通用型EMCCD测试系统技术方案

本发明专利技术公开了一种通用型EMCCD测试系统，包括NI主机、EMCCD器件底座、串口转接板、差分信号转接板、VPC系列连接器、低电压差分电平转换电路、正弦波驱动电路、可编程电源电路、背板、相关双采样电路以及供电电源。本发明专利技术采用集成电源芯片进行电压转换，集成电源芯片具有效率高、功耗低、噪声低，集成度高、不需要额外滤波电容和电感等优点，满足工业级别测试系统的需求，针对不同型号的EMCCD，只需要设计不同的EMCCD底座即可。

【技术实现步骤摘要】
通用型EMCCD测试系统
本专利技术属于微光成像
，特别是一种通用型EMCCD(电子倍增CCD)测试系统。
技术介绍
近年来，CCD在工业视觉、尺寸测量、航空航天和广播摄影等领域得到广泛应用，在微光领域的应用也日趋成熟。微光泛指夜间或者低照度环境条件下比较微弱的光或是能量低到不足以引起人类视觉感官的光。微光成像技术则是对目标发出的远低于正常光照的微弱光进行探测的技术，一般在低照度环境下增强微弱光条件或者通过微光成像器件直接获取目标的微弱光学信号，从而在微光环境下依靠背景光实现对目标的清晰成像，该技术克服了微光条件下需要外界提供主动光照明的缺陷，直接利用微弱光反射成像。目前，微光夜视成像领域使用较为广泛的图像增强手段主要有三种：一是让微弱信号通过像增强器放大，再经过中继光学元件耦合到CCD，即ICCD技术。ICCD技术的关键主要在于像增强器，虽然国内已经能够自主研制并生产第三代像增强器，但是在稳定性方面还有待提高。二是对CCD进行电子轰击来获得增强图像，即EBCCD技术。EBCCD技术的特性决定了CCD在工作时损耗较大，工作寿命较短，噪声较大，极大的限制了EBCCD的应用。三是读出信号电荷时利用“雪崩效应”，通过电荷碰撞电离实现倍增，即EMCCD技术。EMCCD技术在是普通的CCD器件中内置了可控的全固态电子倍增寄存器，通过对信号的片上增益，完成读出信号过程中电荷的倍增增强，实现在微光条件下对目标的成像探测。相比于ICCD，EMCCD不需要像增强器，它可以通过倍增寄存器对信号电荷的放大实现在微光下较为清晰的成像，同时对比EBCCD技术，EMCCD使用寿命较长。并且由于信号的读出频率不会影响读出噪声，所以EMCCD读出噪声较低，使其具有快速成像的能力。本世纪初，Hynecek博士公开报道了在硅CCD器件实现了电荷雪崩倍增的研究成果。同时其所在的美国德州仪器公司(简称TI)推出ImpactronCCD系列产品。同年，英国E2VTechnologies公司成功推出了名为L3Vision的EMCCD，宣告了全固态微光成像CCD的诞生，在微光成像领域树立了新的里程碑。目前国际能制造EMCCD芯片的公司仅有E2V和TI，但已有很多公司开始了基于EMCCD探测器芯片的低照度摄像机产品的开发。2001年，英国Andor公司发布了世界上第一台基于EMCCD的超高灵敏度相机iXON，随后又推出了用于光谱学成像的Newton相机，2005年又推出高性价比的Luca相机，适合普通实验室使用。另外，PrincetonInstruments、E2VTechnologies、SALVADORImaging等公司也都针对EMCCD的应用进行了深入研究。在EMCCD芯片的性能测试方面，国外已经拥有了成熟的芯片测试平台。从国内发展来看，国内对EMCCD的研究更着重于小型化相机的研发和对EMCCD相机成像性能参数的研究，例如西安西北核技术研究所的杨少华对EMCCD数字化相机的研究，北京控制工程研究所的龚德铸、王立等对EMCCD在高灵敏度星敏感器中的应用研究，南京理工大学对EMCCD的光电性能及测试方法展开了研究。目前国内还侧重于对EMCCD相机的研发以及性能分析，针对EMCCD测试系统的研究和国外发达国家相比有着一定的差距，对于测试系统的研究略显不足。国内外EMCCD的研究成果表明：我国对EMCCD成像系统研究的重点在适用于一种型号芯片的小型化相机的研发，这种成像系统不能测试不同的EMCCD芯片，具有很大的局限性。此外，近年来虽然国内在EMCCD芯片制造工艺方面解决了很多的技术难题，但是和国外发达国家比仍然有很大的差距，缺乏通用、可靠的EMCCD芯片测试设备，因此展开对多用型EMCCD成像系统的研究，研制通用型EMCCD测试系统，对于研究小型化EMCCD相机、研究EMCCD彩色夜视技术、提高我国的EMCCD芯片生产工艺具有重要的实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种通用型EMCCD测试系统，可测试和分析各种型号的EMCCD器件的成像性能。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种通用型EMCCD测试系统，包括NI主机、EMCCD器件底座、串口转接板、差分信号转接板、VPC系列连接器、低电压差分电平转换电路、正弦波驱动电路、可编程电源电路、背板、相关双采样电路以及供电电源；NI主机包括NI6585板卡、CAMERALINK板卡和串口板卡，NI6585板卡与差分信号转接板连接，串口板卡与串口转接板连接，串口转接板、差分信号转接板分别与VPC系列连接器连接，VPC系列连接器连接至背板；其中，串口板卡上共有4个串口，分别控制低电压差分电平转换电路、正弦波驱动电路、可编程电源电路、相关双采样电路；背板上固定了低电压差分电平转换电路、正弦波驱动电路、可编程电源电路、相关双采样电路，并且背板上固定的四个电路均通过线缆和EMCCD器件底座连接；所述背板上的放置一个MDR-26连接器，用于CAMERALINK板卡的连接。本专利技术与现有技术相比，其显著优点：(1)系统的时序控制信号由LabView语言编写，可以修改水平转移时序和垂直转移时序的周期、相位等参数，有利于测试多种型号的EMCCD。(2)通过Verilog语言编写的正弦波驱动控制程序，可以通过串口助手修改正弦波驱动信号的幅值、周期和相位，有利于测试多种型号的EMCCD。(3)通过Verilog语言编写的可偏置电源电压控制程序，FPGA和DAC8420芯片之间通过SPI协议通信，可以通过串口信号控制FPGA配置DAC芯片DAC8420芯片，产生0～5V电压，经过后级三路不同的运放，改变直流偏置电压的幅值，满足多种EMCCD偏置电压的需求。(4)系统硬件电路里采用集成电源芯片进行电压转换，集成电源芯片具有效率高、功耗低、噪声低，集成度高、不需要额外滤波电容和电感等优点，满足工业级别测试系统的需求。(5)系统可以在线编程，因此具有很强的适用性，针对不同型号的EMCCD，只需要设计不同的EMCCD底座即可。(6)相关双采样板上通过两片SDRAM的乒乓操作缓存图像数据，具有容量大、速度快、价格便宜、功耗低等优势。(7)通过CAMERALINK通信协议传输数字图像数据，包括5对差分信号，具有抗干扰能力强，传输距离远等优点。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1是本专利技术的总体结构示意图。图2是本专利技术的低电压差分电平转换电路的电平转换单元的结构示意图。图3是本专利技术的正弦波驱动电路的高压运放单元的结构示意图。图4是本专利技术的可编程电源电路的第一类电路DAC单元一结构示意图。图5是本专利技术的相关双采样电路的模拟前端电路的结构示意图。图6是系统重要信号连接示意图。图7是使用EMCCD芯片CCD65的成像图。图8是使用EMCCD芯片CCD216的成像图。具体实施方式结合图1，本专利技术通用型EMCCD测试系统，包括NI主机、EMCCD器件底座、串口转接板、差分信号转接板、VPC系列连接器、低电压差分电平转换电路、正弦波驱动电路、可编程电源电路、背板、相关双采样电路以及为所有器件供电的电源。NI主机包括CAMERALINK板卡、串口板卡、NI6585板卡，所述NI6585板卡能够提供16路差分信号输出。背板本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通用型EMCCD测试系统，其特征在于包括NI主机、EMCCD器件底座、串口转接板、差分信号转接板、VPC系列连接器、低电压差分电平转换电路、正弦波驱动电路、可编程电源电路、背板、相关双采样电路以及供电电源；NI主机包括NI6585板卡、CAMERALINK板卡和串口板卡，NI6585板卡与差分信号转接板连接，串口板卡与串口转接板连接，串口转接板、差分信号转接板分别与VPC系列连接器连接，VPC系列连接器连接至背板；其中，串口板卡上共有4个串口，分别控制低电压差分电平转换电路、正弦波驱动电路、可编程电源电路、相关双采样电路；背板上固定了低电压差分电平转换电路、正弦波驱动电路、可编程电源电路、相关双采样电路，并且背板上固定的四个电路均通过线缆和EMCCD器件底座连接；所述背板上的放置一个MDR‑26连接器，用于CAMERALINK板卡的连接。

