CN104980734A - 一种检测图像传感器性能的装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测图像传感器性能的装置及使用方法，属于光学成像领域。其方法步骤为：装置右侧接口与图像传感器外部框架的左侧接口连接，形成不受外界干扰的封闭空间，激光器发出平行光经过可调光衰减片，经过调节后的平行光照射在带有孔洞的衍射屏后产生衍射，衍射光线经过会聚透镜聚焦到图像传感器的像元表面形成衍射图案，最后调节可调环对衍射图案进行聚焦。通过已定标的衍射斑点的光强信息，能够定量求出图像传感器的各个性能参数。它克服了传统测试和对比方法耗费时间长、操作繁琐、场景复杂、分析困难等缺点，提供了一种不受外界干扰、直观、简明、快速同时具备定性定量功能的小型化、便捷式图像传感器性能测试与对比的装置与方法。

Description

一种检测图像传感器性能的装置及使用方法

技术领域

本发明涉及光学成像领域，尤其涉及一种检测图像传感器性能的装置及使用方法。

背景技术

图像传感器，又称为相机，是一种将光子信号转化为模拟信号或数字信号，最后将数据通过图像或者光谱的形式展现出来的装置。评价一款相机的品质，需要考虑众多基本的性能参数，包括读出噪声、光响应绝对灵敏度阈值、满井容量、动态范围、信噪比等。EMVA 1288是欧洲机器视觉协会发布的用于测量这些图像传感器基本性能参数的标准测试方法——严谨的测试环境中(完全屏蔽外界的光线、由积分球产生均匀的单色光源、固定图像传感器使其与光源严格正交的光学平台等)，在不同的曝光时间与光照条件下获得大量的图片采样数据，经过详细的数据处理与分析从而获得较为精确的性能参数，对比不同相机的性能，可以直接将这些对应参数的数据进行比对从而得出结论。精确、严谨、系统性是这一方法的最大优点，但同时也具有几个缺点：(1)需要搭建较为复杂、昂贵的测试平台，测试环境不易构建；(2)需要拍摄大量的图片数据，花费较多的时间对数据进行分析处理；(3)通过参数数据对比，不能够直观、快速的比较不同相机的性能。

通过用相机对干涉或者衍射效应产生的条纹或者斑点进行观测也是判断相机性能的一种方式。中国发明专利，公开号：CN 104065956A，公开日：2014.09.24，公开了一种图像传感器的检测和标定装置，包括：一光源，用于提供一光束；该光束经过第一光栅、一透镜和第二光栅后发生干涉；该干涉图像经该图像传感器采集，根据该干涉图像检测并标定该图像传感器，其特征在于，该第一光栅的周期等于该第二光栅的周期乘以该透镜的3倍率。其不足之处是：(1)只能用于测量灵敏度与线性度，无法测量相机其他的参数；(2)测量过程繁琐，需要获取多个图像数据；(3)无法通过图像数据快速、直观比较不同相机的性能参数。

对于夫琅禾费衍射方法，目前尚未有完整的相机性能对比与标定的系统方案。此外，传统的夫琅禾费衍射装置要通过光学平台搭建，各个元件处于分立的状态，未形成一个完全封闭的系统，会受到环境光的影响，并且装置的体积较为庞大，不适合便携式快速检测。

在展示与对比相机性能时，更直观简单的方式是观察不同的相机拍摄同一个场景的图片是否存在差异。比如拍摄生物荧光图像，通过观察两幅图像的信号与背景噪声的强度值或者对比度能够粗略对不同相机的读出噪声、光响应灵敏度进行判断；通过两幅图片获取的样品信号的灰度值可以比较满井容量。但这种方式的缺点在于：场景实际上过于复杂，还不够简化，受周围的光线干扰较大，只能粗略地对性能进行比对，且对比项目过于单一，更无法在量上进行估计。

综上所述，目前的图像传感器性能测试与对比方法存在两种方式：(1)能够实现相机参数性能的定性与定量测量，但装置过于复杂，系统体积较大，测试效率较低；(2)能够快速模糊地进行定性判断，但方式过于粗糙，无法进行系统性分析。因此，研究一种快速、直观、简单、便携式且能够对图像传感器性能进行定性比较以及定量测量的装置尤为重要。

发明内容

1.解决的技术问题

针对现有技术中图像传感器性能对比和测试方法中存在场景复杂，图像数据处理慢，测量过程复杂，不能定量测量，不够直观的问题，本发明提出了一种检测图像传感器性能的装置及使用方法，它能够实现快速、直观、简单、定量测量和定性对比图像传感器的性能参数。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

一种检测图像传感器性能的装置，包括可调光衰减片、会聚透镜、激光器、衍射屏和可调环，其中，所述的激光器、可调光衰减片、衍射屏、会聚透镜和可调环依次固定在所述的装置里，可调环的右侧设置有图像传感器，所述的激光器的左端设有电缆接口。对于每台图像传感器，只需获取一张图像，通过拍摄到的衍射斑点的级次与光强信息即可对图像传感器进行定性与定量测试，操作步骤简洁，相比其他技术，对图像传感器的对比更为直观、明了。

所述的激光器的作用是产生一束单色的平行光，所述可调光衰减片的作用为衰减光源照射到衍射屏上的光强强度，所述的衍射屏的作用是使照射到衍射屏孔洞上的平行光发生衍射，所述的会聚透镜的作用是使衍射光束通过会聚透镜后聚焦，形成衍射斑点，所述可调环能够进行旋转调节从而改变会聚透镜到图像传感器芯片表面的距离，使衍射斑点的成像进一步聚焦，最后照射到图像传感器的像元表面上形成清晰的衍射图案。

