具有可变像素增益的电子倍增成像系统的制作方法

本发明涉及一种电子倍增成像系统，具体涉及一种具有可变像素增益的电子倍增成像系统。

背景技术：

基于电子倍增功能成像，在输入信号能量较低的情况下，信噪比会随着倍增增益的提高而提高，但倍增增益设置得过高可能会导致信噪比随后降低；但由于电子倍增过程引入了额外噪声因子和时钟诱导噪声，在输入光能量较强的情况下反而会使信噪比下降。对于emccd成像，在各种增益中，数字增益仅仅对数字图像进行数字拉伸，无法对信噪比进行改变；模拟增益能降低量化噪声和放大器噪声，但也不能改变读出噪声；像素增益(电荷电压转换系数)可同时降低量化噪声、放大器噪声和读出噪声，但可获得的像素增益值有限；电子倍增增益可同时降低量化噪声、放大器噪声和读出噪声，而且倍增增益值可设置得很大，但会额外增加电子倍增噪声和时钟诱导噪声。

技术实现要素：

本发明为解决现有emccd成像中，恒定的像素增益无法保证在各种光照条件下获得高信噪比成像的问题，提供一种具有可变像素增益的电子倍增成像系统。

具有可变像素增益的电子倍增成像系统，包括emccd图像传感器、驱动电路、控制电路、预放组、视频处理器组和成像控制器；

入射光成像在emccd图像传感器上；成像控制器产生的时序驱动信号经驱动电路进行功率放大和电平转换后送入emccd图像传感器；成像控制器产生的控制信号经控制电路后对emccd图像传感器进行增益的选择；emccd图像传感器内的光信号进行光电转换后经电子倍增和可变像素增益的放大器，然后经预放组后送入视频处理器组进行视频处理，视频处理器组输出数字图像信号至成像控制器，所述成像控制器对接收的数字图像信号进行图像数据的调理后输出；

所述电子倍增成像系统的信噪比如下式：

获得的动态范围为：

式中，kmultiply为电子倍增增益，sin为当前入射光等效电子数，sdark为暗电流对应电子数，kpix为读出放大器的像素增益(电荷电压转换系统相关)，kpga为pga放大器的增益值，为读出噪声的平方，为量化噪声的平方，为放大器噪声的平方，式中量化噪声为时钟诱导电荷相关的噪声的平方；f为电子倍增过程的额外噪声因子；sfwc为电子倍增增益设置1且pga放大器增益值设置1且像素增益设置1时对应的满阱电荷数；

当即：当前入射光等效电子数sin和暗电流对应电子数sdark使用最高的像素增益kpix_max、最高的电子倍增增益kmultiply_max和最大的pga增益kpga_max也不能使探测器处于饱和时，则使用最高像素增益kpix_max、电子倍增增益kmultiply_max和最大的pga增益kpga_max，获得最大信噪比为：

对应的动态范围为：

当时，即：使用最高的像素增益kpix_max、最高的电子倍增增益kmultiply_max和最大的pga增益kpga_max时，探测器会饱和，而使用最高的电子倍增增益kmultiply_max、最高的像素增益kpix_max和最小的pga增益kpga_min时，探测器不会饱和；则将像素增益设置为最大，电子倍增增益设置为最大，pga增益设置为：

对应的信噪比为：

获得的动态范围为：

当时，即：使用最高的电子倍增增益kmultiply_max、最高的像素增益kpix_max和最小的pga增益kpga_min时，探测器也会饱和，而使用最小的电子倍增增益kmultiply_min、最高的像素增益kpix_max和最小的pga增益kpga_min时，探测器不会饱和；则将pga增益设置为最小，像素增益设置为最大，电子倍增增益kmultiply设置设为：

对应的信噪比为：

获得的动态范围为：

当时，即：使用最高的像素增益kpix_max、最小的电子倍增增益1和最小的pga增益kpga_min时，探测器也会饱和，而使用最小的像素增益kpix_min、最小的电子倍增增益1和最小的pga增益kpga_min时，探测器不会饱和；则将pga增益设置为最小，电子倍增设置为1，像素增益kpix设置为：

