CN112954238A - 一种基于ccd图像噪声的电荷转移效率测试方法 - Google Patents

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刘伟鑫
孔泽斌
楼建设
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Abstract

本发明实施例提供了一种基于CCD图像噪声的电荷转移效率测试方法，其特征在于，在均匀光照条件下，根据平场图像中不同行或不同列的噪声值的变化情况来计算图像传感器不同方向的电荷转移效率值。

Description

一种基于CCD图像噪声的电荷转移效率测试方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及光电成像器件成像质量检测技术领域，特别是涉及一种基于CCD图像噪声的电荷转移效率测试方法。
背景技术
CCD(电荷耦合器件，charge coupled device)可以分为线阵CCD、面阵CCD和TDI-CCD等。对于所有的CCD器件来说，在将光信号转变为图像时一个很重要的过程是：信号电荷包的传输。在信号电荷包的传输过程中，电荷转移效率(即信号电荷包转移的百分比)的大小将直接影响最终检测到的信号的强度，电荷转移效率降低会导致探测到的信号衰减，CCD成像性能下降。由于随着分辨率的提高，CCD集成的像元数目越来越多，电荷转移的次数呈几何级数增加，因此电荷转移效率的影响更加重要。
电荷转移效率是CCD信号电荷包从一个电极转移到下一个电极，转移后电极下电荷量与转移前电极下电荷量的比值。根据CCD结构和工艺的不同，有多种可选择测试电荷转移效率的方法扩，例如扩展像素边界响应方法、同位素X射线方法。
扩展像素边界响应方法测量电荷转移效率。首先对CCD进行均匀场曝光后，然后以过扫描方式，即在读完实际的像元后再多读几行或几列，读出过程中不能曝光。扩展行或列中读出的光电子，可认为是器件实际最后一行或列中的电荷包在转移读出过程中残留在器件中的电荷。该方法的仅能用于有可扫描操作的器件或评估板，无法针对普通相机或常规评估板的电荷转移效率进行评价。
同位素X射线方法测量电荷转移效率。首先采用同位素55Fe产生5.9keV的X射线在CCD的一个像元中产生1620个电子。当一个光子产生的电荷包只在一个像元收集时，称为单像元事件。由于电荷转移损失，随转移次数的增加单像元事件损失的电子数增加，谱线倾斜，测量谱线的倾斜得到转移造成的电荷损失，从而计算电荷转移效率。该方法需要用户单位拥有辐射源，无法满足大部分用户需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于CCD图像噪声的电荷转移效率测试方法，其特征在于，在均匀光照条件下，根据平场图像中不同行或不同列的噪声值的变化情况来计算图像传感器不同方向的电荷转移效率值。
优选地，所述不同方向包括垂直方向与水平方向。
优选地，传感器的电荷转移效率值的获取步骤：
步骤1：两幅明场图像分别减去两幅暗场图像，得到两幅“去本底”图像；
步骤2：将两幅明场图像相除并乘以其中一幅图像的均值，生成新的图像；
步骤3：求新的图像不同列或行的标准差；
步骤4：将标准差与行或列序号进行拟合，求得拟合曲线的斜率与截距；
步骤5：基于得到的斜率与截距，计算得到图像传感器的电荷转移效率值。
优选地，所述步骤4的拟合具体方法为：将标准差与列或行序号进行拟合，拟合方程为：
Figure BDA0002311549810000021
u为y轴截距，单位：ADU2；v为斜率，求得拟合曲线的斜率与截距；i为第i列或行。
优选地，所述步骤5的具体方法为：
常量u为在CTI影响之前的信号的变化；
Figure BDA0002311549810000022
为电荷转移损失率；
故电荷转移效率为
Figure BDA0002311549810000023
按照公式
Figure BDA0002311549810000024
计算得到图像传感器水平或垂直方向的电荷转移效率值。
本发明与现有技术相比有益效果为：
本测试方法基于图像进行测试，所需测试设备简洁，可快速计算电荷转移效率值，由于利用了电荷转移效率与噪声之间的关系，可以针对所有的CCD评估板进行测试，并且相较于基于芯片输出信号测试电荷转移效率的方法，本方法在一定程度上也可反应电子电路对芯片电荷转移效率产生的综合性影响，有利于反应整个评估板电路的真实性能。
附图说明
图1为本发明实施例的CCD电荷转移效率测试流程图；
图2为本发明实施例的测试电荷转移效率过程中计算的列标准差；
图3为本发明实施例的测试电荷转移效率过程中计算的行标准差。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种基于CCD图像噪声的电荷转移效率测试方法。在均匀光照条件下，根据平场图像中不同行或不同列的噪声值的变化情况来计算图像传感器不同方向的电荷转移效率值。其基本原理是对于平场图像来说，电荷转移效率会导致图像不同行(或不同列)的噪声发生变化，引起图像平滑效应，根据平场图像中不同行(或不同列)的噪声值的变化情况即可以得到图像传感器不同方向的电荷转移效率值。
