CN112312124B

CN112312124B - 一种经过线性修正的emccd倍增增益测量方法

Info

Publication number: CN112312124B
Application number: CN202011128224.2A
Authority: CN
Inventors: 乔丽; 王明富; 金峥
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2040-10-21
Also published as: CN112312124A

Abstract

本发明公开了一种经过线性修正的EMCCD倍增增益测量方法，包括：a)给待测EMCCD相机、积分球上电，使相机工作状态稳定；b)关闭倍增增益，采集不同曝光时间下相机的多组明场、暗场图像；c)获取EMCCD相机在指定曝光时间与增益电压下的明场、暗场均值图像，并计算明、暗场均值图像之差；d)对明场、暗场均值图像之差进行线性修正后，得到施加增益修正后的明场、暗场均值图像之差；e)曝光时间不变，关闭增益，同样的方法得到不施加增益修正后的明场、暗场均值图像之差；f)施加增益经过修正后的明、暗场均值图像之差与不施加增益修正后的明、暗场均值图像之差的比值即为当前增益电压对应的真实增益倍数。该方法能够消除EMCCD光响应非均匀性的影响，更加精确地计算增益。

Description

一种经过线性修正的EMCCD倍增增益测量方法

技术领域

本发明涉及EMCCD成像的技术领域，尤其涉及一种经过线性修正的EMCCD倍增增益测量方法。

背景技术

EMCCD，又称电子倍增CCD。相对于传统的CCD，EMCCD在读出寄存器后增加了倍增寄存器，能够将微弱的电信号进行指数级放大后再传入后端电路处理进行成像。这一过程极大地提高了EMCCD的灵敏度，使其成为微光成像领域内具有极高灵敏度的高端探测器，并广泛应用于天文、生物、医学等领域。EMCCD芯片采用的多抽头输出结构能够提高探测器的最高输出帧频。但这种成像结构也会导致图像通道之间因真实倍增增益的不同而引入非均匀性。EMCCD的非均匀性除去常规CCD普遍存在的线性非均匀性外，还存在很大一部分因各通道之间倍增增益不一致引入的非均匀性。倍增增益引入的非均匀性往往随倍增增益的增大而增大，甚至在极微弱光成像条件下由倍增增益引入的非均匀性会成为EMCCD成像非均匀性的主要成分。要解决EMCCD成像的非均匀性问题，首先需要准确测得其各个通道的真实倍增增益。

区别于常规的EMCCD倍增增益测量方法，本方法首先利用线性拟合的方法确定了EMCCD输出图像中每个像素对应的线性响应非均匀性，然后根据推导的成像模型，将常规CCD中存在的线性非均匀性从倍增增益计算公式中去掉后，再进行真实倍增增益的计算。

发明内容

本发明的目的是通过去除EMCCD成像模型中的线性非均匀性分量，提出一种更加准确的EMCCD真实倍增增益测量方法。

本发明的技术方案如下：一种经过线性修正的EMCCD倍增增益测量方法，具体步骤如下：

步骤(1)、将待测EMCCD相机安装于暗室环境中，给EMCCD相机上电、打开制冷设备，等待约20min后，达到预定制冷温度，即可进行后续工作；打开积分球，设置工作电流使积分球辐出照度稳定的面光源；

步骤(2)、关闭倍增增益功能，使EMCCD工作于普通CCD的状态。关闭暗室，打开积分球的光阑，使相机处于明场环境中，确定其处于线性响应区间的最大曝光时间t_max；相机能够设置的最小曝光时间为t_min；

步骤(3)、将曝光时间区间[t_min,t_max]平均分为m个曝光时间点(m≥10)，在每个曝光时间点获取待测相机的明场、暗场图像各n幅(n≥100)；计算出每个曝光时间点的明场均值图像与暗场均值图像之差imagediff_noGain，共m幅；

步骤(4)、以区间[t_min,t_max]中的m个曝光时间点作X，以image_diff(i,j)作Y，进行一次线性拟合，可得当前像素的光响应线性系数k(i,j)、b(i,j)，其中(i,j)代表当前像素在图像中的位置坐标；EMCCD输出图像中的每个像素点都能够计算出一对k(i,j)与b(i,j)，对所有像素点求均值后可得EMCCD输出的全幅图像的光响应线性系数k_ave、b_ave；

