CN107995487A - 基于光线匀化准直器的emccd盲元测试系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试系统及方法，首先通过溴钨灯、光纤、光楔控制器、光线匀化准直器搭建一个输出光线相互平行且强度一样的光源；通过工控机、五维位移台、图像采集卡搭建同步控制采集系统；当EMCCD加镜头时，调节位移台使光线匀化准直器输出的光线经过镜头聚焦后所成的像在EMCCD的中心；用各个方向光强相同的均匀光照射到EMCCD感光面上，采集一幅图像分别判定第一类亮盲元和第二类亮盲元；用各方向光强相同的均匀光照射到EMCCD感光面上，判定暗盲元，第一类盲元、第二类盲元和暗盲元之和为EMCCD的盲元总数量。本发明实现了图像的实时采集处理，解决了EMCCD器件输出图像的实时采集和处理。
Description
技术领域
本发明属于成像探测器测试技术领域，特别是一种基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试系统及其方法。
背景技术
EMCCD(电子倍增电荷耦合器件)是一种具有“片上增益”的新型光电图像传感器。传统的光电图像传感器将照射到感光面上的光子转换为光电子然后通过后续电路读出，EMCCD能够将光子转化成的光电子进行倍增放大，EMCCD与普通成像器件相比具有灵敏度高，全天候工作的特点。EMCCD已遍布生物科技、国防军事、安防监控及其它成像领域。EMCCD的盲元指的是EMCCD感光面上对照射在上面的光子响应与其他的像元响应差距很大的像元。EMCCD的盲元会影响成像的质量，所以如何测量EMCCD的盲元对EMCCD的评价非常关键。
目前EMCCD的测试一般是基于积分球光源的(GJB电荷耦合成像器件测试方法)，测试方法是将EMCCD器件和积分球光源放置在暗室中，将EMCCD放置在积分球出口的光轴上，采集EMCCD的输出图像并对图像进行处理得到EMCCD的性能参数测试结果，目前没有针对EMCCD盲元测试的系统，传统的CCD(电荷耦合器件)器件测试方法也能够测EMCCD的盲元，但是系统结构复杂，成本高。
在实际的测试过程中，为了保证积分球输出光强的均匀性，积分球球体体积大，由于积分球球体大，光线在积分球内壁的反射次数和反射距离会增加，光线在每次反射和传播的过程中都会有能量损失。EMCCD器件在进行盲元测试时要求积分球输出光强较大且可调，这就要求更高功率的积分球输入光源。EMCCD器件测试要求积分球光源的输出光强可调，积分球光源系统采用可变光阑来调节输出光强。当积分球输入光源功率大时积分球输入光源周围的温度高，可变光阑会在温度高时产生形变；当可变光阑产生形变的时候，可变光阑无法完全闭合，积分球光源的输出光强就不能实现可调。测试亮盲元时也需要积分球的输出光强为零，当光阑无法完全闭合时，积分球的输出光强不能为零，这时测出的亮盲元的数目是不可信的。所以在测试盲元的时候选择功率更小的均匀光源更为关键。
目前，国内外并没有厂家推出EMCCD的盲元测试系统，国内也没有出现专门研究EMCCD盲元测试的企业，只有少数高等院校和研究所在进行EMCCD相关参数的测试，如南京理工大学(刘婧婧：EMCCD光电性能参数测试方法研究)、昆明理工大学(晏佳EMCCD相机数模电路与系统的优化和测试)，这些测试方法是关于EMCCD光电性能参数和电路性能参数，并没有涉及EMCCD盲元的测试，刘婧婧提出的测试系统能够完成EMCCD光电参数测试但是不能保证EMCCD正对积分球出口，这会影响盲元的测试结果，而且没有对盲元的测试方法做研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试系统及其方法，能够对EMCCD器件的盲元数量和盲元在感光面上的位置进行精确测量。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试系统及方法，步骤如下：
第一步，通过溴钨灯、光纤、光楔控制器、光线匀化准直器搭建一个输出光线相互平行且强度一样的光源；
第二步，通过工控机、五维位移台、图像采集卡搭建同步控制采集系统；
第三步，当EMCCD加镜头时，调节位移台使光线匀化准直器输出的光线经过镜头聚焦后所成的像在EMCCD的中心；
第四步，判定亮盲元时，用各个方向光强相同的均匀光照射到EMCCD感光面上，当EMCCD输出的像素均值接近像素饱和输出的一半时，采集一幅图像，将像素值与整幅图像的像素均值的差大于三倍的整幅图像像素均方差的像素记为第一类亮盲元；将光纤匀化准直器的输出光强设置为零，将像素值与整幅图像的像素均值的差大于三倍的图像像素均方差的像素记为第二类亮盲元；
