电荷耦合器件CCD的线性度Charge-Coupled Device (CCD) Linearity

科学成像系统的一个重要特征是响应入射光的线性度，特别是在用于定量光度分析时。在采用电荷耦合器件（CCD）传感器的数字相机系统中，CCD的基本功能是将承载图像信息的光子转换为电子信号。在数字化之后，理想情况下，信号输出应与入射在传感器上的光量成线性比例。

入射在传感器上的光子数量和数字输出相关的传递函数由多阶段过程确定，该过程首先在有源像素区域中创建和转移载流子（电子-空穴对），然后转换为电子从电荷域进入电压域，作为放大的电压信号。该模拟信号经过一系列处理步骤，并在最终被数字化以进行显示，图像处理和存储之前被进一步放大。通过适当的器件设计，传递函数会导致最终数字化输出信号相对于入射到CCD的光量呈线性变化，从而使输出信号等于光子输入乘以比例常数。

不同制造商用来测量和报告CCD线性度的方法存在显著差异。评估线性的一种常用技术是基于测量的输出信号作为曝光时间的函数的图表，该图表一直扩展到器件的满阱容量（由势阱或像素保持的电子数量；也称为线性满阱）。线性度规格可以定义为相对于满阱条件下获得的最大信号强度而言，线性偏差的百分比。请注意，同一制造商可能会以线性或非线性方式报告相同的测量结果。

线性度偏差的计算从信号电平与曝光（积分）时间的关系图开始。信号电平通常指定为多少个计数，或者指定为相对数字数（DN）或“ ADC单位”（ADU），这是模数转换器输出的与电压成比例的值。图1给出了高性能CCD的这种线性图。对数据进行线性最小二乘回归分析，并确定每个数据点与计算出的最佳拟合线之间的偏差，以确定最大正偏差值和负偏差值。非线性度以百分比形式计算如下，其中绝对值用于两个偏差最大值：

相机系统的线性度由CCD本身以及信号处理链中的其他电子组件确定，最终由模数转换器决定。实际上，任何非线性都表示相机的增益常数随信号电平的变化。定量成像操作（例如算术比确定，线性变换，阴影校正和其他处理算法）依赖于绝对信号测量，要求相机增益和信号强度之间没有显着的相互依赖性。高性能CCD成像系统与大多数其他成像传感器（包括胶片，视频管和视频CCD摄像机）相比，在较宽的信号范围内均具有极佳的线性度，而其他成像传感器线性度可能会偏离几个百分点。在4或5个数量级的信号范围内，用于科学用途的CCD相机通常具有千分之几到百分之一非线性值。线性的偏差通常是恒定的，并且如果特征明确，则可以通过查找表将非线性校正为小于百分之一的值。

尽管CCD传感器在宽动态范围内以线性方式响应，但是当在高平均照度下达到满阱条件时，通常会观察到非线性响应。请注意，在图像场的一小部分曝光过度但被较低的平均强度水平包围的情况下，良好的线性可能会超出满阱的范围。如果整体照明足够明亮，则CCD响应将变为非线性，并发生饱和，并在整个阵列上出现光晕（超出满阱容量的像素产生电荷溢出）。当强度的增加在记录的信号中不再产生任何变化时，就存在饱和。在整个像素阵列上平均强度过高时，在相同信号电平下会开始非线性响应和满阱容量。

根据传感器的特性，在极低的照明水平下也会产生非线性响应，原则上，如果需要，可以校准非线性区域中的响应。 但是，最佳实践是将曝光限制在所使用的特定传感器的线性区域内，因为饱和的开始可能很快且难以预测。 可以采取的避免在高光照条件下CCD饱和的措施之一是捕获几个较短的曝光，这些曝光的持续时间与所需的较长积分间隔相等。 可以在处理过程中组合多个短曝光图像，尽管在某些应用中必须考虑到在较长的时间间隔内组合短曝光与单次曝光积分时普遍存在的不同信噪比的影响。

撰稿人
Thomas J. Fellers and Michael W. Davidson – National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr., The Florida State University, Tallahassee, Florida, 32310.