CN109286810A - 一种探测器填充因子的测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种探测器填充因子的测试装置及方法，积分球和黑体发出的能量透过安放在平行光管焦距处的小孔，进入平行光管和物镜，经过分色片后分别在可见和红外探测器上成像。分别沿探测器的水平和竖直方向，以特定步长移动转台，并记录每次移动时像元的灰度值；根据建立的探测器的响应模型和光斑在像面上的能量分布模型，使用网格搜索的方法使模拟灰度值和真实的灰度值的绝对值之差最小，同时求出探测器的填充因子和光斑能量分布的高斯函数的半高宽。具有成本低廉，易于实现等特点，可以应用在探测器成像质量的检测及点目标探测领域。

Description

一种探测器填充因子的测试装置及方法
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，可用于探测器成像质量的检测，估算点目标的真实能量。
背景技术
可见和红外成像技术得到了越来越广泛的应用，探测距离也随之增加，点目标成为探测研究领域的热点问题。探测器像元的感光区域的面积小于像元面积，通常把感光区域的面积与像元面积之比定义为填充因子。在对点目标进行探测时，收集到的点目标能量会随着点目标在像元上的位置而变化。填充因子越高，相同探测条件下，像元收集到的能量就越多。计算像元内的填充因子，有助于减少由于像元内响应不均匀带来的点目标能量的测量误差，此外，也可用来检测探测器的成像质量。
国外已有对探测器的子像元响应的测试，如结合点扫描和CSIG技术，使用反卷积的方法求出子像元的响应，以亚像元精度表征整个探测器(非专利文献1，2)；S.Mahato等人使用衍射限的光学系统结合点扫描方法，计算光斑为理想艾里斑情况下，使用最小二乘的方法计算探测器像元的子像元响应(非专利文献3，4)。
非专利文献1，2中的需要使用CSIG，装置结构和计算都比较复杂；非专利文献3，4中需要衍射限的光学系统，成本较高，仅对理想艾里斑适用。因此本发明提出一种使用非衍射限的光学系统，结合点扫描方法，同时计算出光斑能量分布的高斯函数半高宽和探测器的填充因子。
非专利文献1：N.Guérineau,S.Rommeluère,E.Di Mambro,I.Ribet andJ.Primot,“New techniques of characterisation”,C.R.Physique,vol.4,pp.1175-1185,2003.
非专利文献2：C.Ketchazo,T.Viale,O.Boulade,G.Druart,V.Moreau,L.Mugnier,et al.,“A new technique of characterization of the intrapixel response ofastronomical detectors”,Proc.Of SPIE,vol.9154,no.91541Y,2014.
非专利文献3：S.Mahato,J.D.Ridder,G.Meynants,G.Raskin,and H.VanWinckel,“A novel technique to characterize the spatial intra-pixelsensitivity variations in a CMOS image sensor,”in Proc.IEEE 15th Int.NewCircuits Syst.Conf.(NEWCAS),Strasbourg,France,Jun.2017,pp.361–364
非专利文献4：Mahato S B,Ridder J D,Meynants G,et al.Measuring Intra-pixel Sensitivity Variations of a CMOS Image Sensor[J].IEEE Sensors Journal,2018,PP(99):1-1.
发明内容
本发明解决的问题是：点目标在填充因子小于1的探测器上成像时，由于像元内响应不均匀，导致像元灰度值不能准确反映出真实点目标能量，因此提出一种点扫描结合网格搜索方法，同时计算探测器填充因子及光斑能量分布的高斯函数的半高宽点。
本发明的技术解决方案：
本发明实施例提供了一种探测器装置，包括：
黑体，积分球，平行光管，分色片，可见探测器，红外探测器，安放在平行光管焦平面上的三维转台以及半径小于75微米的小孔。
本发明实施例提供了一种探测器填充因子的测试方法，步骤如下：
步骤1、调整积分球的电流大小以及黑体的温度，使像面的灰度值处于合理的范围内。
步骤2、以1/n像元尺寸的步长，5<n<20，分别沿探测器水平和竖直方向移动转台，按照一定的运动轨迹，共移动n2次；使n2个光斑中心以1/n像元尺寸等间距的分布在探测器待测试像元上；光斑每次移动时，均采集多帧图像，使用多帧图像灰度值的平均值作为光斑在该位置的灰度值。
步骤3、建立探测器单个像元响应的模型，以像元中心为原点坐标，x,y分别是点在像面的横纵坐标。在单个像元中，感光区域对光的响应系数为1，其他区域响应系数为0。单个像元响应的公式如下，其中，a和b分别是感光区域的长和宽。
步骤4、使用高斯函数作为光斑在像面上的能量分布，结合步骤3中的像元响应公式得到光斑在探测器像元上的模拟灰度值，用model表示。其中，A是光斑中心处的强度，D为待探测的像元区域，δ为高斯函数中的标准差，x，y分别是探测器上某点的横纵坐标，x0，y0分别是光斑中心在探测器上的横纵坐标，r是像元上某点到光斑中心的距离。
