CN112312125B - 一种多抽头emccd非均匀性综合校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多抽头EMCCD非均匀性综合校正方法，所述方法的非均匀性对象包括相机的本底非均匀性、光响应非均匀性和倍增增益非均匀性。所述方法可大致分为四个步骤，分别为：步骤一、本底非均匀性校正参数的确定；步骤二、光响应线性非均匀性校正参数的确定；步骤三、倍增增益非均匀性校正参数的确定；步骤四、三类非均匀性校正参数的综合校正运算。本发明提出的多抽头EMCCD非均匀性综合校正方法能够大幅针对性消除前述三类非均匀性对EMCCD输出图像带来的影响，提高EMCCD输出图像的质量。

Description

一种多抽头EMCCD非均匀性综合校正方法

技术领域

本发明涉及EMCCD非均匀性校正领域，尤其涉及一种多通道EMCCD的综合校正领域。

背景技术

EMCCD即电子倍增CCD，其内部的倍增寄存器能够在光生电荷的转移过程中对其进行指数级放大，这一过程使其相较于普通CCD拥有更高的探测灵敏度，广泛应用于天文、生物、医学等微光探测领域。EMCCD相机输出图像的非均匀性直接影响用户的使用，因此相机的输出图像均匀性是EMCCD成像性能的关键因素。普通CCD的非均匀性主要来自于探测器本身的暗场本底非均匀性与光响应非均匀性。而EMCCD除具有本底非均匀性、光响应非均匀性外，在其电子倍增过程中还会引入电子倍增非均匀性。

电子倍增非均匀性则分为通道间非均匀性和像素间非均匀性两类。EMCCD探测器的多抽头输出结构能够极大程度地提高其输出速度，但是不同通道间倍增过程的差异也会引入EMCCD通道间的倍增增益非均匀性。在同一通道内不同像素光生电荷的倍增过程为随机事件，这也会引入像素间倍增增益的非均匀性。

与普通CCD的非均匀性校正不同，本方法除了要校正普通CCD中存在的本底非均匀性与光响应非均匀性外，还要对倍增增益非均匀性进行校正。而倍增增益非均匀性中会引入本底非均匀性与光响应非均匀性，因此需要综合分析这三类非均匀性之间的关系，消除不同非均匀性之间的影响，才能有效地去除EMCCD中的这三类非均匀性。

发明内容

本发明的目的是通过分析EMCCD中的非均匀性组成及其相互关系，从而提出一种综合了本底非均匀性、光响应非均匀性与倍增增益非均匀性的校正方法。

本发明采用的技术方案如下：一种多抽头EMCCD非均匀性综合校正方法，其具体步骤如下：

步骤(1)、将EMCCD安装于暗室的测试支架上，相机上电，打开制冷功能，积分球上电，等待相机达到预设制冷温度，积分球辐出照度稳定；

步骤(2)、打开积分球光阑，使相机处于明场环境中，通过上位机软件设置相机到能设置的最小曝光时间t_min；根据相机输出图像确定使所有像素均未达到饱和时的最大曝光时间t_max；得到相机在当前积分球辐出照度下的线性光响应曝光时间区间为[t_min,t_max]；

步骤(3)、关闭积分球光阑，关闭EMCCD倍增增益功能，设置相机为最小曝光时间t_min，获取m₀(m₀≥2000)幅暗场本底图像，计算暗场本底均值图像image_benDi及其全图灰度均值image_benDiAve；

步骤(4)、在曝光时间[t_min,t_max]区间内均匀选取n₁(n₁≥20)个曝光时间点，关闭积分球，使相机处于暗场环境，获取相机在每个曝光时间点的m₁(m₁≥100)幅暗场图像；打开积分球，按照相同的步骤获取相机在每个曝光时间点的m₁(m₁≥100)幅明场图像；计算每个曝光时间点的明场均值图像与暗场均值图像之差，即得n₁(n₁≥20)幅均值明暗差图像；

步骤(5)、以n₁(n₁≥20)个曝光时间点作X，以n₁(n₁≥20)幅均值明暗差图像作Y，进行线性拟合即得每个像素点的线性光响应系数k(i,j)、b(i,j)。其中，(i,j)代表当前像素在图像中的像素坐标。对所有像素点求平均值得全图的线性光响应系数均值k_ave、b_ave；

