CCD相机读出噪声_电荷转移效率的测试和归算的改进方法

CN53 - 1189/ P 　ISSN 1672 - 7673 CCD 相机读出噪声、电荷转移效率的 测试和归算的改进方法Ξ 李彬华1 ,2 , 叶彬浔2 (1. 昆明理工大学信息工程与自动化学院 , 云南 昆明 650051 ; 2. 中国科学院国家天文台 , 北京 100012) 摘要 : 简单地介绍了 CCD 相机的读出噪声、电荷转移效率 (CTE) 的常用测 试和归算方法 , 指出了其中的不足之处。在此基础上 , 提出了改进的噪声和 CTE 的测试和归算方法。也就是 , 读出噪声的测量以过扫描区的方差为基础来进行。 而在 CTE的归算时 , 先采用人 - 机交互方式确定一条适当的初始转移直线 ( X 射线的单像元事件线) 和相应的区间 , 在此区间中进行的第一次线性拟合得到 一条较准确的转移直线 , 以后根据前一次的结果自动选取区间并进行线性拟合。 以此方式就可以归算出较为精确的 CTE数据。 关键词 : CCD ; 读出噪声 ; CTE; 测试 ; 数据处理 中图分类号 : P 111. 49 　　文献标识码 : A 　　文章编号 : 1672 - 7673 (2005) 03 - 0177 - 09 购置天文观测用 CCD 成像系统 (亦称 CCD 相机) 时 , 需要了解所购相机的一些主 要指标 , 如量子效率 (QE) 、电荷转移效率 (CTE) 、读出噪声、暗电流 (暗流) 、线性、 满阱等。在研制 CCD 相机的过程中 , 特别是在调试阶段 , 需要经常测试有关指标 , 如 增益、读出噪声和 CTE。因此 , 快速且准确地测试和计算这些参数是非常重要的事情。 关于 CCD 器件及其 CCD 相机性能指标的测试和归算方法 , 在很多文献中都介绍 过[1～9 ] 。我们对两种不同的 CCD ———TH7899M 和 KAF24301E进行了一些测试。开始采用 的是通用的方法 , 发现两个主要的参数 ———读出噪声和电荷转移效率 (CTE) 的测试和 归算方法有需要改进的地方。本文对就这两个参数的测试问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 展开了讨论 , 并给出改进 的归算方法。而另一个有别于以前方法的是 , 这里所有的算法都是用MATLAB 程序 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 语言来实现的[10 ] 。 1 　读出噪声测试和归算的常用方法[1～7 ] 读出噪声一直是 CCD 相机研制人员和用户最关心的指标之一。CCD 相机的读出噪 Vol. 2 　No13 Sep. ,2005 　　　　　　 天文研究与技术 (国家天文台台刊) ASTRONOMICAL RESEARCH & TECHNOLOGY　　　　　　　 第 2 卷 　第 3 期 2005 年 9 月 Ξ基金项目 : 中国博士后科学基金资助 (2003034168) . 收稿日期 : 2005 - 04 - 04 ; 修订日期 : 2005 - 04 - 22 作者简介 : 李彬华 , 男 , 教授 , 博士 , 研究方向 : 天文探测器 声由两部分组成 : 一是 CCD 器件的读出噪声 , 一是 CCD 控制器引入的读出噪声。对于 设计和制作精良的 CCD 控制器来说 , 在较慢的读出速率 (小于 50kHz) 下 , 控制器引入 的读出噪声是很小的 (估计接近或小于 1 个电子) [11 ] , 所以 CCD 相机的读出噪声就主要 来源于 CCD 器件。例如 , Leach 控制器[12 ]和 New Lick Camera 控制器[13 ]等 , 通常可用来 检测 CCD 器件的很多参数 , 包括读出噪声。 在科学级 CCD 成像系统中 , 读出噪声一般以电子 (e2) 为单位。而人们从成像系统 得到的结果是一幅以某种文件格式保存的图像。在天文应用领域 , 大多为 FITS 格式的 图像。而且这样的图像数据是没有实际物理学单位的数值 , 不过为方便起见 , 人们通常 以DN、ADU 或者DU 为其单位。为统一起见 , 本文均以DN 为单位。但是从图像数据得 出以 e2为单位的读出噪声需要解决两个问题 : 首先是图像中读出噪声的计算 , 再就是以 DN 为单位的噪声换算为以 e2为单位的读出噪声。 为便于理解 , 首先介绍一下光子转移曲线 , 它代表 CCD 对不同强度的均匀光信号 的一种响应 , 典型的光子转移曲线图可见文献 [ 1 ] 的图2. 2 (图中采用了对数坐标) 。 通常横坐标为某区域的平均光强信号S(DN) , 纵坐标为该区域的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差的平方σ2s (DN) , 即噪声的平方。图 1 是我们实测的某个 CCD 的一条光子转移曲线 , 其中星号点是实测 点 , 直线是拟合的。我们只给出了光子转移曲线的线性段 , 噪声底部和接近满阱部分图 中没有给出。有了光子转移曲线的概念 , 下面就可以谈前面的两个问题。 