專利名稱：高幀頻高靈敏度光纖傳輸式emccd攝像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高幀頻高靈敏度成像系統(tǒng)，尤其涉及具有高幀頻圖像遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)釆集功能的高幀頻攝像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高幀頻成像系統(tǒng)可以很好地反映出研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)過程細(xì)節(jié)，從而獲得一些有價(jià)值的信息，在碰撞試驗(yàn)、等離子體物理、爆炸現(xiàn)象、戰(zhàn)場(chǎng)偵查等科學(xué)試驗(yàn)研究領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。在一些應(yīng)用場(chǎng)合不僅對(duì)攝像機(jī)有高幀頻要求，也需要遠(yuǎn)程的圖像監(jiān)測(cè)，例如等離子體物理研究與爆炸現(xiàn)象研究，前者因?yàn)?br> 研究對(duì)象具有很高的輻射射線，對(duì)研究者有很大危害；后者由于爆炸現(xiàn)場(chǎng)具有一定破壞力的沖擊波與爆炸碎片，可能造成研究人員的身體傷害，因此需要能夠遠(yuǎn)程使用的高幀頻成像系統(tǒng)。另外，在微光高速成像研究場(chǎng)合，如單分子熒光分析、細(xì)胞活動(dòng)研究等，都需要很高靈敏度的高幀頻成像系統(tǒng)。目
前，巿場(chǎng)上的科學(xué)級(jí)高幀頻像機(jī)主要有CCD (Charge Coupled Device,電荷耦合器件)與CMOS (Complementary Metal-Oxide- Semiconductor,互補(bǔ)型金屬氧化物)兩種，高分辨率的以CM0S為主流，高靈敏度的以CCD為主流，這主要是因?yàn)镃CD器件比CMOS器件的靈敏度高但數(shù)據(jù)讀出速度比CMOS低得多的緣故。普通的CCD不能滿足低照度下高幀頻成像場(chǎng)合的要求，為提高CCD的靈敏度，人們?cè)诩夹g(shù)上做了許多的努力，如背照射襯底減薄技術(shù)的應(yīng)用提高入射光量子效率；深度制冷(低于零下4(TC)CCD減小器件等效噪音；多路并行讀出電路設(shè)計(jì)減低單端信號(hào)數(shù)據(jù)率以減小信號(hào)讀出噪音；多針相(MPP)模式技術(shù)CCD器件設(shè)計(jì)，電子增益(ElectronMultiplying，簡(jiǎn)稱EM)放大積分電荷等。這些技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)CCD的驅(qū)動(dòng)與視頻處理也提出了新的要求，成為高速高靈敏度CCD成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)。例如電子增益驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，它不僅有嚴(yán)格的相位要求，還需要增益驅(qū)動(dòng)在20MHz以上達(dá)到50V的電壓擺幅。
高幀頻成像系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與實(shí)時(shí)采集一直是設(shè)計(jì)的技術(shù)瓶頸。對(duì)于500幀以上的遠(yuǎn)程高速成像系統(tǒng)，它要求在2ms以內(nèi)處理一整幀
的圖像數(shù)據(jù)，這包括視頻信號(hào)的同步、釆樣、數(shù)字化、遠(yuǎn)程傳輸與實(shí)時(shí)釆集，這對(duì)于高分辨率的圖像是很難實(shí)現(xiàn)的，必須采用專門的處理技術(shù)。如多路視頻并行處理，相當(dāng)于把一幅高分辨率圖像分割成多個(gè)低分辨率圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)'處理，每個(gè)處理單元相對(duì)獨(dú)立，處理后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行圖像拼接恢復(fù)出原始圖像。另外 一種常用的實(shí)現(xiàn)高幀頻的方式是降低系統(tǒng)分辨率以減少系統(tǒng)數(shù)據(jù)量，如128x 128分辨率的系統(tǒng)，在1000幀每秒的情況下數(shù)據(jù)速率為200Mbps,
使實(shí)時(shí)的圖像處理與釆集成為可能。目前高速數(shù)據(jù)傳輸常用的方式是光纖技術(shù)，它能達(dá)到最高每秒100Gbps的傳輸速度，比常規(guī)的電纜或LVDS(低電壓
差分信號(hào))方式都高得多，因而高幀頻圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸釆用光纖技術(shù)是很好的選擇。
