電子倍增CCD多模式驅(qū)動設(shè)計

王大勇，李彩霞，葉凌云

(浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，浙江杭州，310027)

0 引言

由于生物醫(yī)學(xué)，天文及軍事等領(lǐng)域的需要，微光成像技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展。為在低照度環(huán)境下，獲取清晰圖像，必須提高CCD的探測靈敏度和信噪比，防止有效信號湮沒在背景噪聲中。電子倍增CCD在傳統(tǒng)的CCD結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入一級增益寄存器，實現(xiàn)片上增益，抑制了在傳統(tǒng)CCD中占主導(dǎo)因素的讀出噪聲，目前已廣泛應(yīng)用于微光探測、醫(yī)療成像及航空航天等領(lǐng)域［1～3］。

常規(guī)的電子倍增CCD驅(qū)動設(shè)計，雖能獲取圖像信號，但對應(yīng)用場合有一定要求和限制。文獻［4，5］中提出的方法雖可通過調(diào)節(jié)曝光時間，獲取不同光照環(huán)境下的圖像，但機械快門本身的延時較大，而電子快門又是某些電子倍增CCD所特有的。為拓寬電子倍增CCD使用場合，必須設(shè)計多種驅(qū)動模式，減少不必要的浪費。

本文在超低照度下目標(biāo)物體快速檢測的應(yīng)用背景下，通過對提高圖像信噪比和采集速度的研究，提出了電子倍增CCD的4種驅(qū)動模式，以實現(xiàn)高質(zhì)量微光圖像的快速采集，具體為:1)增益調(diào)節(jié):電子倍增可有效提高圖像信噪比，為適應(yīng)不同場合，還要求增益可調(diào);2)曝光時間調(diào)節(jié):為在不同光照下獲取清晰圖像，需要曝光時間可調(diào)，而幀轉(zhuǎn)型CCD本身的曝光啟動和結(jié)束標(biāo)志較特殊，文獻［6］雖然也實現(xiàn)了曝光時間調(diào)節(jié)，但其最小曝光時間為5.165 ms，本文要求的最小值為10μs;3)開窗模式:在目標(biāo)物體較小時，為實現(xiàn)快速定位，可只輸出目標(biāo)物體所在區(qū)域，提高幀頻;4)曝光同步:為配合后端的檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，要求前端的電子倍增CCD采集系統(tǒng)能接收曝光同步命令，實現(xiàn)統(tǒng)一控制。本文對上述4個工作模式進行分析，給出具體的實現(xiàn)方案，最后設(shè)計實驗進行驗證。

1 電子倍增CCD結(jié)構(gòu)與工作原理

目前生產(chǎn)電子倍增CCD的主要是英國的E2V公司和美國的TI公司，本文選用了E2V公司L3Vision電子倍增CCD，其采用反向輸出抑制暗電流噪聲，等效輸出噪聲小于一個電子;通過背照式技術(shù)提高量子效率，在可見光波段，量子效率高達 93%［7，8］。

如圖1(a)所示，電子倍增CCD由成像區(qū)、存儲區(qū)、水平移位讀出寄存器和倍增寄存器構(gòu)成。本文選用的電子倍增CCD的分辨率是512×512，其感光區(qū)和存儲區(qū)的大小為528行×536列，頭尾分別包含8個暗像參考行，在每行的左右兩側(cè)分別包含12個暗像參考元。水平讀出寄存器長度為536，在水平寄存器和倍增寄存器之間有16個過渡單元。RΦ2HV和RΦDC分別是電子倍增所需要的高幅驅(qū)動信號和直流偏置［10］，如圖 1(b)。

圖1 電子倍增CCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure of electron multiplication CCD

電子倍增CCD工作過程是:1)曝光階段:成像區(qū)通過光電效應(yīng)，形成電荷勢阱;2)幀轉(zhuǎn)移:在528個成像區(qū)和存儲區(qū)驅(qū)動時序共同作用下，將成像區(qū)中電子逐行轉(zhuǎn)移到存儲區(qū);3)行轉(zhuǎn)移:在行轉(zhuǎn)移時序驅(qū)動下，整個存儲區(qū)下移一行，因此，最后一行被移入水平寄存器;4)像素轉(zhuǎn)移:在552個像元時序驅(qū)動下，水平寄存器中的電荷移入增益寄存器進行電子倍增。

