CN102508147A - 测量ccd芯片灵敏度、线性度和暗噪声相关参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量CCD芯片灵敏度、线性度和暗噪声相关参数的方法，主要解决现有技术测量精确度低和测量参数不全面的问题。其实现步骤为：选取CCD芯片量子效率最大所对应的波长η，设置波长可调单色均匀光源系统，产生波长为η的单色光；然后选取一系列积分时间，以这些积分时间作为参数控制CCD芯片拍摄图像信息上传至计算机；通过相应计算机软件选择出所需图像，根据这些图像信息计算出图像的平均灰度值μ、时域方差σ²及系统增益K；最后由前面所得参数计算饱和度μ_p.sat、信噪比SNR、绝对灵敏度阈值μ_p.min、动态响应范围DR和非线性度误差LE。本发明具有参数测量精度高、稳定性好和测量参数全面的优点。

Description

测量CCD芯片灵敏度、线性度和暗噪声相关参数的方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及CCD芯片灵敏度、线性度和噪声相关参数的测量，用于CCD芯片的研制、评估及筛选。

背景技术

在CCD芯片的研制和应用当中，由于加工和测量技术的限制，导致CCD芯片的实际量子效率与响应度参数和厂商给出的测量值具有一定的差异，而在一些关键应用领域，需要定量了解CCD芯片的实际性能参数，从而对采集到得数据进行合理的校正，得到更好更准确的数据。因此，有必要提出一种方法来有效的测量CCD芯片的灵敏度、线性度和噪声相关参数，通过这些性能参数，对CCD输出数据进行处理，得到更切合实际的数据。

目前国内对CCD芯片的上述性能参数一般仅测量其中特定的一种参数，导致无法对CCD芯片的性能做全面评估，且大多数采用白炽灯作为照明光源，导致其中与光谱相关的参量无法准确表示，只能采用平均值的方式来计算，这在很大程度上降低了参数测量的准确性，而且目前的测量方法一般将CCD芯片放置在常温环境下进行测量，没有对CCD芯片工作的环境温度进行考虑，导致测量的参数与CCD芯片处于特定工作环境下时的实际参数有一定差异。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种测量CCD芯片灵敏度、线性度和噪声相关参数的方法，通过使用单色光照明，筛选采集到的原始数据，实现对CCD芯片灵敏度、线性度和暗噪声方面的性能参数的全面测量，并提高测量精度。

为实现上述目的，本发明包括如下技术方案：

((1)将待测CCD芯片放置在开有入射窗的杜瓦瓶温控室当中，并将CCD芯片与控制电路对应接口相连，该控制电路用于控制CCD芯片成像；

(2)在CCD芯片附近放置标定好的探测器，用于标定光源功率，为测量提供光功率参考值；

(3)在距CCD芯片80cm处放置波长可调的单色均匀光源系统，用该光源系统发出的单色光直接照射到CCD和标定好的探测器上面；

(4)通过快门装置或CCD芯片自带的电子快门调整CCD芯片的积分时间，控制CCD芯片的曝光量；

(5)以CCD芯片量子效率最大对应的波长η为参数，设置光源系统使其产生单色光；

(6)根据CCD芯片的实际工作环境温度，选取温度参数调节杜瓦瓶温控室，使CCD芯片处在一个80K到常温之间的恒定温度下工作；

(7)选取至少50个等间隔分布的积分时间(t₁，t₂，t₃...，t_X)调节CCD芯片的曝光量，其中X为实际选取的积分时间数目，积分时间的最大值和最小值要能使所拍摄的入射光斑图像满足其灰度平均值分别为最小和达到饱和；

(8)对于选取的每一个积分时间，各拍摄2组图像，其中第1组图像是对入射单色光进行成像，第2组图像是关闭快门成像，每组至少拍摄5张；

(9)对于选取的每一个积分时间，分别从第1组和第2组图像中各抽取2张图像，并根据第1组的2张图像y^A和y^B计算这两张图像总的灰度平均值μ_y1，根据第2组的2张图像y^C和y^D计算它们的灰度平均值μ_y2：

