唐延甫，李俊霖，楊永強，李忠明，韓 冰

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

1 引 言

近年來，圖像傳感器相關技術發(fā)展迅速，并廣泛應用于軍事、工業(yè)監(jiān)控、工業(yè)測量和醫(yī)學診斷等領域。但由于制造商的技術基礎和設備穩(wěn)定性存在差異，圖像傳感器性能參差不齊，所以篩選出性能出色的器件尤為重要［1］。圖像傳感器的性能指標主要是量子效率［2-4］、非均勻性［5］和信噪比［6］等光電參數(shù)。其中，量子效率作為圖像傳感器的重要參數(shù)，是傳感器性能評價的基本測試項目［7］。目前，量子效率的高效率、高精度測試是該領域發(fā)展的重點。

歐洲機器視覺協(xié)會（European Machine Vision Association，EMVA）于2016 年發(fā)布了EMVA1288 R3.1 標準［8］，該標準給出了包含量子效率在內的圖像傳感器光電參數(shù)的定義及其測試原理、條件和方法等，為圖像傳感器的性能評價提供了依據(jù)。近年來，對圖像傳感器量子效率的測試大多數(shù)是基于單色儀和積分球進行的。通過在單色儀出口處設置光纖耦合裝置和準直鏡，將單色光束均勻照射至器件靶面，可對工業(yè)級面陣CCD 的量子效率進行測試［9］。使用氙燈照射單色儀分離出單色光，光纖將單色光耦合至積分球后，均勻照射至EMCCD 探測器靶面，可對其量子效率進行測試［10］。搭建高紫外探測器輻射定標系統(tǒng)，將光學系統(tǒng)與單色儀集成作為一個成像系統(tǒng)，將單色光聚焦成像至紫外探測器靶面，可對探測器的量子效率進行測試［11］，該方法也可對微通道板（Micro Channel Plane，MCP）在近紫外波段（200～380 nm）的量子效率［12］進行測試。將可見光源更換為黑體輻射源，搭配光譜測試儀和標準探測器可完成對紅外探測器量子效率的測試［13］。

綜上可知，目前研究多針對面陣圖像傳感器的量子效率［14-17］，且日趨成熟，而線陣相機量子效率的測試研究卻較少。線陣相機具有分辨率高、幀幅數(shù)高和價格低廉等優(yōu)點，具有極大的發(fā)展前景［18-20］，因此其量子效率測試的需求也極大。本文通過改進以單色儀和標準探測器為核心的系統(tǒng)，搭建了一套適用于線陣相機的量子效率測試系統(tǒng)。該量子效率測試方案具有方法簡單、效率高、精度高等優(yōu)點，可對大多數(shù)線陣相機的量子效率進行高精度測試。

2 工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

聚焦掃描線陣相機量子效率測試系統(tǒng)主要由照明光源、單色儀、掃描機構、聚焦光學系統(tǒng)、標準探測器、電控單元和暗箱組成，如圖1 所示。其中，照明光源由配備準直系統(tǒng)的75 W 氙燈組成，該光源輸出穩(wěn)定，效率高，光譜范圍寬，常被用作光電測試照明光源；單色儀用于產(chǎn)生單色光，通過精密控制光柵色散單元及出光狹縫，可使輸出單色光準確度達±0.2 nm，分辨率達0.1 nm；掃描機構主要用于被測線陣相機的掃描成像，線陣相機和標準探測器之間的切換以及相機安裝時的位置調整。掃描方向速度要求較高，故該方向安裝高精度光柵尺，定位精度可達1 μm；聚焦光學系統(tǒng)用于將單色光準直和聚焦，為避免相機對燈絲成像及單色光斑質量差，還引入光束勻化器和可調光闌；標準探測器作為測量入射光的標準器件，選用Newport 公司的紫外硅探測器，并經(jīng)過出廠標定和中國計量科學研究院校準；被測線陣相機被安裝在掃描機構安裝架上，像元線列與水平安裝面垂直，且正對測試系統(tǒng)；電控單元用于圖像采集和處理，同時也控制照明光源、單色儀和掃描機構等單元；（h）暗箱用于提供無雜光的測試環(huán)境。箱體內部測試區(qū)和設備區(qū)單獨設計，且均做了隔光處理，經(jīng)測試，暗箱關閉時測試區(qū)照度可低至10-4lx 量級，滿足測試要求。

圖1 聚焦掃描線陣相機量子效率測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of quantum efficiency test system based on focusing scanning for linear array camera

2.2 工作原理

量子效率表征在規(guī)定波長光照下，入射光子在器件像元中產(chǎn)生并被收集的電荷數(shù)與入射光子數(shù)的比值，用于評估被測器件不同波長條件下光子轉換為電荷的能力。理論計算公式如下：

