CCD相机内部参数标定论文

1、ccd 相机内部参数标定摘要摘要为了在精确测量中尽量消除误差，标定 ccd相机在实际测量环境中的内部参数有着重要的意义。本文讨论了图像采集系统的主要时域特性参数, 包括平均暗输出、暗输出不均匀性、暗噪声、动态范围、光电响应不均匀性、光电响应线性度、信噪比等。根据它们产生的原因和实际的应用环境，在避免抽象的量子理论的情况下，得到了一套简单标定各个内部参数的方法。同时给出了各个参数的曲线图。用工作时间与输出灰度值关系标定平均暗输出；用各幅图像的最大输出灰度值与输入光强之间的关系来标定系统输入与输出的非线性；用白纸和毛玻璃组成的光路衰减自然光得到均匀的光，并用来标定输入均匀光强的情况下输出灰度值不均

2、匀的特性；用信号与噪声的比值来标定ccd相机的信噪比。在处理采集的图像中，充分利用matlab的强大的图像处理功能，避免了直接测量ccd相机输出电压值。关键词：关键词：ccd；暗输出；非线性；不均匀性；信噪比；动态范围 calibrationcalibration ofof ccdccd cameracamera internalinternal parameterparameterabstractabstractin order to eliminate the error in the accurate measurement, calibrating the internal param

3、eter of ccd in the real environment is significant. in this chapter, the main characteristic parameters in temporal domain of the image acquisition and processing system are discussed. those parameters include average dark output, dark output non-uniformity, dark output noise, non-linearity and non-

4、uniformity of photo-electron response, signal to noise ratio, etc. according to the reason why they produce and real working environment, and in case of avoiding quantum theory, we get a simple method of calibrating the internal parameter of ccd. in the same time, i provided the curve graph of each

5、parameter. using the relationship of working time and output the grey level value to calibrated the average dark output; using the relationship of the input light intensity and the maximal output grey level value to calibrated the non-linearity of photo-electronic response; using the blank sheet of

6、paper and frosted glass to decay the nature light intensity and to get a uniformity light intensity, which are used to calibrating the non-uniformity of photo-electron; using the ratio of signal and noise to calibrated the snr of the ccd camera. in dealing with the picture, we fully utilize the matl

7、ab to processing the image, in order to avoid directly measuring output voltage of the ccd camera.keywordskeywords：average dark output; dark output non-uniformity; dark output noise; non-linearity; non-uniformity; signal to noise ratio目录目录摘要摘要 .iabstractabstract.ii1 1 绪论绪论.11 .1 ccd.11 .1 .1 ccd 的应用

8、.11 .1 .2 ccd 标定的目的和意义.21 .1 .3 国内外对相机内部参数标定的方法.31 .1 .4 ccd 数码相机的主要特点和特性.41 .1 .5 研究的主要内容.62 2 图像采集系统的特性参数图像采集系统的特性参数.72 .1 平均暗输出 .72 .1 .1 原理.72 .1 .2 测试结果及结果分析.82 .2 暗输出不均匀性.92 .2 .1 原理.92 .2 .2 测试结果及分析.102 .3 暗噪声.112 .3 .1 原理.112 .3 .2 测试结果及分析.112 .4 光电响应线性度 .122 .4 .1 原理及光路图.122 .4 .2 测试结果及分析.1

9、32 .5 动态范围 .142 .5 .1 原理.142 .5 .2 测试结果及分析.162 .6 光电响应不均匀性 .162 .6 .1 原理及光路图.162 .6 .2 测试结果及分析.172 .7 信噪比 .182 .7 .1 原理.182 .7 .2 测试结果及分析.183 3 结论与展望结论与展望.20致谢致谢.22参考文献参考文献.23附录 1 开题报告.1附录 2 中期报告.1附录 3 英文原文.1附录 4 英文翻译.1附录 5 matlab 程序清单.11 1 绪论绪论1 1 .1.1 ccdccd1 1 .1.1 .1.1 ccdccd 的应用的应用ccd（电荷耦合器件，ch

10、arge coupled device） ，是 70 年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。美国贝尔实验室的 w.s.boyle 和 g.e.smith 于 1970 年提出了 ccd 的概念，随后建立了以一维势阱模型为基础的非稳态 ccd 的基本理论。30 多年来，随着新型半导体材料的不断涌现和器件微细化技术的日趋完备，ccd 技术得到了较快的发展。目前，ccd 技术已广泛应用于信号处理、数字存贮及影像传感等领域。其中，ccd 技术在影像传感中的应用最为广泛，已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的领域之一。ccd 的应用领域：（1）医疗分类：电子显微镜 ；口腔內视观察 ；齿科观

11、察；特殊电子内视镜； （2）产业分类：色彩管理、定位、量测；外观检查-工厂自动化；条码识别；工厂废气排放监控；建筑、机械微小间隙检查；超小工业内视镜；管路检查；高速检查；高速移动物体件记录，快速重播（修正错误用） 。（3）按教育分类：各种实验、实习的观察，记录。 （4）电脑资讯：影像扫描器；网路影像电话。（5）交通应用：路况、流量监控；车辆牌照记录、搜寻（犯罪车、遗失车、超速） ；汽车倒车影像；（6）一般管理： 金融机关、银楼、超市店铺等、住家访客过滤、自动提款机安全监视；大楼通道、电梯、停车场、出入口等重要场所安全管理；工厂出入口、生产线、机械操作、员工管理；特种营业场所，饭店旅游馆出入口、

