为了实现 640×512分辨率的 EMCCD（Electron-Multiplying CCD）在 1×10-3 lx照度条件下 25 fps连续动态成像，设计了对应的相机。搭建了相机硬件平台，分析了 EMCCD工作时序、AFE工作时序、BT.656编码和 Camera Link编码时序。利用硬件描述语言在 FPGA中产生了相应的驱动时序。实现了 EMCCD曝光和读出控制，AFE相关双采样和光学暗电平钳位，模拟视频信号逐行变隔行和插值拉伸以及 Camera Link协议的并串转换。通过实际测量和分析，相机在模拟夜天光 1×10-3 lx照度， EMCCD增益 1000倍，镜头焦距 25mm，F1.4的条件下，能同时输出模拟视频和数字视频，成像帧率 25 fps，信噪比 21.8 dB。
EMCCD相机 时序设计 EMCCD camera, timing design, AFE, BT.656, Camera L AFE BT.656 Camera Link
1 北京理工大学 光电学院 “复杂环境智能感测技术“工信部重点实验室, 北京 100081
2 北京理工大学前沿技术研究院 传感智能技术创新中心, 山东 济南 250300
针对弱散射样品的拉曼光谱信号弱, 探测时间长的问题, 提出了一种基于剪切模式的快速激光共焦拉曼光谱探测方法, 该方法通过减少信号传输单元来减小曝光时间, 通过只采集信号靶面单元有效拉曼光斑区域的方式, 在保证拉曼信号强度的基础上同时提升拉曼光谱探测信噪比, 进而减少所需探测时间, 实现弱散射样品的快速拉曼光谱探测。实验表明, 与传统共焦拉曼光谱探测系统相比, 文章采用的剪切模式可将硅拉曼光谱探测速度提升37.5倍以上, 为共焦拉曼光谱显微技术的快速探测提供了一种新的技术途径。
拉曼光谱 探测速度 剪切模式 raman spectrum detection speed EMCCD EMCCD crop mode
随着硅材料质量的提升和半导体工艺技术的发展, 低温制冷下电荷耦合器件(CCD)的暗电流已经可以忽略, 此时放大器成了主要的噪声源, 限制了对微弱信号的检测。采用电子倍增技术, 通过对电荷包在进入输出节点前进行放大, 可有效抑制放大器的噪声。然而, 电荷包放大后容易饱和, 会限制器件的动态范围。本研究采用浮置栅放大器对电荷包进行无损检测。根据检测结果, 大的电荷包直接输出, 小的电荷包通过电子倍增放大后再输出, 获得高灵敏度的同时兼顾了大的动态范围。根据实际测试结构, 在10-4Lx光照下得到了良好的微光成像效果, 同时动态范围可达15万倍。
微光 动态范围 高灵敏 CCD CCD EMCCD EMCCD low-level-light dynamic range high sensitivity
1 北京理工大学 光电学院，北京 100081
2 华东光电集成器件研究所，江苏 苏州 215163
1280×1024 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1280×1024 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 内线转移 光晕 饱和输出 抗晕能力 EMCCD interline transfer blooming saturation output antiblooming 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210083
中国兵器工业第214研究所 苏州研发中心，江苏 苏州 215163
高性能的微光夜视探测是光电探测未来的发展方向。本文针对在微弱光照射情况下，因为感光度不足而使得获得的偏振图像存在较大误差的问题，提出了一种固态微光实时偏振成像集成技术。通过引入白光通道和4个偏振方向的8个偏振通道，可在电子倍增CCD（EMCCD）微光器件上实现偏振和微光探测的集成。经试验验证，该技术获取的偏振信息准确度较高，且无偏振单元，使得器件的最低工作照度不被降低，器件同时具备微光-偏振探测功能，除可大幅提高探测器件对目标的探测识别能力外，还具有加工难度低、成本低等优点。
EMCCD 偏振 微光 阵列 EMCCD polarization low light array
1 北京理工大学 光电学院 纳米光子学与超精密光电系统北京市重点实验室，北京 100081
2 华东光电集成器件研究所，江苏 苏州 215163
3 常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 苏州 215500
4 南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
单一探测器实现多维度信息获取是光电探测未来的发展方向。针对目标探测中能量和偏振信息不能兼顾的问题，提出了一种同时具有偏振-微光功能的像元阵列结构。通过引入白光通道和精简偏振通道，可在EMCCD器件上实现偏振和微光探测的一体化集成。实验结果表明，在微光条件下，探测器高灵敏性能被保持，低照度下的成像质量几乎不衰减；偏振模式下，白光通道和两个偏振角度使探测器能够获得足够的偏振信息，实现对目标的偏振探测。该方法实现了高灵敏度成像探测和偏振信息探测的同步获取，是一种通过算法处理就能够实现探测模式可重构的新方法。