${\mathrm{\μ}}_{y1}=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(y^A\right[m\left]\right[n]+y^B[m\left]\right[n\left]\right),$

${\mathrm{\μ}}_{y2}=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(y^C\right[m\left]\right[n]+y^D[m\left]\right[n\left]\right),$

其中，M、N分别为每组图像的行像素数和列像素数，m、n分别为行、列像素的坐标号，其范围分别为0到M-1和0到N-1；

(10)对于每一个积分时间，分别计算第1组的2张图像y^A、y^B的时域方差

和第2组的2张图像y^C、y^D的时域方差

${\mathrm{\σ}}_{y1}^2=\frac{1}{2\mathrm{NM}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(y^A\right[m\left]\right[n]-y^B[m\left]\right[n\left]\right)}^2,$

${\mathrm{\σ}}_{y2}^2=\frac{1}{2\mathrm{NM}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(y^C\right[m\left]\right[n]-y^D[m\left]\right[n\left]\right)}^2$

其中，M、N分别为每组图像的行像素数和列像素数，m、n分别为行列像素的坐标号，其范围分别为0到M-1和0到N-1；

(11)根据步骤(9)和步骤(10)得到的数据，计算坐标

的值，共得到X个坐标，对这X个坐标进行线性拟合，得到一条直线，该直线的斜率即为CCD芯片和读出电路总的系统增益K；

(12)根据步骤(9)中得到的平均灰度值参数和步骤(11)中得到的系统增益K，计算CCD芯片的饱和度μ_p.sat：

其中，saidx为时域方差

中最大值的索引，μ_y1[saidx]为第saidx个积分时间所对应的第1组图像的灰度平均值，μ_y2[saidx]为第saidx个积分时间所对应的第2组图像的灰度平均值，η为CCD芯片对入射光波的量子效率，K为系统增益；

(13)根据时域方差和系统增益K计算CCD芯片和读出电路的暗噪声

${\mathrm{\σ}}_d\left[i\right]=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{y2}^2\left[i\right]-{\mathrm{\σ}}_q^2}/K,i=\mathrm{1,2,3}...,X$

其中，

为读出电路的量化噪声方差，时域方差

为积分时间t_i对应的第2组图像的时域方差；

(14)对于每一个积分时间，计算CCD芯片的信噪比SNR：

$\mathrm{SNR}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{y1}-{\mathrm{\μ}}_{y2}}{{\mathrm{\σ}}_{y1}}$

其中表示标准差，

为对应积分时间第一组图像的时域方差，μ_y1、μ_y2分别代表对应积分时间第1组图像和第2组图像的平均灰度值；

(15)取CCD芯片的信噪比SNR＝1，计算其绝对灵敏度阈值μ_p.min：

${\mathrm{\μ}}_{p.\min }\≈\frac{1}{\mathrm{\η}}(\frac{{\mathrm{\σ}}_{y2}}{K}+\frac{1}{2})$

其中η为CCD芯片对入射光波长的量子效率，K为系统增益，

表示标准差，

为对应积分时间第2组图像的时域方差；

(16)根据CCD芯片的绝对灵敏度阈值和饱和度，计算CCD芯片的动态响应范围DR：

$\mathrm{DR}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{p.\mathrm{sat}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}_{p.\min }}$

其中，μ_p.min为绝对灵敏度阈值，

为X个μ_p.min值的平均值，X为所选积分时间的个数；

(17)根据系统增益K、饱和度μ_p.sat参数计算CCD芯片的非线性度误差LE：

(17a)对于每一个积分时间t_i，i∈1，2，...，X，分别对应有一个灰度平均值μ_y1[i]，一个灰度平均值μ_y2[i]和入射光辐照度H[i]，其中[i]表示第i个积分时间所对应的物理量，根据X个(μ_y1[i]，H[i])坐标得到拟合直线方程Y：