12、内部营业状况监控。1 1 .1.1 .2.2 ccdccd 标定的目的和意义标定的目的和意义一个理想的ccd 摄像系统应该是无畸变、无噪声的线性空间不变系统, 但实际系统无法满足这个条件。不同的应用领域对ccd 的要求不一样, 厂家提供的一些性能指标并不能完全满足实际应用需求。另外, 由于ccd 的性能参数随着时间将发生变化, 所以为了保证观测的可靠性, 需要对ccd 在实际应用的环境下进行标定。例如：在新型光电传感器中，电荷耦合器件（ccd）由于本身具有优良的光电和机械特性而应用于各个领域中。但是在实际应用中，特别失在高量化率的精密测量中，ccd 各像元光电特性的不均匀性会给测量结果带来较大

13、的误差。为了提高测量精度，必须对 ccd 器件本身的不均匀性进行测量，以便在测量过程中能对检测结果进行校正5。在 ccd 用于时时动态测量时，ccd 像元光电响应不均匀性及非线性会给测量精度带来影响。ccd 在实时动态测量时该满足下面的关系： （1-1）( ) ,( ) ( )v xk x e x e x式(1-1)中：v（x）是 ccd 的 x 像元输出的电压；e（x）是 ccd 的像元的曝光量；kx,e(x)是比例系数，既是位置 x 的函数，又是曝光量 e（x）的函数。中位置 x 表征了 ccd 的光电响应的不均匀性；e（x）表征 ccd 的光电 ,( )e x e x响应非线性。由上式可

14、知，由于光电响应的不均匀性和非线性，使 ccd 输出的电压信号没有真实反映曝光量分布。我们知道，ccd 测量技术就是提取 ccd 曝光量空间分布的特征信息的技术。由于曝光量分布的失真，使提取的特征信息发生失真，其结果必然导致测量误差。因此，为了提高测量精度，对光电相应的不均匀性和非线性要进行校正2。在天文应用中 ccd 是在很特殊的条件下工作的，如观测对象极暗，积分时间很长，天文学家所关心的是量子效率、光谱响应和噪声特性。在低光度观测中，ccd 的噪声问题显得尤为突出。所以，对暗噪声和信噪比的测量也很重要。1 1 .1.1 .3.3 国内外对相机内部参数标定的方法国内外对相机内部参数标定的方法

15、 传统摄像机标定方法:(1)变换矩阵法7:变换矩阵法从透视变换的角度,在针孔(pin hole) 模型的基础上建立摄像机成像模型。这种方法不需要最优方法,直接从已知的三维空间坐标点求解摄像机的内外参数,运算速度快便于实时计算,但由于引入了中间变量,要求解的方程组为参数方程组,只能得到较好的隐式解。(2)非线性最优化方法7:该方法利用三维坐标的一些特征点与相应的图像点的坐标的相互关系,建立方程,寻找在某些约束条件下的最小值。虽然这种方法建立的摄像机模型具有较高的准确性,然而最后求解一般采用递归方法,如果初始值设定不当,不一定能得到理想的解。(3)tsai 的两级标定法8：tasi 根据摄像机的径

16、向畸变模型,利用径向准直约束条件提出一种两阶段标定方法:首先根据径向准直约束求解出大部分模型参数,然后通过非线性搜索方法求解畸变系数、有效焦距等参数。(4) 使用尖劈法标定ccd系统线性动态范围6：尖劈由两个表面构成, 分别镀不同反射率的膜层, 两表面的夹角可调。一束入射光入射到尖劈上, 经尖劈的两个表面的多次反射形成一列光强分布相似能量逐级递减的子光束。相邻子光束的能量衰减倍数为r1。然后，根据输入线性光强，而输出非线性灰度值来标定系统非线性。此方法能同时测量光电响应非线性和光电响应不均匀性，但是在实际测量时，尖劈最好用法伯标准具，因此光路不好实现。光路如图1.1，图1.2： 图1.1 图1

17、.2(5)使用光点注入法标定光电响应不均匀性5：测试中采用光点注入法，即用直径为50微米的光点沿像元排列方向逐个对像元进行扫描，测试系统的原理框图见图1.3，被测ccd每个像元所接收的光强相等。这样保证了输入光强的均匀性。但是，测量仪器比较复杂并且控制比较难，在一般的测量中难以实现。图 1.3 光点注入法其中：（1）（3）种方法主要是标定系统的畸变，我们在测量jai-a50的内部参数时，基本上与畸变无关。1 1 .1.1 .4.4 ccdccd 数码相机的主要特点和特性数码相机的主要特点和特性在许多应用中，ccd 相机的性能与理想的光检测器相似。理想的光检测器能将一个入射光子转换为可检测的信号

18、，而且能够在一幅图像中同时检测到非常强和非常弱的光信号。ccd 相机的好坏主要区别在于它的性能，表现在噪声低、灵敏度高、量子效率高、线性度好、动态范围大、像素响应均匀性和空间分辨率高等方面，其中一些特性，比如灵敏度、线性度和动态范围与相机扫描速度（即读出速度）直接相关的。ccd 相机的主要内部参数有：（1）暗电流。所有的硅器件都会产生暗电流，其原因在于少数载流子的激发产生了许多热电子，在 ccd 器件中热电子形成暗电流。暗电流会影响系统性能。（2）线性度10。所谓线性度，是指 ccd 相机产生的电信号与入射和线性关系。在典型的视频或 tv 应用中，人们并不关心系统的线性度，高达 20%的偏差是

