CN106067971B - 图像传感器绝对光谱响应度测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
图像传感器绝对光谱响应度测试装置及其测试方法，属于空间光学技术领域，为解决图像传感器绝对光谱响应度测试偏差大的问题，在单色仪出光口位置，安装积分球收集器，积分球收集器的入光口法线和出光口法线垂直，单色仪发出的单色光经入光口入射到积分球内，在出光口形成均匀的出射光斑。使用标准陷阱辐射计，测试积分球出光口处的辐射能量，利用积分球出光口的面积，计算出积分球出光口处的辐射照度。在图像传感器测试时，图像传感器的感光像元区域贴近积分球的出光口，获得对应的图像；利用像元面积，计算出图像传感器获得的辐射能量，利用获得的辐射能量和图像传感器的输出信号，可以方便计算出图像传感器的绝对光谱响应度及量子效率等参数。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器绝对光谱响应度测试装置及其测试方法，属于空间光学技术领域。
背景技术
图像传感器CCD和CMOS是空间相机的重要光电转换器件，将成像到光学系统焦面的地物辐射信息转换为图像，图像传感器的绝对光谱响应度是评价传感器的响应能力重要技术指标。该指标对空间相机的成像能力具有直接影响。由于单色仪出光口单色光斑的非均匀性高达10％，对图像传感器的绝对光谱响应度测试结果影响比较大，因此目前采用单色仪输出的光源，多用于测试图像传感器的相对光谱响应度。另外，还有采用多种波长的LED作为光源，对图像传感器进行测试，由于LED的波长带宽比较大，一般为20nm，因此测试不能满足高精度光谱分辨率(2nm)测试要求。
发明内容
本发明为了解决现有技术对图像传感器绝对光谱响应度测试偏差大的问题，提出一种具有高光谱分辨率的绝对光谱响应度测试装置及方法。
本发明采取的技术方案是：
图像传感器绝对光谱响应度测试装置，其特征是，其包括光源室、单色仪、积分球收集器、积分球收集器入光口、积分球收集器出光口、标准陷阱辐射计、图像传感器组件和计算机；
光源室为单色仪提供稳定的辐射照明，光源室在计算机的控制下输出不同的光谱辐射能量；
单色仪在计算机的控制下通过旋转光栅输出单色光，单色光经积分球收集器入光口进入积分球收集器，在积分球内经多次反射后在积分球收集器出光口处形成均匀的光斑；
计算机控制标准陷阱辐射计，测试积分球收集器出光口处光斑的辐射通量，利用光斑的面积计算出该位置处的辐射照度，计算机控制图像传感器组件采集图像传感器的图像。
图像传感器绝对光谱响应度测试方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
第一步，将图像传感器放置到积分球收集器出光口位置处，使图像传感器的感光面紧贴积分球收集器的出光口；计算机控制光源室输出的能量，控制单色仪扫描，控制图像传感器组件采集各波长的图像，找出最大图像灰度值对应的波长，通过调节光源室输出的能量和图像传感器的积分时间，使得最大图像灰度值为图像传感器饱和灰度值的95％；此时光源的输出状态为L1；设置单色仪的起止波长和扫描波长间隔，计算机控制单色仪扫描和图像传感器组件，按波长顺序获得对应的图像，并保存图像文件；
第二步，计算机控制控制单色仪至第一步中最大图像灰度值对应的波长位置处，依次调节通过调节光源室输出的能量，分别使得图像灰度值为图像传感器饱和灰度值的85％、75％、65％、55％、45％、35％；此时光源的输出状态为L2、L3、L4、L5、L6、L7；在光源对应的状态下，设置单色仪的起止波长和扫描波长间隔参数与第一步中的参数相同，计算机控制单色仪扫描和图像传感器组件，按波长顺序获得对应的图像，并保存图像文件；