优选地，所述的激光器的左端的电缆接口与电源通过电缆电连接，用于连接激光器的供电电源，使激光器发出单色平行光。

优选地，所述的装置右侧的接口与图像传感器外部框架的左侧接口连接在一起，形成不受外界光线干扰的封闭空间。通过调节可调环对衍射斑点的成像进行聚焦，使衍射斑点清晰成像。

优选地，衍射屏上的孔洞的形状为矩形或圆形，衍射花样的形状与位置由衍射屏上的孔洞形状、孔洞形状的大小、入射波长以及会聚透镜的焦距决定；衍射斑点简洁明了，富有层次感，包含丰富的光强信息，适合作为标准测试图案。

优选地，所述的装置的总长为150mm，最大直径为50mm，即装置各部分横截面，其中最大横截面的直径为50mm。所述的装置具有小型化、便携式、成本低廉的优点，无需复杂的仪器设备、测试条件与实验操作，能够快速与不同的图像传感器相连接进行对比与测试。

一种检测图像传感器性能的装置的使用方法，其步骤如下：

A、搭建以上所述的一种检测图像传感器性能的装置；

B、将激光器左端的电缆接口与电源连接，开启激光器，激光器发出平行光，穿过可调光衰减片，经过可调光衰减片调节后的平行光照射在带有孔洞的衍射屏上后产生衍射，衍射光线经过会聚透镜聚焦，形成衍射斑点，再经过可调环对衍射斑点的成像进行进一步聚焦，最后照射到图像传感器的像元表面上形成衍射图案；

C、通过调节激光器的功率对衍射图案的光强进行调整，在激光器上调节激光器控制发光功率的部位，即按钮、按键或软件设置等，对激光器发出的平行光的光强进行调整，相应地，能够调节图像传感器上的衍射图案的光强信息，为步骤D中定标衍射图案的光强信息作准备；

D、定标衍射斑点的光强信息：

步骤C能够改变衍射斑点的光强信息，通过改变衍射屏上的孔洞形状和孔洞形状的大小能够改变衍射斑点的尺寸，其计算公式为：

$D_k=\frac{\mathrm{\λ}}{a}f;$

其中，f为会聚透镜的焦距，λ为激光器发出的入射光波长，a为衍射屏上孔洞形状的大小，如果孔洞形状为矩形，孔洞形状的大小是指矩形的长和宽，如果孔洞形状为圆形，孔洞形状的大小是指圆的直径，D_k为所形成的衍射斑点的尺寸大小；

通过光谱仪或者标准图像传感器对产生的零级衍射斑点的单位时间单位面积所接收到的光子数进行测量，测得零级衍射斑点所对应的单位面积单位时间的光子数目为I₀，对于其他各级衍射斑点的光子信息，根据公式

$I_k={\[(k+\frac{1}{2})\mathrm{\π}\]}^{-2}{I}_0$

对各级衍射斑点的光子数进行求解；其中，I_k为第k级衍射斑点的单位时间单位面积接收到的光子数，由此，能够得到各级衍射斑点所对应的光子数信息。

E、定性比较分析不同图像传感器的性能参数：

根据步骤D中定标的衍射图案光强信息，通过相机软件控制不同图像传感器拍摄同一幅衍射斑点图像，通过比较不同图像传感器所能拍摄观察到的衍射级次k以及相应级次衍射斑点的灰度值对灵敏度、动态范围、读出噪声、信噪比和满井容量进行定性比较：

能观察到的衍射级次k越高，图像传感器的探测灵敏度越高；

能观察到的衍射级次k越高，图像传感器的读出噪声越小；

同时，表明在接收到相同光子数时，图像传感器的信噪比越高；

通过比较不同图像传感器对同一个未饱和的较低级次衍射斑点所显示出的明暗程度进行定性比较分析，衍射斑点显示越亮的图像传感器，其满井容量越小，最大信噪比越大；

通过比较不同图像传感器对同一幅衍射图案所能观察到的未饱和的最低衍射级次到最高衍射级次的区间范围或个数，范围越大的表示其动态范围越大，范围越小的表示其动态范围越小；

F、定量求出单个图像传感器的各个性能参数；

图像传感器的性能参数包括光响应绝对灵敏度阈值、读出噪声、满井容量、系统整体增益、最大信噪比SNR_max和动态范围DR；

光响应绝对灵敏度阈值：

通过图像处理软件，如Photoshop，ImageJ，对图像传感器拍摄的图片进行自动对比度调整，观察图像传感器所能分辨出的衍射斑点的最高衍射级次k_max,从步骤D中得到衍射级数为k_max时，衍射斑点单位面积单位时间的光子数I_k.max，由此计算实际可探测的最低光子数，即得光响应绝对灵敏度阈值：

μ_p.min＝I_k.max·t_exp·A

其中，I_k.max为图像传感器所能分辨出的最高级衍射斑点对应的单位时间单位面积产生的光子数，t_exp为图像传感器的曝光时间，A为图像传感器的单个像元面积；

读出噪声：

根据图像传感器的光响应绝对灵敏度阈值μ_p.min和图像传感器的量子效率η，图像传感器的量子效率η由量子效率测试仪测得，定量计算图像传感器的读出噪声，其计算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_d\≈{\mathrm{\η\μ}}_{p\·min}-\frac{1}{2}$

满井容量：

通过图像处理软件，如Photoshop，ImageJ，测量图像传感器已拍摄的衍射图像中已知光子数信息的衍射斑点的灰度值μ_y.k，即分别为μ_y.0，μ_y.1，μ_y.2，μ_y.3，μ_y.4......μ_y.k，对应为0，1，2，3，4….k级衍射斑点的灰度值，定量计算图像传感器的满井容量；

1)若某个k级衍射斑点的灰度值μ_y.k在0.891(2^b-1)～0.909(2^b-1)范围内时，即90％的2^b-1，公差范围1％，则该衍射斑点对应的像元产生的电子数为满井容量，表达式为：