Y＝a₀+a₁H

其中a₀为拟合直线的截距，a₁为拟合直线的斜率，Y表示灰度值，H表示辐照度；

(17b)计算坐标点(μ_y1[i]，H[i])与拟合直线Y上对应点的偏差δ_y[i]：

${\mathrm{\δ}}_y\left[i\right]=100\frac{\left({\mathrm{\μ}}_{y1}\right[i]-{\mathrm{\μ}}_{y2}[i\left]\right)-(a_0+a_{1}H[i\left]\right)}{0.9({\mathrm{\μ}}_{y.\mathrm{sat}}-{\mathrm{\μ}}_{y2}[i\left]\right)}$

其中，μ_y.sat＝Kημ_p.sat，K为系统增益，η为CCD芯片对入射光波长的量子效率；

(17c)选出偏差(δ_y[1]，δ_y[2]，...，δ_y[X])中的最大值和最小值，分别记为max(δ_y)和min(δ_y)，通过最大值和最小值计算CCD芯片的非线性误差LE：

$\mathrm{LE}=\frac{\max \left({\mathrm{\δ}}_y\right)-\min \left({\mathrm{\δ}}_y\right)}{2}.$

本发明具有如下优点：

1)本发明选取的数据采用拍摄多张，选取中间部分图像的方法，很好的排除了成像系统的误差，提高了测量参数的精度。

2)本发明对于空间方差的计算采用取多张图像求平均的方式，基本排除了时域方差的影响，使测量的空间非均匀性更准确。

3)本发明对于系统增益、非线性误差等采用线性拟合的方式进行计算，能够排除单次测量所造成的随机误差。

4)本发明由于使用标定过的探测器对入射单色光光强进行标定，能够计算出量子效率和响应度的绝对值，相对于相对量子效率和相对响应度，对用户更有参考价值。

5)本发明采用CCD芯片量子效率最大所对波长的单色光，从一定程度上增大了CCD芯片的信号强度，具有抑制噪声的功能，使参数测量更加准确。

附图说明

图1是本发明所用到的硬件采集系统框图；

图2是本发明测量CCD芯片饱和度μ_p.sat、系统增益K、暗噪声信噪比SNR、绝对灵敏度阈值μ_p.min、动态范围DR和非线性度误差LE的流程图。

具体实施方式

CCD芯片是一种广泛使用的成像器件，大量应用于天文学、航空航天、生物和医学研究、分子动力学、光谱学、水下摄影、X射线检测等许多领域，为此对CCD芯片的性能参数进行评估是至关重要的。目前，对CCD芯片进行评估主要有如下这些参数：

