聚焦掃描線陣相機(jī)量子效率測(cè)試系統(tǒng)

唐延甫，李俊霖，楊永強(qiáng)，李忠明，韓 冰

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033）

1 引 言

近年來(lái)，圖像傳感器相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，并廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)監(jiān)控、工業(yè)測(cè)量和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。但由于制造商的技術(shù)基礎(chǔ)和設(shè)備穩(wěn)定性存在差異，圖像傳感器性能參差不齊，所以篩選出性能出色的器件尤為重要［1］。圖像傳感器的性能指標(biāo)主要是量子效率［2-4］、非均勻性［5］和信噪比［6］等光電參數(shù)。其中，量子效率作為圖像傳感器的重要參數(shù)，是傳感器性能評(píng)價(jià)的基本測(cè)試項(xiàng)目［7］。目前，量子效率的高效率、高精度測(cè)試是該領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。

歐洲機(jī)器視覺(jué)協(xié)會(huì)（European Machine Vision Association，EMVA）于2016 年發(fā)布了EMVA1288 R3.1 標(biāo)準(zhǔn)［8］，該標(biāo)準(zhǔn)給出了包含量子效率在內(nèi)的圖像傳感器光電參數(shù)的定義及其測(cè)試原理、條件和方法等，為圖像傳感器的性能評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。近年來(lái)，對(duì)圖像傳感器量子效率的測(cè)試大多數(shù)是基于單色儀和積分球進(jìn)行的。通過(guò)在單色儀出口處設(shè)置光纖耦合裝置和準(zhǔn)直鏡，將單色光束均勻照射至器件靶面，可對(duì)工業(yè)級(jí)面陣CCD 的量子效率進(jìn)行測(cè)試［9］。使用氙燈照射單色儀分離出單色光，光纖將單色光耦合至積分球后，均勻照射至EMCCD 探測(cè)器靶面，可對(duì)其量子效率進(jìn)行測(cè)試［10］。搭建高紫外探測(cè)器輻射定標(biāo)系統(tǒng)，將光學(xué)系統(tǒng)與單色儀集成作為一個(gè)成像系統(tǒng)，將單色光聚焦成像至紫外探測(cè)器靶面，可對(duì)探測(cè)器的量子效率進(jìn)行測(cè)試［11］，該方法也可對(duì)微通道板（Micro Channel Plane，MCP）在近紫外波段（200～380 nm）的量子效率［12］進(jìn)行測(cè)試。將可見(jiàn)光源更換為黑體輻射源，搭配光譜測(cè)試儀和標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器可完成對(duì)紅外探測(cè)器量子效率的測(cè)試［13］。

綜上可知，目前研究多針對(duì)面陣圖像傳感器的量子效率［14-17］，且日趨成熟，而線陣相機(jī)量子效率的測(cè)試研究卻較少。線陣相機(jī)具有分辨率高、幀幅數(shù)高和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有極大的發(fā)展前景［18-20］，因此其量子效率測(cè)試的需求也極大。本文通過(guò)改進(jìn)以單色儀和標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器為核心的系統(tǒng)，搭建了一套適用于線陣相機(jī)的量子效率測(cè)試系統(tǒng)。該量子效率測(cè)試方案具有方法簡(jiǎn)單、效率高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)大多數(shù)線陣相機(jī)的量子效率進(jìn)行高精度測(cè)試。

2 工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

聚焦掃描線陣相機(jī)量子效率測(cè)試系統(tǒng)主要由照明光源、單色儀、掃描機(jī)構(gòu)、聚焦光學(xué)系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器、電控單元和暗箱組成，如圖1 所示。其中，照明光源由配備準(zhǔn)直系統(tǒng)的75 W 氙燈組成，該光源輸出穩(wěn)定，效率高，光譜范圍寬，常被用作光電測(cè)試照明光源；單色儀用于產(chǎn)生單色光，通過(guò)精密控制光柵色散單元及出光狹縫，可使輸出單色光準(zhǔn)確度達(dá)±0.2 nm，分辨率達(dá)0.1 nm；掃描機(jī)構(gòu)主要用于被測(cè)線陣相機(jī)的掃描成像，線陣相機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器之間的切換以及相機(jī)安裝時(shí)的位置調(diào)整。掃描方向速度要求較高，故該方向安裝高精度光柵尺，定位精度可達(dá)1 μm；聚焦光學(xué)系統(tǒng)用于將單色光準(zhǔn)直和聚焦，為避免相機(jī)對(duì)燈絲成像及單色光斑質(zhì)量差，還引入光束勻化器和可調(diào)光闌；標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器作為測(cè)量入射光的標(biāo)準(zhǔn)器件，選用Newport 公司的紫外硅探測(cè)器，并經(jīng)過(guò)出廠標(biāo)定和中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)；被測(cè)線陣相機(jī)被安裝在掃描機(jī)構(gòu)安裝架上，像元線列與水平安裝面垂直，且正對(duì)測(cè)試系統(tǒng)；電控單元用于圖像采集和處理，同時(shí)也控制照明光源、單色儀和掃描機(jī)構(gòu)等單元；（h）暗箱用于提供無(wú)雜光的測(cè)試環(huán)境。箱體內(nèi)部測(cè)試區(qū)和設(shè)備區(qū)單獨(dú)設(shè)計(jì)，且均做了隔光處理，經(jīng)測(cè)試，暗箱關(guān)閉時(shí)測(cè)試區(qū)照度可低至10-4lx 量級(jí)，滿足測(cè)試要求。

