CN114697536A - 一种2k线阵相机和自动对相方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种2K线阵相机和自动对相方法。该2K线阵相机包括CCD传感器线阵、数字板、模拟板以及传输线缆，数字板用于计算输出时钟返回信号CRS和寄存器输出时钟CR的传输相位差，并将传输相位差补偿至输出信号返回信号OSR与寄存器输出时钟CR的相位差中。本发明实施例能够实现相位自动校准功能，动态地减少相机寄存器输出时钟与相机输出信号的时序相位因传输线缆受外在干扰、自身老化等原因产生的相位偏差，保证输出信号返回信号OSR与寄存器输出时钟CR具有近乎相同的相位，降低图像像素灰度的准确度受线缆差异的影响。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光刻机技术领域，尤其涉及一种2K线阵相机和自动对相方法。
背景技术
投影光刻机是一种把掩膜图案通过投影物镜投影到硅片表面的设备。在光刻机的曝光过程中，如果硅片相对于物镜焦平面离焦或倾斜，会使曝光视场内某些区域处于有效焦深之外，将严重影响光刻质量，因此必须采用调焦调平系统进行精确控制。
图1是现有的光刻机调焦调平系统的控制逻辑示意图，参考图1，常见的调焦调平的控制逻辑中，采用多个相机分别采集打在运动台上的多个斑点图像，其中斑点位置对应表明需要调平调焦的点；当相机采集到数据以后，首先传输给图像处理板101，通过FPGA芯片完成粗定位；而后将粗定位的数据传输给多点拟合板102，由多点拟合板102中的DSP芯片进行数据运算得到各个斑点位置的垂向高度数据；而后将该数据告知运动台，运动台会根据各个斑点位置的高度进行垂向控制，使运动台实现调焦调平。
在该控制方案中，可以看出一个图像处理板设置有三个接口，分别对应接收三个相机的图像采集数据。而当需要进行图像采集的相机数量增多即当调平调焦点增多的时候，由于接口与算力的限制，所需的板卡数量增多，软件的版本也会随之增多。而且，现有的调焦调平系统中，受图像采集卡的接口限制，图像数据传输速率与处理速率由图像采集板与多点拟合板中速率最慢的那块板卡决定。可以理解，当所需的调焦调平点较多时，通过线缆传输信号过程中，容易因线缆差异而在时序上引入相位差，使得各个调焦调平点的同步延时性难以得到保障。
发明内容
本发明提供一种2K线阵相机和自动对相方法，以实现时序自动对相功能，减少传输方式对相机图像质量传播的动态影响。
第一方面，本发明实施例提供了一种2K线阵相机，包括CCD传感器线阵、数字板、模拟板以及传输线缆，所述数字板通过所述传输线缆与所述模拟板电连接，所述模拟板与所述CCD传感器线阵电连接；
所述数字板用于通过所述传输线缆向所述模拟板发送寄存器输出时钟CR；
所述模拟板用于将所述寄存器输出时钟CR分流为寄存器输出时钟RCR和寄存器输出基准时钟CRR，其中，所述寄存器输出时钟RCR用于激励所述CCD传感器线阵产生输出信号OS；
所述模拟板还用于将所述寄存器输出基准时钟CRR和所述输出信号OS从所述传输线缆传输返回所述数字板；
所述数字板还用于接收输出时钟返回信号CRS和输出信号返回信号OSR，其中，所述输出时钟返回信号CRS与所述寄存器输出基准时钟CRR对应，所述输出信号返回信号OSR与所述输出信号OS对应；
所述数字板还用于计算所述输出时钟返回信号CRS和所述寄存器输出时钟CR的传输相位差，并将所述传输相位差补偿至所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差中。
可选地，所述数字板包括第一信号相位处理模块和第二信号相位处理模块，所述第一信号相位处理模块和所述第二信号相位处理模块电连接；
所述第一信号相位处理模块用于分别接收所述寄存器输出时钟CR和所述输出时钟返回信号CRS，并计算所述输出时钟返回信号CRS和所述寄存器输出时钟CR的传输相位差；
所述第二信号相位处理模块用于分别接收所述寄存器输出时钟CR、所述输出信号返回信号OSR以及所述传输相位差，并计算所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差，且在计算过程中，将所述传输相位差补偿至所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差中。
可选地，所述数字板还包括CR输出模块，CRS接收模块和OSR接收模块；所述模拟板还包括信号分流模块、RCR接收模块、CRR接收模块和OS输出模块；
所述传输线缆分别与所述CR输出模块、所述CRS接收模块、所述OSR接收模块、所述信号分流模块、所述CRR接收模块和所述OS输出模块电连接；所述CR输出模块还分别与所述第一信号相位处理模块和所述第二信号相位处理模块电连接；所述信号分流模块还分别与所述RCR接收模块和所述CRR接收模块电连接；所述CRS接收模块还与所述第一信号相位处理模块电连接；所述OSR接收模块还与所述第二信号相位处理模块电连接；
所述CR输出模块用于通过所述传输线缆向所述信号分流模块发送所述寄存器输出时钟CR；