步骤5、根据步骤2中的光斑移动轨迹，得到像元的模拟灰度值，使用网格搜索的方法使步骤2中记录的像元灰度值与模拟的灰度值之差的绝对值最小，并记录此时的参数组合。L为单个像元的尺寸，为探测器的填充因子，2.355δ为光斑能量分布的高斯函数的半高宽。
本发明对比已有技术具有以下优点：
1.本发明在衍射斑为非理想艾里斑的情况下，使用网格搜索的方法同时计算出光斑能量分布的高斯函数半高宽以及探测器的填充因子。
2.本发明具有方法简单，成本低，使用方便等特点，可提高点目标探测的精度。
附图说明
图1为探测器填充因子示意图；
图2为本发明方法中光斑在探测器上移动轨迹的示意图；
图3为本发明测试方法的示意图；
图4为根据本发明测试方法光斑移动时，单个像元的能量分布图。
具体实施方式
本发明的基本思想是在点源成像为非理想艾利斑的情况下，利用点扫描及网格搜索的方法实现高精度的填充因子及光斑尺寸的计算。下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
下面以某型号的可见探测器和某型号的红外探测器为例进行说明，探测器填充因子测试的装置，包括积分球和黑体，分色片，焦距为20米的平行光管，安放在平行光管焦平面上的小孔和六维转台，其中小孔半径为0.065mm，焦距为0.833m望远系统的物镜，像元规模为512×512的可见探测器，像元尺寸为25微米，各光学元件放置的位置如图1所示。
根据望远物镜的焦距，平行光管的焦距和像元尺寸，计算对应光斑在像元上移动2.5微米(1/10个像元尺寸)时对应的六维转台移动的距离：
其中，L为单个像元的尺寸，f物镜和f平行光管分别是物镜和平行光管的焦距，d是六维转台每次移动的距离，该装置中d应为0.06mm。六维转台移动的方向如图2所示。
基于上述装置，探测器填充因子的测试方法的具体步骤如下：
步骤1：打开积分球开关，调节电流至18A；打开黑体辐射源，调节温度至230℃，积分球发出的光线和黑体发出的能量透过安装在平行光管焦平面上的小孔，进入平行光管，经过分色片后，到达各自的探测器上。
步骤2：光斑成像在探测器上后，调节六维转台，选定无盲元的5*5的像元作为测试范围。
步骤3：六维转台移动的方向对应于探测器两条边的方向，以0.06mm的步长移动，直至出现四个像元的灰度值基本相等，该位置即为四个像元的连接处。选取四个像元中右下角的像元作为待测试像元，转台从该像元左上角位置开始移动。
步骤4：将光斑在探测器上向右移动10次后，向下移动一次，接着向左移动10次，向下移动一次，如此重复，直到向下移动10次时结束。每次移动时,均采集十帧图像，将十帧图像的平均值作为该次移动时探测器像面的灰度值并记录。
步骤5：根据填充因子的模型，以及光斑在像面上的扩展，以像元的中心作为原点，像元两个边的方向分别作为x和y轴，建立光斑到达探测器像面上的灰度值模型：其中，A是光斑中心的强度，x，y分别是探测器上某点的横纵坐标，x0，y0分别是光斑中心在探测器上的横纵坐标，a，b分别为像元上感光区域的长和宽。
步骤6、根据步骤5得到的灰度值模型，按照步骤4中所述的光斑移动轨迹，移动至右下角位置，得到一系列的含有未知数的model。
步骤7、将光斑在像元上移动时得到的灰度数据记为I，I和model都是一维数组，使用网格搜索的方法，使|I-model|的值最小，分别记录此时可见和红外探测器的A，δ，a,b的值；其中为探测器的填充因子，2.355δ为到达探测器上光斑的高斯函数的半高宽。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种探测器填充因子的测试装置，包括：黑体，积分球，平行光管，分色片，可见探测器，红外探测器，安放在平行光管焦平面上的三维转台以及半径小于75微米的小孔，其特征在于：
在所述的半径小于75微米的小孔小孔前放置分色片，使得该装置可同时测试可见和红外探测器的填充因子；探测器前面的光学系统为望远系统。
2.一种基于权利要求1所述的一种探测器填充因子的测试装置的探测器填充因子的测试方法，其特征在于以下步骤：
步骤1、调整积分球的电流大小以及黑体的温度，使得像面的灰度值处于合理的范围内；
步骤2、光斑成像在探测器上，移动六维转台的两个方向分别对应于探测器两条边的方向，直至出现四个像元的灰度值基本相等，此位置即为四个像元的连接处，取其中一个像元作为待测试的像元，以此位置作为移动的初始位置；
以1/n，5<n<20，像元尺寸的步长分别沿探测器水平和竖直方向移动转台，按照一定的运动轨迹，共移动n2次；使n2个光斑中心以1/n像元尺寸等间距的分布在探测器待测试像元上；光斑每次移动时，均采集多帧图像，使用多帧图像灰度值的平均值作为光斑在该位置的灰度值；
步骤3、建立探测器单个像元响应的模型，以像元中心为原点坐标，x,y分别是点成像在像面上的横纵坐标，在单个像元中，感光区域对光的响应系数为1，其他区域响应系数为0，单个像元响应的公式如下，其中，a和b分别是感光区域的长和宽；
步骤4、使用高斯函数作为光斑在像面上的能量分布，结合步骤3中的像元响应公式得到光斑在探测器像元上的模拟灰度值，其中，A是光斑中心处的强度，D为待探测的像元区域，δ为标准差，x，y分别是探测器上某点的横纵坐标，x0，y0分别是光斑中心在探测器上的横纵坐标，r是像元上的某点到光斑中心的距离；
步骤5、根据步骤2中的光斑移动轨迹，得到像元的模拟灰度值，使用网格搜索的方法使步骤2中记录的像元灰度值与模拟的灰度值之差的绝对值最小，并记录此时的参数组合，L为单个像元的尺寸，为探测器的填充因子，2.355δ为高斯函数的半高宽。
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