求教各位光学大牛，怎么通过CCD相机所成的灰度图像计算照射到CCD上的光子数？ ps CCD 为 sony 的 ICX414AL
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解决时间 2021-12-01 19:51
- 提问者网友：两耳就是菩提
- 2021-12-01 07:55
求教各位光学大牛，怎么通过CCD相机所成的灰度图像计算照射到CCD上的光子数？ ps CCD 为 sony 的 ICX414AL
最佳答案
- 五星知识达人网友：不想翻身的咸鱼
- 2021-12-01 08:37
CCD是不可能实现的，CCD成像的灰度，只能表现为单位时间内，照射到CCD整个靶面的光强度，不能以某一个像素点的灰度多少来判断该点或者该平面内的整体光照度。
CCD的饱和电压，和饱和光字数是CCD的一项重要参数，手册中一定会提供的，
饱和光字数就是势阱所能承载的电子数，再乘以读出放大器的响应度（几个mV/e），就是 成像区的饱和电压。
同理，水平读出寄存器的承载电荷量乘以读出放大器的响应度，就是水平读出寄存器的饱和电压。
刚看了ICX414AL的手册，这些参数确实都没有提供，真是垃圾手册。。
但是你可以参考Image Sensor Characteristics 这个图标，上面有饱和电压。追问非常感谢你的回答
CCD相机 的确是可以实现的 国外有好几个人做过类似的实验
外界的弱光信号，通过镜头后，在CCD上形成若干个像素宽度的光柱，然后延长曝光时间，对弱光进行积分（不能饱和）转化为电信号，然后通过位移寄存器，放大电路等一系列的处理获得灰度图像。因此可以根据灰度图像，增益，量子效率等信息反求得在曝光时间内的光通量，进一步求得光强。追答在CCD上形成若干个像素宽度的光柱－－－－－－－－－－
除非是激光，否则单用环境光，不可能形成光柱。
另外，CCD器件即使是同一个厂家的同一个批次，甚至是同一个硅片上切割下来的，在满阱容量，输出响应等，都是不一样的。有的甚至差别会很大。即使是科学级的CCD，也是有这个问题。就更别提量子效率什么的了。
另外还要考虑镜头的问题，
所以说，几乎是不可能的。即使计算出来，也是即不准确的。误差会很大。追问谢谢回复
嗯 是激光
误差是肯定避免不了的了 什么暗电流啊 读取噪声啊 激光线宽……blabla
用制冷相机测出来的误差都是比较大的，我现在就是探究性的做这个设计……
以后肯定还会有很多的后续工作要做的
请教一个问题：理想的CCD的信号电荷数，与所接受到的光照（最小与最大之间）大致成线性关系，那么所显示的灰度图像的值的大小在未饱和时是否也与光照呈线性关系？
PS： 大牛为何方神圣，对CCD竟如此了解？追答我个人认为，如果在同一普段内，应该是呈线性关系的。因为数字图像的灰度等级，本身就是由ADC对CCD输出信号的电荷量进行直接的数字量化而得到的。如果有不一致性，也是ADC自身的不一致性。
另外我觉得相机致冷后，应该对精度有所提高的。因为CCD是对热敏感的，温度高了，各种各样的噪声，暗电流等会增大很多。如果温度降到0度甚至0度一下，CCD本身的暗电流噪声会极低，有利于测量精度的提升，特别是对小信号有帮助。
其实我和你一样，也是做CCD成像电路的。做的多了自然就了解的多些。以后还要多向你请教专业问题，互相帮助哈。
CCD的饱和电压，和饱和光字数是CCD的一项重要参数，手册中一定会提供的，
饱和光字数就是势阱所能承载的电子数，再乘以读出放大器的响应度（几个mV/e），就是 成像区的饱和电压。
同理，水平读出寄存器的承载电荷量乘以读出放大器的响应度，就是水平读出寄存器的饱和电压。
刚看了ICX414AL的手册，这些参数确实都没有提供，真是垃圾手册。。
