴散中清除，以便后續像素的電荷包可以移入。

　　下圖對應于 2×2 合并，即，將四個相鄰像素的正方形組合成一個輸出值。

　　圖表取自 KAI-1003 KAI-1003 數據表。

　　V1/V2 被脈沖兩次，使得兩行像素在水平移位寄存器中組合。這樣就完成了垂直合并。

　　之所以會發生水平合并，是因為每兩個H1/H2 脈沖只有一個復位脈沖——水平移位寄存器在電荷被清除之前將來自兩個像素的電子沉積到浮動擴散區中。

　　結論

　　合并是一種有用的技術，可以讓 CCD 實現更高的幀速率和更高的信噪比。我希望您現在了解成像系統為何采用分級、其實施方式以及滿井容量所施加的限制。