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1、52, 042302(2015)激光与光电子学进展 Laser imaging systems; charge coupled device; photon response non-uniformity noiseOCIS codes230.0040; 230.1150; 230.51601引言高灵敏度光电成像传感器因其响应度高、 线性度好等优点在星敏感器等微光探测及高精度定位领域发挥了极其重要的作用。随着星敏感器对探测能力和定位精度要求的不断提高， 光电成像传感器的噪声指标逐步成为决定设计成败的关键因素， 如何客观准确地建立光电成像传感器的噪声模型， 并实现各类噪声的测试， 最终根据不同噪
2、声的特点进行抑制和校正补偿成为亟待解决的问题。其中， 光子响应度非均匀性带来的光子响应非均匀性噪声作为光电成像传感器的主要噪声源， 体现了像素间响应度的差异。光子响应非均匀性噪声是光电成像传感器辐射参量测试的一个重要指标。在工程应用类测试中， 没有对该噪声进行单独评价， 仅对各种噪声综合作用下产生的响应非均匀性1-3进行测试， 测试方法通常选择半饱和辐射照度入射条件， 然后在该照度下采集一幅图像用于响应非均匀性评估和后续的平场校正。该方法得出的响应非均匀性包含了光子散粒噪声、 暗噪声、 读出噪声4-5等所有噪声的影响， 在此基础上进行的平场校正包含了大量随机因素， 无法最大程度地补偿响应非均匀
3、性噪声， 在高灵敏度光电成像传感器应用领域是不可取的。收稿日期: 2014-12-04; 收到修改稿日期: 2015-01-08; 网络出版日期: 2015-03-13基金项目: 吉林省科技发展计划 （N020120331）作者简介: 孙慧 （1983） ， 男， 硕士研究生， 助理研究员， 主要从事航天产品工艺技术和成像元器件参数检测方面的研究。E-mail:52, 042302(2015)激光与光电子学进展042302-针对上述问题， 从光电效应和热效应的角度出发对高灵敏度光电成像传感器噪声重新进行了分类。从光子响应非均匀性噪声产生的机理出发， 分析并确立了测试方法， 搭建了实验装置， 对
4、星敏感器中应用的SONY ICX285面阵电荷耦合器件 （CCD） 进行了光子响应非均匀性噪声测试， 并通过比对实验说明了其他各类噪声对测试结果的影响， 进一步验证了测试方法的正确性。2光电成像传感器噪声分类光电成像传感器作为一种半导体图像传感器， 其主要原理是内光电效应。因此光的粒子性和半导体对热的敏感性这两种基本特性都会在成像过程中得到体现， 也就是光生电子和热生电子。从这两个基本方面出发， 可以很清楚地定位光电图像传感器的噪声源。光电效应产生的主要噪声包括光子散粒噪声和光子响应非均匀性噪声。半导体热效应产生热生电子， 即暗电流信号， 暗电流信号与光生电荷信号一样以信号形式存在， 但是对于
5、成像传感器而言， 暗电流信号不是有效信号， 因此同样作为噪声处理。与光电效应产生的噪声类似， 热效应同样产生暗电流散粒噪声、 热响应非均匀性噪声， 这里将暗电流、 暗电流散粒噪声、 热响应非均匀性噪声统称为暗噪声。另外， 作为必不可少的一方面， 驱动电路部分还会带来电路读出噪声， 量化噪声等。图 1 为从光子入射到信号输出过程中光电成像传感器噪声信号流图 （PRNU:光子响应非均匀性，A/D：模数转换） 。图 1 面阵 CCD噪声信号模型Fig.1 Model of array CCDs noise光子散粒噪声是由于光子发射的随机性造成的， 这种随机性在时间域和空间域均存在。在时间域上的表现为
