传感技术中的一种高速EM CCD 图像传感器CCD97时序驱动电路的设计方法

EMCCD （ E lectr on Mult iply ing Charg e Co upledDevice） 是新一代高质量微光成像器件。与传统CCD（ Charg e Coupled Device） 相比， 它采用了片上电子增益技术， 利用片上增益寄存器使图像信息在电子转移过程中得到放大， 这使得它在很高的读出速率下仍具有相对很低的读出噪声， 能在微光源下高分辨力成像。 　　EMCCD的这些特性使其在航天微光目标探测、微光生命科学成像、军用高性能夜视探测等领域具有极大的应用潜力。EMCCD 驱动电路是EMCCD 应用的核心技术， 其性能直接影响到成像质量。目前常用的时序产生方法有以下几 【传感技术中的高速EM CCD图像传感器CCD97时序驱动电路设计】 EMCCD（Electron Multiplying Charge Coupled Device）是一种先进的微光成像技术，与传统的电荷耦合器件（CCD）相比，它引入了片上电子增益技术。这种技术通过在图像信息电子转移过程中利用片上的增益寄存器来放大信号，使得EMCCD在高读出速率下仍能保持较低的读出噪声，并能在微弱光源环境下实现高分辨率成像。这种特性使其在航天探测、生命科学成像和军事夜视等领域具有广泛的应用价值。 EMCCD驱动电路是EMCCD系统的核心部分，直接影响到成像质量。常见的时序驱动电路设计方法包括： 1. 直接数字电路驱动法：这种方法原理直观，易于实现，但逻辑设计复杂，调试困难，且多芯片使用可能降低系统的可靠性。 2. MCU驱动法：通过微控制器（MCU）的I/O端口编程生成驱动脉冲，灵活性高，精度可调，但需要高速MCU，成本较高，同时MCU的中断和任务调度可能导致效率降低。 3. EPROM驱动法：由晶振、计数电路和EPROM组成，结构简洁，调试简便，但体积大，不适合复杂的驱动时序需求。 4. 专用IC驱动方法：使用专门为CCD设计的集成电路，集成度高，功能强大，适用于视频领域的应用，但通常由特定的CCD制造商提供。 5. CPLD或FPGA驱动方法：利用复杂可编程逻辑器件，如CPLD和FPGA，能实现任意复杂的时序逻辑，调试便捷，只需少量外围元件，可靠性高。 本文采用的是CPLD或FPGA方法，为CCD97设计了12路驱动时序。CCD97是E2V公司的一款背照式低光照CCD图像传感器，具有512x512的有效像素，像素大小为16μm x 16μm。它采用了帧转移型设计，反向输出模式可抑制暗电流，具有高灵敏度和超低噪声性能。通过新的输出放大电路，CCD97能够在11MHz的像素读出速率下工作，量子效率高达92.5%，支持正常CCD和EMCCD双读出模式，非常适合微光成像应用。 设计驱动电路时，需要满足CCD97的特定要求，如成像区到存储区的转移波形，增益寄存器中信号电荷的转移时序，以及帧转移和行转移的脉冲控制。例如，IΦ和SΦ脉冲用于帧转移，RΦ1, 2, 3用于行转移，且它们的工作频率分别为1MHz和11MHz。此外，还需要考虑反向时序下的行转移，确保图像逐行准确地转移到存储区，并最终通过读出放大器读出。 总结而言，设计高速EMCCD图像传感器CCD97的时序驱动电路是一项复杂而关键的任务，涉及到精确的时间控制和信号处理，直接影响到图像质量和系统的整体性能。采用CPLD或FPGA等可编程逻辑器件可以灵活、高效地实现这一目标，确保在各种应用环境中EMCCD能够发挥其最佳性能。