DE102005047595A1 - Method for determining the sensitivity characteristic of a linear array of optoelectronic sensor elements involves repeatedly exposing the array with a light field, moving the array between two exposures and further processing - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der Empfindlichkeitscharakteristik eines linearen, in einer Richtung X ausgedehnten, oder eines flächigen, eine Ebene X, Y aufspannenden Arrays aus optoelektronischen Sensorelementen.The The invention relates to a method for determining the sensitivity characteristic a linear, in a direction X extended, or a flat, a plane X, Y spanning arrays of optoelectronic sensor elements.
Bei der optoelektronischen Bilderfassung kommen häufig CCD- oder CMOS-Kameras zum Einsatz, die mit Arrays aus Sensorelementen, meist als Pixel bezeichnet, ausgestattet sind. Diese Sensorarrays besitzen aufgrund von Ungenauigkeiten, die ihre Ursachen im Herstellungsprozeß haben, nicht immer eine exakte Uniformität, d.h. jedes Sensorelement weist ein eigenes Hintergrundrauschen auf und hat eine bestimmte Empfindlichkeitskurve.at The optoelectronic image capture often CCD or CMOS cameras are used, the equipped with arrays of sensor elements, usually referred to as pixels are. Due to inaccuracies, these sensor arrays which have their causes in the manufacturing process, do not always have an exact uniformity, i. each sensor element has its own background noise and has a specific sensitivity curve.
Bei Beleuchtung insbesondere mit UV-Strahlung ergeben sich aufgrund dieser Abweichungen von Sensorelement zu Sensorelement innerhalb eines mit einem derartigen Array aufgenommen Bildes in unerwünschter Weise hellere oder dunklere Lichtpunkte, sogenannte „hot spots", die das Bild verfälschen.at Lighting, in particular with UV radiation, results due to these deviations from sensor element to sensor element within an image taken with such an array in unwanted Way brighter or darker points of light, so-called "hot spots", which distort the image.
Nachteilig wirkt sich die Verfälschung vor allem hinsichtlich der Weiterverarbeitung der mit dem Array gewonnenen Bildinformationen aus, und zwar insbesondere dann, wenn die Intensität jedes einzelnen Sensorelementes in die Berechnung von Meßwerten eingehen.adversely affects the adulteration especially with regard to the further processing of the array obtained with the array Image information, especially if the intensity of each individual sensor element in the calculation of measured values received.
Um dem abzuhelfen ist es bekannt, ein sogenanntes „clear"-Bild vom Meßbild abzuziehen bzw. das Meßbild durch das „clear"-Bild zu dividieren. Um ein solches „clear"-Bild zu gewinnen, wird das betreffende Array mit einem Lichtfeld beleuchtet, das eine über seine Fläche hinweg homogene Verteilung der Strahlungsintensität aufweist.Around To remedy this it is known, a so-called "clear" picture from the measurement image subtract or the measurement image to divide by the "clear" image. To get such a "clear" picture, the respective array is illuminated with a light field, one over its area has homogeneous distribution of the radiation intensity.
Jedoch ist auch diese Verfahrensweise mit Mängeln behaftet, da eine Beeinflussung durch die Beleuchtungshelligkeit erfolgt. Mit anderen Worten: „hot spots" werden nicht korrekt zurückgerechnet, wenn bei einem Meßvorgang die Belichtung an der Stelle dieser „hot spots" von der Belichtung bei der Aufnahme des „clear"-Bildes an derselben Stelle abweicht.however This method is also flawed, as an influence done by the illumination brightness. In other words, "hot spots" will not be correct recalculated, if during a measuring process the exposure at the location of these "hot spots" from exposure during shooting the "clear" picture on the same Body deviates.
