精密イメージングのためのCCDシグナルプロセッサIC

スマートフォンはほぼ例外なくCMOSセンサーを使用していますが、CCDセンサーに依存するアプリケーションも多数存在します。高解像度の静止画カメラ、飛行時間イメージング、CCTVビデオカメラ、および多くの精密イメージングや測定アプリケーションはCCDセンサーを使用し、信号処理用のICが必要です。CCD信号プロセッサチップセットは、さまざまな速度とビット深度で動作し、さまざまなアプリケーションに対応するための色深度とフレームレートの範囲を提供します。

これらのチップセットの素晴らしい点は、重要な信号処理コンポーネントを単一のパッケージに統合し、設計者が個別のコンポーネントから手動で構築する必要をなくすことです。これにより、特殊なイメージングシステムをより小さなボードやパッケージに配置することができます。次のCCD信号プロセッサICに求めるべき点と、さまざまなアプリケーション向けのオプションについて説明します。

CCD信号プロセッサを使用する理由

統合されたイメージ処理機能を備えた高度に統合されたCCDアレイの領域に入る前は、ほとんどの機能は、オペアンプ、アナログスイッチ、ADC/DACなどの個別の線形コンポーネントを使用して構築する必要がありました。他のアプリケーションで一般的な信号チェーンと同様に、CCDの信号処理チェーンも小さなフットプリントを持つ単一パッケージへの統合という馴染みのあるトレンドに従っています。

CCD信号プロセッサICは、CCD列からの電荷出力の収集からADCを使用したデジタル出力まで、必要なすべての信号処理ステップを処理します。データ変換前にアナログフロントエンドによって実行されるいくつかの重要な信号調整ステップがあります。アナログフロントエンドでの重要なステップは相関二重サンプリング（CDS）です。これには、CCD信号の参照レベルとデータレベルの差を計算し、CCD信号の一部の決定論的ノイズを排除することが含まれます。この差は、表示ユニットのグレーレベルおよび/または色深度に変換されます。

この重要な測定機能および他の画像補正機能は、標準のCCD信号プロセッサICに統合されています。CCDデータ変換に必要な標準の画像補正ステップには、DC復元（クランピング）、ゲインおよびオフセット補正、およびA/D変換が含まれます。CCD信号プロセッサICを使用すると、これらの機能をプロセッサに手動でプログラムする必要がなくなり、ファームウェアレベルで定義されます。

検討すべきCCD信号プロセッサの仕様

最初はCCD信号プロセッサの仕様の範囲をナビゲートするのが少し難しく感じるかもしれませんが、これらの仕様はシステムがCCDからデータをどれだけ迅速かつ正確に取得できるかを決定します。データシートで理解するためのいくつかの重要な仕様は次のとおりです：

• サンプリングレート：これは画像取得レートを決定する最も重要な仕様の一つです。ビデオシステムの場合、これはフレームレートを決定します。高解像度を必要としながらも巨大なフレームレートを必要としないビデオアプリケーションでも、合理的なフレームレートで画像を取得するためには高いサンプルレートが必要です。これは通常、MSPSまたはMHzで指定されます。
• チャンネル数：CCDは列で読み出されることを思い出してください。チャンネル数とは、並列に読み出すことができる列の数を指します。これにより、基本的なフレームレートをチャンネル数で乗算することができます。
• フレームレート：これは実際にはデータシートには記載されていませんが、CCDアレイのピクセル数、チャンネル数、およびサンプリングレートを使用して決定することができます。
• 出力インターフェース：これらのインターフェースは、CCD信号プロセッサからデータを読み出し、書き込む方法を指します。一般的な出力はLVDSを介して行われますが、新しいカメラシステムはMIPIを介してデータを出力します。
• ビット深度：これは取得された画像のグレーレベルまたは色深度を決定します。一般的なビット深度には、10ビット、12ビット、16ビットがあります。
• フォームファクター：これは常に重要な考慮事項ですが、特に小型のイメージングシステムにとっては特に重要です。大きなカメラシステムでも、ある程度の空間制限があり、必要な光学系のためにスペースを確保するためには、より小さいコンポーネントを選択する方が一般的に良いです。
• 電圧範囲と消費電力：これらは任意のコンポーネントにとって重要な仕様ですが、野外でのデバイスの寿命を決定するため、ここでは特に重要です。

Analog Devices, AD9970BCPZ

Analog DevicesのAD9970BCPZ信号プロセッサは、画像処理用の低エンドコンポーネントですが、他のカメラシステム用デバイスと比較して低コストで提供されます。高解像度の画像は、ノイズ抑制のためのLVDS出力で14ビットの65 MSPSで取得できます。このコンポーネントには、最大42 dBのゲインを持つ可変ゲインアンプと統合タイミングドライバが含まれています。一部のアプリケーションには、プロフェッショナルHDTVカメラ、放送用カメラ、産業用アプリケーションのための高精度イメージングシステムが含まれます。

AD9970BCPZ CCD信号プロセッサの機能ブロック図。 AD9970BCPZデータシートより。

Texas Instruments, LM98725CCMT/NOPB

Texas InstrumentsのLM98725CCMT/NOPBアナログフロントエンドは、16ビットで81 MSPSのサンプルレートを提供します。このアナログフロントエンドコンポーネントは、高解像度の画像とビデオを3つの同期チャンネルサンプリングで高フレームレートで収集するための完全な画像処理システムの半分を提供します。これはASICまたは組み込みプロセスと組み合わせて、高品質の画像とビデオのための完全な画像処理アーキテクチャを形成することができます。

アナログフロントエンドと画像処理ASICのブロック図。 LM98725データシートより。

このデバイスはLVDSを介してデータを出力し、トリガー用の入力クロックが必要で、SPIインターフェースを介して設定することができます。デバイスには、センサードライバーをトリガーし、CCDセンサーからデータを読み出すためのシフトレジスターと、統合されたタイミングジェネレーターとPLLが含まれています。一部のアプリケーションには、統合されたコンピュータビジョン機能が必要な通貨や文書スキャナーなどの製品が含まれます。

Analog Devices, ADDI9036

Analog DevicesのADDI9036は、飛行時間イメージングシステム用のはるかに高性能な製品です。このデバイスは45 MSPSで動作し、12ビットの深さを持ち、飛行時間イメージング用の統合レーザーダイオードドライバー、7チャンネルHドライバー、16チャンネル垂直ドライバー（Vドライバー）を含みます。CCD水平シフトクロックとレーザーダイオードドライバーの出力は約174 psで設定できます。Analog Devicesの以前のコンポーネントと同様に、このコンポーネントも統合されたブラックレベルクランピングと相関ダブルサンプラー（CDS）を提供します。このコンポーネントはMIPI CSI-2を介してデータを出力します。ADDI9036は現在生産中で、高解像度の飛行時間イメージングアプリケーションを開発するための評価ボードが利用可能です。

ADDI9036 CCD信号プロセッサの評価ボード。ADDI9036製品ページより。

次のCCDベースのイメージングシステムには、画像処理用のさまざまなコンポーネントが必要になり、CCD信号プロセッサはアナログフロントエンドの基本的な部分です。Octopartでここに示されたコンポーネントやイメージングシステム用の他の多くの部品を見つけることができます。

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