第三步，完成对图像传感器的测试后，将标准陷阱辐射计放置到积分球收集器的出光口处，调节光源室使其输出的能量状态与L1相同；设置单色仪的起止波长和扫描波长间隔参数与第一步中的参数相同，计算机控制单色仪扫描同时控制标准陷阱辐射计，采集并保存对应波长位置的辐射能量数据；
第四步，调节光源室使其输出的能量状态分别为L2、L3、L4、L5、L6、L7；采集并存储对应状态各波长位置的能量数据；
第五步，提取对应于状态L1、L2、……L7在起始波长位置处的标准陷阱辐射计输出的辐射功率W1、W2、……W7；利用积分球出光口的面积S和转换关系式为E＝W/S，计算出对应的辐射照度E1、E2、……E7；
第六步，提取对应于状态L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7，图像传感器的图像数据，并取对应积分球出光口图像中最中间的10×10像元计算平均图像个灰度值DN1、DN2、……DN7；
第七步，利用数据E1、E2、……E7和DN1、DN2、……DN7，采用最小二乘法，计算出该波长的绝对光谱响应度RDN；
第八步，重复第五步、第六步和第七步，完成所有波长的绝对光谱响应度计算；
第九步，图像传感器组件的电路内部图像灰度值DN、电压V、电子数e-之间的线性转换关系，重复第八步，可分别求得电压绝对响应度Rv和电子数绝对响应度Re。
本发明的有益效果是：在单色仪出光口位置，安装一个积分球收集器，积分球收集器的入光口法线和出光口法线垂直，单色仪发出的单色光经入光口入射到积分球内，在出光口形成一个均匀的出射光斑。使用标准陷阱辐射计，测试积分球出光口处的辐射能量，利用积分球出光口的面积，计算出积分球出光口处的辐射照度。在图像传感器测试时，图像传感器的感光像元区域贴近积分球的出光口，获得对应的图像；利用像元面积，计算出图像传感器获得的辐射能量，利用获得的辐射能量和图像传感器的输出信号，可以方便计算出图像传感器的绝对光谱响应度及量子效率等参数。该方案解决了图像传感器绝对光谱响应度测试偏差大的问题，可以准确的获得图像传感器所接收的均匀光斑单色辐射照度，从而方便快捷的测试图像传感器的绝对辐射响应度，以及量子效率等参数。本发明主要用于图像传感器CCD或CMOS的绝对光谱响应度的出厂检测或用户的筛选测试。
附图说明
图1：本发明图像传感器绝对光谱响应度测试装置结构示意图。
图中，1、光源室，2、单色仪，3、积分球收集器，4、积分球收集器入光口，5、积分球收集器出光口，6、标准陷阱辐射计，7、图像传感器组件，8、计算机。
图2：图像传感器光谱数采集示意图，将图1中的图像传感器组件中的图像传感器放置到积分球收集器出光口。
图3：标准陷阱辐射计测试辐射能量的示意图，将图1中的标准陷阱辐射计放置到积分球收集器出光口。
具体实施方式
如图1所示，图像传感器绝对光谱响应度测试装置，其包括光源室1、单色仪2、积分球收集器3、积分球收集器入光口4、积分球收集器出光口5、标准陷阱辐射计6、图像传感器组件7和计算机8。
光源室1内置溴钨灯或氙灯光源，其为单色仪2提供稳定的辐射照明。光源室1在计算机8的控制下输出不同的光谱辐射能量。
单色仪2在计算机8的控制下通过旋转光栅输出单色光，单色光经积分球收集器入光口4进入积分球收集器3，在积分球内经多次反射后在积分球收集器出光口5处形成均匀的光斑。单色仪2采用Newport公司生产的M260单色仪。
积分球收集器3，内避喷涂高漫反射材料。积分球收集器入光口4的法线和积分球收集器出光口5的法线垂直。单色仪2发出的单色光由积分球收集器入光口4接收，在积分球收集器3内经过多次反射，形成均匀光斑在积分球收集器出光口5处发出，积分球收集器出光口5的直径小于Φ2mm，在此处光斑的均匀性达到99.9％。
