[发明专利]高帧频高灵敏度光纤传输式EMCCD摄像系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种高帧频高灵敏度成像系统，尤其涉及具有高帧频图像远 程实时采集功能的高帧频摄像系统。

背景技术

高帧频成像系统可以很好地反映出研究对象的运动过程细节，从而获得 一些有价值的信息，在碰撞试验、等离子体物理、爆炸现象、战场侦查等科 学试验研究领域有广泛应用。在一些应用场合不仅对摄像机有高帧频要求， 也需要远程的图像监测，例如等离子体物理研究与爆炸现象研究，前者因为 研究对象具有很高的辐射射线，对研究者有很大危害；后者由于爆炸现场具 有一定破坏力的冲击波与爆炸碎片，可能造成研究人员的身体伤害，因此需 要能够远程使用的高帧频成像系统。另外，在微光高速成像研究场合，如单 分子荧光分析、细胞活动研究等，都需要很高灵敏度的高帧频成像系统。目 前，市场上的科学级高帧频像机主要有CCD(Charge Coupled Device，电荷 耦合器件)与CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补型 金属氧化物)两种，高分辨率的以CMOS为主流，高灵敏度的以CCD为主流， 这主要是因为CCD器件比CMOS器件的灵敏度高但数据读出速度比CMOS低得 多的缘故。普通的CCD不能满足低照度下高帧频成像场合的要求，为提高CCD 的灵敏度，人们在技术上做了许多的努力，如：背照射衬底减薄技术的应用 提高入射光量子效率；深度制冷(低于零下40℃)CCD减小器件等效噪音；多 路并行读出电路设计减低单端信号数据率以减小信号读出噪音；多针相(MPP) 模式技术CCD器件设计，电子增益(Electron Multiplying，简称EM)放大积 分电荷等。这些技术的出现对CCD的驱动与视频处理也提出了新的要求，成 为高速高灵敏度CCD成像系统设计的技术难点。例如电子增益驱动设计，它 不仅有严格的相位要求，还需要增益驱动在20MHz以上达到50V的电压摆幅。

高帧频成像系统的海量数据的远程传输与实时采集一直是设计的技术 瓶颈。对于500帧以上的远程高速成像系统，它要求在2ms以内处理一整帧 的图像数据，这包括视频信号的同步、采样、数字化、远程传输与实时采集， 这对于高分辨率的图像是很难实现的，必须采用专门的处理技术。如多路视 频并行处理，相当于把一幅高分辨率图像分割成多个低分辨率图像进行实时 处理，每个处理单元相对独立，处理后的数据再进行图像拼接恢复出原始图 像。另外一种常用的实现高帧频的方式是降低系统分辨率以减少系统数据 量，如128×128分辨率的系统，在1000帧每秒的情况下数据速率为200Mbps， 使实时的图像处理与采集成为可能。目前高速数据传输常用的方式是光纤技 术，它能达到最高每秒100Gbps的传输速度，比常规的电缆或LVDS(低电压 差分信号)方式都高得多，因而高帧频图像数据的远程传输采用光纤技术是 很好的选择。

目前市场上的高帧频摄像机的图像数据采集一般是先采用高速海量数 据缓存单元对图像数据进行缓存，而后通过计算机慢速采集，最后进行处理 显示的方法完成的，这种方法原理简单，对于高分辨率图像是唯一可行的方 法；但对于低分辨率的高速成像系统，直接进行数据采集是方便有效的方法。 市场上常见的数据采集方式有PCI数据采集卡、串口数据采集卡、USB数据 采集卡、1394数据采集卡等。PCI数据采集卡速度最高，使用不够方便；USB 与1394数据采集卡速度在百兆bps级别，适合低分辨率高帧频成像系统的 数据采集，使用方便；串口数据采集卡速度过低，不适合高速数据采集使用。 在数据传输采集方面，以光纤与USB技术发展最快，容易获得相关技术支持， 因此在设计中应用最为广泛。

发明内容

为解决高帧频像机的灵敏度低以及无法进行远程实时图像采集的问题， 本发明采用高灵敏度EMCCD(Electron Multiplying CCD，电子增益CCD)芯 片，利用光纤通信技术及USB数据采集技术实现了高帧频像机的远程实时计 算机采集，从而提供了一种具有很高灵敏度、又能远程实时图像采集、帧频 达到1000帧每秒的高帧频高灵敏度光纤传输式EMCCD摄像系统。

本发明的技术解决方案是：