①量子效率η：CCD在波长λ照射下产生的光电子数和入射光子数之比，该参数表征了CCD芯片对特定波长单色光的响应能力。

②响应度参数R：CCD在给定波长单色光照明下，信号电压与曝光量之比。该参数从总体上描述了CCD量子效率和系统增益。

③饱和度μ_p.sat：CCD达到饱和时能接收的光子数。

④系统增益K：系统像元产生的电子数与灰度值之比。

⑤暗噪声

与CCD芯片读出电路相关的噪声总和。

⑥信噪比SNR：光子产生的信号和噪声信号之间的比值。

⑦绝对灵敏度阈值μ_p.min：信噪比等于1时所需平均光子数。

⑧动态范围DR：饱和度于绝对灵敏度阈值的比值。

⑨非线性度误差LE：CCD芯片的输出信号与入射光信号之间偏离线性关系的误差。

⑩暗信号非均匀性DSNU：CCD芯片在无光照下各像素输出灰度值的标准差与其均值之比。

光子响应非均匀性PRNU：CCD芯片在50％饱和曝光条件下，各像元输出灰度值的标准差与均值之比。

暗电流μ_I：CCD芯片在无光照情况下得输出电流大小。

双倍温度常数T_d：在无光照情况下，暗电流增加到参考温度出暗电流值的一倍时对应的温度。

以上参数中，暗噪声

和信噪比SNR属于噪声相关的参数。

以下将结合附图，清楚、完整地描述本发明对CCD芯片上述参数中的饱和度μ_p.sat、系统增益K、暗噪声

信噪比SNR、绝对灵敏度阈值μ_p.min、动态范围DR和非线性度误差LE进行测量的具体步骤。

参照图1，是本发明测量所用到的硬件采集系统，包括波长可调单色均匀光源系统、杜瓦瓶温控室、CCD芯片、标准探测器，控制电路和计算机。CCD芯片和标准探测器安放在杜瓦瓶温控室中，其工作温度可由杜瓦瓶温控室控制，调节波长可调单色均匀光源系统输出均匀单色光，照射在CCD芯片和标准探测器上，CCD芯片由控制电路驱动成像，并将CCD芯片的输出信息上传到计算机上，计算机根据图像信息计算出待测CCD芯片的性能参数。对于不同的测量参数，通过调节积分时间来采集相应的图像和光强信息，再根据与参数相关的特定的步骤计算出测量参数。

参照图2，本发明测量CCD芯片饱和度μ_p.sat、系统增益K、暗噪声

信噪比SNR、绝对灵敏度阈值μ_p.min、动态范围DR和非线性度误差LE的方法，包括如下步骤：

步骤1、将待测CCD芯片放置在测试系统的杜瓦瓶温控室中，该杜瓦瓶温控室开有入射窗，入射窗的透过率要求对入射光的透过率达到98％以上，将CCD芯片与控制电路对应接口相连，该控制电路用于控制CCD芯片成像和调节杜瓦瓶温控室的温度，杜瓦瓶温控室的温度即为CCD芯片的工作温度。

步骤2、在CCD芯片附近放置已经标定好标准探测器，用于测量光源功率，为其后的计算提供光功率参考值。

步骤3、在距CCD芯片80cm处放置波长可调单色均匀光源系统，该波长可调单色均匀光源系统由宽光谱光源、单色仪、积分球构成，其波长调节范围要求覆盖CCD芯片的响应波长范围，产生的单色光波长宽度要求小于50nm，该波长可调单色均匀光源系统发出的单色光直接照射到CCD和标准探测器上面。

步骤4、通过CCD芯片自带的电子快门调整CCD芯片的积分时间，控制CCD芯片的曝光量，即控制电路直接控制该电子快门实现积分时间的控制，如果CCD芯片的电子快门不满足应用需求，则需要在入射光路中间添加独立的快门装置，一般添加在入射窗前或波长可调单色均匀光源系统之前，使用该快门装置先调节CCD芯片的曝光量，再进行图像拍摄，拍摄方法是，首先通过控制电路控制快门打开，使CCD芯片开始对入射光进行积分，同时，控制电路开始计时，当达到指定积分时间时，由控制电路再控制快门关闭，并将CCD芯片中的图像读出上传至计算机当中。

步骤5、采用光源系统自带的控制软件接口，以CCD芯片量子效率最大对应的波长η为参数，控制光源系统以产生单色光。

步骤6、采用杜瓦瓶温控室自带的控制软件接口，选取温度参数调节杜瓦瓶温控室的内部温度，使CCD芯片处在一个80K到常温的恒定温度下工作。

步骤7、选取至少50个等间隔分布的积分时间(t₁，t₂，t₃...，t_X)，其中X为实际选取的积分时间数目，使用这些积分时间调节CCD芯片的曝光量，积分时间的最大值和最小值要能使所拍摄的入射光斑图像满足其灰度平均值分别为最小和达到饱和。

步骤8、对于选取的每一个积分时间，各拍摄2组图像，其中第1组图像是对入射单色光进行成像，第2组图像是关闭快门成像，每组至少拍摄5张，所有拍摄的图像均通过控制电路上传到计算机当中，接下来使用配套的计算机软件对这些数据进行处理得到测量参数。

步骤9、对于选取的每一个积分时间，分别从第1组和第2组图像中各抽取2张图像，并根据第1组的2张图像y^A和y^B计算这两张图像总的灰度平均值μ_y1，根据第2组的2张图像y^C和y^D计算它们的灰度平均值μ_y2：

${\mathrm{\μ}}_{y1}=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(y^A\right[m\left]\right[n]+y^B[m\left]\right[n\left]\right),$ ${\mathrm{\μ}}_{y2}=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(y^C\right[m\left]\right[n]+y^D[m\left]\right[n\left]\right)$

