毕业论文：CCD相机内部参数标定 ㊣ 精品文档 值得下载

响应不均匀性及非线性会给测量精度带来影响。

在实时动态测量时该满足下面的关系，式中是的像元输出的电压是的像元的曝光量，是比例系数，既是位置的函数，又是曝光量的函数。

，中位置表征了的光电响应的不均匀性表征的光电响应非线性。

由上式可知，由于光电响应的不均匀性和非线性，使输出的电压信号没有真实反映曝光量分布。

我们知道，测量技术就是提取曝光量空间分布的特征信息的技术。

由于曝光量分布的失真，使提取的特征信息发生失真，其结果必然导致测量误差。

因此，为了提高测量精度，对光电相应的不均匀性和非线性要进行校正。

在天文应用中是在很特殊的条件下工作的，如观测对象极暗，积分时间很长，天文学家所关心的是量子效率光谱响应和噪声特性。

在低光度观测中，的噪声问题显得尤为突出。

所以，对暗噪声和信噪比的测量也很重要。

国内外对相机内部参数标定的方法传统摄像机标定方法变换矩阵法变换矩阵法从透视变换的角度，在针孔模型的基础上建立摄像机成像模型。

这种方法不需要最优方法，直接从已知的三维空间坐标点求解摄像机的内外参数，运算速度快便于实时计算，但由于引入了中间变量，要求解的方程组为参数方程组，只能得到较好的隐式解。

非线性最优化方法该方法利用三维坐标的些特征点与相应的图像点的坐标的相互关系，建立方程，寻找在些约束条件下的最小值。

虽然这种方法建立的摄像机模型具有较高的准确性，然而最后求解般采用递归方法，如果初始值设定不当，不定能得到理想的解。

的两级标定法根据摄像机的径向畸变模型，利用径向准直约束条件提出种两阶段标定方法首先根据径向准直约束求解出大部分模型参数，然后通过非线性搜索方法求解畸变系数有效焦距等参数。

使用尖劈法标定系统线性动态范围尖劈由两个表面构成，分别镀不同反射率的膜层，两表面的夹角可调。

束入射光入射到尖劈上，经尖劈的两个表面的多次反射形成列光强分布相似能量逐级递减的子光束。

相邻子光束的能量衰减倍数为。

然后，根据输入线性光强，而输出非线性灰度值来标定系统非线性。

此方法能同时测量光电响应非线性和光电响应不均匀性，但是在实际测量时，尖劈最好用法伯标准具，因此光路不好实现。

光路如图，图图图使用光点注入法标定光电响应不均匀性测试中采用光点注入法，即用直径为微米的光点沿像元排列方向逐个对像元进行扫描，测试系统的原理框图见图，被测每个像元所接收的光强相等。

这样保证了输入光强的均匀性。

但是，测量仪器比较复杂并且控制比较难，在般的测量中难以实现。

图光点注入法其中种方法主要是标定系统的畸变，我们在测量的内部参数时，基本上与畸变无关。

数码相机的主要特点和特性在许多应用中，相机的性能与理想的光检测器相似。

理想的光检测器能将个入射光子转换为可检测的信号，而且能够在幅图像中同时检测到非常强和非常弱的光信号。

相机的好坏主要区别在于它的性能，表现在噪声低灵敏度高量子效率高线性度好动态范围大像素响应均匀性和空间分辨率高等方面，其中些特性，比如灵敏度线性度和动态范围与相机扫描速度即读出速度直接相关的。

