CCD像元光电转换率不一致性分析及其修正方法

第 30卷 � 第 2期 2008年 4月 光 � 学 � 仪 � 器 OPTICAL INSTRUMENTS Vol. 30, No. 2 � Apr il, 2008 � � 文章编号: 1005�5630( 2008) 02�0039�05 * 收稿日期: 2007�07�04 基金项目: 国家高技术研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ( 863计划)资助项目( 2005AA849023) 作者简介: 居戬之( 1980�) ,女,江苏苏州人,硕士研究生,助教,主要从事光电测试技术等方面的研究。 CCD像元光电转换率不一致性分析及其修正方法* 居戬之,韦晓茹,朱亚一,吴建宏 (苏州大学 信息光学工程研究所, 江苏 苏州 � 215006) 摘要: 从理论上分析了 CCD像元光电转换率不一致性产生的多种原因。提出了一种简易实用 的方法对不一致性进行修正:用照度均匀的光照射 CCD,测出每个像元上的光电转换信号大小, 计算出像元间的差异,从而得到每个像元的修正系数。对实际 CCD的测量值进行这样的修正 后使得 CCD各像元的光电转换率在 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 观上达到一致。实验结果表明: 通过修正后可以有效地 减少像元光电转换率的不一致性, 误差均方根提高了一个数量级。 关键词: 光电耦合器件( CCD) ;光电转换率;不一致性;修正 中图分类号: O 441. 1 � � � � 文献标识码: A Analysis of CCD pixels photo�electro transition rate non�uniformity and its correction J U J ianz hi , WEI X iaor u, ZH U Yay i , WU J ianhong ( Ins titute of In format ion Optics Engineering, Soochow University, Su zhou 215006, China) Abstract: Some causes of CCD pixels pho to�elect ro t ransit io n rate non�uniform ity ar e theoret ically analy zed. An easy and pract ical method is proposed to cor rect the non�unifo rmity. We use a w ell�propor tioned light shine on the CCD then w e measure the sing les on every pixel and calculate dif ferences betw een these pix els, then w e can get the co rrect coef ficient. Pho to� electro t ransit io n rate of CCD pixels w ill be apparent ly consistent after the cor rect ion. T he result show s that the photo�elect ro t ransit ion r ate non�uniformity can be effect ively reduced and the root mean square er ror impr oves one order of magnitude. Key words: charge coupled dev ice( CCD) ; pho to�elect ro t ransit ion rate; non�uniformity; correct 1� 引 � 言 光电耦合器件( charge coupled device, CCD)由于具有体积小、噪声低, 实时传输等特点, 已经广泛地 应用于工业测量、图像采集、数字全息等多个领域 [ 1] ,大有替代光电倍增管和光电池等传统光电转换器件 的趋势。但是在高精度测量中, CCD像元光电转换率的不一致性会给测量带来较大误差, 必须对它进行 修正[ 2~ 5] 。 目前已有针对微光 CCD器件图像的校正算法[ 6, 7] 以及红外聚焦平面的不均匀性算法[ 8, 9] , 提出一种 通过测量均一辐照度下 CCD上响应,从而得到 CCD光电转换率不均匀性修正系数的方法,实验中采用多 � � � 光 � 学 � 仪 � 器 第 30卷 � 次采样取平均的方法消除了随机噪声。文中采用的 CCD是东芝的 TCD1251, CCD电路部分(包括驱动 和数据采集以及与电脑的连接)均由科研小组自行设计制作。 光谱测量中常用的线阵 CCD是由排成一列的微小光电传感器构成的, 当各个光电传感器接收到光 照后将转换为电荷信号, 最终 CCD以电压的形式来表示曝光量, 用式子表示即: I ( x ) = K ( x ) �E ( x ) � t ( 1) 式( 1)中, I( x )表示第 x 个光电传感器上转换得到的电压信号; K ( x )表示第 x 个传感器的光电转换率; E( x )表示第 x 个像元得到的辐照度; t为光照时间(又叫积分时间)。对于一个理想的 CCD,其 K ( x )的值 应该一致,然而实际 CCD的 K ( x )值随 x 的不同而变化, 导致最后输出的信号与实际存在误差。 