但是你可以参考Image Sensor Characteristics 这个图标，上面有饱和电压。追问非常感谢你的回答
CCD相机 的确是可以实现的 国外有好几个人做过类似的实验
外界的弱光信号，通过镜头后，在CCD上形成若干个像素宽度的光柱，然后延长曝光时间，对弱光进行积分（不能饱和）转化为电信号，然后通过位移寄存器，放大电路等一系列的处理获得灰度图像。因此可以根据灰度图像，增益，量子效率等信息反求得在曝光时间内的光通量，进一步求得光强。追答在CCD上形成若干个像素宽度的光柱－－－－－－－－－－
除非是激光，否则单用环境光，不可能形成光柱。
另外，CCD器件即使是同一个厂家的同一个批次，甚至是同一个硅片上切割下来的，在满阱容量，输出响应等，都是不一样的。有的甚至差别会很大。即使是科学级的CCD，也是有这个问题。就更别提量子效率什么的了。
另外还要考虑镜头的问题，
所以说，几乎是不可能的。即使计算出来，也是即不准确的。误差会很大。追问谢谢回复
嗯 是激光
误差是肯定避免不了的了 什么暗电流啊 读取噪声啊 激光线宽……blabla
用制冷相机测出来的误差都是比较大的，我现在就是探究性的做这个设计……
以后肯定还会有很多的后续工作要做的
请教一个问题：理想的CCD的信号电荷数，与所接受到的光照（最小与最大之间）大致成线性关系，那么所显示的灰度图像的值的大小在未饱和时是否也与光照呈线性关系？
PS： 大牛为何方神圣，对CCD竟如此了解？追答我个人认为，如果在同一普段内，应该是呈线性关系的。因为数字图像的灰度等级，本身就是由ADC对CCD输出信号的电荷量进行直接的数字量化而得到的。如果有不一致性，也是ADC自身的不一致性。
另外我觉得相机致冷后，应该对精度有所提高的。因为CCD是对热敏感的，温度高了，各种各样的噪声，暗电流等会增大很多。如果温度降到0度甚至0度一下，CCD本身的暗电流噪声会极低，有利于测量精度的提升，特别是对小信号有帮助。
其实我和你一样，也是做CCD成像电路的。做的多了自然就了解的多些。以后还要多向你请教专业问题，互相帮助哈。
全部回答
- 1楼网友：长青诗
- 2021-12-01 09:07
可以用Matlab把图像数据转成光强分布的数字数据，根据光强数据可以估算光子数
- 2楼网友：长青诗
- 2021-12-01 09:00
如果想知道每个像素上的光子数 你需要知道
1. 每个像素测得的光强，单位是W，乘以时间得到单位时间内，照射到ccd像素上的光的能量值，然后除以单个光子的能量就可以得到光子的数目。单个光子的能量是用光的频率乘以普朗克常数。
2. 遗憾的是，估计ccd不会告诉你光强是多少。你得到的灰度图只是一个各个像素上光强的相对值，ccd不能告诉你每个像素的光强。如果你想知道光强的话，你需要知道ccd的量子效率，并且要知道ccd对于光电子的放大倍数，并且要知道所显示的灰度对应多少光电子数。
还有一个问题是 你所测的光如果是多色光的话 ccd测得的数据也没啥太大的意义
因为不同波长的光子，ccd的量子效率是不同的，而且不同频率光子的能量也是不同的，所以算起来很麻烦。
对于强光，算光子数有什么现实意义吗？说说你测光子数的目的吧
对于某些弱光情况，光子的数目才显得重要些，不过ccd无法测弱光，需要用iccd追问真心感谢你的答复 我想做的就是通过光子数进一步求得光强
目的是在夜间通过激光在大气中传播的散射信号求得大气中的颗粒等其实我测光子数的目的也就是计算照射到CCD上的光强，光主要是通过窄带滤波器滤得532nm左右的绿光 量子效率也解决了，因为以前有人已经用CCD做过类似的东西（他的像元只7.4umICX414AL9.9um 应该效果更好的）所以CCD应该是行的通的。再就是你说的ICCD的确是很好 但是价格可不敢恭维 再次感谢追答如果你想要测粒子的尺寸 那么你的实验光路应该类似于静态光散射仪