μ_e.sat＝ημ_p.sat＝η·I_k.sat·t_exp·A

其中，2^b-1为图像所能达到的最大灰度值，b表示图像的数据位数，η为图像传感器的量子效率，t_exp为图像传感器的曝光时间，A为图像传感器的单个像元面积，I_k.sat是k级衍射斑点的灰度值μ_y.k在0.891(2^b-1)～0.909(2^b-1)范围内时，k级衍射斑点所对应的单位面积单位时间的光子数，μ_p.sat为图像传感器所能接收的饱和光子数；

2)若衍射斑点不满足1)条件，选择衍射图像中任一个级次的衍射斑点，测量其灰度值，此时满井容量的计算式为：

${\mathrm{\μ}}_{e\·sat}=0.9(2^b-1)\frac{{\mathrm{\η\μ}}_{p\·k}}{{\mathrm{\μ}}_{y\·k}-{\mathrm{\μ}}_{y\·dark}}$

μ_p·k＝I_k·t_exp·A

其中，b为图像的数据位数，μ_y.dark为相机的本底灰度值，μ_y·k为所选择级次的衍射斑点的灰度值，μ_p·k为所选择级次的衍射斑点的单个像素的光子数；I_k为所选择级次的衍射斑点单位时间单位面积的光子数，t_exp为图像传感器的曝光时间，A为图像传感器的单个像元面积。

系统整体增益：

通过图像处理软件测量衍射级数为k的衍射斑点的灰度值μ_y.k，以及相机的本底灰度值μ_y.dark，定量计算相机的系统整体增益K的值，其计算公式如下：

$K=\frac{{\mathrm{\μ}}_{y.k}-{\mathrm{\μ}}_{y.dark}}{{\mathrm{\η\μ}}_{p.k}};$

其中，μ_p.k为该衍射级次对应的单个像素接收到的光子数，μ_y.dark为相机的本底灰度值。

最大信噪比SNR_max：

已知上述方法所求得的图像传感器的满井容量μ_e.sat，最大信噪比的计算公式为：

${\mathrm{SNR}}_{max}\≈\sqrt{{\mathrm{\μ}}_{e.sat}};$

动态范围DR：

已知上述方法所求得的图像传感器的满井容量μ_e.sat以及读出噪声σ_d，动态范围的计算公式为：

$DR=\frac{{\mathrm{\μ}}_{e.sat}}{{\mathrm{\σ}}_d}.$

由上述可知，通过衍射斑点能够对图像传感器的各个基本性能参数进行计算。

G、针对每一个图像传感器测试完以后，关闭激光器，并将激光器的电缆接口与电源的电连接断开，将图像传感器从所述的装置右侧取下来。

优选地，所述的衍射屏上的孔洞形状为矩形或圆形。

优选地，通过选择安装不同衰减倍率的可调光衰减片，也能够对衍射图案的光强进行调整，为步骤D中定标衍射图案的光强信息作准备。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)激光器、可调光衰减片、衍射屏、会聚透镜和可调环依次固定在本发明所述的装置里，装置右侧接口与图像传感器外部框架的左侧接口连接在一起，形成不受外界光线干扰的封闭空间，不需要搭建较为复杂、昂贵的测试平台，测试环境易构建；

(2)本发明对于每台图像传感器，不需要拍摄大量的图片数据，花费较多的时间对数据进行分析处理，只需获取一张图像，通过拍摄到的衍射斑点的级次与光强信息即可对图像传感器进行定性对比与定量测试；

(3)构建好本发明所述装置后，打开激光器，发出平行光，通过调节激光器的功率或选择安装不同衰减倍率的光衰减片，对衍射图案的光强进行调整，形成清晰的衍射图案，然后定标衍射斑点的光强信息，定性比较分析不同图像传感器的性能参数，定量求出单个图像传感器的各个性能参数，最后关闭激光器，将图像传感器从所述的装置右侧取下来；操作步骤简洁，相比其他技术，通过参数数据对比，能够直观、快速的比较不同图像传感器的性能；

(4)本发明所述装置的总长为150mm，装置中各部分横截面，其中最大横截面的直径为50mm，具有小型化、便携式、成本低廉的优点，无需复杂的仪器设备、测试条件与实验操作，能够快速与不同的图像传感器相连接进行对比与测试；

(5)本发明的可调光衰减片的右端设置有衍射屏，衍射屏上的孔洞的形状为矩形或圆形；衍射花样的形状与位置由衍射屏上的孔洞形状、孔洞形状的大小、入射波长以及会聚透镜的焦距决定；衍射斑点简洁明了，场景简单，富有层次感，包含丰富的光强信息，不受周围的光线干扰，适合作为标准测试图案。

附图说明

图1为本发明的装置示意图；

图2为本发明的带有正方形孔洞的衍射屏；

图3为本发明的带有正方形孔洞的衍射屏对应的衍射图案。

图中标号：

1、激光器；11、电源；2、可调光衰减片；3、衍射屏；4、会聚透镜；5、可调环；6、图像传感器。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1-3，一种检测图像传感器性能的装置，包括可调光衰减片2、会聚透镜4、激光器1、衍射屏3和可调环5，其中，所述的激光器1、可调光衰减片2、衍射屏3、会聚透镜4和可调环5依次固定在所述的装置里，可调环5的右侧设置有图像传感器6，所述的激光器1的左端设有电缆接口，与电源11通过电缆电连接，使激光器1发出单色平行光；通过调节激光器1的功率能够调节激光器1发出的平行光的光强强度，相应地，能够对衍射图案的光强进行调整；通过安装不同衰减倍率的可调光衰减片2，也能够衰减光源照射到衍射屏3的光强强度，对衍射图案的光强进行调整。

