一种通用型EMCCD单板相机系统技术方案

本发明专利技术公开了一种通用型EMCCD单板相机系统，包括镜头、计算机、EMCCD器件背板和底板，底板包括系统供电单元、FPGA控制单元、串口控制单元、DDR2存储单元、转移时钟驱动单元、倍增时钟驱动单元、低通滤波单元、两路相关双采样A/D转换单元、电平转换单元、Cameralink输入接口单元、Cameralink输出接口单元。本发明专利技术采用单板驱动，相较于之前多板系统，避免了板间时序相位关系的错位麻烦，相较于相机而言又可满足多种芯片的测试应用，满足工业级别测试系统的需求；针对不同型号的EMCCD，软件上更改时许驱动，硬件上只需要设计不同的EMCCD底座即可。

A general EMCCD single board camera system

【技术实现步骤摘要】
一种通用型EMCCD单板相机系统
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)单板相机系统。
技术介绍
CCD(电荷耦合器件)是上世纪70年代专利技术的，有体积小、噪声低、寿命长等优点。近年来，人们逐渐不满足于CCD在可见光领域的应用，开始逐步拓展到微光领域。微光指的是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。在这种条件下对目标所发出的或者反射星光月光等远低于正常光照的微弱光进行探测成像，就需要微光成像技术。该技术原理是探测器探测到微弱信号后对其进行放大、传输、转换、处理等操作，最终获得人类视觉可识别的清晰图像。该技术是在不需要主动照明的情况下，将人眼难以观测到的微光图像转变为容易识别的清晰图像，弥补了人眼视觉的局限性。目前，像增强CCD(ICCD)、电子轰击CCD(EBCCD)、电子倍增CCD(EMCCD)、这三种CCD传感器在微光领域广泛应用。ICCD是将像增强器和普通CCD相结合，微弱的入射光照射光电阴极产生光生电子，在微通道板内实现电子倍增，倍增过的电子轰击荧光屏产生高于入射光的光子图像，然后CCD通过光纤采集该光子图像。该一系列步骤实现对入射光探测的增强。ICCD优点在于灵敏度和分辨率的提高；缺点在于其噪声大、量子效率低、图像失真等。EBCCD去除了ICCD中荧光屏的设计，从而使体积变小。光生电子通过微通道板倍增后直接轰击CCD成像区，从而实现入射光的增强。其缺点是EBCCD在光生电子产生的同时，会产生一些离子，这些额外产生的离子经过加速后会对CCD造成辐射损伤，导致暗电流和漏电流的增大，并且影响器件的使用寿命。EMCCD不同于ICCD和EBCCD，没有在CCD成像之前对电子进行倍增，而是在CCD信号读出的过程中进行倍增；由于没有使用真空特性的像增强器，而是将全固态电子倍增寄存器嵌入CCD器件中，实现片上增益，而且不怕强光。该结构只是在CCD读出寄存器后加倍增级，因此继承了CCD使用寿命长的优点。同时由于简化了电子倍增结构，大大减小了传感器的体积，且有效地减少了电荷倍增噪声，可获得更高的探测灵敏度。目前在全世界范围内有能力生产成熟的EMCCD器件的有美国的TI公司和英国的E2V公司。之后随着半导体制造工艺与生产工艺上的突破，俄罗斯和乌克兰等国家在EMCCD制造方面也取得了不少成果。我国在EMCCD领域起步较晚，但是到目前已研制成功分辨率为1024*1024的EMCCD器件。对于不同的EMCCD器件而言，还需要成熟的芯片测试平台和成熟的电子控制系统。专利201510890489.9《CCD相机、多参数可控电子倍增CCD成像系统及方法》设计一种EMCCD相机系统，使EMCCD芯片应用相机化、小型化，但是该系统只针对一款芯片，如果用于测试，会具有很大的局限性。专利201710524708.0《通用型电子倍增CCD驱动系统及其方法》和论文《一种通用型EMCCD驱动系统》设计了一种通用性EMCCD驱动电子系统，可以驱动大多数的EMCCD芯片，但是，该系统由多块板卡组成，换芯片调试繁琐。论文《EMCCD成像组件研究》中设计的单板相机系统只针对一款芯片做的电路设计，亦存在局限性，且没有图像处理功能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种通用的EMCCD单板相机系统，可实现针对多个型号的芯片的成像，为芯片测试平台提供电子控制部分，可通过计算机发送指令来控制相机系统的参数和工作模式，可接收输入的视频数据流，可在硬件上对图像做算法处理。