步骤(6)、在曝光时间区间[t_min,t_max]内选择某一曝光时间t₀保持不变，打开EMCCD的倍增增益功能，相机的倍增增益为1时的增益电压为volt_min，相机的输出图像中像素均未达到饱和的最大增益电压volt_max；

步骤(7)、相机的曝光时间t₀保持不变，关闭倍增增益功能，获取相机当前状态的明场、暗场图像各m₂(m₂≥100)幅，计算均值明暗差图像，即相机在当前曝光时间的原始信号量image_{brightDarkDiff0}(i,j)。通过下述公式去除本底非均匀性与线性非均匀性对原始信号量的影响后，得到修正后的倍增前原始信号量sign_origin(i,j)。

步骤(8)、相机的曝光时间t₀保持不变，打开倍增增益功能，在区间[volt_min,volt_max]内选取p(p≥10)个增益电压，采集EMCCD在不同增益电压点处的明场图像和暗场图像各m₂(m₂≥100)幅。计算相机在当前曝光时间与增益电压下经过倍增放大后的信号量image_{brightDarkDiffVoltX}(i,j)。去除本底非均匀性与线性非均匀性的影响后，得到倍增后信号量sign_voltX(i,j)。

步骤(9)、根据经过修正后的原始信号量sign_origin(i,j)与倍增信号量sign_voltX(i,j)可以得到不同增益电压volt_X下的真实倍增增益gain(i,j)与全图均值倍增增益gain_ave。

其中，hang、lie代表当前EMCCD输出图像的总行数、总列数。

步骤(10)、以p(p≥10)个增益电压volt_X作X，以对应的p(p≥10)个真实倍增增益Gain(i,j)作Y，按照下述公式进行指数拟合后，得到倍增增益修正系数c(i,j)与d(i,j)。

gain(i,j)＝exp[c(i,j)*volt_x ^d(i,j)]

以p(p≥10)个增益电压volt_X作X，以在p个增益电压volt_X下的全幅图像真实倍增增益均值gain_ave作Y，按照下述公式进行指数拟合后，得到全图的平均增益修正系数c_ave与d_ave。

步骤(11)、EMCCD相机输出的原始图像的整个非均匀性校正过程如下：

gain(i,j)＝exp[c(i,j)*volt_x ^d(i,j)]

本发明的有益效果：

本发明通过分析EMCCD中的非均匀性组成，对主要存在的本底非均匀性、光响应线性非均匀性与倍增增益非均匀性进行综合修正。该方法为EMCCD的非均匀性综合校正提供了一种新的思路，大幅降低了EMCCD输出图像的非均匀性，能够提高EMCCD相机在不同光照强度、不同曝光时间、不同倍增增益下的输出图像质量。

附图说明

图1为本发明一种多抽头EMCCD非均匀性综合校正方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细阐述。

本发明涉及EMCCD非均匀性校正领域，尤其涉及一种多通道EMCCD的综合校正领域。

本发明一种多抽头EMCCD非均匀性综合校正方法，可大致分为四个步骤，分别为：步骤一、本底非均匀性校正参数的确定；步骤二、光响应线性非均匀性校正参数的确定；步骤三、倍增增益均匀性校正参数的确定；步骤四、三类非均匀性校正参数的综合校正运算。

步骤一、本底非均匀性校正参数的确定。

1.1将EMCCD安装于暗室的测试支架上，相机上电，打开制冷功能，积分球上电，等待相机达到预设制冷温度，积分球辐出照度稳定；

1.2屏蔽外界光源，打开积分球光阑，使相机处于明场环境中。通过上位机软件设置相机到能设置的最小曝光时间t_min；根据相机输出图像确定使所有像素均未达到饱和时的最大曝光时间t_max；得到相机在当前积分球辐出照度下的线性光响应曝光时间区间为[t_min,t_max]；

1.3关闭积分球光阑，关闭EMCCD倍增增益功能，设置相机为最小曝光时间t_min，通过相机上位机控制软件获取m₀(m₀≥2000)幅暗场本底图像，计算m₀(m₀≥2000)幅图像的暗场本底均值图像image_benDi(i,j)及其均值image_benDiAve；

步骤二、光响应线性非均匀性校正参数的确定。

2.1在线性光响应曝光时间区间[t_min,t_max]内均匀选取n₁(n₁≥20)个曝光时间点。

2.2关闭积分球，使相机处于暗场环境，获取相机在每个曝光时间点的m₁(m₁≥100)幅暗场图像；打开积分球，按照相同的步骤获取相机在每个曝光时间点的m₁(m₁≥100)幅明场图像。