相机的主要内部参数有暗电流。

所有的硅器件都会产生暗电流，其原因在于少数载流子的激发产生了许多热电子，在器件中热电子形成暗电流。

暗电流会影响系统性能。

线性度。

所谓线性度，是指相机产生的电信号与入射和线性关系。

在典型的视频或应用中，人们并不关心系统的线性度，高达的偏差是允许的。

然而，在成像科学领域中，响应的线性是必须考虑的重要参数，理想情况下，每个像素都可视为个高保真的光子测量器件它产生的电信号与入射光的强度成精确的正比。

动态范围。

动态范围是指相机可观察图像的照度范围。

它可用数字化的灰度来表示等。

动态范围决定了最小可分辨光强，是选择些应用场合所需相机的关键参数。

许多相机和成像系统的分辨率是按照电路给出的，但这并不能反映系统的实际情况，例如，由个模拟视频相机和采集卡抽组成系统的分辨率通常是按照采集卡的分辨率来定义的有效的分辨率，通常由视频相机的噪声或线性度所限制。

噪声特性。

相机的电路噪声是限制相机灵敏度和分辨率的主要因素。

个设计良好的高性能相机，噪声通常只是视频相机的百万分之到千分之。

像素响应不均匀性。

造成不均匀性的原因是多种多样的，硅材共有的，使所有电荷包都能够平行转移到附近的寄存器。

在光电二极管旁边的别的转移栅，叫做电荷重置栅，使电荷从光电二极管转移到公共输出端。

这第二个栅提供重置功能，因为它可以用来清空电荷而不影响的信号。

这样可以控制的积分时间于输出速率，从而提供电子的曝光控制。

在积分时间内，调整重置偏移栅可以来确保在光电二极管被完全填满前过量电荷被排出，这样提供个侧面抑制曝光的作用。

固定模式噪声和图像响应不均匀性当未曾应用曝光控制时，在刚开始光电二极管积分的电压由转移栅电压的高低决定。

可是，转移栅结构的不均匀导致在转移栅下电压上小的不同。

另外，在栅线上有限的电阻导致传感器上电压的不同和导致栅下电压的不同。

这在每个积分时期的开始阶段，光电二极管的电压上可以产生很小的不同。

因为这是栅结构的个特征，它是固有的，这样把它叫做固定模式噪声或简称为。

但是，这些变化不会影响大部分信号电荷转移到中，信号的转移只依赖于积分时间和光电子的转移速度。

但是，当执行了曝光控制，在开始积分时光电二极管的电压由重置偏压决定。

如果它的偏压比以前的高，其电压的大小由转移栅电压的大小决定，这时引入大量的最初电荷。

即使光强低于零流明，这些电荷就像个信号样可以通过转移栅转移到寄存器。

这本身不是问题，因为直流信号在输出端可以轻易去除。

但是，转移栅下偏压的不均匀性会产生直流电压的偏移，这些像素间的变化增加了固定模式噪声。

在应用中需要很高的均匀性，通过存储后面的信号减去在零流明下产生的信号来补偿固定模式噪声。

这在成像系统中加入信号处理电路。

在传感器中微量不均匀性的其它的结果是在相同的光照下产生变化的电荷。

不均匀性可以提高，例如，光电二极管的接受光部分有很小的变化，这图像响应非均匀性在需要时可以像补偿固定模式噪声样的技术补偿。

输出噪声和重置噪声寄存器中的电荷包太小而不能直接输出并且没有大的信噪比降低。

取而代之用小的寄存器来把信号电荷转换为电压，在传输之前电压可以被放大。

换句话说，输出结构是用来把小电荷转换为电压。

这可以用电荷转换效率，即每个电荷单元产生的电压来表明它的功能。

输出端的结构通过把电荷倾倒到不固定的区来完成，或者倒入不固定栅下面的存储电容中来完成。

前面的方法是最常用的办法，因为制造比较容易而且对温度更不敏感。

但是，在每个测量后必须重置存储电容排出电荷。

在另方面，浮动栅的办法有更大的优势，因为电荷包可以转移回去而没有被破坏。

它可以比做称量杯水的重量。