所述信号分流模块用于将所述寄存器输出时钟CR分流，并将所述寄存器输出时钟RCR发送给所述RCR接收模块，将所述寄存器输出基准时钟CRR发送给所述CRR接收模块；
所述RCR接收模块用于将所述寄存器输出时钟RCR发送给所述CCD传感器线阵，并激励其产生所述输出信号OS；
所述OS输出模块用于将所述CCD传感器线阵产生的所述输出信号OS通过所述传输线缆发送给所述OSR接收模块；
所述CRR接收模块用于将所述寄存器输出基准时钟CRR通过所述传输线缆发送给所述CRS接收模块。
可选地，所述数字板还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述第二信号相位处理模块电连接；
所述信号处理模块用于根据所述输出信号返回信号OSR和所述寄存器输出时钟CR，对所述输出信号返回信号OSR进行数据处理并生成图像数据。
可选地，所述传输线缆为差分双绞线。
可选地，所述模拟板包括相互层叠的第一模拟板和第二模拟板，所述第一模拟板与所述第二模拟板电连接，所述第一模拟板与所述数字板电连接，所述第二模拟板与所述CCD传感器阵列电连接。
可选地，所述第一模拟板与所述第二模拟板采用联排插针的方式电连接。
可选地，所述模拟板还包括CCD驱动电路、CCD偏置电压电路、缓冲电路、前置放大电路、单端转差分电路和电源模块。
可选地，所述数字板还包括差分转单端电路、AFE单处理芯片、FPGA芯片、转接口电路、电源模块和CAM接口电路。
第二方面，本发明实施例还提供了一种线阵相机的自动对相方法，采用如第一方面任一项所述的2K线阵相机执行，所述自动对相方法包括：
通过传输线缆向模拟板发送寄存器输出时钟CR，所述模拟板将所述寄存器输出时钟CR分流为寄存器输出时钟RCR和寄存器输出基准时钟CRR，其中，所述寄存器输出时钟RCR用于激励所述CCD传感器线阵产生输出信号OS；并将所述寄存器输出基准时钟CRR和所述输出信号OS从所述传输线缆传输返回；
接收输出时钟返回信号CRS和输出信号返回信号OSR，其中，所述输出时钟返回信号CRS与所述寄存器输出基准时钟CRR对应，所述输出信号返回信号OSR与所述输出信号OS对应；
计算所述输出时钟返回信号CRS和所述寄存器输出时钟CR的传输相位差，并将所述传输相位差补偿至所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差中。
可选地，所述数字板包括第一信号相位处理模块和第二信号相位处理模块，所述第一信号相位处理模块和所述第二信号相位处理模块电连接；
所述数字板还包括CR输出模块，CRS接收模块和OSR接收模块；所述模拟板还包括信号分流模块、RCR接收模块、CRR接收模块和OS输出模块；
所述传输线缆分别与所述CR输出模块、CRS接收模块、OSR接收模块、所述信号分流模块、所述CRR接收模块和OS输出模块电连接；所述CR输出模块还分别与所述第一信号相位处理模块和所述第二信号相位处理模块电连接；所述信号分流模块还分别与所述RCR接收模块和所述CRR接收模块电连接；所述CRS接收模块还与所述第一信号相位处理模块电连接；所述OSR接收模块还与所述第二信号相位处理模块电连接；
通过传输线缆向模拟板发送寄存器输出时钟CR，所述模拟板将所述寄存器输出时钟CR分流为寄存器输出时钟RCR和寄存器输出基准时钟CRR，其中，所述寄存器输出时钟RCR用于激励所述CCD传感器线阵产生输出信号OS；并将所述寄存器输出基准时钟CRR和所述输出信号OS从相同通道传输返回，包括：
所述CR输出模块通过所述传输线缆向所述信号分流模块发送所述寄存器输出时钟CR；
所述信号分流模块将所述寄存器输出时钟CR分流，并将所述寄存器输出时钟RCR发送给所述RCR接收模块，将所述寄存器输出基准时钟CRR发送给所述CRR接收模块；
所述RCR接收模块用于将所述寄存器输出时钟RCR发送给所述CCD传感器线阵，并激励其产生所述输出信号OS；
接收输出时钟返回信号CRS和输出信号返回信号OSR，其中，所述输出时钟返回信号CRS与所述寄存器输出基准时钟CRR对应，所述输出信号返回信号OSR与所述输出信号OS对应，包括：
所述OS输出模块用于将所述CCD传感器线阵产生的所述输出信号OS通过所述传输线缆发送给所述OSR接收模块；
所述CRR接收模块用于将所述寄存器输出基准时钟CRR通过所述传输线缆发送给所述CRS接收模块；
计算所述输出时钟返回信号CRS和所述寄存器输出时钟CR的传输相位差，并将所述传输相位差补偿至所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差中，包括：
所述第一信号相位处理模块分别接收所述寄存器输出时钟CR和所述输出时钟返回信号CRS，并计算所述输出时钟返回信号CRS和所述寄存器输出时钟CR的传输相位差；
所述第二信号相位处理模块分别接收所述寄存器输出时钟CR、所述输出信号返回信号OSR以及所述传输相位差，并计算所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差，且在计算过程中，将所述传输相位差补偿至所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差中。