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，包括镜头、计算机、EMCCD器件背板和底板，底板包括系统供电单元、FPGA控制单元、串口控制单元、DDR2存储单元、转移时钟驱动单元、倍增时钟驱动单元、低通滤波单元、两路相关双采样A/D转换单元、电平转换单元、Cameralink输入接口单元、Cameralink输出接口单元，系统供电单元为上述其他单元连接，提供稳定的电压；FPGA控制单元分别与时钟驱动单元、高速A/D转换单元、CameraLink接口单元和串口控制单元连接；EMCCD器件背板包括EMCCD传感器芯片和偏置电压单元，通过接插件与底板上的系统供电单元、时钟驱动单元、低通滤波单元连接；所述计算机包括显示单元、串口软件单元和图像采集卡单元，该串口软件单元与串口控制单元连接，用于发送指令；图像采集卡单元与Cameralink输出接口单元连接，用于接收图像数据。本专利技术与现有技术先比，其显著优点：(1)针对不同型号的EMCCD，代码上更改时许驱动，硬件上只需要设计不同的EMCCD底座即可，即对事先写好的Verilog代码一键烧写，方便实现针对不同型号电子倍增CCD的驱动。(2)通过串口可以修改水平、垂直、倍增时钟驱动的相位、周期和幅值等参数，极大方便对不同芯片的调试和测试。(3)针对不同EMCCD芯片，设计不同的EMCCD器件背板，背板上通过电阻分压提供不同的偏置电压，不需要繁琐的SPI控制DAC来实现，功耗更低，调试更简单。(4)作为一个可以用于测试的电子学系统，可以通过串口发送像素速率、积分时间、增益倍数、输出通道选择等控制指令，实现多项参数的可控选择，方便测试。(5)作为用于演示成像的相机系统，该系统电路设计有两片DDR2，可以对获得的原始图像在硬件上进行简单的图像处理，能够实现图像增强、边缘检测等功能。(6)电路设计有一路base模式的Cameralink输出和一路base模式的Cameralink输入，可实现外接输入视频信号和EMCCD输出视频信号的处理，比如裁剪、选通输出等。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是本专利技术通用型EMCCD单板相机系统的总体结构示意框图。图2是本专利技术中编写的代码数据流向构成框图。图3是本专利技术中倍增时钟驱动示意框图。图4是本专利技术中低通滤波单元电路示意图。图5是本专利技术中模数转换单元电路示意图。图6是本专利技术中电平转换单元电路示意图。图7是使用电子倍增CCD芯片CCD97成像效果图。图8是使用电子倍增CCD芯片CCD201成像效果图。图9是本专利技术用于图像处理前后的图像。具体实施方式结合图1，本专利技术的通用型EMCCD单板相机系统，包括镜头1、计算机2、EMCCD器件背板3和底板4，其中底板4是本专利技术的主要组件。底板4包括系统供电单元4-1、FPGA控制单元4-2、串口控制单元4-3、转移时钟驱动单元4-5、倍增时钟驱动单元4-6、低通滤波单元4-7、两路相关双采样A/D转换单元4-8、电平转换单元4-9、Cameralink输出接口单元4-10。系统供电单元4-1分别与上述其他单元连接，提供稳定的电压；FPGA控制单元4-2分别与转移时钟驱动单元4-5、倍增时钟驱动单元4-6、电平转换单元4-9、CameraLink接口单元4-10和串口控制单元4-3连接。EMCCD器件背板3包括EMCCD传感器芯片3-1、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通用型EMCCD单板相机系统，其特征在于包括镜头(1)、计算机(2)、EMCCD器件背板(3)和底板(4)，所述底板(4)包括系统供电单元(4-1)、FPGA控制单元(4-2)、串口控制单元(4-3)、转移时钟驱动单元(4-5)、倍增时钟驱动单元(4-6)、低通滤波单元(4-7)、两路相关双采样A/D转换单元(4-8)、电平转换单元(4-9)、Cameralink输出接口单元(4-10)，所述系统供电单元(4-1)分别与各单元连接，提供稳定的电压；FPGA控制单元(4-2)分别与转移时钟驱动单元(4-5)、倍增时钟驱动单元(4-6)、电平转换单元(4-9)、CameraLink接口单元(4-10)和串口控制单元(4-3)连接；/n所述EMCCD器件背板(3)包括EMCCD传感器芯片(3-1)、偏置电压单元(3-2)和模拟信号读出单元(3-3)，EMCCD器件背板(3)通过接插件与底板(4)上的系统供电单元(4-1)、转移时钟驱动单元(4-5)、倍增时钟驱动单元(4-6)、低通滤波单元(4-7)连接，低通滤波单元(4-7)接收模拟信号读出单元(3-3)输出的模拟信号后与相关双采样A/D转换单元(4-8)连接进行模数转换，再经过电平转换单元(4-9)，最后传输到FPGA控制单元(4-2)；EMCCD器件背板(3)通过固定结构与镜头(1)连接；/n所述计算机(2)包括显示单元(2-1)、串口软件单元(2-2)和图像采集卡单元(2-3)，该串口软件单元(2-2)与串口控制单元(4-3)连接，用于发送指令；图像采集卡单元(2-3)与Cameralink输出接口单元(4-10)连接，用于接收图像数据。/n...