6、同一像素在相同光照和固定积分时间下， 每次积分过程中势阱内搜集的电荷均不同， 变化具有随机性， 基本符合泊松分布6-8。在空间域上的表现为在相同光照和固定积分时间下， 一次积分过程中不同像素势阱内搜集的电荷均不同， 且变化具有随机性， 同样符合泊松分布。这种随机噪声无法减少和抑制， 因此成为限制光电成像传感器信噪比的基本限制因素。光子响应非均匀性噪声是由器件制造过程中各像素的通光面积以及膜层透光程度的差异引起的， 体现了像素间响应度的差异， 属于固定的系统噪声， 该噪声也无法通过电路抑制， 但如果能够进行精确的测试， 可以通过后续的图像处理进行校正和补偿。暗信号噪声属于热生电子型噪声， 受环境
7、温度和器件积分时间影响较大， 通过控制环境温度并且在相同状态下减去暗场图像可以实现对该噪声的消除。在由驱动电路引入的噪声中,部分噪声可以通过相关电路的设计进行消除， 如KTC噪声， 而电路读出噪声或量化噪声不可以减少和抑制， 它在使用过程中作为本底噪声一直存在9。下面利用在均匀光照射条件下获取的图像阐述信号和噪声之间的关系。在均匀光照条件下获取一幅图像， 通常将图像的均值-D(i,j)作为信号的参考值， 把该幅图像的标准偏差TO作为噪声的参考值。-D(i,j)表达式如(1)式所示，D(i,j)为图像单像素的图像输出数码值 （DN 值） ， m、 n 为图像传感器行、 列数，-Dsi(i,j)为
8、光电效应产生的有效电荷等效 DN值，-Dda(i,j)为热效应产生的有效电荷等效 DN值，即暗电流等效 DN值。由(1)式可知， 在没进行暗电平校正前， 图像的均值中包含了暗电流信号。 -D(i,j)=1 m ni = 1n j = 1m D(i,j)=-Dsi(i,j)+-Dda(i,j).(1)252, 042302(2015)激光与光电子学进展042302-TO的表达式如(2)式所示， 各种噪声采用均方根方式合成。其中，2 SL为光子散粒噪声的均方差，2 PRNU 为光子响应非均匀性噪声的均方差，2 DL为暗电流散粒噪声均方差，2 DPRNU为热响应非均匀性噪声均方差， 2 CI为电路读
9、出噪声均方差，2 NL为 AD量化噪声均方差。TO=2 SL+ 2 PRNU+ 2 DL+ 2 DPRNU+ 2 CI+ 2 NL.(2)3光子响应非均匀性噪声评价方法从光子响应非均匀性噪声的产生机理不难得出，PRNU是由图像传感器像素间响应度差异和入射照度共同决定的， 其值应与入射照度成正比， 于是采用光子响应非均匀性噪声因子来评价光子响应非均匀性噪声，关系式如 （3） 式所示。Ri为单像素的响应度， 因子仅为Ri的函数， 在器件加工完成的情况下应为常数。 =PRNU Dsi(i,j)=n n - 1 i = 1nRi-1 ni = 1n Ri2 i = 1n Ri.(3)由(3)式可知，
10、完成的测试必须首先获得不同照度下的-Dsi(i,j)和PRNU， 因此如何从(1)式中提取-Dsi(i,j)以及如何从(2)式中提取PRNU成为关键问题。从-D(i,j)中提取-Dsi(i,j)的过程又称为暗电平校正。-Dda(i,j)为热效应产生的暗电流信号， 只与温度和积分时间有关。在温度恒定， 积分时间固定的条件下， 将输入照度降为 0， 即采集暗场图像， 则图像的-D(i,j)中-Dsi(i,j)分量为 0， 可以直接得出-Dda(i,j)。而在暗场下计算的TO包含了DL、DPRNU、CI和NL分量， 可知直接实现了相关噪声的扣除。在暗场实现了热噪声和电路噪声的扣除后， 最后需要处理的
11、即是光子散粒噪声SL,由于该噪声是无法消除的， 因此不能直接通过电路设计抵消。这里利用散粒噪声属于随机噪声的特性， 采用多次测量取平均的方法消除。具体为在相同光照、 温度和积分时间条件下采集 N 帧图像， 首先求取单个像素 N 次采样的均值-DP(i,j)，这样即消除了单像素散粒噪声的影响。之后将-DP(i,j)组成一幅新的均值图像， 该图像已经不包含散粒噪声的影响， 计算出的TO中NL分量为 0。综上所述， 经过暗场图像校正和多幅图像单像素时间域均值处理两个环节， 可以从(1)式和 （2） 式中精确图 2的测试流程Fig.2 Testing process of352, 042302(201