2� CCD像元光电转化率不一致性产生的原因 CCD像元光电转换率 K ( x )不一致性主要由以下四个原因造成: ( 1) 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 本身和 CCD制造工艺的原因使得各个像元对光的灵敏度和感光有效面积的不同。由此造 成的不一致性称为 PRNU( photo response non�uniformity)。定义为: PRN U = �x / �x 100% ( 2) 其中 �x 为均匀照度下全部输出信号的平均值, �x 为输出信号与 �x 的最大差值。以东芝和滨松几款不同 型号的 CCD为例,其 PRN U指标见表 1。 表 1� 日本东芝公司和滨松公司 CCD 的有关参数值 T ab. 1� Cor relative parameter s of To shiba and hamamatsu 参数名称 东芝 T CD132 东芝 TCD1251 东芝 1503 滨松 G9201 滨松 G9211 PRN Um ax 10% 10% 10% 5% 5% �n min 92% 92% 92% 95% 95% ( 2) CCD的光生电荷转移产生的损失。转移效率指的是相邻两个像元之间电荷转移的比值,可以用 式( 3)表示: �= qn- 1 qn ( 3) 其中 qn为第n 个像元中的光生电荷, qn- 1是电荷 qn在移位脉冲的驱动下转移到前面一位( n- 1位)的电 荷。对于第 n个像元而言,其像元电荷转移到输出端必须经 n步移位,所以最终输出的电荷: Qn = qn � �n ( 4) �n即为总的转移效率。当 �= 0. 99999, n为 2700时, �2 700= 0. 97。这意味着当 q1 = q2700 , 转移到输出端时 Q2700 / Q1= 0. 97/ 1。可见由于转移损失引起的非均匀性也是不可忽视的, 东芝和滨松 CCD的转移效率指 标见表 1。 ( 3) 不同像元对应入射窗口位置的透光差异。透光性好的窗口对应的像元转换的电压值就大, 透光 性差的窗口对应的像元转换的电压值就小。 ( 4) 双沟道型 CCD奇偶位信号的不一致性。双沟道型 CCD奇偶位像元的信号电荷分别通过两个模 拟移位寄存器和两个输出放大器输出, 由于两个模拟移位寄存器和两个输出放大器参数不可能完全一 致,必然造成奇、偶位输出信号的不一致性。 由以上四个原因造成的各像元光电转换率不一致性在光谱测量中将带来系统误差,由于工艺方面的 原因, CCD的光电转换不一致性很难完全消除, 但是可以通过软件补偿的方法来对它进行修正, 使它在表 观上达到一致。 3� 修正方法 在 CCD测量系统中能把光强正比例地转化为电压,然后由计算机采集和处理。调节光源,使之能在 �40� Administrator 铅笔 Administrator 铅笔 Administrator 铅笔 � 第 2期 居戬之,等: CCD像元光电转换率不一致性分析及其修正方法 � � CCD上产生大于 2/ 3满刻度的信号电压, 通过计算机采集, 得到光强I ( x )与像元序数 x 的关系。I ( x )是 第 x 个像元上取 1000次平均后的值,取平均消除了单次测量的随机误差, 用式子表示即: I ( x ) = !1 0 0 0 n= 1 I n( x ) / 1000 ( 5) 求出I ( x )的平均值,即 2700个像元上光强的平均值为I ,可用式( 6)来表示: I = !2700 n= 1 I ( x ) / 2700 ( 6) 同样可用式( 7)表示平均照度 �E: �E = !2700 x= 1 E ( x ) / 2700 ( 7) 由式( 1)、式( 5)、式( 6)可得: I = K ( x ) � �E � t ( 8) 在用照度均匀的光照在 CCD各像元上时 E( x )是一个常数,记作 E,有: E( x ) = E( x ) = �E = E ( 9) 由式( 1)、式( 6)、式( 9)可得: I / I ( x ) = K / K ( x ) = P ( x ) (10) 这个 P ( x )定义为修正系数。 CCD每次测量得到的数据I n( x )乘以这个这个修正系数 P ( x )得到一组新的数据I n∀( x ) , 用式( 11)来 表示: I n∀( x ) = In ( x ) P ( x ) = K ( x ) E t K K ( x ) = E K t (11) � � 这个I n∀( x )就是得到的修正后的测量数据, 经过修正后的 In∀( x )是一个与单个像元的光电转换率 K ( x )无关的值,只与像元上的辐照度和光照时间有关。 由均方根计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ( 12) , 比较在修正前后的均方根。 n = !x i= 1 [ I n( x ) - In ] 2 / x (12) 4� 实验步骤 现采用的装置如图 1。图中点光源采用的是 50W/ 12V 的溴钨灯, CCD 采用的是东芝线阵 CCD TCD1251,有效像元数是 2700个, CCD驱动器、采集卡以及与计算机的接口连接均由科研小组自行研发 图 1� 修正 CCD像元非均匀性实验装置图 Fig . 1 � Exper iment setting to co rr ect non�uniformity of CCD pixels 制作。溴钨灯作为点光源放在离 CCD 探测器 2m 远的地方,并且使 CCD的感光面垂直于入射 光线。驱动器给 CCD 相应的驱动脉冲使 CCD 工作,开始采集数据, CCD采集到的数据通过并 行接口送入计算机, 进行处理。 根据距离平方反比定律, 在离点光源距离为 R的地方辐照度E 为: E = !/ 4∀R2 (13) 式( 13)中 ! 为点光源向空间发出的辐通量。 CCD 的感光面长度为29. 