CN104125456A - 一种ccd器件系统增益测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种CCD器件系统增益测量装置，包括：激光器、激光稳功率系统、连续可调衰减片及控制器、积分球、精密位移台、暗室和主控计算机，所述积分球、位移台以及被测CCD器件放置在光学暗室中；所述衰减片、位移台以及被测CCD器件由相关接口连接到主控计算机上；所述激光器发出的光经稳功率系统以及衰减片后直接入射到积分球中；调整位移台，使被测CCD器件正对积分球出光口。本发明通过连续调节衰减片改变光源强度来获得CCD不同响应值的明场图，不需要设置CCD的曝光时间；只需获取一次暗场图，然后即可连续获取明场图，过程简单，数据量小，不需要繁琐的开、关快门操作。

Description

一种CCD器件系统增益测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种CCD器件系统增益测量装置，还涉及一种CCD器件系统增益测量方法。

背景技术

系统增益代表了CCD(Charge Coupled Device)电子学系统放大特性，是确定CCD器件读出噪声、量子效率、满阱容量等的重要参数，其他性能的评估也大都以它为基础。在CCD器件增益测试中，光子转移曲线方法(PTC，photontransfer curve)目前应用最为广泛，传统的光子转移曲线方法需要连续改变CCD相机的曝光时间来获取明场图和暗场图，而实际实施时某些类型的CCD器件曝光时间的设置并不方便，甚至无法人为改变，这就给这些CCD的系统增益测试带来了一定的困难，并且明、暗场图交替获取造成了测试方案的繁琐，且数据量较大不易处理。

CCD器件的增益定义一个模数转换单位(ADU)对应的原始光生电子数，单位为e^-/ADU。目前测量增益最常用的方法为光子转移曲线法。根据该方法，CCD的系统增益可以表示为：

$\frac{1}{K}=\frac{{\mathrm{\σ}}_y^2-{\mathrm{\σ}}_{y.\mathrm{dark}}^2}{{\mathrm{\μ}}_y-{\mathrm{\μ}}_{y.\mathrm{dark}}}---\left(1\right)$

其中为有光照时CCD器件的总的响应信号方差；为无光照时CCD器件的的响应信号方差；μ_y为有光照时CCD器件的响应信号灰度值，μ_y.dark无光照时CCD器件的响应信号灰度值；K为系统增益。由此可以看出如果以μ_y-μ_y.dark为横坐标。以为纵坐标，所获得的曲线即是CCD的光子转移曲线，作它们的线性拟合，其斜率的倒数正是CCD的系统增益K。

光子转移曲线是不同强度的均匀光照明下的CCD响应曲线，通常其获取方式是在CCD默认工作状态时，不同曝光时间下成对获取平场图。曝光时间递增，直至信号饱和。目前光子转移曲线法是最常用的测试CCD系统增益方案，该方案的系统框图如图1，主要结构包括：单色仪，光源、积分球、被测器件以及计算机处理系统。测量时由单色仪设置一定的波长值产生需要的光源，入射到积分球后获得一个均匀的面光源。CCD器件放置在积分球出光孔外一定距离处。设置不同的曝光时间，CCD芯片采集到的信号经驱动电路转化为图像信息传送到主控计算机上进行处理和存储。

如图2所示，具体的实验步骤及数据处理方法如下：

步骤1.单色仪设置为某一波长。将相机的曝光时间设置为最小，使CCD芯片的曝光量也保持在一个比较低的水平。

步骤2.关闭单色仪快门，采集暗场图若干张；然后打开快门，保持曝光时间不变，采集明场图若干张；

步骤3.从上一步获得的暗场图和明场图中分别选出两张，计算其平均灰度值μ_y.dark和μ_y；

步骤4.计算步骤3中暗场图和明场图的方差和

步骤5.增大曝光时间，重复2，3，4步，分别获取暗场图和明场图的平均灰度值和方差，直至CCD器件达到饱和；

步骤6.在同一个曝光时间下，以μ_y-μ_y.dark作为横坐标，以作为纵坐标描点，选取CCD曝光量在饱和值70％以下的点进行直线拟合(y轴截距为0)，其斜率的倒数就是CCD的系统增益。

传统的光子转移曲线方法存在以下不足：

(1)需要不断设置CCD相机的曝光时间来获取明场图和暗场图，但有时CCD器件曝光时间的设置并不方便，有些情况下甚至无法人为改变曝光时间，这给系统增益测试带来了一定的困难。

(2)在获取图像的时候，每设置一次曝光时间，都要进行一次开、关快门的操作来获取明场图和暗场图，这样不仅过程繁琐，造成了测试时间的延长和设备的损耗，而且数据量较大，不易处理。

