奧林巴斯顯微鏡成像，電荷耦合器件（CCD）線性度
科學(xué)的成像系統(tǒng)的一個(gè)重要特性是響應(yīng)于入射光的線性度 ，特別是當(dāng)應(yīng)用于定量光度分析。 在采用電荷耦合器件（CCD）傳感器的數(shù)碼相機(jī)的系統(tǒng)中，CCD的基本功能是將光子攜帶的圖像信息轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)。 數(shù)字化后，信號(hào)輸出*好應(yīng)線性正比于入射的光傳感器上的量。
有關(guān)的光子入射到傳感器和數(shù)字輸出的數(shù)目的傳遞函數(shù)是由多級(jí)過程，開始于在有源像素區(qū)域的創(chuàng)建和電荷載流子（電子 - 空穴對(duì)）轉(zhuǎn)移，隨后轉(zhuǎn)化的確定電子從電荷域變換到電壓域作為一個(gè)放大的電壓信號(hào)。 通過一系列的處理步驟的該模擬信號(hào)通過，并*終被數(shù)字化顯示，圖象處理，和存儲(chǔ)之前被進(jìn)一步放大。 用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備設(shè)計(jì)，傳遞函數(shù)的結(jié)果在*終的數(shù)字化的輸出信號(hào)相對(duì)于入射的光量在CCD上，使得所述輸出信號(hào)是等于光子輸入乘以一個(gè)比例常數(shù)的線性變化。
在各廠商用來測(cè)量和報(bào)告的CCD線性度的方法存在顯著差異。 一種常用技術(shù)，以評(píng)估線性是根據(jù)測(cè)得的輸出信號(hào)的一個(gè)圖形化的情節(jié)作為曝光時(shí)間的函數(shù)，延伸至滿阱容量的設(shè)備（由勢(shì)阱或像素持有的電子的數(shù)量;也稱為線性滿井 ）。 本說明書中可被定義為從線性偏差相比，在全井條件下得到的*大信號(hào)強(qiáng)度的百分比。注意，相同的測(cè)量可通過不同的制造商被報(bào)告為線性或非線性 。
從線性偏差的計(jì)算開始的信號(hào)電平與曝光（積分）時(shí)間的情節(jié)。 的信號(hào)電平通常被指定為數(shù)字的計(jì)數(shù)，或作為相對(duì)數(shù)字號(hào)碼（DN）或“ADC單元”（ADU），它是由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它正比于電壓值輸出。 圖1說明了這種類型的用于高性能CCD線性度曲線。 線性*小二乘回歸分析擬合的數(shù)據(jù)，并用于從所計(jì)算的*佳擬合線的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的偏差，以便確定*大正，負(fù)偏差值來確定。 的非線性，以百分比計(jì)算如下，其中*值同時(shí)用于偏差的*大值：
相機(jī)系統(tǒng)的線性度由CCD本身，以及其它電子元件中的信號(hào)處理鏈，與模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器的*終決定。 實(shí)際上，任何非線性表示在具有信號(hào)電平在相機(jī)的增益常數(shù)的變化。 定量成像操作，比如算術(shù)比率測(cè)定，線性變換，描影修正，以及其它處理的算法依賴于*信號(hào)的測(cè)量，并且要求有是相機(jī)的增益和信號(hào)強(qiáng)度之間沒有顯著相互依存關(guān)系。 高性能的CCD成像系統(tǒng)表現(xiàn)出非常良好的線性關(guān)系相比，大多數(shù)其他成像傳感器，包括薄膜，攝像機(jī)管，和視頻CCD相機(jī)，其可以由幾個(gè)％的偏離線性度寬信號(hào)范圍。 用于科學(xué)利用CCD相機(jī)通常具有在百分之一以上的4個(gè)或5個(gè)數(shù)量級(jí)的信號(hào)范圍零點(diǎn)幾秒的范圍內(nèi)非線性值。 從線性偏差通常是恒定的，并且如果充分表征的非線性可以通過查找表來校正到小于十分之一的百分比的值。
雖然CCD傳感器以線性方式在很寬的動(dòng)態(tài)范圍，當(dāng)在高平均光照強(qiáng)度都達(dá)到滿井情況做出響應(yīng)，一個(gè)非線性響應(yīng)，通常觀察到的。 需要注意的是良好的線性度可能*過全井延伸在所述圖象場(chǎng)的一個(gè)小的區(qū)域過度曝光，而是由較低的平均亮度電平所包圍的情況。 如果整體照明足夠亮，CCD響應(yīng)變得非線性和飽和時(shí)，伴隨著綻放（從像素*過全阱容量充電溢出）在整個(gè)陣列。 當(dāng)增加強(qiáng)度產(chǎn)生在記錄的信號(hào)沒有進(jìn)一步的變化飽和度存在。 與整個(gè)像素陣列上過度的平均強(qiáng)度，非線性響應(yīng)和全井容量的發(fā)作發(fā)生在相同的信號(hào)電平。
取決于傳感器的特性，非線性響應(yīng)也可能導(dǎo)致在非常低的照明水平，并且在原則上，在非線性區(qū)域中的反應(yīng)可以在必要時(shí)進(jìn)行校正。 *好的做法，但是，是為了限制暴露于線性度被使用的特定傳感器的區(qū)域中，由于飽和的發(fā)作可以是快速且難以預(yù)測(cè)。 其中，可采取避免CCD飽和的高照度條件下的措施是捕獲幾個(gè)較短的曝光是在持續(xù)時(shí)間為所需的較長的積分間隔相等的。 多個(gè)短曝光圖像可以在加工過程中進(jìn)行組合，盡管在某些應(yīng)用中必須考慮到的相比，單次曝光的整合在一個(gè)較長的時(shí)間間隔短相結(jié)合的風(fēng)險(xiǎn)為準(zhǔn)不同的信號(hào) - 噪聲因素的影響。