而且，浮动栅不需要重置。

这是非常重要的，因为重置操作导致热噪声，表现为每个像素的不同。

如果需要，重置噪声可以通过相关双采样来消除。

输出端电容器噪声大小由快速取样重置脉冲和保持电路和后面减去噪声来决定。

为了取得整个系统的最大信噪比，使转移效率最大是很重要的，这意味输出端电容尽量小。

增加反馈技术来减小寄生电容来减小电容。

传感器的结构线性扫描传感器最简单的结构是线性传感器，由排光电二极管光栅接近信号输出寄存器组成。

在这种排列中最大像元密度由栅极大小决定，在每个栅中不止个像元。

而且，大的像元数需要更长的数据读出时间。

为了克服这种缺点在与它平行的地方增加排寄存器，让光电二极管交替连接到不同的寄存器。

这样光电二极管可以排列得更紧密，而且，通过平均寄存器个数减少了电荷的转移次数。

适合于多像元高输出速度读出。

最常用的是双线性传感器。

面阵传感器用批平行光敏寄存器形成个面阵来拍二维像，按习惯朝上和朝下来组装。

在面阵最底下边缘是单的水平寄存器，用来连接垂直寄存器的输出端产生信号输出。

这样形成个简凑的面阵。

但是，大的像面和低速率的帧输出导致大量的涂抹，因为垂直寄存器仍然暴露在成像下，并且每次水平寄存器的清空只能转移出个电荷包。

为了避免这种缺点，垂直寄存器可以向下扩展到它的两倍长度，下面半截遮蔽住，不让图像照到上面形成电荷存储区。

用这种办法可以在上半截成像区把它转化为信号，并迅速把它转移到下半截存储区。

这被叫做帧转移传感器。

般在水平寄存器和垂直寄存器之间加个转移栅，用来阻止水平寄存器中的电荷未被清空前就转移到水平寄存器中。

行间转移与填充因子在些应用中需要为每个寄存器提供列光电二极管来连接重置栅侧面抑制过度曝光和曝光控制。

在这种排列下图像可以在光栅上积分，传输到垂直寄存器，然后传输到帧存储器中。

帧插入转移的缺点是减少了每个像元光敏面的大小。

这部分叫做孔径比或光填充因子。

滤色片阵列色彩成像需要滤色片或者棱镜。

最简洁的办法是应用互补色滤光片由红，绿，蓝三色组成，分色板上颜色的分布和恢复分离的颜色信号有很多方法。

时延和积分传感器面阵传感器还有另外重要的应用，例如为线性成像的时延和综合传感器。

从上面机械地线性扫描到下面。

垂直寄存器时钟频率与电荷转移速率和方向相同。

这样确保信号电荷的重建保持在图像相同部位。

用这种办法，与单像元暂时存储时间相比，图像信号可以积分更长的时间。

传感器的灵敏性提高了。

因此，传感器可以用于低光照水平，或用于要很高的扫描速率中。

它还可以平均每列的不均匀性提高性噪比。

传感器底部用转移栅来控制电荷移动到水平读出寄存器。

传感器的时钟系统四相时钟个常用的技术是四相时钟系统，即每个像元都有四个栅。

在任意时间内有两个起屏障作用没有存储电荷和两个起存储电荷作用。

在正常运行中，从右边大多数存储栅置比它高的电压开始。

如图。

他使存储区向右边屏障区加宽和允许电荷向超出存储区的栅极底下延伸。

同时，左边存储区栅极转为低电压，它使存储区从左边减小使电荷向保持电压的存储栅移动。

起结果是电荷向右移动了个栅极宽度。

再重复三次操作，就可以把电荷移动到下个像元里。

用这种方式持续给栅极加上时钟脉冲，电荷将沿着寄存器从左向右移动。

在水平的或线性传感器中，这种方式叫做读出，读出时钟叫做和。

垂直寄存器和水平寄存器之间的转移栅由时间脉冲控制，光电二极管重置栅由像元重置脉冲控制，输出电容重置时钟是。

在面阵和传感器中，电荷沿着垂直的寄存器转移可以通过成像时钟和来控制。

在水平读出时，当转移时钟变高时应用为快速转移到水平寄存器做准备连续转移图像是可能的。