在传输过程中，平坦场中的信号保持不变，但一旦读取CCD，从一行(列)到另一行(列)的差异就会减小。公式(1)给出了不完全转移对方差的影响：
Figure BDA0002311549810000031
式中
Figure BDA0002311549810000032
为第i行信号的方差，单位为e-；Ne为电子数；a为电荷转移效率(CTE)；b为电荷转移损失率(CTI)，b＝1-a；
用O(b2)表示残差部分，O(b2)<<a2iNe，带入公式(1)中，则：
Figure BDA0002311549810000041
由于b＝1-a，且b<<1，所以有(1-b)2i＝1-2ib+O(b2)，则可转化为：
Figure BDA0002311549810000042
公式(3)可以用AD单位(Analog Digital Unit--ADU)替代电子数来表示。用ADU和电子两种单位表示的信号和方差的之间的关系如下：
Ne＝gNa
σe＝gσa (4)
g:增益，电子/ADU(ADU同DN值)
Na:ADU值
σa:ADU的RMS值
则公式(3)就变换为：
Figure BDA0002311549810000043
σa0：电子开始转移之前的ADU的RMS噪声。
公式(5)显示了行(列)信号的方差与行号i之间的线性关系。为了解此方程，我们将对
Figure BDA0002311549810000044
进行数据拟合。
下面以具体实施例进行本方法的说明。
如图1所示为本发明CCD电荷转移效率测试流程图。
首先调试CCD测试电路使其正常工作并处于正常采图状态。在规定积分条件下采集2张暗场图像；在规定积分条件下采集2张明场图像。
步骤101：两幅明场图像分别减去两幅暗场图像，得到两幅“去本底”图像。
步骤102：将两幅明场图像相除并乘以其中一幅图像的均值，生成新的图像。
步骤103：求此图像不同列的标准差，如图2和图3所示，为测试电荷转移效率过程中计算的列标准差以及行标准差。
步骤104：将标准差与列序号进行拟合，求得拟合曲线的斜率与截距。
根据本发明的一个实施例，所述步骤104的拟合具体方法为：将标准差与列序号进行拟合，拟合方程为：
Figure BDA0002311549810000051
u为y轴截距，单位：ADU2；v为斜率，求得拟合曲线的斜率与截距。
步骤105：基于得到的斜率与截距，按照公式
Figure BDA0002311549810000052
计算得到图像传感器水平方向的电荷转移效率值。采用同样的方法，来计算垂直方向电荷转移效率值。
根据本发明的一个实施例，所述步骤105的具体方法为：
常量u为在CTI影响之前的信号的变化；
Figure BDA0002311549810000053
为电荷转移损失率；
故电荷转移效率为
Figure BDA0002311549810000054
按照公式
Figure BDA0002311549810000055
计算得到图像传感器水平方向的电荷转移效率值。
表1 CCD的电荷转移效率
项目 结果 单位
水平转移效率 0.999998035 ％
垂直转移效率 0.999999076 ％
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于CCD图像噪声的电荷转移效率测试方法，其特征在于，在均匀光照条件下，根据平场图像中不同行或不同列的噪声值的变化情况来计算图像传感器不同方向的电荷转移效率值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不同方向包括垂直方向与水平方向。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，传感器的电荷转移效率值的获取步骤：
步骤1：两幅明场图像分别减去两幅暗场图像，得到两幅“去本底”图像；
步骤2：将两幅明场图像相除并乘以其中一幅图像的均值，生成新的图像；
步骤3：求新的图像不同行或列的标准差；
步骤4：将标准差与列或行序号进行拟合，求得拟合曲线的斜率与截距；
步骤5：基于得到的斜率与截距，计算得到图像传感器的电荷转移效率值。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤4的拟合具体方法为：将标准差与列或行序号进行拟合，拟合方程为：
Figure FDA0002311549800000011
u为y轴截距，单位：ADU2；v为斜率，求得拟合曲线的斜率与截距，i为第i列或行。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤5的具体方法为：
常量u为在CTI影响之前的信号的变化；
Figure FDA0002311549800000012
为电荷转移损失率；
故电荷转移效率为
Figure FDA0002311549800000013
按照公式
Figure FDA0002311549800000014
计算得到图像传感器水平或垂直方向的电荷转移效率值。
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