圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試裝置及其測試方法
【專利摘要】圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試裝置及其測試方法，屬于空間光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，為解決圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試偏差大的問題，在單色儀出光口位置，安裝積分球收集器，積分球收集器的入光口法線和出光口法線垂直，單色儀發(fā)出的單色光經(jīng)入光口入射到積分球內(nèi)，在出光口形成均勻的出射光斑。使用標(biāo)準(zhǔn)陷阱輻射計，測試積分球出光口處的輻射能量，利用積分球出光口的面積，計算出積分球出光口處的輻射照度。在圖像傳感器測試時，圖像傳感器的感光像元區(qū)域貼近積分球的出光口，獲得對應(yīng)的圖像；利用像元面積，計算出圖像傳感器獲得的輻射能量，利用獲得的輻射能量和圖像傳感器的輸出信號，可以方便計算出圖像傳感器的絕對光譜響應(yīng)度及量子效率等參數(shù)。
【專利說明】
圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試裝置及其測試方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試裝置及其測試方法，屬于空間光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器CCD和CMOS是空間相機的重要光電轉(zhuǎn)換器件，將成像到光學(xué)系統(tǒng)焦面的地物輻射信息轉(zhuǎn)換為圖像，圖像傳感器的絕對光譜響應(yīng)度是評價傳感器的響應(yīng)能力重要技術(shù)指標(biāo)。該指標(biāo)對空間相機的成像能力具有直接影響。由于單色儀出光口單色光斑的非均勻性高達(dá)10%，對圖像傳感器的絕對光譜響應(yīng)度測試結(jié)果影響比較大，因此目前采用單色儀輸出的光源，多用于測試圖像傳感器的相對光譜響應(yīng)度。另外，還有采用多種波長的LED作為光源，對圖像傳感器進(jìn)行測試，由于LED的波長帶寬比較大，一般為20nm，因此測試不能滿足高精度光譜分辨率(2nm)測試要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)對圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試偏差大的問題，提出一種具有高光譜分辨率的絕對光譜響應(yīng)度測試裝置及方法。
[0004]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0005]圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試裝置，其特征是，其包括光源室、單色儀、積分球收集器、積分球收集器入光口、積分球收集器出光口、標(biāo)準(zhǔn)陷阱輻射計、圖像傳感器組件和計算機；
[0006]光源室為單色儀提供穩(wěn)定的輻射照明，光源室在計算機的控制下輸出不同的光譜福射能量；
[0007]單色儀在計算機的控制下通過旋轉(zhuǎn)光柵輸出單色光，單色光經(jīng)積分球收集器入光口進(jìn)入積分球收集器，在積分球內(nèi)經(jīng)多次反射后在積分球收集器出光口處形成均勾的光斑；
[0008]計算機控制標(biāo)準(zhǔn)陷阱輻射計，測試積分球收集器出光口處光斑的輻射通量，利用光斑的面積計算出該位置處的輻射照度，計算機控制圖像傳感器組件采集圖像傳感器的圖像。
[0009]圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試方法，其特征是，該方法包括以下步驟:
[0010]第一步，將圖像傳感器放置到積分球收集器出光口位置處，使圖像傳感器的感光面緊貼積分球收集器的出光口；計算機控制光源室輸出的能量，控制單色儀掃描，控制圖像傳感器組件采集各波長的圖像，找出最大圖像灰度值對應(yīng)的波長，通過調(diào)節(jié)光源室輸出的能量和圖像傳感器的積分時間，使得最大圖像灰度值為圖像傳感器飽和灰度值的95%;此時光源的輸出狀態(tài)為LI;設(shè)置單色儀的起止波長和掃描波長間隔，計算機控制單色儀掃描和圖像傳感器組件，按波長順序獲得對應(yīng)的圖像，并保存圖像文件；
[0011]第二步，計算機控制控制單色儀至第一步中最大圖像灰度值對應(yīng)的波長位置處，依次調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)光源室輸出的能量，分別使得圖像灰度值為圖像傳感器飽和灰度值的85%、75%、65%、55%、45%、35%;此時光源的輸出狀態(tài)為1^、1^3、1^4、1^5、1^6、1^7;在光源對應(yīng)的狀態(tài)下，設(shè)置單色儀的起止波長和掃描波長間隔參數(shù)與第一步中的參數(shù)相同，計算機控制單色儀掃描和圖像傳感器組件，按波長順序獲得對應(yīng)的圖像，并保存圖像文件；
