[发明专利]通用型电子倍增CCD驱动系统及其方法

说明书

本发明公开了一种通用型电子倍增CCD驱动系统及其方法，该系统包括NI主机、电子倍增CCD器件背板、转移时钟驱动电路、倍增时钟驱动电路、第一直流偏置电压电路A、第二直流偏置电压电路B、相关双采样电路以及为上述电路提供稳定工作电压的供电电源，NI主机包括两个模拟信号板卡、FPGA板卡以及量化采样板卡；电子倍增CCD器件背板的输出端口连接相关双采样电路的输入端口，相关双采样电路的输出端口连接NI主机中量化采样板卡的输入端口。本发明通过NI主机设置与修改转移时钟驱动信号的时序、幅值、频率等参数，便于针对不同型号电子倍增CCD的驱动。

技术领域

本发明属于微光成像与测试技术领域，特别是一种通用型电子倍增CCD驱动系统及其方法。

背景技术

近年来，CCD在工业检测、安防监控、天文观测和空间探测等领域得到广泛应用，应用范围由可见光拓展到微光环境。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，泛称为微光。微光成像技术则是在远低于正常光的照度下进行成像的技术，其原理是增强夜间微光条件或在低照度条件下通过微光成像器件获取目标的微弱光学信号，从而实现在微光条件下直接观察目标，它的最大优势就在于无需人工主动照明，直接依靠背景光的光反射成像。

传统的微光成像技术的图像增强手段主要有三种技术：一是用图像增强器件与CCD摄像器件通过纤维光学系统耦合而得到增强图像，即ICCD技术；二是采用电子轰击CCD模式来获得增强图像，即EBCCD技术；三是在信号电荷读出时利用“雪崩效应”，对信号进行电荷级别放大从而增强图像，即EMCCD。基于这三种技术，有了目前使用较广的三种CCD传感器，即像增强CCD(ICCD)、电子轰击电耦合CCD(EBCCD)和电子倍增CCD(EMCCD)。但是，ICCD背景噪声大，图像存在失真，影响了系统性能；而EBCCD由于其采用电子束直接轰击CCD，导致对CCD的损伤非常大，工作寿命短，成品率低，限制了EBCCD实际应用。电子倍增CCD(EMCCD)是将可控的全固态电子倍增寄存器嵌入到固体成像器件中，使信号电荷在连续读出过程中得到倍增增强，即完成信号的“片内放大”，实现超高灵敏度的成像探测。因为EMCCD对信号进行电荷级别的放大，所以无需像增强器即可完成在低照度条件下较为清晰的成像，同时EMCCD的读出噪声不会随着读出频率的增加而增大，使得读出噪声可以降到最小，具备高速成像的条件。

美国TI公司基于impactronTM技术，率先推出低噪声、高灵敏度、小尺寸的黑白图像传感器TC系列。与此同时，英国E2V公司于2001年通过商业渠道获得了EMCCD技术，其生产的CCD65芯片器件首次采用了L3(Low Light Lever)成像技术，读出噪声可以降低到1个电子rms，随后还推出CCD07、CCD201等芯片。Andor公司通过多年的研究，推出了名为L3Vision的CCD60、CCD65等相机。近年来，国外很多公司都开始涉足基于电子倍增CCD器件芯片的相机制作，例如英国的安道尔(Andor)、日本的滨松(Hamamatsu)。

伴随着半导体制造工艺与生产工艺上的先后突破，美国、英国、俄罗斯和乌克兰等国家在EMCCD的制造方面取得了不少成果。例如俄罗斯的Geo2sphera公司与Electron公司合作建成的基于片上增益的CCD像管生产线；美国的Scientific Imaging Technologies公司生产的512*512pixel的CCD产品，已经广泛应用近贴聚焦型片上增益CCD，并且这些国家拥有成熟的电子倍增CCD驱动及测试平台。

综上，电子倍增CCD是一种新型固态成像器件，采用片上增益技术实现了和ICCD相近的高灵敏度，有低噪声、高量子效率等优点，在微光成像探测这方面有广阔的应用发展前景。我国在电子倍增CCD方面的研究处于起步阶段，电子倍增CCD的生产工艺落后于国外发达国家，没有建立标准的电子倍增CCD芯片性能测试指标和测试系统。目前国外的电子倍增CCD驱动和测试系统通常只针对一种型号芯片，而国内的电子倍增CCD驱动系统的发展着重于小型化相机的研制，同样只适用于单一型号电子倍增CCD的驱动，这样在使用时具有很大的局限性。

发明内容