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CN111988546B - 一种倍增ccd倍增增益及读出噪声测量方法 - Google Patents

一种倍增ccd倍增增益及读出噪声测量方法 Download PDF

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CN111988546B CN202010964357.7A CN202010964357A CN111988546B CN 111988546 B CN111988546 B CN 111988546B CN 202010964357 A CN202010964357 A CN 202010964357A CN 111988546 B CN111988546 B CN 111988546B
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金敬文
朱垚鑫
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Abstract

本发明提供一种一种倍增CCD倍增增益及读出噪声测量方法，在平场光下对EMCCD进行线性段内曝光，计算曝光后所得图像灰度信号的方差与均值，通过多组数据进行直线拟合并计算斜率，同时读出噪声表达截距；并按照给出的函数方程：
Figure DDA0002681702010000011
Figure DDA0002681702010000012
对EMCCD倍增增益进行计算，得出倍增结果。本发明提供了一种基于在多组EMCCD线性段内曝光数据下的直线拟合的一种稳定测量方法，稳定有效。

Description

一种倍增CCD倍增增益及读出噪声测量方法
技术领域
本发明涉及一种倍增CCD倍增增益及读出噪声测量方法，属于电子元器件测试技术领域。
背景技术
EMCCD即电子倍增CCD，是探测领域内灵敏度极高的一种高端的光电探测产品。随着EMCCD的快速发展，已经被广泛的运用到了军事、天文等领域中，并渐渐的渗透到了人们日常生活所需的方方面面。EMCCD的量子效率高，对微光图像的探测效率强，是全固态电子倍增器件。它制造成本低、寿命长、稳定性高，而倍增增益可调的特性也使得其可以满足全天候、大动态范围的应用需求。而在鉴定检验测试中，对EMCCD现有的增益测试方法存在测试结果偏差较大，稳定性欠佳等问题，需要针对相应问题对现有方法进行改进，设计出精度更高、稳定性更强的测试方法。
发明内容
本发明的目的是为了能够获得更精确的倍增增益而提供一种倍增CCD倍增增益及读出噪声测量方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种倍增CCD倍增增益及读出噪声测量方法，包括以下步骤：
S1：设置倍增增益控制寄存器为x，EMCCD在平场光的线性曝光下，对曝光时间texp，得到图像灰度信号的数据，μout(texp)、
Figure BDA0002681699990000011
并进行多组数据采集；
S2：通过下式：
Figure BDA0002681699990000012
由此得到的多组数据(μout(texp)，
Figure BDA0002681699990000013
)进行数据拟合，可将该数据拟合为一条直线，并通过计算得出直线斜率A*Mx*F*F及截距
Figure BDA0002681699990000014
其中:
texp为EMCCD线性段内(曝光)积分时间；
Figure BDA0002681699990000015
为平场光下EMCCD曝光texp时间后所得图像灰度信号的方差；
μout(texp)为平场光下EMCCD曝光texp时间后所得图像灰度信号的均值；
Figure BDA0002681699990000021
为与texp无关的读出噪声；
A为倍增增益等于1时EMCCD的系统增益；
Mx为倍增增益控制寄存器为x时的EMCCD倍增增益；
S3：根据得到的直线斜率A*Mx*F*F，由函数方程：
Figure BDA0002681699990000022
及倍增增益等于1时EMCCD的系统增益A,计算得到EMCCD当前的读出噪声
Figure BDA0002681699990000023
及倍增增益Mx。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于多组数据的EMCCD倍增增益测量方法，对比现有方法，能够获得更精确的倍增增益，适于工程应用，稳定可靠。
附图说明
图1是本发明测量流程图；
图2是EMCCD信息流图；
图3是平场光图像灰度信号多组数据直线拟合示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
区别于目前普遍采用的两点式倍增增益计算法，本方法通过倍增CCD(EMCCD)图像传感器在平场光下曝光的多组灰度数据进行直线拟合并计算斜率，同时读出噪声表达截距，从而计算EMCCD倍增增益。
EMCCD的成像区、存储区和读出寄存器都和传统帧转移CCD结构相同，但是在读出寄存器和输出放大器间多出了一串增益寄存器结构。基于EMCCD的结构和工作方式，给出了EMCCD的信息流图(图二)，其中的系统增益K包括EMCCD的倍增增益和输出放大器增益。通过对文献调研和数学建模，充分利用现有研究和试验结论，可以建立如下光电转换公式：
Figure BDA0002681699990000024
Figure BDA0002681699990000025
其中:
texp为EMCCD在平场光线性段内(曝光)积分时间；
Figure BDA0002681699990000031
为平场光下EMCCD曝光texp时间后所得图像灰度信号的方差；
μout(texp)为平场光下EMCCD曝光texp时间后所得图像灰度信号的均值；
Figure BDA0002681699990000032
为与texp无关的读出噪声；
A为倍增增益等于1时EMCCD的系统增益；
Mx为倍增增益控制寄存器为x时的EMCCD倍增增益；
F为EMCCD器件的倍增噪声因子。
本测量方法是这样实现：
S1：设置倍增增益控制寄存器为x，EMCCD在平场光的线性曝光下，对曝光时间texp，得到图像灰度信号的数据，μout(texp)、
Figure BDA0002681699990000033
并进行多组数据采集，
S2：通过下式：
Figure BDA0002681699990000034
由得到的多组数据(μout(texp)，
Figure BDA0002681699990000035
)进行数据拟合，可将该数据拟合为一条直线，并通过计算得出直线斜率A*Mx*F*F及截距
Figure BDA0002681699990000036
其中:
texp为EMCCD线性段内(曝光)积分时间；
Figure BDA0002681699990000037
为平场光下EMCCD曝光texp时间后所得图像灰度信号的方差；
μout(texp)为平场光下EMCCD曝光texp时间后所得图像灰度信号的均值；
Figure BDA0002681699990000038
为与texp无关的读出噪声；
A为倍增增益等于1时EMCCD的系统增益；
Mx为倍增增益控制寄存器为x时的EMCCD倍增增益，
S3：根据得到的直线斜率A*Mx*F*F，由函数方程：
Figure BDA0002681699990000039
及倍增增益等于1时EMCCD的系统增益A,计算得到EMCCD当前的读出噪声
Figure BDA00026816999900000310
及倍增增益Mx。
设置倍增增益控制寄存器为x，EMCCD在平场光的线性曝光下曝光时间texp，并进行多组数据采集，得到图像灰度信号的一组均值μout(texp)、方差
Figure BDA0002681699990000041
通过下式：
Figure BDA0002681699990000042
由得到的数据
Figure BDA0002681699990000043
μout(texp)进行多组数据拟合直线(μout(texp)，
Figure BDA0002681699990000044
)，并算得出直线斜率A*Mx*F*F，且根据得到的直线斜率A*Mx*F*F，由函数方程：
Figure BDA0002681699990000045
及倍增增益等于1时EMCCD的系统增益A,计算得到EMCCD当前的读出噪声
Figure BDA0002681699990000046
及倍增增益Mx。
综上所述：
本发明属于电子元器件测试技术领域，具体为涉及一种通过倍增CCD(EMCCD)图像传感器在平场光下曝光的多组灰度数据，计算EMCCD倍增增益的方法。本发明包括：在平场光下对EMCCD进行线性段内曝光，计算曝光后所得图像灰度信号的方差与均值，通过多组数据进行直线拟合并计算斜率，同时读出噪声表达截距，并按照给出的函数方程：
Figure BDA0002681699990000047
Figure BDA0002681699990000048
对EMCCD倍增增益进行计算，得出倍增结果。本发明提供了一种基于在多组EMCCD线性段内曝光数据下的直线拟合的一种稳定测量方法，稳定有效。