计算机8控制标准陷阱辐射计6，测试积分球收集器出光口5处光斑的辐射通量，利用光斑的面积计算出该位置处的辐射照度，计算机8控制图像传感器组件7采集图像传感器的图像。
图像传感器绝对光谱响应度测试方法，包括以下步骤：
第一步，如图2所示，将图像传感器放置到积分球收集器出光口5位置处，使图像传感器的感光面紧贴积分球收集器的出光口5；计算机8控制光源室1输出的能量，控制单色仪2扫描，控制图像传感器组件7采集各波长的图像，找出最大图像灰度值对应的波长，通过调节光源室1输出的能量和图像传感器的积分时间，使得最大图像灰度值为图像传感器饱和灰度值的95％；此时光源的输出状态为L1；设置单色仪2的起止波长和扫描波长间隔，计算机8控制单色仪2扫描和图像传感器组件7，按波长顺序获得对应的图像，并保存图像文件；
第二步，计算机8控制控制单色仪2至第一步中最大图像灰度值对应的波长位置处，依次调节通过调节光源室1输出的能量，分别使得图像灰度值为图像传感器饱和灰度值的85％、75％、65％、55％、45％、35％；此时光源的输出状态为L2、L3、L4、L5、L6、L7；在光源对应的状态下，设置单色仪的起止波长和扫描波长间隔参数与第一步中的参数相同，计算机8控制单色仪2扫描和图像传感器组件7，按波长顺序获得对应的图像，并保存图像文件；
第三步，如图3所示，完成对图像传感器的测试后，将标准陷阱辐射计6放置到积分球收集器的出光口5处，调节光源室1使其输出的能量状态与L1相同；设置单色仪的起止波长和扫描波长间隔参数与第一步中的参数相同，计算机8控制单色仪2扫描同时控制标准陷阱辐射计6，采集并保存对应波长位置的辐射能量数据；
第四步，调节光源室1使其输出的能量状态分别为L2、L3、L4、L5、L6、L7；采集并存储对应状态各波长位置的能量数据；
第五步，提取对应于状态L1、L2、……L7在起始波长位置处的标准陷阱辐射计输出的辐射功率W1、W2、……W7；利用积分球出光口的面积S和转换关系式为E＝W/S，计算出对应的辐射照度E1、E2、……E7；
第六步，提取对应于状态L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7，图像传感器的图像数据，并取对应积分球出光口图像中最中间的10×10像元计算平均图像个灰度值DN1、DN2、……DN7；
第七步，利用数据E1、E2、……E7和DN1、DN2、……DN7，采用最小二乘法，计算出该波长的绝对光谱响应度RDN(DN/W/m2)；
第八步，重复第五步、第六步和第七步，完成所有波长的绝对光谱响应度计算；
第九步，图像传感器组件的电路内部图像灰度值DN、电压V、电子数e-之间的线性转换关系，重复第八步，可分别求得电压绝对响应度Rv(V/W/m2)和电子数绝对响应度Re(e-/W/m2)。
本发明的图像传感器绝对光谱响应度测试装置及其测试方法不仅适用于可见光图像传感器，也适用于红外图像传感器，当测试红外图像传感器时，将光源换成红外辐射源，将单色仪换成红外单色仪。
Claims (6)
1.图像传感器绝对光谱响应度测试方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
第一步，将图像传感器放置到积分球收集器出光口(5)位置处，使图像传感器的感光面紧贴积分球收集器的出光口(5)；计算机(8)控制光源室(1)输出的能量，控制单色仪(2)扫描，控制图像传感器组件(7)采集各波长的图像，找出最大图像灰度值对应的波长，通过调节光源室(1)输出的能量和图像传感器的积分时间，使得最大图像灰度值为图像传感器饱和灰度值的95％；此时光源的输出状态为L1；设置单色仪(2)的起止波长和扫描波长间隔，计算机(8)控制单色仪(2)扫描和图像传感器组件(7)，按波长顺序获得对应的图像，并保存图像文件；