19、允许的。然而，在成像科学领域中，响应的线性是必须考虑的重要参数，理想情况下，每一个像素都可视为一个高保真的光子测量器件；它产生的电信号与入射光的强度成精确的正比。（3）动态范围10。动态范围是指 ccd 相机可观察图像的照度范围。它可用数字化的灰度来表示：8bit、12bit 等。动态范围决定了最小可分辨光强，是选择某些应用场合所需相机的关键参数。许多相机和成像系统的分辨率是按照电路给出的，但这并不能反映系统的实际情况，例如，由一个模拟视频相机和采集卡抽组成系统的分辨率通常是按照采集卡的分辨率来定义的有效的分辨率，通常由视频相机的噪声或线性度所限制。（4）噪声特性。ccd 相机的电路噪声是限制

20、相机灵敏度和分辨率的主要因素。一个设计良好的高性能 ccd 相机，噪声通常只是视频相机的百万分之一到千分之一。（5）像素响应不均匀性。造成不均匀性的原因是多种多样的，硅材料本身的质量以及 ccd 的生产工艺造成的不均匀性是无法改变的，如沟道掺杂浓度不均匀、表面态密度分布不均匀以及栅氧化物厚度不同造成的开启电压不同，感光单元有效面积不同，从而引入了固定模式噪声，表现为暗电流及光电响应的不均匀性。（6）信噪比。信噪比的大小与 ccd 的成像质量有很大的关系，是 ccd 相机的一个重要参数。（7）灵敏度。灵敏度是 ccd 的最为重要参数之一，它具有两种物理意义。一种是表示光电器件的光电转换能力，与响

21、应率的意义相同。对于给定芯片尺寸的 ccd 来说，其灵敏度可用单位光功率所产生的信号电流表示，单位可以为纳安/勒克斯na/lux、伏/瓦（v/w） 、伏/勒克斯(v/lux)、伏/流明(v/lm)。光辐射能流密度在光度学中常以照度 lux 表示，其转换式为 1w/m2=20lx。在有的资料中，也用mv/lxs 来表示 ccd 的灵敏度，严格说来，这是 ccd 图像传感器的响应度，即单位曝光量所得到的有效信号电压，它反映了 ccd 图像传感器的灵敏度和输出级的电荷/电压转换能力。另一种是指器件所能传感的最低辐射功率（或照度） ，与探测率的意义相同。单位可用瓦（w）或勒克斯（lux）表示。（8）分

22、辨率。 分辨率是图像传感器的重要特性。与采用电子束扫描方式的电真空摄像管的结构不同，ccd 图像传感器采用自扫描方式，每个光敏单元都被隔开较大的距离。因此，ccd 的光电转换实质上是由空间上分立的光敏单元对光学图像进行抽样。光敏单元呈周期性排列，假设要摄取的光学图像是沿水平方向光强(亮度)为正弦分布的条状图像，经 ccd 的光敏单元进行光/电转换，所得的信号在时间轴方向也为正弦波信号。根据奈氏抽样定理，ccd 的极限分辨率是空间抽样频率的一半，因此，ccd 原分辨率主要取决于 ccd 芯片的像素数。其次，还受到传输效率的影响。高集成度的光敏单元可获得高分辨率，但光敏单元尺寸的减少将导致灵敏度降

23、低。一些新的工艺结构的应用（如双层像感结构）可在范围内提高 ccd 的灵敏度。分辨率通常用电视线(tvl)表示。1 1 .1.1 .5.5 研究的主要内容研究的主要内容对 jaia50 内部各个参数进行标定：（1）平均暗输出；（2）暗输出不均匀性；（3）暗噪声；（4）光电响应非线性；（5）动态范围；（6）光电响应的不均匀性；（7）信噪比。2 2 图像采集系统的特性参数图像采集系统的特性参数2 2 .1.1 平均暗输出平均暗输出2 2 .1.1 .1.1 原理原理在正常工作情况下，mos 电容处于未饱和的非平衡状态。然而随着时间的推移，由于热激发而长生的少数载流子是使系统趋向平衡。因此，即使在没

24、有光照或其它方式对器件进行电荷注入的情况下，也会存在不希望有的暗电流。暗电流是大多数成像器件所共有的特性，是判断一个摄像器件好坏的重要特性1。产生暗电流的主要原因是：耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁，少数载流子在中性体内的扩散及 si-sio2界面引起的暗电流。在大多数情况下，以 si-sio2界面引起的暗电流为主。为了减小暗电流，应采用缺陷尽可能少的晶体和减少玷污。另外，暗电流还与温度有关。温度越高，热激发产生的载流子越多，暗电流越大。即：暗电流的大小与光照强度无关，而与 ccd 像素的本征材料，大小，温度有关。系统在无光照情况下各像元 vid 的平均值 vmd 称为平均暗输出。如式

