CN101945218A

CN101945218A - 一种高帧频ccd相机系统

Info

Publication number: CN101945218A
Application number: CN 201010261499
Authority: CN
Inventors: 余达; 司国良; 陈佳豫; 赵莹; 徐东; 刘金国; 郭永飞
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2011-01-12

Abstract

本发明的高帧频CCD相机系统涉及CCD相机系统技术领域，该相机系统包括镜头、CCD图像传感器、预放器、视频信号处理器、水平时序信号产生器、水平驱动电路、垂直及电子快门驱动电路、控制器1、控制器2、外部存储器单元、Camera Link输出单元和PC机、PCIe采集卡及显示设备。本发明是将高速CCD驱动技术、视频处理和数据整合相结合的集成系统，可提供高速的数字化图像，可广泛应用于运动目标捕捉、瞬态过程记录等研究领域，在大面阵低帧频CCD的实时像移补偿中有广阔的应用前景。

Description

一种高帧频CCD相机系统

技术领域

本发明涉及CCD相机系统技术领域，尤其涉及一种帧频达到1000fps的数字化CCD相机系统。

背景技术

照相技术问世后，人们开始设想如何连续快速地拍摄目标的影像，如汽车碰撞、物体破碎过程运动摄像等领域。最早的高速相机系统采用胶片感应的方法来记录目标的影像，可取得较高的时间分辨率，但需要复杂的光机结构，而且得到的胶片还需冲洗后才能进行判断使用，由于使用机械快门，曝光时间间隔较长，不能满足高速运动的场合。随着半导体工业和集成电路技术的发展，特别是CCD传感器具有功耗低、噪声小、暗电流小，可使用电子快门来实现曝光时间的精细调整，人们将CCD技术、最新的电子学技术和计算机技术结合起来，提供新的高速数字化相机系统。

目前国内使用的高帧频相机，主要是直接购买国外的专用高速相机，价格昂贵；或购买专用的高速CCD芯片后设计相机，成本很高。因此，如何将CCD技术和数字化处理技术结合起来，为高速相机领域提供新的技术手段，是急待解决的问题。

发明内容

为了解决高速相机设计中的难题，为高速相机领域提供新的技术手段，本发明提供一种高帧频CCD相机系统。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种高帧频CCD相机系统，包括镜头、CCD图像传感器和PC机、PCIe采集卡及显示设备，所述镜头的像面耦合到CCD图像传感器的焦平面上，镜头视场内的目标成像于CCD图像传感器的焦平面上，CCD图像传感器的感光区产生的感生电荷数量与输入的光能量成线性关系；其中：

该相机系统还包括预放器、视频信号处理器、水平时序信号产生器、水平驱动电路、垂直及电子快门驱动电路、控制器1、控制器2、外部存储器单元和Camera Link输出单元；

所述PC机为整个相机系统的主控制器，通过串口向控制器1发出控制命令；

所述控制器1产生CCD图像传感器的垂直及电子快门时序信号，经垂直及电子快门驱动电路后输出垂直驱动时序信号和电子快门信号；同时，控制器1对视频信号处理器和水平时序信号产生器进行控制，输出水平驱动时序信号并在视频信号处理器内部产生相应的视频处理信号；

所述CCD图像传感器感光区域的电荷受垂直和水平驱动时序信号的控制，以40M Hz像素时钟的双通道方式输出，经预放器后送入视频信号处理器进行视频处理，最终以双路位宽为14bit、时钟为40M Hz输出数字图像信号到控制器2中；

所述控制器2在得到控制器1输出的控制信号后，使外部存储器单元工作在乒乓方式下，对视频信号处理器输出的两路图像数据信号进行数据整合并经降频处理，最终以60M Hz像素时钟14bit位宽经Camera Link输出单元输出；

所述Camera Link输出单元输出的图像数据经Camera Link电缆传输到PCIe采集卡，进行图像数据的实时存储和显示。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的外部存储器单元工作在乒乓方式下，使用Camera Link接口传输数据，可以使相机在四种分辨率下工作，而且在四种分辨率下图像数据都可以实时存储和显示；

2、本发明的视频信号处理器和水平时序信号产生器集成在同一芯片中，其内部的信号之间可调整的最小时间为0.39ns；

3、本发明的水平驱动电路中使用驱动器ISL55110，并使用QFN封装，而且把其底部的散热底座和线路板大面积地焊接在一起，大大提高驱动器的有效散热面积；使得相机在工作时，驱动器ISL55110温度升高仅5.2℃；

4、本发明在数据整合前，使用了串并转换，把双路位宽为14bit、时钟为40M Hz的输出数字图像信号转换为双路位宽为28bit、时钟为20M Hz的输出数字图像信号，降低了整合期间数据的工作频率；