[0012]第三步，完成對圖像傳感器的測試后，將標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測器放置到積分球收集器的出光口處，調(diào)節(jié)光源室使其輸出的能量狀態(tài)與LI相同；設(shè)置單色儀的起止波長和掃描波長間隔參數(shù)與第一步中的參數(shù)相同，計算機控制單色儀掃描同時控制標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測器，采集并保存對應(yīng)波長位置的輻射能量數(shù)據(jù)；
[0013]第四步，調(diào)節(jié)光源室使其輸出的能量狀態(tài)分別為L2、L3、L4、L5、L6、L7;采集并存儲對應(yīng)狀態(tài)各波長位置的能量數(shù)據(jù)；
[0014]第五步，提取對應(yīng)于狀態(tài)L1、L2、……L7在起始波長位置處的標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測器輸出的輻射功率Wl、W2、……W7;利用積分球出光口的面積S和轉(zhuǎn)換關(guān)系式為E = W/S，計算出對應(yīng)的輻射照度E1、E2、……E7;
[0015]第六步，提取對應(yīng)于狀態(tài)1^1、1^、1^3、1^4、1^5、1^6、1^7，圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)，并取對應(yīng)積分球出光口圖像中最中間的1 X 1像元計算平均圖像個灰度值DNl、DN2、……DN7;
[0016]第七步，利用數(shù)據(jù)El、E2、……E7和DN1、DN2、……DN7，采用最小二乘法，計算出該波長的絕對光譜響應(yīng)度Rdn ；
[0017]第八步，重復(fù)第五步、第六步和第七步，完成所有波長的絕對光譜響應(yīng)度計算；
[0018]第九步，圖像傳感器組件的電路內(nèi)部圖像灰度值DN、電壓V、電子數(shù)e—之間的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系，重復(fù)第八步，可分別求得電壓絕對響應(yīng)度Rv和電子數(shù)絕對響應(yīng)度Re。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:在單色儀出光口位置，安裝一個積分球收集器，積分球收集器的入光口法線和出光口法線垂直，單色儀發(fā)出的單色光經(jīng)入光口入射到積分球內(nèi)，在出光口形成一個均勻的出射光斑。使用標(biāo)準(zhǔn)陷阱輻射計，測試積分球出光口處的輻射能量，利用積分球出光口的面積，計算出積分球出光口處的輻射照度。在圖像傳感器測試時，圖像傳感器的感光像元區(qū)域貼近積分球的出光口，獲得對應(yīng)的圖像;利用像元面積，計算出圖像傳感器獲得的輻射能量，利用獲得的輻射能量和圖像傳感器的輸出信號，可以方便計算出圖像傳感器的絕對光譜響應(yīng)度及量子效率等參數(shù)。該方案解決了圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試偏差大的問題，可以準(zhǔn)確的獲得圖像傳感器所接收的均勻光斑單色輻射照度，從而方便快捷的測試圖像傳感器的絕對輻射響應(yīng)度，以及量子效率等參數(shù)。本發(fā)明主要用于圖像傳感器CCD或CMOS的絕對光譜響應(yīng)度的出廠檢測或用戶的篩選測試。
【附圖說明】
[0020]圖1:本發(fā)明圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中，1、光源室，2、單色儀，3、積分球收集器，4、積分球收集器入光口，5、積分球收集器出光口，6、標(biāo)準(zhǔn)陷阱輻射計，7、圖像傳感器組件，8、計算機。
[0022]圖2:圖像傳感器光譜數(shù)采集示意圖，將圖1中的圖像傳感器組件中的圖像傳感器放置到積分球收集器出光口。
[0023]圖3:標(biāo)準(zhǔn)陷阱輻射計測試輻射能量的示意圖，將圖1中的標(biāo)準(zhǔn)陷阱輻射計放置到積分球收集器出光口。
【具體實施方式】
[0024]如圖1所示，圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試裝置，其包括光源室1、單色儀2、積分球收集器3、積分球收集器入光口4、積分球收集器出光口5、標(biāo)準(zhǔn)陷阱輻射計6、圖像傳感器組件7和計算機8。
[0025]光源室I內(nèi)置溴鎢燈或氙燈光源，其為單色儀2提供穩(wěn)定的輻射照明。光源室I在計算機8的控制下輸出不同的光譜輻射能量。
[0026]單色儀2在計算機8的控制下通過旋轉(zhuǎn)光柵輸出單色光，單色光經(jīng)積分球收集器入光口 4進(jìn)入積分球收集器3，在積分球內(nèi)經(jīng)多次反射后在積分球收集器出光口 5處形成均勾的光斑。單色儀2采用Newport公司生產(chǎn)的M260單色儀。
[0027]積分球收集器3，內(nèi)避噴涂高漫反射材料。積分球收集器入光口4的法線和積分球收集器出光口 5的法線垂直。單色儀2發(fā)出的單色光由積分球收集器入光口 4接收，在積分球收集器3內(nèi)經(jīng)過多次反射，形成均勾光斑在積分球收集器出光口 5處發(fā)出，積分球收集器出光口 5的直徑小于Φ 2mm，在此處光斑的均勻性達(dá)到99.9 %。
