光電成像系統(tǒng)的絕對光譜響應(yīng)效率測量及分析

陳均溢，商思航，苗 丹，江財俊，曾延安

(華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院 光電工程系，武漢 430074)

引 言

光電成像系統(tǒng)目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、航空航天、天文觀測、醫(yī)學(xué)、安防等領(lǐng)域，隨著應(yīng)用的不斷深入，建立完善的光電成像系統(tǒng)的性能測量系統(tǒng)以及評價標準意義重大。光譜響應(yīng)效率是光電成像系統(tǒng)的一項重要指標，直接影響被測目標的光度學(xué)和色度學(xué)特性[1]。

目前,國內(nèi)外光電成像系統(tǒng)光譜響應(yīng)的測量大多采取分步進行的方式，即獨立測量成像傳感器的量子效率以及光學(xué)鏡頭的光譜透過率，再通過理論分析的方式給出系統(tǒng)的光譜響應(yīng)效率[2-6]。而對光電成像系統(tǒng)光譜響應(yīng)效率的直接測量研究較少，在國內(nèi)尤為如此。因此，本文中基于對現(xiàn)有的光學(xué)成像系統(tǒng)中光能量傳遞模型和圖像傳感器物理模型的分析，得到了光電成像系統(tǒng)光能量-灰度值傳遞模型公式，并從中分析出了光電成像系統(tǒng)絕對光譜響應(yīng)效率的計算公式。根據(jù)此公式設(shè)計了基于積分球、多光譜發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED)、標準探測器和同軸透射式平行光管的光電成像系統(tǒng)的絕對光譜響應(yīng)效率測量裝置。通過對絕對光譜響應(yīng)效率已知的可見光數(shù)字相機進行測量，結(jié)果證明了測量方法的正確性。

1 系統(tǒng)光譜響應(yīng)效率測量原理

對于光電成像系統(tǒng)絕對光譜響應(yīng)效率的測量，就是給出系統(tǒng)不同光譜能量轉(zhuǎn)換效率的曲線[7]，因此需要建立外界光能量至光電成像系統(tǒng)輸出灰度值的物理模型。

1.1 光學(xué)成像系統(tǒng)中的能量傳遞

光學(xué)成像系統(tǒng)光能量傳遞模型，討論的是光能量從光學(xué)成像系統(tǒng)的始端(物面)到終端(像面)的傳遞過程，傳遞示意圖如圖1所示。

Fig.1 Optical imaging system energy transfer

根據(jù)現(xiàn)有攝影光學(xué)成像系統(tǒng)中心視場能量傳遞的研究[8-10]，當(dāng)圖1中物面為余弦輻射面時，像面處接收到的輻射照度E(λ)為：

(1)

式中，λ為波長，K(λ)為光學(xué)系統(tǒng)的光譜透過率，L(λ)為物面的輻射亮度，D是系統(tǒng)通光口徑，f為焦距，βz和β分別為系統(tǒng)出瞳平面和像平面位置上的垂軸放大率。

(1)式即為光學(xué)成像系統(tǒng)光能量傳遞公式，當(dāng)給定探測物面的輻射亮度L(λ)和光學(xué)鏡頭的標準參量后，即可得到圖像傳感器表面中心輻射照度E(λ)。

在光電成像系統(tǒng)中，光學(xué)鏡頭的焦距f與通光口徑D的比值用光圈數(shù)F表征，且一般采用對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，則βz=1[10]。為方便測量，一般使成像系統(tǒng)對無窮遠成像，則有：

(2)

1.2 圖像傳感器物理模型

目前可見光近紅外成像系統(tǒng)多以互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)或電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)圖像傳感器作為成像器件，兩者均主要由像敏陣列和集成電路組成，具有相同的物理模型，但具體實現(xiàn)機制不同。圖像傳感器可將一段曝光時間內(nèi)像敏陣列接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)過相應(yīng)的信號處理電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出[11-12]。圖2為圖像傳感器的物理模型示意圖。

Fig.2 Physical model of the image sensor

如圖2所示，在一定曝光時間內(nèi)，平均μp個光子經(jīng)過圖像傳感器產(chǎn)生μe個電子，其轉(zhuǎn)換效率即圖像傳感器的量子效率η(λ),為兩者的比值，可表示為：

(3)

轉(zhuǎn)換之后的電子被轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字灰度值的形式輸出。根據(jù)模型分析，可得圖像傳感器輸出灰度值與入射到圖像傳感器的光信號之間的關(guān)系為：

(4)

式中，μy為圖像傳感器像素輸出的灰度值；μy，dark是無光照條件下輸出的暗信號，僅取決于曝光時間和溫度；G為傳感器的系統(tǒng)總增益，可通過光子轉(zhuǎn)移法測得；λ為波長；A為圖像傳感器的像元面積；h為普朗克常數(shù)；c為光速；texp為傳感器的曝光時間。

1.3 光譜響應(yīng)效率測量原理

結(jié)合上述理論和公式，可推導(dǎo)得光電成像系統(tǒng)對無窮遠處成像時的光能量-灰度值傳遞公式：

(5)

