[發明專利]通用型電子倍增CCD驅動系統及其方法

有效

• 申請號: 201710524708.0
• 申請日: 2017-06-30
• 公開（公告）號: CN107277397B
• 公開（公告）日: 2019-09-13
• 發明（設計）人: 何偉基;盧斯洋;曾超林;陳錢;顧國華;張聞文;錢惟賢;隋修寶;任侃;于雪蓮;李宏哲
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H04N5/372
• 分類號: H04N5/372;H04N5/378
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

本發明公開了一種通用型電子倍增CCD驅動系統及其方法，該系統包括NI主機、電子倍增CCD器件背板、轉移時鐘驅動電路、倍增時鐘驅動電路、第一直流偏置電壓電路A、第二直流偏置電壓電路B、相關雙采樣電路以及為上述電路提供穩定工作電壓的供電電源，NI主機包括兩個模擬信號板卡、FPGA板卡以及量化采樣板卡；電子倍增CCD器件背板的輸出端口連接相關雙采樣電路的輸入端口，相關雙采樣電路的輸出端口連接NI主機中量化采樣板卡的輸入端口。本發明通過NI主機設置與修改轉移時鐘驅動信號的時序、幅值、頻率等參數，便于針對不同型號電子倍增CCD的驅動。

技術領域

本發明屬于微光成像與測試技術領域，特別是一種通用型電子倍增CCD驅動系統及其方法。

背景技術

近年來，CCD在工業檢測、安防監控、天文觀測和空間探測等領域得到廣泛應用，應用范圍由可見光拓展到微光環境。夜間或者低照度環境條件下比較微弱的光或是能量低到不足以引起人類視覺感官的光，泛稱為微光。微光成像技術則是在遠低于正常光的照度下進行成像的技術，其原理是增強夜間微光條件或在低照度條件下通過微光成像器件獲取目標的微弱光學信號，從而實現在微光條件下直接觀察目標，它的最大優勢就在于無需人工主動照明，直接依靠背景光的光反射成像。

傳統的微光成像技術的圖像增強手段主要有三種技術：一是用圖像增強器件與CCD攝像器件通過纖維光學系統耦合而得到增強圖像，即ICCD技術；二是采用電子轟擊CCD模式來獲得增強圖像，即EBCCD技術；三是在信號電荷讀出時利用“雪崩效應”，對信號進行電荷級別放大從而增強圖像，即EMCCD。基于這三種技術，有了目前使用較廣的三種CCD傳感器，即像增強CCD(ICCD)、電子轟擊電耦合CCD(EBCCD)和電子倍增CCD(EMCCD)。但是，ICCD背景噪聲大，圖像存在失真，影響了系統性能；而EBCCD由于其采用電子束直接轟擊CCD，導致對CCD的損傷非常大，工作壽命短，成品率低，限制了EBCCD實際應用。電子倍增CCD(EMCCD)是將可控的全固態電子倍增寄存器嵌入到固體成像器件中，使信號電荷在連續讀出過程中得到倍增增強，即完成信號的“片內放大”，實現超高靈敏度的成像探測。因為EMCCD對信號進行電荷級別的放大，所以無需像增強器即可完成在低照度條件下較為清晰的成像，同時EMCCD的讀出噪聲不會隨著讀出頻率的增加而增大，使得讀出噪聲可以降到最小，具備高速成像的條件。

美國TI公司基于impactronTM技術，率先推出低噪聲、高靈敏度、小尺寸的黑白圖像傳感器TC系列。與此同時，英國E2V公司于2001年通過商業渠道獲得了EMCCD技術，其生產的CCD65芯片器件首次采用了L3(Low Light Lever)成像技術，讀出噪聲可以降低到1個電子rms，隨后還推出CCD07、CCD201等芯片。Andor公司通過多年的研究，推出了名為L3Vision的CCD60、CCD65等相機。近年來，國外很多公司都開始涉足基于電子倍增CCD器件芯片的相機制作，例如英國的安道爾(Andor)、日本的濱松(Hamamatsu)。

伴隨著半導體制造工藝與生產工藝上的先后突破，美國、英國、俄羅斯和烏克蘭等國家在EMCCD的制造方面取得了不少成果。例如俄羅斯的Geo2sphera公司與Electron公司合作建成的基于片上增益的CCD像管生產線；美國的Scientific Imaging Technologies公司生產的512*512pixel的CCD產品，已經廣泛應用近貼聚焦型片上增益CCD，并且這些國家擁有成熟的電子倍增CCD驅動及測試平臺。

綜上，電子倍增CCD是一種新型固態成像器件，采用片上增益技術實現了和ICCD相近的高靈敏度，有低噪聲、高量子效率等優點，在微光成像探測這方面有廣闊的應用發展前景。我國在電子倍增CCD方面的研究處于起步階段，電子倍增CCD的生產工藝落后于國外發達國家，沒有建立標準的電子倍增CCD芯片性能測試指標和測試系統。目前國外的電子倍增CCD驅動和測試系統通常只針對一種型號芯片，而國內的電子倍增CCD驅動系統的發展著重于小型化相機的研制，同樣只適用于單一型號電子倍增CCD的驅動，這樣在使用時具有很大的局限性。

發明內容