低成本科学级CCD数字相机的研制

    1 引 言

    20世纪80年代以来,随着CCD技术的进步,出现了高性能的科学级制冷CCD器件,其具有低噪声、高灵敏度、高量子效率、极好的线性度、大动态范围、高空间分辨率[1]和能够在微弱光条件下长时间曝光成像等在许多领域获得了广泛的应用。

    目前,国内使用的科学级CCD相机从国外进口,价格高,并且需要图像采集卡和复杂的软件。本文介绍一种基于较低成本科学级CCD芯片,通过研制相关电路和软件,由微机并行口采集图像的低成本方法,并在X射线实时成像无损检测中得到了应用。

    2 CCD的性能与驱动要求

    设计的相机用于把X射线转换屏输出的微弱光图像转换为数字图像。根据总体要求和调研情况,选用ISD017AP型科学级CCD,器件本身带有半导体制冷器和测温Pt电阻。其光电参数如表1所示。主要特性为:有效像素1040@1160;像元尺寸16Lm@16Lm;大动态范围;低暗电流;光谱响应范围宽;轴对称结构;高紫外灵敏度;无光发射效应;具有1094个像元的输出寄存器(水平寄存器,其中1040个有效,在寄存器两端各有27个空寄存器)。

    行转移时序要求如图1所示。由图可见,VM2比VM1超前1/2个脉宽( VS1、VS2分别和VM1、VM2相同);行转移期间,PH2为高、PH1为低;在光积累期间, VM1、VM2都为低电平,PH1、PH2电平不限。积累结束后,在VM1、VM2的作用下,把一行转移到水平寄存器中;每转来一行,在PH1、PH2、OG2和RG2的作用下一位一位的输出。位转移时序要求如图2所示,PH2比PH1超前半个脉宽,OG2和PH1相同(可短接),在本次读出之后到下次读出之前的所有时间都可以进行复位。所以,在实际使用中,复位脉冲RG2的到来可根据实际情况选择(行转移期间复位脉冲可有可无)。各个信号的宽度及电平要求以及详细的资料参看文献[2]。

    3 CCD数据的微机采集方案设计

    3.1 总体方案设计

    一般的科学级相机采用PCI采集卡把图像传输到计算机中,其优点是采集速度快、通用性好和软件功能强,但软硬件设计复杂成本高和传输距离短(通常在5 m以内)。由于科学级相机用在微弱光条件下成像,曝光时间较长(一般为几s到几b),数据传输速度快的意义不大。由于设计的X射线成像系统的曝光时间在几10 s到几102s的范围,所以总体追求目标为采集速度适中(1帧图像的传输时间为几s)、图像噪声小、传输距离远(25 m,射线室到控制室约25 m)、设计简单及成本低。

    由于有效像素数多达1 040@1 160,每一像素有3个过程:读出)yA/D转换)y读入计算机。每幅图像需要进行1094@1160次这样的过程和1160次行转移。考虑到数据采集速度、图像的质量、读出噪声、电路随机噪声、A/D转换器输出位数、计算机接口和软件及总体成本等,设计了如图3所示的方案。用立制冷电路(具有测温和反馈控制功能)给CCD芯片制冷,本电路和其它电路不公地。CDD信号读出驱动时钟信号和数据的采样保持、消除复位噪声、A/D转换、数据传输等控制信号在计算机并行口EPP(增强并行口)方式的地址读ADDRSTB和数据读DATASTB信号的同步下由硬件电路产生,并采用流水线采集方法。