25、（2-1）： （2-1）11nivmdvidn式中，n 为系统总像元数。测量平均暗输出的方法简单，把 jai-a50 相机置于全黑环境中，并让相机一直工作，从开机开始，每隔 3 分钟采集一幅图像，采集多幅图像。测量时应注意：1. 要保证所有像点灰度数据均大于零，以避免零值切割造成的噪声不能正负相抵。2. 在采集全黑环境的暗输出时，必须把采集的图像保存为未压缩的格式。2 2 .1.1 .2.2 测试结果及结果分析测试结果及结果分析图 2.1 平均暗输出从图 2.1 上可以看出：（1）相机平均暗输出随时间的不断延长基本上逐渐增大。由于相机自身温度随着工作时间的延长而不断上升，直到相机温度与环境温度

26、达到平衡。所以，平均暗输出的增加也可以反映出相机的温度上升。因此，在工程测量中，若要得到较为精确的测量值，必须让相机工作在较低的温度下。（2）常温下，相机在工作 100 分钟后，输出灰度值基本上不再上升，可以认为相机平均暗输出在工作 100 分钟后基本上保持稳定。稳定在 4.904.95之间。 （3）在 0100 分钟内的输出灰度值并非一直增大，而是在某些地方时间靠后的灰度值比前面小，这反映出影响暗输出的因素并非只与工作时间有关，可能还与外部温度变化。 （4）通过计算，暗输出最大灰度值为 25。2 .2 暗输出不均匀性暗输出不均匀性2 .2 .1 原理原理暗电流的大小与光强度无关，而与 ccd

27、 像素的本征材料、大小、温度等有关。ccd 暗电流的主要成分有：（1）耗尽层内通过复合产生中心的热产生；（2）通过表面态的热产生；（3）通过本征跃迁过程的热产生；（4）在耗尽区边界的扩散电流。由文献4可知，在室温下，边界扩散电流可以忽略，以体内、表面复合中心贡献为主，本征产生贡献比它们小一个数量级以上。由此，ccd 输出端一个像素产生的暗电流为： （22）001122ddsidthtijjjqn xv nqs n其中，q 为单位电荷量,为本征载流子浓度； 为耗尽层宽度；0是对indx空穴或电子的俘获截面； 为电子热运动平均速度；是复合中心浓度；thvtns0=svthds*kt 为表面复合速度

28、；s是表面态的俘获截面；ds*是有效表面态密度；k 是波尔兹曼常数；t 是绝对温度。由于受到加工工艺的限制，每个像素的材料、面积大小各不相同，导致了ccd 每个像元暗电流大小不同，而形成暗输出不均匀性。系统在无光照情况下各像元暗输出vid的标准差与其平均值vmd的比值称为暗输出不均匀性。符号为nud，可用百分数表示。如下式： （23）2111()ninudvidvmdvmdn测量暗输出不均匀性，只要将 ccd 摄像机预热后，置于全黑环境，采集多副图像，对应像点进行平均以消除噪声影响，然后按式（21）和（23）计算即可。可用测量平均暗输出所采集的图像来计算暗输出不均匀性。2 .2 .2 测试结果

29、及分析测试结果及分析图 2.2 暗输出不均匀性从图 2.2 可以看出：（1）常温下，暗输出不均匀性随着 ccd 工作时间的延长，从 12到 9.5之间逐渐减小。（2）结合图 2.1，我们可以得出，在实际的测量中，为了校正平均暗输出和输出不均匀性，最好让相机工作 100 分钟后再进行测量。因为这时暗输出的不均匀性较小变化也小，平均暗输出也基本上稳定在 4.93 上。 （3）比较平均暗输出和暗输出不均匀性（图 2.1 和图 2.2） ，我们可以看出 ，平均暗输出越大，暗输出越均匀。2 2 .3.3 暗噪声暗噪声2 2 .3.3 .1.1 原理原理随机涨落（不包括固定的不均匀性）的标准差称为暗噪声。

30、符号为 vn，如式（2-4）： （24）211n_ivn(vidv )n式中,为暗输出的抽样值，为平均值，n 为抽样次数。vid_v测量暗噪声可以由定义出发，随机选取任意一个像点，进行多次测量得到抽样值进而计算暗噪声。为了保证随机性，抽样次数必须很多。vid2 2 .3.3 .2.2 测试结果及分析测试结果及分析图 2.3 暗噪声从图 2.3 可以看出：像面上各像元的暗噪声大小分布在 0.10.7 之间，而且集中在 0.3751 左右。但是，由于实验条件的限制而不能在很短的时间内测量多幅图像，暗噪声不能成明显的正态分布。2 2 .4.4 光电响应线性度光电响应线性度2 2 .4.4 .1.1

31、原理及光路图原理及光路图定义：光电响应线性度是系统重要的特性参数，定义为系统输入、输出信号的关系接近线性的程度。即在规定得范围内，探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性能9。测量原理：线性度是辐射功率的复杂函数，指器件中的实际响应曲线接近拟合直线的程度，通常用非线性误差 来度量。 （2-5）21maxii 式（2-5）中，为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差；分别max12,i i为线性区中最小和最大响应值。光路图：图 2.4 测量非线性光路图 为了让光度计测量到的光强从 0 开始逐渐增大，在这里用激光器和两个偏振片来实现；图中的扩束镜和毛玻璃的作用是减小光强，这样避免了偏振片之间的夹角改