其中：η(λ)為波長λ處器件的量子效率；μe為被轉換的電荷數(shù)；μp為入射到像元的光子數(shù)；μy為光照時器件有效像元的灰度值；μy·dark為無光照時器件有效像元的灰度值；K為器件轉換增益；h為普朗克常數(shù)，為6.626 1×10-34J·s；c為光在真空中的傳播速度，為3×108m s；λ為入射光波長；As為像元面積；E為器件光敏面的光功率密度；texp為器件的曝光時間。

對于轉換電子數(shù)，可通過光斑圖像灰度值與相機轉換增益計算得到?，F(xiàn)需重點分析入射光子數(shù)的測量方法。入射至線陣相機靶面有效像元上的光子數(shù)μp可由公式（2）計算：

其中：Ps為入射至有效像元的光子數(shù)；Ae為相機靶面上的光斑面積；E為入射光至相機光敏面的光功率密度；teit為線陣相機的等效曝光時間。

然后分析線陣相機的等效曝光時間。由于線陣相機在成像時處于掃描運動狀態(tài)，故相機的曝光時間為像元對目標的實際感光時間，即目標在像元區(qū)域的“駐留”時間，如圖2 所示。

圖2 線陣相機掃描成像等效曝光時間原理Fig.2 Schematic of equivalent exposure time for linear array camera scanning imaging

由圖2 可知，像元對面元目標ds的曝光時間為該面元目標在像元中存在的時間，即掃描方向像元尺寸與掃描速度之比，并非相機設定的曝光時間，即有：

其中：teit為線陣相機等效曝光時間；b為線陣相機的像元尺寸；v為掃描機構的運動速度。

結合式（2）和式（3）可推導出投射至相機靶面的入射光子數(shù)：

其中：P為入射光子數(shù)；S為投射至相機靶面上目標的面積。

最后，由回歸量子效率計算公式（1）可計算波長λ處線陣相機的量子效率。

3 測量結果及分析

3.1 暗場圖像采集

關閉光源和暗箱，啟動線陣相機并成像，設定線陣相機參數(shù)，采集暗場圖像，并計算μy·dark，暗場圖像如圖3（a）所示。

圖3 聚焦掃描法測量子效率光斑圖像Fig.3 Light spot images in quantum efficiency testing based on focusing and scanning

3.2 轉換增益測量

轉換增益用于表征器件輸出碼值與對應存儲在像元勢阱內的電荷數(shù)之比。本文通過改變均勻面光源輻射能密度進行測試，與傳統(tǒng)方法基本一致，不做重點介紹。

3.3 量子效率測量

設置相機連續(xù)曝光成像，控制掃描單元運動，采集單色光斑圖像（圖3（b）～3（e））計算圖像有效像元的總灰度值，切換至標準探測器測量對應的入射光能量，計算波長λ處的量子效率。

上述掃描測試需要考慮掃描單元的運動速度要求。理想情況下，相機應在一個曝光周期內對整個光斑目標掃描成像，即圖像中僅一列像元有光斑圖像，掃描單元的最小速度為：

其中：vmin為掃描單元的最小速度；D為投射至相機靶面的光斑寬度，D=0.7 mm；Tmax為相機的最大曝光時間，Tmax=3.3 ms。由此計算得到vmin=0.212 m s。然而，步進電機驅動的掃描單元難以達到該速度，因此需要進行“降速掃描”實驗。實驗發(fā)現(xiàn)：當曝光時間相同，掃描速度不同時，圖像總灰度值基本相同，故掃描單元“降速掃描”對測量轉換電荷數(shù)基本無影響，低速掃描測試具有可行性。

通過上述方法對各波長的線陣相機量子效率進行測量，并繪制量子效率曲線，如圖4 所示（彩圖見期刊電子版）。對比產(chǎn)品手冊中量子效率曲線（藍色曲線）發(fā)現(xiàn)，兩曲線整體趨勢一致，但個別波長（如505，575 nm 等）的結果差別略大，多次測量后差異依然存在，更換標準探測器后，差異位置發(fā)生變化。通過分析標準探測器校正方法，初步認為該現(xiàn)象是由標準探測器出廠校正區(qū)間選擇以及校正點間擬合誤差等造成的。除上述明顯差異外，各波長處量子效率的測量結果與手冊數(shù)據(jù)的最大偏差約為2%。經(jīng)分析，不同波長單色光經(jīng)單色儀出射后方向會有差別，聚焦至相機靶面的角度和光斑投影面積不同，導致圖像灰度值總和也不相同；另外，掃描時各列像元感光時間不同造成的圖像灰度分布梯度、標準探測器的校正精度、被測相機像元響應非均勻性等，均會導致測量結果偏差。

圖4 量子效率測量曲線Fig.4 Measured curves of quantum efficiency

為驗證測量結果的穩(wěn)定性，對該線陣相機進行聚焦掃描重復測量實驗，測量結果的重復性誤差均小于2%。經(jīng)分析，該重復性誤差偏大的主要原因是掃描機構速度不穩(wěn)定和光斑目標形狀導致的圖像灰度分布梯度過大。通過優(yōu)化實驗條件，可以減小速度穩(wěn)定性的影響和改善圖像灰度分布梯度過大的情形。除此之外，還優(yōu)化了對焦算法，提高成像光斑邊緣的判別精度，減少能量分散導致的灰度計算偏差。采取以上措施后，再次進行重復測量實驗，重復測量誤差可達1.1%，滿足要求。