[0028]計算機8控制標(biāo)準(zhǔn)陷阱輻射計6，測試積分球收集器出光口5處光斑的輻射通量，利用光斑的面積計算出該位置處的輻射照度，計算機8控制圖像傳感器組件7采集圖像傳感器的圖像。
[0029]圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試方法，包括以下步驟:
[0030]第一步，如圖2所示，將圖像傳感器放置到積分球收集器出光口5位置處，使圖像傳感器的感光面緊貼積分球收集器的出光口 5;計算機8控制光源室I輸出的能量，控制單色儀2掃描，控制圖像傳感器組件7采集各波長的圖像，找出最大圖像灰度值對應(yīng)的波長，通過調(diào)節(jié)光源室I輸出的能量和圖像傳感器的積分時間，使得最大圖像灰度值為圖像傳感器飽和灰度值的95%;此時光源的輸出狀態(tài)為LI;設(shè)置單色儀2的起止波長和掃描波長間隔，計算機8控制單色儀2掃描和圖像傳感器組件7，按波長順序獲得對應(yīng)的圖像，并保存圖像文件；
[0031]第二步，計算機8控制控制單色儀2至第一步中最大圖像灰度值對應(yīng)的波長位置處，依次調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)光源室I輸出的能量，分別使得圖像灰度值為圖像傳感器飽和灰度值^85%,75%,65%,55%,45%,35% ;此時光源的輸出狀態(tài)為L2、L3、L4、L5、L6、L7;在光源對應(yīng)的狀態(tài)下，設(shè)置單色儀的起止波長和掃描波長間隔參數(shù)與第一步中的參數(shù)相同，計算機8控制單色儀2掃描和圖像傳感器組件7，按波長順序獲得對應(yīng)的圖像，并保存圖像文件；
[0032]第三步，如圖3所示，完成對圖像傳感器的測試后，將標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測器6放置到積分球收集器的出光口5處，調(diào)節(jié)光源室I使其輸出的能量狀態(tài)與LI相同；設(shè)置單色儀的起止波長和掃描波長間隔參數(shù)與第一步中的參數(shù)相同，計算機8控制單色儀2掃描同時控制標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測器6，采集并保存對應(yīng)波長位置的輻射能量數(shù)據(jù)；
[0033]第四步，調(diào)節(jié)光源室I使其輸出的能量狀態(tài)分別為L2、L3、L4、L5、L6、L7;采集并存儲對應(yīng)狀態(tài)各波長位置的能量數(shù)據(jù)；
[0034]第五步，提取對應(yīng)于狀態(tài)L1、L2、……L7在起始波長位置處的標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測器輸出的輻射功率Wl、W2、……W7;利用積分球出光口的面積S和轉(zhuǎn)換關(guān)系式為E = W/S，計算出對應(yīng)的輻射照度E1、E2、……E7;
[0035]第六步，提取對應(yīng)于狀態(tài)1^1、1^、1^3、1^4、1^5、1^6、1^7，圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)，并取對應(yīng)積分球出光口圖像中最中間的1 X 1像元計算平均圖像個灰度值DNl、DN2、……DN7;
[0036]第七步，利用數(shù)據(jù)El、E2、……E7和DN1、DN2、……DN7，采用最小二乘法，計算出該波長的絕對光譜響應(yīng)度Rdn(DN/W/V)；
[0037]第八步，重復(fù)第五步、第六步和第七步，完成所有波長的絕對光譜響應(yīng)度計算；
[0038]第九步，圖像傳感器組件的電路內(nèi)部圖像灰度值DN、電壓V、電子數(shù)e—之間的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系，重復(fù)第八步，可分別求得電壓絕對響應(yīng)度Rv( V/W/m2)和電子數(shù)絕對響應(yīng)度Re( e—/
ff/m2)o
[0039]本發(fā)明的圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試裝置及其測試方法不僅適用于可見光圖像傳感器，也適用于紅外圖像傳感器，當(dāng)測試紅外圖像傳感器時，將光源換成紅外輻射源，將單色儀換成紅外單色儀。
【主權(quán)項】
1.圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試裝置，其特征是，其包括光源室(I)、單色儀(2)、積分球收集器(3)、積分球收集器入光口(4)、積分球收集器出光口(5)、標(biāo)準(zhǔn)陷阱輻射計(6)、圖像傳感器組件(7)和計算機(8); 光源室(I)為單色儀(2)提供穩(wěn)定的輻射照明，光源室(I)在計算機(8)的控制下輸出不同的光譜輻射能量； 單色儀(2)在計算機(8)的控制下通過旋轉(zhuǎn)光柵輸出單色光，單色光經(jīng)積分球收集器入光口(4)進(jìn)入積分球收集器(3)，在積分球內(nèi)經(jīng)多次反射后在積分球收集器出光口(5)處形成均勾的光斑； 計算機(8)控制標(biāo)準(zhǔn)陷阱輻射計(6)，測試積分球收集器出光口(5)處光斑的輻射通量，利用光斑的面積計算出該位置處的輻射照度，計算機(8)控制圖像傳感器組件(7)采集圖像傳感器的圖像。