对应的信噪比为：

获得的动态范围为：

本发明的有益效果：本发明根据入射光能量的大小来选择不同的增益组合，从而实现最大的信噪比和动态范围。具体存在以下优点：

一、本发明所述的电子倍增成像系统在入射强光照射的情况下，选择低电荷转换因子的普通输出通道，设置最低的模拟增益，从而可实现最高的满阱电荷数，最终获得高的信噪比；

二、本发明所述的电子倍增成像系统在入射较弱光照射的情况下，选择高电荷转换因子的普通输出通道，设置最低的模拟增益，从而可获得较低的读出噪声，最终获得高的信噪比；

三、本发明所述的电子倍增成像系统在入射很弱光照射的情况下，选择高电荷转换因子的电子倍增输出通道，设置最低的模拟增益，从而可获得最低的读出噪声，最终获得高的信噪比；

四、本发明所述的电子倍增成像系统在入射极弱光照射的情况下，选择高电荷转换因子的电子倍增输出通道，电子倍增增益设置为最高，模拟增益根据入射光等效的电子数设置，从而可获得最低的读出噪声和较低的放大器噪声及量化噪声，最终获得高的信噪比；

五、本发明所述的电子倍增成像系统在入射极弱光照射的情况下，选择高电荷转换因子的电子倍增输出通道，电子倍增增益设置为最高，模拟增益设置为最大，从而可获得最低的读出噪声和放大器噪声及量化噪声，最终获得高的信噪比。

附图说明

图1为本发明所述的具有可变像素增益的电子倍增成像系统的结构框图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，具有可变像素增益的电子倍增成像系统，包含emccd图像传感器、驱动电路、控制电路、预放组、视频处理器组和成像控制器。入射光成像在emccd图像传感器上；成像控制器产生的时序驱动信号经驱动电路进行功率放大和电平转换后送入emccd图像传感器；成像控制器产生的控制信号经控制电路后对emccd进行增益的选择；emccd图像传感器内进行光电转换后经电子倍增和可变的像素增益的放大器，经预放组后送入视频处理器组进行视频处理，视频处理器组输出数字图像信号到成像控制器；成像控制器对接收到的数字图像信号进行图像数据的调理后输出。

所述emccd图像传感器内部包含光电转换、电子倍增和可变像素的输出放大器，输出的电荷电压转换系数可调整；电子倍增成像系统的信噪比和动态范围如下:

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

对于emccd图像传感器成像，kmultiply为电子倍增增益，sin为入射光等效电子数，sdark为暗电流对应电子数，kpix为读出放大器的像素增益(电荷电压转换系统相关)，kpga为pga放大器的增益值，为读出噪声的平方，为量化噪声的平方，为放大器噪声的平方，式中量化噪声为时钟诱导电荷(cic)相关的噪声的平方；f为电子倍增过程的额外噪声因子；sfwc为电子倍增增益设置1且pga放大器增益值设置1且像素增益设置1时对应的满阱电荷数。

(1)当也就是当前入射光等效电子数sin和暗电流对应电子数sdark，使用最高的像素增益kpix_max、电子倍增增益kmultiply_max、最大的pga增益kpga_max也不能是探测器处于饱和时，此时使用最高像素增益kpix_max、电子倍增增益kmultiply_max和最大的pga增益kpga_max，得到的最大信噪比为

对应的信噪比为：

(2)当时，也就是使用最高的像素增益kpix_max、最高的电子倍增增益kmultiply_max和最大的pga增益kpga_max时，探测器会饱和，而使用最高的电子倍增增益kmultiply_max、最高的像素增益kpix_max和最小的pga增益kpga_min时，此时像素增益设置为最大，电子倍增增益设置为最大，pga增益设置为：

对应的信噪比为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

(3)当时，也就是使用最高的电子倍增增益kmultiply_max、最高的像素增益kpix_max和最小的pga增益kpga_min时，探测器也会饱和，而使用最小的电子倍增增益kmultiply_min、最高的像素增益kpix_max和最小的pga增益kpga_min时，探测器不会饱和；此时的pga增益设置为最小，像素增益设置为最大，电子倍增增益设置设为kmultiply；

对应的信噪比为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

(4)当时，也就是使用最高的像素增益kpix_max、最小的电子倍增增益1和最小的pga增益kpga_min时，探测器也会饱和，而使用最小的像素增益kpix_min、最小的电子倍增增益1和最小的pga增益kpga_min时，探测器不会饱和；此时的pga增益设置为最小，电子倍增设置为最小的1，像素增益设置为kpix；

对应的信噪比为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

本实施方式所述的成像控制器采用xilinx公司的fpga6vlx550tff1760；emccd图像传感器采用定制的探测器；预放组采用基于lm6715的预放电路；视频处理器组采用基于tda9965的视频处理电路；驱动电路采用el7212等电平转换芯片；控制电路采用基于施密特反相器的电路。