CN115734089A - 半导体光电传感器暗电流的校正方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种半导体光电传感器暗电流的校正方法和系统，是在现有的理论基础上，根据实验结果和理论推导提出的一种更加准确且适用于实际操作的暗电流校正方法。该方法主要包括：采集半导体光电传感器暗场响应数据；拟合半导体光电传感器的像元暗场响应与温度、曝光时间之间的映射关系；根据传感器温度与曝光时间计算当前像元暗场响应灰度值；当前像元实际光响应灰度值减去当前像元的暗场响应灰度值，得到的差为当前像元校正后的光响应灰度值。本发明不需要制冷技术支持，降低了相机的成本；相比于现有的校正方法极大地节省了计算量，减轻了硬件的计算负担，提高了效率，且校正效果较好。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电传感器的暗电流领域，特别涉及一种半导体光电传感器的暗电流校正方法。
背景技术
暗电流是指在没有光照射的情况下，半导体中受热激励产生的自由载流子在外加电压的驱动下，形成的较小电流。暗电流越小，探测器的性能越好。
在欧洲机器视觉协会制定的关于图像传感器和相机的一套性能表征标准：EMVA1288标准中，暗电流并不是一个固定值，由于暗信号的一部分源于热生电子的贡献，因此暗信号会随着曝光时间的增加而线性增长：
上式中
是在没有光照情况下生成的电子数，
是常数，
则被定义
为暗电流，
为曝光时间。进一步地，暗电流
又与温度具有以下关系：
上式中
为常数，该值指出了引起暗电流加倍的温度间隔，即暗电流加倍温差。
是参考温度，
是在参考温度下的暗电流大小。
根据上述的现有技术，已知暗信号随曝光时间线性变化，
在只考虑曝光时
间时为常数，但其与温度之间存在一定的变化关系，目前暂不清楚
与温度之间具体
关系。另外暗场响应存在随温度变化的非线性关系，不同温度下校正系数不一样。故现有技
术的做法是每个温度下单独存储校正系数，这样做虽然可以实现暗电流的校正，但会导致
存储量过大而降低校正的效率。
现有技术中，为了解决半导体光电传感器的暗电流校正问题，也会采用公式（1）对半导体光电传感器的暗场响应进行拟合，由于大部分的光电传感器采用公式（1）中简单的线性校正即可，故可以用拟合的方式将暗场响应与温度、曝光时间之间的映射关系储存起来，在进行暗电流校正时只需要读取这种映射关系即可进行校正。这种方法相较上述的每个温度下单独存储校正系数极大地节省了计算量，且速度更快，但其缺点是过分依赖于公式（1）中的映射关系，这种映射关系在传统的CCD传感器或者CMOS传感器中能够很好地应用，但对于短波红外半导体光电传感器则适用性较差。短波红外相机的性能高度依赖传感器，其中主流红外焦平面探测器是InGaAs传感器。其中阻碍InGaAs焦平面传感器广泛应用的一个重要因素就是传感器暗电流过大且不均匀性较强，以及暗电流随温度非线性变化，体现在图像上就是暗场环境下图像存在较强的条纹噪声（线阵相机）或颗粒噪声（面阵相机）。如果不对暗电流加以校正，会导致红外图像存在强条纹噪声或颗粒噪声，影响后续图像处理任务。为了保证短波红外相机成像质量，需要对红外相机暗场响应进行校正，消除暗场响应不均匀性。通过图像校正方法进行暗电流校正时，传统的CCD相机或者CMOS相机暗电流校正采用简单的线性校正即可，即公式（1）和公式（2）。InGaAs传感器暗电流和温度存在复杂非线性关系，则难以适用。
现有技术的另一种解决方式是采用制冷技术将传感器温度控制在低温范围，因为温度越低，传感器暗电流越小，且制冷技术可以将传感器温度波动控制在很窄的范围内，校正系数只用考虑某一确定温度范围即可，校正难度小，代价是制冷技术增加了相机功耗，相机整体体积增大且制造成本增加。