其中，M、N分别为图像的行像素数和列像素数。

步骤10、对于每一个积分时间，计算第1组的2张图像y^A和y^B的时域方差

计算第2组的2张图像y^C和y^D的时域方差

${\mathrm{\σ}}_{y1}^2=\frac{1}{2\mathrm{NM}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(y^A\right[m\left]\right[n]-y^B[m\left]\right[n\left]\right)}^2,$ ${\mathrm{\σ}}_{y2}^2=\frac{1}{2\mathrm{NM}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(y^C\right[m\left]\right[n]-y^D[m\left]\right[n\left]\right)}^2.$

步骤11、根据步骤(9)和步骤(10)得到的数据，计算坐标

的值，共得到X个坐标，对这X个坐标进行线性拟合，得到一条直线，该直线的斜率即为CCD芯片和读出电路总的系统增益K。

步骤12、根据步骤(9)中得到的平均灰度值参数和步骤(11)中得到的系统增益K，计算CCD芯片的饱和度μ_p.sat：

${\mathrm{\μ}}_{p.\mathrm{sat}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{y1}\left[\mathrm{said}\right]x-{\mathrm{\μ}}_{y2}\left[\mathrm{said}\right]}{\mathrm{K\η}}$

其中，saidx为时域方差

中最大值的索引，μ_y1[saidx]为第saidx个积分时间所对应的第1组图像的灰度平均值，μ_y2[saidx]为第saidx个积分时间所对应的第2组图像的灰度平均值，η为CCD芯片对入射光波的量子效率，K为系统增益。

步骤13、计算CCD芯片和读出电路的暗噪声

${\mathrm{\σ}}_d\left[i\right]=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{y2}^2\left[i\right]-{\mathrm{\σ}}_q^2}/K,i=\mathrm{1,2,3}...,X$

其中，

为读出电路的量化噪声方差，时域方差为积分时间t_i对应的第2组图像的时域方差。

步骤14、对于每一个积分时间，计算CCD芯片的信噪比SNR：

$\mathrm{SNR}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{y1}-{\mathrm{\μ}}_{y2}}{{\mathrm{\σ}}_{y1}}$

其中

表示标准差，

为对应积分时间第一组图像的时域方差，μ_y1、μ_y2分别代表对应积分时间第1组图像和第2组图像的平均灰度值；

步骤15、取CCD芯片的信噪比SNR＝1，计算其绝对灵敏度阈值μ_p.min：

${\mathrm{\μ}}_{p.\min }\≈\frac{1}{\mathrm{\η}}(\frac{{\mathrm{\σ}}_{y2}}{K}+\frac{1}{2})$

其中η为CCD芯片对入射光波长的量子效率，K为系统增益，

表示标准差，

为对应积分时间第2组图像的时域方差。

步骤16、根据CCD芯片的绝对灵敏度阈值μ_p.min和饱和度μ_p.sat计算CCD芯片的动态响应范围DR：

$\mathrm{DR}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{p.\mathrm{sat}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}_{p.\min }},$

其中，

为X个μ_p.min值的平均值，X为所选积分时间的个数。

步骤17、根据系统增益K、饱和度μ_p.sat，计算CCD芯片的非线性度误差LE：

(17a)对于每一个积分时间t_i，i∈1，2，...，X，分别对应有一个灰度平均值μ_y1[i]，一个灰度平均值μ_y2[i]和入射光辐照度H[i]，其中[i]表示第i个积分时间所对应的物理量，根据X个(μ_y1[i]，H[i])坐标得到拟合直线方程Y：

Y＝a₀+a₁H

其中a₀为拟合直线的截距，a₁为拟合直线的斜率，Y表示灰度值，H表示辐照度；

(17b)计算X个坐标点(μ_y1[i]，H[i])与拟合直线Y上对应点的偏差δ_y[i]：

${\mathrm{\δ}}_y\left[i\right]=100\frac{\left({\mathrm{\μ}}_{y1}\right[i]-{\mathrm{\μ}}_{y2}[i\left]\right)-(a_0+a_{1}H[i\left]\right)}{0.9({\mathrm{\μ}}_{y.\mathrm{sat}}-{\mathrm{\μ}}_{y2}[i\left]\right)}$