【技术特征摘要】
1.一种通用型EMCCD单板相机系统，其特征在于包括镜头(1)、计算机(2)、EMCCD器件背板(3)和底板(4)，所述底板(4)包括系统供电单元(4-1)、FPGA控制单元(4-2)、串口控制单元(4-3)、转移时钟驱动单元(4-5)、倍增时钟驱动单元(4-6)、低通滤波单元(4-7)、两路相关双采样A/D转换单元(4-8)、电平转换单元(4-9)、Cameralink输出接口单元(4-10)，所述系统供电单元(4-1)分别与各单元连接，提供稳定的电压；FPGA控制单元(4-2)分别与转移时钟驱动单元(4-5)、倍增时钟驱动单元(4-6)、电平转换单元(4-9)、CameraLink接口单元(4-10)和串口控制单元(4-3)连接；
所述EMCCD器件背板(3)包括EMCCD传感器芯片(3-1)、偏置电压单元(3-2)和模拟信号读出单元(3-3)，EMCCD器件背板(3)通过接插件与底板(4)上的系统供电单元(4-1)、转移时钟驱动单元(4-5)、倍增时钟驱动单元(4-6)、低通滤波单元(4-7)连接，低通滤波单元(4-7)接收模拟信号读出单元(3-3)输出的模拟信号后与相关双采样A/D转换单元(4-8)连接进行模数转换，再经过电平转换单元(4-9)，最后传输到FPGA控制单元(4-2)；EMCCD器件背板(3)通过固定结构与镜头(1)连接；
所述计算机(2)包括显示单元(2-1)、串口软件单元(2-2)和图像采集卡单元(2-3)，该串口软件单元(2-2)与串口控制单元(4-3)连接，用于发送指令；图像采集卡单元(2-3)与Cameralink输出接口单元(4-10)连接，用于接收图像数据。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于作为电子学系统直接成像的过程为：将用Verilog硬件语言编写适配具体EMCCD传感器芯片(3-1)的驱动程序烧录到FPGA控制单元(4-2)中，FPGA控制单元(4-2)产生EMCCD传感器芯片(3-1)工作所需不同的时序控制信号，一部分时序控制信号通过转移时钟驱动单元(4-5)，一部分通过倍增时钟驱动单元(4-6)，得到适配EMCCD传感器芯片(3-1)的驱动信号；EMCCD传感器芯片(3-1)接收到正确的驱动信号和直流偏置后产生代表图像数据的点荷包，经过转移、转换输出为模拟图像数据信号，具体为微弱的模拟电平信号；模拟电平信号先经过模拟信号读出单元(3-3)提高驱动能力，再连接到低通滤波单元(4-7)进行滤波去噪和放大后，进入相关双采样A/D转换单元(4-8)进行采样和模数转换，再经过电平转换单元(4-9)送入FPGA控制单元(4-2)进行缓存，FPGA控制单元(4-2)将缓存的数据依次读出至Cameralink输出接口单元(4-10)，Cameralink输出接口单元(4-10)与计算机(2)用线缆相连，最后成像。


3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于作为电子学系统成像需要控制相机系统的各项参数和工作模式，即FPGA控制单元(4-2)通过串口控制单元(4-3)接受计算机(2)的指令，来控制像素速率、积分时间、倍增增益、输出通道选择参数；串口控制单元(4-3)采用RS232协议，串口控制单元(4-3)发送指令缓存在FPGA控制单元(4-2)内，FPGA控制单元(4-2)读取该指令，更改不同寄存器的值。


4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于还包括DDR2存储单元(4-4)和Cameralink输入接口单元(4-11)作为演示成像的相机系统，DDR2存储单元(4-4)与FPGA控制单元(4-2)连接，用于存储图像数据；Cameralink输入接口单元(4-11)与FPGA控制单元(4-2)连接，用于接收外部输入数据流；FPGA控制单元(4-2)将EMCCD图像数据存储至DDR2存储单元(4-4)，通过对DDR2存储单元(4-4)的控制，完成对视频数据信号的读写；由外部视频数据信号通过Cameralink输入接口单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：何伟基，杨俊超，陈钱，顾国华，张闻文，夏一凡，朱海奇，吴才勇，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32