目前市場(chǎng)上的高幀頻攝像機(jī)的圖像數(shù)據(jù)釆集一般是先釆用高速海量數(shù)據(jù)緩存單元對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，而后通過計(jì)算機(jī)慢速釆集，最后進(jìn)行處理顯示的方法完成的，這種方法原理簡(jiǎn)單，對(duì)于高分辨率圖像是唯一可行的方法；但對(duì)于低分辨率的高速成像系統(tǒng)，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)釆集是方便有效的方法。巿場(chǎng)上常見的數(shù)據(jù)釆集方式有PCI數(shù)據(jù)釆集卡、串口數(shù)據(jù)釆集卡、USB數(shù)據(jù)釆集卡、1394數(shù)據(jù)釆集卡等。PCI數(shù)據(jù)采集卡速度最高，使用不夠方便；USB與1394數(shù)據(jù)釆集卡速度在百兆bps級(jí)別，適合低分辨率高幀頻成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)釆集，使用方便；串口數(shù)據(jù)采集卡速度過低，不適合高速數(shù)據(jù)釆集使用。 在數(shù)據(jù)傳輸釆集方面，以光纖與USB技術(shù)發(fā)展最快，容易獲得相關(guān)技術(shù)支持， 因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛。

發(fā)明內(nèi)容
為解決高幀頻像機(jī)的靈敏度低以及無法進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)圖像釆集的問題，
本發(fā)明釆用高靈敏度EMCCD (Electron Multiplying CCD,電子增益CCD)芯 片，利用光纖通信技術(shù)及USB數(shù)據(jù)釆集技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高幀頻像機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)計(jì)
算機(jī)釆集，從而提供了一種具有很高靈敏度、又能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)圖像釆集、幀頻 達(dá)到1000幀每秒的高幀頻高靈敏度光纖傳輸式EMCCD攝像系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種高幀頻高靈敏度光纖傳輸式EMCCD攝像系統(tǒng)，包括CCD攝像機(jī)、電 源、接收釆集盒，其特征在于所述CCD攝像機(jī)和接收釆集盒通過光纖連接； 所述CCD攝像機(jī)包括EMCCD圖像傳感器芯片、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路、第一 CPLD控 制單元、視頻處理單元、數(shù)據(jù)編碼單元和第一光收發(fā)模塊；所述接收釆集盒 包括第二光收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)解碼單元、第二CPLD控制單元、時(shí)鐘基準(zhǔn)單元、 USB釆集控制單元和計(jì)算機(jī)；所述USB采集控制單元和計(jì)算機(jī)通過USB連接 線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
所述EMCCD圖像傳感器芯片ll用于拍攝微光圖像；所述第一CPLD控制
單元13用于產(chǎn)生EMCCD圖像傳感器芯片的驅(qū)動(dòng)時(shí)序；所述時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路12
用于增大驅(qū)動(dòng)時(shí)序的電壓擺幅；所述視頻處理單元14在第一CPLD控制單元
的同步下對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻處理與數(shù)字化；所述數(shù)據(jù)編碼單元15用于將 視頻處理單元14數(shù)字化后的圖像數(shù)據(jù)在第一CPLD控制單元同步下進(jìn)行編碼
并轉(zhuǎn)換成PECL信號(hào)；所述第一光收發(fā)模塊16和第二光收發(fā)模塊31通過光纖9接收和發(fā)送PECL信號(hào)；所述數(shù)據(jù)解碼單元32用于將接收到的PECL信 號(hào)還原為圖像數(shù)據(jù)；第二 CPLD控制單元38用于將數(shù)據(jù)解碼單元32還原后 圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行同步和處理；所述時(shí)鐘基準(zhǔn)單元34用于提供基準(zhǔn)時(shí)鐘；所述 USB采集控制單元35通過USB接口上的USB連接線向計(jì)算機(jī)提供釆集數(shù)據(jù)； 所述計(jì)算機(jī)用于釆集圖像數(shù)據(jù)。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明攝像系統(tǒng)在全分辨(128xl28象素)時(shí)可以達(dá)到1000幀/秒 的工作速度，超過國外同類產(chǎn)品的最高幀頻514幀/秒的工作速度，同時(shí)具 有Binning功能，可以提高幀頻到2000幀/秒以上(2 x 2Binning以上)。幀 頻與Binning的象素有關(guān)，即n x m Binning時(shí)幀頻提高n倍(一般n=m),例 如，在2 x 2Binning時(shí)，幀頻提高一倍，4 x 2Binning時(shí)，幀頻提高4倍。 本發(fā)明的幀頻能夠在全分辨(128xl28)時(shí)能夠達(dá)到1000幀/秒的速度，支持 Binning (象素合并)工作模式，且具有遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)釆集能力，具有更多的 使用靈活性。