32、变很小而输入光度计和相机的光强却改变很大，并且会增大测量误差，分束镜选用 7：3 是为了减小光度计所带来的误差。2 2 .4.4 .2.2 测试结果及分析测试结果及分析图 2.5 非线性在数据处理时，选用图片中最亮点，我们把这些点认为是输入光强的对应值，因为在计算非线性和动态范围时，可以认为各像元的光电转化能力都是一样的；而且，当光路不变时，可以认为像面上各像元的输出灰度值改变只与偏振片夹角的改变有关。从图 2.5 可以看到出：ccd 相机的线性范围是：相机输出灰度值为 22255 之间；通过三阶拟和，在线性区内，ccd 相机的输出灰度值在两条平行线之间，因此可以求出它的非线性值：150 06

33、25255 15. 注意： 在测量中由于不能在暗室进行，而且一直选用图中最亮的点，因此，我们得到最大的暗输出值为22，远远超出了平均暗输出值,所以，我们对输出值进行三阶拟和得到的线性范围为15255。采用光强计监测激光输入能量, ccd 记录光电响应, 得到输入与输出响应曲线。其缺点是将能量测量误差引入标定结果, 测量精度降低。2 2 .5.5 动态范围动态范围2 2 .5.5 .1.1 原理原理 定义：动态范围由势阱的最大电荷存储量与噪声电荷量之比决定1。势阱的最大电荷存储量： （2-6）oxgqc u a 栅极电压 mos 电容容量 a栅极电压的面积guoxc由式（2-6）可知，ccd 势

34、阱的最大电荷存储量与电极面积 a 成正比；与栅极电压成正比；与单位面积的氧化层电容成正比。另外，还与器件的结guoxc构（sccd 还是 bccd；二相还是三相 ccd）等因素有关1。如某 ccd 的电极面积为，p 型 si 的杂质浓度 na 为，210 20()m15103cm氧化膜厚度为 0.1，栅极电压为 10v，则 sccd 结构势阱的电荷最大存储量m为 0.6pc 或个电子。在 bccd 结构情况下计算比较复杂，随着沟道深度53.7 10的增加，势阱可容纳的电荷量减少，对于与上述 sccd 相同条件的 bccd，若氧化膜厚度 0.1，相当于沟道深度外延层厚度为 21，则约为mm/sc

35、cdbccdqq4.5。 对于二相驱动情况，实际能容纳电荷的电极面积式整个电极面积的一半。为此，二相驱动情况下，势阱中存储的电荷量要减少一半。b. 噪声：在 ccd 中有以下几种噪声源：1.由于电荷器件注入器件引起的噪声；2.电荷转移过程中,电荷量的变化引起的噪声；3.由检测时产生的噪声2。与 ccd 有关的噪声：（1）光子噪声：由于光子发射是随机过程，因而势井中收集的光电荷也是随机的，这就成为噪声源。由于这种噪声源与 ccd 传感器无关，而取决于光子的性质，因而成为摄像器件的基本限制因素。这种噪声主要对于低光强下的摄像有影响。（2）暗电流噪声：与光子发射一样，暗电流也是一个随机的过程，因而也

36、成为噪声源。而且，若每个 ccd 单元的暗电流不一样，就会产生图形噪声。（3）胖零噪声：包括光学胖零噪声和电子胖零噪声，光学胖零噪声由使用时的偏置光的大小决定，电子胖零噪声由电子注入胖零机构决定。（4）浮噪声：这种噪声起因于界面缺陷，在 bccd 中起因于体缺陷，但bccd 中浮获噪声小。（5）输出噪声：这种噪声起因于输出电路复位过程中产生的热噪声。该噪声若换算成均方根值就可以与 ccd 的噪声相比较。此外，器件的单元尺寸不同或间隔不同也会成为噪声，但这种噪声源可以通过改进光刻技术而减少。测量原理：系统的饱和输出 vs 与暗噪声 vn 之比称为动态范围，它表征系统可探测信号的最大相对范围。符号

37、为 dr，如式（2-7）： (27) vsdrvn测量光路如图 2.4。2 2 .5.5 .2.2 测试结果及分析测试结果及分析 根据公式（27）可以算出：，所以 jaia50 系统可探测255515dr 信号的最大相对范围为：51。2 2 .6.6 光电响应不均匀性光电响应不均匀性2 2 .6.6 .1.1 原理及光路图原理及光路图表征系统各像元响应度的不一致性。定义为器件在 50%饱和曝光量条件下，各像元输出 vi的标准差与平均值 v 之比。符号为 nu，如下式： （2-8）2111ninu(viv )vn式（2-8)中，n 为系统总像元。由于实验条件所限，无法满足 50%的曝光量，但是在

38、 ccd 有效动态范围内，在其它曝光量条件下，同样可以利用该比值来表示 ccd 面阵探测器光电响应的不均匀性。 面阵探测器响应不均匀性的传统测量方法，是用显微物镜形成小光点，逐个扫描每一像元，记录相应的输出并进行比较。这对几十万像元的 ccd 来说，耗时极多。比较简单的方法是采用均匀光场，直接照射 ccd 器件，采集每一像元响应，按式（2-8）计算。光路如图 2.6。图 2.6 光电响应不均匀性光路图2 2 .6.6 .2.2 测试结果及分析测试结果及分析图 2.7 光电响应不均匀 从图 2.7 上可以看出：（1）相机的不均匀性从 0.08 左右减小到 0.047 左右。（2）对比暗输出不均匀

