偏振-微光一体化EMCCD相机的设计与开发

多维度的信息获取是微光夜视探测技术未来的发展方向,偏振成像是光电探测领域中的一种维度,偏振相机的研制是研究偏振成像技术的前提。基于集成偏振阵列结构的电子倍增CCD(electron multiplying CCD, EMCCD)器件,集合EMCCD微光探测的优势和偏振维度的探测功能,论述了偏振-微光一体化相机的硬件电路设计和开发方案,完成偏振维度信息与光强度信息一机同步采集作业,并通过FPGA对原始数据进行偏振运算与图像传输处理。搭建测试系统,对设计与开发的偏振样机进行性能测试。实验结果表明,在温度273 K、读出频率2 MHz条件下,器件的读出噪声为8.81e-,动态范围约为74 dB,样机的消光比可达50.95,透过率可达60.16%,并可实时地选择性输出偏振度图像、偏振角图像、光强度与偏振融合图像,极大地提高了夜间环境下对目标的识别探测能力。

CCD/EMCCD光电参数测试系统的设计与应用

本文开发了一种用于测量CCD和EMCCD(电子倍增CCD)芯片光电参数的测试系统。该测试系统通过自动模式或手动模式间的切换,测量器件的暗电流、读出放大器的响应度、电荷转移效率、电荷容量和其他参数。该测试系统可以针对不同规格和结构的CCD/EMCCD器件,实现CCD晶圆或封装好的成品的参数测试,实现576×288、640×512、768×576、1024×1024、1280×1024 CCD/EMCCD的测试和筛选。

一种新型偏振-微光EMCCD传感器研制

随着图像传感器的发展,图像传感器需要探测更多维度的图像信息。为了解决偏振单元无法在低照度条件下成像的问题,设计了一种新型偏振-微光结构,新型结构单元的引入可以大幅度提高器件在低照度微光条件下的成像质量。完成了偏振-微光结构的工艺制作,同时利用多次高能离子注入及高温退火形成鞍形p型纵向抗晕结构,实现了EMCCD器件的光晕抑制。最后对器件成像性能进行了分析,器件在10-2 lx量级环境照度下成像质量几乎不下降,同时也能够获得足够的偏振信息,实现对目标的偏振探测。此新型偏振-微光结构能使图像传感器在低照度微光条件下完成对目标的多维度信息探测。

高速高灵敏光纤传输EMCCD相机设计

针对高帧频摄像机灵敏度较低与无法远程实时传输的难题,本文采用EMCCD器件提高其灵敏度,并利用光纤通信与USB技术实现高帧频图像的远程实时传输与记录。文章详细介绍了基于EMCCD器件CCD60建立相机的一种方法。利用CPLD器件产生EMCCD控制时序及视频同步处理控制时序,采用集成器件与分立器件相结合的方式建立EMCCD垂直驱动电路,建立EMCCD工作环境;然后,采用具有CDS功能的集成器件对CCD视频信号进行数字化,获得高帧频数字图像数据;再使用CPLD器件与光传输编解码芯片结合的方式实现高速图像数据的远程实时传输,最后采用USB2.0技术实现高速数据的实时采集。系统像素分辨率128×128,最高帧频可达1000fps,能应用于低照度高速图像获取场合。

基于EMCCD和CMOS的天基微光成像（英文）

电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)利用电荷雪崩机制可以实现低于1e-的读出噪声,适用于微光成像。随着背照式CMOS成像探测器技术的发展,具有高量子效率和低于1.5e-读出噪声的CMOS成像探测器已中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制成功。针对天基微光成像的需求,分别构建了基于EMCCD CCD201的天基微光相机和基于CMOS的天基微光相机,并建立了系统的噪声模型。对基于EMCCD的天基微光相机和基于CMOS的天基微光相机的微光探测性能和工作机理进行了对比分析。分析结果表明:当采用凝视成像模式,积分时间为2 s,相机入瞳辐亮度为10-9W·cm-2·sr-1·μm-1时,基于EMCCD的天基微光相机在焦面温度为20℃的条件下的信噪比为23.78,相同条件下基于CMOS的天基微光相机的信噪比为27.42。当采用制冷系统将焦面温度降低至-20℃时,基于EMCCD的天基微光相机的信噪比提高到27.533,而基于CMOS的天基微光相机的信噪比提高到27.79。

微光探测EMCCD在高灵敏度星敏感器中的应用初探

文中以微光探测为基础,阐述了微光探测的主流技术,重点突出EMCCD(Electron Multiplying CCD)的结构、功能、优点,并以星敏感器运用为目的,初步进行了EMCCD的设计和计算。

