CN106932174A - 用于焦平面成像器件绝对光谱响应的通用快速测量方法 - Google Patents

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李豫东
文林
郭�旗
施炜雷
于刚
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张兴尧
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Abstract

本发明涉及一种用于焦平面成像器件绝对光谱响应的通用快速测量方法，该方法通过整幅图像输出来计算相对光谱响应，结合校准过的参考探测器，实现焦平面成像器件绝对光谱响应的测量；并以光阑对照射到参考探测器及焦平面成像器件上的光斑进行约束，使测量结果不受光斑形状、对称性、均匀性的影响。该方法相比于现有测量方法，解决了单色光均匀化后光强小、测量适用性差等问题，避免了焦平面局部缺陷对测量结果的影响，并且对测量设备的要求较低。作为一种焦平面绝对光谱响应测量的通用方法，可大大降低测量成本、显著缩短测量时间，其推广应用具有重要的经济效益与应用价值。

Description

用于焦平面成像器件绝对光谱响应的通用快速测量方法
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种用于焦平面成像器件绝对光谱响应的通用快速测量方法，适用于各种类型的焦平面成像器件绝对光谱响应的测量。
背景技术
决对光谱响应测试直接体现了焦平面成像器件的光电转换性能，可全面获得器件响应波段内不同波长光子的量子效率，掌握器件的响应性能。因此，对焦平面成像器件的绝对光谱响应进行量化测试，是进行器件研发，以及系统设计时确定技术指标、器件选型、性能评估必不可少的关键环节。随着焦平面成像器件包括CCD、CMOS图像传感器、红外或紫外焦平面的迅速发展，国内外制定了一系列焦平面成像器件的检测标准，如ESA 25000、EMVA1288，并在相关标准中对光谱响应测量原理做出了规定，但作为通用准则未对测量的仪器设备、具体方法、步骤等作出规定。
目前采用较多的方法有单色均匀光标定、局部像元测量等方法。单色均匀光标定要求采用检定校准过的单色积分球光源。该方法对设备要求很高，导致成本非常高；且由于积分球均匀化后单色光偏弱，针对灵敏度、动态范围不同的各类焦平面器件，其测量的适用性差。局部像元测量采用非均匀光斑照射到焦平面成像器件上，取局部像元的响应进行计算，该方法对光斑的对称性、形状有较高要求，且在像元选择上难以确定统一标准，对缺陷像元也非常敏感，对系统定位要求也非常高。目前还没有一种对单色光源没有较高要求又能满足不同类型焦平面的测试的绝对光谱响应通用测量方法。
发明内容
本发明的目的在于，为了解决焦平面成像器件绝对光谱响应测试的技术难题，提供一种用于焦平面成像器件绝对光谱响应的通用快速测量方法，该方法通过整幅图像输出来计算相对光谱响应，结合校准过的参考探测器，实现焦平面成像器件绝对光谱响应的测量；并以光阑对照射到参考探测器及焦平面成像器件上的光斑进行约束，使测量结果不受光斑形状、对称性、均匀性的影响。该方法相比于现有测量方法，解决了单色光均匀化后光强小、测量适用性差等问题，避免了焦平面局部缺陷对测量结果的影响，并且对测量设备的要求较低。作为一种焦平面绝对光谱响应测量的通用方法，可大大降低测量成本、显著缩短测量时间，其推广应用具有重要的经济效益与应用价值。
本发明所述的一种用于焦平面成像器件绝对光谱响应的通用快速测量方法，按下列步骤进行：
a、采用光阑限制光束，保证焦平面成像器件的感光区域完全覆盖光斑，通过光谱扫描测试，获得焦平面成像器件的相对光谱响应：按照光谱分辨率的要求，在待测的光谱范围λmin—λmax内取n个波长点，标记为λ1—λn，含参考探测器校准波长λref，以单色光斑照射焦平面成像器件，测试获得每个波长点的相对光谱响应Rr_λ1至Rr_λn。；