39、性，即使用以上的装置来测量 ccd 相机的不均匀也比暗输出来得均匀。但是，在标定过程中，由于条件的改变（即，用改变相机的方向来改变光强） ，在上图中出现了不均匀性随输出灰度值变化不明显。通过三阶拟和可以看出：输出的不均匀性随输出灰度值增大而减小。所以在测量时尽量让照到像面上的光强大些，尽量让 ccd 输出灰度值在180240 之间。2 2 .7.7 信噪比信噪比2 2 .7.7 .1.1 原理原理 信噪比即信号与噪声的比值, 它表征信号的“洁净”程度。 (2-9)2120lg20lg1()nisvsvsnvnvivn 式（2-9）中：为信号电压，为噪声电压，v是平均值，vi是各像元vsvn输出

40、标准偏差。光路如图2.6。2 2 .7.7 .2.2 测试结果及分析测试结果及分析图 2.8 信噪比从图 2.8 可以看出：ccd 相机信噪比随着相机输出灰度值（即：输入光强）的增大而增大。当输出灰度值为 120240 之间时，信噪比从 2122 之间提高到 2627 之间。所以在实际应用中，若要得到比较好输出图像，需要增大输入光强。例如：我们在照相时，阴天照的图像没有晴天时照的图像清晰，因为，在晴天照相时，像面上光强比阴天时强，所以图像的信噪比提高了。3 3 结论与展望结论与展望jai-a50 系统在实际应用环境下，测量的参数为：（1）暗输出：通过在无光照的情况下，测量 ccd 相机系统的平

41、均暗暗输出与工作时间的关系表明：在常温下，相机必须工作 100 分钟后才有稳定的平均暗输出值，稳定在 4.904.95 之间。此时，系统的暗输出也比较均匀，不均匀性值基本上稳定在 0.0950.1 之间。在测量中我们必须对系统暗输出进行校正，减小暗输出对测量的影响4。（2）光电响应的非线性：通过计算系统输入光强与输出灰度值之间的关系，得到输入线性增大的光强而输出灰度值为非线性。在测量中取图像中灰度值最大的点，避免了输入光能量变化的影响。测出 jai-a50ccd 的非线性度为0.0625。但是在标定中没有用尖劈法精确6。（3）动态范围：根据输出最大灰度值为 255，平均暗输出值为 5，得到系统

42、可探测信号的最大相对范围为：51。（4）光电响应不均匀性：用自然光经过白纸和毛玻璃组成的光路的衰减得到均匀的光，用它来 ccd 响应不均匀性。测出 ccd 不均匀度为 0.0470.08 之间。但是由于 ccd 相机像面比较大，要想在这么大的区域内保证整个 ccd 阵列得到均匀照射是十分困难的，因此不能如何保证每个像元受到同样的入射光通量的照射。 ，为了解决这个问题，可以用光点注入法5。（5）信噪比：ccd 相机信噪比随着输入光强的增大（即：相机输出灰度值的增大）而增大。输出灰度值从 120 上升到 240，而信噪比从 2122 之间提高到 2627 之间。在整个测量过程中只测量系统的输出灰度

43、值，并用 matlab 计算输出灰度值与输入光强之间的关系。在实际应用中，对不同场合应用的 ccd 相机的各个参数值还要进行校正。希望在用 jai-a50 进行工程测量时，上面的测量结果能起到参考作用。但是，在标定中由于测量条件的限制，在测量暗噪声时不能够在很短的时间内采集几十幅图像，而不能很好地反映系统暗噪声特性；在测量光电响应的不均匀性时，最好能用均匀的光源并且输出光强可变或用光点注入法测量5。致谢致谢感谢马卫红老师的关心，指导和教诲。在整个毕业设计中，马老师给予我极大的帮助和关怀，他不但精心指导我的设计工作，时刻关心我的工作进展，而且还教会我许多书本上学不到的知识，使我知道了作为一个科研

44、工作者所必备的素质和能力，教给了我很多做事做人的道理。我相信这些道理在我以后的工作和学习中都有很大的帮助。本论文的撰写与马卫红老师的悉心教导密不可分，成稿后他又在百忙之中给予仔细审查，提出了宝贵的意见。在此表示最衷心的感谢！同时，舍友和同学们也给予我极大的帮助和支持。我深深的感谢马卫红老师的指导，感谢我的我的舍友和同学们！参考文献参考文献【1】 王庆有，雷玉堂. 光电检测技术. 北京：中国计量出版社，2002.【2】 王庆有. ccd 应用技术. 天津：天津大学出版社，2000.【3】 宋丰华. 现代空间光电系统. 北京：国防工业出版社，2004.【4】 陈迎娟，张之江，张智强. ccd 像素

45、响应不均匀性的校正方法. 光学 精密工程，2004，12（2）：216220【5】 吴裕斌，曹丹华，ccd 成像器件的不均匀性测试. 华中理工大学学报，1998，26（8）：5860【6】 谢旭东，陈波，ccd 系统线性动态范围的标定. 强激光与粒子束，2002，12（s1）：182184【7】tsai roger y. an efficient and accurate camera calibration technique for 3d machine visiona . proceedings of ieee conference on computer vision and patt

46、ern recognition c . miami usa ,1986 ,364 - 374.【8】 邵泽明. 计算机视觉伺服跟踪控制系统. 南京:南京航空航天大学,2003.【9】 董怡，王斧.面阵 ccd 非线性响应的测量.军械工程学院学报，2001，13（4）：3942【10】马俊婷.科学级 ccd 数码相机的研究与开发.华北工学院.工学硕士.2001.3.19：15【11】庞长富，魏光辉.图像采集系统特性参数的测试与评价.光学技术.1998（2）：4043【12】陈桂明，张明照，戚红雨.应用 matlab 语言处理数字信号与数字图像.北京：科学出版社，2002.【13】何兆湘，潘正达.