综上所述，现有技术的主要不足如下：
（1）若每个温度下单独存储校正系数，会导致存储量过大而降低校正的效率。
（2）对于特殊的半导体光电传感器如InGaAs传感器，现有的拟合方法暂未揭示半导体光电传感器的像元暗场响应随温度和曝光时间之间的映射关系。
（3）采用制冷技术将传感器温度控制在低温范围，制冷技术增加了相机功耗，相机整体体积增大且制造成本增加。
发明内容
本发明提出的一种半导体光电传感器暗电流的校正方法和系统，可至少解决上述技术问题之一。
为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：
一种半导体光电传感器暗电流的校正方法，包括：
半导体光电传感器工作时，记录传感器温度temp，曝光时间T以及当前像元的位置p，代入下列映射关系中：
其中
为位置为p的像元暗场响应灰度值，A、B、C、D、E为已
知的校正系数，计算后得到当前像元暗场响应灰度值；
当前像元的实际光响应灰度值减去当前像元的暗场响应灰度值，得到的差为当前像元校正后的光响应灰度值。
进一步地，所述映射关系由以下步骤得到：
半导体光电传感器在暗场中获取不同温度temp，不同曝光时间T的图像，得到图像上不同位置p的像元暗场响应灰度值；
使用公式（5）拟合每个位置上的像元暗场响应灰度值与温度、曝光时间之间的映射关系：
计算得到每个像元对应的校正系数A、B、C、D、E的值。
进一步地，所述方法还包括：
对获取到的图像上所有像元进行所述暗电流校正，得到暗电流校正后的图像；或对每一个获取到的像元进行实时暗电流校正，直接得到暗电流校正后的图像。
进一步地，在暗场中获取不同温度temp，不同曝光时间T的图像，得到图像上不同位置p的像元暗场响应灰度值，包括：
将相机放置于温度可调的温室箱内，使半导体光电传感器在不同温度temp的暗场下工作；
所述不同曝光时间T至少为2档不同的曝光时间。
进一步地，上述半导体光电传感器为InGaAs传感器。
另一方面，基于同样的发明构思，本发明还提出了一种半导体光电传感器暗电流校正系统，其特征在于，包括：
校正系数储存模块，用于储存上述的每个位置上的像元的暗场灰度响应值与温度、曝光时间之间的映射关系，包括每个像元对应的校正系数A、B、C、D、E的值；
工作参数获取模块，用于获取半导体光电传感器工作时的温度temp，曝光时间T以及当前像元的位置p；
图像暗场校正模块，具有实时校正和非实时校正两种模式，所述实时校正模式为：使用上述的校正方法，对每一个获取到的像元进行实时暗电流校正，得到暗电流校正后的图像；
所述非实时校正模式为：先获取到未校正的图像，然后使用上述的校正方法，对所述未校正的图像的所有像元进行暗电流校正，得到暗电流校正后的图像。
进一步地，还包括：
校正系数拟合模块，用于执行上述的映射关系获取步骤，得到每个像元对应的校正系数A、B、C、D、E的值。
进一步地，还包括：
校正判断模块，当所述图像暗场校正模块执行非实时校正模式时，用于判断获取的每一张图像是否需要进行暗电流校正，若需要则进行校正，若不需要则跳过
本发明的有益效果如下：
（1）本发明采用的暗场响应拟合方法比经典公式准确度更高，特别适用于InGaAs传感器的暗场响应拟合；
（2）不需要制冷技术支持，降低了相机的制造成本，减小了相机的体积；
（3）相比于现有的校正方法极大地节省了计算量，减轻了硬件的计算负担，提高了效率，且校正效果较好。
附图说明
图1是本发明一种半导体光电传感器暗电流校正方法流程图；
图2是本发明拟合
的值与温度之间关系的效果图；
