电子倍增CCD多模式驱动设计

王大勇，李彩霞，叶凌云

(浙江大学生物医学工程与仪器科学学院，浙江杭州，310027)

0 引言

由于生物医学，天文及军事等领域的需要，微光成像技术近年来得到了快速发展。为在低照度环境下，获取清晰图像，必须提高CCD的探测灵敏度和信噪比，防止有效信号湮没在背景噪声中。电子倍增CCD在传统的CCD结构基础上加入一级增益寄存器，实现片上增益，抑制了在传统CCD中占主导因素的读出噪声，目前已广泛应用于微光探测、医疗成像及航空航天等领域［1～3］。

常规的电子倍增CCD驱动设计，虽能获取图像信号，但对应用场合有一定要求和限制。文献［4，5］中提出的方法虽可通过调节曝光时间，获取不同光照环境下的图像，但机械快门本身的延时较大，而电子快门又是某些电子倍增CCD所特有的。为拓宽电子倍增CCD使用场合，必须设计多种驱动模式，减少不必要的浪费。

本文在超低照度下目标物体快速检测的应用背景下，通过对提高图像信噪比和采集速度的研究，提出了电子倍增CCD的4种驱动模式，以实现高质量微光图像的快速采集，具体为:1)增益调节:电子倍增可有效提高图像信噪比，为适应不同场合，还要求增益可调;2)曝光时间调节:为在不同光照下获取清晰图像，需要曝光时间可调，而帧转型CCD本身的曝光启动和结束标志较特殊，文献［6］虽然也实现了曝光时间调节，但其最小曝光时间为5.165 ms，本文要求的最小值为10μs;3)开窗模式:在目标物体较小时，为实现快速定位，可只输出目标物体所在区域，提高帧频;4)曝光同步:为配合后端的检测系统和控制系统，要求前端的电子倍增CCD采集系统能接收曝光同步命令，实现统一控制。本文对上述4个工作模式进行分析，给出具体的实现方案，最后设计实验进行验证。

1 电子倍增CCD结构与工作原理

目前生产电子倍增CCD的主要是英国的E2V公司和美国的TI公司，本文选用了E2V公司L3Vision电子倍增CCD，其采用反向输出抑制暗电流噪声，等效输出噪声小于一个电子;通过背照式技术提高量子效率，在可见光波段，量子效率高达 93%［7，8］。

如图1(a)所示，电子倍增CCD由成像区、存储区、水平移位读出寄存器和倍增寄存器构成。本文选用的电子倍增CCD的分辨率是512×512，其感光区和存储区的大小为528行×536列，头尾分别包含8个暗像参考行，在每行的左右两侧分别包含12个暗像参考元。水平读出寄存器长度为536，在水平寄存器和倍增寄存器之间有16个过渡单元。RΦ2HV和RΦDC分别是电子倍增所需要的高幅驱动信号和直流偏置［10］，如图 1(b)。

图1 电子倍增CCD内部结构图Fig 1 Structure of electron multiplication CCD

电子倍增CCD工作过程是:1)曝光阶段:成像区通过光电效应，形成电荷势阱;2)帧转移:在528个成像区和存储区驱动时序共同作用下，将成像区中电子逐行转移到存储区;3)行转移:在行转移时序驱动下，整个存储区下移一行，因此，最后一行被移入水平寄存器;4)像素转移:在552个像元时序驱动下，水平寄存器中的电荷移入增益寄存器进行电子倍增。

2 电子倍增CCD多模式驱动设计

2.1 多模式驱动总体设计

本文设计的多模式驱动原理框图如图2所示，采用UART协议传递驱动模式参数;为避免时钟抖动引起的采样漂移，选用D/A转换器(ADC)的同源时钟作为系统时钟;曝光同步信号以脉冲形式精确传递曝光命令;输出帧同步和行同步以进行图像的有效采集。

图2 系统框图Fig 2 Block diagram of system

FPGA作为系统主控芯片，用来解析UART命令，还原多模式参数;控制上电顺序以实现电子倍增CCD的安全上电;设计复杂的驱动时序逻辑以实现电子倍增CCD的帧转移、行转移和像素转移。为进一步降低暗噪声，设计了温度控制电路，其通过电子倍增CCD内部的热敏电阻器获取当前工作温度，再利用PID算法驱动内置的半导体制冷器，使电子倍增CCD工作在-10℃。

2.2 增益调节

增益可调是通过调节RΦ2HV的最高幅值实现的。本文利用高频变压器产生高幅值正弦信号，通过峰值检测电路捕获正弦信号的最大值，并将其通过电阻反馈网络，反馈到前端，实现闭环控制，得到稳定输出。因为增益值与RΦ2HV峰值呈指数关系，可用数字电位器与一固定电阻器并联的方式削弱非线性。利用SPI接口配置数字电位器，使RΦ2HV幅值在37～45 V可调，可配置级数为256，对应的增益值为1～1000。