图 1 　实测光子转移曲线 (线性段) Fig. 1 　Photon transfer curve (linearity region) measured 对于第一个问题 , 一种通常的做法[7 ]是 , 认为光子转移曲线在纵轴的截距的平方根 是以DN 或ADU 为单位的噪声。另一种做法是用图像过扫描区中的一块局部区域计算其 均方差 , 以此作为以 DN 为单位的噪声。不过 , 后一种方法的使用是有条件的 , 即 CCD 控制器可以设置过扫描区 , 现在大多数科学级 CCD 相机都有这种设置。 对于第二个问题 , 则需要解算图像上每个 DN 对应多少个 e2数 , 这个数通常称之为 CCD 相机的增益常数 K , 单位是 e2/ DN。增益常数的计算也有两种常用的方法 : 即光子 转移曲线法[7 ]和 X射线 (放射源 Fe55) 法[1 ] 。前一种方法就是以光子转移曲线为基础 , 拟合得出曲线线性段的直线 , 该条直线斜率的倒数就是相机的增益常数。后一种方法则 871　　　　　　　　　　　　　　　　　天文研究与技术 (国家天文台台刊) 　　　　　　　　　　　　　　　2 卷 是通过统计图像中的单像元 X射线事件的平均计数值 (DN) , 由于射线的单个光子能量 是固定的 (对 Fe55的 MnKα线 , 这个数值为5. 890 keV) , 它在单个像元上产生的电子是 已知的 (对 Fe55的 Mn Kα线 , 这个数值为1613. 699 e2 , 通常近视为 1620e2) , 用这个已知 的数值除以平均计数值就得到增益常数。 用光子转移曲线的方法 , 通过一组测量 , 可以计算出增益和噪声 , 如果 CCD 控制 器可以设置过扫描区 , 用 X射线的方法 , 则可以通过一幅 X 射线事件的图像 , 计算出 增益常数和噪声。国家天文台 CCD 检测实验室在测试 CCD 相机时通常使用前一种方法 , 而Lick 天文台 CCD 实验室在测试 CCD 芯片时通常使用后一种方法。 2 　读出噪声归算方法的改进 由文献 [1 ] 中的图2. 2 和图 2. 3 可以看出 , 光子转移曲线具有很强的非线性性质 的 , 它可以近似地划分为三个区域 : 读出噪声区、散粒噪声区和固定模式噪声区。只有 在其散粒噪声区 (中间部分) 才近似满足上述的线性关系 , 即图 1 显示的测试点段。所 以当用光子转移曲线方法来确定增益和读出噪声时 , 测试点应选在散粒噪声区 (中间部 分) 的线性段上。这样计算的增益常数才是比较准确的。 从理论上讲 , 光子转移曲线在纵轴上的截距确实是读出噪声 (DN) 。但由于光子转 移曲线在读出噪声区的拟合直线和散粒噪声区的拟合直线是不同的两条直线 , 因此 , 不 能直接用散粒噪声区 (中间部分) 拟合的直线的截距作为读出噪声 (DN) 。 解决的办法有三个 : 一是增加读出噪声区的测试点 , 并在该区内单独进行线性拟 合 , 以直线的截距做为读出噪声 (DN) ; 二是采集多幅本底图像 , 取其中偏差最小的两 幅本底图像之差为基础 , 计算该差值图像上某个局部区域的均方差 , 这个数值除以 2 就看作是噪声 (DN) ; 三是前一方法的改进 , 即计算的局部区域设在过扫描区中 , 当然 这需要相机可以设置过扫描区。 我们在 CCD 相机成像时一直设置有过扫描区 , 所以采用的是后一个方法。和 CCD 检测室的计算结果作过一个简单的比较后 , 我们认为这样改进后计算的结果更为稳定可 靠。 3 　CTE 测试和归算的常用方法 CTE测试的常用方法有 X 射线转移法[1 ] 、扩展像元边缘响应 ( EPER) 法[8 ] 。前者 是绝对测量方法 , 后者是相对测量方法。不太常用的方法还有第一像元边缘响应 (FPER) 法和电荷注入法[9 ] 。 与其它 CTE测量方法相比较 , X 射线转移法是极有价值和不可缺少的。图 2 是绝 对 CTE的定义 , 用 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 表示为 : CTEX = 1 - SD (e2) X (e2) N P , (1) 9713 期　　　　　　　　　李彬华等 : CCD 相机读出噪声、电荷转移效率的测试和归算的改进方法　　　　　　　 图 2 　用 X射线激励的绝对 CTE的定义 Fig. 2 　Absolute CTE definition using X2ray stimulation 其中 CTEX 是用 X射线测量的 CTE ; X (e2)是 X射线信号 (对于 Fe55 , 为 1620e2) ; SD (e2)是 N P 次像元转移后的平均递延电荷 (亦即电荷损失量) 。 图 3 是一个实测的用 X射线转移法计算水平 CTE 的统计图 (已减去了过扫描区的 均值) 。 图 3 　实测 X射线转移 Fig. 3 　X2ray transfer measured 对于不存在重大 CTE缺陷的 CCD , 一般可以采用相对 CTE 测量方法 , 用得最多的 就是扩展像元边缘响应 ( EPER) 法[8 ] 。