一种CCD高速信号采集方法和装置

摘要

一种CCD高速信号采集方法和装置，属于CCD高速信号采集技术领域，用以解决CCD高速采样时传统电荷清零方法清零时间过长且无法捕捉到有效信号的问题。本发明针对CCD高速采样时全靶面电荷难以清零的问题，提出了采用先检测有效靶面，确定光信号占用的靶面行数，再对靶面进行单行单列独特的清零方式，单次清零所花时间极短，根据采样间隔的时间执行对应次数的清零，不会因为单次清零时间过长导致错过采样信号，可以做到在高速采样的同时对靶面电荷最大程度的清零。

说明书

技术领域

本发明涉及CCD高速信号采集技术领域，具体涉及一种CCD高速信号采集方法和装置。

技术背景

CCD是指电荷耦合器件，是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件，具有自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、功耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点，并可做成集成度非常高的组合件。CCD的用法通常包括以下两种：第一种是作为video拍照使用；第二种是利用FVB(full vertical binning)技术，将面阵CCD作为线阵使用。第一种用法作为video拍照使用时，如果是在高帧速的情况下可能会出像素点电荷误差过大，从而导致图像不清晰的问题；第二种用法存在的问题是过长的电荷清零时间会导致高速采集与电荷有效清零的互斥，从而必须舍弃一项才能正常使用。因此，在CCD高速采样时如何既能够确保高帧速的采样率，又能够有效清除曝光区域暗电流电荷是一个亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出一种CCD高速信号采集方法和装置，用以解决CCD高速采样时传统电荷清零方法清零时间过长且无法捕捉到有效信号的问题。

根据本发明一方面，提出一种CCD高速信号采集方法，该方法包括以下步骤，

步骤一、将待测光信号粗调节位置，使待测光信号完整的投射至CCD图像传感器的靶面区域；

步骤二、进行靶面调节，检测有效靶面，确定待测光信号占用的有效靶面行数；

步骤三、进行靶面电荷清零，包括对靶面上电荷首先执行单行垂直转移，然后执行单列水平读出的循环清零操作；

步骤四、根据有效靶面行数、曝光时间和外部触发条件进行有效信号采集。

进一步地，步骤二中通过上下调整CCD位置使待测光信号处于靶面最下方，记录待测光信号占用靶面的有效行数即为有效靶面行数。

进一步地，步骤三中对有效靶面上电荷首先执行单行垂直转移，然后执行单列水平读出的循环清零操作的具体步骤包括，首先执行第一次垂直移位操作，使所有靶面电荷向下移位一行，接着执行第一次水平读出操作，即将水平寄存器的数据向外移动读出一个，使水平寄存器清空一个数据位；然后执行第二次垂直移位操作，接着再次执行水平读出操作，……，循环执行上述操作，直至外部触发结束清零。

进一步地，步骤三中所述电荷包括无效光电荷和暗电流电荷。

进一步地，所述方法通过FPGA产生对应的多路并行控制时序以驱动CCD工作进行信号采集，其中，CCD工作模式包括Video图像模式和Binning装箱模式。

根据本发明另一方面，提出一种CCD高速信号采集装置，包括，

信号获取模块，用于将待测光信号粗调节位置，使待测光信号完整的投射至CCD图像传感器的靶面区域；

靶面调节模块，用于进行靶面调节，检测有效靶面，确定待测光信号占用的有效靶面行数；

靶面电荷清零模块，用于进行靶面电荷清零，包括对靶面上电荷首先执行单行垂直转移，然后执行单列水平读出的循环清零操作；其中，所述电荷包括无效光电荷和暗电流电荷；

信号采集模块，用于根据有效靶面行数、曝光时间和外部触发条件进行有效信号采集。

进一步地，靶面调节模块通过上下调整CCD位置使待测光信号处于靶面最下方，记录待测光信号占用靶面的有效行数即为有效靶面行数。

进一步地，靶面电荷清零模块对有效靶面上电荷首先执行单行垂直转移，然后执行单列水平读出的循环清零操作的具体步骤包括，首先执行第一次垂直移位操作，使所有靶面电荷向下移位一行，接着执行第一次水平读出操作，即将水平寄存器的数据向外移动读出一个，使水平寄存器清空一个数据位；然后执行第二次垂直移位操作，接着再次执行水平读出操作，……，循环执行上述操作，直至外部触发结束清零。

进一步地，所述装置通过FPGA产生对应的多路并行控制时序以驱动CCD工作进行信号采集，其中，CCD工作模式包括Video图像模式和Binning装箱模式。

本发明的有益技术效果是：本发明针对CCD高速采样时全靶面电荷难以清零的问题，提出了采用先检测有效靶面，确定光信号占用的靶面行数，再对靶面进行单行单列独特的清零方式，单次清零所花时间极短，根据采样间隔的时间执行对应次数的清零，不会因为单次清零时间过长导致错过采样信号，可以做到在高速采样的同时对靶面电荷最大程度的清零。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。