為驗證該方案量子效率測量結果的準確性，使用轉鏡法對該相機進行量子效率測量，并繪制量子效率曲線（圖4 中綠色曲線）。轉鏡法使用高速旋轉鏡作為動態(tài)掃描元件，單色LED 照射平行光管作為光源。該方法光斑均勻，圖像灰度分布梯度小，常用于測量圖像傳感器的動態(tài)參數(shù)，如動態(tài)MTF、量子效率等。將測量結果與聚焦掃描法和手冊數(shù)據(jù)對比，3 條曲線的整體趨勢基本一致，但轉鏡法的測量結果偏差略大，這是因為單色LED 波長偏差、光譜分布、輸出穩(wěn)定性、轉鏡旋轉時反射率變化以及轉速穩(wěn)定性等均會造成測量結果的偏差。

4 不確定度分析

測量不確定度可反映測試水平，體現(xiàn)測試方法和過程的可信度。本文對整個量子效率測量過程進行了不確定度分析，根據(jù)不確定度來源及評定方式是否為統(tǒng)計分析方法，不確定度共分為A 類和B 類。

4.1 A 類不確定度

（1）暗箱閉合時雜散光引入的測量誤差。被測相機或標準探測器在測試中接收的光照度約在10 lx 以上量級，遠大于暗箱雜散光照度，故可認為基本無影響；

（2）輸出單色光功率不穩(wěn)定性引入的誤差。本方案中被測相機和標準探測器的測試時間和切換時間間隔小，且光源自帶穩(wěn)壓設計，整個過程光源輸出功率的變化極小，故可忽略不計；

（3）單色儀輸出波長不確定度。由于單色儀輸出單色光存在一定譜寬和中心波長偏離，量子效率測量結果實際為帶寬內所有單色光的總和。本方案中單色儀輸出的單色光譜寬為0.3 nm，波長準確度為±0.2 nm。假設單色光的光譜呈高斯型分布，其高斯分布期望和標準差分別為中心波長和譜寬，故可通過中心波長能量占比計算波長誤差，計算結果約為0.77%；中心波長偏差會造成實際量子效率測量結果并非設定波長的結果，將中心波長偏離帶入量子效率即可計算偏差，計算結果約為0.2%；故合成之后，輸出波長引入的不確定度約為0.8%；

（4）線陣相機曝光時間不準確引入的誤差。曝光時間可通過示波器對線陣相機曝光信號（即晶振周期的測量，結合量子效率的計算公式，引入誤差約為0.01%；

（5）數(shù)據(jù)處理引入的誤差。該誤差主要是指光斑圖像灰度輸出準確性、操作軟件圖像閾值、數(shù)據(jù)公式修約和讀數(shù)等引入的誤差。光斑圖像灰度輸出通過對比相同照度目標灰度輸出結果，軟件圖像閾值設置后通過采集和扣除背景圖像的方式將背景去除，其影響也主要表現(xiàn)在讀取灰度值上，實驗發(fā)現(xiàn)輸出灰度值的差別不大于2，影響基本可忽略；數(shù)據(jù)公式修約和讀數(shù)中，對公式進行賦值運算，根據(jù)修約規(guī)則和讀數(shù)位數(shù)等評估其影響，可引入誤差約為1%。

綜上，計算A 類標準不確定度分量uA≈1.3%。

4.2 B 類不確定度

（1）標準探測器測量不確定度。標準探測器經(jīng)中國計量科學研究院計量，其不確定度為2%；

（2）掃描速度不穩(wěn)定性引入的誤差。掃描機構速度不穩(wěn)定時，等效曝光時間不同。通過查閱掃描單元的速度穩(wěn)定性，最終得到引入量子效率的測量誤差約為0.2%。

（3）被測相機響應非均勻性引入的誤差。線陣相機的所有像元響應并非均相同。通過查看被測線陣相機產(chǎn)品手冊數(shù)據(jù)以及非均勻性指標驗證，該誤差引入的不確定度約為1%；

綜上，計算B 類標準不確定度分量uB≈2.2%。

分析考察不確定度uA和uB可知，兩者相互獨立，互不相關。因此，合成標準不確定度uC為：

5 結 論

針對線陣相機量子效率測量需求，本文采用聚焦掃描法對DALSA 公司的LINEA 系列高速線陣CMOS 相機的量子效率進行了測量，繪制了量子效率曲線，并與出廠數(shù)據(jù)和轉鏡法測得的量子效率對比，測量結果的總體趨勢基本吻合。最后對測量結果的不確定度進行分析，得到測量不確定度約為2.6%。該方法可準確測量多款相機的量子效率，測量過程簡單、光源要求低、裝調難度小，為線陣相機的性能評估提供了有效手段，適用于線陣相機或其他類型相機的光電參數(shù)測試。