高速CCD相机系统设计

    引言

    CCD 的英文全称是 Charge Coupled Device（电荷耦合器件），它是一种半导体装置，能够把光学影像转化为数字信号，由于 CCD 具有良好的线形和饱和度，采用 CCD 芯片制成的相机现在已被广泛应用到天文观测、军事侦察、医疗生化等领域。目前所使用的科学级 CCD 相机大多依赖进口，其中很多是采用图像采集卡与光纤相结合的数据传输方式，对电脑硬件要求比较高，在移动电脑上更是无法实现。为了提高国内 CCD 相机的生产水平，通过不断努力，完整的研制出了 KAF-1001（1024×1024）高速科学级 CCD相机，并与国外相机进行了对比观测实验，其性能达到了先进国外同类产品的水平。

    1 CCD 相机系统介绍

    CCD 相机系统比较复杂，一个完整的 CCD 相机包括机械设计、光学镜头、CCD 芯片、CCD 时序驱动电路、图像数据采样与数据存储模块、USB 数据采集传输控制模块、温度控制及显示模块、真空制冷模块等等。CCD 相机工作流程如图 1 所示。

    2 相机控制系统

    2.1 CCD 芯片选择

    对于 CCD 相机来说，CCD 芯片决定了相机的性能。实验中 CCD 芯片采用日本柯达公司的 KAF-1001前照式全桢型 CCD 芯片，其像素为 1024(H)×1024(V)Pixel，两相驱动读出，最大支持 5 M 的采样频率，既可用于光谱分析，又可用于成像观测[1]。Pixel时序如图 2 所示。

    2.2 CCD 时序及 A/D 采集控制

    CCD 芯片所需的行转移、列转移及复位信号由CPLD 按照时序逻辑发出，先送给 EL7212 和 DS006等驱动芯片，再经过 LM317 及 LM337 稳压后产生CCD 芯片的驱动信号。实验中 CPLD 芯片采用 MAXII系列的 EPM240T100C5 芯片，它有 240 个逻辑单元，采用 VHDL 语言编程。CCD 芯片输出的是光感的模拟量信号，需将其转换为数字量。实验中采用的 A/D转换芯片是 AD9824。它是面向 CCD 应用的完善的低功耗单通道模拟信号处理器，片内含有最高 30MSPS相关双采样电路（CDS）、像素增益放大器、可编程增益放大器、14 位精度最高采样率为 30MSPSA/D 转换器等。使用时可在外部对输入量进行调节，使其在最大线性范围内。图像数据转换原理如图 3 所示。

    2.3 温度数据采集

    为了使 CCD 相机达到低噪声高灵敏度的要求，相机内部必须运行在较低的环境温度下。实验中采用了风扇加 TE 制冷的组合方式，将含有 CCD 芯片的腔体抽成 10^－2Torr 的真空，并在其中装入制冷芯片，使其内部保持低温状态。内部的温度数据通过温度传感器 AD590 经信号放大送入 ADC0820A/D 模数转换，最后通过 USB 接口送给上位机。当相机工作在空闲状态下时，可发送相应的命令采集 CCD 相机内部的温度。