其中，μ_y.sat＝Kημ_p.sat表示光子响应饱和时所对应的灰度平均值，K为系统增益，η为CCD芯片对入射光波长的量子效率；

(17c)从X个偏差(δ_y[1]，δ_y[2]，...，δ_y[X])中选出它们的最大值和最小值，分别记为max(δ_y)和min(δ_y)，通过最大值和最小值计算CCD芯片的非线性误差LE：

$\mathrm{LE}=\frac{\max \left({\mathrm{\δ}}_y\right)-\min \left({\mathrm{\δ}}_y\right)}{2}.$

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种测量CCD芯片灵敏度、线性度和暗噪声相关参数的方法，包括如下步骤：

(1)将待测CCD芯片放置在开有入射窗的杜瓦瓶温控室当中，并将CCD芯片与控制电路对应接口相连，该控制电路用于控制CCD芯片成像；

(2)在CCD芯片附近放置标定好的探测器，用于标定光源功率，为测量提供光功率参考值；

(3)在距CCD芯片80cm处放置波长可调的单色均匀光源系统，用该光源系统发出的单色光直接照射到CCD和标定好的探测器上面；

(4)通过快门装置或CCD芯片自带的电子快门调整CCD芯片的积分时间，控制CCD芯片的曝光量；

(5)以CCD芯片量子效率最大对应的波长η为参数，设置光源系统使其产生单色光；

(6)根据CCD芯片的实际工作环境温度，选取温度参数调节杜瓦瓶温控室，使CCD芯片处在一个80K到常温之间的恒定温度下工作；

(7)选取至少50个等间隔分布的积分时间(t₁，t₂，t₃...，t_X)调节CCD芯片的曝光量，其中X为实际选取的积分时间数目，积分时间的最大值和最小值要能使所拍摄的入射光斑图像满足其灰度平均值分别为最小和达到饱和；

(8)对于选取的每一个积分时间，各拍摄2组图像，其中第1组图像是对入射单色光进行成像，第2组图像是关闭快门成像，每组至少拍摄5张；

(9)对于选取的每一个积分时间，分别从第1组和第2组图像中各抽取2张图像，并根据第1组的2张图像y^A和y^B计算这两张图像总的灰度平均值μ_y1，根据第2组的2张图像y^C和y^D计算它们的灰度平均值μ_y2：

${\mathrm{\μ}}_{y1}=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(y^A\right[m\left]\right[n]+y^B[m\left]\right[n\left]\right),$

${\mathrm{\μ}}_{y2}=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(y^C\right[m\left]\right[n]+y^D[m\left]\right[n\left]\right),$

其中，M、N分别为每组图像的行像素数和列像素数，m、n分别为行、列像素的坐标号，其范围分别为0到M-1和0到N-1；

(10)对于每一个积分时间，分别计算第1组的2张图像y^A、y^B的时域方差

和第2组的2张图像y^C、y^D的时域方差

${\mathrm{\σ}}_{y1}^2=\frac{1}{2\mathrm{NM}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(y^A\right[m\left]\right[n]-y^B[m\left]\right[n\left]\right)}^2,$

${\mathrm{\σ}}_{y2}^2=\frac{1}{2\mathrm{NM}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(y^C\right[m\left]\right[n]-y^D[m\left]\right[n\left]\right)}^2$

其中，M、N分别为每组图像的行像素数和列像素数，m、n分别为行列像素的坐标号，其范围分别为0到M-1和0到N-1；

(11)根据步骤(9)和步骤(10)得到的数据，计算坐标

的值，共得到X个坐标，对这X个坐标进行线性拟合，得到一条直线，该直线的斜率即为CCD芯片和读出电路总的系统增益K；

(12)根据步骤(9)中得到的平均灰度值参数和步骤(11)中得到的系统增益K，计算CCD芯片的饱和度μ_p.sat：

其中，saidx为时域方差

中最大值的索引，μ_y1[saidx]为第saidx个积分时间所对应的第1组图像的灰度平均值，μ_y2[saidx]为第saidx个积分时间所对应的第2组图像的灰度平均值，η为CCD芯片对入射光波的量子效率，K为系统增益；