衍射屏3上的孔洞的形状为矩形或圆形，衍射花样的形状与位置由衍射屏3上的孔洞形状、孔洞形状的大小、入射波长以及会聚透镜4的焦距决定；衍射斑点简洁明了，场景简单，富有层次感，包含丰富的光强信息，不受周围的光线干扰，适合作为标准测试图案。

装置右侧的接口与外部框架的左侧接口连接在一起，形成不受外界光线干扰的封闭空间；所述的激光器1、可调光衰减片2、衍射屏3、会聚透镜4和可调环5，通过特定的凹槽或者螺口固定在装置内，如激光器1与电源11连接的一侧通过螺口与装置上的螺纹相配合固定在装置内；可调光衰减片2、衍射屏3和会聚透镜4均通过装置内壁上的相应位置处的凹槽固定在装置内；可调环5的中部上有一圈凸起，与装置内壁上的相应位置处的凹槽相配合固定在装置内；不需要搭建较为复杂、昂贵的测试平台，测试环境易构建。

所述的激光器1的作用是产生一束单色的平行光，所述可调光衰减片2的作用为衰减光源照射到衍射屏3的光强强度，所述的衍射屏3的作用是使照射到衍射屏3孔洞上的平行光发生衍射，所述的会聚透镜4的作用是使衍射光束通过会聚透镜4后聚焦，形成衍射斑点，所述可调环5能够进行旋转调节从而改变会聚透镜4到图像传感器6芯片表面的距离，使衍射斑点的成像进一步聚焦，最后照射到图像传感器6的像元表面上形成清晰的衍射图案。

对于每台图像传感器6，不需要拍摄大量的图片数据，花费较多的时间对数据进行分析处理，只需获取一张图像，通过拍摄到的衍射斑点的级次与光强信息即可对图像传感器6进行定性与定量测试；操作步骤简洁，相比其他技术，通过参数数据对比，能够直观、快速的比较不同图像传感器6的性能。

装置的总长为150mm，最大直径为50mm，即装置各部分横截面，其中最大横截面的直径为50mm，装置具有小型化、便携式、成本低廉的优点，无需复杂的仪器设备、测试条件与实验操作，能够快速与不同的图像传感器相连接进行对比与测试。

一种检测图像传感器性能的装置的使用方法，其步骤如下：

A、搭建以上所述的一种检测图像传感器性能的装置；

B、将激光器1左端的电缆接口与电源11连接，开启激光器1，激光器1发出平行光，穿过可调光衰减片2，经过可调光衰减片2调节后的平行光照射在带有孔洞的衍射屏3上后产生衍射，衍射光线经过会聚透镜4聚焦，形成衍射斑点，再经过可调环5对衍射斑点的成像进行进一步聚焦，最后照射到图像传感器6的像元表面上形成衍射图案；

C、通过调节激光器1的功率对衍射图案的光强进行调整，在激光器1上调节激光器1控制发光功率的部位，即按钮、按键或软件设置等，对激光器1发出的平行光的光强进行调整，相应地，能够调节图像传感器6上的衍射图案的光强信息，为步骤D中定标衍射图案的光强信息作准备；调节通过选择安装不同衰减倍率的光衰减片2，也能够对衍射图案的光强进行调整。

D、定标衍射斑点的光强信息：

步骤C能够改变衍射斑点的光强信息，通过改变衍射屏3上的孔洞形状和孔洞形状的大小能够改变衍射斑点的尺寸，其计算公式为：

$D_k=\frac{\mathrm{\λ}}{a}f;$

其中，f为会聚透镜4的焦距，λ为激光器1发出的入射光波长，a为衍射屏3上孔洞形状的大小，衍射屏3上的孔洞形状为矩形或圆形；如果孔洞形状为矩形，孔洞形状的大小是指矩形的长和宽，如果孔洞形状为圆形，孔洞形状的大小是指圆的直径，D_k为所形成的衍射斑点的尺寸大小；

通过光谱仪或者标准图像传感器对产生的零级衍射斑点的单位时间单位面积所接收到的光子数进行测量，测得零级衍射斑点所对应的单位面积单位时间的光子数目为I₀。对于其他各级衍射斑点的光子信息，根据公式：

$I_k={\[(k+\frac{1}{2})\mathrm{\π}\]}^{-2}{I}_0$

对各级衍射斑点的光子数进行求解；其中，I_k为第k级衍射斑点的单位时间单位面积接收到的光子数，由此，能够得到各级衍射斑点所对应的光子数信息；

E、定性比较分析不同图像传感器6的性能参数：

根据步骤D中定标的衍射图案光强信息，通过相机软件控制不同图像传感器6拍摄同一幅衍射斑点图像，通过比较不同图像传感器6所能拍摄观察到的衍射级次k以及相应级次衍射斑点的灰度值对灵敏度、动态范围、读出噪声、信噪比和满井容量进行定性比较：

能观察到的衍射级次k越高，图像传感器6的探测灵敏度越高；

能观察到的衍射级次k越高，图像传感器6的读出噪声越小；

同时，表明在接收到相同光子数时，图像传感器6的信噪比越高；

通过比较不同图像传感器6对同一个未饱和的较低级次衍射斑点所显示出的明暗程度进行定性比较分析，衍射斑点显示越亮的图像传感器6，其满井容量越小，最大信噪比越大；

通过比较不同图像传感器6对同一幅衍射图案所能观察到的未饱和的最低衍射级次到最高衍射级次的区间范围或个数，范围越大的表示其动态范围越大，范围越小的表示其动态范围越小；

F、定量求出单个图像传感器6的各个性能参数；

图像传感器6的性能参数包括光响应绝对灵敏度阈值、读出噪声、满井容量、系统整体增益、最大信噪比SNR_max和动态范围DR；

光响应绝对灵敏度阈值：

通过图像处理软件，如Photoshop，ImageJ，对图像传感器6拍摄的图片进行自动对比度调整，观察图像传感器6所能分辨出的衍射斑点的最高衍射级次k_max,从步骤D中得到衍射级数为k_max时，衍射斑点单位面积单位时间的光子数I_k.max，由此计算实际可探测的最低光子数，即得光响应绝对灵敏度阈值：

