CN109451210A - 一种制冷型电子倍增ccd相机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制冷型电子倍增CCD相机系统，包括EMCCD芯片、EMCCD驱动电路、FPGA电路、采样电路、温控电路、系统供电电路、成像电路、上位机接口电路，所需系统供电电路分别与EMCCD芯片、EMCCD驱动电路、FPGA电路、采样电路、温控电路连接，并提供稳定电压；FPGA电路分别与EMCCD驱动电路、采样电路、温控电路、成像电路、上位机接口电路连接，为其提供所需时序；EMCCD芯片分别与EMCCD驱动电路、采样电路、温控电路、系统供电电路和镜头连接，本发明使用半导体制冷片制冷，最后实现微光下较好的成像效果。

Description

一种制冷型电子倍增CCD相机系统

技术领域

本发明属于微光探测与检测技术领域，特别是一种应用于微光夜视环境下的制冷型电子倍增CCD相机系统。

背景技术

微光指的是在低照度条件下极为微弱的光。人对微光的感知能力比较差，同时人对不同频率的光的感知能力也不相同。因此有必要研制一种符合人眼视觉特性的辅助设备，使人类能在微光条件下对视场内的景物获得良好的视觉体验。除此之外，现代战争的残酷性要求军队必须具备夜间作战能力，因此微光夜视技术的水平一定程度上影响了军队的夜间作战能力。其他方面，微光夜视技术在航天领域，水下探测领域生物医学领域等诸多领域都有着及其重要的作用。

上世纪70年代WS.Bovle教授和GE.Smim教授发明了第一只电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)，自此CCD器件以其体积小、噪声低、工作速度快、寿命长等诸多优点受到人们的高度重视。其应用范围也从可见光扩展到微光环境中，目前在微光成像领域得到广泛应用的CCD传感器包括以下三种，像增强CCD(ICCD)、电子轰击CCD(EBCCD)以及电子倍增CCD(EMCCD)。

ICCD即增强电荷耦合器件，是通过光纤与电子管式或微通道板式图像增强器相连的CCD。ICCD的基本结构包括像增强器、CCD和中继耦合组件等。ICCD在正常工作时，先由像增强器的阴极将入射的微光转换产生电子，电子通过电场加速进入到微通道板进行电子倍增，倍增后的电子轰击荧光屏得到比原始图像更亮的图像，实现CCD通过光纤耦合对微弱目标的探测。ICCD的分辨率和灵敏度比普通CCD要高，但是噪声大，量子效率低，费用高。

EBCCD即电子轰击CCD，是通过以CCD替代ICCD中的荧光屏，光电转换得到的电子在电场作用下加速轰击CCD成像区，从而实现对微弱入射光的增强。但是，由于EBCCD内部结构中的光阴极在产生电子的同时，也会产生一些离子，这些额外产生的离子经过加速后会对CCD造成辐射损伤，导致暗电流和漏电流的增大，影响器件的使用寿命。

EMCCD将全固态电子倍增寄存器集成在CCD芯片中，CCD的输出信号在读出过程中经过倍增寄存器，由电荷碰撞实现电子数的倍增，达到信号的“片上增益”。EMCCD信号读出结构的工作方式类似于光电二极管中的“雪崩效应”，信号在读出过程中得到倍增，读出噪声不会随着读出频率的提高而增大，从而减小了读出噪声对信号的影响，因此EMCCD具备实时高速探测的能力。和另外两种CCD相比，EMCCD使用寿命更长，信噪比和量子效率更为出色。

1992年，美国TI(德州仪器)公司的J.Hynecek博士首次公开了其在CCD器件上集成电荷倍增的研究，随后TI公司推出了以Impactron TM技术为基础生产的EMCCD芯片产品系列，主要型号有TC253和TC285等。2001年，英国的E2V公司由商业渠道获取了EMCCD核心技术，并首次提出L3(Low Light Level)技术，并在此技术的基础上研发了多款EMCCD芯片。

在低照度相机领域，国外一些公司也进行深入研究。美国普林斯顿仪器公司研发了ProEM+系列高速EMCCD相机，英国安道尔公司(Andor)生产的用于快速成像的iXon系列相机和用于光谱成像的Newton科学级相机，日本滨松公司(Hamamatsu)生产的ImagEM系列EMCCD相机。另外，E2V、TI、日立、QIMAGING等公司也有相应的EMCCD产品。