发明内容

为克服现有方案的不足，本发明提出一种新的CCD器件系统增益测量装置及相应的测量方法，解决了CCD器件的精确快速测量问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种CCD器件系统增益测量装置，包括：激光器、稳功率系统、衰减片及其控制器、积分球、精密位移台、暗室和主控计算机，所述积分球、位移台以及被测CCD器件放置在光学暗室中；所述衰减片、位移台以及被测CCD器件由相关接口连接到主控计算机上；所述激光器发出的光经稳功率系统以及衰减片后直接入射到积分球中；调整位移台，使被测CCD器件正对积分球出光口。

可选地，被测CCD器件到积分球出光口的距离大于4倍的出光口口径。

可选地，所述激光器采用HeNe激光器，中心波长为632.8nm。

可选地，所述积分球直径为40-60cm，出光口直径为8-12cm，入光口直径为0.5-2cm。

可选地，所述积分球直径为50cm，出光口直径为10cm，入光口直径为1cm。

本发明还提供一种CCD器件系统增益测量方法，包含以下步骤：

步骤(a)，连接设备，关闭激光器，将衰减片调至最大衰减，设置被测CCD器件的曝光时间；

步骤(b)，通过被测CCD器件获取若干张图像，此时获得的图像为暗场图，选取两张计算平均灰度值μ_y.dark和方差

平均灰度值和方差的计算方法为式(2)和式(3)：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{2\mathrm{MN}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left({\mathrm{\μ}}_1\right[m\left]\right[n]+{\mathrm{\μ}}_2[m\left]\right[n\left]\right)---\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{1}{2\mathrm{MN}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{\μ}}_1\right[m\left]\right[n]-{\mathrm{\μ}}_2[m\left]\right[n\left]\right)}^2---\left(2\right)$

其中μ和σ²为图像的平均灰度值和方差；μ₁和μ₂分别代表选取的两张图像，M、N分别为获取图像的行像素数和列像素数；

步骤(c)，打开激光器，稳定后通过被测CCD器件获取若干张明场图，并选取两张计算平均灰度值μ_y和方差计算方法同所述步骤(b)；

步骤(d)，使用计算机控制连续调节衰减片，判断被测CCD器件是否达到饱和，如未达到饱和，则重复步骤(c)；

步骤(e)，以μ_y-μ_y.dark作为横坐标，以作为纵坐标描点，选取被测CCD器件曝光量在饱和值70％以下的点进行直线拟合。

可选地，所述步骤(e)中，直线拟合的步骤中y轴截距为0。

本发明的有益效果是：

(1)通过连续调节衰减片改变光源强度来获得CCD不同响应值的明场图，不需要设置CCD的曝光时间，避免了在某些情况下曝光时间无法设置的不便；

(2)只需获取一次暗场图，然后即可连续获取明场图，过程简单，数据量小，不需要繁琐的开、关快门操作；

(3)节省了测试和数据处理的时间，同时降低了设备的损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的CCD器件系统增益测试系统结构图；

图2为现有的CCD器件系统增益测试流程图；

图3为本发明的CCD器件系统增益测量装置结构图；

图4为本发明的CCD器件系统增益测量方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的CCD器件系统增益测试系统需要不断设置CCD相机的曝光时间来获取明场图和暗场图，而且在获取图像的时候，每设置一次曝光时间，都要进行一次开、关快门的操作来获取明场图和暗场图，过程繁琐，造成了测试时间的延长和设备的损耗，而且数据量大，不易处理。本发明提出了一种测量CCD器件系统增益的装置和方法，利用激光光源的准直性，直接输入到积分球中获得均匀光源，通过调节衰减片连续改变光源的强度，在测试过程中保持曝光时间固定不变，这样只需要获取一次暗场图即可，减小了数据量，缩短了测试时间。同时，把单色仪换成了更为稳定的激光器，并添加了稳功率系统，使光源更加稳定，降低了所测增益的不确定度。

本发明根据光子转移曲线法提出了一种高效的CCD器件系统增益测量装置，装置的结构如图3所示，CCD器件系统增益测量装置包括激光器、激光稳功率系统、连续可调衰减片及控制器、积分球、精密位移台、暗室和主控计算机。在本测量装置中，激光器采用HeNe激光器，中心波长为632.8nm，由于CCD器件在632.8nm波长点响应较好，且该激光器技术成熟，性能稳定，再加上后续的稳功率系统，能够达到很高的稳定性。积分球直径为40-60cm，优选为50cm，出光口直径为8-12cm，优选为10cm，入光口直径可按照需要进行设置，本发明采用激光器直接打入积分球内，所以入光口直径设为0.5-2cm，优选为1cm，积分球出光口处均匀性可达到98％以上。上述积分球、位移台以及被测CCD器件都放置在光学暗室中。

本发明测量装置的工作原理如下：激光器发出的光经稳功率系统以及衰减片后直接入射到积分球中，在积分球出光口处即获得均匀光源；调整位移台，使被测CCD器件正对积分球出光口，为了使所有光线能够以大致垂直的角度入射到被测CCD器件上，被测CCD器件到积分球出光口的距离大于4倍的出光口口径；衰减片、位移台以及被测CCD器件都由相关接口连接到主控计算机上。