第五步，判定暗盲元时，用各方向光强相同的均匀光照射到EMCCD感光面上，将像素值与整幅图像的像素均值的差小于负三倍的图像像素均方差的像素记为暗盲元，第一类盲元、第二类盲元和暗盲元之和为EMCCD的盲元总数量。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)通过五维位置调节系统减小了由EMCCD器件定位引起的误差，减小了测量误差。(2)通过工控机实现了图像的实时采集处理，解决了EMCCD器件输出图像的实时采集和处理。(3)选取光线匀化准直器作为均匀光源，降低了系统的成本。(4)整个系统通过EMCCD的输出图像和盲元的判定依据完成盲元数量的计算，通过计算精确给出每个盲元在感光面上的位置。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试系统的组成图。
图2是图1的测试系统搭建原理框图。
图3是位置调整前EMCCD拍摄的光斑位置图。
图4是位置调整完成后EMCCD拍摄到的光线匀化准直器光斑的示意图。
图5是位置调整完成后EMCCD拍摄到的光线匀化准直器光斑的图片。
图6是EMCCD拍摄的半饱和测试图片。
图7是EMCCD拍摄的暗场测试图片。
图8是测试结果图。
图9是本发明方法的工作的流程图。
图10是光线匀化准直器的结构示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试系统，包括可控光源、同步控制采集系统、五维位移台，所述可控光源由溴钨灯、输入准直镜头、输出准直镜头、光楔控制器和光线匀化准直器组成；同步控制采集系统由NI工控机、图像采集卡、步进电机控制器组成；用光纤将溴钨灯与输入准直镜头连接起来，然后将输入准直镜头插入光楔控制器的输入端，将输出准直镜头插入光楔控制器输出端，输入准直镜头、输出准直镜头带有SMA光纤接头。输入准直镜头、输出准直镜头共光轴，输出准直镜头通过光纤连接光线匀化准直器的输入端；NI工控机通过串口线分别与光楔控制器和步进电机控制器连接，图像采集卡直接插入NI工控机的卡槽，步进电机控制器通过线缆控制五维位移台的移动，五维位移台上放置待测EMCCD，EMCCD始终正对光线匀化准直器的输出端。
结合图1、图9和图10，本发明基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试方法，步骤如下：
第一步，光源搭建：用光纤将溴钨灯和输入准直镜头连接起来，然后将输入准直镜头插入光楔控制器的输入端，将输出准直镜头插入光楔控制器输出端，输入准直镜头、输出准直镜头共光轴，通过光纤连接输出准直镜头和光线匀化准直器的输入端。光线匀化准直器能够将输入的光线进行匀化和准直，这样一个输出光线相互平行且各方向上光强相同的光源搭建完成。这是一种新的匀化光源，而不是传统的积分球式的匀化光源。
所述光楔控制器包括中性衰减片、衰减倍数控制器，输入准直镜头、输出准直镜头中间隔着中性衰减片，中性衰减片不同位置的衰减倍数不同，衰减倍数随位置连续变化，衰减倍数控制器通过改变中性衰减片与准直镜头的位置关系来控制光线匀化准直器的输入光强，从而影响光线匀化准直器的输出光强。结合图10，所述光线匀化准直器包括组合聚光镜、光学积分器(场镜、投影镜和辅镜)、准直物镜组成，将光纤输入面置于组合聚光镜的第一焦点处，组合聚光镜形成一个呈高斯形式的照度分布，光学积分器将这个照度分布光匀化，再经准直物镜以平行光出射，形成一个均匀光的光斑。
第二步，同步控制采集系统的搭建：将五维位移台和步进电机控制器用线缆连接，通过串口线将NI工控机和步进电机控制器连接，将图像采集卡插入工控机的卡槽，通过串口线连接光楔控制器和工控机，完成同步控制采集系统的搭建。
第三步，光源与EMCCD对准：给EMCCD加装镜头，使得EMCCD能够对光线匀化准直器的输出光斑成像，调节五维位移台使光线匀化准直器输出的光线经过加装的镜头聚焦后形成的像在EMCCD感光面的中心，即给EMCCD加镜头时，通过工控机采集EMCCD的输出图像，工控机会实时采集图片，对图像的方形光斑所在的行(R1、R2)和列(C1、C2)进行判定，如果满足下式，则停止调节光强，如果不满足继续调节五维位移台。
R1+R2＝m
C1+C2＝n
当微调五维位移台后，调节前后EMCCD的图像方差σd1、σd2应满足：
式中，m、n分别是EMCCD感光面的行和列的像素总数；
A(i，j)是EMCCD感光面上任意像素的输出值；
σd是指任意一幅采集图像均方差，σd1、σd2分别是调节前后EMCCD的采集图像均方差；