(5)式是光電成像系統(tǒng)對無窮遠目標成像的基本模型公式，表征了從無窮遠處的物方至圖像傳感器像素輸出灰度值的能量傳遞過程。其中，鏡頭的光譜透過系數(shù)K(λ)與圖像傳感器量子效率η(λ)的乘積即為可見光成像系統(tǒng)絕對光譜響應(yīng)效率R(λ)，則有：

(6)

2 測量裝置設(shè)計

根據(jù)光電成像系統(tǒng)絕對光譜響應(yīng)測量原理，設(shè)計了由積分球、多光譜LED光源、標準探測器和同軸透射式平行光管共同構(gòu)成的測量裝置[13-18]，裝置的總體示意圖如圖3所示。

Fig.3 Test system diagram

圖3中，使用積分球和多光譜LED共同構(gòu)成光源模塊。積分球輸出近似為朗伯輻射體，既可以保證測量系統(tǒng)光源的面均勻性，又能滿足模型中物面為余弦輻射面的理論前提[19-20]。積分球直徑為300mm，出口直徑為40mm，出光口面均勻性高于96%。積分球的光源為多個單色LED構(gòu)成光譜范圍380nm～1100nm的多光譜光源，光譜范圍基本涵蓋常用可見光圖像傳感器的光譜響應(yīng)范圍，滿足測量需求[21]。

為準確測量積分球光源在不同波長LED工作時的輻射亮度L(λ)，選擇光譜靈敏度已知的標準探測器FDS100。圖4a為FDS100標準探測器的光譜靈敏度曲線,圖4b為FDS100工作測量電路。通過測量探測器測量電路中采樣電阻Rl兩端的電壓Vr，可以準確計算當(dāng)前積分球光源的輻射亮度L(λ)：

(7)

Fig.4 FDS100 standard detectora—responsivity b—measuring circuit

式中，Ad為標準探測器有效探測面積，S(λ)為標準探測器光譜靈敏度。

結(jié)合(6)式與(7)式，可得設(shè)計測量系統(tǒng)中被測設(shè)備絕對光譜響應(yīng)效率計算公式：

(8)

為滿足被測光電成像系統(tǒng)對積分球的出光口表面為無窮遠成像的要求，使用同軸透射式平行光管對輸出光進行準直，將積分球出光口放置在同軸透射式平行光管焦點處。使用的平行光管的焦距為550mm，出光口徑為50mm，對可見光波段透過率接近于1。

測量時將被測光電成像系統(tǒng)放置在平行光管的出光口后，調(diào)焦至對無窮遠成像。通過測量被測設(shè)備對不同光譜光源目標的輸出灰度值，結(jié)合標準探測器輸出結(jié)果和被測成像系統(tǒng)已知參量，代入(8)式中即可得到被測光電成像系統(tǒng)的絕對光譜響應(yīng)效率。

3 實驗結(jié)果與分析

使用研制的測量裝置，對某款性能參量已知的可見光CMOS數(shù)字相機進行絕對光譜響應(yīng)效率測量，并對結(jié)果進行分析。表1中為該可見光數(shù)字相機CMOS圖像傳感器參量，表2中為成像鏡頭參量。

Table 1 Image sensor parameters

Table 2 Image lens parameters

在暗室環(huán)境下，設(shè)置被測可見光數(shù)字相機曝光時間為10ms，利用所研制的測量裝置測量被測設(shè)備在不同波長光源情況下的灰度值和標準探測器的輸出值，計算得到被測設(shè)備的絕對光譜響應(yīng)效率R(λ)。表3中為被測可見光數(shù)字相機的絕對光譜響應(yīng)效率測量結(jié)果。其中絕對光譜響應(yīng)效率測量值為各個波長測量點測量5次的平均值，并給出了各波長測量點在置信概率為95%時的A類不確定度μA(λ)。為驗證測量結(jié)果的準確性，將測量結(jié)果與被測設(shè)備光譜響應(yīng)效率標準值進行比較，并將曲線共同繪于圖5中。

從表3中數(shù)據(jù)及圖5中曲線可以看出：各個波長測量點在多次測量時，其A類不確定度在置信概率95%時均小于0.2%，測量平均值與標準值之間的最大相對誤差為1.7%，表明測量裝置具有較好的穩(wěn)定性，測得的可見光數(shù)字相機的絕對光譜響應(yīng)效率與標準值一致性較好。

Table 3 Spectral response efficiency measurement results

Fig.5 Measurement result curve

4 結(jié) 論

在分析光學(xué)成像系統(tǒng)光能量傳遞模型和圖像傳感器物理模型的基礎(chǔ)上，得到了光電成像系統(tǒng)光能量-灰度值傳遞公式以及絕對光譜響應(yīng)效率的計算公式。并設(shè)計了基于積分球、多光譜LED光源、標準探測器和同軸透射式平行光管的可見光成像系統(tǒng)絕對光譜響應(yīng)效率測量裝置。利用此裝置對性能參量已知的可見光數(shù)字相機進行了測量和分析。結(jié)果表明，測量裝置測得的可見光數(shù)字相機的絕對光譜響應(yīng)效率與標準值具有較好的一致性，最大相對誤差為1.7%，各波長點的測量不確定度在置信概率為95%時均小于0.2%，能夠準確對光電成像系統(tǒng)的絕對光譜效應(yīng)效率進行測量。