可选地，所述数字板还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述第二信号相位处理模块电连接；
计算所述输出时钟返回信号CRS和所述寄存器输出时钟CR的传输相位差，并将所述传输相位差补偿至所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差中，还包括：
所述信号处理模块根据所述输出信号返回信号OSR和所述寄存器输出时钟CR，对所述输出信号返回信号OSR进行数据处理并生成图像数据。
本发明实施例通过在数字板和模拟板上设置相应的功能模块，利用该功能模块可以预先计算获得传输线缆引起的相位变化，并将该相位变化补偿至CCD传感器线阵反馈的输出信号中，能够保证在对输出信号返回信号OSR进行数据处理时，按照准确的时钟基准进行处理，或者，可以保证输出信号返回信号OSR与寄存器输出时钟CR具有近乎相同的相位，从而可以获得准确的图像数据，减少因传输线缆差异引入的时序相位差的影响，从而降低图像像素灰度的准确度受线缆差异的影响。本实施例提供的2K线阵相机及其对相方法，实质上实现了相位自动校准功能，可以动态地减少相机寄存器输出时钟与相机输出信号的时序相位因传输线缆受外在干扰、自身老化等原因产生的相位偏差。
附图说明
图1是现有的光刻机调焦调平系统的控制逻辑示意图；
图2是本发明实施例提供的一种2K线阵相机的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种线阵相机的自动对相方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的另一种2K线阵相机的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种线阵相机的自动对相方法的流程图；
图6是本发明实施例提供的2K线阵相机的光电信号检测电路原理图；
图7是本发明实施例提供的CCD传感器原始信号及对应处理信号的示意图；
图8是本发明实施例提供的模拟板前端接口电路的结构框图；
图9是本发明实施例提供的数字板的电路结构框图；
图10是本发明实施例提供的CCD传感器的输出信号示意图；
图11是本发明实施例提供的CCD传感器相关双采样的原理图；
图12是本发明实施例提供的CCD传感器的驱动时序图；
图13是本发明实施例提供的CCD传感器的内部时序图；
图14是本发明实施例提供的2K线阵相机模拟板的正视图；
图15是图14所示2K线阵相机模拟板的侧视立体图；
图16是本发明实施例提供的CCD传感器电流放大电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图2是本发明实施例提供的一种2K线阵相机的结构示意图，参考图2，该2K线阵相机包括CCD传感器线阵10、数字板20、模拟板30以及传输线缆40，数字板20通过传输线缆40与模拟板30电连接，模拟板30与CCD传感器线阵10电连接；
数字板20用于通过传输线缆40向模拟板30发送寄存器输出时钟CR；模拟板30用于将寄存器输出时钟CR分流为寄存器输出时钟RCR和寄存器输出基准时钟CRR，其中，寄存器输出时钟RCR用于激励CCD传感器线阵10产生输出信号OS；模拟板30还用于将寄存器输出基准时钟CRR和输出信号OS从传输线缆30传输返回数字板20；数字板20还用于接收输出时钟返回信号CRS和输出信号返回信号OSR，其中，输出时钟返回信号CRS与寄存器输出基准时钟CRR对应，输出信号返回信号OSR与输出信号OS对应；
数字板20还用于计算输出时钟返回信号CRS和寄存器输出时钟CR的传输相位差，并将传输相位差补偿至输出信号返回信号OSR与寄存器输出时钟CR的相位差中。
其中，CCD传感器线阵10中的CCD传感器按照线阵排列，形成线阵相机，示例性地，可将该2K线阵相机中设置包括2048个像素，每个像素尺寸为13×500um。此处像素2048即CCD传感器的数量，像素排布越密集，则表明该线阵相机的分辨率越高，成像越清晰。传输线缆40负责数字板20和模拟板30之间的数据传输，具体可选用差分双绞线作为传输线缆。数字板20和模拟板30是该2K线阵相机的控制中心和数据处理机构，其用于控制和激励CCD传感器线阵10采集图像的模拟数据，同时，也用于对CCD传感器线阵10采集的模拟数据进行处理，形成数字信号数据。可以理解，CCD传感器为光电转换器件，其识别图像的过程实质是将光信号转换为电信号的过程，该转换后的电信号原始数据需要经放大、滤波等处理过程。本实施例中，模拟板30的主要功能则是将CCD传感器的输出信号放大输出，还需要通过驱动电压模块，根据数字板20发出的FPGA指令产生传感器的驱动电压，即激励CCD传感器线阵10工作。此外，模拟板30还具有将CCD传感器线阵10的输出信号转换为差分信号的作用，数字板20的主要功能则包括接收模拟板30提供的差分信号，经过模数转换后形成数字信号并进行数据处理形成图像数据。