EPER 法先做一个平场 , 通过测量扩展像元或行 区的递延电荷量来估算 CTE : CTEEPER = 1 SD SLC (e2) N P . (2) 081　　　　　　　　　　　　　　　　　天文研究与技术 (国家天文台台刊) 　　　　　　　　　　　　　　　2 卷 　　其中 CTEEPER是用 EPER 法计算出的 CTE ; SD 是扩展像元区内递延电荷的总量 (e2) ; SLC (e2)是最后一列的电荷量 (e2) ; N P 是 CCD 寄存器像元转移次数。通常为了减小的噪 声并增加信噪比 , 电荷量都采用多行/ 列平均的方法来计算。 4 　CTE 归算方法的改进 从原理上讲 , X射线转移法没有什么可以改进的了。这里仅就 X射线转移法中 CTE 归算方法的一些技术细节问题进行讨论。 在用 (1)式计算 CTE时 , 需要先确定电荷损失量 SD (e2) , 而 SD (e2) 是通过 X 射线的 单像元事件线 (由 Fe55的 Mn Kα线产生的) 与信号轴的起点坐标和终点坐标之差再乘以 增益常数来计算的。由于响应的不确定性 , 单像元事件线并不是一条理想直线 , 通常它 是由围绕理想直线附近的一些散点组成 , 详见图 3。因此 , 这条实际的单像元事件线与 信号轴的起点坐标和终点坐标的交点不是单一的点。如何确定这两个坐标值 , 就产生了 不同的方法。 最简单的作法是凭测试人员目视估计出这两个坐标值。Lick 天文台 CCD 实验室则 是在包含实际的单像元事件线的一段水平的区间内进行直线拟合 , 以便得到一条单像元 事件线的合理近似直线。应该说 , 这比目视法要好一些 , 但在实际的单像元事件线比较 平坦时 (接近理想的单像元事件线 , CTE 很好时) , 结果有时会出错 , 例如 , 计算出的 终点坐标大于起点坐标 , 使得计算得到的 CTE > 1。这是因为由于单像元事件线比较平 坦时 , 所选取的区间中的其它非单像元事件点对直线拟合的结果影响增大所致 , 因而选 取的区间不同 , 所得到的结果也不完全相同。这就需要测试人员的经验和耐心 , 实在没 有办法时 , 就采用目视法计算。 有鉴于此 , 在我们进行 CTE归算时 , 采用了目视和直线拟合相结合的交互式方法。 具体地说 , 就是 : (1) 对 X射线图像进行统计 , 得出单像元事件线的统计图 , 如图 3 ; (2) 进行显示区域调整 , 也就是放大单像元事件线所在的区域 , 如图 4 ; (3) 在调整到适当的显示区域后 , 用目视的方法在实际单像元事件线画一条目视单 像元事件线 , 如图 4 ; (4) 在这条目视线的周围选取一个适当的区间 : 该区间的上/ 下界线平行于目视线 , 而不是平行于横轴 , 且这两条线与目视线的距离应小于目视线高度的 10 % , 以便去掉或者减小Mn Kβ线的影响 ; 在该区间进行直线拟合 , 得到初次拟合单 像元事件线 ; (5) 以初次拟合线为基础 , 重复第 4 步 ; 迭代过程结束后 , 得到最终拟合的单像元 事件线 , 如图 5 ; (6) 由拟合直线计算出起点坐标和终点坐标。 表 1 是用改进算法对一幅 Fe55的 X射线图像在不同的给定目视单像元事件线 (初始 值) 和不同的噪声计算区域条件下计算得出的 CTE、增益和读出噪声数值和标准差。表 1813 期　　　　　　　　　李彬华等 : CCD 相机读出噪声、电荷转移效率的测试和归算的改进方法　　　　　　　 图 4 　调整的显示区间和目视单像元事件线 Fig. 4 　Adjusted display region and man2view single2pixel2event line 图 5 　单像元事件线的线性拟合区间和结果 Fig. 5 　Linearity fitting region for single2pixel2event line and its result 中各次计算的初始值的差别是很大的 , 如起点坐标初始值大到 1750 , 小到 1600 , 但计 算的结果还是非常理想的。只是初始值偏差太大时 , 迭代计算次数有所增加 , 从一般情 况下的几次迭代增加到十几次迭代。由表 1 可知 , 对 CTE、系统增益、读出噪声的计算 结果分别准确到在小数点后第六、三、一位。而在实际工作中 , 科学级 CCD 的 CTE、 系统增益和读出噪声这三个参数分别 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 准确到小数点后第五、二、一位。所以 , 该算 法完全能满足人们对科学级 CCD 器件的 CTE、系统增益和读出噪声这三项指标的测量 精度要求。 281　　　　　　　　　　　　　　　　　天文研究与技术 (国家天文台台刊) 　　　　　　　　　　　　　　　2 卷 表 1 　CTE、增益和读出噪声的测量值和标准差 Table 1 　Measured values of CTE , gain and read noise and their standard errors CTE 增益 (e2/ DN) 读出噪声 (e2) 10 次 计 算 的 结 果 0. 99997415 0. 9951 10. 2893 0. 99997425 0. 9954 10. 