CN101500153A - 高帧频高灵敏度光纤传输式emccd摄像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高帧频高灵敏度光纤传输式EMCCD摄像系统，包括CCD摄像机、电源、接收采集盒，所述CCD摄像机和接收采集盒通过光纤连接；CCD摄像机包括EMCCD图像传感器芯片、时钟驱动电路、第一CPLD控制单元、视频处理单元、数据编码单元和第一光收发模块；接收采集盒包括第二光收发模块、数据解码单元、第二CPLD控制单元、时钟基准单元、USB采集控制单元和计算机；本发明摄像系统在全分辨时可以达到1000帧/秒的工作速度，且具有数据光纤远程同步传输功能，实现了远程高帧频图像实时传输，适用于微光场合与危险场合高速实时图像数据监测研究，扩展了高帧频摄像机的应用范围。

Description

高帧频高灵敏度光纤传输式EMCCD摄像系统

技术领域

本发明涉及一种高帧频高灵敏度成像系统，尤其涉及具有高帧频图像远程实时采集功能的高帧频摄像系统。

背景技术

高帧频成像系统可以很好地反映出研究对象的运动过程细节，从而获得一些有价值的信息，在碰撞试验、等离子体物理、爆炸现象、战场侦查等科学试验研究领域有广泛应用。在一些应用场合不仅对摄像机有高帧频要求，也需要远程的图像监测，例如等离子体物理研究与爆炸现象研究，前者因为研究对象具有很高的辐射射线，对研究者有很大危害；后者由于爆炸现场具有一定破坏力的冲击波与爆炸碎片，可能造成研究人员的身体伤害，因此需要能够远程使用的高帧频成像系统。另外，在微光高速成像研究场合，如单分子荧光分析、细胞活动研究等，都需要很高灵敏度的高帧频成像系统。目前，市场上的科学级高帧频像机主要有CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)与CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补型金属氧化物)两种，高分辨率的以CMOS为主流，高灵敏度的以CCD为主流，这主要是因为CCD器件比CMOS器件的灵敏度高但数据读出速度比CMOS低得多的缘故。普通的CCD不能满足低照度下高帧频成像场合的要求，为提高CCD的灵敏度，人们在技术上做了许多的努力，如：背照射衬底减薄技术的应用提高入射光量子效率；深度制冷(低于零下40℃)CCD减小器件等效噪音；多路并行读出电路设计减低单端信号数据率以减小信号读出噪音；多针相(MPP)模式技术CCD器件设计，电子增益(Electron Multiplying，简称EM)放大积分电荷等。这些技术的出现对CCD的驱动与视频处理也提出了新的要求，成为高速高灵敏度CCD成像系统设计的技术难点。例如电子增益驱动设计，它不仅有严格的相位要求，还需要增益驱动在20MHz以上达到50V的电压摆幅。

高帧频成像系统的海量数据的远程传输与实时采集一直是设计的技术瓶颈。对于500帧以上的远程高速成像系统，它要求在2ms以内处理一整帧的图像数据，这包括视频信号的同步、采样、数字化、远程传输与实时采集，这对于高分辨率的图像是很难实现的，必须采用专门的处理技术。如多路视频并行处理，相当于把一幅高分辨率图像分割成多个低分辨率图像进行实时处理，每个处理单元相对独立，处理后的数据再进行图像拼接恢复出原始图像。另外一种常用的实现高帧频的方式是降低系统分辨率以减少系统数据量，如128×128分辨率的系统，在1000帧每秒的情况下数据速率为200Mbps，使实时的图像处理与采集成为可能。目前高速数据传输常用的方式是光纤技术，它能达到最高每秒100Gbps的传输速度，比常规的电缆或LVDS(低电压差分信号)方式都高得多，因而高帧频图像数据的远程传输采用光纤技术是很好的选择。

目前市场上的高帧频摄像机的图像数据采集一般是先采用高速海量数据缓存单元对图像数据进行缓存，而后通过计算机慢速采集，最后进行处理显示的方法完成的，这种方法原理简单，对于高分辨率图像是唯一可行的方法；但对于低分辨率的高速成像系统，直接进行数据采集是方便有效的方法。市场上常见的数据采集方式有PCI数据采集卡、串口数据采集卡、USB数据采集卡、1394数据采集卡等。PCI数据采集卡速度最高，使用不够方便；USB与1394数据采集卡速度在百兆bps级别，适合低分辨率高帧频成像系统的数据采集，使用方便；串口数据采集卡速度过低，不适合高速数据采集使用。在数据传输采集方面，以光纤与USB技术发展最快，容易获得相关技术支持，因此在设计中应用最为广泛。

发明内容

为解决高帧频像机的灵敏度低以及无法进行远程实时图像采集的问题，本发明采用高灵敏度EMCCD(Electron Multiplying CCD，电子增益CCD)芯片，利用光纤通信技术及USB数据采集技术实现了高帧频像机的远程实时计算机采集，从而提供了一种具有很高灵敏度、又能远程实时图像采集、帧频达到1000帧每秒的高帧频高灵敏度光纤传输式EMCCD摄像系统。