基于上述的2K线阵相机，本发明实施例还提供了一种线阵相机的自动对相方法。图3是本发明实施例提供的一种线阵相机的自动对相方法的流程图，参考图2和图3，该线阵相机的自动对相方法由本发明实施例提供的2K线阵相机执行，具体可包括：
S110、通过传输线缆向模拟板发送寄存器输出时钟CR，模拟板将寄存器输出时钟CR分流为寄存器输出时钟RCR和寄存器输出基准时钟CRR，其中，寄存器输出时钟RCR用于激励CCD传感器线阵产生输出信号OS；并将寄存器输出基准时钟CRR和输出信号OS从传输线缆传输返回；
S120、接收输出时钟返回信号CRS和输出信号返回信号OSR，其中，输出时钟返回信号CRS与寄存器输出基准时钟CRR对应，输出信号返回信号OSR与输出信号OS对应；
S130、计算输出时钟返回信号CRS和寄存器输出时钟CR的传输相位差，并将传输相位差补偿至输出信号返回信号OSR与寄存器输出时钟CR的相位差中。
如上实施例中提供的2K线阵相机及其自动对相方法，实质上是对数字板20和模拟板30的激励以及数据反馈处理的过程进行了优化。其中，在激励CCD传感器线阵10工作的过程中，利用模拟板30将数字板20提供的寄存器输出时钟CR分流为寄存器输出时钟RCR和寄存器输出基准时钟CRR，利用寄存器输出时钟RCR对CCD传感器线阵10进行激励，从而产生输出信号OS。本领域技术人员可以理解，输出信号OS通过传输线缆40反馈给数字板20时在一定程度上都会由于线缆差异引入时序相位差，因此，以数字板20所提供的寄存器输出时钟CR对比模拟板30提供的输出信号OS时，会存在一定的相位差。因此，在对输出信号OS进行数据处理和分析，形成图像数据时，易导致图像的失真。
然而本实施例中，在通过传输线缆40将输出信号OS反馈给数字板20的同时，还会将寄存器输出基准时钟CRR反馈给数字板20。由于传输线缆本身差异引入时序相位差时对信号存在普适性，因此返回的寄存器输出基准时钟CRR也会携带相同的时序相位差。换言之，数字板20对应接收寄存器输出基准时钟CRR和输出信号OS所获得的输出时钟返回信号CRS和输出信号返回信号OSR包含相同的时序相位差。可以理解，输出时钟返回信号CRS的时序相位中仅包含传输线缆引起的相位变化，计算和分析寄存器输出时钟CR和输出时钟返回信号CRS的时序相位差即可明确获知传输线缆40引起的相位差的量。本实施例中，利用数字板20将输出时钟返回信号CRS和寄存器输出时钟CR的传输相位差，补偿至输出信号返回信号OSR与寄存器输出时钟CR的相位差中，能够保证在对输出信号返回信号OSR进行数据处理时，按照准确的时钟基准进行处理，或者，可以保证输出信号返回信号OSR与寄存器输出时钟CR具有近乎相同的相位，从而可以获得准确的图像数据，减少因传输线缆差异引入的时序相位差的影响，从而降低图像像素灰度的准确度受线缆差异的影响。本实施例提供的2K线阵相机及其对相方法，实质上实现了相位自动校准功能，可以动态地减少相机寄存器输出时钟与相机输出信号的时序相位因传输线缆受外在干扰、自身老化等原因产生的相位偏差。
需要说明的是，输出时钟返回信号CRS和寄存器输出时钟CR的相位差，是数字板20通过传输线缆40向模拟板30提供时钟信号，再由模拟板30通过传输线缆40返回数字板20的两次传输引起的，同理，输出信号返回信号OSR与寄存器输出时钟CR的相位差中同样存在该两次传输时产生的相等的相位差。
下面针对上述实施例中CCD传感器线阵、数字板和模拟板的具体结构进行详细介绍。图4是本发明实施例提供的另一种2K线阵相机的结构示意图，参考图2和图4，该2K线阵相机中，可选地，数字板20包括第一信号相位处理模块21和第二信号相位处理模块22，第一信号相位处理模块21和第二信号相位处理模块22电连接。第一信号相位处理模块21用于分别接收寄存器输出时钟CR和输出时钟返回信号CRS，并计算输出时钟返回信号CRS和寄存器输出时钟CR的传输相位差；第二信号相位处理模块22用于分别接收寄存器输出时钟CR、输出信号返回信号OSR以及传输相位差，并计算输出信号返回信号OSR与寄存器输出时钟CR的相位差，且在计算过程中，将传输相位差补偿至输出信号返回信号OSR与寄存器输出时钟CR的相位差中。
同时，数字板20还包括CR输出模块23，CRS接收模块24和OSR接收模块25；模拟板30还包括信号分流模块31、RCR接收模块32、CRR接收模块33和OS输出模块34；传输线缆40分别与CR输出模块23、CRS接收模块24、OSR接收模块25、信号分流模块31、CRR接收模块33和OS输出模块34电连接；CR输出模块23还分别与第一信号相位处理模块21和第二信号相位处理模块22电连接；信号分流模块31还分别与RCR接收模块32和CRR接收模块33电连接；CRS接收模块24还与第一信号相位处理模块21电连接；OSR接收模块还25与第二信号相位处理模块22电连接；CR输出模块23用于通过传输线缆40向信号分流模块31发送寄存器输出时钟CR；信号分流模块31用于将寄存器输出时钟CR分流，并将寄存器输出时钟RCR发送给RCR接收模块32，将寄存器输出基准时钟CRR发送给CRR接收模块33；RCR接收模块32用于将寄存器输出时钟RCR发送给CCD传感器线阵10，并激励其产生输出信号OS；OS输出模块34用于将CCD传感器线阵10产生的输出信号OS通过传输线缆40发送给OSR接收模块25；CRR接收模块33用于将寄存器输出基准时钟CRR通过传输线缆40发送给CRS接收模块24。
