一种简易式CCD满阱测试方法

一种简易式ccd满阱测试方法
技术领域
1.本发明涉及ccd成像技术领域，具体涉及一种简易式ccd满阱测试方法。


背景技术：

2.ccd成像电路研发过程中，通常需要测试很多次满阱数值以验证电路的工作性能。每次使用ptc方法进行测量，工作量巨大，开发效率较低。因此：1. 为了提升ccd成像电路的研发效率，使用led点测试法可大大简化测试过程，提升开发效率；2.针对单个像元的满阱测试，通常使用的绝对点光源系统较为复杂，成本较高，为了简化测试成本，可使用led点测试法；3.经理论分析及实验验证，该方法具有较强的可靠性，将该方法作为ccd成像电路研发过程中的满阱测试方法，可大大提升研发效率。
3.对于ccd成像系统满阱性能的测试，通常使用的方法是光子转移曲线 (photon transfer curve,ptc)法，ptc方法通常需要搭建平场面光源(如使用积分球等设备)，测试系统结构复杂。事实上由于ccd对光的响应极为敏感，使用一般的积分球最低亮度照射ccd也会发生饱和，需要定制低照度积分球进行测试。ptc方法的前提是光源为绝对的平场，这是因为该方法事实上是以空间维噪声作为时间维噪声，因此需要所有像元接受相同亮度的光，对测试环境的杂散光要求较高；使用ptc方法有时并不能得到理想的曲线，尤其对于科学级ccd，由于像元相关性的影响等因素ptc在线性区会发生非正常弯曲现象，使用弯曲的ptc曲线计算满阱参数时偏差也会变大；由于ptc方法采用统计方法计算ccd满阱，无法得到单个像元的满阱数值。
4.虽然ccd在出厂时标注了满阱参数，但是由于电路的设计参数如水平或垂直转移时钟的频率、驱动电流等会影响ccd的满阱性能，因此在成像电路的研发过程中，需要不断调整参数并测试ccd的满阱，以寻找最优满阱性能对应的参数组合。参数的调整过程中有时需要进行几十次甚至上百次满阱测试，每次测试使用ptc方法效率较低。
5.具体的说，对于ccd成像系统满阱性能的测试，通常使用的方法光子转移曲线(photon transfer curve,ptc)法，该方法可通过搭建平场光源获取ccd 的读出噪声、系统增益、满阱电荷数、像元响应非一致性(prnu)等重要参数。该方法使用不同强度的均匀光照射ccd焦面，对获取的图像进行数据处理，计算得到ccd响应值在不同光强下的信号—方差曲线，该曲线即是一种光子转移曲线。另外也可通过改变ccd器件的曝光时间来获取不同等级的ccd响应值。光子转移曲线可以用来测试ccd是否处于最佳工作状态。曲线横轴为ccd 信号响应值的平均值，纵轴为ccd在该状态下的噪声，可用ccd响应值的标准差或方差表示。ptc技术是一种发源于国外的较为公认的测试ccd多项参数的方法。
6.emva1288标准，是欧洲机器视觉协会(emva)于2005年8月正式发布的一套统一相机与图形传感器性能测试的一套标准。根据emva1288标准的定义，饱和辐射量是灰度值方差(digital number，dn值)和辐射量关系曲线的最大值所对应的辐射量值，结合辐射量与电子数的转换关系，即量子效率，可计算饱和容量。但是该标准并未定义满阱容量(fwc)的计算方法，受到模数转换位数的限制，满阱容量一般高于饱和容量。当ccd的满阱输出未达
到成像系统模数转换(adc)的量程时，可采用emva1288标准定义计算满阱电荷数。可根据3％或5％线性拟合偏差作为饱和点计算满阱，但是这一人为选择因素很可能给测试结果带来较大偏差。
7.总得来说，现有技术存在以下技术问题：
8.ptc方法的前提是光源为绝对的平场，这是因为该方法事实上是以空间维噪声作为时间维噪声，因此需要所有像元接受相同亮度的光，对测试环境的杂散光要求较高；使用ptc方法有时并不能得到理想的曲线，尤其对于科学级 ccd，由于像元相关性的影响等因素ptc在线性区会发生非正常弯曲现，使用弯曲的ptc曲线计算满阱参数时偏差也会变大；由于ptc方法采用统计方法计算ccd满阱，无法得到单个像元的满阱数值。
9.采用emva1288标准定义计算满阱电荷数的传统满阱测试法则是基于人为定义确定满阱dn值，这一人为选择因素很可能给测试结果带来较大偏差。
10.测量单点满阱时，可构建绝对的点光源系统，但是需要平行光管、星点板、数值孔径匹配的镜头等设备，成本较高。


