成像系统中的 CCD 合并：提高信噪比和帧速率

CCD 以及将它们集成到功能系统中的工程师出人意料地擅长防止数千或数百万电子束在从像素点到读出放大器的过程中发生混淆。然而，如果由于某种原因我们希望一个像素的电荷与另一个像素的电荷混合，CCD 的结构使这一点很容易实现。

有意地组合来自不同像素的光产生的电荷称为分箱——就好像我们将电子扔进某种公共箱中一样。

让我们考虑一下为什么我们要这样做。

分箱的优点

在 CCD 中利用合并的优点可分为两大点：

提高帧率
提高信噪比
提高帧速率

分箱的好处之一是速度。分箱就像下采样；图像数据的分辨率根据执行合并的多少而降低。

假设我们有一个 1000 × 1000 像素的传感器。如果我们在激活水平移位寄存器之前将两行合二为一，我们将只有 500 行数据。因此，总读出时间减少了大约两倍。 

然后，如果我们在水平读出期间将两个像素合并为一个，我们将创建 500 像素的线宽，并将读出时间减少两倍。请记住，这不是裁剪 - 整个图像仍然显示在终数据集中，但分辨率较低。

该技术可用于需要灵活成像操作的各种应用。一个例子是需要生成高质量静态图像和低质量视频的数码相机。合并以高帧速率提供下采样图像数据，然后使用非合并读出来获取全分辨率的单个图像。

在此图中，两个垂直相邻的像素被合并，然后这些合并的带电数据包中的两个被沉积到输出节点上，导致合并因子为四。

提高信噪比 (SNR) — 并对 CCD 中的噪声源进行额外观察

分箱与数字下采样类似，但又不同。如果我们通过消除例如每隔一条线和每隔一个像素来进行下采样，那么数据就会丢失。我们降低了分辨率，但没有采取任何措施来改进剩余数据。

当我们进行装箱时，数据不会被简单地丢弃，因为我们正在合并相邻像素的电荷。这意味着合并是在弱光条件下提高 SNR 的一种方法。

了解合并对 SNR 的影响非常重要，为此我们需要了解 CCD 噪声的本质。我计划在以后的文章中更彻底地探讨图像传感器噪声，因此这只是基本的内容。

CCD 中的主要噪声源是光子噪声、暗噪声和读取噪声。光子噪声和暗噪声成为每个像素中生成的电荷包的一部分。读取噪声包括将 CCD 的电荷包转换为可用数字数据的过程中引入的所有噪声。

分箱并不是光子噪声或暗噪声的解决方案。例如，当您组合来自两个相邻像素的电荷包时，您只需将一个像素的暗噪声添加到另一个像素的暗噪声中。信噪比没有改变。

然而，读取噪声的影响可以大大降低，因为外部电子器件的操作不受合并的影响。这些电路甚至不知道合并已经发生。如果将接收等量入射光的两个像素组合起来，信号就会加倍，并且该组合像素在片外处理期间会看到相同量的读取噪声。因此，SNR 增加了两倍。如果合并四个像素，SNR 会增加四倍。

分箱的限制：不要超过您的满井容量

那么我们可以看到，分箱是一种用分辨率换取噪声性能的简单而有效的方法。不过，您确实必须采取一定程度的克制——这种提高 SNR 的方法有其局限性。

CCD 中的每个电荷保持位点都有一个满阱容量（也称为阱深度），它指定了可以包含的电子数量。垂直合并将额外的电子（即，多于一个像素的电子）移动到水平移位寄存器中，而水平合并将额外的电子移动到输出节点中。如果合并引入的电荷量超过满阱容量，则会发生饱和并且图像质量下降。

实施 CCD 合并

让我们简单看一下一些时序图，它们说明了控制信号和分级之间的关系。我们将使用来自 ON Semiconductor 的 KAI-1003 CCD 图像传感器的示例。

下图显示了标准读数的样子。

图表取自KAI-1003 数据表。

V1 和 V2 脉冲代表垂直移位寄存器活动：像素行向水平移位寄存器移动。V1/V2 脉冲后面是 H 时钟（H1A、H2A 等）上的（频率更高）脉冲，用于控制水平移位寄存器。R（复位）时钟在每个 H 时钟周期产生脉冲。该信号将电子从浮动扩散中清除，以便后续像素的电荷包可以移入。

下图对应于 2×2 合并，即，将四个相邻像素的正方形组合成一个输出值。

图表取自 KAI-1003 KAI-1003 数据表。

V1/V2 被脉冲两次，使得两行像素在水平移位寄存器中组合。这样就完成了垂直合并。

之所以会发生水平合并，是因为每两个H1/H2 脉冲只有一个复位脉冲——水平移位寄存器在电荷被清除之前将来自两个像素的电子沉积到浮动扩散区中。    

结论

合并是一种有用的技术，可以让 CCD 实现更高的帧速率和更高的信噪比。我希望您现在了解成像系统为何采用分级、其实施方式以及满井容量所施加的限制。