CN104296968A - 多通道ccd的调制传递函数测试方法 - Google Patents

Abstract

多通道CCD的调制传递函数测试方法，涉及一种CCD的测试技术，解决现有多通道CCD由于各通道响应不一致导致测试结果不准确的问题，本发明采用高稳定度光源，并调整光源输出使增益和偏置都为0时参考白板的灰度值为80％的最大输出DN(灰度值)值；以靶标的参考白板内相邻通道的4个像元灰度值最接近为基准，进行各通道偏置和增益参数的调整；通过转台微动搜寻最佳调制传递函数，根据靶标位置严格限定调制传递函数有效测试结果的像素范围；采用转台移动相机，使靶标像移动一个像素位置，通过移动前后的图像统计出最大的调制传递函数和最大的偏差值。本发明降低了靶标像和CCD匹配的难度及电源波动对调制传递函数测试结果的影响。

Description

多通道CCD的调制传递函数测试方法

技术领域

本发明涉及一种CCD的测试技术，具体涉及一种多通道CCD调制传递函数的测试方法。

背景技术

调制传递函数是CCD相机的重要指标，也是检验相机在光学设计、装调各阶段成像质量的重要依据。CCD调制传递函数的一种测试方法是基于矩形靶标的对比度测试。在测试过程中，测试结果受外界环境振动、信噪比、照明光源的稳定性、靶标自身的调制度、靶标像和CCD像元的配准程度、CCD像元的不均匀性和通道不一致性影响，将导致测试结果不准确，甚至偏离较大等问题。

CCD相机成像时，光、机、电、信号处理的各个过程紧密相连，其工作过程如下：光学成像系统获取光学图像信息输入到图像传感器后，图像传感器进行光电转换，输出离散的模拟图像信号，进而通过电子学处理电路进行低噪声、小信号放大，然后采用相关双采样(CDS)消除相关噪声，再对去除相关噪声的视频图像信号进行增益放大和调整，最后通过模数转换(A/D)电路对模拟图像进行数字量化，输出量化后的数字图像。调制传递函数是CCD相机的重要指标，其测试结果对于光机结构的装调具有指导作用，而调制传递函数的测试受各种因素的影响，需要进行仔细分析，获取最准确的测试结果。

发明内容

本发明为解决现有多通道CCD由于各通道响应不一致导致测试结果不准确的问题，提供一种多通道CCD的调制传递函数测试方法。

多通道CCD的调制传递函数测试方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、将靶标、平行光管和积分球置于气浮平台上，将相机置于转台，调整CCD的增益和偏置参数为0，然后通过调整所述积分球，使靶标全透光的白板结构的图像灰度值为80％时，输出相机最大灰度值；

步骤二、转动转台，使靶标白板结构的图像均匀分布在CCD相邻的两个通道位置，以相邻两通道的相邻四个像元灰度值最接近为基准，进行各通道偏置和增益参数的调整；使各通道响应一致；

步骤三、采用两次传递函数测试法，继续微动转台，使靶标像在CCD上移动一个像元位置，并根据公式一与公式二，通过移动前后的图像统计出最大的调制传递函数和最大的偏差值，根据最大的调制传递函数与最大的偏差值的差，获得最终调制传递函数值；

具体过程为：设定靶标首次黑白条纹像在CCD上的位置为P至P+m-1，对应的在CCD上的灰度值为DN_前p至DN_前p+m-1；移动转台后黑白条纹像在CCD上的位置为P+1至P+m，对应的在CCD上灰度值为DN_后p+1至DN_后p+m；则CCD第P+1和P+2个像元响应的灰度值差异可用公式一表示为：|(DN_后p+1－DN_前p+2)－(DN_前p+1－DN_后p+2)|，对调整传递函数的影响可表示为：

公式一、

所述调制传递函数计算公式，用公式二表示为：

公式二、 $\mathrm{MTF}=\max \left\{\right|\frac{{\mathrm{DN}}_i-{\mathrm{DN}}_{i+1}}{{\mathrm{DN}}_i+{\mathrm{DN}}_{i+1}}\left|\right\}\×\frac{\mathrm{\π}}{4}.$

本发明的有益效果：本发明通过对参考白板图像灰度的限制，降低系统噪声对测试结果的影响；减小了像元响应不均匀性和通道不一致性对调制传递函数测试结果的影响；通过转台微动搜寻最佳调制传递函数，降低了靶标像和CCD匹配的难度；通过对积分球供电电源的稳定度的限定，降低电源波动对调制传递函数测试结果的影响。