2.3计算n₁(n₁≥20)个曝光时间点的明场均值图像与暗场均值图像之差，即得n₁(n₁≥20)幅均值明暗差图像；

2.4以n₁个曝光时间点作X，n₁(n₁≥20)幅均值明暗差图像作Y，进行线性拟合即可得到每个像素点的线性光响应系数k(i,j)、b(i,j)。对所有像素点求平均值即得全图的线性光响应系数均值k_ave、b_ave；

步骤三、倍增增益均匀性校正参数的确定。

3.1在曝光时间区间[t_min,t_max]内选择某一曝光时间t₀保持不变，打开EMCCD的倍增增益功能，相机的倍增增益为1时的增益电压为volt_min，相机的输出图像中像素均未达到饱和的最大增益电压volt_max，得到EMCCD在当前照度与曝光时间t₀下的倍增增益电压区间为[volt_min,volt_max]；

3.2相机的曝光时间t₀保持不变，关闭倍增增益功能，获取相机当前状态的明场、暗场图像各m₂(m₂≥100)幅，计算均值明暗差图像，即相机在当前曝光时间的原始信号量image_{brightDarkDiff0}(i,j)。通过下述公式去除本底非均匀性与线性非均匀性对原始信号量的影响后，得到修正后的倍增前原始信号量sign_origin(i,j)。

3.3相机的曝光时间t₀保持不变，打开倍增增益功能，在区间[volt_min,volt_max]内选取p(p≥10)个增益电压点，采集EMCCD在不同增益电压点处的明场图像和暗场图像各m₂(m₂≥100)幅。按照3.2中的方法计算相机在当前曝光时间与增益电压下经过倍增放大后的信号量image_{brightDarkDiffVoltX}(i,j)。去除本底非均匀性与线性非均匀性的影响后，得到倍增后信号量sign_voltX(i,j)。

3.4根据经过修正后的原始信号量sign_origin(i,j)与倍增信号量sign_voltX(i,j)可以得到不同增益电压volt_X下的真实倍增增益gain(i,j)与全图均值倍增增益gain_ave。

其中，hang代表当前EMCCD输出图像的总行数；lie代表当前EMCCD输出图像的总列数。

3.5以p(p≥10)个增益电压volt_X作X，以单个像素在p(p≥10)个增益电压下的真实倍增增益gain(i,j)作Y，按照下述公式进行指数拟合后，得到倍增增益修正系数c(i,j)与d(i,j)：

gain(i,j)＝exp[c(i,j)*volt_x ^d(i,j)]

以p(p≥10)个增益电压volt_X作X，以在p个增益电压volt_X下的全幅图像真实倍增增益均值gain_ave作Y，按照下述公式进行指数拟合后，得到全图的平均增益修正系数c_ave与d_ave：

步骤四、三类非均匀性校正参数的综合校正运算。

4.1EMCCD相机输出的原始图像的非均匀性校正过程如下：

gain(i,j)＝exp[c(i,j)*volt_x ^d(i,j)]

其中，(i,j)代表图中的第i行、第j列像素；image_origin(i,j)为EMCCD输出的原始图像；image_benDi(i,j)、image_benDiAve(i,j)为步骤1.3获取的本底非均匀性校正系数；k(i,j)、b(i,j)、k_ave、b_ave为步骤2.4获取的光响应线性非均匀性校正系数；c(i,j)与d(i,j)为步骤3.5获取的倍增增益修正系数；volt_x为EMCCD当前施加的增益电压值。

4.2本方法的有益效果是，通过分析EMCCD中的非均匀性组成，去除不同非均匀性之间的相互影响后再对EMCCD进行非均匀性综合校正。该方法为EMCCD的非均匀性综合校正提供了一种新的思路，大幅降低了EMCCD输出图像的非均匀性。

上述EMCCD的非均匀性综合校正步骤仅为本发明的操作实例，未对本发明的具体内容进行限制。所有未脱离本方案技术实质而做的任何改动，均属本方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种多抽头EMCCD非均匀性综合校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、将EMCCD安装于暗室的测试支架上，相机上电，打开制冷功能，积分球上电，等待相机达到预设制冷温度，积分球辐出照度稳定；