进一步可选地，数字板20还包括信号处理模块26，信号处理模块26与第二信号相位处理模块22电连接；信号处理模块26用于根据输出信号返回信号OSR和寄存器输出时钟CR，对输出信号返回信号OSR进行数据处理并生成图像数据。
在如图4所示的2K线阵相机的基础上，本发明实施例同样提供了对应的自动对相方法。图5是本发明实施例提供的另一种线阵相机的自动对相方法的流程图，参考图4和图5，该线阵相机的自动对相方法包括：
S111、CR输出模块通过传输线缆向信号分流模块发送寄存器输出时钟CR；
S112、信号分流模块将寄存器输出时钟CR分流，并将寄存器输出时钟RCR发送给RCR接收模块，将寄存器输出基准时钟CRR发送给CRR接收模块；
S113、RCR接收模块用于将寄存器输出时钟RCR发送给CCD传感器线阵，并激励其产生输出信号OS；
S121、OS输出模块用于将CCD传感器线阵产生的输出信号OS通过传输线缆发送给OSR接收模块；
S122、CRR接收模块用于将寄存器输出基准时钟CRR通过传输线缆发送给CRS接收模块；
S131、第一信号相位处理模块分别接收寄存器输出时钟CR和输出时钟返回信号CRS，并计算输出时钟返回信号CRS和寄存器输出时钟CR的传输相位差；
S132、第二信号相位处理模块分别接收寄存器输出时钟CR、输出信号返回信号OSR以及传输相位差，并计算输出信号返回信号OSR与寄存器输出时钟CR的相位差，且在计算过程中，将传输相位差补偿至输出信号返回信号OSR与寄存器输出时钟CR的相位差中。
S133、信号处理模块根据输出信号返回信号OSR和寄存器输出时钟CR，对输出信号返回信号OSR进行数据处理并生成图像数据。
本发明实施例通过在数字板和模拟板上设置相应的功能模块，利用该功能模块可以预先计算获得传输线缆引起的相位变化，并将该相位变化补偿至CCD传感器线阵反馈的输出信号中，使得数字板能够获得准确的CCD传感器线阵输出信号，保证相机可以提供准确的图像输出值。在上述实施例的基础上，下面对本发明实施例提供的2K线阵相机的其他电路及外观结构进行详细介绍。首先，该2K线阵相机可设计具备小型化和散热良好的性能，示例性地，具体的性能参数如下：
对于该2K线阵相机的电路结构设计，本实施例针对传感器的输出信号特点和光电传感器的一般特性，设计了如图6所示的光电信号检测电路。整个设计分为电源设计、驱动电路设计、前端接口电路、A/D转换以及接口电路五部分，其中CCD传感器线阵和部分前端接口电路放置在前端，即置于模拟板中，如图6中的左虚线框内的电路结构；FPGA控制器、部分模拟前端、A/D转换电路、电源模块和Camera link接口电路放置在后端，即置于数字板中。
具体地，模拟板中主要包含缓冲电路、前置放大电路、驱动电路、偏置电压电路、单端转差分电路和电源模块，具体连接方式详见附图，此处不做赘述。CCD传感器的输出信号由于是负极性的离散模拟信号，并且混杂有幅度较大的复位脉冲干扰，为了获得高质量的脉冲光谱信号，本实施例可设置先在CCD传感器输出信号的前端接口电路进行预处理，而后经过A/D转换，进行进一步的处理。图7是本发明实施例提供的CCD传感器原始信号及对应处理信号的示意图，可以理解，处理后的视频信号呈正极性，并且能够排除复位脉冲的干扰，可实现高质量的脉冲光谱信号，有助于2K线阵相机的图像还原，保证图像质量。
图8是本发明实施例提供的模拟板前端接口电路的结构框图，参考图8，模拟板中设置的前端接口电路可包括CCD驱动电路、CCD偏置电压电路、缓冲电路、前置放大电路、单端转差分电路和电源模块，其中CCD偏置电压电路和CCD驱动电路用于分别向CCD传感器提供偏置电压和驱动CCD传感器工作，CCD传感器输出的视频信号通过缓冲电路、前置放大电路的预处理，再由单端转差分电路转换为差分信号。其中，电源模块负责为CCD驱动电路、CCD偏置电压电路、缓冲电路、前置放大电路和单端转差分电路中的至少一个电路供电。在本发明实施例中，除缓冲、前置放大以及单端转差分电路外，可选其他大部分模拟信号处理电路可设置于后端的数字板中。
图9是本发明实施例提供的数字板的电路结构框图，参考图9，数字板主要包含差分转单端电路、AFE单处理芯片、FPGA芯片、转接口电路、电源模块和CAM接口电路。其中，模拟前端电路采用AFE单处理芯片处理，主要功能有箝位电路、相关双采用、增益放大和A/D转换电路。箝位设计目的是实现直流电平箝位。由于CCD传感器的输出信号包含了一个较大的直流成分，这个直流量很容易造成放大器的饱和或者引起共模效应。因此，CCD传感器的输出信号往往不能直接加到后续放大器的输入端。直流恢复目的是从信号中恢复出优化的信号直流分量，即将叠加在CCD传感器上的直流电平恢复到一个期望值。在实际电路设计中，直流恢复的实现是将前置放大后的CCD输出信号经过一个耦合电容连接到相关双采样(CDS)芯片的CCD信号输入端。CDS芯片会在输入箝位脉冲(CLAMP)为高电平时，在耦合电容端产生一个理想的直流偏置电压。所以需要为相关双采样设计一个合理的箝位脉冲。此脉冲信号一般由FPGA芯片产生。