附图说明

图1为本发明所述的多通道CCD的调制传递函数测试方法的MTF测试图；

图2为本发明所述的多通道CCD的调制传递函数测试方法中靶标结构示意图；

图3为本发明所述的多通道CCD的调制传递函数测试方法中多通道CCD的结构示意图；

图4为本发明所述的多通道CCD的调制传递函数测试方法采用的两次传递函数测试原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，多通道CCD的调制传递函数测试方法，该方法由以下步骤实现：

一、积分球供电电源纹波不高于10mV，靶标采用一部分为全透光的玻璃结构，一部分为透光与通过镀膜实现全反射光的光栅结构；要求在相机的增益和偏置参数为0时，通过调整积分球，靶标的全透光的白板结构的图像灰度值为80％±1％的相机最大输出灰度值；

二、对于多通道的CCD通道一致性的调整，通过转动转台使靶标白板结构部分的图像分别处于不同通道的位置，以相邻通道的四个像元灰度值最接近为基准，进行各通道偏置和增益参数的调整；

三、在增益和偏置调整完毕后，转动转台到指定的视场即可开始调制传递函数测试。通过转台微动搜寻最佳调制传递函数；根据靶标像在CCD上的位置严格限定调制传递函数有效测试结果的像素范围；采用移动转台，使靶标像在CCD上移动一个像元位置，通过移动前后的图像统计出最大的调制传递函数和最大的偏差值，二者相减获得最终调制传递函数值。

本实施方式中以相邻通道的四个像元灰度值最接近为基准，进行各通道偏置和增益参数的调整；具体为：在步骤一中增益和偏置参数为0的基础上，以灰度值最高那个像元对应的通道为基准，首先逐步提高(以1为单位递增)其余三个通道的增益值，使其余三个通道和基准通道值的灰度值差值减小，当出现差值变大时，则此增益值之前的那个增益(此增益值－1)使灰度值最接近；在增益调整到最接近后(各通道的已经调整好的增益值保持不变)，以此时以灰度值最高那个像元对应的通道为基准，逐步提高(以1为单位递增)其余三个通道的偏置值，使其余三个通道和基准通道值的灰度值差值减小，当出现差值变大时，则此偏置值之前的那个偏置(此偏置值－1)使灰度值最接近)

本实施方式所述的方法中由于正弦靶标制作难道大、费用高，所以本实施方式不直接测量MTF；而是通过方波靶标测量CTF,通过公式计算间接测量MTF。结合图1，采用积分球作为光源，照射靶标并经平行光管和相机的镜头后成像在CCD的焦面上。CCD相机输出的图像送入图像采集及处理系统，经MTF计算软件即可实时测试出当前的MTF值。相机固定在转台上，通过调整转台的姿态即可实现相机姿态的调整，实现靶标像和CCD像元的匹配。

靶标的前部分为全透光的玻璃结构(白板)，其尺寸为a；后部分为透光与通过镀膜实现全反射光的光栅结构，每条挡光和通光带的宽度为b,总长度为mb。其宽度b由以下公式决定：

其中，f_平行光管为平行光管的焦距，f_相机为相机的焦距，d_像元为CCD像元的间隔。

靶标通光与挡光条的数量m的取值范围为10≤m≤400；

现今测试多通道线阵CCD传递函数的方法是在靶标明暗相间的图像内，也就是从第一个暗条纹到最后一个亮条纹一共m个条纹对应的像区间内，以相邻的两像元为单位进行多组调制传递函数的计算，计算出最大的调制传递函数值作为测试结果。

$\mathrm{MTF}=\max \left\{\right|\frac{{\mathrm{DN}}_i-{\mathrm{DN}}_{i+1}}{{\mathrm{DN}}_i+{\mathrm{DN}}_{i+1}}\left|\right\}\×\frac{\mathrm{\π}}{4}---\left(2\right)$

DN为靶标黑白条纹的像的灰度值；0≤i≤m-2

结合图2，对于某些多通道的CCD，CCD的成像区分为n段输出，每段内还分为奇偶两通道输出。在输出的CCD信号中，不仅存在不同通道间输出的不一致性，即使在同一通道，还存在感光像元相互之间的响应不均匀性。故若不对CCD输出的信号进行处理直接进行调制传递函数的计算，则各像元输出的差异会影响实际调制传递函数计算的准确性。

结合图3，本实施方式中采用的两次传递函数测试法，基于转动转台把靶标像在CCD焦面上移动一个像元位置，在调整增益和偏置参数进行粗平衡后，通过两次计算传递函数来消除像元不一致的影响。