2 電子倍增CCD多模式驅(qū)動設(shè)計

2.1 多模式驅(qū)動總體設(shè)計

本文設(shè)計的多模式驅(qū)動原理框圖如圖2所示，采用UART協(xié)議傳遞驅(qū)動模式參數(shù);為避免時鐘抖動引起的采樣漂移，選用D/A轉(zhuǎn)換器(ADC)的同源時鐘作為系統(tǒng)時鐘;曝光同步信號以脈沖形式精確傳遞曝光命令;輸出幀同步和行同步以進行圖像的有效采集。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig 2 Block diagram of system

FPGA作為系統(tǒng)主控芯片，用來解析UART命令，還原多模式參數(shù);控制上電順序以實現(xiàn)電子倍增CCD的安全上電;設(shè)計復(fù)雜的驅(qū)動時序邏輯以實現(xiàn)電子倍增CCD的幀轉(zhuǎn)移、行轉(zhuǎn)移和像素轉(zhuǎn)移。為進一步降低暗噪聲，設(shè)計了溫度控制電路，其通過電子倍增CCD內(nèi)部的熱敏電阻器獲取當(dāng)前工作溫度，再利用PID算法驅(qū)動內(nèi)置的半導(dǎo)體制冷器，使電子倍增CCD工作在-10℃。

2.2 增益調(diào)節(jié)

增益可調(diào)是通過調(diào)節(jié)RΦ2HV的最高幅值實現(xiàn)的。本文利用高頻變壓器產(chǎn)生高幅值正弦信號，通過峰值檢測電路捕獲正弦信號的最大值，并將其通過電阻反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋到前端，實現(xiàn)閉環(huán)控制，得到穩(wěn)定輸出。因為增益值與RΦ2HV峰值呈指數(shù)關(guān)系，可用數(shù)字電位器與一固定電阻器并聯(lián)的方式削弱非線性。利用SPI接口配置數(shù)字電位器，使RΦ2HV幅值在37～45 V可調(diào)，可配置級數(shù)為256，對應(yīng)的增益值為1～1000。

2.3 曝光時間調(diào)節(jié)

因為幀轉(zhuǎn)型CCD在幀轉(zhuǎn)移結(jié)束后，圖像區(qū)自動進入感光模式，在常規(guī)設(shè)計中，圖像區(qū)的感光和存儲區(qū)的行轉(zhuǎn)移是并行進行的，這樣不僅無法實現(xiàn)曝光同步，而且曝光時間的最小值便是所有像素讀出時間。本文通過兩次幀轉(zhuǎn)移，最小曝光時間可達到10μs。第一次幀轉(zhuǎn)移將圖像區(qū)在行轉(zhuǎn)移和像素轉(zhuǎn)移時積累的電荷轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)，轉(zhuǎn)移完畢后開始真正曝光，待滿足曝光時間后，開始第二次幀轉(zhuǎn)移。

2.4 開窗模式調(diào)節(jié)

本文選用的電子倍增CCD有一路行清除信號DG，可以將水平寄存器的電荷快速移入襯底。通過該方法對無效行只需進行行轉(zhuǎn)移，而不必經(jīng)過像素轉(zhuǎn)移，從而大大提高幀頻。通過開窗位置參數(shù)M和開窗大小參數(shù)N，可從512×512中選取任意連續(xù)行作為感興趣區(qū)域，進行快速輸出。

2.5 曝光同步調(diào)節(jié)

本文設(shè)計了2種同步模式:自同步和外同步。自同步不需要曝光同步命令，幀轉(zhuǎn)移完畢后，自動開始曝光;外同步模式則必須在接收到外界提供的曝光同步命令后才開始曝光。

自同步模式用于系統(tǒng)剛啟動時，在不清楚目標(biāo)物體所在位置時，連續(xù)輸出整幀圖像，同時調(diào)節(jié)鏡頭焦距與方向，在捕獲到目標(biāo)物體后，檢測系統(tǒng)開始控制，此時將同步模式切換到外同步模式。為保證同步命令的實時性，以脈沖形式傳遞命令。

