CN115031934B - 一种图像传感器光谱响应度的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像传感器光谱响应度的测量装置和方法，该装置包括：光源，所述光源用于提供原始光线；典型物体，所述典型物体用于反射所述原始光线，形成反射光线；光谱仪，所述光谱仪设置在所述典型物体的上方，用于接收所述反射光线，并生成光谱特征样本；计算机，所述计算机分别连接于待测图像传感器和所述光谱仪，用于收集所述待测图像传感器采集的响应强度信息和所述光谱特征样本，并基于所述响应强度信息和所述光谱特征样本确定所述待测图像传感器的光谱响应度，本发明简化了图像传感器的光谱响应度的检测流程和操作难度。

Description

一种图像传感器光谱响应度的测量装置和方法

技术领域

本申请涉及图像传感器测量技术领域，更具体地，涉及一种图像传感器光谱响应度的测量装置和方法。

背景技术

图像传感器是将光电传感器（如CCD、CMOS）按阵列排列后组成的光电元器件，可以将成像系统入射的光信号经光电转换、模数转换后按比例输出为图像矩阵信号，被广泛应用于图像采集领域，如摄像头、照相机等。图像传感器对不同波长入射辐射的响应被称为图像传感器的光谱响应度，也被称为光谱响应曲线。

光谱响应度一般通过测量实验获得。目前主要采用的方法是利用单色仪逐个波长输出单色光，利用图像传感器依次记录并分析，从而获得图像传感器的光谱响应度。然而，这种方式要求使用者具备单色仪等设备，实验系统复杂、价格高昂、对实验人员的操作精度要求高，因此具有较高的实验门槛。目前，随着彩色图像传感器（如RGB三原色图像传感器）被广泛应用，准确掌握图像传感器的光谱响应度有利于还原被拍摄场景的真实色彩信息，具有重要意义。而光谱响应度测量难的问题已经显著地阻碍了光谱信息研究与应用的发展。为了满足基础研究和工程应用对图像传感器光谱响应度的测量需求，亟需设计并研制一种设备简单、操作直观的光谱响应度测量装置及方法。

发明内容

本发明提供一种图像传感器光谱响应度的测量装置，用以解决现有技术中图像传感器的光谱响应度测量成本高，复杂度高的技术问题。

该装置包括：

光源，所述光源用于提供原始光线；

典型物体，所述典型物体用于反射所述原始光线，形成反射光线；

光谱仪，所述光谱仪设置在所述典型物体的上方，用于接收所述反射光线，并生成光谱特征样本；

计算机，所述计算机分别连接于待测图像传感器和所述光谱仪，用于收集所述待测图像传感器采集的响应强度信息和所述光谱特征样本，并基于所述响应强度信息和所述光谱特征样本确定所述待测图像传感器的光谱响应度。

在本申请的一些实施例中，还包括：

成像装置，所述成像装置设置于所述典型物体的上方，用于拍摄所述典型物体并形成图像；所述成像装置与所述待测图像传感器连接，将所述图像投射到所述待测图像传感器上。

在本申请的一些实施例中，所述光谱仪包括：

探头，所述探头设置在所述典型物体的上方，用于获取所述反射光线；

分析设备，所述分析设备与所述探头连接，用于将所述反射光线按波长分解为光谱线，并生成所述光谱特征样本。

在本申请的一些实施例中，所述成像装置包括具有对称光学结构的光学镜头。

在本申请的一些实施例中，所述光源为非相干光源；所述典型物体具有反射光谱特征或投射光谱特征。

相应的，本发明还提供了一种图像传感器光谱响应度的测量方法，应用于包括有光源，典型物体，光谱仪和计算机的测量装置中，所述方法包括：

获取特征样本，并根据所述特征样本生成所述光谱特征样本，所述特征样本为所述光源照射所述典型物体后产生的反射光线，所述光谱特征样本为所述反射光线中各个波长光线的光谱响应强度的集合，其中，所述光谱特征样本中包括有多个光谱通道；