我国在EMCCD领域的研究起步较晚，在系统噪声研究，相机整机研发以及成像性能参数测试等方面均有涉及。北京空间机电研究所对EMCCD星载相机整机的设计开展了相关研究，中国科学院光电技术研究所与南京理工大学对EMCCD的噪声特点以及噪声抑制进行了初步研究。昆明理工大学对EMCCD的成像控制、图像采集与传输方式做了相关研究(一种EMCCD相机成像与数据传输系统103763484B)，但是该EMCCD制冷系统采用杜瓦瓶设计，需定期检查并且使用步骤繁琐。南京理工大学对EMCCD相机系统进行了充分研究，2013年研制了TC253和CCD65相机系统，2015年研制了CCD97相机系统(CCD相机、多参数可控电子倍增CCD成像系统及方法201510890489.9)，但是依旧略显不足。CCD97相机系统没有具体制冷系统的研究，并且FPGA采用VHDL描述语言编写，相比于Verilog HDL语言更晦涩，不利于代码更新改进。因此有必要研制一款新的制冷型电子倍增CCD相机系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微光夜视制冷型电子倍增CCD相机系统，该相机系统使用半导体制冷片制冷，最后实现微光下较好的成像效果。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种制冷型电子倍增CCD相机系统，其特征在于包括EMCCD芯片、EMCCD驱动电路、FPGA电路、采样电路、温控电路、系统供电电路、成像电路、上位机接口电路，所需系统供电电路分别与EMCCD芯片、EMCCD驱动电路、FPGA电路、采样电路、温控电路连接，并提供稳定电压；FPGA电路分别与EMCCD驱动电路、采样电路、温控电路、成像电路、上位机接口电路连接，为其提供所需时序；EMCCD芯片分别与EMCCD驱动电路、采样电路、温控电路、系统供电电路和镜头连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)该相机无需DDR内存芯片也能实现在监视器上的成像，因此系统更为简单，时序压力更小。(2)相机采用半导体制冷片制冷，采用专用温度控制芯片控制，精度更高，更安全。(3)相机采用Camera Link输出和PAL制输出并存的输出方式，前者有利于测试和调试，后者使用广泛，且所需成像设备更为轻便。(4)通过上位机传输指令，有利于EMCCD的测试。

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明制冷型电子倍增CCD相机系统的示意图。

图2是本发明的相机具体结构示意图。

图3是本发明的相关双采样电路中采样电路结构示意图。

图4是本发明的制冷模块结构示意图。

图5是本发明的电源转换模块结构示意图。

图6是本发明的成像模块结构示意图。

图7是本发明的上位机模块结构示意图。

图8是本发明的FPGA内部的数据流向示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的制冷型电子倍增CCD相机系统，包括EMCCD芯片1、EMCCD驱动电路2、FPGA电路3、采样电路4、温控电路5、系统供电电路6、成像电路7、上位机接口电路8，所需系统供电电路6分别与EMCCD芯片1、EMCCD驱动电路2、FPGA电路3、采样电路4、温控电路5连接，并提供稳定电压；FPGA电路3分别与EMCCD驱动电路2、采样电路4、温控电路5、成像电路7、上位机接口电路8连接，为其提供所需时序；EMCCD芯片1分别与EMCCD驱动电路2、采样电路4、温控电路5、系统供电电路6和镜头连接。

结合图2，本发明制冷型电子倍增CCD相机系统的镜头选用C口镜头。CCD216芯片的分辨率为768*576，因此用C口镜头比较符合要求。C口镜头的螺纹的直径是1英寸(25毫米)，每英寸32圈螺纹，根据“ANSI B1.1”标准设计，焦平面距离17.526mm。镜头将接收的光子聚焦于EMCCD芯片1上，获取光学图像。EMCCD芯片1的成像区受到光照接收光子，EMCCD芯片1将光信号转变为电信号并储存在EMCCD芯片1的势阱中，驱动电路2中的直流电平驱动和转移时钟驱动使EMCCD芯片1中成像区的电荷转移到存储区。驱动电路2中的电子倍增驱动使EMCCD芯片1的电荷完成电子倍增。驱动电路2中的直流电平驱动和读出时钟驱动使EMCCD芯片1中的每行的电荷挨个读出。电荷经过采样电路4中的预处理电路实现输出电压最大化，再由采样电路4中的AD9949处理。AD9949处理的顺序为采集信号，直流恢复(DC restore)，相关双采样(correlated double sampler)，彩色像素增益(PxGAgain)，VGA增益(variablegain amplifier)，光学黑电平钳位(optical black clamp)，消隐(blank)，最后输出，AD9949通过FPGA电路3配置，生成的数字信号经过FPGA电路3处理，生成符合成像要求的数据信号、时钟信号、控制信号，这些信号经过成像电路7实现成像。成像电路7有两种成像方式，第一种是Camera Link输出，该方式便于测试，但是不便于携带；第二种是PAL制输出，该方式便于携带，但是损失精度，因此将两种成像方式结合使用，在不同场合选用不同的成像方式。为了减小暗电流噪声，EMCCD芯片1内部集成了半导体制冷片，为半导体制冷片配置温控电路5，温控电路5内部控制回路包括误差放大器、PWM比较器、互补输出驱动，因此能够实现高精度和高安全性。系统配备上位机接口电路8用于实现相机和PC的通信。

