黑白CCD相机平场影响因素分析及校正方法研究

    理想的黑白CCD相机可看作一个理想系统,其阵列上各个光敏单元在完全相同的照射条件下,应当产生相同的输出电荷,即输出强度均匀的图像。而实用的CCD相机并非是理想系统[1, 2],对于一个具体目标而言,黑白CCD相机输出的图像Image(i, j)中包括了以下3个部分:

    (1)偏置图像:即使曝光时间为0,仍然会有的一个本底图像输出,记作Offset(i,j)。

    (2)暗场图像:即使没有光照,仍然会有的一个随时间增强的暗场图像输出,记作Dark(i,j)。

    (3)目标图像:由被测目标产生的光电子像,记作Signal(i,j)。

    即:

Image(i,j)=Signal(i,j)+Dark(i,j)+Offset(i,j)

    对于一个灰度均匀的目标,其真实灰度值为一常数,以Gray表示。由于偏置和暗场的影响,CCD相机实际输出的可能是一个强度不均匀的目标图像,记作Standard(i, j),不均匀的程度与CCD的性能有关。在完全相同的条件下,相机采集某一目标的图像,其输出为Object(i,j),如果希望将其恢复成一个通过理想系统所成的像Objectc(i,j),则:

    上述过程即为对CCD相机进行平场校正的过程[3-6]。本文针对影响黑白CCD相机平场的因素进行了分析,并提出了实用有效的校正方法。

    1 平场影响因素分析

    影响黑白CCD平场的主要因素包括:光敏单元的响应差异、光源的不均匀性和各光敏单元的暗电流及偏置。

    1.1 CCD光敏单元的响应差异

    CCD相机各光敏单元在量子效率、受光面积等方面不尽相同,使得对于相同条件下的入射光得到不同的输出电荷Q(i,j),如式(1)和式(2)所示。

    式中:G(i,j)为光敏单元的量子效率;q为电子电荷量;A(i,j)为光敏单元的受光面积;S(i, j)为光谱辐射量度;n(i, j)为光子流速率(光强);T表示注入时间(又称积分时间)。

    在图像获取过程中,对于CCD阵列的各个光敏单元,其注入时间T及电子电荷量q可看作是完全相同的,故可用常数kc代替, kc=T@q。将光敏单元量子效率G(i,j)与受光面积A(i, j)的乘积用f(i, j)表示。则式(1)变为

   Q(i,j)=kc×f(i,j)×n(i,j) (3)

    由式(3)可知,对于不同的光敏单元,由于量子效率和受光面积的影响,相同的光强将会得到不同的输出电荷。

    1.2 光源的不均匀性影响

    光源射出的光线经过目标表面反射后进入CCD相机进行成像。由于光源本身也存在不均匀性,即使目标的灰度特性是完全相同的,经过反射后进入CCD相机所形成的光强度也并不完全一致。目标的灰度特性、入射光强度、反射光强度三者关系可用近似表示为