EMCCD相机在全天时星敏感器中的设计与应用

近地面用全天时星敏感器用于大型飞机、临界空间飞行器等航空器的导航。近年来,随着星惯组合导航技术的快速发展,国外开始重视该项技术的研究。主要研究近地面用全天时星敏感器中基于EMCCD的星相机的设计与应用。分析了星相机的全天时探测的原理,提出采用高灵敏度EMCCD成像技术解决白天强背景下的探测问题。在原理研究的基础上,完成了基于CCD201探测器的星相机及实时图像处理器的硬件设计和调试,采用硬件实时中值滤波的方法实现全天时星图的预处理。设计的星相机系统信噪比可达50dB左右。通过进行白天观星实验获得恒星图像,并成功进行了目标提取。实验说明所设计的EMCCD相机具备白天恒星探测能力。

EMCCD真彩色成像方法与验证

针对夜天光包含的大量近红外辐射,本文从理论和实验上研究了基于近红外波段全透的红、绿、蓝滤光片的EMCCD真彩色成像方法。夜天光在近红外波段的能量均被EMCCD吸收,再结合EMCCD的电子倍增功能获得较高亮度和信噪比的红、绿、蓝分量图像,最终通过彩色融合等图像处理方法获得真彩色EMCCD图像。本文进行了全月、半月、1/4月和晴朗星光照明条件下的真彩色成像色彩仿真,在此基础上制作了彩色滤光片,测试了典型样本的光谱反射率,搭建了真彩色EMCCD实验装置并开展外场试验。工作结果表明:该方法获得了色彩丰富、空间深度感较好、信噪比较高的真彩色EMCCD图像。

高性能分离式远程EMCCD成像系统研制

论述了基于一种1 024×1 024像素EMCCD图像传感器CCD201的高性能分离式远程成像系统设计方法。采用光纤通信技术,系统分为成像端与控制端,使系统可用于远程监测场合。利用CPLD器件产生CCD逻辑时序及视频同步处理控制时序,采用集成器件与分立器件相结合的方式实现EMCCD垂直驱动时序,获得视频信号;使用带有CDS功能的16位模数转换器对CCD视频信号进行数字化;数字化图像经由光纤发送到远程控制采集端。采用全双工通信,实现电子增益、放大倍数、温度等参数的远程控制。文中详细介绍了驱动电路、视频处理电路、数据远程交互单元与控制采集单元等关键组成部分的技术实现方法。设计的成像系统采用USB方式进行数据实时采集,能够连续获取16位数字图像数据,光动态范围大于70 d B,增益倍数最高能够大于0.1e-/ADU,控温精度达到±0.5℃。设计方法可应用于类似CCD成像系统的设计中,并使系统能够在微光成像及辐射场诊断中应用。

基于EMCCD的驱动电路设计

提出了一种高速EMCCD图像传感器CCD97时序驱动电路的设计方法。采用FPGA进行时序逻辑设计,利用EL7457集成器件对标准时钟进行电平转换。分立电路对快速高压(电子增益)时钟进行电平转换,从而建立EMCCD工作环境。仿真与实验结果表明,该方法能提供多路驱动时序,驱动频率高,硬件电路简单,编程方便,具有较好的性价比及应用推广价值,已用于CCD图像采集系统的研制。

EMCCD电荷倍增驱动电路分析与PCB设计

电子倍增CCD(Electron-Multiplying CCD,EMCCD)的电荷倍增驱动电路是实现这类CCD器件片上增益功能的关键。介绍了TC285SPD电荷倍增驱动器的参考电路的结构,详细分析其电路原理,并对该电路进行了PSpice仿真分析。对电荷倍增驱动电路的3种不同的印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)布局布线方案进行了实际测试,分析了存在的问题,找到了该电路PCB设计的正确方法。

基于EMCCD的AOTF成像光谱仪噪声分析与信噪比研究

声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪是一种新型高光谱成像系统。针对系统存在的波段间辐射灵敏度差异较大,低照度条件下部分波段信噪较低的问题,引入了电子倍增CCD(EMCCD)作为感光器件。对该原理仪器在普通和电子倍增两种工作模式下的噪声进行了分析,推导了信噪比模型,并利用研制的原理样机进行了实验验证。在此基础上,提出了电子倍增模式下系统动态范围的评价方法,给出了以入瞳光谱辐亮度为判据的工作模式选择方法。结果表明,信噪比模型与实测结果吻合,电子倍增模式的合理选择有效提高了低照度条件下的信噪比,改善波段间辐射灵敏度的非一致性。