5、本发明在数据经Camera Link输出单元输出前，压缩了输出图像信号的消隐期，在保证输出帧频和有效图像数据量不变的情况下，把输出的数据时钟频率由80M Hz降为60M Hz。

附图说明

图1是本发明高帧频CCD相机系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所述，本发明的高帧频CCD相机系统包括：镜头、CCD图像传感器、预放器、视频信号处理器、水平时序信号产生器、水平驱动电路、垂直及电子快门驱动电路、控制器1、控制器2、外部存储器单元、Camera Link输出单元和PC机、PCIe采集卡及显示设备。

其工作原理是：镜头的像面耦合到CCD图像传感器的焦平面上，镜头视场内的目标将成像于CCD图像传感器的焦平面上，在CCD图像传感器的感光区产生的感生电荷数量与输入的光能量成线性关系；PC机作为整个高帧频CCD相机系统的主控制器，它通过串口(RS232或RS422接口)向控制器1发出各种命令：摄像开始、摄像结束、四种分辨率工作方式选择、视频处理器的相关参数和640×480分辨率下的单级积分时间和积分级数；控制器1产生CCD图像传感器的垂直及电子快门时序信号，经垂直及电子快门驱动电路后输出垂直驱动信号和电子快门信号；同时，控制器1对视频信号处理器和水平时序信号产生器进行控制，输出水平驱动时序信号并在视频信号处理器内部产生相关的视频处理信号；CCD图像传感器感光区域的电荷受垂直和水平转移信号控制，以40M Hz的像素时钟并以双通道方式输出，经预放器后送入视频信号处理器进行视频处理，最终以双路位宽为14bit、时钟为40M Hz输出数字图像信号到控制器2中；控制器2在得到控制器1输出的控制信号后，使外部存储器单元工作在乒乓方式下，对视频处理器输出的两路图像数据信号进行数据整合并经降频处理，最终以60M Hz像素时钟14bit位宽经Camera Link输出单元输出；Camera Link输出单元输出的图像数据经Camera Link电缆传输到PCIe采集卡和显示设备上进行图像数据的实时存储和显示。

实施例：

本发明的镜头可采用适马(SIGMA)变焦镜头，具体指标为：28-300毫米，变焦范围F3.5-6.3，采用尼康卡口固定。

本发明的CCD图像传感器可采用美国KODAK公司的一款行间转移CCD图像传感器，型号为KAI-0340D，视频信号分两路并行输出，最大的水平转移时钟为40M Hz，支持多种分辨率工作方式：当分辨率为640×480时，最大帧频为160fps；当分辨率为640×164时，最大帧频为498fps；当分辨率为228×480时，最大帧频为359fps；当分辨率为228×480时，最大帧频为1000fps。

本发明的预放器可采用美国TI公司的高速运放THS3062。

本发明的视频信号处理器和水平时序信号产生器可集成在美国Analog Device公司生产的视频处理器AD9979BCPZ中，该器件具有最高65MSPS的转换速率，14bit量化数据输出，为将水平转移时序的产生和视频处理集成在一起的高速芯片，内部所有时序信号的产生都通过I²C接口对内部寄存器的设置来完成，当像素时钟为40M Hz时各时序信号最小的时间分辨率为0.39ns，可对各信号之间的相位进行精细调整，满足高速数字化的要求。

本发明的水平驱动电路可采用美国intersil公司生产的高速驱动器ISL55110作为核心器件；本发明的垂直驱动电路可采用美国intersil公司生产的驱动器EL7156作为核心器件；电子快门电路可采用三极管9014和9015作为核心器件。

本发明的控制器1和控制器2均可以美国Xilinx公司的FPGA XCV600作为核心器件；本发明的外部存储器单元可采用由四片ISSI公司的静态存储器IS61WV51216BLL组成；本发明的Camera Link输出单元可采用美国NS公司的DS90CR287作为核心器件；本发明的PC机和PCIe采集卡及显示设备，使用带PCIe插槽的PC机，采集卡为台湾ADLINK公司的PCIe-CPL64采集卡，显示设备为普通的显示器。

上述实施例只用于解释本发明的技术方案之用，并不限制于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种高帧频CCD相机系统，包括镜头、CCD图像传感器和PC机、PCIe采集卡及显示设备，所述镜头的像面耦合到CCD图像传感器的焦平面上，镜头视场内的目标成像于CCD图像传感器的焦平面上，CCD图像传感器的感光区产生的感生电荷数量与输入的光能量成线性关系；其特征在于：

2.如权利要求1所述的高帧频CCD相机系统，其特征在于，所述控制命令包括：摄像开始命令、摄像结束命令、四种分辨率工作方式选择命令、视频处理器的相关参数命令和640×480分辨率下的单级积分时间和积分级数命令。

3.如权利要求1所述的高帧频CCD相机系统，其特征在于，所述串口为RS232接口或RS422接口。