Außerdem ist es technisch schwierig, ein Lichtfeld mit homogener Intensitätsverteilung zu erzeugen. Noch vorhandene Inhomogenitäten verfälschen das „clear"-Bild, so daß dieses Korrekturverfahren die Gefahr von Ungenauigkeiten nur ungenügend beseitigen kann.Besides that is technically difficult, a light field with a homogeneous intensity distribution to create. Any existing inhomogeneities falsify the "clear" image, so that this correction method the danger of inaccuracies can only be remedied insufficiently.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Empfindlichkeitscharakteristiken für Arrays der eingangs genannten Art zu ermitteln, die als Grundlage für eine bessere Kompensation der Uniformitäts-Abweichungen dienen und damit exaktere Meßergebnisse ermöglichen.From Based on this prior art, the invention has the object underlying, sensitivity characteristics for arrays of the aforementioned Identify type as the basis for better compensation Uniformity deviations serve and thus more accurate measurement results enable.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst mit einem Verfahren zur Ermittlung der Empfindlichkeitscharakteristik für lineare, in eine Richtung X ausgedehnte, oder für flächige, eine Ebene X, Y aufspannende Arrays aus optoelektronischen Sensorelementen Pi,j, bei dem
- – die Sensorelemente Pi,j des Arrays wiederholt mit einem Lichtfeld belichtet werden, das eine inhomogene Vertei lung der Strahlungsintensität über seine Fläche aufweist,
- – die Verteilung der Strahlungsintensität von Belichtung zu Belichtung konstant ist,
- – das Array zwischen zwei Belichtungen in Richtung X oder Y verschoben so wird, so daß jedes Sensorelement Pi,j von Belichtung zu Belichtung unterschiedlichen Strahlungsintensitäten ausgesetzt ist,
- – bei jeder Belichtung die Meßwerte der einzelnen Sensorelemente Pi,j erfaßt werden, und
- – aus den Meßergebnissen eine auf das gesamte Array bezogene Empfindlichkeitscharakteristik bestimmt wird.
- The sensor elements P i, j of the array are repeatedly exposed to a light field having an inhomogeneous distribution of the radiation intensity over its surface,
- The radiation intensity distribution is constant from exposure to exposure,
- The array is shifted between two exposures in the direction X or Y so that each sensor element P i, j is exposed from exposure to exposure to different radiation intensities,
- - With each exposure, the measured values of the individual sensor elements P i, j are detected, and
- - From the measurement results a relative to the entire array sensitivity characteristic is determined.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung kann die Empfindlichkeitscharakteristik als Relativwert der Empfindlichkeit der Sensorelemente Pi,j zueinander bestimmt werden.In a first embodiment of the invention, the sensitivity characteristic can be determined as a relative value of the sensitivity of the sensor elements P i, j to each other.
Dazu umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren folgende Verfahrensschritte:
- a) Belichten des Arrays während einer Zeitspanne Δt mit einer inhomogen über das Array verteilten Strahlungsintensität I(x,y) aus einer im wesentlichen senkrecht auf das Array treffenden Beleuchtungsrichtung,
- b) Erfassen und Speichern von Meßwerten mi,j in Zuordnung zu jedem einzelnen Sensorelement Pi,j als Äquivalent für die Anzahl Photonen, die während der Zeitspanne Δt von dem jeweiligen Sensorelement Pi,j registriert werden,
- c) Lageveränderung des Arrays durch Verschieben senkrecht zur Beleuchtungsrichtung um einen Betrag, der dem ein- oder mehrfachen des Abstandes zweier benachbarter Sensorelemente Pi,j entspricht,
- d) erneutes Belichten des Arrays während derselben Zeitspanne Δt mit derselben inhomogen über das Array verteilten Strahlungsintensität I(x,y), wobei nun jedes Sensorelement Pi,j einer Strahlungsintensität Ii,j ausgesetzt ist, die von der im Verfahrensschritt a) auftreffenden Strahlungsintensität I(x,y) verschieden ist,
- e) Erfassen und Speichern von weiteren Meßwerten mi,j analog zu Verfahrensschritt b),