b、以波长为λref的单色光照射参考探测器，测试获得参考探测器的输出电流Iref；
c、计算焦平面成像器件的绝对光谱响应：通过Iref和参考探测器在波长λref点的校准值Qλref，单位A/W，计算校准波长单色光斑的功率Lref，根据Lref和焦平面成像器件λref点的相对光谱响应Rr_λref，计算得出焦平面成像器件λref点的绝对光谱响应Rλref，然后以公式Rλm＝Rr_λm/Rr_λref×Rλref，其中m为1—n中的任意整数，计算获得其它波长点的绝对光谱响应。
步骤a中采用n个波长点λ1—λn的单色光斑照射下，直接采集焦平面成像器件整幅输出图像，根据图像序列计算焦平面成像器件的相对光谱响应，波长λm单色光斑照射下焦平面成像器件的整幅输出图像所有像元的灰度累加值为Slight_λm，与暗场输出图像的灰度累加值Sdark_λm相减，获得扣除暗场本底后的信号输出Ssignal_λm，根据焦平面成像器件的转换增益、积分时间，计算出相对光谱响应Rr_λm。
通过整幅图像输出计算相对光谱响应过程中，获取灰度累加值Slight_λm和Sdark_λm时，均采用多幅图像取均值的方法，以减小测量误差以及时间、温度等因素导致的测量值起伏。
在整个光谱响应测量的过程中，采用光阑限制光束，在保持单色光照射到参考探测器上的光斑与照射到待测焦平面探测器上的光斑完全一致的情况下，保证参考探测器的感光区域完全覆盖光斑；对光斑的形状、对称性及强度分布不用做出要求。
本发明所述的一种用于焦平面成像器件绝对光谱响应的通用快速测量方法，与已有技术相比具有以下创新点：
1.通过整幅图像输出来计算相对光谱响应，结合校准过的参考探测器，实现焦平面成像器件绝对光谱响应的测量。
2.以光阑对照射到参考探测器及焦平面成像器件上的光斑进行约束，使测量结果不受光斑形状、对称性、均匀性的影响。
3.仅使用参考探测器的校准波长处的标定值作为绝对参考值，减小了采用探测器其余波长点带来的测量误差，并使参考探测器的校准和绝对光谱的测量更加简化。
本发明所述的一种用于焦平面成像器件绝对光谱响应的通用快速测量方法，与已有技术相比具有以下显著优点：
1.相比于单色均匀光标定的方法，解决了单色光均匀化后光强小、测量适用性差等问题。
2.相比于局部像元测量的方法，避免了局部像元测量对缺陷像元敏感的问题，在光斑的对称性、形状、系统定位等方面没有较苛刻的要求。
3.作为一种焦平面绝对光谱响应测量的通用方法，可大大降低测量成本、显著缩短测量时间，其推广应用具有重要的经济效益与应用价值。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明焦平面成像器件相对光谱响应测量的示意图；
图3为本发明整幅输出图像扣除暗场本底获得信号输出的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
本发明是通过整幅图像的计算，获得焦平面成像器件总的响应与总的入射单色光之间的关系，并结合参考探测器的校准值，实现焦平面成像器件响应波段范围内绝对光谱响应的测量。
实施例1
对一款待测光谱范围为600—800nm的焦平面成像器件，进行绝对光谱响应测量，具体步骤如下：
根据如图2所示的相对光谱响应测量原理，焦平面成像器件及其后端驱动采集电路放置在光学暗室内，以卤钨灯与单色仪构成单色光源发出单色光，经光阑限制后形成单色光斑，照射到焦平面成像器件光敏面范围之内；
