利用积分球对CCD线性和面均匀性的标定_杜传耀

计测技术
计量、测试与校准 ·57·
置应用到实际的仪器装备中。 2） 在同一光源亮度下，CCD 中间的光电响应值要
高于边缘， 非 均 匀 性 随 着 快 门 和 灰 度 的 增 加 而 减 小， 但最终趋于一个较稳定的值，由此可知在实际应用中 应尽量选择 CCD 的中、高值区。
图 5 非均匀性随快门和灰度的变化曲线
（ Beijing Weather Observatory，Beijing 100176，China）
Abstract： Integrating sphere calibration of the CCD （ Charge-coupled Device） makes the use of an integrating sphere light source，as it has a good uniformity，stability and high accuracy. CCD is used to capture images of the integrating sphere light source，the integrating sphere light source brightness is converted into image gray scale. Then the parameters of CCD calibration is obtained by extracting the data of gray scale images. CCD linear calibration test results show that： when the value of the CCD shutter is fixed，the light brightness changes in linear relation with image gray，and the linearity is somewhat different in different gray scale value regions after the conversion. Linearity of the median value region is the best，low value region is second，and high value region is the worst. With some fixed light intensity，shutter changes of CCD are linear with image gray scale. The uniformity calibration test results show that： non-uniformity of CCD photo response decreases with increasing of shutter and image gray，but eventually becomes a more stable value.
Key words： integrating sphere； CCD calibration； image processing； linear； surface uniformity
0 引言
近年来，CCD 被广泛应用到各个行业，人们熟知 的如公路交通监控、航拍以及使用 CCD 的各种检测机 构［1 － 3］。对于一些要求不高的场合，CCD 可以直接购 买使用，但对于一些精度要求较高的地方，在应用之 前需要对 CCD 进行标定。标定的内容要根据实际应用 的需要来确 定，有 些 场 合 需 要 做 画 面 畸 形 标 定［4 － 5］， 有些需要线性动态范围的标定。我们利用 CCD 实现了 气象能见度的测量。气象能见度的测量对 CCD 面均匀
一个较稳定的值。
关键词： 积分球； CCD 标定； 图像处理； 线性； 面均匀性
中图分类号： TB9
文献标识码： B
文章编号： 1674 － 5795 （ 2014） 06 － 0054 － 04
Integrating Sphere Calibration of CCD Linear and Surface Uniformity DU Chuanyao，ZHANG Chunbo，MA Jingjin，LI Dong，CAI Qing
光源亮度的变化和图像灰度呈线性关系，并且在转换后的不同灰度值区段，线性度有一定的差别： 在中值区，线
性度最好，低值区次之，高值区最差； 在光强一定的情况下，CCD 快门值的改变和采集图像的灰度也呈线性关
系。均匀性标定的试验结果表明： CCD 的光电响应的非均匀性是随着快门值和灰度的增加而减小的，但最终趋于
（ 3）
式中： Vi为样本值，V 为样本平均值，n 为样本数量。 非均匀性随快门和灰度变化的曲线如图 5 所示。
从图 5 中可以看出，CCD 的光电响应的非均匀性在快 门的低值区要比中、高值区大，随着快门和灰度的增 加而减 小， 并 最 终 趋 于 一 个 较 稳 定 的 值， 由 此 说 明， CCD 在中、高值区非均匀性的波动小，光电响应更均 匀，工作更稳定。因此，在实际的工程应用中应选择 CCD 响应的中、高值区段。
（ 北京市观象台，北京 100176）
摘 要： 积分球对 CCD （ Charge-coupled Device） 的标定，主要是利用积分球光源具有较好的均匀性、稳定性
以及精度高的特点，通过 CCD 采集积分球光源的图片，将积分球光源亮度转换为 CCD 拍摄图像的灰度，通过对
采集图片灰度信息的提取，得出了 CCD 标定的各项参数。CCD 线性标定试验的结果表明： 在 CCD 快门值固定时，
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
快门 / μs
非线性误差
20
0. 00109
180
0. 00051
500
0. 00272
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2014 年第 34 卷第 6 期
