CN102116830A - 一种ccd光电参量的测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种CCD光电参量的测试方法，采用硬件系统与软件系统相接合的方法对CCD的光电参量进行测试；所述硬件系统由四个子系统组成，即光源及其辅助系统、控制系统、CCD器件和数据获取系统及PC机数据处理系统；所述软件系统由四个子程序组成，即驱动程序、控制程序、数据获取程序及数据处理程序；每一个软件子程序执掌一个子系统，形成硬、软件系统相互协调、相互作用的有机统一整体系统，共同完成CCD各个主要光电参量的测试工作，对CCD器件各光电参量的测量精度高，结构组成完善合理，操作简便，有明显的智能化测试功能，能生成CCD器件输出电压与输入曝光量的关系图并由PC机显示器显示出来，可得到有关的光电参量测试结果。

Description

一种CCD光电参量的测试方法
技术领域
本发明涉及一种电器的测试方法，具体说是一种 CCD光电参量的测试方法。
背景技术
CCD(Charge Coupled Device)是一种新型半导体集成光电器件，由于其具有高灵敏度等性能而得到了广泛的应用，而CCD的性能是由其光电参量决定的，光电参量主要包括响应度、非线性特性、暗信号电压、饱和电压、动态范围等；目前对CCD的性能参量还没有一种行之有效的测量方法，针对不同的应用领域，一些学者对CCD的光电参量进行了不同的测试，取得了一些成果：如李明伟等人根据CCD光电参量的定义和测试方法，设计了一种线阵CCD光电参量测试系统；叶培建等人采用卤素灯作为光源，再通过光栅或滤光片获得单色光对线阵CCD器件主要性能参数及测试方法进行了研究；董怡等人针对CCD测量技术中出现的非线性问题，提出了以光电池为标定基准的CCD非线性测试及非线性标定法；Kutzner J(国外的作者)等人针对真空管相机的广泛应用，对CCD传感器与相机的参量进行测量与测试；李里军等人利用CCD细分技术进行CCD光电参量测试，从而提高了基于CCD的图像分辨率；卢意等人用CCD光电参量测试系统测试车辆前灯定标器来得到CCD各个参量；但是这些测试的精度都不是很高，难以精确地检测出CCD的性能。
发明内容
为了克服现有对CCD测量方法的不足，本发明的目的是提供一种CCD光电参量的测试方法，用以更好地检测出CCD的性能，得到较高的光电参量测试精度。
为解决其技术问题，本发明采用的技术方案是：采用硬、软件系统相接合方法对CCD的光电参量的测试系统，其依据是：
1. CCD器件输出电压与输入曝光量的关系式：
Figure 863536DEST_PATH_IMAGE001
  (1)  ;
式中的
Figure 21984DEST_PATH_IMAGE002
为CCD的光响应，
Figure 546638DEST_PATH_IMAGE003
(理想状态下的
Figure 785727DEST_PATH_IMAGE004
，但在实际工作状态下的
Figure 924584DEST_PATH_IMAGE003
值在1左右)为光电转换系数，
Figure 570329DEST_PATH_IMAGE005
为暗信号电压，为饱和信号电压，
Figure 618368DEST_PATH_IMAGE007
为提供饱和输出电压的最小曝光量，也叫饱和曝光量，它是输出饱和时的照度（lx）和积累时间（t）的乘积。
该式实验的结果：在CCD器件曝光量为0即处于暗信号状态时也要产生暗信号电压
Figure 928126DEST_PATH_IMAGE005
；当曝光量达到饱和曝光量
Figure 61168DEST_PATH_IMAGE007
时，输出电压达到饱和。
2. CCD主要光电参量： CCD光电参量主要有暗信号电压、饱和电压、响应度、非线性特性、动态范围等。这些光电参量直接影响着CCD器件的输出电压与输入曝光量的关系，从而影响着CCD器件的工作；暗信号电压是CCD器件不可缺少的输出信号，即使在没有光照或没有对CCD器件注入电荷的情况下也会存在；饱和电压是CCD器件可以产生的最大输出电压。当CCD器件输出电压达到一定值时,尽管入射光强增加, 但输出电压保持不变，此时的输出电压就是饱和电压；响应度是所有像元对同一波长相同照度的响应的平均值，CCD的响应度定义为：
Figure 417370DEST_PATH_IMAGE008
(2) ;
式中的