Claims (1)

1.一种倍增CCD倍增增益及读出噪声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设置倍增增益控制寄存器为x，EMCCD在平场光的线性曝光下，对曝光时间texp，得到图像灰度信号的数据，μout(texp)、
Figure FDA0003876743930000011
并进行多组数据采集；
S2：通过下式：
Figure FDA0003876743930000012
由此得到的多组数据
Figure FDA0003876743930000013
进行数据拟合，可将该数据拟合为一条直线，并通过计算得出直线斜率A*Mx*F*F及截距
Figure FDA0003876743930000014
其中:
texp为EMCCD线性段内曝光积分时间；
Figure FDA0003876743930000015
为平场光下EMCCD曝光texp时间后所得图像灰度信号的方差；
μout(texp)为平场光下EMCCD曝光texp时间后所得图像灰度信号的均值；
Figure FDA0003876743930000016
为与texp无关的读出噪声；
A为倍增增益等于1时EMCCD的系统增益；
Mx为倍增增益控制寄存器为x时的EMCCD倍增增益；
F为EMCCD器件的倍增噪声因子；
S3：根据得到的直线斜率A*Mx*F*F，由函数方程：
Figure FDA0003876743930000017
及倍增增益等于1时EMCCD的系统增益A,计算得到EMCCD当前的读出噪声
Figure FDA0003876743930000018
及倍增增益Mx。
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