[发明专利]CCD相机、多参数可控电子倍增CCD成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于微光夜视成像技术领域，特别是一种应用于微光夜视环境的多参数可控电子倍增CCD成像系统。

背景技术

微光指的是夜间在低照度条件下极为微弱的光或是能量低到无法引起视觉效应的光。由于自然选择的结果，人眼对这类微弱光信号的识别能力和作用距离受到限制。微光夜视成像正是通过对目标自身发出的微弱可见光或者目标经由月光或星光照射后反射的微弱光进行探测，并将探测器获得的信号进行信号转换，放大、传输、存储、图像处理等操作，最终将获得的图像以符合人眼观测习惯的形式进行显示的一项技术。该技术克服了人眼直接观测存在的低照度和可见光频谱范围的限制，将人眼难以直接观测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。微光夜视成像器件在诸如侦查探测，水下探测，天文观测，雷达跟踪等方面均有应用。

目前，微光夜视成像领域使用的较为广泛的CCD传感器主要有三种：一是CCD与像增强器耦合得到的像增强CCD(ICCD)，二是电子轰击电耦合CCD(EBCCD)，三是通过电子倍增效应增强信号的电子倍增CCD(EMCCD)。

ICCD工作原理结合了像增强器与普通CCD。工作时，微弱的入射光照射像增强器的光阴极，产生光生电子，这些电子在电场作用下加速进入微通道板实现电子倍增，经倍增后的电子轰击荧光屏产生远高于入射光的光子图像，CCD通过光纤采集光子图像实现对入射光探测的增强。ICCD结构在灵敏度与分辨率上虽然有所提高，但其背影噪声大，量子效率低，图像失真等缺点仍制约其应用。

EBCCD则以CCD成像区取代了ICCD结构中的荧光屏。光电转换获得的电子在电场作用下直接加速轰击CCD成像区，实现入射光的增强。但光电阴极产生电子的同时也会产生一些离子，这些离子轰击CCD易产生辐射损伤，增大漏电流与暗电流，影响使用寿命。

EMCCD采用了一种全新的微光弱信号探测技术，它将可控的全固态电子倍增寄存器嵌入固体成像器件中，在信号连续读出过程中进行倍增，完成信号的“片上增益”，实现了高灵敏度成像探测。由于EMCCD仅在读出寄存器的输出端添加倍增级，因此其结构继承了CCD使用寿命长的优点，同时又因其读出噪声不会随读出频率的增加而增大，使得读出噪声可以降至最低，相比于ICCD和EBCCD，具有优越的信噪比和量子效率，EMCCD在微光领域将得到广泛应用。电子倍增CCD，可通过调整倍增增益，使用于10^-4Lx～10^-4Lx环境，因此能够适用于适用于全天候环境的观测。

目前比较重要EMCCD相机的有美国普林斯顿仪器公司(PrincetonInstruments)生产的ProEM+系列的EMCCD相机,英国安道尔公司(Andor)生产的iXon系列快速成像相机和Newton科学级光谱成像相机，日本滨松公司(Hamamatsu)生产的ImagEM系列EMCCD相机.但以e2v公司的L3C216型相机为例，这类相机仅能调节输出图像格式，积分时间等少量参数，同时为提升产品成像效果，输出图像已增加图像处理，也增加了自动增益调整与制冷控制等，无法获得原始图像数据，而只获得经过各种组合处理后的的最佳图像，已失去图像原始特征，不能自由选择图像处理算法，无法获得原始图像数据。在测试其动态范围、信噪比，暗电流噪声性相关参数时，无法获得所需实验数据，不利于对电子倍增CCD各项参数的处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多参数可控电子倍增CCD成像系统，可实现对微光图像的采集，同时通过计算机发送控制指令实现对相机多种参数以及多种工作模式的控制，获取所需图像数据，完成对电子倍增CCD传感器芯片的参数测试与处理。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电子倍增CCD相机，包括电子倍增CCD传感器芯片、时钟驱动单元、FPGA控制单元、低通滤波单元、高速A/D转换单元、系统供电单元、上位机接口单元和CameraLink接口单元，所述系统供电单元分别与电子倍增CCD传感器芯片、时钟驱动单元、低通滤波单元、FPGA控制单元、高速A/D转换单元、上位机接口单元和CameraLink接口单元连接，并提供稳定电压；FPGA控制单元分别与时钟驱动单元、高速A/D转换单元、CameraLink接口单元和上位机接口单元连接；电子倍增CCD传感器芯片分别与系统供电单元、时钟驱动单元、镜头、低通滤波单元连接。

一种由上述电子倍增CCD相机制成的多参数可控电子倍增CCD成像系统，由依次连接的镜头、电子倍增CCD相机和计算机构成。