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奧林巴斯顯微鏡成像,電荷耦合器件(CCD)線性度

2013-12-13  發布者:admin 

 科學的成像係統的一個重要特性是響應於入射光的線性度 ,特別是當應用於定量光度分析。 在采用電荷耦合器件(CCD)傳感器的數碼相機的係統中,CCD的基本功能是將光子攜帶的圖像信息轉換成電子信號。 數字化後,信號輸出最好應線性正比於入射的光傳感器上的量。

有關的光子入射到傳感器和數字輸出的數目的傳遞函數是由多級過程,開始於在有源像素區域的創建和電荷載流子(電子 - 空穴對)轉移,隨後轉化的確定電子從電荷域變換到電壓域作為一個放大的電壓信號。 通過一係列的處理步驟的該模擬信號通過,並最終被數字化顯示,圖象處理,和存儲之前被進一步放大。 用適當的設備設計,傳遞函數的結果在最終的數字化的輸出信號相對於入射的光量在CCD上,使得所述輸出信號是等於光子輸入乘以一個比例常數的線性變化。

在各廠商用來測量和報告的CCD線性度的方法存在顯著差異。 一種常用技術,以評估線性是根據測得的輸出信號的一個圖形化的情節作為曝光時間的函數,延伸至滿阱容量的設備(由勢阱或像素持有的電子的數量;也稱為線性滿井 )。 本說明書中可被定義為從線性偏差相比,在全井條件下得到的最大信號強度的百分比。注意,相同的測量可通過不同的製造商被報告為線性非線性 。

從線性偏差的計算開始的信號電平與曝光(積分)時間的情節。 的信號電平通常被指定為數字的計數,或作為相對數字號碼(DN)或“ADC單元”(ADU),它是由模擬-數字轉換器,它正比於電壓值輸出。 圖1說明了這種類型的用於高性能CCD線性度曲線。 線性最小二乘回歸分析擬合的數據,並用於從所計算的最佳擬合線的每個數據點的偏差,以便確定最大正,負偏差值來確定。 的非線性,以百分比計算如下,其中絕對值同時用於偏差的最大值:

非線性(%)= [(最大正偏差+最大負偏差)/最大信號電]×100

相機係統的線性度由CCD本身,以及其它電子元件中的信號處理鏈,與模擬 - 數字轉換器的最終決定。 實際上,任何非線性表示在具有信號電平在相機的增益常數的變化。 定量成像操作,比如算術比率測定,線性變換,描影修正,以及其它處理的算法依賴於絕對信號的測量,並且要求有是相機的增益和信號強度之間沒有顯著相互依存關係。 高性能的CCD成像係統表現出非常良好的線性關係相比,大多數其他成像傳感器,包括薄膜,攝像機管,和視頻CCD相機,其可以由幾個%的偏離線性度寬信號範圍。 用於科學利用CCD相機通常具有在百分之一以上的4個或5個數量級的信號範圍零點幾秒的範圍內非線性值。 從線性偏差通常是恒定的,並且如果充分表征的非線性可以通過查找表來校正到小於十分之一的百分比的值。

雖然CCD傳感器以線性方式在很寬的動態範圍,當在高平均光照強度都達到滿井情況做出響應,一個非線性響應,通常觀察到的。 需要注意的是良好的線性度可能超過全井延伸在所述圖象場的一個小的區域過度曝光,而是由較低的平均亮度電平所包圍的情況。 如果整體照明足夠亮,CCD響應變得非線性和飽和時,伴隨著綻放(從像素超過全阱容量充電溢出)在整個陣列。 當增加強度產生在記錄的信號沒有進一步的變化飽和度存在。 與整個像素陣列上過度的平均強度,非線性響應和全井容量的發作發生在相同的信號電平。

取決於傳感器的特性,非線性響應也可能導致在非常低的照明水平,並且在原則上,在非線性區域中的反應可以在必要時進行校正。 最好的做法,但是,是為了限製暴露於線性度被使用的特定傳感器的區域中,由於飽和的發作可以是快速且難以預測。 其中,可采取避免CCD飽和的高照度條件下的措施是捕獲幾個較短的曝光是在持續時間為所需的較長的積分間隔相等的。 多個短曝光圖像可以在加工過程中進行組合,盡管在某些應用中必須考慮到的相比,單次曝光的整合在一個較長的時間間隔短相結合的風險為準不同的信號 - 噪聲因素的影響。



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