步骤(5)、打开EMCCD的倍增增益功能，设置曝光时间为t_exp、增益电压为volt_gain，使相机在明场环境中处于线性响应区间内；获取当前条件下的明场、暗场图像各n幅(n≥100)，计算明场均值图像与暗场均值图像之差imageDiff_gain(i,j)；

步骤(6)、关闭EMCCD的倍增增益功能，保持当前曝光时间t_exp不变，获取当前条件下的明场、暗场图像各n幅(n≥100)，计算明场均值图像与暗场均值图像之差imageDiff_noGain(i,j)；

步骤(7)、将均值明暗差图像imageDiff_gain(i,j)与imageDiff_noGain(i,j)按照如下公式修正后，得到修正后的均值明暗差图像imageDiff_gainModify(i,j)与imageDiff_noGainModify(i,j)；

步骤(8)、经过上述线性修正后的均值明暗差图像理论上可以认为已经消除了EMCCD中像素间光响应非均匀性对倍增增益计算分量的影响。待测EMCCD在增益电压为volt_gain时的真实倍增增益gain(i,j)为：

本发明的有益效果：

本发明通过消除倍增增益计算模型中各像素间光响应非均匀性带来的影响，更加精确地计算待测EMCCD的真实倍增增益值。该方法为EMCCD真实倍增增益的精确测量提供了一种新的思路，能够使EMCCD相机的倍增性能评定更加准确。同时，EMCCD倍增增益的准确测量也为更深层次的非均匀性校正提供了理论基础。

附图说明

图1为本发明的线性修正EMCCD倍增增益测量流程图；

图2为原始方法测得增益G的标准差与本发明所述方法测得增益G的标准差的比较图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细阐述。

本发明涉及EMCCD成像领域，尤其涉及一种线性修正的EMCCD倍增增益测量方法领域。

本发明可大致分为三个步骤，分别为：1)线性修正参数的确定；2)原始信号与倍增信号的线性修正；3)真实倍增增益的确定；

步骤一、线性修正参数的确定。

1.1将待测EMCCD相机安装于相机测试专用暗室中的支架上，屏蔽外界光源，关闭测试系统光源。给EMCCD相机上电，开启芯片制冷，关闭相机增益功能，设置相机到可设置的最小曝光时间，并使相机处于环境温湿度稳定的室温环境中，直至EMCCD相机内部制冷温度达到目标制冷温度。

1.2打开积分球，设定积分球输入电流为0.9A，等待20min，直至积分球内置的照度计测得照度值变化范围在0.2Lux以内。

1.3关闭倍增增益功能，使EMCCD工作于普通CCD模式。关闭暗室，使EMCCD处于仅有积分球作为发光源的环境中。通过上位机控制软件，打开积分球的遮光光阑，使EMCCD处于明场环境中。在上位机软件中，通过调节EMCCD的曝光时间，确定使EMCCD相机输出图像中不出现饱和像素点的最大曝光时间t_max；相机能够设置的最小曝光时间为t_min；

1.4将曝光时间区间[t_min,t_max]平均分为m(m≥10)个曝光时间点，作X；

1.5关闭积分球的遮光光阑，使EMCCD处于暗场环境中，根据上一步骤确定的m个曝光时间点设置相机的曝光时间，相机在每个曝光时间点处均获取暗场图像n(n≥100)幅，并计算在每个曝光时间点处的暗场均值图像；

1.6打开积分球的遮光光阑，使EMCCD处于明场环境中，设置与上一步骤相同的曝光时间点，相机在每个曝光时间点处均获取明场图像n(n≥100)幅，并计算在每个曝光时间点处的明场均值图像；

1.7将相同曝光时间点处的明场均值图像与暗场均值图像作差，即得不同曝光时间点处的EMCCD有效光响应信号量，作Y。其中(i,j)代表图像中第i行、第j列的像素坐标；

1.8以单个像素p(i,j)为对象，将数组X与Y进行一次线性拟合，可得当前像素对应的光响应系数k(i,j)、b(i,j)；对全幅图像所有像素的光响应系数求均值后，得k_ave、b_ave。