Figure 257150DEST_PATH_IMAGE009
为各像元输出的平均电压；在理想状态下，当输入曝光量小于饱和曝光量时，CCD的输出电压与输入曝光量是符合线性关系的，但在实际工作中，CCD的输出电压与输入曝光量之间存在着非线性特性，其关系式就是式（1）中
Figure 800126DEST_PATH_IMAGE010
的情况；动态范围就是最大信号量，即饱和信号量与噪声值之比；在CCD器件工作时，以输出电压为信号量，以暗信号电压为噪声值，动态范围
Figure 92568DEST_PATH_IMAGE011
定义为：(3)；
本系统的组成如下：采用硬件系统与软件系统相接合的方法对CCD的光电参量进行测试；所述硬件系统由四个子系统组成，即光源及其辅助系统、控制系统、CCD器件和数据获取系统及PC机数据处理系统；所述软件系统主要由四个子程序组成，即驱动程序、控制程序、数据获取程序及数据处理程序；每一个软件子程序执掌一个子系统，形成一个硬、软件系统相互协调、相互作用的有机统一整体系统，共同完成CCD各个主要光电参量的测试工作，使得到的结果由PC机显示器显示出来。
所述硬件系统中的光源及其辅助系统的主要组成部分有白色LED阵列、聚光透镜、驱动时钟和驱动电路；控制系统主要组成部分有伺服驱动器、伺服电机、信号电路和控制电路；CCD器件和数据获取系统主要组成部分有CCD器件、瞄准器、捕捉器、辐照度计、图像采取卡、A/D数据转换器及USB接口芯片单元；PC机数据处理系统主要组成部分有贮存器、D/A数据转换器、数据输出器、显示器。
其中CCD器件输出电压与输入曝光量的关系式：
Figure 457001DEST_PATH_IMAGE001
 ，                  式中的
Figure 170879DEST_PATH_IMAGE002
为CCD的光响应，
Figure 216195DEST_PATH_IMAGE003
为光电转换系数，
Figure 922989DEST_PATH_IMAGE005
为暗信号电压，
Figure 471782DEST_PATH_IMAGE006
为饱和信号电压，
Figure 622141DEST_PATH_IMAGE007
为提供饱和输出电压的最小曝光量，也叫饱和曝光量，它是输出饱和时的照度（lx）和积累时间（t）的乘积。
其中CCD光电参量主要有暗信号电压、饱和电压、响应度、非线性特性、动态范围等；这些光电参量直接影响着CCD器件的输出电压与输入曝光量的关系，从而影响着CCD器件的工作；暗信号电压是CCD器件不可缺少的输出信号，即使在没有光照或没有对CCD器件注入电荷的情况下也会存在；饱和电压是CCD器件可以产生的最大输出电压；当CCD器件输出电压达到一定值时,尽管入射光强增加, 但输出电压保持不变，此时的输出电压就是饱和电压；响应度是所有像元对同一波长相同照度的响应的平均值，CCD的响应度定义为：
Figure 889174DEST_PATH_IMAGE008
 ，式中的
Figure 901124DEST_PATH_IMAGE009
为各像元输出的平均电压。
在CCD器件工作时，以输出电压为信号量，以暗信号电压为噪声值，动态范围定义为：
Figure 625683DEST_PATH_IMAGE012
。
与现有技术相比，本发明有如下实质性特点和显著的进步：1、由于本发明采用了硬、软件系统相结合方法，对CCD器件各光电参量的测量精度，均高于现有文献中光电参量的测试结果；2、本系统的结构组成相对现有设备，更加完善合理，操作简便，具有明显的智能化测试功能，能生成CCD器件输出电压与输入曝光量的关系图并由PC机显示器显示出来，并可得到有关主要的光电参量测试结果。
附图说明
图1是本发明的电气原理图；
图2是本发明的结构示意方框图；
图3是本发明的实验结果图。
具体实施方式
参照附图，设计出的硬件系统由光源及其辅助系统1、控制系统2、CCD器件和数据获取系统3及PC机数据处理系统4，共四个子系统组成；其中光源及其辅助系统的主要组成部分有白色LED阵列5、聚光透镜6、驱动时钟和驱动电路7；控制系统主要组成部分有伺服驱动器8、伺服电机9、信号电路和控制电路10；CCD器件和数据获取系统主要组成部分有CCD器件11、瞄准器12、捕捉器13、辐照度计14、图像采取卡15、A/D数据转换器16及USB接口芯片单元17；PC机数据处理系统主要组成部分有贮存器18、D/A数据转换器19、数据输出器20和显示器21;