本发明的技术解决方案是：

一种高帧频高灵敏度光纤传输式EMCCD摄像系统，包括CCD摄像机、电源、接收采集盒，其特征在于：所述CCD摄像机和接收采集盒通过光纤连接；所述CCD摄像机包括EMCCD图像传感器芯片、时钟驱动电路、第一CPLD控制单元、视频处理单元、数据编码单元和第一光收发模块；所述接收采集盒包括第二光收发模块、数据解码单元、第二CPLD控制单元、时钟基准单元、USB采集控制单元和计算机；所述USB采集控制单元和计算机通过USB连接线进行数据传输；

所述EMCCD图像传感器芯片11用于拍摄微光图像；所述第一CPLD控制单元13用于产生EMCCD图像传感器芯片的驱动时序；所述时钟驱动电路12用于增大驱动时序的电压摆幅；所述视频处理单元14在第一CPLD控制单元的同步下对图像数据进行视频处理与数字化；所述数据编码单元15用于将视频处理单元14数字化后的图像数据在第一CPLD控制单元同步下进行编码并转换成PECL信号；所述第一光收发模块16和第二光收发模块31通过光纤9接收和发送PECL信号；所述数据解码单元32用于将接收到的PECL信号还原为图像数据；第二CPLD控制单元38用于将数据解码单元32还原后图像数据进行同步和处理；所述时钟基准单元34用于提供基准时钟；所述USB采集控制单元35通过USB接口上的USB连接线向计算机提供采集数据；所述计算机用于采集图像数据。

本发明的优点：

1、本发明摄像系统在全分辨(128×128象素)时可以达到1000帧/秒的工作速度，超过国外同类产品的最高帧频514帧/秒的工作速度，同时具有Binning功能，可以提高帧频到2000帧/秒以上(2×2Binning以上)。帧频与Binning的象素有关，即n×m Binning时帧频提高n倍(一般n＝m)，例如，在2×2Binning时，帧频提高一倍，4×2Binning时，帧频提高4倍。本发明的帧频能够在全分辨(128×128)时能够达到1000帧/秒的速度，支持Binning(象素合并)工作模式，且具有远程实时数据采集能力，具有更多的使用灵活性。

2、本发明摄像系统具有数据光纤远程同步传输功能，实现了远程高帧频图像实时传输，可用于危险场合高速实时图像数据监测研究，扩展了高帧频摄像机的应用范围。

3、本发明摄像系统具有USB数据实时采集功能，可通过USB进行实时数据采集，其存储容量可通过计算机内存进行扩展，极易扩展系统记录时间长度，极大的扩展了图像存储能力。

4、本发明通过采用高速EMCCD芯片能使高帧频高灵敏度像机在微光、弱光情况下高速成像成为现实。

附图及其说明

附图1是本发明光纤传输式EMCCD摄像系统的结构示意图；

附图2是本发明的CCD摄像机的电路结构示意图；

附图3是本发明的接收采集盒的电路结构示意图；

其中：1-CCD摄像机，11-EMCCD图像传感器芯片，12-时钟驱动电路，13-第一CPLD控制单元，14-视频处理单元，15-数据编码电路，16-第一光收发模块，2-电源，3-接收采集盒，31-第二光收发模块，32-数据解码单元，33-第二CPLD控制单元，34-时钟基准单元，35-USB采集控制单元，36-计算机，4-触发接口，5-CCD摄像机电源接口，6-光纤接口，7-接收采集盒电源接口，8-USB接口，9-光纤，10-计算机，20-USB连接线。

具体实施方式

本发明高帧频高灵敏度光纤传输式EMCCD摄像系统，参见附图1，包括CCD摄像机1、电源2、接收采集盒3，CCD摄像机1和接收采集盒3通过光纤9连接；CCD摄像机1包括EMCCD图像传感器芯片11、时钟驱动电路12、第一CPLD控制单元13、视频处理单元14、数据编码单元15与第一光收发模块16；接收采集盒3包括第二光收发模块31、数据解码单元32、第二CPLD控制单元33、时钟基准单元34、USB采集控制单元35和计算机10；USB采集控制单元35和计算机通过USB连接线20进行数据传输。

第一CPLD控制单元产生的驱动时序经时钟驱动电路增大到芯片所要求的电压，EMCCD图像传感器芯片输出的视频信号在第一CPLD控制单元的同步下由视频处理单元(VSP2000视频处理芯片)进行视频的处理与数字化，数字化后的图像数据经第一CPLD控制单元同步后交由数据编码电路(数据编码芯片HDMP1032)进行编码并转换成第一光发送模块需要的PECL信号，通过光纤9传输到接收采集盒。第二光收发模块把接收的光信号转换成PECL信号送入数据解码单元，数据解码单元把接收到的信号还原为原始数据，该数据经第二CPLD控制单元的同步与处理后，传输到USB采集控制单元，并通知计算机进行采集，最后由计算机软件进行同步数据采集并把采集到的数据按专用数据格式进行存储，从而完成高帧频高灵敏度图像的远程实时监测摄像。