μ_p.min＝I_k.max·t_exp·A

其中，I_k.max为图像传感器6所能分辨出的最高级衍射斑点对应的单位时间单位面积产生的光子数，t_exp为图像传感器6的曝光时间，A为图像传感器6的单个像元面积；

读出噪声：

根据图像传感器6的光响应绝对灵敏度阈值μ_p.min和图像传感器6的量子效率η，图像传感器6的量子效率由量子效率测试仪测量得到，定量计算图像传感器6的读出噪声，其计算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_d\≈{\mathrm{\η\μ}}_{p\·\min }-\frac{1}{2}$

满井容量：

通过图像处理软件，如Photoshop，ImageJ，测量图像传感器6已拍摄的衍射图像中已知光子数信息的衍射斑点的灰度值μ_y.k，即分别为μ_y.0，μ_y.1，μ_y.2，μ_y.3，μ_y.4......μ_y.k，对应为0，1，2，3，4….k级衍射斑点的灰度值，定量计算图像传感器6的满井容量；

1)若某个k级衍射斑点的灰度值μ_y.k在0.891(2^b-1)～0.909(2^b-1)范围内时，则该衍射斑点对应的像元产生的电子数为满井容量，表达式为：

μ_e.sat＝ημ_p.sat＝η·I_k.sat·t_exp·A

其中，2^b-1为图像所能达到的最大灰度值，b表示图像的数据位数，η为图像传感器6的量子效率，t_exp为图像传感器6的曝光时间，A为图像传感器6的单个像元面积，I_k.sat是灰度值μ_y.k在0.891(2^b-1)～0.909(2^b-1)范围内时，k级衍射斑点所对应的单位面积单位时间的光子数，μ_p.sat为图像传感器6所能接收的饱和光子数；

2)若衍射斑点不满足1)条件，选择衍射图像中任一个级次的衍射斑点，测量其灰度值，此时满井容量的计算式为：

${\mathrm{\μ}}_{e\·sat}=0.9(2^b-1)\frac{{\mathrm{\η\μ}}_{p\·k}}{{\mathrm{\μ}}_{y\·k}-{\mathrm{\μ}}_{y\·dark}}$

μ_p·k＝I_k·t_exp·A

其中，b为图像的数据位数，μ_y.dark为相机的本底灰度值，μ_y·k为所选择级次的衍射斑点的灰度值，μ_p·k为所选择级次的衍射斑点的单个像素的光子数；I_k为所选择级次的衍射斑点单位时间单位面积的光子数，t_exp为图像传感器6的曝光时间，A为图像传感器6的单个像元面积。

系统整体增益：

通过图像处理软件测量衍射级数为k的衍射斑点的灰度值μ_y.k，以及相机的本底灰度值μ_y.dark，定量计算相机的系统整体增益K的值，其计算公式如下：

$K=\frac{{\mathrm{\μ}}_{y.k}-{\mathrm{\μ}}_{y.dark}}{{\mathrm{\η\μ}}_{p.k}};$

其中μ_p.k为该衍射级次对应的单个像素接收到的光子数，μ_y.dark为相机的本底灰度值。

最大信噪比SNR_max：

已知上述方法所求得的图像传感器6的满井容量μ_e.sat，最大信噪比的计算公式为：

${\mathrm{SNR}}_{max}\≈\sqrt{{\mathrm{\μ}}_{e.sat}};$

动态范围DR：

已知上述方法所求得的图像传感器6的满井容量μ_e.sat以及读出噪声σ_d，动态范围的计算公式为：

$DR=\frac{{\mathrm{\μ}}_{e.sat}}{{\mathrm{\σ}}_d}.$

由上述可知，通过衍射斑点能够对图像传感器6的各个基本性能参数进行计算。

F、针对每一个图像传感器6测试完以后，关闭激光器1，将激光器1的电缆接口与电源11的电连接断开，将图像传感器6从所述的装置右侧取下来。

实施例2

如图1所示，本发明提供了一种检测图像传感器性能的装置及其使用方法，结构及使用方法同实施例1，其中，首先将所述的装置通过可调环5与相机紧密联系在一起，将激光器1的电缆接口通过电缆与电源11连接，打开激光器1使其发出单色光，单色光经过可调光衰减片2对激光器1发出的光强进行调控，经过调控后的平行光打到衍射屏3上发生衍射，衍射光束通过会聚透镜4会聚，穿过可调环5，到达定标图像传感器6或待测的图像传感器6表面上，打开相机进行拍摄，通过调节可调环5使衍射斑点清晰成像。

本实施方案中，衍射屏3选取如图2的正方形孔洞形状，孔洞的边长a为20um，衍射图像如图3所示，已知激光器1发出的单色光波长λ为625nm，会聚透镜4的焦距f为10mm，根据公式

$D_k=\frac{\mathrm{\λ}}{a}f,$

零级衍射斑点D₀的大小为312um，对于像元大小为10um的图像传感器6，将占据31个像元的位置。

为了定量测量各个性能参数值，用光谱仪或者一台已知性能的图像传感器6对某个高级衍射斑点进行定标，通过调节可调光衰减片2的衰减倍率以及激光器1的功率可以调节光子数目。已知测得零级衍射斑点每毫秒每一百平方微米的平均光子数为50000，则其他各级衍射斑点的光子数根据公式：