步骤(2)、屏蔽外界光源，打开积分球光阑，使相机处于明场环境中，通过上位机软件设置相机到能设置的最小曝光时间t_min；根据相机输出图像确定使所有像素均未达到饱和时的最大曝光时间t_max；得到相机在当前积分球辐出照度下的线性光响应曝光时间区间为[t_min,t_max]；

步骤(3)、关闭积分球光阑，关闭EMCCD倍增增益功能，设置相机为最小曝光时间t_min，通过相机上位机控制软件获取m₀幅暗场本底图像，计算m₀幅图像的暗场本底均值图像image_benDi(i,j)及其灰度均值image_benDiAve；所述步骤(3)中的m₀暗场本底图像数需满足：m₀≥2000；

步骤(4)、在线性光响应曝光时间区间[t_min,t_max]内均匀选取n₁个曝光时间点，关闭积分球，使相机处于暗场环境，获取相机在每个曝光时间点的m₁幅暗场图像；打开积分球，按照相同的步骤获取相机在每个曝光时间点的m₁幅明场图像；计算n₁个曝光时间点的明场均值图像与暗场均值图像之差，即得n₁幅均值明暗差图像；

步骤(5)、以n₁个曝光时间点作X，n₁幅均值明暗差图像作Y，进行线性拟合即可得到每个像素点的线性光响应系数k(i,j)、b(i,j)，对所有像素点求平均值即得全图的线性光响应系数均值k_ave、b_ave；所述步骤(4)、步骤(5)中的曝光点数n₁、图像数量m₁需满足：n₁≥20、m₁≥100；

步骤(6)、在曝光时间区间[t_min,t_max]内选择某一曝光时间t₀保持不变，打开EMCCD的倍增增益功能；相机的倍增增益为1时的增益电压为volt_min，相机的输出图像中像素均未达到饱和的最大增益电压为volt_max，得到EMCCD在当前照度与曝光时间下的倍增增益电压区间为[volt_min,volt_max]；

步骤(7)、相机的曝光时间t₀保持不变，关闭倍增增益功能，获取相机在当前状态的明场、暗场图像各m₂幅，计算均值明暗差图像，即相机在当前曝光时间的原始信号量image_{brightDarkDiff0}(i,j)，通过下述公式去除本底非均匀性与线性非均匀性对原始信号量的影响后，得到修正后的倍增前原始信号量sign_origin(i,j)，

步骤(8)、相机的曝光时间t₀保持不变，打开倍增增益功能，在区间[volt_min,volt_max]内选取p个增益电压点，采集EMCCD在不同增益电压点处的明场图像、暗场图像各m₂幅，按照步骤(7)中的方法计算相机在当前曝光时间与增益电压下经过倍增放大后的信号量image_{brightDarkDiffVoltX}(i,j)，去除本底非均匀性与线性非均匀性的影响后，得到倍增后信号量sign_voltX(i,j)，

步骤(9)、根据经过修正后的原始信号量sign_origin(i,j)与倍增信号量sign_voltX(i,j)可以得到不同增益电压volt_X下的真实倍增增益gain(i,j)与全图均值倍增增益gain_ave，

其中，hang代表当前EMCCD输出图像的总行数；lie代表当前EMCCD输出图像的总列数；

步骤(10)、以p个增益电压volt_x作X，以单个像素在增益电压下的p个真实倍增增益gain(i,j)作Y，按照下述公式进行指数拟合后，得到倍增增益修正系数c(i,j)与d(i,j)：

gain(i,j)＝exp[c(i,j)*volt_x ^d(i,j)]

以p个增益电压volt_x作X，以在p个增益电压volt_x下的全幅图像真实倍增增益均值gain_ave作Y，按照下述公式进行指数拟合后，得到所有像素的平均增益修正系数c_ave与d_ave：

所述步骤(7)、步骤(8)、步骤(10)中的图像数量m₂、增益电压数p需满足：m₂≥100、p≥10；

步骤(11)、EMCCD相机输出的原始图像的非均匀性校正过程如下：

gain(i,j)＝exp[c(i,j)*volt_x ^d(i,j)]

其中，(i,j)代表图中的第i行、第j列像素；image_origin为EMCCD输出的原始图像；image_benDi、image_benDiAve为步骤(3)获取的本底非均匀性校正系数；k(i,j)、b(i,j)、k_ave、b_ave为步骤(5)获取的光响应线性非均匀性校正系数；c(i,j)、d(i,j)为步骤(10)获取的倍增增益非均匀性校正系数；volt_x为EMCCD当前施加的增益电压值。

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