2994 0. 99997425 0. 9954 10. 2781 0. 99997425 0. 9954 10. 2918 0. 99997415 0. 9951 10. 3272 0. 99997415 0. 9951 10. 2737 0. 99997425 0. 9954 10. 2642 0. 99997415 0. 9951 10. 2996 0. 99997498 0. 9964 10. 3182 0. 99997498 0. 9964 10. 2909 均值 0. 99997436 0. 9955 10. 2932 标准差 3. 32E - 007 5. 05E - 004 1. 92E - 002 　　在处理 KAF24301E CCD 的 X射线测试图像时 , 我们用上述改进的算法来计算 CTE , 所得结果和魏名智博士在Lick 天文台的计算结果差不多。但我们在处理大量的测试数 据过程中 , 没有出现过一次计算失误的情况。而相同的数据 , 用 Lick 的程序处理时 , 有时会出现失误。在和魏名智博士交流的过程中 , 他也认为有必要对算法加以改进。 用上述改进的算法的一个意外收益是 , 通过多次迭代归算 , 使单像元事件线与纵轴 的交点更准确 , 从而使相机增益常数计算更准确 , 准确的增益常数又可以提高 CCD 读 出噪声的测量精度。 应当承认 , 画出目视单像元事件线得益于MATLAB 程序设计环境的使用。当然 , 如 果采用其它可视化的程序设计环境 , 也可以方便地画直线。 5 　结束语 作者在对两种不同的 CCD 的实际测试和数据处理过程 , 对较为成熟的读出噪声和 CTE归算方法进行了一些改进 : 即读出噪声的测量以过扫描区的方差为基础来进行 , 而 CTE 的归算则采用人 - 机交互加线性拟合的方法。这样的改进使得 CCD 读出噪声和 CTE 的计算结果更加稳定和可靠。算法另一个比较大的改变来自于用MATLAB 程序设计语言 的算法实现。MATLAB 程序设计为交互式的图形算法 , 如文中所述的改进 CTE 归算方 法 , 提供了十分重要的帮助。 致谢 : 感谢 UCO/ Lick 天文台魏名智博士、国家天文台宋谦博士对本文研究工作的 支持和帮助。 3813 期　　　　　　　　　李彬华等 : CCD 相机读出噪声、电荷转移效率的测试和归算的改进方法　　　　　　　 参考文献 : [1 ] 　Janesick J , Scientific Charge2Coupled Devices [ M ] . 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National Astronomical Observatories , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100012 , China) Abstract : Test and reduction methods in common use for readout noise and charge transfer efficiency (CTE) of CCD camera are introduced briefly , their insufficiencies are pointed out , and then improvements are made. The modified readout noise measurement is based on the standard deviation of a selected square in the overscan image. When the CTE is reduced , an appropriate initial transfer line from the X2ray single2pixel2events plot and its interzone are first determined by the user2PC interaction , and then a linear fit is performed in the interzone so as to get a more precise transfer line. Thus a new interzone is obtained and a next linear fit can be done. In this manner , a more precise CTE datum can be obtained. Another difference , compared with other methods , is that the modified reduction methods are programmed with MATLAB. Key words : Readout Noise ; CTE ; CCD Test ; Data2processing 5813 期　　　　　　　　　李彬华等 : CCD 相机读出噪声、电荷转移效率的测试和归算的改进方法