以上讨论的是在同一快门下不同光强的情况，在 实际应用中还会出现在相同光强下使用不同快门的情 况。在积分球光强保持不变的情况下，通过改变快门 来获取的试验数据见表 3，对应的关系图如图 3 所示。 从图 3 中可以看出，快门和在同一光强下获取的灰度 值有较好的线性关系。通过公式 （ 1） 计算可得当非线 性度为 0. 00396 时，快门和灰度呈线性关系，说明相 机自身对光的积分和曝光时间是线性的，这是 CCD 能 否线性输出的一个重要指标，在实际应用中，对 CCD 的线性标定主要就是对其亮度和灰度以及快门和灰度 的线性标定。
计测技术
像素值输出范围 0 ～ 65520。
2 原理方法
2. 1 线性标定 试验平台如图 1 所示。将 CCD 固定在积分球前的
支架上，其光轴垂直于出光口面，相机距积分球出光 口 25 cm，固定快门、光圈等参数，亮度的调节通过积 分球装置来控制，积分球每改变一次亮度，记录积分 球的光强并在该光强下拍摄一组图像，并将这一组图 像通过平均去除随机信号得到一幅图像，然后从求平 均后的图像中提取图像的灰度信息，这样就得到了一 组亮度和灰度数据，类似的可以得到表 1 中其他各组 数据。本文选择低 （ 20 μs） 、中 （ 180 μs） 、高 （ 500 μs） 三种快门在不同光强下的图像灰度，灰度从 498 ～ 50115 ， 基 本 覆 盖 了 CCD 的 整 个 动 态 范 围 （ 0 ～ 65520） ，表 1 对应的亮度灰度曲线如图 2 所示，从图 2 中可以看出，在 CCD 低、中、高三种快门所对应的三 个值域范围中，亮度灰度都呈现较好的线性关系。
1 标定仪器参数介绍
标定过程所使用的积分球为中国科学院合肥物质 科学研究 院 光 谱 辐 射 检 测 与 校 准 实 验 室 的 IS2500 － 1000 积分球，积分球直径 1200 mm，出光口直径 400 mm，内置 16 只灯 15 W 溴钨灯，积分球面均匀性为 99. 8% ，本次检测的波段范围是 350 ～ 2500 nm，标定 处理全部在实验室环境中完成。被标定 CCD 为 12 位 AD 输出的工业相机，最高分辨力为 1392 × 1040，图像
表 3 同一光强下不同快门所对应的灰度值
快门 / μs 20
灰度值 2191
80
6149
160
11456
240
16750
320
22034
400
27295
480
32553
560
37773
640
42962
720
48118
800
53248
880
58345
图 3 同一光强下快门和灰度的线性关系
2. 2 面均匀性标定 面非均匀性表征 CCD 对亮度响应的相对 偏差程
2 中可以看出，快门为中 180 μs，灰度范围在 1800 ～
25000 时，对应灰度非线性误差最小，线性最好，当快
门为高 500 μs，灰度范围在 4455 ～ 50115 时，对应灰
度非线性误差最大，线性最差，如表 2 所示。低快门
的线性介于二者之间，所以在实际应用中应尽量选在
中值区。
表 2 不同快门对应的非线性误差
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·54· 计量、测试与校准 doi： 10. 11823 / j. issn. 1674 － 5795. 2014. 06. 14
2014 年第 34 卷第 6 期
利用积分球对 CCD 线性和面均匀性的标定
杜传耀，张春波，马京津，李栋，蔡青
计量、测试与校准 ·55·
图 2 不同快门下光强和灰度和线性关系
图 1 标定试验平台
表 1 亮度和不同快门对应灰度数据表
灯盏数 亮度 / （ W·（ sr·m2 ） －1 ） 20 μs 180 μs 500 μs
1
18181
498
1809 4455
2
36438
745
3394 8734
4
72336
1230 12779 . .
度，图 4 给出了快门为 250 μs 时拍摄的积分球光源的 平面 图 像 （ 图 4 （ a） ） 以 及 对 应 的 三 维 图 （ 图 4
（ b） ） ，从图 4 （ b） 中明显可以看出，CCD 在同一个 均匀光源下各个区域光电响应是不均匀的，中间的比 四周的值要高，其中中间的又有一些高、低值的跳动， CCD 的这种光电响应的不均匀性可以用非均匀性来衡 量，计算公式［7］为
图 4 CCD 面均匀性检测图
u = StdVi / V × 100%
（ 2）
式中： Vi 为各有效点测量电压值 （ 有效点指在出光口内
且剔除接近边缘测值明显变化的测点） ； V 为各有效点 测量电压值的均值； StdVi 为各有效点测量电压值的标准 偏差。标准偏差公式为
槡∑ StdVi =
（ Vi － V） 2 （ n － 1）
8
143802
2191 18951 33862
12
214511
3147 25164 50115
16
285515
4104
..
..
通过非线性误差可衡量这三个区段的线性的好坏， 非线性误差表达式［6］为
δ
=
Δ max Imax － Imin
（ 1）
式中： Δmax 是实际响应曲线和拟合曲线之间的最大偏
差； Imax ，Imin 分别是线性区域中最大最小响应值。从表
3 结论
1） CCD 在整个动态范围内，在快门一定的情况 下，灰度值 和 积 分 球 光 源 亮 度 都 有 较 好 的 线 性 关 系， 但在中值区，线性度最好，低值区和高值区要差一些， 在光源亮度一定的情况下，快门值和灰度值也呈线性 关系。所以在某些情况下，CCD 可以作为光电转换装
参考文献
［1］ 沈会良，李志能 . 基于 CCD 的汽车牌照自动识别系统 ［J］ . 光电工程，2000，27 （ 4） ： 60 － 63.
收稿日期： 2014 － 07 － 02； 收修改稿日期： 2014 － 08 － 22 基金项目： 中国气象局气候变化专项 （ CCSF201402） 作者简介： 杜传耀 （ 1985 － ） ，男，助理工程师，硕士，主要从 事大气探测和综合观测。
性和线性精度的要求较高，特别是在高能见度时，甚 至要精确到千分之几，积分球光源具有较高的精度和 稳定度，能够满足千分级标定的要求，所以我们选择 了积分球对 CCD 进行标定。本文介绍了利用积分球实 现对 CCD 线性和面均匀性参数标定的具体过程。