47、线列 ccd 摄像器件暗电流的测试和研究.华中工学院学报.1982，10(4)：4148【14】刘贤德.ccd 及其应用原理.武汉: 华中理工大学出版社,1990.【15】庞长富.一种高精度图像采集系统的设计与特点.光学技术, 1997,(1):2022【16】庞长富.标准图像发生器及在图像板性能评价中的应用.光学技术, 1997，(2):2830【17】郭本烈.线阵 ccd 器件的应用.仪表技术与传感器.1994,(5)：2526.【18】陈文芗.ccd 光谱响应曲线的校正.厦门大学学报（自然科学版）.1994，33（6）：781784【19】王庆有，任在新等.ccd 应用技术发展动向.【2

48、0】王朝晖.面阵 ccd 成像技术.空间电子技术.1994，4：5156【21】smith r w, tatarewicz j n. replacing a technology: the large space telescope and ccds. proceedings of the ieee, vol.73,no.7,july 1985【22】delamere w a, flores j s, frame w w. advances in frame transfer devices. spie, vol.1656,pp.544-549,1992附录附录 1 1 开题报告开题报告ccd

49、 相机内部参数标定1 1题目来源、背景与意义，及含国内外相关研究综述题目来源、背景与意义，及含国内外相关研究综述自 1970 年美国贝尔实验室研制成功第一只电荷耦合器以来，依靠已经成熟的 mos 集成电路工艺，ccd 技术得到迅速发展。作为一种新型光电转换器，ccd 图像传感器现已广泛应用于电视摄像、图像采集、目标跟踪以及工业测量等领域。为了适应在各种领域中的应用，ccd 相机的各种性能得以重视。例如：为了对能量分布的测量，要求 ccd 有良好的线性响应特性；而在电视摄像机中，为了得到良好的视觉效果，却要对它进行 r 校正。在某些应用领域，特别是在高精度测量系统中，ccd 象素的不均匀性会给测

50、量结果带来较大的误差。为了提高测量精度，必须对象素不均匀性进行校正。所以，对相机的内部参数进行标定显得非常重要。2课题任务要求课题任务要求 测量 jai-a50 各方面得参数：（1） 测量平均暗输出；（2） 测量暗输出不均匀性；（3） 测量暗噪声；（4） 测量光电响应非线性；（5）测量动态范围；（6）测量光电响应不均匀性；（7）测量信噪比；3关键问题及拟解决的方案关键问题及拟解决的方案 （1）平均暗输出：系统在无光照情况下各像元的平均值称为平vidvmd均暗输出。如式： 式中：n 为系统总像元数。11nivmdvidn（2） 不均匀性：系统在无光照情况下各像元暗输出的标准差与其平vid均值的比

51、值称为暗输出不均匀性。 vmd2111()ninudvidvmdvmdn（3） 暗噪声：随机涨落（不包括固定的不均匀性）的标准差称为暗噪声。符号为，如式： ，式中，为暗输出的抽vn211n_ivn(vidv )nvid样值，为平均值，n 为抽样次数。_v（4） 光电响应非线性：线性度是辐射功率的复杂函数，指器件中的实际响应曲线接近拟合直线的程度，通常用非线性误差 来度量。21maxii 式中，为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差；分别为线性max12,i i区中最小和最大响应值。（5） 动态范围：系统的饱和输出 vs 与暗噪声之比称为动态范围，vn它表征系统可探测信号的最大相对范围。符号为

52、dr，如下式： vsdrvn（6） 光电响应不均匀性：表征系统各像元响应度的不一致性。定义为器件在 50%饱和曝光量条件下，各像元输出 vi的标准差与平均值 v 之比。符号为 nu，如下式： ，式中，n 为系统总像2111ninu(viv )vn元。（7） 信噪比：信噪比即信号与噪声的比值, 它表征信号的“洁净”程度。 2120lg20lg1()nisvsvsnvnvivn 式中：为信号电压，为噪声电压，v是平均值，vi是各像元输出标准vsvn偏差。4完成本课题所必须的工作条件完成本课题所必须的工作条件( (如工具书、实验设备或实验环境条件、某类如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、

53、计算机辅助设计条件等等市场调研、计算机辅助设计条件等等) )及解决的办法，以及已开展的工作及解决的办法，以及已开展的工作本课题所必须的工作条件：jai-a50、光强可调的光源、激光器、两个偏振片、扩束镜、一个7：3分束镜、光度计、matlab处理软件、毛玻璃和粗糙白纸。 前三周中已搜集并整理了有关ccd参数测量的论文和书籍。5完成本课题的工作方案及进度计划完成本课题的工作方案及进度计划工作方案:将从ccd各参数的概念出发，总结别人所用的测量方法，并找出最佳方案，结合自身的实验设备，寻找更简单有效的方案。进度计划：（1）第一周第三周：资料查阅； （2）第四周第六周：熟悉掌握matlab语言在图像