2.3 曝光时间调节

因为帧转型CCD在帧转移结束后，图像区自动进入感光模式，在常规设计中，图像区的感光和存储区的行转移是并行进行的，这样不仅无法实现曝光同步，而且曝光时间的最小值便是所有像素读出时间。本文通过两次帧转移，最小曝光时间可达到10μs。第一次帧转移将图像区在行转移和像素转移时积累的电荷转移到存储区，转移完毕后开始真正曝光，待满足曝光时间后，开始第二次帧转移。

2.4 开窗模式调节

本文选用的电子倍增CCD有一路行清除信号DG，可以将水平寄存器的电荷快速移入衬底。通过该方法对无效行只需进行行转移，而不必经过像素转移，从而大大提高帧频。通过开窗位置参数M和开窗大小参数N，可从512×512中选取任意连续行作为感兴趣区域，进行快速输出。

2.5 曝光同步调节

本文设计了2种同步模式:自同步和外同步。自同步不需要曝光同步命令，帧转移完毕后，自动开始曝光;外同步模式则必须在接收到外界提供的曝光同步命令后才开始曝光。

自同步模式用于系统刚启动时，在不清楚目标物体所在位置时，连续输出整帧图像，同时调节镜头焦距与方向，在捕获到目标物体后，检测系统开始控制，此时将同步模式切换到外同步模式。为保证同步命令的实时性，以脉冲形式传递命令。

2.6 整体实现流程

设计的多模式驱动的整体工作流程如图3。

两次帧转移的间隔便是有效曝光时间，可通过UART配置;因为两次帧转移都有电荷转入水平寄存器，所以，在像素转移前需对水平寄存器清除;利用DG信号对感兴趣区域前后的M行和527-M-N行进行快速清除;最后根据同步模式判断:若是自同步，则直接进入下个循环，若是外同步，则进入曝光等待模式，直到接收到曝光同步脉冲后进入下个循环。所有模式参数都是在进入下次循环前进行统一更新。

图3 电子倍增CCD整体工作流程图Fig 3 Overall working flow chart of the electron multiplication CCD

3 实验结果分析

设计以下实验对设计的驱动模式进行验证:1)系统启动时工作于内同步模式，连续输出全帧图像，待观测到目标后切换到外同步模式;2)根据当前图像亮暗，调节曝光时间和电子倍增增益，保持合适的曝光量，提高图像清晰度和对比度;3)根据目标大小及其在图像中的位置，调节开窗模式，选取感兴趣的区域进行快速输出，提高帧频。

图4是在不同曝光时间(T)和电子倍增增益(RΦ2HV)下获取的图像，表1是对应的灰度值(后端采样用16位A/D转换器)。

图4 不同曝光时间和增益下电子倍增CCD成的像Fig 4 Images of electron multiplication CCD in different exposure time and gain

表1 三幅图像的具体灰度值Tab 1 Gray value of above three images

由图4(a)和(b)对比可知，在微光条件下，若曝光时间太短，图像整体偏暗，可增加曝光时间以提高整体灰度;图4(a)和(c)的对比说明，通过电子倍增，同样可提高图像灰度值和对比度，这是由于电子倍增抑制了输出噪声，从而提高了图像信噪比。但电子倍增增益值与RΦ2HV信号的幅值呈指数关系，非常敏感，需谨慎调节。图4(c)的增益值为200，某些图像细节已经消失，前42列也由黑变白，这是由于电荷量过度饱和，行头的12个暗像参考元已无法完全吸收，影响到了512个有效像元。

在获取清晰的512×512图像后，根据目标物体所在位置与大小选择合适的开窗模式，在本次实验中感兴趣目标是最大的光斑。图5(a)是取前256行进行输出，发现可以选取更小的感兴趣区域，因此，取101～228行进行输出，如图5(b)所示。

图5 不同窗模式下的图像Fig 5 Images in different window modes

利用本文的方法，一帧图像的输出时间T_frame为

其中，T_exposure为曝光时间，范围为 10μs～40.96 ms，步进10μs可调;K为感兴趣区域的行数，范围为1～512。

在曝光时间为2 ms前提下，帧频与图像大小的关系如表2所示，可见通过开窗模式，可大幅度提高帧频。

表2 帧频与图像大小关系Tab 2 Relationship between frame frequency and image size

4 结论

本文在分析电子倍增CCD内部结构的基础上，结合微光环境和实际需要，设计了电子倍增CCD的4种驱动模式:1)自同步与外同步切换;2)曝光时间调节，利用两次帧转移实现10μs～40.96 ms的10μs步进可调;3)增益调节，驱动信号峰值电压在37～50V可调，对应增益是1～1000;4)开窗模式，从1～512行中选取感兴趣的任意连续行进行快速输出，大大提高帧频。利用本文提出的方法，可在低照度条件下获取清晰图像，该方法同样适用于其他帧转移型CCD。

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