图1示出了根据本发明实施方式一种CCD高速信号采集方法的示意性流程图。

图2示出了传统电荷清零方法进行电荷清零的过程示意图。

图3示出了根据本发明实施方式一种CCD高速信号采集方法进行电荷清零的过程示意图。

图4示出了根据本发明实施方式一种CCD高速信号采集方法的外部触发与电荷清零的示意性程序流程图。

图5示出了根据本发明实施方式一种CCD高速信号采集方法的CCD工作状态转移图。

图6示出了根据本发明实施方式一种CCD高速信号采集装置的示意性结构图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

CCD图像传感器是一种应用集成电路工艺制造的光电转换器件，即把光敏区接受到的光强信息转换为按时序串行输出的电信号，其中电信号在器件内部都是以电荷包的形式储存和转移，到输出阶段经过检测后以电压的形式传出。CCD图像传感器工作原理主要可以分为光电荷的产生、储存、转移、输出四个周期，光电转换在传感器表面阵列，储存发生在单MOS电容，转移通过电耦合的在垂直和水平两个方向的寄存器中进行，输出通过内置的放大器。

MOS电容结构本身会产生热激发电流，所以在没有光照的情况下，CCD也会因此输出信号。因其受温度影响并和光积分时间成正比，暗电流将限制CCD曝光时间长度，长时间曝光的图像会因为暗电流的大量产生而出现亮点或亮条纹。虽然暗电流能被检测出来，但其在势阱中会挤占光电荷空间导致这部分信息永久损失无法还原，影响动态范围，因此，本发明提出一种电荷清零方法，该方法对于需要毫秒级曝光积分的情况，依旧保持极低的暗电流累积电荷，并且可以保证高工作频率，可以得到良好客观的信噪比，以表征荧光光谱特性。

图1示出了根据本发明实施方式一种CCD高速信号采集方法的示意性流程图。

根据本发明实施例，该方法包括以下步骤，

步骤一、将待测光信号粗调节位置，使待测光信号完整的投射至CCD图像传感器的靶面区域；

步骤二、进行靶面调节，检测有效靶面，确定待测光信号占用的有效靶面行数；

具体地，在CCD图像传感器进行电荷转移时，执行垂直向下移位一列后，水平读出整行的循环，循环次数与CCD靶面行数相等，得到靶面上每个点的电荷数据，再将电荷数据拼凑成一幅完整图像，整个过程是不断循环且实时显示的，观察图像并上下调整CCD位置，使待测光信号处于靶面最下方，记录待测光信号占用靶面的有效行数；在确定有效靶面行数后，在读出数据时，只需要垂直转移读出对应有效行数的靶面即可，这样可以缩短读出时间。靶面调节是为了缩短曝光后的读出周期，如果不调节，只能每次对全靶面进行读出，这样会增加非常多不必要的时间。

步骤三、进行靶面电荷清零，包括对靶面上电荷首先执行单行垂直转移，然后执行单列水平读出的循环清零操作；其中，清除的包括无效光电荷和暗电流电荷；光是一直存在的，在外部触发到来之前，所累积的光电荷都是无效光电荷，暗电流电荷也是一直存在的。

传统电荷清零方法是每一次清零过程都对整个靶面进行清零，如图2所示，全靶面清零可以通过6个状态图说明，包括光电转换及电荷存储区、垂直移位寄存器、水平读出寄存器，在电荷转移的时间内所有靶面均会有暗电流电荷的积累，图中用“*”表示从电荷产生到水平读出一个数据的时间段内积累的暗电流大小。其中，图(a)表示当前靶面所累积的电荷量，图(b)是执行一行垂直移位操作，将靶面最下面的一行电荷转移至水平寄存器；图(c)、图(d)依次重复执行垂直移位操作，将所有电荷都垂直移位至水平寄存器；图(e)表示执行一次水平读出一个数据的操作；图(f)重复执行水平读出一个数据的操作，可以看到，靶面上所有点都积累了两个“*”，即水平读出2个数据的时间段内所积累的暗电流大小。全靶面电荷清零操作虽然能够非常简便的清零整个靶面，但是由于清零时间过长，在信号间隔极短时无法捕捉到有效信号，会遗漏数据。全靶面电荷清零实验中清零时间为2.5ms，可以看出，该清零时间完全不能满足高帧速采样条件。

