電子倍增CCD多模式驅動設計

王大勇，李彩霞，葉凌云

(浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院，浙江杭州，310027)

0 引言

由于生物醫學，天文及軍事等領域的需要，微光成像技術近年來得到了快速發展。為在低照度環境下，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在傳統的CCD結構基礎上加入一級增益寄存器，實現片上增益，抑制了在傳統CCD中占主導因素的讀出噪聲，目前已廣泛應用于微光探測、醫療成像及航空航天等領域［1～3］。

常規的電子倍增CCD驅動設計，雖能獲取圖像信號，但對應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節曝光時間，獲取不同光照環境下的圖像，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，必須設計多種驅動模式，減少不必要的浪費。

本文在超低照度下目標物體快速檢測的應用背景下，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種驅動模式，以實現高質量微光圖像的快速采集，具體為:1)增益調節:電子倍增可有效提高圖像信噪比，為適應不同場合，還要求增益可調;2)曝光時間調節:為在不同光照下獲取清晰圖像，需要曝光時間可調，而幀轉型CCD本身的曝光啟動和結束標志較特殊，文獻［6］雖然也實現了曝光時間調節，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:在目標物體較小時，為實現快速定位，可只輸出目標物體所在區域，提高幀頻;4)曝光同步:為配合后端的檢測系統和控制系統，要求前端的電子倍增CCD采集系統能接收曝光同步命令，實現統一控制。本文對上述4個工作模式進行分析，給出具體的實現方案，最后設計實驗進行驗證。

1 電子倍增CCD結構與工作原理

目前生產電子倍增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、存儲區、水平移位讀出寄存器和倍增寄存器構成。本文選用的電子倍增CCD的分辨率是512×512，其感光區和存儲區的大小為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動信號和直流偏置［10］，如圖 1(b)。

圖1 電子倍增CCD內部結構圖Fig 1 Structure of electron multiplication CCD

電子倍增CCD工作過程是:1)曝光階段:成像區通過光電效應，形成電荷勢阱;2)幀轉移:在528個成像區和存儲區驅動時序共同作用下，將成像區中電子逐行轉移到存儲區;3)行轉移:在行轉移時序驅動下，整個存儲區下移一行，因此，最后一行被移入水平寄存器;4)像素轉移:在552個像元時序驅動下，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多模式驅動設計

2.1 多模式驅動總體設計

本文設計的多模式驅動原理框圖如圖2所示，采用UART協議傳遞驅動模式參數;為避免時鐘抖動引起的采樣漂移，選用D/A轉換器(ADC)的同源時鐘作為系統時鐘;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 系統框圖Fig 2 Block diagram of system

FPGA作為系統主控芯片，用來解析UART命令，還原多模式參數;控制上電順序以實現電子倍增CCD的安全上電;設計復雜的驅動時序邏輯以實現電子倍增CCD的幀轉移、行轉移和像素轉移。為進一步降低暗噪聲，設計了溫度控制電路，其通過電子倍增CCD內部的熱敏電阻器獲取當前工作溫度，再利用PID算法驅動內置的半導體制冷器，使電子倍增CCD工作在-10℃。

2.2 增益調節

增益可調是通過調節RΦ2HV的最高幅值實現的。本文利用高頻變壓器產生高幅值正弦信號，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絡，反饋到前端，實現閉環控制，得到穩定輸出。因為增益值與RΦ2HV峰值呈指數關系，可用數字電位器與一固定電阻器并聯的方式削弱非線性。利用SPI接口配置數字電位器，使RΦ2HV幅值在37～45 V可調，可配置級數為256，對應的增益值為1～1000。

2.3 曝光時間調節

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

2.4 開窗模式調節

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移，而不必經過像素轉移，從而大大提高幀頻。通過開窗位置參數M和開窗大小參數N，可從512×512中選取任意連續行作為感興趣區域，進行快速輸出。

2.5 曝光同步調節

本文設計了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剛啟動時，在不清楚目標物體所在位置時，連續輸出整幀圖像，同時調節鏡頭焦距與方向，在捕獲到目標物體后，檢測系統開始控制，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 整體實現流程

設計的多模式驅動的整體工作流程如圖3。

兩次幀轉移的間隔便是有效曝光時間，可通過UART配置;因為兩次幀轉移都有電荷轉入水平寄存器，所以，在像素轉移前需對水平寄存器清除;利用DG信號對感興趣區域前后的M行和527-M-N行進行快速清除;最后根據同步模式判斷:若是自同步，則直接進入下個循環，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。所有模式參數都是在進入下次循環前進行統一更新。

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 實驗結果分析

設計以下實驗對設計的驅動模式進行驗證:1)系統啟動時工作于內同步模式，連續輸出全幀圖像，待觀測到目標后切換到外同步模式;2)根據當前圖像亮暗，調節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)根據目標大小及其在圖像中的位置，調節開窗模式，選取感興趣的區域進行快速輸出，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是對應的灰度值(后端采樣用16位A/D轉換器)。

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信號的幅值呈指數關系，非常敏感，需謹慎調節。圖4(c)的增益值為200，某些圖像細節已經消失，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，根據目標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是最大的光斑。圖5(a)是取前256行進行輸出，發現可以選取更小的感興趣區域，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;K為感興趣區域的行數，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 幀頻與圖像大小關系Tab 2 Relationship between frame frequency and image size

4 結論

本文在分析電子倍增CCD內部結構的基礎上，結合微光環境和實際需要，設計了電子倍增CCD的4種驅動模式:1)自同步與外同步切換;2)曝光時間調節，利用兩次幀轉移實現10μs～40.96 ms的10μs步進可調;3)增益調節，驅動信號峰值電壓在37～50V可調，對應增益是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移型CCD。

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