光纤耦合CCD相机的平场校正方法研究

    0 引言

    CCD相机作为新型图像捕获设备,已经广泛地应用于各行业.但是,实际的CCD相机在光敏元的响应、噪声水平、量子效率等方面均存在差异,导致在相同的条件下各个光敏元产生不同的光电子数,所对应的输出信号也不一致的现象,这种现象称为响应的非均性(Photo-Response Non-Uniformity简称PRNU[1]).对于阵列探测器而言,响应非均性的现象总是存在的;如果系统中采用了光纤面板或光纤锥、镜头等耦合器件,则系统表现出来的响应非均性更严重,例如镜头的渐晕现象将导致均匀光场成在CCD敏面上的像不是平场而是一个具有与渐晕分布相似的光场;如果耦合器件是光纤面板,则由于各光纤透过率的差异,也会导致入射到CCD光敏面上的光场存在差异,且光场的分布明显与光纤透过率的分布一致;而CCD本身也会因制造上的原因使得各光敏元的响应率、暗电流的水平不一样,最后造成输出图像中各像元存在差异1综上所述,响应的非均性可以看作是成像系统像面上的像元间的响应失配引起的1平场校正就是要消除上述这样的一些差别,使输出图像为所拍摄的真实图像。

    本文根据系统的组成分析了系统输出信号的成份及其响应规律,说明了只有在响应具有线性关系的情况下才能使用平场校正的方法达到图像校正及精密处理的目的;并以该系统为例阐述了具体的平场校正方法,给出了校正前后的图像。

    1 光纤(锥)耦合的CCD相机结构

    图1是某种X射线CCD相机的光学传输结构1其中X光转换屏是光纤结构的转换器,材料为发光玻璃,厚度5 mm,X光在其体内被吸收并被转换为可见光,沿纤维方向传播到光纤锥的入射端面;利用光纤锥较高的能量耦合效率将可见光图像高效地传输到CCD光敏面上,并达到图像面大小的变换作用,获得分辨率未受严重影响(视光纤的直径)的图像,最后由系统输出一幅已数值化的图像。

    2 图像传递中的响应关系

    2.1 X光转换器

    在X光转换器中,材料对X光的响应是线性的,与材料种类、厚度、光纤端面积、X光光子能量有关,可以简单地表示为[2]

Sx(x,y)=Gx(x,y)Xi(x,y) (1)

    式中Sx(x,y)为(x,y)处的单根发光光纤的输出光信号,单位可设为光子数;Gx(x,y)为(x,y)处单根发光光纤对X光的响应效率,已经综合了光纤的端面积、长度及X光能的影响,单位为光子数(C/Kg)-1;Xi(x,y)为(x,y)处入射X光的照射量,单位为C/Kg1Gx(x,y)明显地由于发光材料及光纤端面积的差异而不同,并且由于光纤排列的原因,导致X光转换器内Gx(x,y)并不一致,存在一定的分布,甚至相邻两根发光光纤的Gx(x,y)值可以相差很大。