EMCCD圖像傳感器CCD97時序驅動電路的設計

EMCCD ( E lectr on Mult iply ing Charg e Co upLEDDevice) 是新一代高質量微光成像器件。與傳統CCD( Charg e Coupled Device) 相比， 它采用了片上電子增益技術， 利用片上增益寄存器使圖像信息在電子轉移過程中得到放大， 這使得它在很高的讀出速率下仍具有相對很低的讀出噪聲， 能在微光源下高分辨力成像。

　　EMCCD的這些特性使其在航天微光目標探測、微光生命科學成像、軍用高性能夜視探測等領域具有極大的應用潛力。EMCCD 驅動電路是EMCCD 應用的核心技術， 其性能直接影響到成像質量。目前常用的時序產生方法有以下幾種：

　　( 1) 直接數字電路驅動法。這種方法原理簡單， 容易實現。但是邏輯設計較復雜， 調試非常困難， 而且在實際電路中因使用芯片較多， 為整個系統帶來不可靠性。

　　( 2) MCU 驅動法。該方法是通過編程MCU 的I/ O端口來獲得CCD 驅動脈沖信號的。這種方法的靈活性好， 精度也可以很高， 對不同的CCD 器件只需要修改程序即可。由于CCD 的驅動頻率為MHz 級， 使得選用MCU 器件的工作頻率必須很高( 提高了硬件成本) , 同時因頻繁的中斷和任務調度使MCU 效率很低。

　　( 3) EPROM 驅動法。這種驅動電路一般由晶體震蕩器、計數電路和EPROM 存儲器構成。這種驅動時序產生方法， 結構簡單、明確， 調試容易， 缺點是結構尺寸太大， 對于實現復雜的驅動時序有較大困難。

　　( 4) 專用IC 驅動方法。這種方法就是利用CCD專用IC 來產生時序， 集成度高， 功能強， 使用方便。對攝像機等視頻領域應用的CCD 或三元彩色CCD, 這種驅動方法是首選。一般由相應的CCD 廠家提供。

　　另一種更有效的方法就是使用CPLD, FPGA 等大規模可編程邏輯器件實現。通過對該邏輯器件的編程，能實現任意復雜的時序邏輯， 且調試方便， 只使用一片集成電路以及少數外圍器件， 故可靠性高。本文即采用這種方法， 實現了CCD97 所需的12 路驅動時序。

　　1 CCD97 簡介

　　CCD97 是E2V 公司的背照式低照度CCD 圖像傳感器， 有效像素512 × 512, 像素大小16 μm × 16 μm, 它是幀轉移型CCD, 芯片采用反向輸出模式抑制暗電流，其靈敏度高， 噪聲控制方面精益求精， 由于采用新的輸出放大電路， 使它能在11 MHz 的像素讀出速率下， 以低于1 電子/ 像素的超低噪聲工作， 其量子效率高達92. 5%。它獲取圖像速度快， 具有正常CCD 和EMCCD雙讀出模式。在微光成像系統中更具有優越性， 能實現真正意義上的24 h 實時監控。

　　2 驅動電路的設計

　　2. 1 CCD97 驅動電路的要求

　　成像區向存儲區的轉移波形如圖1 所示。

　　圖1 成像區向存儲區的轉移波形