获取所述光谱特征样本的数量和每个所述光谱特征样本中的所述光谱通道的数量，并判断所述光谱特征样本的数量是否大于所述光谱通道的数量；如是，则根据响应强度信息和所述光谱特征样本，生成待测图像传感器的光谱响应度；

其中，所述响应强度信息为所述待测图像传感器获取所述特征样本后生成的响应强度信息。

在本申请的一些实施例中，获取所述光谱特征样本的数量，具体为：

选取光源；

选取典型物体；

获取所述光谱特征样本的数量；

判断是否已遍历所有所述典型物体；

如否，则重新选取所述典型物体，所述光谱特征样本的数量增加一个；

判断是否已遍历所有所述光源；

如否，则重新选取所述光源，所述光谱特征样本的数量增加一个。

在本申请的一些实施例中，获取每个所述光谱特征样本中的所述光谱通道的数量，具体为：

获取所述光谱仪的光谱分辨率和光谱工作范围，基于公式A计算得到每个所述光谱特征样本中的所述光谱通道的数量；

公式A为：

；

其中，SETP为所述光谱仪的光谱分辨率，

为所述光谱仪的工作范围，n为所述光谱通道的数量。

在本申请的一些实施例中，根据响应强度信息和所述光谱特征样本，生成待测图像传感器的光谱响应度，具体为：

根据公式B计算生成所述待测图像传感器的光谱响应度；

公式B为：

；

其中E为所述光谱特征样本，c为所述响应强度信息，x为待测图像传感器的光谱响应度；其中E为矩阵，c和x为向量。

在本申请的一些实施例中，获取典型物体之后，还包括：

调整所述光源的角度，获取所述典型物体的图像，检查所述图像是否有炫光；

如有，则重新调整所述的光源的角度。

通过应用以上技术方案，在上述光谱响应度的测量装置中，待测图像传感器获取特征样本，并根据所述特征样本生成所述特征样本的响应强度信息，所述特征样本为所述光源照射所述典型物体后产生的反射光线；所述光谱仪获取所述特征样本，并根据所述特征样本生成所述光谱特征样本，所述光谱特征样本为所述反射光线中各个波长光线的光谱响应强度的集合；其中，所述光谱特征样本中包括有多个光谱通道；所述计算机获取所述光谱特征样本的数量和每个所述光谱特征样本中的所述光谱通道的数量，并判断所述光谱特征样本的数量是否大于所述光谱通道的数量；如是，则所述计算机根据所述响应强度信息和所述光谱特征样本，生成待测图像传感器的光谱响应度；利用光谱仪的光谱特征样本和待测图像传感器的响应强度信息，根据数学方法建立并求解线性方程组后即可获得待测图像传感器的光谱响应度，减小了检测成本，简化了检测的流程和操作难度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例提出的一种图像传感器光谱响应度的测量装置结构示意图之一；

图2示出了本发明实施例提出的一种图像传感器光谱响应度的测量装置的结构示意图之二；

图3示出了本发明实施例提出的一种图像传感器光谱响应度的测量方法的流程图；

图4示出了本发明另一种实施例中提出的一种图像传感器光谱响应度的测量方法的流程图。

图1和图2中，1、光源；2、典型物体；3、成像装置；4、待测图像传感器；5、计算机；6、光谱仪。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供一种图像传感器光谱响应度的测量装置，如图1所示，装置包括：光源1，典型物体2，光谱仪6和计算机5。

典型物体2放置在平台上，光源1设置在典型物体2的周围，光源1提供了原始光线，原始光线照射在典型物体2上，典型物体2反射原始光线，形成反射光线，而光谱仪6设置在典型物体2的上方，用于接收反射光线，并生成光谱辐射信息。