是EMCCD输出图像的像素均值；
这样才能保证EMCCD的感光面正对着光线匀化准直器的中心，确保EMCCD感光面上每个像素上的光强一样。
第四步，测量亮盲元：判定亮盲元时，用各个方向光强相同的均匀光照射到EMCCD感光面上，在工控机上调节光楔控制器，当EMCCD输出的像素均值接近像素饱和输出(当像素的输出值不会由于光强的增强而变大时的像素输出值)的一半时，采集一幅图像，将像素输出值与整幅图像的像素均值的差大于三倍的图像像素均方差的像素记为第一类亮盲元；三倍的图像像素值均方差是一个阈值，像素输出值与整幅图像的像素均值的差大于三倍的图像像素均方差的像素会影响EMCCD输出图像的效果。调节光楔控制器使光线匀化准直器的输出光强为零，将像素输出值与整幅图像的像素均值的差大于三倍的图像像素均方差的像素记为第二类亮盲元；判定条件如下
第五步，测量暗盲元：判定暗盲元时，用各方向光强相同的均匀光照射到EMCCD感光面上，在工控机上调节光楔控制器，当EMCCD输出的像素均值接近像素饱和输出的一半时，采集一幅图像，将像素值与整幅图像的像素均值的差小于负三倍的图像像素均方差的像素记为暗盲元，判定条件如下：
EMCCD的盲元总数量是第一类盲元、第二类盲元和暗盲元之和。
实施例
结合图2，本发明基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试方法，步骤如下:
第一步，按照图2所示的系统原理图搭建测试系统，将待测EMCCD固定到五维位移台上，将EMCCD的图像输出端通过线缆连接到工控机上，通过显示控制系统进行采集设置，通过光楔控制器调节光强，实时观测EMCCD输出图像的像素均值，直到像素输出值达到测试条件。
第二步，工控机会根据光斑在EMCCD上的位置，如图3，通过五维空间调节系统调整EMCCD和光线匀化准直器的空间位置关系，在显示控制系统上实时观测光线匀化准直器在EMCCD输出图像上的光斑位置，当光斑接近图4的位置时，通过采集系统采集图像并分析图像数据判断是否停止调整，当五维空间调节系统停止后，采集到的图像如图5。
第三步，按照第二步得到的EMCCD和光线匀化准直器的空间位置关系，调节光楔控制器，直至EMCCD输出的像素均值接近一半的饱和输出，通过采集系统采集一张图片，如图6；将图片代入下式计算和判断，可得半饱和图像的均方差是5，半饱和图像均值是160，第一类亮盲元数是34。
第四步，调节光楔控制器，直至光线准直器输出光强为零，通过采集系统采集一张图片，如图7；将图片代入第三步计算和判断，得到暗图像均方差是1.2，暗场图像输出均值是1.3，第二类亮盲元数量是2。
第五步，将第四步采集到的半饱和输出的图像做判断；暗盲元的数量为30。
第六步，将第一类亮盲元的数量、第二类亮盲元的数量与暗盲元的数量求和就是EMCCD的盲元数量为66。盲元位置信息可以用来做盲元校正。图8是测试结果。
Claims (9)
1.一种基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试系统，其特征在于包括可控光源、同步控制采集系统、五维位移台，所述可控光源由溴钨灯、输入准直镜头、输出准直镜头、光楔控制器和光线匀化准直器组成；同步控制采集系统由NI工控机、图像采集卡、步进电机控制器组成；
溴钨灯通过光纤与输入准直镜头连接，该输入准直镜头插入光楔控制器的输入端，输出准直镜头插入光楔控制器输出端，输入准直镜头、输出准直镜头共光轴，输出准直镜头通过光纤连接光线匀化准直器的输入端；NI工控机通过串口线分别与光楔控制器和步进电机控制器连接，图像采集卡直接插入NI工控机的卡槽，步进电机控制器通过线缆控制五维位移台的移动，五维位移台上放置待测EMCCD，EMCCD始终正对光线匀化准直器的输出端。
2.根据权利要求1所述的基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试系统，其特征在于所述光楔控制器包括中性衰减片、衰减倍数控制器，输入准直镜头、输出准直镜头中间隔着中性衰减片，衰减倍数控制器通过改变中性衰减片与准直镜头的位置关系来控制光线匀化准直器的输入光强。
3.根据权利要求1所述的基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试系统，其特征在于所述光线匀化准直器包括组合聚光镜、光学积分器、准直物镜组成，将光纤输入面置于组合聚光镜的第一焦点处，组合聚光镜形成一个呈高斯形式的照度分布，光学积分器将这个照度分布光匀化，再经准直物镜以平行光出射，形成一个均匀光的光斑。