2.6 整體實現(xiàn)流程

設(shè)計的多模式驅(qū)動的整體工作流程如圖3。

兩次幀轉(zhuǎn)移的間隔便是有效曝光時間，可通過UART配置;因為兩次幀轉(zhuǎn)移都有電荷轉(zhuǎn)入水平寄存器，所以，在像素轉(zhuǎn)移前需對水平寄存器清除;利用DG信號對感興趣區(qū)域前后的M行和527-M-N行進行快速清除;最后根據(jù)同步模式判斷:若是自同步，則直接進入下個循環(huán)，若是外同步，則進入曝光等待模式，直到接收到曝光同步脈沖后進入下個循環(huán)。所有模式參數(shù)都是在進入下次循環(huán)前進行統(tǒng)一更新。

圖3 電子倍增CCD整體工作流程圖Fig 3 Overall working flow chart of the electron multiplication CCD

3 實驗結(jié)果分析

設(shè)計以下實驗對設(shè)計的驅(qū)動模式進行驗證:1)系統(tǒng)啟動時工作于內(nèi)同步模式，連續(xù)輸出全幀圖像，待觀測到目標(biāo)后切換到外同步模式;2)根據(jù)當(dāng)前圖像亮暗，調(diào)節(jié)曝光時間和電子倍增增益，保持合適的曝光量，提高圖像清晰度和對比度;3)根據(jù)目標(biāo)大小及其在圖像中的位置，調(diào)節(jié)開窗模式，選取感興趣的區(qū)域進行快速輸出，提高幀頻。

圖4是在不同曝光時間(T)和電子倍增增益(RΦ2HV)下獲取的圖像，表1是對應(yīng)的灰度值(后端采樣用16位A/D轉(zhuǎn)換器)。

圖4 不同曝光時間和增益下電子倍增CCD成的像Fig 4 Images of electron multiplication CCD in different exposure time and gain

表1 三幅圖像的具體灰度值Tab 1 Gray value of above three images

由圖4(a)和(b)對比可知，在微光條件下，若曝光時間太短，圖像整體偏暗，可增加曝光時間以提高整體灰度;圖4(a)和(c)的對比說明，通過電子倍增，同樣可提高圖像灰度值和對比度，這是由于電子倍增抑制了輸出噪聲，從而提高了圖像信噪比。但電子倍增增益值與RΦ2HV信號的幅值呈指數(shù)關(guān)系，非常敏感，需謹慎調(diào)節(jié)。圖4(c)的增益值為200，某些圖像細節(jié)已經(jīng)消失，前42列也由黑變白，這是由于電荷量過度飽和，行頭的12個暗像參考元已無法完全吸收，影響到了512個有效像元。

在獲取清晰的512×512圖像后，根據(jù)目標(biāo)物體所在位置與大小選擇合適的開窗模式，在本次實驗中感興趣目標(biāo)是最大的光斑。圖5(a)是取前256行進行輸出，發(fā)現(xiàn)可以選取更小的感興趣區(qū)域，因此，取101～228行進行輸出，如圖5(b)所示。

圖5 不同窗模式下的圖像Fig 5 Images in different window modes

利用本文的方法，一幀圖像的輸出時間T_frame為

其中，T_exposure為曝光時間，范圍為 10μs～40.96 ms，步進10μs可調(diào);K為感興趣區(qū)域的行數(shù)，范圍為1～512。

在曝光時間為2 ms前提下，幀頻與圖像大小的關(guān)系如表2所示，可見通過開窗模式，可大幅度提高幀頻。

表2 幀頻與圖像大小關(guān)系Tab 2 Relationship between frame frequency and image size

4 結(jié)論

本文在分析電子倍增CCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合微光環(huán)境和實際需要，設(shè)計了電子倍增CCD的4種驅(qū)動模式:1)自同步與外同步切換;2)曝光時間調(diào)節(jié)，利用兩次幀轉(zhuǎn)移實現(xiàn)10μs～40.96 ms的10μs步進可調(diào);3)增益調(diào)節(jié)，驅(qū)動信號峰值電壓在37～50V可調(diào)，對應(yīng)增益是1～1000;4)開窗模式，從1～512行中選取感興趣的任意連續(xù)行進行快速輸出，大大提高幀頻。利用本文提出的方法，可在低照度條件下獲取清晰圖像，該方法同樣適用于其他幀轉(zhuǎn)移型CCD。

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