ПЗС-детекторы и калибровка изображений

Приборы с зарядовой связью являются доминирующими детекторами изображений в астрономии, и их необработанный выходной сигнал должен быть откалиброван с помощью коррекции смещения, темнового тока и плоского поля перед использованием.

Definition

Калибровка изображения ПЗС — это процесс коррекции необработанных кадров детектора на инструментальные сигнатуры, главным образом уровень смещения, темновой ток и чувствительность от пикселя к пикселю, для получения изображения, пропорционального падающему свету.

Scope

Эта тема охватывает работу и калибровку ПЗС-детекторов. Она включает в себя то, как ПЗС-матрицы преобразуют свет в заряд, ключевые свойства, такие как квантовая эффективность, усиление, шум считывания и линейность, а также стандартную последовательность калибровки: вычитание смещения, коррекция темнового тока и калибровка плоского поля. Также отмечаются связанные детекторы, такие как КМОП-сенсоры, которые используют те же принципы калибровки.

Core questions

• Как ПЗС-матрица преобразует падающие фотоны в измеряемый сигнал?
• Что описывают усиление, шум считывания, квантовая эффективность и линейность?
• Почему необходимы кадры смещения, темнового тока и плоского поля, и как они применяются?
• Как артефакты детектора, такие как дефектные пиксели и насыщение, влияют на данные?

Key theories

Коррекция смещения, темнового тока и плоского поля

Вычитание электронного уровня смещения и накопленного темнового тока, а также деление на нормализованное плоское поле устраняет аддитивные смещения и мультипликативные вариации чувствительности из необработанных кадров.

Характеристика ПЗС-детектора

Производительность ПЗС-матрицы описывается ее квантовой эффективностью, усилением, шумом считывания, емкостью полного потенциала и линейностью, которые вместе определяют достижимый сигнал и динамический диапазон.

Clinical relevance

Поскольку практически вся современная оптическая и ближняя инфракрасная визуализация основана на детекторах типа ПЗС, правильная калибровка является необходимым условием для точной фотометрии, спектроскопии и астрометрии в наблюдательной астрономии.

History

Изобретенные в 1969 году и адаптированные для астрономии в 1970-х годах, ПЗС-матрицы вытеснили фотографические пластинки, предлагая высокую квантовую эффективность, линейность и цифровой выход, установив основу калибровки, используемую до сих пор.

Seminal works

• howell2006
• janesick2001
• chromey2016

Frequently asked questions

Что такое плоское поле?

Плоское поле — это изображение равномерно освещенного источника, используемое для отображения относительной чувствительности каждого пикселя; деление научных кадров на него корректирует вариации отклика и оптическое виньетирование.

Зачем вычитать кадр смещения?

ПЗС-матрицы добавляют постоянное электронное смещение к каждому считыванию, чтобы значения оставались положительными; вычитание кадра смещения устраняет это смещение, так что количество пикселей отражает фактически собранный заряд.