CN109660722B - 具有可变像素增益的电子倍增成像系统 - Google Patents

具有可变像素增益的电子倍增成像系统 Download PDF

Info

Publication number
CN109660722B
CN109660722B CN201811535355.5A CN201811535355A CN109660722B CN 109660722 B CN109660722 B CN 109660722B CN 201811535355 A CN201811535355 A CN 201811535355A CN 109660722 B CN109660722 B CN 109660722B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gain
pga
electron multiplication
max
minimum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201811535355.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109660722A (zh
Inventor
余达
刘金国
韩诚山
郭疆
魏君成
朱立禄
孙铭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Original Assignee
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS filed Critical Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority to CN201811535355.5A priority Critical patent/CN109660722B/zh
Publication of CN109660722A publication Critical patent/CN109660722A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109660722B publication Critical patent/CN109660722B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/60—Control of cameras or camera modules
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H04N23/54—Mounting of pick-up tubes, electronic image sensors, deviation or focusing coils
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/741—Circuitry for compensating brightness variation in the scene by increasing the dynamic range of the image compared to the dynamic range of the electronic image sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/63—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to dark current

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

具有可变像素增益的电子倍增成像系统，涉及一种电子倍增成像系统，解决现有EMCCD成像中，恒定的像素增益无法保证在各种光照条件下获得高信噪比成像的问题，入射光成像在EMCCD图像传感器上；成像控制器产生的时序驱动信号经驱动电路进行功率放大和电平转换后送入EMCCD图像传感器；成像控制器产生的控制信号经控制电路后对EMCCD图像传感器进行增益的选择；EMCCD图像传感器输出的信号送入视频处理器组进行视频处理，视频处理器组输出数字图像信号至成像控制器，成像控制器对接收的数字图像信号进行图像数据的调理后输出；本发明根据入射光能量的大小来选择不同的增益组合，从而实现最大的信噪比和动态范围。