12、5)激光与光电子学进展042302-地提取-Dsi(i,j)和DPRNU， 进而完成光子响应非均匀性噪声因子的测试， 测试流程图如图 2所示。首先进行暗场测试， 获取 N 帧暗场图像， 计算每帧图像的均值 Ddi和均方差2 DTOi，再对 Ddi和2 DTOi求均值 计算获得暗信号 Dda （i,j）和暗信号噪声2 DTOi,存储测试结果。 然后进行亮场测试， 每次积分球输出辐照度增加一个步长， 待光源稳定后采集 N 帧图像。对图像进行处理， 求取该照度下每个像素 N 次采样的平均值-DP(i,j)，组成一幅新的图像， 计算该图像的均值 D（i,j）和标准偏差TO， 依据流程图中的计算公式完成
13、暗噪声扣除， 最后得出该照度下的噪声因子i。增加输出照度至被测设备输出饱和， 重复上述过程， 得出噪声因子序列i。最后以输入照度为横轴， 以为纵轴绘制响应非均匀性噪声因子曲线， 测试过程结束。需要注意的是， 测试过程中对暗场图像的处理和亮场图像的处理方式是不同的。对于暗场图像， 首先计算每帧图像的均值和均方差， 然后再计算 N 帧图像均值的均值和均方差均值的标准偏差。该处理方法在结果的标准偏差中保留了暗电流散粒噪声分量， 采集 N 帧图像测试仅为了提高测试的准确度。对于亮场图像， 采集 N 帧图像后， 首先计算每个像素 N 次采样的均值， 形成一个均值像素图像。然后对均值像素图像进行处理， 得
14、出均值像素图像的均值和标准偏差， 该处理方法消除了光子散粒噪声分量， 为提取PRNU奠定了基础10。测试最终给出光子响应非均匀性因子随辐射照度变化的特性曲线。4光子响应非均匀性噪声测试4.1 测试平台搭建高灵敏度光电成像传感器光电参数测试平台如图 3所示， 该平台由照度可调光源、 辐射照度计、 控制及图像采集计算机三部分组成。为了保证高响应度光电成像传感器在暗场和饱和输出之间有足够的可调节照度等级， 光源采用双积分球结构设计， 小积分球内对称放置 4只额定功率为 10 W 的溴钨灯， 大小积分球之间用可调光阑连接， 这样出射光在小积分球内匀光后， 经可调光阑进入大积分球， 并通过大积分球的二次
15、匀光作用后输出至待测传感器像面， 经检测， 大积分球开口中央部分辐射照度均匀性为 99.85%， 满足待测光电成像传感器响应非均匀性噪声测试对光源均匀性的要求。辐射照度计探头放置于靠近积分球开口处的内壁上， 可以实时监测开口处的辐射照度。控制及图像采集计算机控制软件采用 VB.Net与 Matlab 相结合设计， 对 Matrox 采集卡进行二次开发， 能够完成图像各像素点处数码值实时查询、 全帧或部分区域图像自动采集、 存储和后续辐射参量计算。图 3 高灵敏度光电成像传感器光电参数测试平台Fig.3 High sensitivity optical imaging sensor optica
16、l parametric test platform4.2 光子响应非均匀性噪声测试测试选取了 SONY公司生产的 1434 pixel1050 pixel面阵 CCD ICX285， 设置为全帧读出模式， AD 采用12 bit量化。保持暗室中温度为恒温 25 ， 通过控制软件设定面阵 CCD 积分时间和增益为固定值。计算机控制软件按照图 2的测试流程控制积分球、 图像采集卡等设备完成全部测试过程。为了便于数据分析和验证光子响应非均匀性噪声测试结果的正确性， 基于采集图像绘制了被测 CCD的视频响应曲线， 如图 4所示。从图 4可以看出， 响应曲线明显分为线性区和饱和区两部分， 且在辐射照度仅452, 042302(2015)激光与光电子学进展www.opticsjournal