- f) n-faches Wiederholen der Verfahrensschritte a) bis e), dabei jeweiliges Erfassen und Speichern der Meßwerte mi,j analog zu Verfahrensschritt b) zusätzlich zu den bereits in Zuordnung zu den Sensorelementen Pi,j gespeicherten Meßwerten mi,j,
- g) Ermitteln der über das Array verteilten Strahlungsintensität I(x,y) beginnend bei (0,0) ins Positive unter der Annahme einer auf das gesamte Array bezogenen mittleren Empfindlichkeit von E = 1 nach der Funktion – I(x,y) der Intensitätsverteilung in der von dem Array aufgespannten Ebene x,y, wobei der Ursprung (0,0) in einer der äußersten erfaßten Ecken des Arrays liegt, – der mit 1 beginnenden laufenden Nummer k der insgesamt n vorgenommenen Belichtungen, – mk der Matrix von Meßwerten mk i,j = mk(i,j), welche während der k-ten Belichtung erfaßt und gespeichert wurden, wobei mk alle Meßwerte der Sensorelemente Pi,j von der k. Belichtung enthält, – pk und qk den Differenzen an Sensorelementabständen, um die das Array bei der k-ten Belichtung relativ zur ersten Belichtung in x- oder y-Richtung verschoben wird, – Δx und Δy den Abständen der regelmäßig im Array angeordneten Sensorelemente in x- und y-Richtung, und
- h) Ermitteln der Empfindlichkeitscharakteristik des Arrays in Form von Parameter a1...an einer Kurve m über I durch Regression eines zugrunde gelegten Modells mit n Parametern für die Abhängigkeit m(I) an die Meßwerte jedes Sensorelementes Pi,j, wobei m der zu erwartende Meßwert bei einer Beleuchtung des betreffenden Sensorelements Pi,j mit der lokalen Intensität I ist.
- a) exposing the array during a period of time Δt with a radiation intensity I (x, y) distributed in an inhomogeneous manner over the array from a direction of illumination which strikes the array substantially perpendicularly,
- b) acquiring and storing measured values m i, j in association with each individual sensor element P i, j as the equivalent of the number of photons registered by the respective sensor element P i, j during the period Δt,
- c) change in position of the array by shifting perpendicular to the illumination direction by an amount which corresponds to one or more times the distance between two adjacent sensor elements P i, j ,
- d) re-exposing the array during the same period of time Δt with the same inhomogeneously distributed radiation intensity I (x, y) across the array, each sensor element P i, j now being exposed to a radiation intensity I i, j which is incident from the one impinging in method step a) Radiation intensity I (x, y) is different,
- e) acquiring and storing further measured values m i, j in analogy to method step b),
- f) n-times repetition of the method steps a) to e), thereby respective detecting and storing of the measured values m i, j analogous to process step b) in addition to those already in association with the sensor elements P i, j stored measured values m i, j,
- g) determining the radiation intensity I (x, y) distributed over the array starting at (0,0) positive assuming an array-wide mean sensitivity of E = 1 after function - I (x, y) of the intensity distribution in the plane x, y spanned by the array, the origin (0,0) lying in one of the outermost detected corners of the array, - the starting number k of the total n starting with 1 Exposures, - m k of the matrix of measured values m k i, j = m k (i, j), which were acquired and stored during the k th exposure, where m k is all measured values of the sensor elements P i, j from the k. Exposure contains - p k and q k the differences in sensor element distances by which the array is shifted in the x-direction or y-direction relative to the first exposure at the k-th exposure, Δx and Δy the distances of the sensor elements arranged regularly in the array in the x and y directions, and
- h) Determining the sensitivity characteristic of the array in the form of parameters a 1 ... a n of a curve m over I by regression of an underlying model with n parameters for the dependence m (I) on the measured values of each sensor element P i, j m is the expected measured value at a lighting of the relevant sensor element P i, j with the local intensity I.