电源2通过电源接口5与CCD摄像机1连接以提供电源，电源可提供50V、12V、5V与-5V四种电源。外触发接口4可接入同步触发信号或悬空。高速图像数据通过光纤接口6上的光纤9与接收采集盒3相连进行图像数据传输，接收采集盒电源接口提供5V电源。计算机10通过USB连接线20与接收采集盒的USB接口8连接，采集所需要的图像数据。

EMCCD图像传感器芯片采用英国E2V公司生产的CCD60背照式高帧频CCD芯片以达到高速高灵敏度的效果，芯片的分辨率为128×128，帧频1000帧每秒时数据读出速度为18MHz，它的驱动时序由第一CPLD控制单元产生，经时钟驱动电路把电压驱动到CCD60要求的电压后加载至CCD芯片。第一CPLD控制单元的CPLD器件采用Xilinx公司的XC95108器件，其时序软件利用Xilinx ISE8.1编写。

时钟驱动电路采用的集成器件使用National Semiconductor公司的DS0026器件，它可以驱动12V与正负5V的行帧转移时序。

EMCCD图像传感器芯片输出的视频信号由视频处理单元进行缓冲与数字化，缓冲器件使用三极管2N5551，视频处理器件使用BURR-BROWN公司的10bitCCD视频信号专用芯片VSP2000处理，最高处理速度可达18MHz，它通过控制单元的同步控制信号对CCD视频进行CDS(相关双采样)与A/D转换，得到CCD数字图像数据并传输到数据编码单元进行数据编码与并串转换。

数据编码单元使用Agilent公司的16位数据编码与并串转换芯片HDMP1032，最高速率为1.4Gbps，开发成320Mbps的传输系统，芯片的控制信号与同步信号由控制单元提供，它输出的LVDS信号通过PECL转换后传输到第一光收发模块。第一光收发模块使用RTXM171，它最高传输速度为1.25Gbps，使用单模光纤传输，距离最远可达40Km，是收发一体的模块，接口为SC接口。模块输出的光信号通过光纤9与接收采集盒3连接。

第二光收发模块与第一光收发模块采用相同的芯片，它把接收到的光信号还原成PECL信号，通过LVDS转换后交由数据解码单元对数据进行解码。解码芯片使用Agilent公司的16位数据解码与串并转换芯片HDMP1034，工作速率与HDMP1032相同，它解码出16位数据与几路同步信号传输到第二CPLD控制单元，此控制单元使用与前端控制单元相同的芯片，即Xilinx公司的XC95108芯片。

时钟基准提供基准时钟，通过控制单元分配到数据解码单元与USB采集控制单元，时钟基准源使用标准的80MHz时钟晶振，其它频率的时钟均由它分频或倍频产生。

USB采集控制单元使用Cypress公司的USB2.0芯片CY7C68013，开发为16位并行同步采集系统，它的的理论最高速度为480Mbps，本发明的设计中可以达到320Mbps以上，能够满足1000帧/秒情况下的数据实时采集要求。计算机软件通过它从控制单元把图像数据实时采集到计算机内存，当数据采满后把采集到的数据存储到计算机硬盘，同时可以使用本系统的计算机软件进行回放等处理操作。

Claims (2)

1、一种高帧频高灵敏度光纤传输式EMCCD摄像系统，包括CCD摄像机、电源、接收采集盒，其特征在于：所述CCD摄像机和接收采集盒通过光纤连接；所述CCD摄像机包括EMCCD图像传感器芯片、时钟驱动电路、第一CPLD控制单元、视频处理单元、数据编码单元和第一光收发模块；所述接收采集盒包括第二光收发模块、数据解码单元、第二CPLD控制单元、时钟基准单元、USB采集控制单元和计算机；所述USB采集控制单元和计算机通过USB连接线进行数据传输。

2、根据权利要求1所述的EMCCD摄像系统，其特征在于：所述EMCCD图像传感器芯片11用于拍摄微光图像；所述第一CPLD控制单元(13)用于产生EMCCD图像传感器芯片的驱动时序；所述时钟驱动电路(12)用于增大驱动时序的电压；所述视频处理单元(14)在第一CPLD控制单元的同步下对图像数据进行视频处理与数字化；所述数据编码单元(15)用于将视频处理单元数字化后的图像数据在第一CPLD控制单元同步下进行编码并转换成PECL信号；所述第一光收发模块(16)和第二光收发模块(31)通过光纤(9)接收和发送PECL信号；所述数据解码单元(32)用于将接收到的PECL信号还原为图像数据；第二CPLD控制单元(38)用于将数据解码单元还原后图像数据进行同步和处理；所述时钟基准单元(34)用于提供基准时钟；所述USB采集控制单元(35)通过USB接口上的USB连接线向计算机提供采集数据；所述计算机用于采集图像数据。

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