CCD 成像系统的增益测量方法的研究

黄 煜 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春 130033

【文章摘要】

增益是CCD 成像系统的一个重要参数，所谓CCD 成像系统的增益是指CCD 系统形成的电子数(e-) 与CCD 输出图像的数字量(counts) 之比。由于CCD 系统性能测试时只能直接得到CCD 输出图像的数字量，而评价CCD 系统的性能( 例如读出噪声、满阱电荷等) 时常常是以电子数为基本单位的，因此如何精确测量CCD 系统的增益至关重要。本文提出了一种利用CCD 输出图像计算CCD 成像系统增益的方法。该方法不需任何辅助电路， 简单方便，并对计算结果进行了验证，保证了方法的可行性和精度。

【关键词】

增益;CCD; 图像

中图分类号 TP73 文献标识码 A

0 引言

CCD 是空间遥感仪器的一个关键器件，很大程度上决定着空间遥感仪器的性能指标。因此在空间遥感仪器设计时，必须测定选用CCD 的性能指标。然而测定CCD 性能指标时通常得到的是CCD 输出图像的数字量化值，该值与系统增益的设置有关，不具有通用性。为了便于性能比较， CCD 性能通常采用电子数为基本单位。因此必须将CCD 输出图像的数字量值转化为CCD 形成的电子数值，这个转化因子即为该CCD 成像系统的增益。本文首先推导了CCD 成像系统增益的计算方法，然后利用该方法测量了在研的某空间遥感仪器的CCD 系统增益。并将计算结果与理论值进行了比较。证明了该方法的有效性。

1 方法推导

CCD 成像系统的总噪声NE2 由读出噪声、散粒噪声和暗电流等其他噪声构成，各噪声源是彼此独立，所以总噪声是各噪声值得平方和。以电子数为计量的总噪声可表示为：

(1)

其中RE 是指以电子为单位计量的CCD 读出噪声； SE 是指以电子为单位计量的CCD 散粒噪声； OE 是指以电子为单位计量的其他噪声。

而CCD 成像系统的增益g 可以表达成以下两式：

(2)

(3)

其中SC 是指以数字为单位表示的CCD 信号；SE 是指以电子为单位表示的 CCD 收集的电荷信号；NC 是指CCD 图像中以数字为单位计量的总噪声。

联合上述3 式可得：

(4)

变形得：

(5)

由上式可知，当( RC2 ＋ OC2) 是常数时，上式变成一个线性方程，CCD 系统的总噪声方差NC2 为因变量, CCD 信号SC 是自变量，增益的倒数1/g 为斜率。

因此利用CCD 成像系统在不同入射光照射条件下输出的图像，在完成暗信号、非线性修正后，计算各幅图像一定区域的信号和噪声，得到信号平均值SC 和总噪声的平方NC2 ；利用最小二乘法拟合线性方程：

y ＝ ax ＋ b (6)

CCD 成像系统的增益g 为：

(7)

2 实验验证

某航天遥感仪器的CCD 成像系统的探测器选择的英国e2v 公司的CCD47-20 面阵探测器，这是一款帧转移、背照明、紫外增强型CCD 探测器。探测器的性能参数如表1 所示。

表1 面阵CCD 探测器性能参数

为了测量该CCD 成像系统的增益， 利用积分球改变入射光信号的强度，采集记录CCD 成像系统的输出的图像，在积分器某光强下CCD 输出图像如图1 所示， 选定红色框内的区域为计算区域( 输出数字量较均匀)，计算在各积分球信号下该区域的平均值和方差( 总噪声)，图2 给出了总噪声平方NC2 随信号平均值SC 的分布曲线。

图2 总噪声平方NC2 随信号平均值SC 的分布曲线

对总噪声平方NC2 与信号平均值SC 进行最小二乘法线性拟合结果为：

NC2=0.13263*SC+11.4324(8)

由式(7) 的系统的增益为g=1/0.13263=7.54 e-/counts。

由上述方法测得该CCD 成像系统的增益为7.54 e-/counts，而该系统的理论增益为7.4 e-/counts。所以该方法测量结果的误差为1.9%。误差主要来源于除散粒噪声和读出噪声外其他噪声的影响。

3 总结

本文提出了一种CCD 成像系统增益的测量方法，并详细推导出了系统增益的计算公式。利用该测量方法计算出某航天遥感仪器CCD 成像系统的增益，并与理论值进行了比较，表明了该增益测量方法的可行性和精度，为相关CCD 成像系统增益测量提供了理论依据及参考。

【参考文献】

[1] 张惠鸽, 白立新, 张文德等. 用于ICF 的光学CCD 系统增益的标定研究[J]. 贺电子学与探测技术,2007,27(4): 759-763.

[2] 沈锋, 张学军，饶长辉等. 像增强型CCD 探测器的光学特性[J]. 光学学报, 2002, 22(5): 601-606.

[3] 刘广荣, 左昉, 周立伟等. EBCCD 的增益及信噪比研究*[J]. 光学技术, 2002, 28(2): 120-122.

[4] 薛旭成, 石俊霞, 吕恒毅等. 空间遥感相机TDI CCD 积分级数和增益的优化[J]. 光学精密工程, 2011, 19(2): 857-863.

【作者简介】

黄煜（1979-），男，博士，副研究员，主要从事空间紫外遥感技术方面的研究

图1 在积分器某光强下CCD 输出图像019