【技术特征摘要】
1.一种通用型EMCCD测试系统，其特征在于包括NI主机、EMCCD器件底座、串口转接板、差分信号转接板、VPC系列连接器、低电压差分电平转换电路、正弦波驱动电路、可编程电源电路、背板、相关双采样电路以及供电电源；NI主机包括NI6585板卡、CAMERALINK板卡和串口板卡，NI6585板卡与差分信号转接板连接，串口板卡与串口转接板连接，串口转接板、差分信号转接板分别与VPC系列连接器连接，VPC系列连接器连接至背板；其中，串口板卡上共有4个串口，分别控制低电压差分电平转换电路、正弦波驱动电路、可编程电源电路、相关双采样电路；背板上固定了低电压差分电平转换电路、正弦波驱动电路、可编程电源电路、相关双采样电路，并且背板上固定的四个电路均通过线缆和EMCCD器件底座连接；所述背板上的放置一个MDR-26连接器，用于CAMERALINK板卡的连接。2.根据权利要求1所述的通用型EMCCD测试系统，其特征在于可编程电源电路包括FPGA单元一、DAC单元一、放大单元、TVS管保护单元、电子开关，所述FPGA单元一连接3个DAC单元一，每个DAC单元一连接一个放大单元，该放大单元连接4个电子开关，各电子开关通过连接器与EMCCD器件底座连接，从而构成3组12路通道；TVS管保护单元连接在电子开关的输出端；DAC单元一根据接收到的FPGA单元一的控制信号和参考电压产生模拟电压，经过后级比例运算放大器的增益之后连接到电子开关的输入管脚，电子开关根据FPGA单元一给的使能信号来控制开关；电子开关的输出均接到公头DB25，通过两头均是母头DB25的非屏蔽线缆传输到EMCCD器件底座。3.根据权利要求1所述的通用型EMCCD测试系统，其特征在于低电压差分电平转换电路包括FPGA单元二、LVTTL转TTL单元、电压转换单元、放大单元和DAC单元二，所述FPGA单元二连接4个DAC单元二，其中2个DAC单元二产生16路低电平电压，电压范围为-5～0V，每路电压连接一个低电平...

【专利技术属性】
技术研发人员：何伟基，曾超林，顾国华，陈钱，邹燕，夏一凡，张闻文，钱惟贤，隋修宝，于雪莲，路东明，许航，陈宁琨，边子萱，杨存龙，杨文青，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32