偏振 微光 可重构探测器 EMCCD EMCCD polarization low light reconfigurable detector
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
全局快门在对地观测的超光谱成像、测绘及星敏应用中具有优势，但应用效果也依赖于高信噪比。针对CMOS成像特点，设计了可进行拉灌电流的低压基准源电路，基于低热光学变形的焦面电子学，提出上电初始态不定的多通道串行数据接收方法；针对全局快门所特有的寄生光灵敏度影响，采用分行统计中间行为基准的多点拟合校正方法；按照EMVA1288标准，将前照式CMOS成像系统与制冷背照式EMCCD进行了测试，校正前后单幅图像的标准差分别为3.37和0.42，最大信噪比为123.37，EMCCD的最大信噪比为359.43。结果表明，该校正方法可有效减弱全局快门的固定图形噪声，面阵CMOS在全局快门方式下的信噪比与EMCCD相比还有较大差距。
全局快门 对地观测 超光谱成像 寄生光灵敏度 CMOS成像 global shutter earth observation hyperspectral imaging parasitic light sensitivity CMOS imaging EMCCD EMCCD
捕捉细胞内分子活动发生的动态过程, 从细胞分裂到囊泡运输再到胞内钙离子浓度变化等大量快速发生和发展的生理过程是很多科研工作者的需要。这个过程不仅要求较高的时间分辨率, 还要求较低的激发光强度以使样品的淬灭和光损伤达到最小。因此, 相机的高灵敏度图像传感器起到了决定作用。鉴于近几年图像传感器发展迅速, 本文对其进行了系统的阐述, 综述了相机的图像传感器技术上的最新突破和改进。进而, 总结了其在活细胞成像中的应用, 对比了两种主流传感器并展望了未来发展趋势。
图像传感器 活细胞成像 电子倍增电子耦合元件 科学互补金属氧化物半导体 image detectors live cell imaging electron-multiplying charged-coupled device (EMCCD scientific complementary metal-oxide semiconductor
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
导航相机是深空探测领域中关键的导航敏感部件, 本文通过提高导航相机的灵敏度来提高导航相机的综合性能, 特别是提高时间分辨率, 解决高动态条件下的目标探测问题。首先, 根据导航相机的工作模式和EMCCD的性能特点, 分析了影响导航相机成像质量的多个因素, 建立了目标信噪比理论分析模型; 然后, 在理论计算基础上, 重点研究EMCCD导航相机的样机设计技术, 说明了EMCCD高频高幅驱动、模拟前端设计、TEC真空制冷、时序控制与数据处理等关键技术的实现方法; 最后, 介绍了相关实验工作, 并分析实验数据。实验结果表明: 样机最大目标信噪比在倍增增益M=10时达到68.6 dB, 在口径13 mm条件下, 可在积分时间1 ms内实现对月球成像。基本满足深空探测导航相机高动态条件下短积分时间成像的要求。
深空探测 导航相机 电子倍增电荷耦合器件 高动态 小天体 deep-space exploration navigation camera Electron-Multiplying Charge-coupled Device(EMCCD) high dynamic small celestial bodies 光学 精密工程
2018, 26(12): 3019
大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026
提出了基于水下自主航行器的EMCCD微光照相机驱动系统设计方法。首先，分析了EMCCD输出噪声的组成，根据暗电流噪声和时钟感生噪声的关系，给出了常规功率驱动的器件选型原则和设计方法; 讨论了使用图腾柱电路实现电子倍增驱动的功耗问题，并给出了改进方案; 使用高频系统时钟实现了驱动相位和脉宽的微调，解决了驱动时序波形幅度重叠率不足的问题; 最后,给出了使用CCD201-20搭建的水下相机结构和实验结果。实验结果表明，系统产生的常规驱动信号频率为时钟频率10 MHz，串行转移时钟的幅度重叠率优于50%，并行转移时钟的幅度重叠率优于90%，驱动信号的相位调整精度为18°,脉宽调整精度为5 ns，驱动波形稳定、平整，电子倍增驱动信号高电平可调，功耗相较于优化前降低7.2%。本文所介绍的EMCCD驱动系统设计方法充分兼顾了驱动系统的噪声、体积和功耗问题，可以广泛应用在水下微光成像乃至常规CCD领域。
电子倍增电荷耦合器件 低照度相机 CCD驱动 自主水下航行器 现场可编程门阵列 EMCCD low-light level camera CCD driver Autonomous Underwater Vehicle(AUV) Field Programmable Gate Array(FPGA) 光学 精密工程
2018, 26(10): 2605