Im
einfachsten Fall, in dem m(I) als eine Lineare m = E·I + m0 mit einem der Empfindlichkeit E entsprechenden
Anstieg angenommen wird, wird eine Matrix aus Empfindlichkeiten
Ei,j für
jedes Sensorelement Pi,j ermittelt nach
der Funktion
Bevorzugt sollte das Array zwischen zwei oder auch mehreren aufeinander folgenden Belichtungen jeweils in X- oder Y-Richtung verschoben werden. Dabei kann die Verschiebung abwechselnd in X- und Y-Richtung vorgenommen werden. Die Beträge, um welche die Verschiebung jeweils erfolgt, können konstant sein.Prefers The array should be between two or more consecutive Exposures are shifted in each case in the X or Y direction. It can the shift can be made alternately in the X and Y directions. The amounts, by which the shift takes place in each case can be constant.
Alternativ zu der ersten Ausgestaltung kann in einer zweiten Variante die Empfindlichkeitscharakteristik als Abso lutwert bestimmt werden, indem zunächst für die Empfindlichkeit eines der Sensorelemente Pi,j ein Absolutwert gemessen und dann die Empfindlichkeit der übrigen Sensorelemente Pi,j hierauf bezogen wird.As an alternative to the first embodiment, in a second variant, the sensitivity characteristic can be determined as an absolute value by first measuring an absolute value for the sensitivity of one of the sensor elements P i, j and then relating the sensitivity of the remaining sensor elements P i, j thereto.
Ebenso ist es möglich, die Empfindlichkeit mit einer gleichmäßigen Beleuchtung integral über das Array zu bestimmen und somit den Wert der Bemittelten Empfindlichkeit E durch das gemessene Mittel zu ersetzen.As well Is it possible, the sensitivity with a uniform lighting integral over the Array to determine and thus the value of the averaged sensitivity E replaced by the measured mean.
Mittels der so gewonnenen Empfindlichkeitscharakteristiken, die jedem Array zugeordnet sind, lassen sich Uniformitäts-Abweichungen kompensieren, was insbesondere bei der optoelektronischen Bilderfassung mittels CCD- oder CMOS-Kameras von Bedeutung ist, beispielsweise in Bildmeßeinrichtungen mit hoher Auflösung für den UV-Bereich.By means of the thus obtained sensitivity characteristics associated with each array compensate for uniformity deviations, which is particularly important in the optoelectronic image acquisition by means of CCD or CMOS cameras, for example, in image measuring devices with high resolution for the UV range.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand eines linearen, in einer Richtung X ausgedehnten Arrays aus optoelektronischen Sensorelementen Pi,j erläutert werden, das der Einfachheit halber aus nur fünf Sensorelementen Pi(i = 1...5) besteht. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The inventive method will be explained below with reference to a linear, in one direction X extended array of optoelectronic sensor elements P i, j , which consists for the sake of simplicity of only five sensor elements P i (i = 1 ... 5). In the accompanying drawings show:
Es
sei angenommen, daß zur
Belichtung des Arrays ein Lichtfeld zur Verfügung steht, das eine wie in
Weiterhin
sei für
die Sensorelemente Pi(i = 1...5) eine relative
Empfindlichkeit angenommen wie in
Bei
einer ersten Belichtung während
einer Zeitspanne Δt
mit dem Lichtfeld, das die in
Haben die Sensorelemente Pi(i = 1...5) Abstände von jeweils Δx = 0.3 zueinander, so wird das Array vor einer zweiten Belichtung beispielsweise um den Betrag Δx = 0.3 verschoben, so daß bei der zweiten Belichtung jedes der Sensorelemente Pi(i = 1...5) einer Strahlungsintensität ausgesetzt ist, die von der bei der ersten Belichtung auftreffenden Strahlungsintensität verschieden ist.If the sensor elements P i (i = 1... 5) have spacings of respectively .DELTA.x = 0.3 relative to one another, the array is shifted, for example, by the amount .DELTA.x = 0.3 before a second exposure, so that during the second exposure each of the sensor elements P i (i = 1 ... 5) is exposed to a radiation intensity that is different from the radiation intensity incident on the first exposure.