圖1 聚焦掃描線陣相機(jī)量子效率測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of quantum efficiency test system based on focusing scanning for linear array camera

2.2 工作原理

量子效率表征在規(guī)定波長(zhǎng)光照下，入射光子在器件像元中產(chǎn)生并被收集的電荷數(shù)與入射光子數(shù)的比值，用于評(píng)估被測(cè)器件不同波長(zhǎng)條件下光子轉(zhuǎn)換為電荷的能力。理論計(jì)算公式如下：

其中：η(λ)為波長(zhǎng)λ處器件的量子效率；μe為被轉(zhuǎn)換的電荷數(shù)；μp為入射到像元的光子數(shù)；μy為光照時(shí)器件有效像元的灰度值；μy·dark為無(wú)光照時(shí)器件有效像元的灰度值；K為器件轉(zhuǎn)換增益；h為普朗克常數(shù)，為6.626 1×10-34J·s；c為光在真空中的傳播速度，為3×108m s；λ為入射光波長(zhǎng)；As為像元面積；E為器件光敏面的光功率密度；texp為器件的曝光時(shí)間。

對(duì)于轉(zhuǎn)換電子數(shù)，可通過(guò)光斑圖像灰度值與相機(jī)轉(zhuǎn)換增益計(jì)算得到?，F(xiàn)需重點(diǎn)分析入射光子數(shù)的測(cè)量方法。入射至線陣相機(jī)靶面有效像元上的光子數(shù)μp可由公式（2）計(jì)算：

其中：Ps為入射至有效像元的光子數(shù)；Ae為相機(jī)靶面上的光斑面積；E為入射光至相機(jī)光敏面的光功率密度；teit為線陣相機(jī)的等效曝光時(shí)間。

然后分析線陣相機(jī)的等效曝光時(shí)間。由于線陣相機(jī)在成像時(shí)處于掃描運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故相機(jī)的曝光時(shí)間為像元對(duì)目標(biāo)的實(shí)際感光時(shí)間，即目標(biāo)在像元區(qū)域的“駐留”時(shí)間，如圖2 所示。

圖2 線陣相機(jī)掃描成像等效曝光時(shí)間原理Fig.2 Schematic of equivalent exposure time for linear array camera scanning imaging

由圖2 可知，像元對(duì)面元目標(biāo)ds的曝光時(shí)間為該面元目標(biāo)在像元中存在的時(shí)間，即掃描方向像元尺寸與掃描速度之比，并非相機(jī)設(shè)定的曝光時(shí)間，即有：

其中：teit為線陣相機(jī)等效曝光時(shí)間；b為線陣相機(jī)的像元尺寸；v為掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度。

結(jié)合式（2）和式（3）可推導(dǎo)出投射至相機(jī)靶面的入射光子數(shù)：

其中：P為入射光子數(shù)；S為投射至相機(jī)靶面上目標(biāo)的面積。

最后，由回歸量子效率計(jì)算公式（1）可計(jì)算波長(zhǎng)λ處線陣相機(jī)的量子效率。

3 測(cè)量結(jié)果及分析

3.1 暗場(chǎng)圖像采集

關(guān)閉光源和暗箱，啟動(dòng)線陣相機(jī)并成像，設(shè)定線陣相機(jī)參數(shù)，采集暗場(chǎng)圖像，并計(jì)算μy·dark，暗場(chǎng)圖像如圖3（a）所示。

圖3 聚焦掃描法測(cè)量子效率光斑圖像Fig.3 Light spot images in quantum efficiency testing based on focusing and scanning

3.2 轉(zhuǎn)換增益測(cè)量

轉(zhuǎn)換增益用于表征器件輸出碼值與對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)在像元?jiǎng)葳鍍?nèi)的電荷數(shù)之比。本文通過(guò)改變均勻面光源輻射能密度進(jìn)行測(cè)試，與傳統(tǒng)方法基本一致，不做重點(diǎn)介紹。