2、 本發(fā)明攝像系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)光纖遠(yuǎn)程同步傳輸功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程高幀 頻圖像實(shí)時(shí)傳輸，可用于危險(xiǎn)場(chǎng)合高速實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)研究，擴(kuò)展了高幀
頻攝像機(jī)的應(yīng)用范圍。
3、 本發(fā)明攝像系統(tǒng)具有USB數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)釆集功能，可通過USB進(jìn)行實(shí)時(shí)
數(shù)據(jù)釆集，其存儲(chǔ)容量可通過計(jì)算機(jī)內(nèi)存進(jìn)行擴(kuò)展，極易擴(kuò)展系統(tǒng)記錄時(shí)間 長(zhǎng)度，極大的擴(kuò)展了圖像存儲(chǔ)能力。
4、 本發(fā)明通過釆用高速EMCCD芯片能使高幀頻高靈敏度像機(jī)在微光、
弱光情況下高速成像成為現(xiàn)實(shí)。 附圖及其說明附

圖1是本發(fā)明光纖傳輸式EMCCD攝像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意附圖2是本發(fā)明的CCD攝像機(jī)的電路結(jié)構(gòu)示意附圖3是本發(fā)明的接收采集盒的電路結(jié)構(gòu)示意其中l(wèi)-CCD攝像機(jī)，ll-EMCCD圖像傳感器芯片，12-時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路， 13-第一 CPLD控制單元，14-視頻處理單元，15-數(shù)據(jù)編碼電路，16-第一光 收發(fā)模塊，2-電源，3-接收釆集盒，31-第二光收發(fā)模塊，32-數(shù)據(jù)解碼單元, 33-第二CPLD控制單元，34-時(shí)鐘基準(zhǔn)單元，35-USB釆集控制單元，36-計(jì)算 機(jī)，4-觸發(fā)接口， 5-CCD攝像機(jī)電源接口， 6-光纖接口， 7-接收采集盒電源 接口， 8-USB接口， 9-光纖，10-計(jì)算機(jī)，20-USB連接線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明高幀頻高靈敏度光纖傳輸式EMCCD攝像系統(tǒng)，參見附圖l,包括 CCD攝像機(jī)1、電源2、接收釆集盒3, CCD攝像機(jī)1和接收采集盒3通過光 纖9連接；CCD攝像機(jī)l包括EMCCD圖像傳感器芯片11、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路12、 第一CPLD控制單元13、視頻處理單元14、數(shù)據(jù)編碼單元15與第一光收發(fā) 模塊16;接收釆集盒3包括第二光收發(fā)模塊31、數(shù)據(jù)解碼單元32、第二 CPLD 控制單元33、時(shí)鐘基準(zhǔn)單元34、 USB釆集控制單元35和計(jì)算機(jī)10; USB采 集控制單元35和計(jì)算機(jī)通過USB連接線20進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
第一 CPLD控制單元產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)時(shí)序經(jīng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路增大到芯片所要求 的電壓，EMCCD圖像傳感器芯片輸出的視頻信號(hào)在第一CPLD控制單元的同步 下由視頻處理單元(VSP2000視頻處理芯片)進(jìn)行視頻的處理與數(shù)字化，數(shù) 字化后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)第一 CPLD控制單元同步后交由數(shù)據(jù)編碼電路(數(shù)據(jù)編 碼芯片HDMP1032 )進(jìn)行編碼并轉(zhuǎn)換成第一光發(fā)送模塊需要的PECL信號(hào)，通 過光纖9傳輸?shù)浇邮蔗娂小５诙馐瞻l(fā)模塊把接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成PECL信號(hào)送入數(shù)據(jù)解碼單元，數(shù)據(jù)解碼單元把接收到的信號(hào)還原為原始數(shù)據(jù)，該
數(shù)據(jù)經(jīng)第二 CPLD控制單元的同步與處理后，傳輸?shù)経SB采集控制單元，并
