科学级CCD相机像元不一致特性及其校正研究

    科学级CCD相机(Scientific grade CCDcamera)是一种具有低噪声、高灵敏度、大动态范围和高量子效率等优良性能的CCD相机,用于对微光信号检测和微光成像。它在射线数字成像检测、天文观测、生物医学工程、武器装备、水下摄影等多种技术领域得到了广泛应用。然而,在对此种相机转换图像质量要求较高时,发现通过采用多幅图像叠加的方法,使图像质量的改善是有限的。本文通过对CCD像元暗电流和光子响应特性的研究,揭示了其因,并且此种降质因素可以通过本文的方法,采用像元特性校正得到有效的抑制。

    本文的研究结论在下述二种科学级CCD相机上得到了验证:Silar公司ISD017A CCD芯片半导体制冷相机、Photometrics公司PXL6300液体制冷CCD相机。前者主要技术指标见表1.1,属于目前国际上中档性能科学级相机,本文以该相机为例阐述研究的结果。

    1　CCD像元暗电流不一致特性及其校正

    CCD暗电流是指在无光照的情况下,积分一定时间后产生的载流子。CCD暗电流引起的图像降质应由两部分构成,一部分是随机噪声,其中包括载流子的热噪声,载流子热噪声是一种泊松分布的随机过程,表现为白噪声信号,降低CCD的工作温度可以减小这种热噪声,Silar公司ISD017A CCD芯片的科学级相机的工作温度为-30℃;另一部分是由CCD像元本身特性不一致性而造成的像元暗电流1999年11月收稿,2000年9月定稿。大小不一致性。现在对这种不一致性加以研究。

    根据CCD工作过程,像元(i,j)的暗电流Qd(i,j,t)经时间t1输出

    式中,A为电极面积;Jd为单位面积电流密度;W为CCD的转移、读出和控制电路等造成的随机噪声。当将此暗电流图像连续采集N幅,进行叠加处理时,因为

    于是,当采集幅数足够多时,像元暗电流均值可用下式估计:

　　图1.1(a)是CCD积分时间为60s暗电流图像中任一行的灰度曲线(其中横坐标为该行的像元位置,纵坐标为12位灰度值,以下曲线图同此意)。图1.1(b)是按(1.3)式,与图1.1(a)相同拍摄条件下的25幅暗电流图像叠加平均后与图1.1(a)对应行上的灰度曲线,图中可以看出:

    (1)像元暗电流(均值)呈现出明显的不一致性,其中相当数量的像元暗电流幅值远大于随机噪声,呈现出明显的脉冲噪声性质。对线型CCD器件,暗电流也具有这种性质[1];

    (2)这种暗电流不一致性应是像元固有的特性(缺陷),不具有噪声的随机性,所以它在图像上造成的“脉冲噪声”,不可能期望以多幅图像叠加的方法加以消除,相反,叠加的结果在一定程度上强化了这种“噪声”。