Description

具有可变像素增益的电子倍增成像系统
技术领域
本发明涉及一种电子倍增成像系统，具体涉及一种具有可变像素增益的电子倍增成像系统。
背景技术
基于电子倍增功能成像，在输入信号能量较低的情况下，信噪比会随着倍增增益的提高而提高，但倍增增益设置得过高可能会导致信噪比随后降低；但由于电子倍增过程引入了额外噪声因子和时钟诱导噪声，在输入光能量较强的情况下反而会使信噪比下降。对于EMCCD成像，在各种增益中，数字增益仅仅对数字图像进行数字拉伸，无法对信噪比进行改变；模拟增益能降低量化噪声和放大器噪声，但也不能改变读出噪声；像素增益(电荷电压转换系数)可同时降低量化噪声、放大器噪声和读出噪声，但可获得的像素增益值有限；电子倍增增益可同时降低量化噪声、放大器噪声和读出噪声，而且倍增增益值可设置得很大，但会额外增加电子倍增噪声和时钟诱导噪声。
发明内容
本发明为解决现有EMCCD成像中，恒定的像素增益无法保证在各种光照条件下获得高信噪比成像的问题，提供一种具有可变像素增益的电子倍增成像系统。
具有可变像素增益的电子倍增成像系统，包括EMCCD图像传感器、驱动电路、控制电路、预放组、视频处理器组和成像控制器；
入射光成像在EMCCD图像传感器上；成像控制器产生的时序驱动信号经驱动电路进行功率放大和电平转换后送入EMCCD图像传感器；成像控制器产生的控制信号经控制电路后对EMCCD图像传感器进行增益的选择；EMCCD图像传感器内的光信号进行光电转换后经电子倍增和可变像素增益的放大器，然后经预放组后送入视频处理器组进行视频处理，视频处理器组输出数字图像信号至成像控制器，所述成像控制器对接收的数字图像信号进行图像数据的调理后输出；
所述电子倍增成像系统的信噪比如下式：
Figure GDA0001982228450000021
获得的动态范围为：
Figure GDA0001982228450000022
式中，kmultiply为电子倍增增益，sin为当前入射光等效电子数，sdark为暗电流对应电子数，kpix为读出放大器的像素增益(电荷电压转换系统相关)，kPGA为PGA放大器的增益值，
Figure GDA0001982228450000023
为读出噪声的平方，
Figure GDA0001982228450000024
为量化噪声的平方，
Figure GDA0001982228450000025
为放大器噪声的平方，式中量化噪声
Figure GDA0001982228450000026
为时钟诱导电荷相关的噪声的平方；F为电子倍增过程的额外噪声因子；sFWC为电子倍增增益设置1且PGA放大器增益值设置1且像素增益设置1时对应的满阱电荷数；
当
Figure GDA0001982228450000027
即：当前入射光等效电子数sin和暗电流对应电子数sdark使用最高的像素增益kpix_max、最高的电子倍增增益kmultiply_max和最大的PGA增益kPGA_max也不能使探测器处于饱和时，则使用最高像素增益kpix_max、电子倍增增益kmultiply_max和最大的PGA增益kPGA_max，获得最大信噪比为：
Figure GDA0001982228450000028
对应的动态范围为：
Figure GDA0001982228450000029
当
Figure GDA00019822284500000210
时，即：使用最高的像素增益kpix_max、最高的电子倍增增益kmultiply_max和最大的PGA增益kPGA_max时，探测器会饱和，而使用最高的电子倍增增益kmultiply_max、最高的像素增益kpix_max和最小的PGA增益kPGA_min时，探测器不会饱和；则将像素增益设置为最大，电子倍增增益设置为最大，PGA增益设置为：
Figure GDA0001982228450000031
对应的信噪比为：
Figure GDA0001982228450000032
获得的动态范围为：
Figure GDA0001982228450000033
当
Figure GDA0001982228450000034
时，即：使用最高的电子倍增增益kmultiply_max、最高的像素增益kpix_max和最小的PGA增益kPGA_min时，探测器也会饱和，而使用最小的电子倍增增益kmultiply_min、最高的像素增益kpix_max和最小的PGA增益kPGA_min时，探测器不会饱和；则将PGA增益设置为最小，像素增益设置为最大，电子倍增增益kmultiply设置设为：
Figure GDA0001982228450000035
对应的信噪比为：
Figure GDA0001982228450000036
获得的动态范围为：
Figure GDA0001982228450000041
当
Figure GDA0001982228450000042
时，即：使用最高的像素增益kpix_max、最小的电子倍增增益1和最小的PGA增益kPGA_min时，探测器也会饱和，而使用最小的像素增益kpix_min、最小的电子倍增增益1和最小的PGA增益kPGA_min时，探测器不会饱和；则将PGA增益设置为最小，电子倍增设置为1，像素增益kpix设置为：
Figure GDA0001982228450000043
对应的信噪比为：
Figure GDA0001982228450000044
获得的动态范围为：
Figure GDA0001982228450000045
本发明的有益效果：本发明根据入射光能量的大小来选择不同的增益组合，从而实现最大的信噪比和动态范围。具体存在以下优点：
一、本发明所述的电子倍增成像系统在入射强光照射的情况下，选择低电荷转换因子的普通输出通道，设置最低的模拟增益，从而可实现最高的满阱电荷数，最终获得高的信噪比；
二、本发明所述的电子倍增成像系统在入射较弱光照射的情况下，选择高电荷转换因子的普通输出通道，设置最低的模拟增益，从而可获得较低的读出噪声，最终获得高的信噪比；
