显微镜CCD(相机)的线性度

2021-11-19 14:47:58 admin 3

科学成像系统的一个重要特征是对入射光线性响应,尤其是在应用于定量光度分析时。在采用电荷耦合器件 ( CCD ) 传感器的数码相机系统中,CCD的基本功能是将携带图像信息的光子转换为电子信号。数字化后,理想情况下,信号输出应与入射到传感器上的光量成线性比例。

与入射到传感器上的光子数量和数字输出相关的传递函数由多阶段过程确定,该过程开始于有源像素区域中电荷载流子(电子 - 空穴对)的创建和转移,然后是转换电子从电荷域进入电压域作为放大的电压信号。这个模拟信号经过一系列处理步骤,并在*终被数字化以进行显示、图像处理和存储之前被进一步放大。通过适当的器件设计,传递函数会导致*终数字化输出信号相对于入射到 CCD 的光量呈线性变化,因此输出信号等于光子输入乘以比例常数。

不同制造商用于测量和报告 CCD 线性度的方法存在显着差异。评估线性度的常用技术是基于测量输出信号作为曝光时间的函数的图形图,扩展到设备的全部阱容量(势阱或像素保持的电子数量;也称为线性很好)。规格可以定义为与在全井条件下获得的*大信号强度相比的线性偏差百分比。请注意,不同的制造商可能会将相同的测量报告为线性非线性

线性偏差的计算从信号电平与曝光(积分)时间的关系图开始。信号电平通常指定为计数值,或相对数字数 ( DN ) 或“ADC 单位”( ADU ),这是模数转换器输出的与电压成正比的值。图 1 说明了这种用于高性能 CCD 的线性图。对数据进行线性*小二乘回归分析,并确定每个数据点与计算出的*佳拟合线的偏差,以确定*大的正偏差值和负偏差值。以百分比表示的非线性计算如下,其中绝对值用于两个偏差*大值:

非线性度 (%) = [(*大正偏差 + *大负偏差)/*大信号] × 100

相机系统的线性度由 CCD 本身以及信号处理链中的其他电子元件决定,*后是模数转换器。实际上,任何非线性都表明相机增益常数随信号电平的变化。诸如算术比确定、线性变换、阴影校正和其他处理算法的定量成像操作依赖于绝对信号测量,并且要求相机增益和信号强度之间没有显着的相互依赖性。与大多数其他成像传感器(包括胶片、摄像管和视频 CCD 相机)相比,高性能 CCD 成像系统在很宽的信号范围内表现出极好的线性度,这些传感器可能会偏离线性度几个百分点。用于科学用途的 CCD 相机通常在 4 或 5 个数量级的信号范围内具有十分之几的范围内的非线性值。与线性的偏差通常是恒定的,如果得到很好的表征,非线性可以通过查找表校正到小于十分之一的值。

尽管 CCD 传感器在宽动态范围内以线性方式响应,但当在高平均光照强度下达到全井条件时,通常会观察到非线性响应。请注意,在像场的小区域过度曝光但周围平均强度水平较低的情况下,良好的线性可能会超出全井。如果整体照明足够亮,则 CCD 响应将变为非线性和饱和发生,伴随着整个阵列上的溢出(像素的电荷溢出超过满阱容量)。当强度的增加不会对记录的信号产生进一步的变化时,就存在饱和。由于整个像素阵列的平均强度过大,非线性响应的开始和满井容量发生在相同的信号水平。

根据传感器的特性,在极低的照度水平下也可能导致非线性响应,原则上,非线性区域的响应可以根据需要进行校准。然而,*佳做法是限制对所使用的特定传感器的线性区域的曝光,因为饱和的开始可能很快且难以预测。在高照度条件下可采取的避免 CCD 饱和的措施之一是捕获几个较短的曝光,这些曝光的持续时间与所需的较长积分间隔相等。处理过程中可以组合多张短曝光图像,