4.一种利用权利要求1、2、3任一项所述基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试系统的方法，其特征在于步骤如下：
第一步，通过溴钨灯、光纤、光楔控制器、光线匀化准直器搭建一个输出光线相互平行且强度一样的光源；
第二步，通过工控机、五维位移台、图像采集卡搭建同步控制采集系统；
第三步，当EMCCD加镜头时，调节位移台使光线匀化准直器输出的光线经过镜头聚焦后所成的像在EMCCD的中心；
第四步，判定亮盲元时，用各个方向光强相同的均匀光照射到EMCCD感光面上，当EMCCD输出的像素均值接近像素饱和输出的一半时，采集一幅图像，将像素值与整幅图像的像素均值的差大于三倍的整幅图像像素均方差的像素记为第一类亮盲元；将光纤匀化准直器的输出光强设置为零，将像素值与整幅图像的像素均值的差大于三倍的图像像素均方差的像素记为第二类亮盲元；
第五步，判定暗盲元时，用各方向光强相同的均匀光照射到EMCCD感光面上，将像素值与整幅图像的像素均值的差小于负三倍的图像像素均方差的像素记为暗盲元，第一类盲元、第二类盲元和暗盲元之和为EMCCD的盲元总数量。
5.根据权利要求4所述的基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试方法，其特征在于第一步中，光源搭建：用光纤将溴钨灯和输入准直镜头连接起来，然后将输入准直镜头插入光楔控制器的输入端，将输出准直镜头插入光楔控制器输出端，输入准直镜头、输出准直镜头共光轴，通过光纤连接输出准直镜头和光线匀化准直器的输入端，光线匀化准直器将输入的光线进行匀化和准直，这样将一个输出光线相互平行且各方向上光强相同的光源搭建完成。
6.根据权利要求4所述的基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试方法，其特征在于第二步中，同步控制采集系统的搭建：将五维位移台和步进电机控制器用线缆连接，通过串口线将NI工控机和步进电机控制器连接，将图像采集卡插入工控机的卡槽，通过串口线连接光楔控制器和工控机，完成同步控制采集系统的搭建。
7.根据权利要求4所述的基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试方法，其特征在于第三步中，光源与EMCCD对准：当EMCCD加镜头时，调节五维位移台使光线匀化准直器输出的光线经过镜头聚焦后形成的像在EMCCD感光面的中心，即给EMCCD加镜头时，通过工控机采集EMCCD的输出图像，工控机会实时采集图片，对图像的方形光斑所在的行(R1、R2)和列(C1、C2)进行判定，如果满足下式，则停止调节光强，如果不满足继续调节五维位移台，即R1+R2＝m
C1+C2＝n
当微调五维位移台后，调节前后EMCCD的图像方差σd1、σd2应满足：
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式中，m、n分别是EMCCD感光面的行和列的像素总数；
A(i，j)是EMCCD感光面上任意像素的输出值；
σd1、σd2分别是调节前后EMCCD的采集图像均方差；
是EMCCD输出图像的像素均值。
8.根据权利要求4所述的基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试方法，其特征在于第四步中，测量亮盲元：判定亮盲元时，用各个方向光强相同的均匀光照射到EMCCD感光面上，在工控机上调节光楔控制器，当EMCCD输出的像素均值接近像素饱和输出的一半时，采集一幅图像，将像素输出值与整幅图像的像素均值的差大于三倍的图像像素均方差的像素记为第一类亮盲元；调节光楔控制器使光线匀化准直器的输出光强为零，将像素输出值与整幅图像的像素均值的差大于三倍的图像像素均方差的像素记为第二类亮盲元，判定条件如下:
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9.根据权利要求4所述的基于光线匀化准直器的EMCCD盲元测试方法，其特征在于第五步中，测量暗盲元：判定暗盲元时，用各方向光强相同的均匀光照射到EMCCD感光面上，在工控机上调节光楔控制器，当EMCCD输出的像素均值接近像素饱和输出的一半时，采集一幅图像，将像素值与整幅图像的像素均值的差小于负三倍的图像像素均方差的像素记为暗盲元，判定条件如下：
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2017
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