图3是本发明采用公式（2）拟合暗电流与温度之间关系的效果图；
图4是本发明采用公式（4）拟合暗电流与温度之间关系的效果图；
图5是实验中未进行暗电流校正的灰度图像；
图6是实验中采用本发明的方法进行暗场校正后的灰度图像。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本实施例首先提供了一种半导体光电传感器暗电流的拟合方法。
根据公式（1）和公式（2）：
其中
是在没有光照情况下生成的电子数，即半导体光电传感器的像元暗场
响应；
是常数，
则被定义为暗电流，
为曝光时间，
为常数，该值指出
了引起暗电流加倍的温度间隔，即暗电流加倍温差；
是参考温度，
是在参考
温度下的暗电流大小。
已知暗信号随曝光时间线性变化，
在只考虑曝光时间时为常数，但其与温
度之间存在一定的变化关系，目前暂不清楚
与温度之间具体关系。
本实施例通过实际数据拟合发现，大部分情况下其与温度呈线性关系，如图2所
示，通过大量数据的拟合，上述
的值与温度之间呈线性变化关系。同时，如果采用阶
次更高的多项式进行拟合，则会带来计算量的增大，增加硬件的计算成本，且本实施例通过
实验发现二次多项式拟合与一次多项式拟合对比，最终得到的效果相差不大。故本实施例
用下式拟合
与温度之间的关系：
其中，D、E为待拟合的系数，temp为温度。
在EMVA1288标准中，暗电流与温度的关系采用公式（2）进行说明，这对大部分的
CCD或者CMOS半导体光电传感器来说是准确的，但应用到特殊的半导体光电传感器如
InGaAs半导体光电传感器时，则无法准确拟合，本实施例通过实验发现，如果采用公式（2）
直接去拟合InGaAs半导体光电传感器的暗电流与温度之间的关系，如图3所示，拟合效果较
差，在实际应用中难以符合要求。根据对实验数据的分析，本实施例提出以下公式用于拟合
暗电流
与温度之间的变化关系：
其中A、B、C为待拟合系数，temp为温度。利用公式（4）进行暗电流
与温度之间
的拟合，实验结果如图4所示，拟合效果较好。
为解决半导体光电传感器暗信号的拟合问题，本实施例在上述实验结果的基础上，根据公式（1）、（3）、（4），提出下式用于拟合半导体光电传感器的像元暗场响应与温度和曝光时间之间的映射关系：
中A、B、C、D、E为待拟合的系数，temp为半导体光电传感器的温度，T为曝光时间，p
为半导体光电传感器的像元位置，
为位置为p的像元在半导体光电
传感器的温度、曝光时间为固定值时候的暗场响应灰度值；其中每一个像元位置对应一组
待拟合系数。
在拟合过程中，像元位置p和像元的暗场响应灰度值可以通过半导体光电传感器获取的图像直接读取出来。所以自变量为半导体光电传感器温度temp和曝光时间T，因变量为位置p的像元的暗场响应灰度值。拟合成功后，得到位置p的像元的暗场响应灰度值随半导体光电传感器温度temp和曝光时间T的变化关系，这种关系采用公式（5）和拟合好的系数A、B、C、D、E表示，即完成了半导体光电传感器暗场响应的拟合。
上述拟合针对的是InGaAs半导体光电传感器，换成普通CCD或者CMOS半导体光电传感器时，经过实验，上述公式（5）也适用，在拟合过程中，系数A和E设为0后，则公式（5）塌缩为公式（1），即继续按照EMVA1288标准进行拟合。
本实施例随后提出一种半导体光电传感器暗电流的校正方法，具体步骤如下：
第一步，采集半导体光电传感器暗场响应数据，本实施例使用InGaAs半导体光电
传感器进行采样，也可换成其他任意类型半导体光电传感器。用温室箱模拟相机在暗场中
的工作环境，所述温室箱可以根据需要设定任意温度值，用以调整半导体传感器的温度，曝