第二步，计算机(8)控制单色仪(2)至第一步中最大图像灰度值对应的波长位置处，依次调节通过调节光源室(1)输出的能量，分别使得图像灰度值为图像传感器饱和灰度值的85％、75％、65％、55％、45％和35％；此时光源的输出状态为L2、L3、L4、L5、L6和L7；在光源对应的状态下，设置单色仪(2)的起止波长和扫描波长间隔参数与第一步中的参数相同，计算机(8)控制单色仪(2)扫描和图像传感器组件(7)，按波长顺序获得对应的图像，并保存图像文件；
第三步，完成对图像传感器的测试后，将标准陷阱辐射计(6)放置到积分球收集器的出光口(5)处，调节光源室(1)使其输出的能量状态与L1相同；设置单色仪的起止波长和扫描波长间隔参数与第一步中的参数相同，计算机(8)控制单色仪(2)扫描同时控制标准陷阱辐射计(6)，采集并保存对应波长位置的辐射能量数据；
第四步，调节光源室(1)使其输出的能量状态分别为L2、L3、L4、L5、L6和L7；采集并存储对应状态各波长位置的能量数据；
第五步，提取对应于状态L1、L2、……L7在起始波长位置处的标准陷阱探测器输出的辐射功率W1、W2、……W7；利用积分球出光口的面积S和转换关系式为E＝W/S，计算出对应的辐射照度E1、E2、……E7；
第六步，提取对应于状态L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7，图像传感器的图像数据，并取对应积分球出光口图像中最中间的10×10像元计算平均图像个灰度值DN1、DN2、……DN7；
第七步，利用数据E1、E2、……E7和DN1、DN2、……DN7，采用最小二乘法，计算出该波长的绝对光谱响应度RDN；
第八步，重复第五步、第六步和第七步，完成所有波长的绝对光谱响应度计算；
第九步，图像传感器组件的电路内部图像灰度值DN、电压V、电子数e-之间的成线性转换关系，重复第八步，可分别求得电压绝对响应度Rv和电子数绝对响应度Re。
2.根据权利要求1所述的图像传感器绝对光谱响应度测试方法，其特征是，该方法所用的图像传感器绝对光谱响应度测试装置包括光源室(1)、单色仪(2)、积分球收集器(3)、积分球收集器入光口(4)、积分球收集器出光口(5)、标准陷阱辐射计(6)、图像传感器组件(7)和计算机(8)；
光源室(1)为单色仪(2)提供稳定的辐射照明，光源室(1)在计算机(8)的控制下输出不同的光谱辐射能量；
单色仪(2)在计算机(8)的控制下通过旋转光栅输出单色光，单色光经积分球收集器入光口(4)进入积分球收集器(3)，在积分球内经多次反射后在积分球收集器出光口(5)处形成均匀的光斑；
计算机(8)控制标准陷阱辐射计(6)，测试积分球收集器出光口(5)处光斑的辐射通量，利用光斑的面积计算出该位置处的辐射照度，计算机(8)控制图像传感器组件(7)采集图像传感器的图像。
3.根据权利要求2所述的图像传感器绝对光谱响应度测试方法，其特征是，光源室(1)内置溴钨灯或氙灯。
4.根据权利要求2所述的图像传感器绝对光谱响应度测试方法，其特征是，积分球收集器(3)的内壁喷涂高漫反射率材料。
5.根据权利要求2所述的图像传感器绝对光谱响应度测试方法，其特征是，所述的积分球收集器入光口(4)法线和积分球收集器出光口(5)法线垂直。
6.根据权利要求2所述的图像传感器绝对光谱响应度测试方法，其特征是，积分球收集器出光口(5)小于Φ2mm。
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