Auf
diese Weise erhält
man mit einer zweiten, dritten und vierten Belichtung, wobei die
Belichtungen jeweils während
derselben Zeitspanne Δt
und jeweils nach Verschiebung des Arrays um den Betrag Δx = 0.3 vorgenommen
wird, in Meßreihen
m1 bis m4 die in
In
Den Belichtungen und den Positionen sind in den Bildern a), b), c) und d) jeweils die Meßergebnisse zugeordnet.The Exposures and the positions are shown in the pictures a), b), c) and d) each associated with the measurement results.
Bei der konkreten, praktischen Verfahrensanwendung werden zwecks Auswertung sinngemäß die in Bildern dargestellten Meßergebnisse so übereinander gelegt, daß physikalisch gleiche Orte in den Arrays übereinander liegen. Die Größe der Verschiebung kann physikalisch durch Messungen der Verschiebung des Sensors bei der Meßwertaufnahme oder durch Korrelationsalgorithmen aus den Meßwerten ermittelt werden, wenn die Sensorelementschwankungen nicht zu groß sind.In the case of concrete, practical method application, the measurement results shown in pictures are superimposed on one another for the purpose of evaluation, so that physically identical locations in the arrays lie one above the other. The magnitude of the displacement can be determined physically by measurements of the displacement of the Sensors are detected in the measured value recording or by correlation algorithms from the measured values, if the sensor element fluctuations are not too large.
Die Meßwerte, die am gleichen Ort liegen, werden gemittelt. Dieser Mittelwert entspricht der mittleren Intensität des Lichtfeldes an dieser Stelle, multipliziert mit dem mittleren Empfindlichkeitsfaktor E. Man erhält daraus eine Intensitätsverteilung, welche der wahren Intensität sehr nahe kommt.The measured values, who are in the same place are averaged. This mean corresponds to the mean intensity of the light field at this Digit multiplied by the mean sensitivity factor E. You get from it an intensity distribution, which of true intensity comes very close.
Dies
ist für
die vorbeschriebenen Meßreihen
m1 bis m4 beispielhaft
in
Jedem Sensorelement Pi bei linearen oder Pi,j bei flächigen Arrays kann aus den einzelnen Meßwerten der Bilder mk ein Count-Wert und dem dazugehörenden Wert aus der in einem vorhergehenden Schritt ermittelten Intensitätsverteilung zugeordnet werden. Diese Zuordnung ergibt für jedes Sensorelement eine Reihe von Paaren von Count-Intensitätswerten.For each sensor element P i in linear arrays or P i, j in flat arrays, a count value and the associated value from the intensity distribution determined in a preceding step can be assigned from the individual measured values of the images m k . This assignment gives a series of pairs of count intensity values for each sensor element.
Diese Wertepaare werden durch eine angepaßte Funktion beschrieben. Im einfachsten Fall reicht eine lineare Funktion mit 2 Parametern. Für kompliziertes Sensorverhalten sind ebenso Nichtlinearitäten oder Sättigungen zu berücksichtigen. Das Gesamtergebnis sind Parameter-Vektoren oder -Matrizen mit der Größe des Arrays.These Value pairs are described by a custom function. in the The simplest case is a linear function with 2 parameters. For complicated Sensor behavior is also to be considered nonlinearities or saturations. The overall result is parameter vectors or matrices with the Size of the array.
In der Anwendung werden diese Parameter-Matrizen verwendet, um die Meßwerte entsprechend dem angesetzten Modell zu korrigieren. Im einfachen Fall des linearen Ansatzes besteht die Korrektur aus der Subtraktion des Nullwertes und Division des Messwertes durch den Wert der Sensorempfindlich keit. D.h. es ist nur eine Subtraktion und eine Division pro Sensorelement erforderlich.In In the application these parameter matrices are used to calculate the readings correct according to the attached model. Im simple In the case of the linear approach, the correction consists of the subtraction of the zero value and division of the measured value by the value of the sensor sensitivity. That it is only one subtraction and one division per sensor element required.
So
erhält
man eine in
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