大气抖动矫正用高灵敏度高帧率CCD相机

    1 引 言

    自适应消除大气抖动的研究要求CCD的帧率达100 fps以上,以便实时记录大气抖动的变化过程。目前,波前检测一般采用数字CCD相机,其价格极其昂贵;或者采用普通的视频监控用CCD相机,灵敏度低,数据精度只有8 bit,难以满足后期计算的精度要求。本文针对天文用自适应消除大气抖动的波前CCD探测器的要求,研制了一种高灵敏度、高帧率的制冷CCD相机,并对其特性进行了测定。

    2 CCD相机设计

    2.1 CCD芯片选择

    由于监测的目标是单一的恒星像,可以选用像素数较低的CCD芯片,或者采用子画面传输的方法减少每一帧的数据量。由于帧率高、每帧的积分时间短,因此必须选择量子效率高的CCD芯片。最佳选择是背照明和具有片上电子倍增(EM)功能的EMCCD芯片[1,2],考虑成本因素,希望选择量子效率尽量高的普通CCD芯片。通过对KODAK、SITE、DALAS和SONY公司芯片的性价比的综合考虑,发现ICX255AL芯片是SONY公司芯片中灵敏度最高的[3],价格也较低。

    ICX255的有效像素为537@597,芯片尺寸为6.00 mm@4.96 mm,像素单元尺寸为9.8Lm@6.3Lm,峰值量子效率为75%。由于采用了EXVIEW技术,在近红外范围内的量子效率得到提高,在500~650 nm内有比较平坦的光谱响应。为了进一步提高CCD灵敏度,减少总的像素数量,获得更高的帧率,采用1@2 BIN的方式合并相临2行的像素电子,这样输出的信号分辨率为537@298,像素尺寸为9.8Lm@12.6Lm。

    2.2 CCD相机硬件设计

    图1是相机硬件电路框图。为了提高CCD相机的传输速率,将CCD信号不经过帧存储的方式直接传输到计算机。考虑到接口的通用性,采用了USB 2.0接口界面进行高速传输。USB 2.0的传输速率为480 Mbit/s,除去USB协议所占用的时间,稳定的最大传输速率为30~35 Mbyte/s。选用了带有51内核的USB传输芯片CY7C68014-100[4],该芯片有1 k@4的FIFO缓冲器,通过将其配置为4缓冲,对CCD的行数据进行缓冲,并以行为单位进行传输,可以保证像素的驱动周期相同,避免了因为不等时的驱动导致的噪音。除了16 bit数据总线外,CY7C68013有40个可自由定义的IO口,可以用于产生CCD行场驱动、CDS采样及AD转换所需各种脉冲信号。与采用CPLD或者DSP的CCD驱动电路设计相比[5~7],可以简化电路,降低成本。

    由于实现自适应消除大气抖动的叠代算法要求较高的动态范围和数据精度,ICX255在进行1@2 BIN合并后也具有约60 ke-的满阱电荷数,必须采用高精度的高速AD转换器。我们采用了16 bit、30 MSPS的VSP3210[8]AD转换器进行采样。该AD转换器还带有双相关采样电路(CDS),可以消除输出信号的KTC噪音[9]。

    由于CCD输出端驱动能力有限,如果直接与ADC输入端相连,容易受电路噪音及环境电磁干扰的影响,因此在CDS前增加了一级超低噪音(1.7 nV/ Hz)增益为6 dB的高速视频运放器,并设计了中心截止频率为15 MHz低通RC滤波器,以避免USB部分传输时高频噪音对CCD信号的影响。