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試裝置，其特征是，光源室(I)內(nèi)置溴鎢燈或氙燈。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試裝置，其特征是，積分球收集器(3)的內(nèi)壁噴涂高漫反射率材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試裝置，其特征是，所述的積分球收集器入光口(4)法線和積分球收集器出光口(5)法線垂直。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試裝置，其特征是，積分球收集器出光口(5)小于Φ 2mm。6.基于權(quán)利要求1所述的圖像傳感器絕對光譜響應(yīng)度測試裝置的測試方法，其特征是，該方法包括以下步驟: 第一步，將圖像傳感器放置到積分球收集器出光口(5)位置處，使圖像傳感器的感光面緊貼積分球收集器的出光口(5);計算機(8)控制光源室(I)輸出的能量，控制單色儀(2)掃描，控制圖像傳感器組件(7)采集各波長的圖像，找出最大圖像灰度值對應(yīng)的波長，通過調(diào)節(jié)光源室(I)輸出的能量和圖像傳感器的積分時間，使得最大圖像灰度值為圖像傳感器飽和灰度值的95%;此時光源的輸出狀態(tài)為LI;設(shè)置單色儀(2)的起止波長和掃描波長間隔，計算機(8)控制單色儀(2)掃描和圖像傳感器組件(7)，按波長順序獲得對應(yīng)的圖像，并保存圖像文件； 第二步，計算機(8)控制控制單色儀(2)至第一步中最大圖像灰度值對應(yīng)的波長位置處，依次調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)光源室(I)輸出的能量，分別使得圖像灰度值為圖像傳感器飽和灰度值的85%、75%、65%、55%、45%和35%;此時光源的輸出狀態(tài)為1^、1^3、1^4、1^5、1^6和1^7;在光源對應(yīng)的狀態(tài)下，設(shè)置單色儀(2)的起止波長和掃描波長間隔參數(shù)與第一步中的參數(shù)相同，計算機(8)控制單色儀(2)掃描和圖像傳感器組件(7)，按波長順序獲得對應(yīng)的圖像，并保存圖像文件； 第三步，完成對圖像傳感器的測試后，將標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測器(6)放置到積分球收集器的出光口(5)處，調(diào)節(jié)光源室(I)使其輸出的能量狀態(tài)與LI相同；設(shè)置單色儀的起止波長和掃描波長間隔參數(shù)與第一步中的參數(shù)相同，計算機(8)控制單色儀(2)掃描同時控制標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測器(6)，采集并保存對應(yīng)波長位置的輻射能量數(shù)據(jù)； 第四步，調(diào)節(jié)光源室(I)使其輸出的能量狀態(tài)分別為L2、L3、L4、L5、L6和L7;采集并存儲對應(yīng)狀態(tài)各波長位置的能量數(shù)據(jù)； 第五步，提取對應(yīng)于狀態(tài)L1、L2、……L7在起始波長位置處的標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測器輸出的輻射功率Wl、W2、……Th利用積分球出光口的面積S和轉(zhuǎn)換關(guān)系式為E=W/S，計算出對應(yīng)的輻射照度E1、E2、……E7; 第六步，提取對應(yīng)于狀態(tài)L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7，圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)，并取對應(yīng)積分球出光口圖像中最中間的1 X 1像元計算平均圖像個灰度值DNl、DN2、……DN7; 第七步，利用數(shù)據(jù)E1、E2、……E7和DNl、DN2、……DN7，采用最小二乘法，計算出該波長的絕對光譜響應(yīng)度Rdn; 第八步，重復(fù)第五步、第六步和第七步，完成所有波長的絕對光譜響應(yīng)度計算； 第九步，圖像傳感器組件的電路內(nèi)部圖像灰度值DN、電壓V、電子數(shù)e-之間的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系，重復(fù)第八步，可分別求得電壓絕對響應(yīng)度Rv和電子數(shù)絕對響應(yīng)度Re。
【文檔編號】H04N17/00GK106067971SQ201610348759
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月24日 公開號201610348759.8, CN 106067971 A, CN 106067971A, CN 201610348759, CN-A-106067971, CN106067971 A, CN106067971A, CN201610348759, CN201610348759.8
【發(fā)明人】李憲圣, 孫景旭, 劉洪興, 任建岳, 任建偉, 萬志, 劉則詢, 李葆勇
【申請人】中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所