图10是本发明实施例提供的CCD传感器的输出信号示意图，图11是本发明实施例提供的CCD传感器相关双采样的原理图。本发明实施例中，相关双采样是根据CCD传感器输出信号和噪声信号的特点而设计，它能消除复位噪声的干扰，可以显著改善动态光谱检测系统的信噪比，提高信号检测精度，其原理是利用复位噪声在同一像素周期内近似为常数。因此，只要把同一像素周期内的参考电平和信号电平进行两次采样，再进行相减，即可消除复位噪声。
图12是本发明实施例提供的CCD传感器的驱动时序图，图13是本发明实施例提供的CCD传感器的内部时序图，表1为图12和图13中各节点和阶段的说明，图中T1为采集周期。首先参考图12，若没有曝光控制PR，自由曝光时间为t1；若有曝光控制PR，则曝光时间为t2。本发明实施例中，设计采用曝光时间可控，即通过PR信号控制曝光时间。通过对图12和图13的时序图分析得知，相机同步时序通过控制TCK(转移时钟)和PR(曝光控制)达到对CCD的有效控制，CCD传感器的图像读取和传输的时间共180us。
表1
| 时间 | 描述 | 取值(μs) |
| ti | 积分时间 | 60 |
| td1 | 触发下降沿至曝光开始时间 | 5.5 |
| td2 | 触发上降沿至曝光结束时间 | <1 |
| tt | 曝光结束至读取开始时间 | 102 |
| th | 触发建立时间 | 1 |
| Other | A/D、FPGA内部耗时及线路延时 | 10 |
| T | 总计 | 180 |
此外，需要说明的是，数字板和模拟板中电路噪声的来源主要是由前置放大电路、电平转换和A/D转换引入的噪声，而整个电路的等效噪声为7.1mV。当输入光强为100％时，CCD输出为饱和状态，其输出电压为2.35V，经过0.4倍的衰减后Us有效电压为1V，Un是模拟电路等效得到的电压噪声7.1mV，信噪比SNR＝42.9dB，有效位深7.1bit。当输入光强为40％时，CCD输出电压为2.35×40％＝0.94V，经过0.426倍的衰减后Us有效电压为0.4V，模拟电路等效电压噪声Un仍按最大值7.1mV计算。信噪比SNR＝35dB，有效位深5.8bit。通过上述分析，电路的信噪比主要跟传感器的暗噪声有关。在40％的光强下，本发明实施例可满足50倍的系统重复性需求。
具体地，图14是本发明实施例提供的2K线阵相机模拟板的正视图，图15是图14所示2K线阵相机模拟板的侧视立体图，参考图4、图14和图15，在本发明实施例中，可选模拟板30包括相互层叠的第一模拟板301和第二模拟板302，第一模拟板301与第二模拟板302电连接，第一模拟板301与数字板20电连接，第二模拟板302与CCD传感器线阵电连接。具体地，可设置第一模拟板301与第二模拟板302采用联排插针的方式电连接，具体可设置模拟板与数字板之间通过小型DF22或定制线缆进行连接。
其中，第二模拟板302可设置为双层PCB板，主要用于安装插件类型器件，CCD传感器线阵10设置在第二模拟板302上；第一模拟板301可采用多层PCB板的结构设计，主要用于设置驱动电路和偏置电路。本实施例中，将模拟板设置为第一模拟板和第二模拟板，可以将模拟板上的各功能模块或电路由同一平面PCB板平铺，改为在两个平面PCB板上平铺，从而能够在平面上缩小整个模拟板的面积，缩小模拟板的体积，从而使整个2K线阵相机实现小型化。同时，将模拟板设置为第一模拟板和第二模拟板，可以将部分发热电路或器件与CCD传感器线阵在空间上分离，即将发热电路或器件与CCD传感器线阵分别设置在第一模拟板和第二模拟板上，示例性地，可将CCD输出信号的最后一级放大器负载不设置在CCD内部，而是集成在CCD传感器线阵的片外电路上，即第一模拟板的电路中，此时CCD自身产生的热量较少，放大器负载产生的热量也不会影响CCD传感器，从而可使CCD传感器性能更稳定。
此外，对于模拟板PCB中的电路设计，在布设电路板时，驱动电路应尽量靠近CCD传感器的管脚，这样可以使CCD传感器能更好地获得时序脉冲波形，防止长距离的干扰，以免影响CCD正常工作。CCD视频信号处理器的数字供电电源通过铁氧体磁珠和模拟电源在高频进行隔离，同时其数字电路部分的瞬态电流由供电引脚的去耦电容提供。