$I_k={\[(k+\frac{1}{2})\mathrm{\π}\]}^{-2}{I}_0$

得到各级次衍射斑点的光子数，如表1。

表1 各级次衍射斑点的光子数

衍射斑级次k	0	1	2	3	4	5	6	7
									光子数	50000	2252	811	414	250	167	120	90
衍射斑级次k	8	9	10	11	12	13	14	15
									光子数	70	56	46	38.3	32.4	27.8	24	21
衍射斑级次k	16	17	18	19	20	21
									光子数	18.6	16.5	14.8	13	12	10

具体地，如何对相机进行定性与定量测试的过程如下：

(1)快速定性对比不同相机的灵敏度、满井容量参数

设置两台相机一和相机二的单个像元大小均为10um，曝光时间均为1ms，那么，单个像元面积A为100um²，观察到拍摄的衍射图案的最高级次分别为17以及21，则相机一的灵敏度低于相机二，相机二的动态范围高于相机一；

通过图像处理软件Image J对每个相机的高级衍射斑点的灰度值进行观测，测得相机一的灰度值高于相机二的灰度值，则相机一的满井容量低于相机二。

已知相机一与相机二的量子效应η为60％，由于相机二能观察到更高的衍射斑级次，则相机二的读出噪声比相机一小，而相机二的信噪比比相机一大。

(2)具体的定量计算过程，以相机二为例：

由表1，已知相机二所拍摄的衍射图像中第21级对应的光子数I_21.max为10个光子数，量子效率η为60％，图像传感器6的单个像元面积A为100um²，曝光时间t_exp为1ms，根据公式

μ_p.min＝I_k.max·t_exp·A，

光响应绝对灵敏度阈值为10个电子。

根据公式

${\mathrm{\σ}}_d\≈{\mathrm{\η\μ}}_{p\·min}-\frac{1}{2},$

读出噪声为5.5个电子。

图像的数据位数为12位，图像所能达到的最大灰度值为2^b-1＝4095，根据实施例1中计算满井容量的第1)种情况中，某个k级衍射斑点的灰度值μ_y.k的范围0.891(2^b-1)～0.909(2^b-1)，在本实施例中计算即得：3648～3722，通过软件测得相机二拍摄的衍射图像的一级衍射斑点的灰度值μ_y·1为3500，不在此范围内，所以满井容量用第2)种情况进行计算，背景本底灰度值μ_y.dark为150，一级衍射斑点每毫秒每一百平方微米的光子数I₁为2252个，根据公式

μ_p·k＝I_k·t_exp·A，

计算得到，一级衍射斑点的单个像素的光子数μ_p·1为2252个，根据公式

${\mathrm{\μ}}_{e\·sat}=0.9(2^b-1)\frac{{\mathrm{\η\μ}}_{p\·k}}{{\mathrm{\μ}}_{y\·k}-{\mathrm{\μ}}_{y\·dark}},$

满井容量μ_e·sat为1487个电子。

一级衍射斑点的单个像素接收到的光子数μ_p.1为2252个，一级衍射斑点的灰度值μ_y.1为3500，相机二的本底灰度值μ_y.dark为150，根据公式

$K=\frac{{\mathrm{\μ}}_{y.k}-{\mathrm{\μ}}_{y.dark}}{{\mathrm{\η\μ}}_{p.k}},$

系统整体增益值K为2.48DN/e。

已知已求得的相机二的满井容量μ_e.sat为1487，根据公式

${\mathrm{SNR}}_{max}\≈\sqrt{{\mathrm{\μ}}_{e.sat}},$

最大信噪比为39:1。

已知已求得的相机二的满井容量μ_e.sat为1487，读出噪声σ_d为5.5个电子，根据公式

$DR=\frac{{\mathrm{\μ}}_{e.sat}}{{\mathrm{\σ}}_d},$

动态范围DR为270:1。

实施例3

在本发明所述装置上测量相机三的参数性能，其结构和使用方法同实施例1。图像的数据位数为12位，图像所能达到的最大灰度值为2^b-1＝4095，根据实施例1中计算满井容量的第1)种情况中，某个k级衍射斑点的灰度值μ_y.k的范围0.891(2^b-1)～0.909(2^b-1)，在本实施例中计算即得：3648～3722，通过软件测得相机三拍摄的衍射图像的一级衍射斑点的灰度值μ_y·1为3648，在此范围内，所以满井容量的计算使用第1)种情况进行计算，背景本底灰度值μ_y.dark为150，一级衍射斑点每毫秒每一百平方微米的光子数I₁为2252个，量子效应η为60％，单个像元面积A为100um²，曝光时间t_exp为1ms，根据公式

μ_e.sat＝ημ_p.sat＝η·I_k.sat·t_exp·A，

I_k·sat即I₁为2252，计算得到，满井容量μ_e.sat为1351个电子。

一级衍射斑点的单个像素接收到的光子数μ_p.1为2252个，一级衍射斑点的灰度值μ_y.1为3648，相机三的本底灰度值μ_y.dark为150，根据公式

$K=\frac{{\mathrm{\μ}}_{y.k}-{\mathrm{\μ}}_{y.dark}}{{\mathrm{\η\μ}}_{p.k}},$

系统整体增益值K为2.59DN/e。

已知已求得的相机三的满井容量μ_e.sat为1351，根据公式

${\mathrm{SNR}}_{max}\≈\sqrt{{\mathrm{\μ}}_{e.sat}},$

最大信噪比为37:1。

已知已求得的B相机的满井容量μ_e.sat为1351，读出噪声σ_d为5.5个电子，根据公式

$DR=\frac{{\mathrm{\μ}}_{e.sat}}{{\mathrm{\σ}}_d},$

动态范围DR为246:1，光响应绝对灵敏度阈值、读出噪声的值同实施例2。

实施例4

在本发明所述装置上测量某相机四的参数性能，其结构和使用方法同实施例1。图像的数据位数为12位，图像所能达到的最大灰度值为2^b-1＝4095，根据实施例1中计算满井容量的第1)种情况中，某个k级衍射斑点的灰度值μ_y.k的范围0.891(2^b-1)～0.909(2^b-1)，在本实施例中计算即得：3648～3722，通过软件测得相机四拍摄的衍射图像的一级衍射斑点的灰度值μ_p.1为3722，在此范围内，所以满井容量的计算使用第1)种情况进行计算，背景本底灰度值μ_y.dark为150，一级衍射斑点每毫秒每一百平方微米的光子数I₁为2252个，量子效应η为60％，单个像元面积A为100um²，曝光时间t_exp为1ms，根据公式