如图3所示，本发明提出的电荷清零的状态转移图也可以通过6个状态图说明，图中同样用“*”表示从电荷产生到水平读出一个数据的时间段内积累的暗电流大小。图(a)表示当前靶面所累积的电荷量；图(b)执行第一次垂直移位操作后，所有靶面电荷向下移位了一行，最下面行的电荷转移至水平读出寄存器中，从而使CCD最上面行靶面电荷得到了清零；图(c)执行第一次水平读出操作，即将水平寄存器的数据向外移动读出一个，使水平寄存器清空了一个数据位；图(d)、图(e)重复图(b)、图(c)的执行操作，即第二次执行垂直移位操作，然后再次水平读出一个数据；图(f)第三次执行垂直移位操作，整个靶面的电荷分布如图(f)所示，暗电流累计大小从上向下不断变大，从左向右依次变大，这样的一个极短时间的清零循环，保证了短时间间隔的信号之间的电荷清零操作的极限性。本发明提出的电荷清零方法的单次清零时间为单行垂直转移时间加单列水平读出时间，实验计算时间为7us，可以看出，本发明方法可以利用极短的时间高效进行电荷清零。

步骤四、根据有效靶面行数、曝光时间和外部触发条件进行有效信号采集。

具体地，接收到外部触发后，开始曝光积分有效光信号，曝光保持初始设置的曝光时间；曝光完成后，通过垂直转移有效靶面行数以及水平读出整行数据得到有效信号。

具体实施例一

1)将待测光信号粗调节位置，保证信号光完整的打在靶面上；

将待测光信号打在CCD接收区靶面上，整个系统是由ARM主控芯片通过高速USB与PC进行数据交互，主控系统可以调节两种模式，包括Video图像模式和Binning装箱模式，Video图像模式用于调节靶面，Binning装箱模式用于清零电荷和采集光谱。两种模式都是由ARM+FPGA主从CPU结构来控制，由上位机给出当前需要的工作模式，再经由FPGA产生对应的多路并行的控制时序来驱动CCD。

2)设定CCD模式为video图像模式，启动实时采集，观察图像并调整CCD位置，使光信号处于靶面最下方，记录光信号处于的有效靶面行数；

使用video图像模式，观察显示图像进行位置调移，目的是采用最少的行数且最匹配实际采集光斑大小来提高CCD的工作效率，由此电荷清零的速度会更快。

3)设定CCD模式为Binning模式，并设置有效靶面行数、曝光时间、外部触发，启动采集；

使用Binning模式是为了快速转移暗电流电荷，再配合水平转移完成电荷高速清零。本发明方法的转移方式是一行垂直binning加上一列水平转移的高速循环。

4)等待外部触发，同时执行自循环清零电荷，即单次行垂直转移以及单列水平清零，直到外部触发打断清零这个状态；电荷清零一行垂直转移加一列水平读出是无限循环的操作，图4示出了外部触发与电荷清零的示意性程序流程图。

5)接收到外部触发，即PMT(光电倍增二极管)检测到细胞进入到激光区域，随即会产生一个由低到高的上升沿，实现光信号到电信号的转换，所述电信号作为外部触发启动光谱数据采集操作，开始曝光积分有效信号，曝光保持初始设置的曝光时间；

6)曝光完成后，最后通过垂直binning和水平读出得到有效信号；

7)通过外部触发，重复步骤4)-6)，可以连续得到多个采样信号。图5示出了CCD工作状态转移图。

根据本发明另一实施例，提出一种CCD高速信号采集装置，该装置包括，

信号获取模块110，用于将待测光信号粗调节位置，使待测光信号完整的投射至CCD图像传感器的靶面区域；

靶面调节模块120，用于进行靶面调节，检测有效靶面，确定待测光信号占用的有效靶面行数；

靶面电荷清零模块130，用于进行靶面电荷清零，包括对靶面上电荷首先执行单行垂直转移，然后执行单列水平读出的循环清零操作；其中，所述电荷包括无效光电荷和暗电流电荷；

信号采集模块140，用于根据有效靶面行数、曝光时间和外部触发条件进行有效信号采集。

进一步地，靶面调节模块通过上下调整CCD位置使待测光信号处于靶面最下方，记录待测光信号占用靶面的有效行数即为有效靶面行数。

进一步地，靶面电荷清零模块对靶面上电荷首先执行单行垂直转移，然后执行单列水平读出的循环清零操作的具体步骤包括，首先执行第一次垂直移位操作，使所有靶面电荷向下移位一行，接着执行第一次水平读出操作，即将水平寄存器的数据向外移动读出一个，使水平寄存器清空一个数据位；然后执行第二次垂直移位操作，接着再次执行水平读出操作，……，循环执行上述操作，直至外部触发结束清零。

进一步地，该装置通过FPGA产生对应的多路并行控制时序以驱动CCD工作进行信号采集，其中，CCD工作模式包括Video图像模式和Binning装箱模式。

本发明实施例所述的CCD高速信号采集装置的功能可以由前述CCD高速信号采集方法说明，因此本实施例未详述部分，可参见以上方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。