步骤二、原始信号与倍增后信号的线性修正。

2.1设置曝光时间为t_exp，关闭EMCCD相机的倍增增益。将相机分别置于明场、暗场环境中，各采集n(n≥100)幅图像，并求得明场均值图像与暗场均值图像；明场、暗场均值图像之差即原始信号量图像image0(i,j)；

2.2利用步骤一确定的线性修正系数对原始信号量图像image0(i,j)进行线性修正，具体修正公式如下：

2.3曝光时间保持不变，打开EMCCD相机的倍增增益，增益电压设置为volt_gain。按照步骤2.1同样的方法获取明场均值图像与暗场均值图像；将明场与暗场均值图像作差即得信号量经过倍增增益放大后的图像image1(i,j)；

2.4对信号量经过倍增增益放大后的图像进行线性修正，具体修正公式如下：

步骤三、真实倍增增益的确定。

3.1真实倍增增益的计算公式如下：

3.2本方法的有益效果是，通过消除倍增增益计算模型中由像素间光响应非均匀性带来的影响，能够更加精确地计算出待测EMCCD的真实倍增增益值。该方法为EMCCD真实倍增增益的准确测量提供了一种新的思路，同时也为EMCCD的非均匀性校正提供了理论基础。传统方法与本方法的测试结果对比如下表1所示。

表1传统方法与本方法测增益测量结果对照表

如图2所示曲线图中，虚线代表原始方法测量增益gain的标准差；实线代表本发明所述方法测量增益gain的标准差。增益gain的标准差测量值越小，说明信号的波动性越小，测量结果也越接近真实值。

上述线性修正的EMCCD倍增增益测量步骤仅为本发明的操作实例，并未对本发明的具体内容进行限制。所有未脱离本方案技术实质而做的任何改动，均属本方案的保护范围内。

Claims

1.一种经过线性修正的EMCCD倍增增益测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、将待测EMCCD相机安装于暗室环境中，给待测EMCCD上电，启动芯片制冷，打开积分球，设定工作电流，使相机与积分球达到稳定工作状态；所述的稳定工作状态指相机达到预设制冷温度，积分球输出照度与工作环境温度保持稳定；

步骤(2)、关闭EMCCD的倍增增益功能，屏蔽外界光线，在积分球光阑完全打开的明场环境中，确定使相机处于线性响应区间的最大曝光时间t_max；相机能够设置的最小曝光时间为t_min；

步骤(3)、将曝光区间[t_min,t_max]平均分m个曝光时间点，获取相机在每个曝光时间点的明场、暗场图像各n幅；

步骤(4)、计算每个曝光时间点的明场均值图像与暗场均值图像之差；

步骤(5)、以m个曝光时间点作为自变量X，以每个曝光时间点对应的明场均值图像与暗场均值图像之差作为Y，将X与Y进行线性拟合，可得图像中每个像素点的光响应线性系数k(i,j)、b(i,j)与全幅图像的平均光响应线性系数k_ave、b_ave；

步骤(6)、打开EMCCD的倍增增益功能，设置曝光时间为t_exp、增益电压为volt_gain，使相机在明场环境中处于线性响应区间内；获取当前条件下的明场、暗场图像各n幅，计算明场均值图像与暗场均值图像之差imageDiff_gain(i,j)；

步骤(7)、关闭EMCCD的倍增增益功能，保持当前曝光时间t_exp不变，获取相机明场、暗场图像各n幅，计算明场均值图像与暗场均值图像之差imageDiff_noGain(i,j)；

所述步骤(3)、步骤(5)、步骤(7)中的曝光时间点数与明、暗场图像数需满足：m≥10、n≥100；

步骤(8)、将均值明暗差图像imageDiff_gain(i,j)与imageDiff_noGain(i,j)按照如下公式修正后，得到修正后的均值明暗差图像imageDiff_gainModify(i,j)与imageDiff_noGainModify(i,j)；

步骤(9)、待测EMCCD在增益电压为volt_gain时的真实倍增增益gain(i,j)为imageDiff_gainModify(i,j)与imageDiff_noGainModify(i,j)之比：

所述步骤(5)～步骤(8)中的(i,j)代表图像中单个像素的坐标；

所述步骤(2)与步骤(6)中的相机处于线性响应区间代表当前相机的输出图像中所有像素点均未达到饱和并与曝光时间保持线性响应关系。