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奥林巴斯显微镜成像,电荷耦合器件(CCD)线性度

2013-12-13  发布者:admin 

 科学的成像系统的一个重要特性是响应于入射光的线性度 ,特别是当应用于定量光度分析。 在采用电荷耦合器件(CCD)传感器的数码相机的系统中,CCD的基本功能是将光子携带的图像信息转换成电子信号。 数字化后,信号输出最好应线性正比于入射的光传感器上的量。

有关的光子入射到传感器和数字输出的数目的传递函数是由多级过程,开始于在有源像素区域的创建和电荷载流子(电子 - 空穴对)转移,随后转化的确定电子从电荷域变换到电压域作为一个放大的电压信号。 通过一系列的处理步骤的该模拟信号通过,并最终被数字化显示,图象处理,和存储之前被进一步放大。 用适当的设备设计,传递函数的结果在最终的数字化的输出信号相对于入射的光量在CCD上,使得所述输出信号是等于光子输入乘以一个比例常数的线性变化。

在各厂商用来测量和报告的CCD线性度的方法存在显著差异。 一种常用技术,以评估线性是根据测得的输出信号的一个图形化的情节作为曝光时间的函数,延伸至满阱容量的设备(由势阱或像素持有的电子的数量;也称为线性满井 )。 本说明书中可被定义为从线性偏差相比,在全井条件下得到的最大信号强度的百分比。注意,相同的测量可通过不同的制造商被报告为线性非线性 。

从线性偏差的计算开始的信号电平与曝光(积分)时间的情节。 的信号电平通常被指定为数字的计数,或作为相对数字号码(DN)或“ADC单元”(ADU),它是由模拟-数字转换器,它正比于电压值输出。 图1说明了这种类型的用于高性能CCD线性度曲线。 线性最小二乘回归分析拟合的数据,并用于从所计算的最佳拟合线的每个数据点的偏差,以便确定最大正,负偏差值来确定。 的非线性,以百分比计算如下,其中绝对值同时用于偏差的最大值:

非线性(%)= [(最大正偏差+最大负偏差)/最大信号电]×100

相机系统的线性度由CCD本身,以及其它电子元件中的信号处理链,与模拟 - 数字转换器的最终决定。 实际上,任何非线性表示在具有信号电平在相机的增益常数的变化。 定量成像操作,比如算术比率测定,线性变换,描影修正,以及其它处理的算法依赖于绝对信号的测量,并且要求有是相机的增益和信号强度之间没有显著相互依存关系。 高性能的CCD成像系统表现出非常良好的线性关系相比,大多数其他成像传感器,包括薄膜,摄像机管,和视频CCD相机,其可以由几个%的偏离线性度宽信号范围。 用于科学利用CCD相机通常具有在百分之一以上的4个或5个数量级的信号范围零点几秒的范围内非线性值。 从线性偏差通常是恒定的,并且如果充分表征的非线性可以通过查找表来校正到小于十分之一的百分比的值。

虽然CCD传感器以线性方式在很宽的动态范围,当在高平均光照强度都达到满井情况做出响应,一个非线性响应,通常观察到的。 需要注意的是良好的线性度可能超过全井延伸在所述图象场的一个小的区域过度曝光,而是由较低的平均亮度电平所包围的情况。 如果整体照明足够亮,CCD响应变得非线性和饱和时,伴随着绽放(从像素超过全阱容量充电溢出)在整个阵列。 当增加强度产生在记录的信号没有进一步的变化饱和度存在。 与整个像素阵列上过度的平均强度,非线性响应和全井容量的发作发生在相同的信号电平。

取决于传感器的特性,非线性响应也可能导致在非常低的照明水平,并且在原则上,在非线性区域中的反应可以在必要时进行校正。 最好的做法,但是,是为了限制暴露于线性度被使用的特定传感器的区域中,由于饱和的发作可以是快速且难以预测。 其中,可采取避免CCD饱和的高照度条件下的措施是捕获几个较短的曝光是在持续时间为所需的较长的积分间隔相等的。 多个短曝光图像可以在加工过程中进行组合,尽管在某些应用中必须考虑到的相比,单次曝光的整合在一个较长的时间间隔短相结合的风险为准不同的信号 - 噪声因素的影响。