采用光阑限制光束，保证焦平面成像器件的感光区域完全覆盖光斑，通过光谱扫描测试，获得焦平面成像器件的相对光谱响应：按照光谱分辨率的要求，在待测的光谱范围600—800nm内每间隔5nm取1个波长点，共41个波长点，标记为λ1—λ41，含参考探测器校准波长650nm。在待测光谱范围内的每个波长点，以单色光斑照射焦平面成像器件，通过后端驱动与信号采集电路采集焦平面成像器件的整幅输出图像序列；关闭光源，采集焦平面成像器件的暗场本底图像序列；通过整幅输出图像平均值扣除暗场本底平均值的方法获得不同波长下的信号输出序列，如图3所示，波长600nm的单色光斑照射下焦平面成像器件的整幅输出图像所有像元的灰度累加值为1945.51，与暗场输出图像的灰度累加值6.61相减，获得扣除暗场本底后的信号输出1938.90；根据焦平面成像器件的电荷电压转换增益、积分时间，计算出波长600nm时相对光谱响应Rr_λm为308.25，其他波长点的相对光谱响应见表1；
表1光谱范围600—800nm内焦平面器件的相对光谱响应
选用Si光探测器作为参考探测器，将单色光源调节到参考探测器的校准波长，以校准单位采用的测量波长为准，以该波长下的单色光斑照射到参考探测器上，测试获得参考探测器的输出电流Iref；查询参考探测器校准报告中校准波长处的响应度Qλref，单位A/W；通过换算，计算出该波长下单色光斑的功率Lref＝0.14；根据Lref和焦平面成像器件校准波长处的相对光谱响应Rr_λref＝0.16，计算得出焦平面成像器件λref点的绝对光谱响应Rλref为1.11，然后以公式Rλm＝Rr_λm/Rr_λref×Rλref计算获得波长600nm时的绝对光谱响应Rλm为2181.07，其他波长点的绝对光谱响应见下表2；
表2光谱范围600—800nm内焦平面器件的绝对光谱响应
即获得41波长点的绝对光谱响应。
实施例2
对一款待测光谱范围为400—1100nm的焦平面成像器件，进行绝对光谱响应测量，具体步骤如下：
根据如图2所示的相对光谱响应测量原理，焦平面成像器件及其后端驱动采集电路放置在光学暗室内，以卤钨灯与单色仪构成单色光源发出单色光，经光阑限制后形成单色光斑，照射到焦平面成像器件光敏面范围之内；
采用光阑限制光束，保证焦平面成像器件的感光区域完全覆盖光斑，通过光谱扫描测试，获得焦平面成像器件的相对光谱响应：按照光谱分辨率的要求，在待测的光谱范围400—1100nm内每间隔5nm取1个波长点，共141个波长点，标记为λ1—λ141，含参考探测器校准波长650nm。在待测光谱范围内的每个波长点，以单色光斑照射焦平面成像器件，通过后端驱动与信号采集电路采集焦平面成像器件的整幅输出图像序列；关闭光源，采集焦平面成像器件的暗场本底图像序列；通过整幅输出图像平均值扣除暗场本底平均值的方法获得不同波长下的信号输出序列，如图3所示，波长400nm的单色光斑照射下焦平面成像器件的整幅输出图像所有像元的灰度累加值为536.90，与暗场输出图像的灰度累加值3.65相减，获得扣除暗场本底后的信号输出533.25。根据焦平面成像器件的电荷电压转换增益、积分时间，计算出波长400nm时相对光谱响应Rr_λm为95.91，其他波长点的相对光谱响应见表3；
表3光谱范围400—1100nm内焦平面器件的相对光谱响应
选用Si光探测器作为参考探测器，将单色光源调节到参考探测器的校准波长，以校准单位采用的测量波长为准，以该波长下的单色光斑照射到参考探测器上，测试获得参考探测器的输出电流Iref；查询参考探测器校准报告中校准波长处的响应度Qλref，单位A/W；通过换算，计算出该波长下单色光斑的功率Lref＝0.14；根据Lref和焦平面成像器件校准波长处的相对光谱响应Rr_λref＝0.16，计算得出焦平面成像器件λref点的绝对光谱响应Rλref为1.11，然后以公式Rλm＝Rr_λm/Rr_λref×Rλref计算获得波长400nm时的绝对光谱响应Rλm为678.61，其他波长点的绝对光谱响应见表4；
表4光谱范围400—1100nm内焦平面器件的绝对光谱响应
即获得47波长点的绝对光谱响应。
实施例3
对一款待测光谱范围为500—900nm的焦平面成像器件，进行绝对光谱响应测量，具体步骤如下：
根据如图2所示的相对光谱响应测量原理，焦平面成像器件及其后端驱动采集电路放置在光学暗室内，以卤钨灯与单色仪构成单色光源发出单色光，经光阑限制后形成单色光斑，照射到焦平面成像器件光敏面范围之内；