本发明测量装置通过连续调节衰减片改变光源强度来获得CCD不同响应值的明场图，不需要设置CCD的曝光时间，避免了在某些情况下曝光时间无法设置的不便，而且只需获取一次暗场图，然后即可连续获取明场图，过程简单，数据量小，不需要繁琐的开、关快门操作，节省了测试和数据处理的时间，同时降低了设备的损耗。

基于上述CCD器件系统增益测量装置，本发明还提出了一种CCD器件系统增益测量方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤(a)，按照要求连接设备，首先关闭激光器，将衰减片调至最大衰减，设置CCD芯片合适的曝光时间；

步骤(b)，通过被测CCD器件获取若干张图像，此时获得的图像为暗场图，选取两张计算平均灰度值μ_y.dark和方差

平均灰度值和方差的计算方法见式(2)和式(3)：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{2\mathrm{MN}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left({\mathrm{\μ}}_1\right[m\left]\right[n]+{\mathrm{\μ}}_2[m\left]\right[n\left]\right)---\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{1}{2\mathrm{MN}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{\μ}}_1\right[m\left]\right[n]-{\mathrm{\μ}}_2[m\left]\right[n\left]\right)}^2---\left(2\right)$

其中μ和σ²为图像的平均灰度值和方差；μ₁和μ₂分别代表选取的两张图像，M、N分别为获取图像的行像素数和列像素数；

步骤(c)，打开激光器，稳定后通过被测CCD器件获取若干张明场图，并选取两张计算平均灰度值μ_y和方差计算方法同步骤(b)；

步骤(d)，使用计算机控制连续调节衰减片，判断CCD是否达到饱和，如未达到饱和，则重复上述步骤(c)；

步骤(e)，以μ_y-μ_y.dark作为横坐标，以作为纵坐标描点，选取CCD曝光量在饱和值70％以下的点进行直线拟合，其中，y轴截距为0，其斜率的倒数就是CCD的系统增益。

本发明CCD器件系统增益测量装置及方法通过连续调节衰减片改变光源强度来获得CCD不同响应值的明场图，不需要设置CCD的曝光时间，避免了在某些情况下曝光时间无法设置的不便；只需获取一次暗场图，然后即可连续获取明场图，过程简单，数据量小，不需要繁琐的开、关快门操作；节省了测试和数据处理的时间，同时降低了设备的损耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种CCD器件系统增益测量装置，其特征在于，包括：激光器、稳功率系统、衰减片及其控制器、积分球、精密位移台、暗室和主控计算机，所述积分球、位移台以及被测CCD器件放置在光学暗室中；所述衰减片、位移台以及被测CCD器件由相关接口连接到主控计算机上；所述激光器发出的光经稳功率系统以及衰减片后直接入射到积分球中；调整位移台，使被测CCD器件正对积分球出光口。

2.如权利要求1所述的CCD器件系统增益测量装置，其特征在于，被测CCD器件到积分球出光口的距离大于4倍的出光口口径。

3.如权利要求1所述的CCD器件系统增益测量装置，其特征在于，所述激光器采用HeNe激光器，中心波长为632.8nm。

4.如权利要求1所述的CCD器件系统增益测量装置，其特征在于，所述积分球直径为40-60cm，出光口直径为8-12cm，入光口直径为0.5-2cm。

5.如权利要求4所述的CCD器件系统增益测量装置，其特征在于，所述积分球直径为50cm，出光口直径为10cm，入光口直径为1cm。

6.一种CCD器件系统增益测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(a)，连接设备，关闭激光器，将衰减片调至最大衰减，设置被测CCD器件的曝光时间；

步骤(b)，通过被测CCD器件获取若干张图像，此时获得的图像为暗场图，选取两张计算平均灰度值μ_y.dark和方差

平均灰度值和方差的计算方法为式(2)和式(3)：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{2\mathrm{MN}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left({\mathrm{\μ}}_1\right[m\left]\right[n]+{\mathrm{\μ}}_2[m\left]\right[n\left]\right)---\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{1}{2\mathrm{MN}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{\μ}}_1\right[m\left]\right[n]-{\mathrm{\μ}}_2[m\left]\right[n\left]\right)}^2---\left(2\right)$

其中μ和σ²为图像的平均灰度值和方差；μ₁和μ₂分别代表选取的两张图像，M、N分别为获取图像的行像素数和列像素数；

步骤(c)，打开激光器，稳定后通过被测CCD器件获取若干张明场图，并选取两张计算平均灰度值μ_y和方差计算方法同所述步骤(b)；

步骤(d)，使用计算机控制连续调节衰减片，判断被测CCD器件是否达到饱和，如未达到饱和，则重复步骤(c)；

步骤(e)，以μ_y-μ_y.dark作为横坐标，以作为纵坐标描点，选取被测CCD器件曝光量在饱和值70％以下的点进行直线拟合。

7.如权利要求6所述的CCD器件系统增益测量方法，其特征在于，所述步骤(e)中，直线拟合的步骤中y轴截距为0。