光耦在EMCCD电源中的应用

为满足EMCCD供电的特殊要求,基于光耦特性设计了EMCCD供电电源。利用光耦的光电隔离特性实现了输入与控制信号的隔离;利用光耦接收三极管的线性区实现输出电压的连续调整;利用光耦接收三极管的饱和与截止特性实现了上电状态控制;利用高速光电接收二极管及图腾柱电路的高速特性实现了DC-DC电源的同步控制;对各部分光耦电路的温度特性进行了分析,并增加了反馈电路以降低温度影响。实验结果表明,基于光耦的EMCCD电源设计满足应用要求,改进后的输出电压随温度变化率为改进前的8.9%。

微光探测EMCCD在高灵敏度星敏感器中的应用研究

阐述了微光探测的主流技术,重点突出了电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)的结构、功能和优点,并进行了噪声和信噪比分析。同时以星敏感器运用为目的,完成了这一部件的初步设计分析和计算。

基于EMCCD的成像系统的构建

为了探索对较暗目标进行成像的新方法,我们在TI公司生产的带有增益寄存器的EMCCD(Electron Multiply CCD)芯片基础上,构建了一套成像系统,主要用于对此芯片进行性能测试,为将来构建天文观测用相机做准备。本文主要介绍了EMCCD的结构特点、工作原理,并且详细介绍实验室采用TI公司的EMCCD搭建的成像系统,以及在此系统基础上对EMCCD进行地评测。

基于EMCCD的单兵综合侦察仪设计及作用距离研究

EMCCD作为一种新型的光电传感器,在现代军用光电成像技术正得到越来越广泛的应用。本文将EMCCD组件应用于单兵综合侦察仪中,满足了装备昼夜探测的需求。同时根据约翰逊准则,考虑系统的光能量传递特性和目标在靶面上的压行数等因素,理论估算出其作用距离。通过试验结果表明理论估计的正确性,验证了EMCCD昼夜通用的性能,为装备选型提供依据。

一体化EMCCD微光相机的设计

电子倍增电荷耦合器件(E1ectron Multiplying Charge Coupled Device,EMCCD)是一种新型高灵敏度图像传感器。近年来,EMCCD相机在微光探测领域的应用越来越广泛。为了在微光相机中应用新型EMCCD器件,设计了一种探测能力强、数据更新快、具有一体化光纤接口的微光成像系统。主要研究了EMCCD相机的设计方法,说明了EMCCD的工作原理,论述了基于TC253SPD—BO的EMCCD微光相机的设计方案。用成像实验和信噪比测试实验验证了所设计的一体化微光相机的性能。结果表明,该相机不仅可以实现20km以上的数据传输和30f/s的拍摄帧频,而且还可实现弱光条件下的探测功能,并具有较高的系统信噪比。

1280×1024 EMCCD纵向抗光晕设计

1 280×1 024 EMCCD是一种内线转移结构的固态微光成像器件,具备从星光条件到阳光环境的全天时成像探测能力,可广泛用于航天遥感、视觉感知和无人驾驶等领域。但由于器件饱和输出的限制,当入射光强度很高的情况下,EMCCD会发生光晕现象,造成图像分辨率降低,影响EMCCD获取目标信息的能力。为了提升EMCCD环境适应性,避免光晕现象的产生,文中分析了EMCCD光晕产生的原因,介绍了纵向抗晕的工作原理,通过理论推导分析和数值模拟仿真的方法,设计了具有纵向抗晕结构的EMCCD像元,制作了具有抗晕功能的1 280×1 024 EMCCD器件和原理演示样机,仿真数据和测试结果表明,文中设计的纵向抗光晕结构EMCCD具有500倍抗晕能力。

EMCCD工作原理及性能分析

介绍了电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)的结构和工作过程,分析了影响倍增增益的因素,同时对噪声因子进行介绍。通过与其他CCD进行比较,EMCCD有优越的信噪比和量子效率。

EMCCD实时图像处理系统设计及FPGA实现研究

在实时图像处理系统中,如何能够在有限时间中处理大量的数据信息,并且有效满足系统实时性需求,是需要人们尽快解决的问题。基于此,本文就满足系统模块化的设计思想需求,提出了基于EMCCD实时图像处理系统设计,将DSP和FPGA作为核心器件,实现相应硬件电路设计,并且在实时图像处理系统中使用高要求的跟踪算法。通过实验结果表示,设计的实时图像处理系统功能及性能能够满足预期需求,实用且可靠。