光纤锥耦合CCD相机图像的平场校正方法

     高性能的科学CCD相机由于其低噪声、量子效率高、动态范围大等优点已广泛用于科研生产中。但是,实际的CCD相机在光敏元的响应、噪声水平、量子效率等方面存在差异,相同的条件下各个光敏元将产生不同的光电子数,所对应的输出信号也不一致,这种现象称为响应的非均性(photo-response non-uniformity),简称PR-NU[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。响应的非均性实际上可以看作是由成像系统像面上的像元间(包括相应路径上)的响应失配引起的。平场校正可以有效地消除这些差别,使输出图像完全反映所拍摄的真实图像。本文根据所述系统的组成分析了系统输出信号的成份及其响应规律,表明只有在线性响应关系下才能使用平场校正方法;并以该系统为例,阐述了平场校正方法的具体步骤,给出了校正前后的图像。

    1 光纤锥或光纤面板耦合的CCD相机结构

    图1是X射线CCD相机典型的光学传输结构,其中X光转换屏是光纤面板结构的发光玻璃转换器,厚度为5mm,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。利用光纤锥所具有的较高能量耦合效率将可见光图像高效地传输到CCD光敏面上,并完成图像面积的变换,获得分辨率未受严重影响(视光纤的直径而定)的图像,最后由系统输出已数值化的图像。

    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,表示在X光的激发下单根光纤输出的光子数;Gx(x,y)为(x,y)处单根发光光纤对X光照射量的响应效率,它已经综合了光纤的端面积、长度及X光能量的影响,表示每C#kg-1的照射量所产生的光子数;Xi(x,y)为(x,y)处入射X光的照射量,单位为C#kg-1。由于发光材料及光纤端面积的差异而导致Gx(x,y)明显地不同,并且由于光纤排列的原因,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)值可能相差很大。

    2.2 耦合光纤锥

    耦合光纤锥传输可见光图像时,可以用传输效率、透射率或耦合效率来描述其传输光能的性能[3],在此以耦合效率Vo来表示。如上所述,相邻两根传输光纤的耦合效率可能完全不同。对于一幅图像的传输而言,光纤锥的输出可以描述为