基于CCD体系的磁翻柱液位计挑选指南
日期：2019-11-21 来源： 作者：
基于CCD的仪器为测量颜色和光线提供了许多好处。
正确配置后，CCD成像系统可以成功地识别均匀性和像素缺陷，评估均匀性，评估多个点（LED阵列），快速收集多个数据点并记录数据以进行进一步分析。
用几种选择CCD，透镜和滤光器，辐射视觉系统普尔®影像色度计和光度计可供在100构造并可用于需要测量的任何应用程序可以容易地优化。
注意事项
CCD CCD的选择是影响整个磁翻柱液位计系统性能的zui关键因素。
该选择将建立动态范围和像素分辨率，并与镜头选择一起确定可达到的视角。在下一节中概述了在CCD选择中至关重要的工程考虑因素。
控制电子。用于操作相机系统的控制电子设备的设计与CCD的选择密切相关。关键要求是控制电子设备应降低电子噪声并协助光学和电气校准。
筛选器。滤镜选择通常是用于比色或光度操作的标准配置之间的选择。
根据测量应用程序，可以提供更多选择，以优化色彩测量性能，视角测量（显微镜），辐射度测量和近红外（NIR）测量。
滤波器技术有多种选择，包括外部，内部和onCCD滤波器阵列。
镜片。根据应用场合的视野要求和工作距离选择镜头。
影响透镜选择的光学几何形状将受到所采用的特定CCD的限制。如果各个镜头功能没有得到正确的补偿，则它们可能会触发影响测量精度的光学像差。
综上所述，在确定磁翻柱液位计的成本和性能时，不同的CCD，滤光片，透镜和电子设备的选择提供了难以置信的灵活性。
权衡取舍后，可以找到适合任何应用的zui佳配置。
CCD技术
CCD（电荷耦合器件）是将光转换成电流的单片半导体检测器阵列。当保持电荷的入射光子被检测器的材料吸收时，它们会产生电子-空穴对。
电子聚集在检测器的每个特定元素（称为像素）中，电子被包含在其中，直到在曝光期间读出电荷为止。聚集在每个像素中的全部电荷量与入射在其上的光量成线性比例。
CCD体系结构有几种简单类型，根据特定应用会有很多不同。Radiant的ProMetric磁翻柱液位计利用科学级CCD，在低噪声特性方面提供了特别高的性能，同时还提供了极快的数据传输速度和高分辨率。
解析度
在考虑磁翻柱液位计的功能时，分辨率是评估的关键指标，但很容易被误解。
分辨率本质上是2D成像系统将收集的像素总数，包括垂直（N）和水平（M）像素。
对于高精度的标准磁翻柱液位计，通过各种滤镜拍摄了几幅图像，这些滤镜反映了x条（红色），y条（绿色）和z条（蓝色）三刺激曲线。
然后将这些图像更改为重叠，并针对该图像的每个MxN像素创建一个包含X，Y和Z三刺激值的单个图像。在一些示例中，对拜耳镶嵌（RGB）系统进行校准以分析颜色。
这些系统不具有基于CIE滤镜的系统的颜色精度，并且仅限于诸如颜色均匀性之类的应用。
RGB系统可以提供快速的处理速度和成本效益，但与基于CIE滤波器的系统相比，它们提供的分辨率要低得多（基本上是一半）。
高分辨率CCD提供了空间分辨率，可在照明键盘，高清显示器上进行精细测量，并用于检测微小的表面缺陷。
对于分辨率和精度至关重要的应用，基于CIE滤波器的系统是zui佳选择。Pro降噪
噪声会降低CCD图像的可重复性和准确性。信噪比（SNR）分析与首选信号相比的背景噪声量。考虑轻帧测量中的细微变化时，SNR非常重要。
例如，Radiant Vision Systems mura和缺陷检测系统非常依赖于此。CCD检测器中的主要噪声源是读取噪声，热噪声，图案噪声和散粒噪声。
热噪声
除了入射光子产生的自由电子（称为光电子）外，热影响也会产生自由电子。来自热产生的电荷的图像噪声在高温下或长时间曝光后尤其具有挑战性。
由于热噪声高度依赖于温度（温度每降低6°C，温度噪声就会降低大约两倍），因此CCD的冷却会显着降低本底噪声。
这允许更长的图像积分时间，这有助于测量低亮度水平，例如显示暗状态。在高动态范围或低强度应用中经常使用冷却。
商业CCD成像器zui常用的冷却技术是热电冷却（TEC或Peltier冷却器）。
根据所需的本底噪声，可以分多个阶段实现。例如，zui初的TEC冷却CCD本身，而下一个TEC用于冷却第一个TEC的散热器，依此类推。
权衡： RGB系统以较低的成本提供成像速度，但是分辨率比基于CIE滤光片的色度计低得多，并且限制了应用程序的使用。
读取噪音
读取噪声是在整个像素读取过程中信号中存在的不确定性。
这种不确定性是由多个问题引起的，但取决于读数速度和电子设备的质量：读数越快，噪音越大。磁翻柱液位计的设计折衷是在电气系统成本与测量速度和精度之间。
散粒噪声
光的量子性质导致从“恒定”输出光源收集的光子数量逐渐显示出统计上的差异。这种信号水平的不确定性（称为散粒噪声）与每个像素中包含的光子数的平方根相同。
如果收集的光电子数量更多，则信噪比更好。
每个CCD像素可以收集的zui大光电子数量（其阱深度）直接与像素的物理尺寸有关。