光时间则可以自主设定与调节，然后采集在不同温度temp、不同曝光时间T下，半导体光电
传感器获取的图像中不同位置p的像元的暗场响应灰度值。即得到的每一张暗场图像具有
温度temp和曝光时间T两个属性，每张图像包括不同位置p的像元，每张图像中位置为p的像
元的暗场响应灰度值为
。
第二步，拟合半导体光电传感器的像元暗场响应与温度和曝光时间之间的映射关系。根据公式（5），结合第一步得到的数据进行拟合。得到位置p的像元的暗场响应灰度值随半导体传感器温度temp和曝光时间T的变化关系，即每一张具有温度temp和曝光时间T两个属性的暗场图像上的每一个位置p的像元都具有一组A、B、C、D、E系数。
第三步，半导体光电传感器在设定的曝光时间T和实际温度temp下拍摄图像，读取传感器温度temp与设定的曝光时间T，根据图像中像元位置p得到对应的A、B、C、D、E系数，上述所有数据代入到公式（5）中，计算当前像元所在位置p处的暗场响应灰度值。将半导体光电传感器实际响应灰度值DN减去相应的暗场响应灰度值DN_dark即得到暗电流校正之后的光响应灰度值DN_light，即DN_light = DN - DN_dark。
第四步，图像的校正，分为实时校正和非实时校正两种。实时校正为：使用上述的暗电流校正方法，对每一个获取到的像元进行实时暗电流校正，得到暗电流校正后的图像；这种方法能够在半导体光电传感器工作的时候对每一个像元进行实时校正，直接获取校正后的照片，校正速度快，能够第一时间得到校正后的图像，适应于需要半导体光电传感器实时反馈的应用场景。非实时校正为：先获取到未校正的图像，然后使用上述的暗电流校正方法，对该未校正的图像的所有像元进行暗电流校正，得到暗电流校正后的图像；这种方法不需要实时进行图像校正，可以先将半导体光电传感器获取到的图像储存起来，再进行校正，该方法在生成图像的时候速度更快，在后续进行校正时也可以选择性地校正，即对需要校正的图像进行校正，对不需要校正的图像则不再进行校正操作，如有些图像在不进行暗电流校正时就能获取到需要的信息，或者某一时刻在某一位置获取的图像为不需要的图像时，则不进行校正操作。该方法成像速度快，对硬件的实时占用率较低，可以防止因硬件的出错而导致无法及时获取图像甚至成像失败的情况发生，适用于传感器工作强度高，硬件的计算能力一般的应用场景。
最后，本实施例提出了一种半导体光电传感器暗电流校正系统，包括校正系数储存模块，工作参数获取模块，图像暗场校正模块，校正系数拟合模块，校正判断模块。
其中，校正系数储存模块，用于储存获取到的校正系数A、B、C、D、E的值。工作参数获取模块，用于获取半导体光电传感器工作时的温度temp，曝光时间T以及当前像元的位置p的信息。图像暗场校正模块，用于执行上述第四步的操作，分为实时校正和非实时校正两种模式。校正系数拟合模块，用于执行上述第一步和第二步的操作，得到校正系数A、B、C、D、E的值。校正判断模块，当所述图像暗场校正模块为非实时校正模式时，用于判断获取的每一张图像是否需要进行暗电流校正，若需要则进行校正，若不需要则跳过。
本实施例在实际应用中的校正效果较好，图5为未进行暗电流校正的图像，图6为采用本实施例方法进行暗场校正后的图像，其中半导体光电传感器为InGaAs半导体光电传感器，采用线扫描方式进行成像，可以看到图5中大部分的条纹噪声得到了校正。
对上述的校正效果进行量化说明，定义一幅红外线扫描图像g的列均值向量为row，校正前其极差Range（row）=max(row) - min(row)，校正后的列均值向量极差记为Range(row_corrected)，定义列均值极差下降百分比deltaR = [Range(row)- Range(row_corrected) ]/Range(row)，其中deltaR越大则代表校正效果越好。采用本实施例的暗电流校正方法对上述红外线扫图像g进行校正，计算得到校正后deltaR最小值为94%，平均值为97%，说明本实施例对图像中的暗电流具有较好的校正效果。