结合图2，本发明制冷型电子倍增CCD相机系统的EMCCD驱动电路2由转移时钟驱动、读出时钟驱动、直流偏置驱动和电子倍增驱动组成，分别与FPGA电路3连接。转移时钟驱动由EL7457组成，EL7457使FPGA给出的时序信号实现电平转换和功率放大，从而能够驱动EMCCD芯片1进行电荷转移。读出时钟驱动由四路推挽电路组成。推挽电路将FPGA电路3提供的时序信号放大，从而驱动EMCCD进行电荷读出。直流偏置驱动由AD5305、LM324、分压电路组成。AD5305提供电压并且控制直流偏置驱动的上电顺序，电压经过LM324放大，分压电路分压，从而给出符合EMCCD芯片1工作所需的直流偏置电压。电子倍增驱动由LT2602、运放、谐振选频电路组成。LT2602通过FPGA电路3配置，经过放大，选频之后为EMCCD芯片1提供幅值可调的正弦波电压。

结合图2和图3，本发明制冷型电子倍增CCD相机系统的采样电路4由预处理电路和AD9949采样电路组成，预处理电路实现EMCCD芯片1输出的阻抗匹配，使EMCCD芯片1的输出幅值最大化。AD9949芯片符合CCD216的采样要求，经过采集信号、直流恢复(DC restore)、相关双采样(correlated double sampler)、彩色像素增益(PxGAgain)、VGA增益(variablegain amplifier)、光学黑电平钳位(optical black clamp)以及消隐(blank)，最后完成数字信号输出。

结合图2和图4，本发明制冷型电子倍增CCD相机系统的温控电路5由EMCCD芯片1内部半导体制冷片、EMCCD芯片1内部热敏电阻电路、控制芯片LTC1923组成。半导体制冷片利用派尔帖效应使EMCCD芯片1工作在稳定的低温环境下，热敏电阻由于其对温度敏感的特性，为温控电路提供环境温度数据，LTC1923是专用温度控制芯片，精度高，保护措施良好，广泛应用于激光器，CPU，医疗器械等一系列设备中。芯片内部包括误差放大器、PWM比较器、互补输出驱动。误差放大器的正向输入端由前级电路给出，反向输入端FB引脚。PWM比较器由误差放大器的输出端和振荡器控制组成。互补输出驱动控制MOS管组成的全桥开关，为EMCCD芯片1内部半导体制冷片提供双向电流。EMCCD芯片1内部半导体制冷片与LTC1923连接，EMCCD芯片1内部热敏电阻与LTC1923内部EAOUT管脚连接，LT2602与补偿反馈网络连接，用于设定目标温度值。TC1923内部FB管脚和EAOUT管脚通过一组并联的电容电阻连接，组成补偿网络。数字电位器及相关分压电路与LTC1923内部LIMIT管脚，H/C管脚连接，用于提供限流。AD7924与LTC1923内部TEC电压，TEC电流，H/C管脚连接，用于为FPGA电路3提供反馈。LTC1923与手册推荐的全桥电路连接，用于为EMCCD芯片1内部的半导体制冷片提供稳定制冷电流。

结合图5，本发明制冷型电子倍增CCD相机系统的系统供电电路6为系统提供稳定的直流电源。电源采用12VDC输入，经过电压转换芯片实现系统所需电压要求。其中转移时钟驱动需要的电压有5V，-5V，7V，9.75V。用LD1117将12VDC输入转为9.75V和7V，用LP2985将12VDC输入转成5V。用LT1372将5V转换成-10V，再用LM314将-10V转换成-5V。直流偏置驱动需要的电压有28V，3.3V，5V，12V。用LT1372将5V转换成34V再用LM314转换成28V，用LT1764EQ将5V转换成3.3V。5V和12V由前面搭建的电源转换电路提供。采样电路4所需的3V电压由LT1764EQ产生的3.3V电压经过另外一片LP2985生成。FPGA电路3所需要的1.2V，1.8V，2.5V，3V，3.3V，都通过LT1764EQ实现。