较大的像素可以包含更多的电子，并生成较低噪声的图像。各种CCD具有替代的像素区域，传统上具有较大像素区域的CCD成本更高，但性能也有所提高。
例如，对于弱光应用，与具有小像素的CMOS系统相比，需要基于CCD的系统更大的像素大小。
图案噪音
图案噪声是像素缺陷（每个像素的特定亮度的细微变化）的结果，这种缺陷在较长的曝光镜头中会变得明显，从而在图像上形成图案。
如果可重复，则图案噪声可以称为“固定图案噪声”（FPN）。通常，可以使用平场或其他校准方法从CCD校准由非均匀像素产生的FPN。
Radiant尚未在其磁翻柱液位计范围内增加CMOS传感器的原因之一是CMOS的瞬时噪声和FPN都较高，从而降低了当前的性能。
权衡：电气系统成本和测量速度与测量精度之间的关系。
权衡：性能和速度（较大的像素面积）与成本的关系。
亮度校正
为了分析亮度，磁翻柱液位计利用内部滤光片制造，以确保完整的光谱响应与人眼的光谱响应紧密匹配。
在Prometric的I系列色度计和它提供的任何镜头都是工厂所有潜在的距离和两个不同的光圈设置进行校准。
出厂校准意味着可以使用这些孔在任意距离进行测量，并确信测量已正确校准。
比色计可以在指定的工作距离上立即提供适当的平场校准数据，从而提供更高的准确性和灵活性。为了获得被测设备（DUT）的zui精确的亮度测量，可以在特定的照明条件下对其进行重新校准。
色彩准确度
CCD对300 nm至1080 nm范围内的电磁辐射敏感。彩色图像的采集需要对入射光进行过滤，以便只有所需的波长才能到达CCD表面，并且分量图像也必须聚合为整个彩色图像。
有多种方法可以机械地完成此操作，每种方法实质上都需要捕获单个红色（x线），绿色（y线）和蓝色（z线）过滤的图像。
为了获得有效的色彩精度，滤镜必须与CIE响应曲线非常匹配。仅使用绿色滤光片，明视测量是颜色测量的子集。
Metric系统的高分辨率使他们能够执行像素级检测。检测器过滤器另一种流行的方法是将红色，绿色和蓝色滤色器的矩形阵列直接放在行间转移CCD的表面上，称为拜耳图案。这与消费类数码相机中使用的技术高度相似。
该技术的优点是价格便宜，无需购买其他硬件，并且不需要活动部件。对于大多数成像比色法应用而言，这些好处被多个限制所抵消。
由于彩色滤光片位于CCD上，因此针对每种特定颜色收集信息的像素数量仅是CCD所有像素的一小部分。这会降低图像的有效分辨率，使记录精细细节变得更加困难。
通常在该技术中使用的行间传输CCD具有较小的像素，这限制了检测器的动态范围并降低了信噪比。
由于可用的滤光技术无法提供与CIE光谱响应曲线的精确匹配，因此颜色的准确性也会受到影响。
移动滤镜轮
另一种方法是使用电动滤轮。通过依次将不同的彩色滤光片旋转到CCD的前面，可以记录必要的一系列分量图像，以提供整个彩色图像。
在该系统中，需要机械或电子快门来阻止光在两次曝光之间到达检测器。
取舍：使用滤镜轮会增加复杂性，但会提供更高的稳定性和精度，并且可以选择使用NIR和其他专用滤镜。
与高性能CCD搭配使用时，使用滤光轮可以提供非常高的动态范围，低噪声，高空间分辨率和高填充系数的彩色图像。
此方法对红色，绿色和蓝色使用不同的滤镜，从而有可能与各个CIE颜色曲线非常匹配。
当光以不同的入射角行进通过滤镜时，至关重要的是，滤镜在入射角范围内的性能变化应zui小。
因此，吸收性滤光片比薄膜滤光片具有更高的精度。与替代技术相比，使用滤光轮有多个好处。首先，它是负担得起的成本中zui稳定，zui精确的过滤技术。
其次，该方法可以轻松地调整以用于其他专门的波长滤镜，例如NIR滤镜。实现这些优势取决于精确的机械校准和设计，给磁翻柱液位计带来一些成本和复杂性。
动态范围
动态范围是色度仪性能的另一个关键方面。动态范围需要成像系统可以识别的从zui亮到zui暗（灰色阴影数量）的值范围。
高动态范围（HDR）测量在不同的曝光时间组合了几幅图像，以为测量中的低光度区域提供信息，而不会由于CCD饱和而丢失高光度区域的信息。
Radiant ProMetric比色计的动态范围使它们能够满足人眼的视觉感知，从而实现zui精确的测量。
所有这些设计选择如何集成到zui佳磁翻柱液位计中？
下表概述了磁翻柱液位计的测量误差来源。这详细介绍了先前提出的所有挑战，并增加了一些其他深奥但关键的因素。
Radiant Vision Systems磁翻柱液位计是专门为解决所列错误提供解决方案的。例如，它们具有较大的像素尺寸以帮助消除杂点噪声，工厂校准以减少图案噪声（不均匀性），ND滤光轮和CIE匹配的彩色滤光轮。
这些设计规范意味着ProMetric系列是磁翻柱液位计的zui佳范围，适用于需要高精确度和准确性以匹配人类视觉感知的应用。
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