设首次靶标黑白条纹像在CCD上的位置为P～P+m-1，对应的灰度值为DN_前p～DN_前p+m-1；移动转台后黑白条纹像在CCD上的位置为P+1～P+m，对应的灰度值为DN_后p+1～DN_后p+m。则CCD第P+1和P+2个像元响应的灰度值差异可表示为|(DN_后p+1－DN_前p+2)－(DN_前p+1－DN_后p+2)|，对调整传递函数的影响可表示为

本实施方式所述的积分球采用中科院安徽光机所制造的产品；靶标为定制产品，一部分为全透光的白板玻璃结构，一部分为透光与通过镀膜实现全反射光的光栅结构；平行光管采用卡塞格林光路结构，焦距应大于待测系统焦距的3倍以上，口径应覆盖待测系统的全部子孔径；相机为基于LMCCD的三线阵立体测绘相机；转台采用精度为0.5"的二维转台；图像采集及处理系统包括采集卡、含调制传递函数计算软件的PC机等。

本实施方式中所述的积分球供电电源纹波不高于10mV，靶标采用一部分为全透光的玻璃结构，一部分为透光与通过镀膜实现全反射光的光栅结构；要求在相机的增益和偏置参数为0时，通过调整积分球，靶标的全透光的白板结构的图像灰度值为80％的相机最大输出DN值；对于多通道的CCD通道一致性的调整，通过转动转台使靶标白板结构部分的图像分别处于不同通道的位置，以相邻通道的四个像元灰度值最接近为基准，进行各通道偏置和增益参数的调整；在增益和偏置调整完毕后，转动转台到指定的视场即可开始调制传递函数测试。通过转台微动搜寻最佳调制传递函数；根据靶标像在CCD上的位置严格限定调制传递函数有效测试结果的像素范围；采用移动转台，使靶标像在CCD上移动一个像元位置，通过移动前后的图像统计出最大的调制传递函数和最大的偏差值，二者相减获得最终调制传递函数值。

Claims (4)

1.多通道CCD的调制传递函数测试方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、将靶标、平行光管和积分球置于气浮平台上，将相机置于转台，调整CCD的增益和偏置参数为0，然后通过调整所述积分球，使靶标全透光的白板结构的图像灰度值为80％±1％时，输出相机最大灰度值；

步骤二、转动转台，使靶标白板结构的图像均匀分布在CCD相邻的两个通道位置，以相邻两通道的相邻四个像元灰度值最接近为基准，进行各通道偏置和增益参数的调整；使各通道响应一致；

步骤三、采用两次传递函数测试法，继续微动转台，使靶标像在CCD上移动一个像元位置，并根据公式一与公式二，通过移动前后的图像统计出最大的调制传递函数和最大的偏差值，根据最大的调制传递函数与最大的偏差值的差，获得最终调制传递函数值；

具体过程为：设定靶标首次黑白条纹像在CCD上的位置为P至P+m-1，对应的在CCD上的灰度值为DN_前p至DN_前p+m-1；移动转台后黑白条纹像在CCD上的位置为P+1至P+m，对应的在CCD上灰度值为DN_后p+1至DN_后p+m；则CCD第P+1和P+2个像元响应的灰度值差异可用公式一表示为：|(DN_后p+1－DN_前p+2)－(DN_前p+1－DN_后p+2)|，对调整传递函数的影响可表示为：

公式一、

所述调制传递函数计算公式，用公式二表示为：

公式二、 $\mathrm{MTF}=\max \left\{\right|\frac{{\mathrm{DN}}_i-{\mathrm{DN}}_{i+1}}{{\mathrm{DN}}_i+{\mathrm{DN}}_{i+1}}\left|\right\}\×\frac{\mathrm{\π}}{4}.$

2.根据权利要求1所述的多通道CCD的调制传递函数测试方法，其特征在于，步骤二中，所述的进行各通道偏置和增益参数的调整；使各通道响应一致；具体为：基于最小插值寻找法，首先进行增益的调整，当相邻通道的灰度值最接近后固定该增益值，然后进行偏置值的调整，使所述相邻通道的灰度值接近；反复调整直到使各通道响应一致。

3.根据权利要求1所述的多通道CCD的调制传递函数测试方法，其特征在于，步骤二中所述的相邻两通道的相邻四个像元指的是相邻两通道各占两个像元。

4.根据权利要求1所述的多通道CCD的调制传递函数测试方法，其特征在于，步骤一中所述的积分球供电电源纹波低于或等于10mV。