技术实现要素：

11.本发明提出的一种简易式ccd满阱测试方法，可解决上述技术问题。
12.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
13.一种ccd满阱测试方法，包括：
14.首先搭建测试系统，其中测试系统包括成像系统、ccd、led点光源，成像系统与计算机连接，结合普通的成像镜头，通过调整二维位移平台使led点光源在ccd图像中的覆盖3
×
3个像元区域；
15.则测试方法包括以下步骤，
16.1)、调整led的电压为v1，点亮led，调整镜头焦距及led与探测器的距离和位置，使led在ccd图像上聚焦为一个亮点，占据3
×
3的像元面积；
17.2)、观察led对应的dn值分布，调整其位置，使dn值分布符合以下规律，所述规律为9个像素点方位分布定义为上左、中、右，中左、中、右和下左、中、右，中左、右及上中、下中像元dn值相近，获取n幅图像，n为大于1的自然数，计算9个像素点在n幅图像中的dn值的平均值；
18.3)、依次改变led电压为vi，获取不同的光强等级，重复步骤2)，获取9个像素点在不同光强下的数据，分别记为p
1i
、p
2i
、
……
、p
9i
，i＝1～m，m为所有光强等级数量；
19.4)、以电压vi为横轴、像元dn值p
1i
、p
2i
、
……
、p
9i
为纵轴绘制九条曲线，选取曲线拐点附近区域范围，采用多项式拟合方法，计算得到关键曲线即首先溢出像元dn值曲线拐点及其对应的中心像元dn值，该值即为中心像元达到满阱时对应的dn值。
20.由上述技术方案可知，本发明的ccd满阱测试方法，包括系统构建：通过电压可调电源驱动led发光，获取不同亮度的点光源；通过普通民品镜头获取 led图像；通过二维位移平台控制led在ccd像元中的位置；还包括数据获取方法：调整led相对ccd位置，使led光斑照射范围约为9个像元；通过分析每个像素的dn值随led亮度的增长情况，得到首先溢出的像元；通过分析中心像元与首先溢出像元的dn值变化，通过非线性插值、曲线拟合方法得到首先溢出像元的dn值增长拐点，该点对应的中心像元dn值即为满阱dn值，再结合系统增
益即可获取像元满阱数值。
21.本发明通过构建简单的led点光源系统，结合数值分析可获取ccd像元满阱dn值，再结合系统增益即可得到像元满阱电荷数。
22.在ccd成像电路研发过程中，为了确保ccd工作在最佳满阱性能，需要不断测试ccd满阱数值及变化规律。常规的满阱测试方法，系统复杂，测试不便。本发明可简化测试过程，提升ccd成像电路的研发效率。
附图说明
23.图1是本发明的led点测试法系统框图；
24.图2a是本发明的led点测试法示意图的led点dn值像元分布；
25.图2b是本发明的led点测试法示意图的dn值随光强变化曲线。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
27.为了简化测试过程，本发明实施例使用led点测试法，即使用led作为光强可调的点光源，结合普通的成像镜头使led点光源在ccd图像中的覆盖3
×
3 个像元区域，根据led图像像素值变化规律结合数值计算方法即可得到满阱数值。
28.具体如下：
29.本发明实施例的ccd满阱测试方法即led点测试法，系统搭建如图1所示。即使用led作为光强可调的点光源，结合普通的成像镜头，通过调整二维位移平台使led点光源在ccd图像中的覆盖3
×
3个像元区域。
30.通常ccd会首先在横向或纵向相邻的像元溢出，则led点光源图像中的横向或纵向三个像元的dn值如图2所示。图2a为led点在水平或垂直三个像元中的成像示意图，图2b为随着光强增大，三个像元dn值的变化规律示意图。
31.图2b中的区域《1》是线性增长区，此时三个像元均未达到满阱，随着光强增大，三个像元的dn值同步增强，具体规律应符合高斯曲线的增长规律；当图中b 像元接近满阱时，其搜集电荷的能力减弱，光生电荷被临近像元捕获的可能性增大，此时b的增长曲线逐渐放缓，临近像元的增长曲线开始加快，通常读出方向一侧的像元(a)稍早进入区域《2》，即满阱区；继续增大光强，此时b像元达到饱和数值不再上升，随后a、c像元也达到饱和，即图中区域《3》。
32.在满阱区，对图2(b)中率先受到溢出影响的像元dn值变化趋势做多项式拟合，根据多项式拟合曲线结果可求取图2(b)中的该像元曲线的拐点，根据满阱区的拐点对应的dn值，结合系统增益，即可得到ccd在该点像元的满阱电荷数。
33.具体的说，该方法获取数据简单、快捷，可作为ptc方法的补充。获取数据的具体步骤如下：
34.1)、调整led的电压为v1，点亮led，调整镜头焦距及led与探测器的距离和位置，使led在ccd图像上聚焦为一个亮点，占据3
×
3的像元面积；
35.2)、观察led对应的dn值分布，调整其位置，使dn值分布符合图2(a)中的规律，即9个像素点方位分布定义为上左、中、右，中左、中、右和下左、中、右，中左、右及上中、下中像元dn值相近即左右及上下像元dn值相近，获取16 幅图像，计算9个像素点在16幅图像中的dn值的平均值；
36.3)、依次改变led电压为vi，获取不同的光强等级，重复步骤2)，获取9个像素点在不同光强下的数据，分别记为p
1i
、p
2i
、
……
、p
9i
，(i＝1～m，m为所有光强等级数量)；
37.4)、以电压vi为横轴、像元dn值p
1i
、p
2i
、
……
、p
9i
为纵轴绘制三条曲线，选取合适范围，采用多项式拟合方法，计算得到关键曲线(首先溢出像元dn值曲线)拐点及其对应的中心像元dn值，该值即为中心像元达到满阱时对应的dn 值。
38.综上所述，本发明实施例的ccd满阱测试方法，包括系统构建即通过电压可调电源驱动led发光，获取不同亮度的点光源；通过普通民品镜头获取led 图像；通过二维位移平台控制led在ccd像元中的位置；还包括数据获取方法：调整led相对ccd位置，使led光斑照射范围约为9个像元；通过分析每个像素的dn值随led亮度的增长情况，得到首先溢出的像元；通过分析中心像元与首先溢出像元的dn值变化，通过非线性插值、曲线拟合方法得到首先溢出像元的dn值增长拐点，该点对应的中心像元dn值即为满阱dn值。
39.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。