(13)根据时域方差和系统增益K计算CCD芯片和读出电路的暗噪声

${\mathrm{\σ}}_d\left[i\right]=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{y2}^2\left[i\right]-{\mathrm{\σ}}_q^2}/K,i=\mathrm{1,2,3}...,X$

其中，

为读出电路的量化噪声方差，时域方差

为积分时间t_i对应的第2组图像的时域方差；

(14)对于每一个积分时间，计算CCD芯片的信噪比SNR：

$\mathrm{SNR}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{y1}-{\mathrm{\μ}}_{y2}}{{\mathrm{\σ}}_{y1}}$

其中

表示标准差，

为对应积分时间第一组图像的时域方差，μ_y1、μ_y2分别代表对应积分时间第1组图像和第2组图像的平均灰度值；

(15)取CCD芯片的信噪比SNR＝1，计算其绝对灵敏度阈值μ_p.min：

${\mathrm{\μ}}_{p.\min }\≈\frac{1}{\mathrm{\η}}(\frac{{\mathrm{\σ}}_{y2}}{K}+\frac{1}{2})$

其中η为CCD芯片对入射光波长的量子效率，K为系统增益，

表示标准差，

为对应积分时间第2组图像的时域方差；

(16)根据CCD芯片的绝对灵敏度阈值和饱和度，计算CCD芯片的动态响应范围DR：

$\mathrm{DR}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{p.\mathrm{sat}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}_{p.\min }}$

其中，μ_p.min为绝对灵敏度阈值，

为X个μ_p.min值的平均值，X为所选积分时间的个数；

(17)根据系统增益K、饱和度μ_p.sat参数计算CCD芯片的非线性度误差LE：

(17a)对于每一个积分时间t_i，i∈1，2，...，X，分别对应有一个灰度平均值μ_y1[i]，一个灰度平均值μ_y2[i]和入射光辐照度H[i]，其中[i]表示第i个积分时间所对应的物理量，根据X个(μ_y1[i]，H[i])坐标得到拟合直线方程Y：

Y＝a₀+a₁H

其中a₀为拟合直线的截距，a₁为拟合直线的斜率，Y表示灰度值，H表示辐照度；

(17b)计算坐标点(μ_y1[i]，H[i])与拟合直线Y上对应点的偏差δ_y[i]：

${\mathrm{\δ}}_y\left[i\right]=100\frac{\left({\mathrm{\μ}}_{y1}\right[i]-{\mathrm{\μ}}_{y2}[i\left]\right)-(a_0+a_{1}H[i\left]\right)}{0.9({\mathrm{\μ}}_{y.\mathrm{sat}}-{\mathrm{\μ}}_{y2}[i\left]\right)}$

其中，μ_y.sat＝Kημ_p.sat，K为系统增益，η为CCD芯片对入射光波长的量子效率；

(17c)选出偏差(δ_y[1]，δ_y[2]，...，δ_y[X])中的最大值和最小值，分别记为max(δ_y)和min(δ_y)，通过最大值和最小值计算CCD芯片的非线性误差LE：

$\mathrm{LE}=\frac{\max \left({\mathrm{\δ}}_y\right)-\min \left({\mathrm{\δ}}_y\right)}{2}.$

2.根据权利要求1所述的测量方法，其中步骤(4)所述的通过快门装置调整CCD芯片的积分时间，是将独立的快门装置放置在杜瓦平瓶温控室之前或光路中的其它位置，将它的控制接口与控制电路相连，在拍摄时，首先控制快门装置打开，然后控制电路进行计时，当到达指定的积分时间后，控制快门关闭，最后控制电路从CCD芯片中读出图像信息上传至计算机当中。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其中步骤(4)所述的通过CCD芯片自带的电子快门调整CCD芯片的积分时间，是指CCD芯片本身电子快门满足测量要求，控制电路直接控制该电子快门实现积分时间的控制。

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