如图2所示，当检测待测图像传感器4时，待测图像传感器4也设置在典型物体2的上方，该典型物体2在原始光线的照射下的图像投影到待测图像传感器4中。

需要说明的是，在本申请的描述中，光谱仪6设置在典型物体2的上方和待测图像传感器4设置在典型物体2的上方，具体解释为：由于典型物体2放置在平台上，光谱仪6和待测图像传感器4的底面高于平台即为典型物体2的上方，在本申请的一些实施例中，光谱仪6和待测图像传感器4在本申请所解释的上方中的任何位置都属于本申请的保护范围。

在本申请的一些实施例中，计算机5上设置有多个数据接口，光源1，光谱仪6和待测图像传感器4分别通过数据线与计算机5上的数据接口连接，与计算机5进行数据交换，光谱仪6将生成的光谱特征样本传输到计算机5中，待测图像传感器4的响应强度信息传输到计算机5中，计算机5基于响应强度信息和光谱特征样本确定待测图像传感器4的光谱响应度。

在本申请的一些实施例中，光源1需要选用非相干光源。

具体解释为，非相干光源的同一原子发光具有瞬时性、偶然性和随机性，而不同原子发光具有独立性；而相干光源为各发光原子的动作、步调是有秩序、有规则、彼此协调的。同一原子先后发射的各波列之间，以及空间上不同原子的发射的各波列之间都具有确定的相位关系。

具体举例为，白炽灯、石英卤钨灯、氙灯、汞氙灯、宽波段发光二极管（LED，白光或冷白光）等都属于非相干光源，属于本申请的光源选择的保护范围。而单色LED，超辐射发光二极管（SLD），激光灯属于相干光源。

需要说明的是，光谱仪6可以对各种波长的光线同时进行分解，并生成各种波长的光线的光谱响应强度的集合，而在日常生活中，大多数情况下，获取并使用非相干光源的复杂度和成本都低于相干光源，在本申请装置中直接选用非相干光源简化了测试难度，减小了测试成本。

在本申请的一些实施例中，为了保证反射光线的稳定性，典型物体2选用具有反射光谱特征或投射光谱特征的物体。

具体可以选用色彩均匀的平面状固体（如纸张、布、彩色玻璃等）、平铺的粉末样品（如化学药品、化妆品、粘土以及颜料等）。

在本申请的一些实施例中，光谱仪6包括有探头和分析设备。

其中探头用于获取反射光线，因此设置在典型物体2的上方；分析设备和探头通过数据接口连接，分析设备接收探头获取的反射光线，并将反射光线按波长分解为光谱线，进而生成光谱特征样本。

在本实施例中，为了提高测量装置在多场景下的适用灵活性，因此不限定光源1和典型物体2的具体种类，或为了获取更多的光谱特征样本，需要在检测过程中，更换光源1或典型物体2，因此将光谱仪6的探头和分析设备分别设置，灵活的改变的探头的位置，适用各种使用场景。

在本申请的一些实施例中，为了获取典型物体2的图像，测量装置还包括有成像装置3。

待测图像传感器4通过成像装置3的成像影射功能获取图像，成像装置3设置在典型物体2的上方，用于拍摄典型物体2并形成图像，成像装置3与待测图像传感器4连接，将待测图像传感器4安装在成像装置3成像的相对面，将成像装置3拍摄的图像直接投射到待测图像传感器4上。

在一些具体实施例中，为了使待测图像传感器4准确的获取特征样本，将成像装置3设置为具有对称光学结构的光学镜头。

完全对称的光学结构可以消除光学镜头中，中继镜带来的色差等成像问题、提高光谱信息采集的准确性，提高成像的图像质量，避免图像采集对待测图像传感器4检测产生的误差影响，提高测量的准确性。

需要说明的是，待测图像传感器4的光谱响应度是待测图像传感器4的自身特性，待测图像传感器4是被测量的装置，因此待测图像传感器4不属于本申请中测量装置的保护范围，测量任何型号的待测图像传感器4或待测图像传感器4以任何方式获取图像都属于本申请的保护范围。