同时，采用上述的deltaR为指标，实验验证上述的公式（3）采用二次多项式拟合与一次多项式拟合最终得到的拟合结果差异不超过0.5%，故本实施例提出的拟合公式（5），既能满足拟合要求，同时也节省了计算量，在实际操作中对硬件占用率较低。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种半导体光电传感器暗电流的校正方法，其特征在于，包括：
半导体光电传感器工作时，记录传感器温度temp，曝光时间T以及当前像元的位置p，代入下列映射关系中：
其中
为位置为p的像元暗场响应灰度值，A、B、C、D、E为已知的
校正系数，计算后得到当前像元暗场响应灰度值；
当前像元的实际光响应灰度值减去当前像元的暗场响应灰度值，得到的差为当前像元校正后的光响应灰度值。
2.根据权利要求1所述的半导体光电传感器暗电流的校正方法，其特征在于，所述映射关系由以下步骤得到：
半导体光电传感器在暗场中获取不同温度temp，不同曝光时间T的图像，得到图像上不同位置p的像元暗场响应灰度值；
使用公式（5）拟合每个位置上的像元暗场响应灰度值与温度、曝光时间之间的映射关系；
计算得到每个像元对应的校正系数A、B、C、D、E的值。
3.根据权利要求2所述的半导体光电传感器暗电流的校正方法，其特征在于，所述方法还包括：
对获取到的图像上所有像元进行所述暗电流校正，得到暗电流校正后的图像；或对每一个获取到的像元进行实时暗电流校正，直接得到暗电流校正后的图像。
4.根据权利要求2所述的半导体光电传感器暗电流的校正方法，其特征在于，在暗场中获取不同温度temp，不同曝光时间T的图像，得到图像上不同位置p的像元暗场响应灰度值，包括：
将相机放置于温度可调的温室箱内，使半导体光电传感器在不同温度temp的暗场下工作；
所述不同曝光时间T至少为2档不同的曝光时间。
5.根据权利要求1至4任一所述的半导体光电传感器暗电流的校正方法，其特征在于，所述半导体光电传感器为InGaAs传感器。
6.一种半导体光电传感器暗电流校正系统，其特征在于，包括：
校正系数储存模块，用于储存如权利要求2所述的每个位置上的像元的暗场灰度响应值与温度、曝光时间之间的映射关系，包括每个像元对应的校正系数A、B、C、D、E的值；
工作参数获取模块，用于获取半导体光电传感器工作时的温度temp，曝光时间T以及当前像元的位置p；
图像暗场校正模块，具有实时校正和非实时校正两种模式，所述实时校正模式为：使用如权利要求1所述的校正方法，对每一个获取到的像元进行实时暗电流校正，得到暗电流校正后的图像；
所述非实时校正模式为：先获取到未校正的图像，然后使用如权利要求1所述的校正方法，对所述未校正的图像的所有像元进行暗电流校正，得到暗电流校正后的图像。
7.根据权利要求6所述的半导体光电传感器暗电流校正系统，其特征在于，还包括：
校正系数拟合模块，用于执行如权利要求2中所述的映射关系获取步骤，得到每个像元对应的校正系数A、B、C、D、E的值。
8.根据权利要求6所述的半导体光电传感器暗电流校正系统，其特征在于，还包括：
校正判断模块，当所述图像暗场校正模块执行非实时校正模式时，用于判断获取的每一张图像是否需要进行暗电流校正，若需要则进行校正，若不需要则跳过。
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