基于电子轰击式CCD的大动态条纹相机研究和读出电路设计

发布时间：2017-07-27 15:29

  本文关键词：基于电子轰击式CCD的大动态条纹相机研究和读出电路设计

  更多相关文章： 大动态条纹相机 电子轰击式CCD 低噪声读出电路 动态范围 空间分辨率

【摘要】：为了实现对更弱、以及物理量跨度更大的信号探测,满足材料、生物、信息、半导体物理以及能源等重大科学领域对诊断精密化的进一步需求,需要提高条纹相机的动态范围、空间分辨率和信噪比。为此,本文研制了基于电子轰击式CCD(EBCCD)的大动态条纹相机。在全面分析影响条纹相机系统动态范围的主要因素的基础上,本文首先对大动态条纹变像管的管型进行了选取,即采用结构为矩形框电极和电四极透镜的电子光学系统,该结构的空间聚焦(狭缝方向)和时间聚焦(扫描方向)相对分立,可以降低空间电荷效应,减小电子渡越时间,提高条纹变像管的动态范围和信噪比。引入了电子轰击式CCD(EBCCD)的概念,讲述了背照式CCD(BCCD)的结构和工作原理,分别介绍了EBCCD和ICCD,以突出EBCCD的优越性能。指出了传统条纹相机中采用微通道板(MCP)和荧光屏的成像缺点和弊端,取而代之的是将EBCCD应用在条纹变像管超快诊断设备中直接收集电子以提高空间分辨率和动态范围。完成了基于电子轰击式CCD的大动态条纹相机的结构设计,并采用了ANDOR公司的CCD相机结合各向异性聚焦条纹变像管完成了条纹相机的组装。在通过实验验证EBCCD相机对整机系统的性能有很大的提高的基础上,自主设计了电子轰击式的低噪声读出电路,采用了FPGA硬件设计的方法,使用Verilog HDL编写时序脉冲的源程序,选用Xilinx公司的Spartan-6作为主芯片设计了时序产生模块,并且还完成了读出电路的驱动模块、图像处理模块、图像采集模块、电源模块的设计。对电子轰击式CCD的大动态条纹相机进行了性能测试实验,搭建了静态和动态测试的实验平台,实验结果表明,条纹相机的静态空间分辨率高于35lp/mm,动态空间分辨率达到20 lp/mm,偏转灵敏度为60.76 mm/kV,动态范围达到2094:1,扫描速度为4.04ps/pix,扫描速度非线性为5.04%,条纹相机的电子轰击半导体(EBS)增益达到3000以上。
【关键词】：大动态条纹相机 电子轰击式CCD 低噪声读出电路 动态范围 空间分辨率
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB852
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 1 绪论12-20
• 1.1 超快诊断技术概述12
• 1.2 条纹相机的结构和工作原理12-14
• 1.3 条纹相机的应用14-15
• 1.4 条纹相机的研究状况15-17
• 1.4.1 国外研究进展15-16
• 1.4.2 国内研究进展16-17
• 1.5 本文的研究内容17-20
• 2 条纹变像管的结构和评价体系20-28
• 2.1 影响条纹相机动态范围的因素20-22
• 2.2 条纹变像管的结构设计22-25
• 2.2.1 光电阴极22
• 2.2.2 电子光学系统22-24
• 2.2.3 偏转系统24-25
• 2.3 条纹变像管的性能评价25-28
• 2.3.1 空间分辨特性25-26
• 2.3.2 时间分辨特性[42]26
• 2.3.3 动态范围特性26-28
• 3 基于电子轰击式CCD的条纹相机设计28-36
• 3.1 背照式CCD的工作原理28-29
• 3.2 EBCCD与ICCD的特性对比29-31
• 3.3 基于EBCCD的条纹管的结构设计31-33
• 3.4 基于EBCCD的条纹管EBS增益及噪声因子33-34
• 3.5 设计结果总结34-36
• 4 电子轰击式读出电路研制36-60
• 4.1 CCD 47-20简介36-39
• 4.2 读出电路设计39-58
• 4.2.1 时序产生模块40-47
• 4.2.2 驱动模块47-50
• 4.2.3 信号处理模块50-54
• 4.2.4 图像采集模块54-55
• 4.2.5 电源模块55-58
• 4.3 研制结果总结58-60
• 5 基于EBCCD的大动态条纹相机实验测试60-76
• 5.1 静态实验测试60-66
• 5.1.1 测试方案和测试平台60-61
• 5.1.2 静态空间分辨率测试61-64
• 5.1.3 偏转灵敏度测试64-66
• 5.2 动态实验测试66-74
• 5.2.1 测试方案和测试平台66-69
• 5.2.2 动态空间分辨率测试69-70
• 5.2.3 动态范围测试70-72
• 5.2.4 扫描速度以及扫速非线性的确定72-74
• 5.3 实验结果总结74-76
• 6 工作总结与展望76-80
• 6.1 全文工作总结76-77
• 6.2 后续工作设想77-80
• 参考文献80-86
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果86

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本文编号：582115