通过应用以上的技术方案，应用于图像传感器上的光谱响应度的测量装置包括：光源，所述光源用于提供原始光线；典型物体，所述典型物体用于反射所述原始光线，形成反射光线；光谱仪，所述光谱仪设置在所述典型物体的上方，用于接收所述反射光线，并生成光谱特征样本。计算机，所述计算机分别连接于待测图像传感器和所述光谱仪，用于收集所述待测图像传感器采集的响应强度信息和所述光谱特征样本，并基于所述图像信号和所述光谱特征样本确定所述待测图像传感器的光谱响应度，降低了检测难度和检测成本，提高了检测的准确度。

本申请中还提出了一种图像传感器光谱响应度的测量方法，应用于如上所述的测量装置中，如图3所示，所述方法包括：

步骤S101，获取特征样本，并根据所述特征样本生成所述光谱特征样本，所述特征样本为所述光源照射所述典型物体后产生的反射光线，所述光谱特征样本为所述反射光线中各个波长光线的光谱响应强度的集合，其中，所述光谱特征样本中包括有多个光谱通道。

本实施例中，特征样本为光源照射典型物体后产生的反射光线，各种波长范围的光线在光谱仪的分析下，会生成每个波长范围光线对应的光谱相应强度，该光谱响应强度是由光线本身的特性决定的，光谱仪获取到该光源照射典型物体后，生成既定的反射光线，经过光谱仪的分析得到该特定的反射光线中各个范围波长的光线的光谱响应强度的集合，即光谱特征样本。

每个波长范围为一个波长通道，即对应了一个光谱通道，由于特征样本中带有多个波长范围的光线，因此具有同样数量的光谱的通道。

步骤S102，获取所述光谱特征样本的数量和每个所述光谱特征样本中的所述光谱通道的数量，并判断所述光谱特征样本的数量是否大于所述光谱通道的数量；如是，则根据响应强度信息和所述光谱特征样本，生成待测图像传感器的光谱响应度；其中，所述响应强度信息为所述待测图像传感器获取所述特征样本后生成的响应强度信息。

待测图像传感器的光谱响应度由计算公式B求得，具体的计算公式B为：

；

其中E为所述光谱特征样本，c为所述响应强度信息，x为待测图像传感器的光谱响应度;其中E为矩阵，c和x为向量。

具体的推算过程为：假设待测图像传感器在各通道的光谱响应度为x ₁ ，x ₂ ，.....x _n ，那么响应强度信息c可以表示为：

其中e ₁ ，e ₂ ，.....e _n ，是对应波长通道下特征样本的光谱辐射出射信息，即一组光谱特征样本。

针对组特征样本进行光谱特征样本采集并利用图像传感器拍摄记录响应强度后，可以获得如下方程组：

其中，e _m,n 是第m组光谱特征样本中第n个通道对应波长下的光谱辐射出射信息，是拍摄第m组特征样本时图像传感器响应强度。上式可整理为矩阵形式，并表示为：

若假设：

那么，上式可简写为：

可看出上式为线性方程组，该式中E和c是已知量，未知量有解的条件为增广矩阵的秩等于系数矩阵的秩，即：

因此，为保证方程组有解，在实践时需保证m＞n，即采集的光谱特征样本数量大于每个光谱特征样本包含的光谱通道数量。

因此在计算之前，需要对比光谱特征样本和每个光谱特征样本中光谱通道的数量。

为了获取每个光谱特征样本中光谱通道的数量，先获取本装置中选用的光谱仪的光谱分辨率和光谱工作范围，光谱分辨率和光谱工作范围为光谱仪的自身特性，为已知数值，并基于公式A计算得到光谱特征样本中光谱通道上的数量，公式A为:

；

其中，SETP为所述光谱仪的光谱分辨率，

为所述光谱仪的工作范围，n为所述光谱通道的数量。

为了使光谱特征样本的数量大于每个光谱特征样本中的光谱通道中的数量，获取光谱特征样本的数量的方法具体为：

选取光源；

选取典型物体；

获取所述光谱特征样本的数量；

判断是否已遍历所有所述典型物体；

如否，则重新选取所述典型物体，所述光谱特征样本的数量增加一个；

判断是否已遍历所有所述光源；

如否，则重新选取所述光源，所述光谱特征样本的数量增加一个。

本实施例中，通过改变光源和改变典型物体实现增加光谱特征样本的数量，在一种光源和一种典型物体下，获取一个光谱特征样本，并判断是否已遍历所有典型物体或光源，如否，则重新选取光源或典型物体，每次重新选取光源或典型物体，光谱特征样本的数量都会增加一个，直至已遍历所有光源和所述典型物体，再对比光谱特征样本的数量是否大于每个光谱特征样本的光谱通道的数量，如否，则继续重新选取光源，以增加一个光谱特征样本的数量，不断的重复此过程，直至光谱特征样本的数量大于每个光谱特征样本的光谱通道的数量，使两者的数量关系满足计算公式的要求。

为了保证获取有效的特征样本，再获取典型物体之后还包括：

调整所述光源的角度，获取所述典型物体的图像，检查所述图像是否有炫光；如有，则重新调整所述的光源的角度。

在本实施例中，如检查有炫光，则调整光源的角度，如确定无炫光发生，再进行下一步骤，保证所获取的反射光线是有效的，可以作为原始数据进入到下一步骤中，避免检测误差，提高效率。

通过应用以上技术方案，在上述光谱响应度的测量装置中，待测图像传感器获取特征样本，并根据所述特征样本生成所述特征样本的响应强度信息，所述特征样本为所述光源照射所述典型物体后产生的反射光线；所述光谱仪获取所述特征样本，并根据所述特征样本生成所述光谱特征样本，所述光谱特征样本为所述反射光线中各个波长光线的光谱响应强度的集合；其中，所述光谱特征样本中包括有多个光谱通道；所述计算机获取所述光谱特征样本的数量和每个所述光谱特征样本中的所述光谱通道的数量，并判断所述光谱特征样本的数量是否大于所述光谱通道的数量；如是，则所述计算机根据所述响应强度信息和所述光谱特征样本，生成待测图像传感器的光谱响应度；利用光谱仪的光谱特征样本和图像传感器响应强度信息，根据数学方法建立并求解线性方程组后即可获得待测图像传感器的光谱响应度，减小了检测成本，简化了检测的流程和操作难度。

为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明。

本申请实施例提供一种图像传感器光谱响应度的测量方法，应用于如上所述的图像传感器光谱响应度的测量装置中，如图4所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S201，开始。

步骤S202，选取光源。

步骤S203，选取典型物体。

步骤S204，系统装配，调整光源和典型物体的位置。

步骤S205，判断图像是否存在炫光，若是执行步骤S204，否则执行步骤S206。

步骤S206，利用相机拍摄采样。

在本步骤中，相机为成像装置，相机的成像投影在待测图像传感器上。

步骤S207，利用光谱仪采集光谱特征样本。

在本步骤中，光谱仪提供光谱分辨率和光谱工作范围，计算机依次求得光谱仪的光谱通道的数量n。

步骤S208，计数器m=m+1。

具体的，m为光谱特征样本的数量。

步骤S209，判断是否已遍历所有典型物体，如是执行步骤S210，否则执行步骤S203。

步骤S210，判断是否已遍历所有光源，如是执行步骤S211，否则执行步骤S202。

步骤S211，判断是否具备条件m＞n，如是执行步骤S212，否则执行步骤S202。

具体的，判断光谱特征样本的数量是否大于每个光谱特征样本中光谱通道的数量，若否，则需要提供更多光谱特征样本，执行步骤S202。

步骤S212，建立方程组，求解光谱响应度。

具体的方程组为：

；其中E为所述光谱特征样本，c为所述响应强度信息，x为待测图像传感器的光谱响应度;其中E为矩阵，c和x为向量。

步骤S213，结束。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种图像传感器光谱响应度的测量装置，其特征在于，包括有：

