高速高灵敏光纤传输EMCCD相机设计

   

    0 引 言

    高帧频图像采集系统在图像诊断领域有着广泛的应用，目前此类系统的关键器件是高速固体图像传感器，而以 CCD(Charge Coupled Device)图像传感器最常见。许多科学级高速摄像系统也是采用 CCD 图像传感器。为更好地提高 CCD 的灵敏度出现了许多新技术，如：背照式 CCD 技术、电子增益(EM，Electron Multiplying) CCD 技术等。EMCCD 技术能很好的提高 CCD 的灵敏度，使其达到微光应用要求[1]。但是EMCCD 器件需要多种电源供电，同时需要摆幅很高的驱动时序，这往往成为设计 EMCCD 高速相机的技术难点。本文介绍了基于一种背照式 EMCCD 图像传感器 CCD60 设计高速高灵敏度相机的方法。

    1 系统关键技术与组成

    CCD60 是 e2v 公司生产的新型高帧频电子倍增低照度 CCD(EML3CCD，Electron Multiplying Low LightLevel CCD)图像传感器[2]。芯片采用背照式技术来提高量子效率，在可见光波段内，其量子效率可高达 90%，采用电子增益技术来提高灵敏度，使该芯片能够达到高帧频夜视效果。芯片最高帧频可达 1000 fps。设计建立高速高灵敏光纤传输 EMCCD 相机需要以下几个关键技术：

    1) EMCCD 驱动时序与电源管理技术。解决 EMCCD 所需要的各种直流偏置电源，提供 EMCCD 所需的行、场、像素的控制时序信号，从而建立 EMCCD 的工作环境，使其输出视频信号。

    2) CCD 视频信号处理与数字化技术。解决 CCD 输出视频信号的行场同步信号检测，视频时钟重建以及视频信号的数字化工作。

    3) 图像数据光纤传输与远程采集技术。解决数字化后的高速图像数据的光纤编码与传输，提供远程数据采集与图像数据恢复软硬件，获得高帧频图像数据。

    根据建立高速高灵敏光纤传输 EMCCD 相机的技术不同，可把系统划分为以下组成单元：光学镜头单元、驱动电路与电源单元、视频信号处理与数字化单元、光纤传输单元、终端采集单元组成。系统结构框图如图 1 所示。在不采用虚线框内的光纤传输单元时，系统为近程 PC 互联相机。

    2 系统驱动电路与电源设计

    CCD60 共需要 9 路时序驱动信号(见表 1)，而这些驱动信号的电压分为-5~+5 V、0~12 V、4~40 V 三种，且这些信号上限电压必须可调。一般地说，能产生逻辑时序的可编程器件的输出电平多为 1.8 V、2.5 V、3.3 V 和 5 V 几种不同规格，不符合该种 CCD 时序驱动信号的电平要求，因而需要进行专门设计。我们采用集成器件 DS0026 对±5 V 与 12 V 的 8 路信号进行驱动，采用分立器件对电平摆幅较高(高电平 20~50 V)的 RФ2HV 信号进行驱动。逻辑时序信号可通过 FPGA 或 CPLD 器件产生，本文采用 CPLD 器件 XC95108-7产生逻辑时序信号[4]。CCD60 驱动电路的原理框图如图 2 所示。