3.3 量子效率測(cè)量

設(shè)置相機(jī)連續(xù)曝光成像，控制掃描單元運(yùn)動(dòng)，采集單色光斑圖像（圖3（b）～3（e））計(jì)算圖像有效像元的總灰度值，切換至標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器測(cè)量對(duì)應(yīng)的入射光能量，計(jì)算波長(zhǎng)λ處的量子效率。

上述掃描測(cè)試需要考慮掃描單元的運(yùn)動(dòng)速度要求。理想情況下，相機(jī)應(yīng)在一個(gè)曝光周期內(nèi)對(duì)整個(gè)光斑目標(biāo)掃描成像，即圖像中僅一列像元有光斑圖像，掃描單元的最小速度為：

其中：vmin為掃描單元的最小速度；D為投射至相機(jī)靶面的光斑寬度，D=0.7 mm；Tmax為相機(jī)的最大曝光時(shí)間，Tmax=3.3 ms。由此計(jì)算得到vmin=0.212 m s。然而，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的掃描單元難以達(dá)到該速度，因此需要進(jìn)行“降速掃描”實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)曝光時(shí)間相同，掃描速度不同時(shí)，圖像總灰度值基本相同，故掃描單元“降速掃描”對(duì)測(cè)量轉(zhuǎn)換電荷數(shù)基本無(wú)影響，低速掃描測(cè)試具有可行性。

通過(guò)上述方法對(duì)各波長(zhǎng)的線陣相機(jī)量子效率進(jìn)行測(cè)量，并繪制量子效率曲線，如圖4 所示（彩圖見(jiàn)期刊電子版）。對(duì)比產(chǎn)品手冊(cè)中量子效率曲線（藍(lán)色曲線）發(fā)現(xiàn)，兩曲線整體趨勢(shì)一致，但個(gè)別波長(zhǎng)（如505，575 nm 等）的結(jié)果差別略大，多次測(cè)量后差異依然存在，更換標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器后，差異位置發(fā)生變化。通過(guò)分析標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器校正方法，初步認(rèn)為該現(xiàn)象是由標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器出廠校正區(qū)間選擇以及校正點(diǎn)間擬合誤差等造成的。除上述明顯差異外，各波長(zhǎng)處量子效率的測(cè)量結(jié)果與手冊(cè)數(shù)據(jù)的最大偏差約為2%。經(jīng)分析，不同波長(zhǎng)單色光經(jīng)單色儀出射后方向會(huì)有差別，聚焦至相機(jī)靶面的角度和光斑投影面積不同，導(dǎo)致圖像灰度值總和也不相同；另外，掃描時(shí)各列像元感光時(shí)間不同造成的圖像灰度分布梯度、標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的校正精度、被測(cè)相機(jī)像元響應(yīng)非均勻性等，均會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差。

圖4 量子效率測(cè)量曲線Fig.4 Measured curves of quantum efficiency

為驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，對(duì)該線陣相機(jī)進(jìn)行聚焦掃描重復(fù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性誤差均小于2%。經(jīng)分析，該重復(fù)性誤差偏大的主要原因是掃描機(jī)構(gòu)速度不穩(wěn)定和光斑目標(biāo)形狀導(dǎo)致的圖像灰度分布梯度過(guò)大。通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，可以減小速度穩(wěn)定性的影響和改善圖像灰度分布梯度過(guò)大的情形。除此之外，還優(yōu)化了對(duì)焦算法，提高成像光斑邊緣的判別精度，減少能量分散導(dǎo)致的灰度計(jì)算偏差。采取以上措施后，再次進(jìn)行重復(fù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，重復(fù)測(cè)量誤差可達(dá)1.1%，滿足要求。

為驗(yàn)證該方案量子效率測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用轉(zhuǎn)鏡法對(duì)該相機(jī)進(jìn)行量子效率測(cè)量，并繪制量子效率曲線（圖4 中綠色曲線）。轉(zhuǎn)鏡法使用高速旋轉(zhuǎn)鏡作為動(dòng)態(tài)掃描元件，單色LED 照射平行光管作為光源。該方法光斑均勻，圖像灰度分布梯度小，常用于測(cè)量圖像傳感器的動(dòng)態(tài)參數(shù)，如動(dòng)態(tài)MTF、量子效率等。將測(cè)量結(jié)果與聚焦掃描法和手冊(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，3 條曲線的整體趨勢(shì)基本一致，但轉(zhuǎn)鏡法的測(cè)量結(jié)果偏差略大，這是因?yàn)閱紊獿ED 波長(zhǎng)偏差、光譜分布、輸出穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)反射率變化以及轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性等均會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的偏差。

4 不確定度分析

測(cè)量不確定度可反映測(cè)試水平，體現(xiàn)測(cè)試方法和過(guò)程的可信度。本文對(duì)整個(gè)量子效率測(cè)量過(guò)程進(jìn)行了不確定度分析，根據(jù)不確定度來(lái)源及評(píng)定方式是否為統(tǒng)計(jì)分析方法，不確定度共分為A 類和B 類。