μ_e.sat＝ημ_p.sat＝η·I_k.sat·t_exp·A，

I_k·sat即I₁为2252，计算得到，满井容量μ_e.sat为1351个电子。

一级衍射斑点的单个像素接收到的光子数μ_p.1为2252个，一级衍射斑点的灰度值μ_y.1为3722，相机四的本底灰度值μ_y.dark为150，根据公式

$K=\frac{{\mathrm{\μ}}_{y.k}-{\mathrm{\μ}}_{y.dark}}{{\mathrm{\η\μ}}_{p.k}},$

系统整体增益值K为2.64DN/e。最大信噪比SNR_max和动态范围DR的值同实施例3，光响应绝对灵敏度阈值、读出噪声的值同实施例2。

实施例5

在本发明所述装置上测量某相机五的参数性能，其结构和使用方法同实施例1。图像的数据位数为12位，图像所能达到的最大灰度值为2^b-1＝4095，根据实施例1中计算满井容量的第1)种情况中，某个k级衍射斑点的灰度值μ_y.k的范围0.891(2^b-1)～0.909(2^b-1)，在本实施例中计算即得：3648～3722，通过软件测得相机五拍摄的衍射图像的一级衍射斑点的灰度值μ_y为3700，在此范围内，所以满井容量的计算使用第1)种情况进行计算，背景本底灰度值μ_y.dark为150，一级衍射斑点每毫秒每一百平方微米的光子数I₁为2252个，量子效应η为60％，单个像元面积A为100um²，曝光时间t_exp为1ms，根据公式

μ_e.sat＝ημ_p.sat＝η·I_k.sat·t_exp·A，

I_k·sat即I₁为2252，计算得到，满井容量μ_e.sat为1351个电子。

一级衍射斑点的单个像素接收到的光子数μ_p.1为2252个，一级衍射斑点的灰度值μ_y.1为3700，相机五的本底灰度值μ_y.dark为150，根据公式

$K=\frac{{\mathrm{\μ}}_{y.k}-{\mathrm{\μ}}_{y.dark}}{{\mathrm{\η\μ}}_{p.k}},$

系统整体增益值K为2.63DN/e，最大信噪比SNR_max和动态范围DR的值同实施例3，光响应绝对灵敏度阈值、读出噪声的值同实施例2。

以上示意性的对本发明创造的实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种检测图像传感器性能的装置，包括可调光衰减片(2)和会聚透镜(4)，其特征在于，它还包括激光器(1)、衍射屏(3)和可调环(5)，其中，所述的激光器(1)、可调光衰减片(2)、衍射屏(3)、会聚透镜(4)和可调环(5)依次固定在所述的装置内，可调环(5)的右侧设置有图像传感器(6)，所述的激光器(1)的左端设有电缆接口。

2.根据权利要求1所述的一种检测图像传感器性能的装置，其特征在于，所述的激光器(1)的左端的电缆接口与电源(11)通过电缆电连接。

3.根据权利要求1所述的一种检测图像传感器性能的装置，其特征在于，所述的装置右侧的接口与图像传感器(6)外部框架的左侧接口连接在一起，形成不受外界光线干扰的封闭空间。

4.根据权利要求2所述的一种检测图像传感器性能的装置，其特征在于，衍射屏(3)上的孔洞的形状为矩形或圆形。

5.根据权利要求1所述的一种检测图像传感器性能的装置，其特征在于，所述的装置的总长为150mm，最大直径为50mm。

6.一种检测图像传感器性能的装置的使用方法，其步骤如下：

A、搭建权利要求1所述的装置；

B、将激光器(1)左端的电缆接口与电源(11)连接，开启激光器(1)，激光器(1)发出平行光，穿过可调光衰减片(2)，经过可调光衰减片(2)调节后的平行光照射在带有孔洞的衍射屏(3)上后产生衍射，衍射光线经过会聚透镜(4)聚焦，形成衍射斑点，再经过可调环(5)对衍射斑点的成像进行进一步聚焦，最后照射到图像传感器(6)的像元表面上形成衍射图案；

C、通过调节激光器(1)的功率，对衍射图案的光强进行调整，为步骤D中定标衍射图案的光强信息作准备；

D、定标衍射斑点的光强信息：

步骤C能够改变衍射斑点的光强信息，通过改变衍射屏(3)上的孔洞形状和孔洞形状的大小能够改变衍射斑点的尺寸，其计算公式为：

$D_k=\frac{\mathrm{\λ}}{a}f;$

其中，f为会聚透镜(4)的焦距，λ为激光器(1)发出的入射光波长，a为衍射屏(3)上孔洞形状的大小，D_k为所形成的衍射斑点的尺寸大小；

通过光谱仪或者标准图像传感器对产生的零级衍射斑点的单位时间单位面积所接收到的光子数进行测量，测得零级衍射斑点所对应的单位面积单位时间的光子数目为I₀，对于其他各级衍射斑点的光子信息，根据公式