三、本发明所述的电子倍增成像系统在入射很弱光照射的情况下，选择高电荷转换因子的电子倍增输出通道，设置最低的模拟增益，从而可获得最低的读出噪声，最终获得高的信噪比；
四、本发明所述的电子倍增成像系统在入射极弱光照射的情况下，选择高电荷转换因子的电子倍增输出通道，电子倍增增益设置为最高，模拟增益根据入射光等效的电子数设置，从而可获得最低的读出噪声和较低的放大器噪声及量化噪声，最终获得高的信噪比；
五、本发明所述的电子倍增成像系统在入射极弱光照射的情况下，选择高电荷转换因子的电子倍增输出通道，电子倍增增益设置为最高，模拟增益设置为最大，从而可获得最低的读出噪声和放大器噪声及量化噪声，最终获得高的信噪比。
附图说明
图1为本发明所述的具有可变像素增益的电子倍增成像系统的结构框图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，具有可变像素增益的电子倍增成像系统，包含EMCCD图像传感器、驱动电路、控制电路、预放组、视频处理器组和成像控制器。入射光成像在EMCCD图像传感器上；成像控制器产生的时序驱动信号经驱动电路进行功率放大和电平转换后送入EMCCD图像传感器；成像控制器产生的控制信号经控制电路后对EMCCD进行增益的选择；EMCCD图像传感器内进行光电转换后经电子倍增和可变的像素增益的放大器，经预放组后送入视频处理器组进行视频处理，视频处理器组输出数字图像信号到成像控制器；成像控制器对接收到的数字图像信号进行图像数据的调理后输出。
所述EMCCD图像传感器内部包含光电转换、电子倍增和可变像素的输出放大器，输出的电荷电压转换系数可调整；电子倍增成像系统的信噪比和动态范围如下:
Figure GDA0001982228450000051
在当前参数的条件下，得到的动态范围为：
Figure GDA0001982228450000061
对于EMCCD图像传感器成像，kmultiply为电子倍增增益，sin为入射光等效电子数，sdark为暗电流对应电子数，kpix为读出放大器的像素增益(电荷电压转换系统相关)，kPGA为PGA放大器的增益值，
Figure GDA0001982228450000062
为读出噪声的平方，
Figure GDA0001982228450000063
为量化噪声的平方，
Figure GDA0001982228450000064
为放大器噪声的平方，式中量化噪声
Figure GDA0001982228450000065
为时钟诱导电荷(CIC)相关的噪声的平方；F为电子倍增过程的额外噪声因子；sFWC为电子倍增增益设置1且PGA放大器增益值设置1且像素增益设置1时对应的满阱电荷数。
(1)当
Figure GDA0001982228450000066
也就是当前入射光等效电子数sin和暗电流对应电子数sdark，使用最高的像素增益kpix_max、电子倍增增益kmultiply_max、最大的PGA增益kPGA_max也不能是探测器处于饱和时，此时使用最高像素增益kpix_max、电子倍增增益kmultiply_max和最大的PGA增益kPGA_max，得到的最大信噪比为
Figure GDA0001982228450000067
对应的信噪比为：
Figure GDA0001982228450000068
(2)当
Figure GDA0001982228450000069
时，也就是使用最高的像素增益kpix_max、最高的电子倍增增益kmultiply_max和最大的PGA增益kPGA_max时，探测器会饱和，而使用最高的电子倍增增益kmultiply_max、最高的像素增益kpix_max和最小的PGA增益kPGA_min时，此时像素增益设置为最大，电子倍增增益设置为最大，PGA增益设置为：
Figure GDA0001982228450000071
对应的信噪比为：
Figure GDA0001982228450000072
在当前参数的条件下，得到的动态范围为：
Figure GDA0001982228450000073
(3)当
Figure GDA0001982228450000074
时，也就是使用最高的电子倍增增益kmultiply_max、最高的像素增益kpix_max和最小的PGA增益kPGA_min时，探测器也会饱和，而使用最小的电子倍增增益kmultiply_min、最高的像素增益kpix_max和最小的PGA增益kPGA_min时，探测器不会饱和；此时的PGA增益设置为最小，像素增益设置为最大，电子倍增增益设置设为kmultiply；
Figure GDA0001982228450000075
对应的信噪比为：
Figure GDA0001982228450000076
在当前参数的条件下，得到的动态范围为：
Figure GDA0001982228450000081
(4)当
Figure GDA0001982228450000082
时，也就是使用最高的像素增益kpix_max、最小的电子倍增增益1和最小的PGA增益kPGA_min时，探测器也会饱和，而使用最小的像素增益kpix_min、最小的电子倍增增益1和最小的PGA增益kPGA_min时，探测器不会饱和；此时的PGA增益设置为最小，电子倍增设置为最小的1，像素增益设置为kpix；
Figure GDA0001982228450000083
对应的信噪比为：
Figure GDA0001982228450000084
在当前参数的条件下，得到的动态范围为：
Figure GDA0001982228450000085
本实施方式所述的成像控制器采用Xilinx公司的FPGA 6vlx550tff1760；EMCCD图像传感器采用定制的探测器；预放组采用基于LM6715的预放电路；视频处理器组采用基于TDA9965的视频处理电路；驱动电路采用EL7212等电平转换芯片；控制电路采用基于施密特反相器的电路。