4.1 A 類不確定度

（1）暗箱閉合時(shí)雜散光引入的測(cè)量誤差。被測(cè)相機(jī)或標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器在測(cè)試中接收的光照度約在10 lx 以上量級(jí)，遠(yuǎn)大于暗箱雜散光照度，故可認(rèn)為基本無(wú)影響；

（2）輸出單色光功率不穩(wěn)定性引入的誤差。本方案中被測(cè)相機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的測(cè)試時(shí)間和切換時(shí)間間隔小，且光源自帶穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，整個(gè)過(guò)程光源輸出功率的變化極小，故可忽略不計(jì)；

（3）單色儀輸出波長(zhǎng)不確定度。由于單色儀輸出單色光存在一定譜寬和中心波長(zhǎng)偏離，量子效率測(cè)量結(jié)果實(shí)際為帶寬內(nèi)所有單色光的總和。本方案中單色儀輸出的單色光譜寬為0.3 nm，波長(zhǎng)準(zhǔn)確度為±0.2 nm。假設(shè)單色光的光譜呈高斯型分布，其高斯分布期望和標(biāo)準(zhǔn)差分別為中心波長(zhǎng)和譜寬，故可通過(guò)中心波長(zhǎng)能量占比計(jì)算波長(zhǎng)誤差，計(jì)算結(jié)果約為0.77%；中心波長(zhǎng)偏差會(huì)造成實(shí)際量子效率測(cè)量結(jié)果并非設(shè)定波長(zhǎng)的結(jié)果，將中心波長(zhǎng)偏離帶入量子效率即可計(jì)算偏差，計(jì)算結(jié)果約為0.2%；故合成之后，輸出波長(zhǎng)引入的不確定度約為0.8%；

（4）線陣相機(jī)曝光時(shí)間不準(zhǔn)確引入的誤差。曝光時(shí)間可通過(guò)示波器對(duì)線陣相機(jī)曝光信號(hào)（即晶振周期的測(cè)量，結(jié)合量子效率的計(jì)算公式，引入誤差約為0.01%；

（5）數(shù)據(jù)處理引入的誤差。該誤差主要是指光斑圖像灰度輸出準(zhǔn)確性、操作軟件圖像閾值、數(shù)據(jù)公式修約和讀數(shù)等引入的誤差。光斑圖像灰度輸出通過(guò)對(duì)比相同照度目標(biāo)灰度輸出結(jié)果，軟件圖像閾值設(shè)置后通過(guò)采集和扣除背景圖像的方式將背景去除，其影響也主要表現(xiàn)在讀取灰度值上，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輸出灰度值的差別不大于2，影響基本可忽略；數(shù)據(jù)公式修約和讀數(shù)中，對(duì)公式進(jìn)行賦值運(yùn)算，根據(jù)修約規(guī)則和讀數(shù)位數(shù)等評(píng)估其影響，可引入誤差約為1%。

綜上，計(jì)算A 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uA≈1.3%。

4.2 B 類不確定度

（1）標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器測(cè)量不確定度。標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院計(jì)量，其不確定度為2%；

（2）掃描速度不穩(wěn)定性引入的誤差。掃描機(jī)構(gòu)速度不穩(wěn)定時(shí)，等效曝光時(shí)間不同。通過(guò)查閱掃描單元的速度穩(wěn)定性，最終得到引入量子效率的測(cè)量誤差約為0.2%。

（3）被測(cè)相機(jī)響應(yīng)非均勻性引入的誤差。線陣相機(jī)的所有像元響應(yīng)并非均相同。通過(guò)查看被測(cè)線陣相機(jī)產(chǎn)品手冊(cè)數(shù)據(jù)以及非均勻性指標(biāo)驗(yàn)證，該誤差引入的不確定度約為1%；

綜上，計(jì)算B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uB≈2.2%。

分析考察不確定度uA和uB可知，兩者相互獨(dú)立，互不相關(guān)。因此，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uC為：

5 結(jié) 論

針對(duì)線陣相機(jī)量子效率測(cè)量需求，本文采用聚焦掃描法對(duì)DALSA 公司的LINEA 系列高速線陣CMOS 相機(jī)的量子效率進(jìn)行了測(cè)量，繪制了量子效率曲線，并與出廠數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)鏡法測(cè)得的量子效率對(duì)比，測(cè)量結(jié)果的總體趨勢(shì)基本吻合。最后對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行分析，得到測(cè)量不確定度約為2.6%。該方法可準(zhǔn)確測(cè)量多款相機(jī)的量子效率，測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單、光源要求低、裝調(diào)難度小，為線陣相機(jī)的性能評(píng)估提供了有效手段，適用于線陣相機(jī)或其他類型相機(jī)的光電參數(shù)測(cè)試。