通知計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集，最后由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集并把釆集到的數(shù) 據(jù)按專用數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ)，從而完成高幀頻高靈敏度圖像的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 攝像。
電源2通過電源接口 5與CCD攝像機(jī)1連接以提供電源，電源可提供50V、 12V、 5V與-5V四種電源。外觸發(fā)接口 4可接入同步觸發(fā)信號(hào)或懸空。高速 圖像數(shù)據(jù)通過光纖接口 6上的光纖9與接收釆集盒3相連進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸， 接收釆集盒電源接口提供5V電源。計(jì)算機(jī)10通過USB連接線20與接收釆 集盒的USB接口8連接，釆集所需要的圖像數(shù)據(jù)。
EMCCD圖像傳感器芯片釆用英國E2V公司生產(chǎn)的CCD60背照式高幀頻CCD 芯片以達(dá)到高速高靈敏度的效果，芯片的分辨率為128 x 128，幀頻1000幀 每秒時(shí)數(shù)據(jù)讀出速度為18MHz，它的驅(qū)動(dòng)時(shí)序由第一CPLD控制單元產(chǎn)生，經(jīng) 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路把電壓驅(qū)動(dòng)到CCD60要求的電壓后加載至CCD芯片。第一 CPLD 控制單元的CPLD器件釆用Xilinx公司的XC95108器件，其時(shí)序軟件利用 Xilinx ISE8. 1編寫。
時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路釆用的集成器件使用National Semiconductor公司的 DS0026器件，它可以驅(qū)動(dòng)12V與正負(fù)5V的行幀轉(zhuǎn)移時(shí)序。
EMCCD圖像傳感器芯片輸出的視頻信號(hào)由視頻處理單元進(jìn)行緩沖與數(shù)字 化，緩沖器件使用三極管2N5551,視頻處理器件使用BURR-BROWN公司的 10bitCCD視頻信號(hào)專用芯片VSP2000處理，最高處理速度可達(dá)18MHz,它通 過控制單元的同步控制信號(hào)對(duì)CCD視頻進(jìn)行CDS(相關(guān)雙釆樣)與A/D轉(zhuǎn)換， 得到CCD數(shù)字圖像數(shù)據(jù)并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)編碼單元進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼與并串轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)編碼單元使用Agilent公司的16位數(shù)據(jù)編碼與并串轉(zhuǎn)換芯片 HDMP1032，最高速率為1. 4Gbps，開發(fā)成320Mbps的傳輸系統(tǒng)，芯片的控制 信號(hào)與同步信號(hào)由控制單元提供，它輸出的LVDS信號(hào)通過PECL轉(zhuǎn)換后傳輸 到第一光收發(fā)模塊。第一光收發(fā)模塊使用RTXM171，它最高傳輸速度為 1.25Gbps，使用單模光纖傳輸，距離最遠(yuǎn)可達(dá)40Km，是收發(fā)一體的模塊，接 口為SC接口 。模塊輸出的光信號(hào)通過光纖9與接收釆集盒3連接。
第二光收發(fā)模塊與第一光收發(fā)模塊釆用相同的芯片，它把接收到的光信 號(hào)還原成PECL信號(hào)，通過LVDS轉(zhuǎn)換后交由數(shù)據(jù)解碼單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。 解碼芯片使用Agilent公司的16位數(shù)據(jù)解碼與串并轉(zhuǎn)換芯片HDMP1034,工 作速率與HDMP1032相同，它解碼出16位數(shù)據(jù)與幾路同步信號(hào)傳輸?shù)降诙?CPLD控制單元，此控制單元使用與前端控制單元相同的芯片，即Xilinx公 司的XC95108芯片。
時(shí)鐘基準(zhǔn)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘，通過控制單元分配到數(shù)據(jù)解碼單元與USB釆集 控制單元，時(shí)鐘基準(zhǔn)源使用標(biāo)準(zhǔn)的80MHz時(shí)鐘晶振，其它頻率的時(shí)鐘均由它 分頻或倍頻產(chǎn)生。