采用光阑限制光束，保证焦平面成像器件的感光区域完全覆盖光斑，通过光谱扫描测试，获得焦平面成像器件的相对光谱响应：按照光谱分辨率的要求，在待测的光谱范围500—900nm内每间隔5nm取1个波长点，共41个波长点，标记为λ1—λ41，含参考探测器校准波长650nm。在待测光谱范围内的每个波长点，以单色光斑照射焦平面成像器件，通过后端驱动与信号采集电路采集焦平面成像器件的整幅输出图像序列；关闭光源，采集焦平面成像器件的暗场本底图像序列；通过整幅输出图像平均值扣除暗场本底平均值的方法获得不同波长下的信号输出序列，如图3所示，波长500nm的单色光斑照射下焦平面成像器件的整幅输出图像所有像元的灰度累加值为726.05，与暗场输出图像的灰度累加值10.30相减，获得扣除暗场本底后的信号输出715.75。根据焦平面成像器件的电荷电压转换增益、积分时间，计算出波长500nm时相对光谱响应Rr_λm为140.90，其他波长点的相对光谱响应见表5；
表5光谱范围500—900nm内焦平面器件的相对光谱响应
选用Si光探测器作为参考探测器，将单色光源调节到参考探测器的校准波长，以校准单位采用的测量波长为准，以该波长下的单色光斑照射到参考探测器上，测试获得参考探测器的输出电流Iref；查询参考探测器校准报告中校准波长处的响应度Qλref，单位A/W；通过换算，计算出该波长下单色光斑的功率Lref＝0.14；根据Lref和焦平面成像器件校准波长处的相对光谱响应Rr_λref＝0.16，计算得出焦平面成像器件λref点的绝对光谱响应Rλref为1.11，然后以公式Rλm＝Rr_λm/Rr_λref×Rλref计算获得波长500nm时的绝对光谱响应Rλm为996.93，其他波长点的绝对光谱响应见表6；
表6光谱范围500—900nm内焦平面器件的绝对光谱响应
即获得27波长点的绝对光谱响应。

Claims (3)

1.一种用于焦平面成像器件绝对光谱响应的通用快速测量方法，其特征在于按下列步骤进行：
a、采用光阑限制光束，保证焦平面成像器件的感光区域完全覆盖光斑，通过光谱扫描测试，获得焦平面成像器件的相对光谱响应：按照光谱分辨率的要求，在待测的光谱范围λmin—λmax内取n个波长点，标记为λ1—λn，含参考探测器校准波长λref，以单色光斑照射焦平面成像器件，测试获得每个波长点的相对光谱响应Rr_λ1至Rr_λn。；
b、以波长为λref的单色光照射参考探测器，测试获得参考探测器的输出电流Iref；
c、计算焦平面成像器件的绝对光谱响应：通过Iref和参考探测器在波长λref点的校准值Qλref，单位A/W，计算校准波长单色光斑的功率Lref，根据Lref和焦平面成像器件λref点的相对光谱响应Rr_λref，计算得出焦平面成像器件λref点的绝对光谱响应Rλref，然后以公式Rλm＝Rr_λm/Rr_λref×Rλref，其中m为1—n中的任意整数，计算获得其它波长点的绝对光谱响应。
2.根据权利要求1中所述的测试方法，其特征在于步骤a中采用n个波长点λ1—λn的单色光斑照射下，直接采集焦平面成像器件整幅输出图像，根据图像序列计算焦平面成像器件的相对光谱响应，波长λm单色光斑照射下焦平面成像器件的整幅输出图像所有像元的灰度累加值为Slight_λm，与暗场输出图像的灰度累加值Sdark_λm相减，获得扣除暗场本底后的信号输出Ssignal_λm，根据焦平面成像器件的转换增益、积分时间，计算出相对光谱响应Rr_λm。
3.根据权利要求2所述的通过整幅图像输出计算相对光谱响应的方法，其特征在于：获取灰度累加值Slight_λm和Sdark_λm时，均采用多幅图像取均值的方法，以减小测量误差以及时间、温度等因素导致的测量值起伏。
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