54、处理和数据处理中的应用。 （3）第七周第十一周：测量各部分参数，并完成整理数据。 （4）再用一周时间整理论文。 （5）剩余时间分配到每个实验中（如果实验未在计划时间内完成）附录附录 2 2 中期报告中期报告ccd 相机内部参数标定前期工作总结：前期工作总结：1 充分了解了 ccd 相机内部参数的定义，以及内部参数在评价一部相机好坏上 起到的作用。2 翻译了一篇英文论文（ccd technology prime）3 写完论文的引言4 测量了 jai-a50 相机的三个参数41 平均暗输出把 jai-a50 相机置于全黑环境中，并让相机一直工作，从开机开始，每隔3 分钟采集一幅图像，计算各副图像的

55、平均暗电流（像素的灰度平均值） ，并绘出平均暗输出的直方图和曲线图。 从图上可以看出：（1）相机平均暗输出随时间的不断延长基本上逐渐增大。由于相机自身温度随着工作时间的延长而不断上升，直到相机温度与环境温度达到平衡。所以，平均暗输出的增加也可以反映出相机的温度上升。因此，在工程测量中，若要得到较为精确的测量值，必须让相机工作在较低的温度下。（2）常温下，相机在工作 100 分钟后，输出灰度值基本上不再上升，可以认为相机平均暗输出在工作 100 分钟后基本上保持稳定。稳定在 0.900.95 之间。（3）在 0100 分钟内的输出灰度值并非一直增大，而是在某些地方时间靠后的灰度值比前面小，这反映

56、出影响暗输出的因素并非只与工作时间有关，可能还与外部温度变化。（4）通过计算，暗输出最大灰度值为 25。 42 暗输出不均匀性 在这里只需要把采集到的图像按照工式： 2111()ninudvidvmdvmdn计算既可。从图上可以看出：（1）常温下，暗输出不均匀性随着 ccd 工作时间的延长，从 12到 9.5之间逐渐减小。（2）结合图 1，我们可以得出，在实际的测量中，为了校正平均暗输出和输出不均匀性，最好让相机工作 100 分钟后再进行测量。因为这时暗输出的不均匀性较小变化也小，平均暗输出也基本上稳定再 4.93 上。（3）比较平均暗输出和暗输出不均匀性，我们可以看出 ，平均暗输出越大，暗输

57、出越均匀。 43 暗噪声 测量暗噪声可由定义出发，随即选取任意一个像点，进行多次测量得到抽样值 vid 近而计算暗噪声。遇到的问题遇到的问题： 在计算各种参数时要用 matlab 编程，调用各种图像。 例如：1.在测量平均暗噪声时若不用循环语句，而直接一幅图像接一幅图像输入时工作效率较低 2.在测量暗噪声是，数据量更大，工作量也更大。 3.不会对数据图像进行拟合。解决问题：解决问题： 在接下来的时间中，勤问导师和查阅资料，解决 matlab 中所遇到的难题。下期工作：下期工作：1. 测量相机 jai-a50 的动态范围2. 测量相机 jai-a50 的光电相应不均匀性3. 测量相机 jai-a

58、50 的光电响应线性度4. 测量完上面的三个参数后整理数据，并写论文总结查阅的资料：查阅的资料：1. 庞长富 图像采集系统的特性参数的测试与评价j2. 科学级 ccd 数码相机的研究与开发3. 奕中杰 线阵 ccd 光电参量测试系统的研究j附录附录 3 3 英文原文英文原文附录附录 4 4 英文翻译英文翻译ccd 技术入门技术入门1. ccd 传感器传感器 电荷耦合器件有很多用途，但是最重要的作用是用在成像方面。 它最基本的工作方法是把光转化为电子。当光照到成像器件的光敏区，它将激发硅晶体上的原子。光子的能量使电子脱离原子核的束缚而成为自由电子，而使原子成为裸露的原子核。把缺少电子的原子称为空

59、穴。越多的光子照到传感器上，将产生越多的电子孔穴对。 由于光子必须有足够的能量才能使硅晶体产生电子孔穴对，低能量（短波长）的光子越难被探测到，而且在硅晶体中传播得越深。另一方面，高能量（短波长）的光子越容易在传感器晶体表面被吸收而可能不能到达光敏区。因此，传感器有一个工作光谱范围，将在长波和短波外逐渐下降。每一个光子产生电子的数量被称为“量子效率” 。 电子在硅晶体中可以被孔穴分离和收集（积分） ，就像一个水桶收集掉进里面的雨滴。收集到的电荷（或水滴以次类推）由光强、它的光谱和积分时间决定。 通过做一个由这些“水桶”做成的线阵或者面阵，使表现一幅照到传感器上的图像成为可能。术语“满势阱”容量描

60、述了每个势阱在没有溢出时最大电荷存储量。因此，在有规则的间隔内必须把势阱清空，用测量它的电荷量来决定光强的大小。这可以用电荷耦合器件或者 ccd 寄存器来完成。测量装置被设置在每一行的末端，称为输出端。最近的势阱中的电荷输出到测量装置产生信号来决定存储电荷的大小。空的势阱可以重新被后面势阱中的电荷填满，依次类推只到线阵的后面。用这种方法不要移动势阱（水桶）的位置就可以测量全部势阱的电荷。从大量“水桶” （或像元）产生一系列的数据流的能力，使控制和方便采样高分辨率照到传感器上的光成为可能。 与存储“水桶”相等价的是 mos 存储器。一个 ccd 寄存器可以看成是一系列这样的存储器紧密排列在硅晶体