需要说明的是，本实施例中，CCD传感器的输出的视频信号电流非常小，也即，CCD传感器的输出信号不足以驱动后面的视频信号处理电路。基于此，本发明实施例中，可选在CCD传感器的输出级后加一级电流放大电路，从而提高带负载的能力。该电流放大电路在电路布局上，可尽量靠近CCD传感器的输出端，以减少传输延迟和噪声的引入。图16是本发明实施例提供的CCD传感器电流放大电路的结构示意图，参考图16，示例性地，本实施例中，可在CCD传感器芯片输出端设置的缓冲电路中设置电流放大电路，其中包括三极管Q1、电感和电容。通过三极管的电流放大，可稳定增大CCD传感器的输出电流，从而能够实现对视频处理电路的驱动，保证后端视频信号的处理。当然，此处的电流放大电路的结构以及与CCD的连接方式仅为一种示例，本领域技术人员也可根据实际的电路进行设计，此处不做限制。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (12)
1.一种2K线阵相机，其特征在于，包括CCD传感器线阵、数字板、模拟板以及传输线缆，所述数字板通过所述传输线缆与所述模拟板电连接，所述模拟板与所述CCD传感器线阵电连接；
所述数字板用于通过所述传输线缆向所述模拟板发送寄存器输出时钟CR；
所述模拟板用于将所述寄存器输出时钟CR分流为寄存器输出时钟RCR和寄存器输出基准时钟CRR，其中，所述寄存器输出时钟RCR用于激励所述CCD传感器线阵产生输出信号OS；
所述模拟板还用于将所述寄存器输出基准时钟CRR和所述输出信号OS从所述传输线缆传输返回所述数字板；
所述数字板还用于接收输出时钟返回信号CRS和输出信号返回信号OSR，其中，所述输出时钟返回信号CRS与所述寄存器输出基准时钟CRR对应，所述输出信号返回信号OSR与所述输出信号OS对应；
所述数字板还用于计算所述输出时钟返回信号CRS和所述寄存器输出时钟CR的传输相位差，并将所述传输相位差补偿至所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差中。
2.根据权利要求1所述的2K线阵相机，其特征在于，所述数字板包括第一信号相位处理模块和第二信号相位处理模块，所述第一信号相位处理模块和所述第二信号相位处理模块电连接；
所述第一信号相位处理模块用于分别接收所述寄存器输出时钟CR和所述输出时钟返回信号CRS，并计算所述输出时钟返回信号CRS和所述寄存器输出时钟CR的传输相位差；
所述第二信号相位处理模块用于分别接收所述寄存器输出时钟CR、所述输出信号返回信号OSR以及所述传输相位差，并计算所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差，且在计算过程中，将所述传输相位差补偿至所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差中。
3.根据权利要求2所述的2K线阵相机，其特征在于，所述数字板还包括CR输出模块，CRS接收模块和OSR接收模块；所述模拟板还包括信号分流模块、RCR接收模块、CRR接收模块和OS输出模块；
所述传输线缆分别与所述CR输出模块、所述CRS接收模块、所述OSR接收模块、所述信号分流模块、所述CRR接收模块和所述OS输出模块电连接；所述CR输出模块还分别与所述第一信号相位处理模块和所述第二信号相位处理模块电连接；所述信号分流模块还分别与所述RCR接收模块和所述CRR接收模块电连接；所述CRS接收模块还与所述第一信号相位处理模块电连接；所述OSR接收模块还与所述第二信号相位处理模块电连接；
所述CR输出模块用于通过所述传输线缆向所述信号分流模块发送所述寄存器输出时钟CR；
所述信号分流模块用于将所述寄存器输出时钟CR分流，并将所述寄存器输出时钟RCR发送给所述RCR接收模块，将所述寄存器输出基准时钟CRR发送给所述CRR接收模块；
所述RCR接收模块用于将所述寄存器输出时钟RCR发送给所述CCD传感器线阵，并激励其产生所述输出信号OS；
所述OS输出模块用于将所述CCD传感器线阵产生的所述输出信号OS通过所述传输线缆发送给所述OSR接收模块；
所述CRR接收模块用于将所述寄存器输出基准时钟CRR通过所述传输线缆发送给所述CRS接收模块。
4.根据权利要求2所述的2K线阵相机，其特征在于，所述数字板还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述第二信号相位处理模块电连接；
所述信号处理模块用于根据所述输出信号返回信号OSR和所述寄存器输出时钟CR，对所述输出信号返回信号OSR进行数据处理并生成图像数据。
5.根据权利要求1所述的2K线阵相机，其特征在于，所述传输线缆为差分双绞线。
6.根据权利要求1所述的2K线阵相机，其特征在于，所述模拟板包括相互层叠的第一模拟板和第二模拟板，所述第一模拟板与所述第二模拟板电连接，所述第一模拟板与所述数字板电连接，所述第二模拟板与所述CCD传感器阵列电连接。
7.根据权利要求6所述的2K线阵相机，其特征在于，所述第一模拟板与所述第二模拟板采用联排插针的方式电连接。
8.根据权利要求6所述的2K线阵相机，其特征在于，所述模拟板还包括CCD驱动电路、CCD偏置电压电路、缓冲电路、前置放大电路、单端转差分电路和电源模块。
9.根据权利要求1所述的2K线阵相机，其特征在于，所述数字板还包括差分转单端电路、AFE单处理芯片、FPGA芯片、转接口电路、电源模块和CAM接口电路。
