【正文】 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 M = M = M = M = M = M = CCD成像系統(tǒng) MTF測試實例 實測對比調(diào)制度 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 M = M = M = M = M = M = CCD成像系統(tǒng) MTF測試實例 簡單對比增強后的對比調(diào)制度 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 ? CCD成像系統(tǒng)成像品質(zhì)的評價是一項非常重要的工作，是判斷任務(wù)完成情況的主要依據(jù)之一； ? 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)制定了一系列用于 CCD和CMOS成像系統(tǒng)的質(zhì)量判定的草案 (Protocols)，在商業(yè)相機檢測中普遍使用，但是在遙感相機中所使用的是面向任務(wù)的更為嚴(yán)格的量化判據(jù)和檢測方法； ? 本章講述的只是 CCD成像系統(tǒng)本身的性能及其測試；實際上， CCD成像系統(tǒng)的性能和使用條件密切相關(guān)，在以后的相關(guān)章節(jié)對此將予以說明。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 CCD成像系統(tǒng) MTF測試實例 基本數(shù)據(jù)： CCD 像元尺寸： 13?m； 相機焦距： ； 平行光管焦距： 13m； 分劃板條紋寬度： ； 等效光學(xué)分辨率： lp/mm。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 CCD成像系統(tǒng)分辯率與 MTF 一般的 CCD成像系統(tǒng) (超分辨除外 )的極限分辯率是由像元尺寸對應(yīng)的線量即Nyquist頻率 (lp/mm)決定的。 測試環(huán)境 － 振動、溫度控制。 CCD成像系統(tǒng)傳遞函數(shù)測試 參考 《 Generic Sensor Modeling》 ， South Dakota State University 2022 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 矩形輸入法 MTF測試 ?矩形目標(biāo)分劃板放臵在平行光管的焦面處，模擬無 窮遠(yuǎn)的景物目標(biāo)； ?平行光管的光軸經(jīng)過調(diào)整后與成像系統(tǒng)光軸同軸； ?調(diào)整目標(biāo)分劃板使目標(biāo)刻線與 CCD水平方向垂直； ?目標(biāo)分劃板被積分球的出射光均勻照亮，經(jīng)平行光管及相機鏡頭成像到 CCD； ?CCD成像系統(tǒng)輸出數(shù)字目標(biāo)圖像信號，由計算機保存、處理和計算，得到 MTF曲線。 如果以輸入劃分，可以將 MTF測量分為點源法、線源法、刃邊法、正弦輸入法和矩形輸入法等。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 火星偵察軌道器高分辨率相機 MTF Nyquist 頻率 lp/mm CCD成像系統(tǒng)傳遞函數(shù) MTFsystem a p er tu r eM TFd iffu s io nM TFo pticsMTFs ys t emM TFTD IclkM TF中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 測試 CCD成像系統(tǒng)傳遞函數(shù)的方法有很多種，如掃描法、干涉法等。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 CCD傳遞函數(shù) MTFCCD CCD 的 MTF是 CCD像元采樣孔徑 MTFap、擴散MTFdiff和電荷轉(zhuǎn)移效率 MTFCTE 乘積： )()()()( uM T FuM T FuM T FuM T F CTEd i f fapCCD ???Nyquist頻率處， MTFap為 ， MTFCTE通常大于，而 MTFdiff的值與 CCD的材料和波長有關(guān)。 LD10?m,Ldiff100?m的擴散傳遞函數(shù) 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 CCD傳遞函數(shù) MTFCCD 當(dāng)電荷轉(zhuǎn)移效率很高時，它對 CCD MTF的影響可以用下式表示： )1(21)( ???? TC T E NvM T F其中， NT是轉(zhuǎn)移的總電荷數(shù)， ε是 電荷 轉(zhuǎn)移效率。 典型探測器的摻雜濃度小于 10－ 17 c m－ 3 ?ABS 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 CCD傳遞函數(shù) MTFCCD 隨著波長的增加，光子會被吸收；在離勢阱較遠(yuǎn)處產(chǎn)生的光電子會三維隨機游動直到它復(fù)合；在一個勢阱下的光生電子可能最終地到達(dá)鄰近的勢阱。 d i f fA B SDA B SA B SDA B Sd i f fLLuLLuM T F???????????1)e x p (1)(1)e x p (1)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 CCD傳遞函數(shù) MTFCCD L(u)與擴散長度 (Ldiff)的關(guān)系式： 擴散長度 Ldiff的典型范圍在 50μm和 200μm之間。由 CCD采樣孔徑?jīng)Q定的調(diào)制傳遞函數(shù) MTFap定義為： 零點： f＝ k/a N點： f=1/2a 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 CCD傳遞函數(shù) MTFCCD 除了 CCD像元尺寸 (孔徑 )之外，還有電荷載流子擴散和轉(zhuǎn)移效率等因素對 CCD調(diào)制傳遞函數(shù)MTF有影響。下圖方波基頻與 CCD Nyquist頻率之比為。 參考 “ CCD Arrays, Cameras and Displays” by Gerald C. Holst 1998 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 CCD采樣系統(tǒng) 大于奈奎斯特頻率的信號會向下混淆到較低的頻率。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 CCD采樣系統(tǒng) 當(dāng)方波基頻與 CCD Nyquist頻率之比小于 ，比如，拍頻不明顯 。輸出無法復(fù)制輸入。 行間轉(zhuǎn)移 CCD 幀轉(zhuǎn)移 CCD 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 CCD采樣系統(tǒng) 在使用方波圖形測量 CCD成像系統(tǒng) Nyquist頻率 MTF時，由于輸入方波基頻和 CCD Nyquist頻率不可能完全一致，結(jié)果會產(chǎn)生拍頻。 當(dāng)相位改變時，輸出的調(diào)制度將變小。而且相位也剛好是一個像元對應(yīng)正弦的峰頂，一個像元對應(yīng)正弦的峰谷。如果我們在處理時不忘記CCD的特殊性，將會使我們面對問題時能夠提出解決的方法。從 微觀上 看， CCD在空域上是非線性器件，也不是空間位移不變的；但是當(dāng)從 宏觀上 看時，即認(rèn)為 CCD像元之間的間距很小，甚至可以忽略時，可以把 CCD作為線性空間位移不變系統(tǒng)來處理。在遙感中 MTF常常是很難達(dá)到的指標(biāo)，因此降低混淆不是工作的重點。 CCD后面的電子線路中的濾波器只能避免或降低電子學(xué)處理中的頻率混淆。原信號不可能被恢復(fù)了。下圖是采樣頻率等于 4/3信號頻率的情況。 滿足采樣定理的三個條件：信號必須是有限頻帶，必須以合適的速率采樣信號，和必須有一個低通可恢復(fù)濾波器。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 采樣系統(tǒng)復(fù)習(xí) CCD是一個空間采樣的圖像傳感器，為了了解CCD在成像系統(tǒng)中的工作，有必要對采樣系統(tǒng)的基本原理進行復(fù)習(xí)。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 線性系統(tǒng)復(fù)習(xí) CCD成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù) MTF由光學(xué)系統(tǒng)、CCD和電子線路的 MTF構(gòu)成。預(yù)放器、 CDS和后臵放大器的頻率響應(yīng)直接影響系統(tǒng)的 MTF，因此應(yīng)該選擇這些器件的帶寬和噪聲指標(biāo)，盡量減小對系統(tǒng)MTF的影響。 中國科