设计出的软件系统由驱动程序22、控制程序23、数据获取程序24和数据处理程序25。
每一个软件子程序执掌一个子系统，形成一个硬、软件系统相互协调、相互作用的有机统一整体系统，共同完成CCD各个主要光电参量的测试工作，使得到的结果由PC机显示器显示出来。
在光电实验室内进行CCD各项主要光电参量测试时，实验条件是要求实验室内无杂散光入射，且保持室温在25
Figure 380012DEST_PATH_IMAGE013
左右，相对湿度为25%－75%，采用白色LED阵列作为照明光源，由软件编制程序将输出像素值转换为对应的输出电压值，得到CCD器件输出电压与输入曝光量之间关系的实验结果，得到CCD器件的输出电压与输入曝光量之间存在着明显的非线性特性；当设定系统积分时间为100 ms，预置增益为100时，得到的暗信号电压为
Figure 431538DEST_PATH_IMAGE014
；当饱和曝光量为
Figure 954924DEST_PATH_IMAGE015
时，得到饱和信号电压为
Figure 447085DEST_PATH_IMAGE016
；可得到该系统的动态范围为。

Claims (5)

1.一种CCD光电参量的测试方法，其特征是：采用硬件系统与软件系统相接合的方法对CCD的光电参量进行测试；所述硬件系统由四个子系统组成，即光源及其辅助系统、控制系统、CCD器件和数据获取系统及PC机数据处理系统；所述软件系统主要由四个子程序组成，即驱动程序、控制程序、数据获取程序及数据处理程序；每一个软件子程序执掌一个子系统，形成一个硬、软件系统相互协调、相互作用的有机统一整体系统，共同完成CCD各个主要光电参量的测试工作，使得到的结果由PC机显示器显示出来。
2.根据权利要求1所述的一种CCD光电参量的测试方法，其特征是：所述硬件系统中的光源及其辅助系统的主要组成部分有白色LED阵列、聚光透镜、驱动时钟和驱动电路；控制系统主要组成部分有伺服驱动器、伺服电机、信号电路和控制电路；CCD器件和数据获取系统主要组成部分有CCD器件、瞄准器、捕捉器、辐照度计、图像采取卡、A/D数据转换器及USB接口芯片单元；PC机数据处理系统主要组成部分有贮存器、D/A数据转换器、数据输出器、显示器。
3.根据权利要求1或2所述的一种CCD光电参量的测试方法，其特征是： CCD器件输出电压与输入曝光量的关系式：                                                
Figure 541471DEST_PATH_IMAGE001
，  式中的
Figure 997991DEST_PATH_IMAGE002
为CCD的光响应，
Figure 333157DEST_PATH_IMAGE003
为光电转换系数，
Figure 124396DEST_PATH_IMAGE004
为暗信号电压，
Figure 203210DEST_PATH_IMAGE005
为饱和信号电压，
Figure 12772DEST_PATH_IMAGE006
为提供饱和输出电压的最小曝光量，也叫饱和曝光量，它是输出饱和时的照度（lx）和积累时间（t）的乘积。
4.根据权利要求1或2所述的一种CCD光电参量的测试方法，其特征是：CCD光电参量主要有暗信号电压、饱和电压、响应度、非线性特性、动态范围等；这些光电参量直接影响着CCD器件的输出电压与输入曝光量的关系，从而影响着CCD器件的工作；暗信号电压是CCD器件不可缺少的输出信号，即使在没有光照或没有对CCD器件注入电荷的情况下也会存在；饱和电压是CCD器件可以产生的最大输出电压；当CCD器件输出电压达到一定值时,尽管入射光强增加, 但输出电压保持不变，此时的输出电压就是饱和电压；响应度是所有像元对同一波长相同照度的响应的平均值，CCD的响应度定义为：
Figure 518840DEST_PATH_IMAGE007
 ，式中的
Figure 797374DEST_PATH_IMAGE008
为各像元输出的平均电压。
5.根据权利要求1或2所述的一种CCD光电参量的测试方法，其特征是：在CCD器件工作时，以输出电压为信号量，以暗信号电压为噪声值，动态范围定义为：
Figure 845413DEST_PATH_IMAGE010
。
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