USB釆集控制單元使用Cypress公司的USB2. 0芯片CY7C68013，開發(fā)為 16位并行同步釆集系統(tǒng)，它的的理論最高速度為480Mbps,本發(fā)明的設(shè)計(jì)中 可以達(dá)到320Mbps以上，能夠滿足1000幀/秒情況下的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)釆集要求。 計(jì)算機(jī)軟件通過它從控制單元把圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)釆集到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，當(dāng)數(shù)據(jù)釆 滿后把釆集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤，同時(shí)可以使用本系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件 進(jìn)行回放等處理操作。
權(quán)利要求
1、一種高幀頻高靈敏度光纖傳輸式EMCCD攝像系統(tǒng)，包括CCD攝像機(jī)、電源、接收采集盒，其特征在于所述CCD攝像機(jī)和接收采集盒通過光纖連接；所述CCD攝像機(jī)包括EMCCD圖像傳感器芯片、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路、第一CPLD控制單元、視頻處理單元、數(shù)據(jù)編碼單元和第一光收發(fā)模塊；所述接收采集盒包括第二光收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)解碼單元、第二CPLD控制單元、時(shí)鐘基準(zhǔn)單元、USB采集控制單元和計(jì)算機(jī)；所述USB采集控制單元和計(jì)算機(jī)通過USB連接線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的EMCCD攝像系統(tǒng)，其特征在于所述EMCCD圖像傳感器芯片ll用于拍攝微光圖像；所述第一CPLD控制單元(13)用于產(chǎn)生EMCCD圖像傳感器芯片的驅(qū)動(dòng)時(shí)序；所述時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路(12)用于增大驅(qū)動(dòng)時(shí)序的電壓；所述視頻處理單元(14)在第一 CPLD控制單元的同步下對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻處理與數(shù)字化；所述數(shù)據(jù)編碼單元(15)用于將視頻處理單元數(shù)字化后的圖像數(shù)據(jù)在第一 CPLD控制單元同步下進(jìn)行編碼并轉(zhuǎn)換成PECL信號(hào)；所述第一光收發(fā)模塊(16 )和第二光收發(fā)模塊(31)通過光纖(9 )接收和發(fā)送PECL信號(hào)；所述數(shù)據(jù)解碼單元(32)用于將接收到的PECL信號(hào)還原為圖像數(shù)據(jù)；第二 CPLD控制單元(38)用于將數(shù)據(jù)解碼單元還原后圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行同步和處理；所述時(shí)鐘基準(zhǔn)單元(34)用于提供基準(zhǔn)時(shí)鐘；所述USB采集控制單元(35)通過USB接口上的USB連接線向計(jì)算機(jī)提供釆集數(shù)據(jù)；所述計(jì)算機(jī)用于釆集圖像數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高幀頻高靈敏度光纖傳輸式EMCCD攝像系統(tǒng)，包括CCD攝像機(jī)、電源、接收采集盒，所述CCD攝像機(jī)和接收采集盒通過光纖連接；CCD攝像機(jī)包括EMCCD圖像傳感器芯片、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路、第一CPLD控制單元、視頻處理單元、數(shù)據(jù)編碼單元和第一光收發(fā)模塊；接收采集盒包括第二光收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)解碼單元、第二CPLD控制單元、時(shí)鐘基準(zhǔn)單元、USB采集控制單元和計(jì)算機(jī)；本發(fā)明攝像系統(tǒng)在全分辨時(shí)可以達(dá)到1000幀/秒的工作速度，且具有數(shù)據(jù)光纖遠(yuǎn)程同步傳輸功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程高幀頻圖像實(shí)時(shí)傳輸，適用于微光場(chǎng)合與危險(xiǎn)場(chǎng)合高速實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)研究，擴(kuò)展了高幀頻攝像機(jī)的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)H04N7/22GK101500153SQ20091002120
公開日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2009年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者夏驚濤, 孫鳳榮, 李斌康, 楊少華, 王群書, 郭明安, 陳彥麗 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所