7mm, 根据式 ( 13 ) , CCD中心像元和最边缘像元上的辐照度 EB和 E A可以分别用式( 14)和式( 15)来表示: EB = ! 4∀� 22 (14) �41� Administrator 铅笔 Administrator 铅笔 � � � 光 � 学 � 仪 � 器 第 30卷 � EA = ! 4∀ 22 + 29. 7 10 - 3 2 2 � 2 22 + 29. 7 10- 3 2 2 (15) 那么最边缘像元和中心像元上的辐照度的比值 EA / EB = 99. 8% (16) 因此认为在点光源照射下 CCD感光面上得到均一辐照度,按以下步骤来完成实验: ( 1)测量在均一照明下CCD像元产生的光信号:使溴钨灯工作在10V电压下, CCD上得到一组光强, 定义为光强 1, CCD接收到的光强I ( x )与像元序数 x 的关系如图 2( a)。图中横坐标是 CCD 的像元序数 x ,纵坐标是采集 1000次取平均后第 x 个像元上的光强I ( x ) , 用 0~ 5V的电压来表示。 ( 2)由式( 5)、式( 6)、式( 10)求出修正系数 P( x )。 ( 3)光强不变, CCD另外采集一帧数据信号I 1( x ) ,由式( 11)求出修正后的数据 I1∀( x ) , 修正后 CCD 上接收到的光强分布如图 2( b)。 ( a)修正前 CCD 上接收到的光强分布 ( a) Cont rast of light intens ity dist ribu tin g on CCD before correct ion ( b)修正后 CCD 上接收到的光强分布 ( b) Cont rast of l ight in tensity dist ribut ing on CCD af ter correct ion 图 2� 光强 1. 修正前后 CCD 接收到的光强分布对比 F ig. 2� L ight intensity 1. contrast o f light intensity distr ibuting on CCD befor e and after co rr ection ( 4)分别抽取修正前后对应的 8组数据作比较,由式( 12)可得修正前后的误差均方根,见表 2: 表 2 � 修正前后 CCD 采集到数据对比 T ab. 2� Contr ast o f dates befor e and after cor rection ( V ) 组别 I( 10) I ( 50) I ( 300) I( 1000) I( 1500) I ( 2000) I ( 2500) I( 2700) I ( x ) 修正前(光强 1) 3. 361 3. 360 3. 348 3. 357 3. 337 3. 335 3. 341 3. 089 3. 350 0. 106 修正后(光强 1) 3. 351 3. 352 3. 349 3. 350 3. 351 3. 353 3. 350 3. 182 3. 345 0. 013 修正前(光强 2) 2. 781 2. 782 2. 779 2. 782 2. 766 2. 764 2. 765 2. 556 2. 773 0. 079 修正后(光强 2) 2. 780 2. 783 2. 780 2. 783 2. 780 2. 781 2. 784 2. 738 2. 773 0. 009 ( 5)同样的方法,改变溴钨灯上的电压至 8V, 使 CCD上得到另一组光强, 定义为光强 2,图 3( a)、( b) 分别为在修正前后 CCD上接收到的光强分布,同样抽取 8组数据对比见表 2。 对比图上 CCD光强分布可知:未加修正系数时 CCD像面上测到的光强分布幅度有明显的起伏,这主 要是由光响应不一致性引起的;后面的像素( 1350像素以后)光强明显比前面弱, 这主要是由 CCD的光生 电荷的转移损失引起的; 相邻像元锯齿状的上下起伏是由于双沟道型 CCD奇偶位信号的不一致性引起 的。经过修正后的光强分布均匀, 图像呈一条较细的直线,说明该方法可以有效地减少像元转换率不一 致性带来的误差。在改变光强后的对比图(图 3)上同样可以看出这种差别,说明求得的修正系数在不同 的光强下均有效。 �42� � 第 2期 居戬之,等: CCD像元光电转换率不一致性分析及其修正方法 � � ( a)修正前CCD上接收到的光强分布 ( a) Cont rast of light intens ity dist ribu ting on CCD before correct ion ( b)修正后 CCD 上接收到的光强分布 ( b) Cont rast of li ght intensity dist ribut ing on CCD af ter correct ion 图 3� 光强 2. 修正前后 CCD 接收到的光强分布对比 F ig . 3 � L ight intensity2. contr ast of lig ht int ensity dist ributing on CCD befo re and aft er cor rection 5� 结果和讨论 用硅光电池分别在图 1 CCD像面的 A、B、C 等点测量发现 EA、EB、EC不是严格相等的, 误差在 1. 2%。这是由于外界环境的影响(如墙面、桌面等的反光) , 点光源不理想等原因造成的。由于测量方法 中这些误差的存在, 故认为这种修正方法的误差在 2%以内。要消除这种误差要求一个严格的实验环境, 如消除墙面桌面等的反光、整个系统可以自动完成测量过程、点光源要理想等。 参考文献: [ 1] � 缪家鼎, 等. 光电技术[ M ] . 浙江:浙江大学出版社, 1995. 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