10.一种线阵相机的自动对相方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的2K线阵相机执行，所述自动对相方法包括：
通过传输线缆向模拟板发送寄存器输出时钟CR，所述模拟板将所述寄存器输出时钟CR分流为寄存器输出时钟RCR和寄存器输出基准时钟CRR，其中，所述寄存器输出时钟RCR用于激励所述CCD传感器线阵产生输出信号OS；并将所述寄存器输出基准时钟CRR和所述输出信号OS从所述传输线缆传输返回；
接收输出时钟返回信号CRS和输出信号返回信号OSR，其中，所述输出时钟返回信号CRS与所述寄存器输出基准时钟CRR对应，所述输出信号返回信号OSR与所述输出信号OS对应；
计算所述输出时钟返回信号CRS和所述寄存器输出时钟CR的传输相位差，并将所述传输相位差补偿至所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差中。
11.根据权利要求10所述的线阵相机的自动对相方法，其特征在于，所述数字板包括第一信号相位处理模块和第二信号相位处理模块，所述第一信号相位处理模块和所述第二信号相位处理模块电连接；
所述数字板还包括CR输出模块，CRS接收模块和OSR接收模块；所述模拟板还包括信号分流模块、RCR接收模块、CRR接收模块和OS输出模块；
所述传输线缆分别与所述CR输出模块、CRS接收模块、OSR接收模块、所述信号分流模块、所述CRR接收模块和OS输出模块电连接；所述CR输出模块还分别与所述第一信号相位处理模块和所述第二信号相位处理模块电连接；所述信号分流模块还分别与所述RCR接收模块和所述CRR接收模块电连接；所述CRS接收模块还与所述第一信号相位处理模块电连接；所述OSR接收模块还与所述第二信号相位处理模块电连接；
通过传输线缆向模拟板发送寄存器输出时钟CR，所述模拟板将所述寄存器输出时钟CR分流为寄存器输出时钟RCR和寄存器输出基准时钟CRR，其中，所述寄存器输出时钟RCR用于激励所述CCD传感器线阵产生输出信号OS；并将所述寄存器输出基准时钟CRR和所述输出信号OS从相同通道传输返回，包括：
所述CR输出模块通过所述传输线缆向所述信号分流模块发送所述寄存器输出时钟CR；
所述信号分流模块将所述寄存器输出时钟CR分流，并将所述寄存器输出时钟RCR发送给所述RCR接收模块，将所述寄存器输出基准时钟CRR发送给所述CRR接收模块；
所述RCR接收模块用于将所述寄存器输出时钟RCR发送给所述CCD传感器线阵，并激励其产生所述输出信号OS；
接收输出时钟返回信号CRS和输出信号返回信号OSR，其中，所述输出时钟返回信号CRS与所述寄存器输出基准时钟CRR对应，所述输出信号返回信号OSR与所述输出信号OS对应，包括：
所述OS输出模块用于将所述CCD传感器线阵产生的所述输出信号OS通过所述传输线缆发送给所述OSR接收模块；
所述CRR接收模块用于将所述寄存器输出基准时钟CRR通过所述传输线缆发送给所述CRS接收模块；
计算所述输出时钟返回信号CRS和所述寄存器输出时钟CR的传输相位差，并将所述传输相位差补偿至所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差中，包括：
所述第一信号相位处理模块分别接收所述寄存器输出时钟CR和所述输出时钟返回信号CRS，并计算所述输出时钟返回信号CRS和所述寄存器输出时钟CR的传输相位差；
所述第二信号相位处理模块分别接收所述寄存器输出时钟CR、所述输出信号返回信号OSR以及所述传输相位差，并计算所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差，且在计算过程中，将所述传输相位差补偿至所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差中。
12.根据权利要求11所述的线阵相机的自动对相方法，其特征在于，所述数字板还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述第二信号相位处理模块电连接；
计算所述输出时钟返回信号CRS和所述寄存器输出时钟CR的传输相位差，并将所述传输相位差补偿至所述输出信号返回信号OSR与所述寄存器输出时钟CR的相位差中，还包括：
所述信号处理模块根据所述输出信号返回信号OSR和所述寄存器输出时钟CR，对所述输出信号返回信号OSR进行数据处理并生成图像数据。
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Cited By (1)
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| CN118333836A (zh) * | 2024-06-12 | 2024-07-12 | 浙江禾川科技股份有限公司 | 一种图像定位方法、装置、设备及介质 |
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