面阵CCD各像元光电变换非线性度探讨陈家凤陈海清陈卓(华中科技大学光电子工程系)摘要：在对光辐射的响应电压进行测试的基础上•对面阵CCD采集系统光电变换非线性度测试方法进行了探讨•给出了测试原理、方法以及实验结果，分析了最小二乘拟合法在CCD采集系统中的应用，研究结果表明：所测实验数据准确•方法可行.关键词：CCD采集系统；非线性度；最小二乘法中图分类号：0434.12文献标识码：A文章编号：1671-4512(2002)10-0099-03目前CCD应用技术在光电检测技术和现代测试技术领域中成果累累，方兴未艾⑴.但是CCD是由许多光敏元组成的，各个光敏元的灵敏度不尽相同，具有一定的不均匀性，中等精度的CCD的不均匀性一般为5%-1()%，高精度的CCD的不均匀性可控制在1%〜3%•用于摄像、尺寸测量等场合的CCD,对采集的数据没有严格的定量要求，因而也就不关心它的线性.但在应用于光斑的质量分析等方面的定罐时,CCD的线性度就显得特别重要，因为如果CCD的线性不好,CCD的数据就不能正确反映光强的大小，从而给测量带来误差，因此在CCD采集及图像处理系统中的线性性就显得非常重要.而由CCD芯片及其驱动电路和采集电路所构成的CCD采集系统，它的输出数字信号(灰度值)与输入光信号(光照度)之间的非线性度更是一个非常重要的参数.因此，本文对Mintron,MTV-13Vl1/3〃摄像机的CCD(在关闭自动增益控制的情况下)各像元光电变化的线性度作了深入的探讨.1非线性度测试原理实验装置由光源、积分球、高精度直流恒流电源、高精度照度计、待测面阵CCD器件及图像采集系统与计算机组成•积分球用来产生均匀的光场.将待测CCD的光敏面与高精度照度计的探头一起放置在积分球的输出窗口处.在积分球的输入窗口装有30W的白炽灯作照明光源.在照明光路中设有可变光栏，通过调节可变光栏以改变光通量，从而在积分球输出窗口上获得变化的照度.CCD探测器件输岀的信号通过图像采集卡转换成数字信号后送入计算机，从而获得CCD实测的灰度值VCCD,照度计探头检测到的对应的照度值/可通过在软件中对数据初始化送入计算机.在理想情况下，在CCD的动态范围内，灰度值Vccn与光照度I之间应成线性关系•而实际上,由于CCD芯片光电转换本身及后续电路的非线性谋差，VCCD与光照度/之间呈非线性关系•因此，为了不至于使系统产生非线性失真，首先就必须对CCD进行非线性度检测.所谓非线性度，是指静态测试时，系统的输入和输出之间能否像理想装置那样保持常值的正比例关系的一种量度.从图形上看，是实测装置的输入和输出关系曲线偏离其拟合直线的程度•其技术指标采用CCD的实测灰度值与线性回归后的灰度值的差值的绝对值相対于线性回归后的灰度值的比值•即非线性度Dnl=[ICCD的实测灰度值-线性回归后的灰度值I/线性回归后的灰度值]x100%,其非线性误差△Vcco=CCD的实测灰度值-线性回归后的灰度值.2线性回归系数的确定在获得了一组尤，歹的实测数据后，能否作为收稿日期：2002-04-24.作者简介：陈家凤(196&),女，硕士研究生;武汉，华中科技大学光电子工程系(430074).基金项目：国防科技重点实验室基金资助项目.线性处理，或能否用一元回归方程进行拟合，必须检査工，，之间线性关系的密切程度，即计算工，y的相关系数：Pz=DJdfy=Ya-Z)(y-y)/t■I式中，)£巧,为之间的协方差；分别为z,_IN_IN，的标准差；工=点斗亠为工的均值，严需斗y为y的均值.*'当ov|p“l<l时，表明之间具有一定程度的线性关系.I&J的数值反映了它们线性相关的密切程度，\Pxty\愈接近于1,线性相关的程度愈密切.只有当丨d,I值大于某一临界值时，工，，间的关系才能近似取为直线，从而用线性回归方程来予以表征.对此，根据实验数据，对应不同的照度，选取CCD任意某一像元的灰度和整个CCD平均的灰度，计算出IdJ均接近于1.获得了经过线性相关验算并符合要求的一组工」数据后，在计算非线性度之前，先要确定所用的拟合直线.常用的方法有很多种，但以最小二乘法⑵的拟合精度为最高.其原理是在其残量(实验数据与拟合数据的差)的平方和为最小的条件下求得其回归系数•其求解过程采用最小二乘曲线拟合，原理如下.设已知n个数据点(*M)(，=0,1,…，n-1),求(加-1)次最小二乘拟合多项式Pm_i...