$I_k={\[(k+\frac{1}{2})\mathrm{\π}\]}^{-2}{I}_0,$

对各级衍射斑点的光子数进行求解；其中，I_k为第k级衍射斑点的单位时间单位面积接收到的光子数，由此，能够得到各级衍射斑点所对应的光子数信息；

E、定性比较分析不同图像传感器(6)的性能参数：

根据步骤D中定标的衍射图案光强信息，不同图像传感器(6)拍摄同一幅衍射斑点图像，通过比较不同图像传感器(6)所能拍摄观察到的衍射级次k以及相应级次衍射斑点的灰度值μ_y.k对灵敏度、动态范围、读出噪声、信噪比和满井容量进行定性比较：

能观察到的衍射级次k越高，图像传感器(6)的探测灵敏度越高；

能观察到的衍射级次k越高，图像传感器(6)的读出噪声越小；

同时，表明在接收到相同光子数时，图像传感器(6)的信噪比越高；

通过比较不同图像传感器(6)对同一个未饱和的较低级次衍射斑点所显示出的明暗程度进行定性比较分析，衍射斑点显示越亮的图像传感器(6)，其满井容量越小，最大信噪比越大；

通过比较不同图像传感器(6)对同一幅衍射图案所能观察到的未饱和的最低衍射级次到最高衍射级次的区间范围或个数，范围越大的表示其动态范围越大；

F、定量求出单个图像传感器(6)的各个性能参数；

图像传感器(6)的性能参数包括光响应绝对灵敏度阈值、读出噪声、满井容量、系统整体增益、最大信噪比SNR_max和动态范围DR；

光响应绝对灵敏度阈值：

通过图像处理软件对图像传感器(6)拍摄的图片进行自动对比度调整，观察图像传感器(6)所能分辨出的衍射斑点的最高衍射级次k_max，从步骤D中得到衍射级数为k_max时，衍射斑点单位面积单位时间的光子数I_k.max，由此计算实际可探测的最低光子数，即得光响应绝对灵敏度阈值：

μ_p.min＝I_k.max·t_exp·A，

其中，I_k.max为图像传感器(6)所能分辨出的最高级衍射斑点对应的单位时间单位面积产生的光子数，t_exp为图像传感器(6)的曝光时间，A为图像传感器(6)的单个像元面积；

读出噪声：

根据图像传感器(6)的光响应绝对灵敏度阈值μ_p.min和图像传感器(6)的量子效率η，定量计算图像传感器(6)的读出噪声，其计算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_d\≈{\mathrm{\η\μ}}_{p\·min}-\frac{1}{2};$

满井容量：

通过图像处理软件测量图像传感器(6)已拍摄的衍射图像中已知光子数信息的衍射斑点的灰度值μ_y.k，定量计算图像传感器(6)的满井容量；

1)若某个k级衍射斑点的灰度值μ_y.k在0.891(2^b-1)～0.909(2^b-1)范围内时，则该级次衍射斑点对应的像元产生的电子数为满井容量，表达式为：

μ_e.sat＝ημ_p.sat＝η·I_k.sat·t_exp·A，

其中，2^b-1为图像所能达到的最大灰度值，b表示图像的数据位数，η为图像传感器(6)的量子效率，t_exp为图像传感器(6)的曝光时间，A为图像传感器(6)的单个像元面积，I_k.sat是k级衍射斑点的灰度值μ_y.k在0.891(2^b-1)～0.909(2^b-1)范围内时，k级衍射斑点所对应的单位面积单位时间的光子数，μ_p.sat为图像传感器(6)所能接收的饱和光子数；

2)若某个k级衍射斑点不满足1)条件，选择衍射图像中任一个级次的衍射斑点，测量其灰度值，此时满井容量的计算式为：

${\mathrm{\μ}}_{e\·sat}=0.9(2^b-1)\frac{{\mathrm{\η\μ}}_{p\·k}}{{\mathrm{\μ}}_{y\·k}-{\mathrm{\μ}}_{y\·dark}},$

μ_p·k＝I_k·t_exp·A，

其中，b为图像的数据位数，μ_y.dark为相机的本底灰度值，μ_y·k为所选择级次的衍射斑点的灰度值，μ_p·k为所选择级次的衍射斑点的单个像素的光子数；I_k为所选择级次的衍射斑点单位时间单位面积的光子数，t_exp为图像传感器(6)的曝光时间，A为图像传感器(6)的单个像元面积；

系统整体增益：

通过图像处理软件测量衍射级数为k的衍射斑点的灰度值μ_y.k，以及相机的本底灰度值μ_y.dark，定量计算相机的系统整体增益K的值，其计算公式如下：

$K=\frac{{\mathrm{\μ}}_{y.k}-{\mathrm{\μ}}_{y.dark}}{{\mathrm{\η\μ}}_{p.k}};$

其中，μ_p.k为该衍射级次对应的单个像素接收到的光子数，μ_y.dark为相机的本底灰度值；

最大信噪比SNR_max：

已知上述方法所求得的图像传感器(6)的满井容量μ_e.sat，最大信噪比的计算公式为：

${\mathrm{SNR}}_{max}\≈\sqrt{{\mathrm{\μ}}_{e.sat}};$

动态范围DR：

已知上述方法所求得的图像传感器(6)的满井容量μ_e.sat以及读出噪声σ_d，动态范围的计算公式为：

$DR=\frac{{\mathrm{\μ}}_{e.sat}}{{\mathrm{\σ}}_d};$

G、针对每一个图像传感器(6)测试完以后，关闭激光器(1)，并将激光器(1)的电缆接口与电源(11)的电连接断开，将图像传感器(6)从所述的装置右侧取下来。

7.根据权利要求6所述的一种检测图像传感器性能的装置的使用方法，其特征在于，所述的衍射屏(3)上的孔洞形状为矩形或圆形。

8.根据权利要求6所述的一种检测图像传感器性能的装置的使用方法，其特征在于，通过选择安装不同衰减倍率的可调光衰减片(2)，也能够对衍射图案的光强进行调整，为步骤D中定标衍射图案的光强信息作准备。