Claims (1)

1.具有可变像素增益的电子倍增成像系统，包括EMCCD图像传感器、驱动电路、控制电路、预放组、视频处理器组和成像控制器；其特征是：
入射光成像在EMCCD图像传感器上；成像控制器产生的时序驱动信号经驱动电路进行功率放大和电平转换后送入EMCCD图像传感器；成像控制器产生的控制信号经控制电路后对EMCCD图像传感器进行增益的选择；EMCCD图像传感器内光信号进行光电转换后经电子倍增和可变像素增益的放大器，然后经预放组后送入视频处理器组进行视频处理，视频处理器组输出数字图像信号至成像控制器，所述成像控制器对接收的数字图像信号进行图像数据的调理后输出；
所述电子倍增成像系统的信噪比如下式：
Figure FDA0002532227530000011
获得的动态范围为：
Figure FDA0002532227530000012
式中，kmultiply为电子倍增增益，sin为当前入射光等效电子数，sdark为暗电流对应电子数，kpix为读出放大器的像素增益，kPGA为PGA放大器的增益值，
Figure FDA0002532227530000013
为读出噪声的平方，
Figure FDA0002532227530000014
为量化噪声的平方，
Figure FDA0002532227530000015
为放大器噪声的平方，式中量化噪声
Figure FDA0002532227530000016
Figure FDA0002532227530000017
为时钟诱导电荷相关的噪声的平方，DN为灰度值；F为电子倍增过程的额外噪声因子；sFWC为电子倍增增益设置1且PGA放大器增益值设置1且像素增益设置1时对应的满阱电荷数；
当
Figure FDA0002532227530000018
即：当前入射光等效电子数sin和暗电流对应电子数sdark使用最高的像素增益kpix_max、最高的电子倍增增益kmultiply_max和最大的PGA增益kPGA_max也不能使探测器处于饱和时，则使用最高像素增益kpix_max、电子倍增增益kmultiply_max和最大的PGA增益kPGA_max，获得最大信噪比为：
Figure FDA0002532227530000021
对应的动态范围为：
Figure FDA0002532227530000022
当
Figure FDA0002532227530000023
时，即使用最高的像素增益kpix_max、最高的电子倍增增益kmultiply_max和最大的PGA增益kPGA_max时，探测器会饱和，而使用最高的电子倍增增益kmultiply_max、最高的像素增益kpix_max和最小的PGA增益kPGA_min时，探测器不会饱和；则将像素增益设置为最大，电子倍增增益设置为最大，PGA增益设置为：
Figure FDA0002532227530000024
对应的信噪比为：
Figure FDA0002532227530000025
获得的动态范围为：
Figure FDA0002532227530000026
当
Figure FDA0002532227530000027
时，即使用最高的电子倍增增益kmultiply_max、最高的像素增益kpix_max和最小的PGA增益kPGA_min时，探测器也会饱和，而使用最小的电子倍增增益kmultiply_min、最高的像素增益kpix_max和最小的PGA增益kPGA_min时，探测器不会饱和；则将PGA增益设置为最小，像素增益设置为最大，电子倍增增益kmultiply设置设为：
Figure FDA0002532227530000031
对应的信噪比为：
Figure FDA0002532227530000032
获得的动态范围为：
Figure FDA0002532227530000033
当
Figure FDA0002532227530000034
时，即使用最高的像素增益kpix_max、最小的电子倍增增益1和最小的PGA增益kPGA_min时，探测器也会饱和，而使用最小的像素增益kpix_min、最小的电子倍增增益1和最小的PGA增益kPGA_min时，探测器不会饱和；则将PGA增益设置为最小，电子倍增设置为1，像素增益kpix设置为：
Figure FDA0002532227530000035
对应的信噪比为：
Figure FDA0002532227530000036
获得的动态范围为：
Figure FDA0002532227530000037
CN201811535355.5A 2018-12-14 2018-12-14 具有可变像素增益的电子倍增成像系统 Expired - Fee Related CN109660722B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811535355.5A CN109660722B (zh) 2018-12-14 2018-12-14 具有可变像素增益的电子倍增成像系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811535355.5A CN109660722B (zh) 2018-12-14 2018-12-14 具有可变像素增益的电子倍增成像系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109660722A CN109660722A (zh) 2019-04-19
CN109660722B true CN109660722B (zh) 2020-11-13