结合图2和图6，本发明制冷型电子倍增CCD相机系统的成像电路7实现系统的成像，成像输出模式为PAL制输出和Camera Link输出。其中，Camera Link输出采用base模式，由编码芯片DS90CR287实现编码功能，输出为5路差分信号，其中4路为数据信号，1路为时钟信号，连接器选用3M公司26pin MDR连接器，线缆选用Camera Link传输专用线缆，5路信号输出到NI采集卡中通过解码芯片将数据解码，最后实现成像。该成像模式数据传输速率快，抗干扰能力强，测试方便。PAL制输出使用ADV7123作为编码芯片，数据信号、同步信号和消隐信号通过ADV7123完成编码，并输出模拟信号，信号经过传输线传输到黑白监视器中，实现成像功能。监视器轻便，便于携带并且十分便宜，有利于扩展相机使用场景。成像电路7的数据信号、时钟信号、控制信号由FPGA电路3给出，成像电路7所需电源由系统供电电路6提供。

结合图2和图7，本发明制冷型电子倍增CCD相机系统的上位机接口电路8主要用于检测EMCCD芯片1的温度状态和配置EMCCD驱动电路2的倍增电压，积分时间和采样电路4中AD9949的部分寄存器参数。上位机接口电路8选用RS232传输协议，电平转换芯片选用MAX232，PC通过上位机接口电路8传输指令，指令传输至FPGA电路3以更改系统配置数据。

结合图2和图8，本发明制冷型电子倍增CCD相机系统的FPGA电路3为系统提供所需的时钟信号、控制信号、数据信号。FPGA电路3先完成自身上电，然后配置EMCCD驱动电路2的直流偏置信号，之后发出直流偏置配置结束信号。之后FPGA电路3配置EMCCD驱动电路2的其余驱动信号，使EMCCD芯片1正常工作，并输出模拟电压。与此同时FPGA电路3配置采样电路4使采样模块正常工作，采集EMCCD芯片1的输出并生成数字信号，同时FPGA电路3配置温控电路5，使EMCCD芯片1的工作温度逐渐降低直到达到设定值，以降低噪声。在采集到数字信号之后，FPGA电路3将得到的图像数字信号送入成像电路7，控制信号由前面配置的控制信号给出，在FPGA电路3生成的时钟的驱动下，实现图像的输出，最后在黑白监视器和CameraLink图像采集软件中实现成像。除此之外，FPGA电路3也通过串口与PC通信，完成指令传输。

Claims (8)

1.一种制冷型电子倍增CCD相机系统，其特征在于包括EMCCD芯片、EMCCD驱动电路、FPGA电路、采样电路、温控电路、系统供电电路、成像电路、上位机接口电路，所需系统供电电路分别与EMCCD芯片、EMCCD驱动电路、FPGA电路、采样电路、温控电路连接，并提供稳定电压；FPGA电路分别与EMCCD驱动电路、采样电路、温控电路、成像电路、上位机接口电路连接，为其提供所需时序；EMCCD芯片分别与EMCCD驱动电路、采样电路、温控电路、系统供电电路和镜头连接；