光源，所述光源用于提供原始光线；

典型物体，所述典型物体用于反射所述原始光线，形成反射光线；

光谱仪，所述光谱仪设置在所述典型物体的上方，用于接收所述反射光线，并生成光谱特征样本；

计算机，所述计算机分别连接于待测图像传感器和所述光谱仪，用于收集所述待测图像传感器采集的响应强度信息和所述光谱特征样本，并基于所述响应强度信息和所述光谱特征样本确定所述待测图像传感器的光谱响应度；

其中，所述测量装置测量图像传感器光谱响应度的过程包括：

获取特征样本，并根据所述特征样本生成所述光谱特征样本，所述特征样本为所述光源照射所述典型物体后产生的反射光线，所述光谱特征样本为所述反射光线中各个波长光线的光谱响应强度的集合，其中，所述光谱特征样本中包括有多个光谱通道；

获取所述光谱特征样本的数量和每个所述光谱特征样本中的所述光谱通道的数量，并判断所述光谱特征样本的数量是否大于所述光谱通道的数量；如是，则根据响应强度信息和所述光谱特征样本，生成待测图像传感器的光谱响应度；

其中，所述响应强度信息为所述待测图像传感器获取所述特征样本后生成的响应强度信息。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

成像装置，所述成像装置设置于所述典型物体的上方，用于拍摄所述典型物体并形成图像；所述成像装置与所述待测图像传感器连接，将所述图像投射到所述待测图像传感器上。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光谱仪包括：

探头，所述探头设置在所述典型物体的上方，用于获取所述反射光线；

分析设备，所述分析设备与所述探头连接，用于将所述反射光线按波长分解为光谱线，并生成所述光谱特征样本。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述成像装置包括具有对称光学结构的光学镜头。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源为非相干光源；所述典型物体具有反射光谱特征或投射光谱特征。

6.一种图像传感器光谱响应度的测量方法，其特征在于，应用于包括有光源，典型物体，光谱仪和计算机的测量装置中，所述方法包括：

获取特征样本，并根据所述特征样本生成光谱特征样本，所述特征样本为所述光源照射所述典型物体后产生的反射光线，所述光谱特征样本为所述反射光线中各个波长光线的光谱响应强度的集合，其中，所述光谱特征样本中包括有多个光谱通道；

获取所述光谱特征样本的数量和每个所述光谱特征样本中的所述光谱通道的数量，并判断所述光谱特征样本的数量是否大于所述光谱通道的数量；如是，则根据响应强度信息和所述光谱特征样本，生成待测图像传感器的光谱响应度；

其中，所述响应强度信息为所述待测图像传感器获取所述特征样本后生成的响应强度信息，所述光源用于提供原始光线。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，获取所述光谱特征样本的数量，具体为：

选取光源；

选取典型物体；

获取所述光谱特征样本的数量；

判断是否已遍历所有所述典型物体；

如否，则重新选取所述典型物体，所述光谱特征样本的数量增加一个；

判断是否已遍历所有所述光源；

如否，则重新选取所述光源，所述光谱特征样本的数量增加一个。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，获取每个所述光谱特征样本中的所述光谱通道的数量，具体为：

获取所述光谱仪的光谱分辨率和光谱工作范围，基于公式A计算得到每个所述光谱特征样本中的所述光谱通道的数量；

公式A为：

；

其中，SETP为所述光谱仪的光谱分辨率，

为所述光谱仪的工作范围，n为所述光谱通道的数量。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据响应强度信息和所述光谱特征样本，生成待测图像传感器的光谱响应度，具体为：

根据公式B计算生成所述待测图像传感器的光谱响应度；

公式B为：

；

其中E为所述光谱特征样本，c为所述响应强度信息，x为待测图像传感器的光谱响应度；其中E为矩阵，c和x为向量。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，获取典型物体之后，还包括：

调整所述光源的角度，获取所述典型物体的图像，检查所述图像是否有炫光；

如有，则重新调整所述光源的角度。

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