你去维普或者万方搜一下相关文献吧
如果只是测尺寸的话 没必要求光强的绝对大小 有个相对大小就够了 不过最终的结果也是一个直径和相对数量的函数
通过散射的角度及散射光的强度可以算出颗粒大小 可能需要用到Mie theory 散射光的角度与颗粒的尺寸有关 而且散射光的强度与尺寸也是相关的
如果你像测粒子的密度 我不知道怎么求 也许光学方法并不一定是最好的选择
如果颗粒的尺寸小于100nm的话 可能静态光散射也不灵了 还有一种方法叫做动态光散射法 也叫光子相关光谱法追问我想做的也就是一套很简单的激光雷达系统 因为传统的激光雷达因为PMT APD所检测到的最大信号和最小信号之间相差的数量级太大，达到10^5还多，所以大多不能够很好的测得低空（0-1km左右高度的大气），而且一般的激光雷达的成本高的吓人。 你所讲的动态散射法应该就是测大气时有些激光雷达所用的双波长法 其实测得粒子大小是下一步的主要工作 ，现在主要是想得到大气对某一个波长的消光系数 透过率等
非常感谢你的认真回复！
1. 每个像素测得的光强，单位是W，乘以时间得到单位时间内，照射到ccd像素上的光的能量值，然后除以单个光子的能量就可以得到光子的数目。单个光子的能量是用光的频率乘以普朗克常数。
2. 遗憾的是，估计ccd不会告诉你光强是多少。你得到的灰度图只是一个各个像素上光强的相对值，ccd不能告诉你每个像素的光强。如果你想知道光强的话，你需要知道ccd的量子效率，并且要知道ccd对于光电子的放大倍数，并且要知道所显示的灰度对应多少光电子数。
还有一个问题是 你所测的光如果是多色光的话 ccd测得的数据也没啥太大的意义
因为不同波长的光子，ccd的量子效率是不同的，而且不同频率光子的能量也是不同的，所以算起来很麻烦。
对于强光，算光子数有什么现实意义吗？说说你测光子数的目的吧
对于某些弱光情况，光子的数目才显得重要些，不过ccd无法测弱光，需要用iccd追问真心感谢你的答复 我想做的就是通过光子数进一步求得光强
目的是在夜间通过激光在大气中传播的散射信号求得大气中的颗粒等其实我测光子数的目的也就是计算照射到CCD上的光强，光主要是通过窄带滤波器滤得532nm左右的绿光 量子效率也解决了，因为以前有人已经用CCD做过类似的东西（他的像元只7.4umICX414AL9.9um 应该效果更好的）所以CCD应该是行的通的。再就是你说的ICCD的确是很好 但是价格可不敢恭维 再次感谢追答如果你想要测粒子的尺寸 那么你的实验光路应该类似于静态光散射仪
你去维普或者万方搜一下相关文献吧
如果只是测尺寸的话 没必要求光强的绝对大小 有个相对大小就够了 不过最终的结果也是一个直径和相对数量的函数
通过散射的角度及散射光的强度可以算出颗粒大小 可能需要用到Mie theory 散射光的角度与颗粒的尺寸有关 而且散射光的强度与尺寸也是相关的
如果你像测粒子的密度 我不知道怎么求 也许光学方法并不一定是最好的选择
如果颗粒的尺寸小于100nm的话 可能静态光散射也不灵了 还有一种方法叫做动态光散射法 也叫光子相关光谱法追问我想做的也就是一套很简单的激光雷达系统 因为传统的激光雷达因为PMT APD所检测到的最大信号和最小信号之间相差的数量级太大，达到10^5还多，所以大多不能够很好的测得低空（0-1km左右高度的大气），而且一般的激光雷达的成本高的吓人。 你所讲的动态散射法应该就是测大气时有些激光雷达所用的双波长法 其实测得粒子大小是下一步的主要工作 ，现在主要是想得到大气对某一个波长的消光系数 透过率等
非常感谢你的认真回复！
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