所述EMCCD芯片1的成像区受到光照接收光子，EMCCD芯片将光信号转变为电信号并储存在EMCCD芯片的势阱中，驱动电路中的直流电平驱动和转移时钟驱动使EMCCD芯片中成像区的电荷转移到存储区；驱动电路中的电子倍增驱动使EMCCD芯片的电荷完成电子倍增；驱动电路中的直流电平驱动和读出时钟驱动使EMCCD芯片中的每行的电荷挨个读出；电荷经过采样电路中的预处理电路实现输出电压最大化，再由采样电路中的AD9949处理，生成的数字信号经过FPGA电路处理，生成符合成像要求的数据信号、时钟信号、控制信号，这些信号经过成像电路实现成像；系统配备上位机接口电路用于实现相机和PC的通信。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于EMCCD驱动电路由转移时钟驱动、读出时钟驱动、直流偏置驱动和电子倍增驱动组成，分别与FPGA电路连接；转移时钟驱动由EL7457组成，EL7457使FPGA给出的时序信号实现电平转换和功率放大，从而能够驱动EMCCD芯片进行电荷转移；读出时钟驱动由四路推挽电路组成，推挽电路将FPGA电路提供的时序信号放大，从而驱动EMCCD进行电荷读出；直流偏置驱动由AD5305、LM324、分压电路组成，AD5305提供电压并且控制直流偏置驱动的上电顺序，电压经过LM324放大，分压电路分压，从而给出符合EMCCD芯片工作所需的直流偏置电压；电子倍增驱动由LT2602、运放、谐振选频电路组成，LT2602通过FPGA电路配置，经过放大，选频之后为EMCCD芯片1提供幅值可调的正弦波电压。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于FPGA电路为系统提供所需的时钟信号、控制信号、数据信号，FPGA电路先完成自身上电，然后配置EMCCD驱动电路的直流偏置信号，之后出直流偏置配置结束信号，最后FPGA电路配置EMCCD驱动电路的其余驱动信号，使EMCCD芯片正常工作，并输出模拟电压；同时，FPGA电路配置采样电路使采样模块正常工作，采集EMCCD芯片的输出并生成数字信号，同时FPGA电路配置温控电路，使EMCCD芯片的工作温度逐渐降低直到达到设定值，以降低噪声；在采集到数字信号之后，FPGA电路将得到的图像数字信号送入成像电路，在FPGA电路生成的时钟的驱动下，实现图像的输出，最后在黑白监视器和Camera Link图像采集软件中实现成像，此外，FPGA电路也通过串口与PC通信，完成指令传输。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于采样电路由预处理电路和AD9949采样电路组成，预处理电路实现EMCCD芯片输出的阻抗匹配，使EMCCD芯片的输出幅值最大化；AD9949芯片符合CCD216的采样要求，经过采集信号、直流恢复、相关双采样、彩色像素增益、VGA增益、光学黑电平钳位以及消隐，最后完成数字信号输出。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于温控电路由EMCCD芯片内部半导体制冷片、EMCCD芯片内部热敏电阻电路和控制芯片LTC1923组成，半导体制冷片利用派尔帖效应使EMCCD芯片工作在稳定的低温环境下，热敏电阻由于其对温度敏感的特性，为温控电路提供环境温度数据，LTC1923芯片内部包括误差放大器、PWM比较器、互补输出驱动，误差放大器的正向输入端由前级电路给出，反向输入端FB引脚，PWM比较器由误差放大器的输出端和振荡器控制组成，互补输出驱动控制MOS管组成的全桥开关，为EMCCD芯片内部半导体制冷片提供双向电流；

EMCCD芯片内部半导体制冷片与LTC1923连接，EMCCD芯片内部热敏电阻与LTC1923内部EAOUT管脚连接，LT2602与补偿反馈网络连接，用于设定目标温度值；TC1923内部FB管脚和EAOUT管脚通过一组并联的电容电阻连接，组成补偿网络；数字电位器及相关分压电路与LTC1923内部LIMIT管脚，H/C管脚连接，用于提供限流；AD7924与LTC1923内部TEC电压，TEC电流，H/C管脚连接，用于为FPGA电路提供反馈；LTC1923与手册推荐的全桥电路连接，用于为EMCCD芯片内部的半导体制冷片提供稳定制冷电流。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于系统供电电路为系统提供稳定的直流电源，电源采用12VDC输入，经过电压转换芯片实现系统所需电压要求；其中转移时钟驱动需要的电压有5V，-5V，7V，9.75V，用LD1117将12VDC输入转为9.75V和7V，用LP2985将12VDC输入转成5V，用LT1372将5V转换成-10V，再用LM314将-10V转换成-5V；直流偏置驱动需要的电压有28V，3.3V，5V，12V，用LT1372将5V转换成34V再用LM314转换成28V，用LT1764EQ将5V转换成3.3V，5V和12V由前面搭建的电源转换电路提供；采样电路所需的3V电压由LT1764EQ产生的3.3V电压经过另外一片LP2985生成，FPGA电路所需要的1.2V，1.8V，2.5V，3V，3.3V，都通过LT1764EQ实现。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于成像电路的成像输出模式为PAL制输出和Camera Link输出，Camera Link输出采用base模式，由编码芯片DS90CR287实现编码功能，输出为5路差分信号，其中4路为数据信号，1路为时钟信号，连接器选用26pin MDR连接器，线缆选用Camera Link传输专用线缆，5路信号输出到NI采集卡中通过解码芯片将数据解码，最后实现成像；PAL制输出使用ADV7123作为编码芯片，数据信号、同步信号和消隐信号通过ADV7123完成编码，并输出模拟信号，信号经过传输线传输到黑白监视器中，实现成像功能；成像电路的数据信号、时钟信号和控制信号由FPGA电路给出，成像电路所需电源由系统供电电路提供。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于上位机接口电路用于检测EMCCD芯片的温度状态和配置EMCCD驱动电路的倍增电压，积分时间和采样电路中AD9949的部分寄存器参数；上位机接口电路选用RS232传输协议，电平转换芯片选用MAX232，PC通过上位机接口电路传输指令，指令传输至FPGA电路以更改系统配置数据。