Family

ID=66114206

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811535355.5A Expired - Fee Related CN109660722B (zh) 2018-12-14 2018-12-14 具有可变像素增益的电子倍增成像系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109660722B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102769723A (zh) * 2012-04-13 2012-11-07 南京理工大学 快速高精度电子倍增ccd自动增益系统及方法
CN104764454A (zh) * 2015-03-30 2015-07-08 北京控制工程研究所 一种基于emccd的高动态星敏感器
CN107238436A (zh) * 2017-05-12 2017-10-10 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于电子倍增的超光谱成像系统
CN107677369A (zh) * 2017-09-21 2018-02-09 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7830425B2 (en) * 2008-07-11 2010-11-09 Cmos Sensor, Inc. Areal active pixel image sensor with programmable row-specific gain for hyper-spectral imaging

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102769723A (zh) * 2012-04-13 2012-11-07 南京理工大学 快速高精度电子倍增ccd自动增益系统及方法
CN104764454A (zh) * 2015-03-30 2015-07-08 北京控制工程研究所 一种基于emccd的高动态星敏感器
CN107238436A (zh) * 2017-05-12 2017-10-10 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于电子倍增的超光谱成像系统
CN107677369A (zh) * 2017-09-21 2018-02-09 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN109660722A (zh) 2019-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7667176B2 (en) Readout technique for increasing or maintaining dynamic range in image sensors
CN101534376B (zh) 用于改善的动态范围的具有多个读取电路路径的图像传感器设备和方法
US6137533A (en) System and method for enhancing dynamic range in images
US8310576B2 (en) Imaging system and driving method thereof with image output based on signal amplification
US7763837B2 (en) Method and apparatus for controlling anti-blooming timing to reduce effects of dark current
CN101917551B (zh) 一种多次曝光的高动态范围图像获取方法
US9967499B2 (en) Readout circuit for image sensors
US7440012B2 (en) Method and apparatus for optimizing image sensor noise and dynamic range
CN109951655B (zh) 双转换增益图像传感器的实现方法
CN110809122A (zh) 应用于cmos图像传感器的动态扩展方法
US20110221944A1 (en) Cmos image sensor having a wide linear dynamic range
CN109660722B (zh) 具有可变像素增益的电子倍增成像系统
US20110164146A1 (en) Adaptive Frame Rate Control System and Method for an Image Sensor
US10313617B2 (en) Image capturing apparatus, control method for the same, and storage medium
EP1675383A2 (en) Image capturing apparatus and method for correcting nonlinear images
CN1259795C (zh) 高动态范围的数字视讯信号处理电路及其中的电路元件
CN104469192A (zh) 补偿电路和图像传感器
JP2005304009A (ja) 電荷結合素子の電圧制御装置、および制御方法
CN102223491B (zh) 一种低分辨率adc实现高分辨率模数转换的方法及其系统
JP2006279812A (ja) 輝度信号処理装置
CN101753782B (zh) 一种斜坡起始电压的动态调整方法和装置
CN112396670B (zh) 面向新型二进制图像传感器的图像重建方法
Fan et al. Research of noise reduction and nonuniformity correction for CMOS image sensor
CN114979522A (zh) 一种自适应像素级高动态cmos图像传感器及其实现方法
JP2021176218A (ja) 撮像装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20201113

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee