天文CMOS相機(jī)測試平臺及控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)*

羅志遠(yuǎn)，許 駿，劉黎明，張 濤

(1. 中國科學(xué)院云南天文臺，云南 昆明 650011；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

撫仙湖觀測站的新真空太陽望遠(yuǎn)鏡(New Vacuum Solar Telescope, NVST)是目前國內(nèi)最大的太陽望遠(yuǎn)鏡，也是目前世界上最大的真空太陽望遠(yuǎn)鏡，主要對太陽光球和色球進(jìn)行高空間分辨率的成像觀測和高光譜分辨率的光譜觀測[1]。光電探測器是望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測時不可或缺的終端，CMOS圖像傳感器作為光電探測器的一種，隨著超大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，其性能不斷提升。因CMOS相機(jī)具有動態(tài)范圍大、讀出速度快、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)[2]，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)藥、天文觀測等諸多領(lǐng)域。

在天文觀測領(lǐng)域，尤其是二維太陽成像探測領(lǐng)域，CMOS相機(jī)被廣泛使用，近兩年撫仙湖觀測站新真空太陽望遠(yuǎn)鏡的成像終端也在使用CMOS相機(jī)。一方面，在采購CMOS相機(jī)時，首先需要了解它的性能參數(shù)，從而判斷相機(jī)是否能夠滿足整個觀測系統(tǒng)的性能要求。但在實(shí)際應(yīng)用中，由廠家提供的檢測指標(biāo)通常是以電視廣播工業(yè)為標(biāo)準(zhǔn)，往往缺乏天文觀測應(yīng)用的要求指標(biāo)。即使廠家提供天文觀測所需的性能參數(shù)，一般也是芯片廠家出廠前對其進(jìn)行測試給出的典型值，由于生產(chǎn)工藝和半導(dǎo)體材料的變化，CMOS相機(jī)性能參數(shù)的真實(shí)值與典型值有所不同，這在二維成像和光譜成像中引入了誤差[3]。因此，在進(jìn)行成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，必須對CMOS相機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行測試。另一方面，相機(jī)在使用過程中由于元器件的老化等原因也會導(dǎo)致性能參數(shù)變化，從而使光譜成像等引入更多的噪聲，使觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，從而增加了分析處理的難度，甚至導(dǎo)致錯誤的結(jié)論。所以定期對天文相機(jī)進(jìn)行測試和校準(zhǔn)也是非常必要的。綜上所述，建立一個以天文觀測應(yīng)用為目標(biāo)的CMOS相機(jī)測試平臺，具有十分重要的意義。該平臺可以用于新購相機(jī)的驗(yàn)收測試以及天文CMOS相機(jī)的定期檢測，以此保證CMOS相機(jī)的性能滿足天文觀測的需求。

1 天文CMOS相機(jī)測試平臺概述

本測試平臺是基于歐洲機(jī)器視覺協(xié)會發(fā)布的圖像傳感器和相機(jī)性能測試標(biāo)準(zhǔn)(European Machine Vision Association Standard 1288, EMVA 1288)建立的。長期以來對CMOS的測試沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，幾乎每個廠商都擁有自己的標(biāo)準(zhǔn)，這使得在不同相機(jī)間進(jìn)行性能比價(jià)時，需要進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)轉(zhuǎn)換。幸運(yùn)的是2005年以后，在絕大多數(shù)廠商的支持下，建立了業(yè)內(nèi)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在測試標(biāo)準(zhǔn)中明確定義了相機(jī)模型，如圖1 ，以及根據(jù)模型進(jìn)行測試的參數(shù)、測試方法和流程[4]。

圖1 (a) 相機(jī)的物理模型；(b) 單像元數(shù)學(xué)模型
Fig.1(a) Physical model of the camera; (b) Mathematical model of a single pixel

圖1(a)描述了EMVA 1288給出的相機(jī)物理模型。一定數(shù)量的光子照射到像元上，經(jīng)過一段時間曝光后產(chǎn)生電子，這些電子通過電容極板轉(zhuǎn)換為電壓值，電壓值經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出為數(shù)字灰度值，即CMOS相機(jī)的數(shù)字輸出信號。圖1(b)給出了EMVA 1288的單像元數(shù)學(xué)模型。μ和σ分別表示均值和方差，待測的未知量以紅色標(biāo)記。通過內(nèi)光電效應(yīng)，像元將光子數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電子數(shù)，這個過程引入了暗電流噪聲，然后一起被系統(tǒng)增益放大，之后模數(shù)轉(zhuǎn)換時不可避免地引入量化噪聲[5]。

本文旨在搭建一套符合EMVA 1288標(biāo)準(zhǔn)的測試設(shè)備(包括軟硬件)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的測試流程對各種參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的測試。目前測試平臺可以完成的參數(shù)測試如表1。

表1 參數(shù)表Table 1 List of the parameters

測試平臺除了完成以上基本參數(shù)的測量外，更主要的是完成相機(jī)特性的研究，例如相機(jī)非均勻性的研究。對于天文CMOS相機(jī)，非均勻性是嚴(yán)重影響成像質(zhì)量的重要因素。由于非均勻性存在明顯的時變特性[6]，很難通過傳統(tǒng)的平場校正方法進(jìn)行校正，因此通過測試平臺仔細(xì)研究非均勻性的時變規(guī)律，進(jìn)而尋找消除非均勻性的解決辦法。

2 測試平臺的搭建

測試平臺主要包括4部分，分別為光場生成部分、暗室部分、位移平臺部分和環(huán)境監(jiān)測控制部分，構(gòu)成框圖如圖2。

圖2 測試平臺框圖
Fig.2 Test platform schematic

光場生成部分的主要功能是產(chǎn)生穩(wěn)定的均勻白光和均勻單色光，均勻白光用來測量相機(jī)的靈敏度、線性度和非均勻性等。要測量不同光譜量子效率需要整個波長范圍內(nèi)的均勻單色光，因此光場生成部分主要由穩(wěn)壓電源控制器、光源、單色儀和積分球組成。穩(wěn)壓電源控制器為光源提供一個穩(wěn)定可調(diào)的電源，防止因電流波動引起光源抖動，帶來測量誤差。采用Newport公司的OPS-Q250超穩(wěn)壓電源，其控制精度為0.1 A，燈的波長和輸出強(qiáng)度的穩(wěn)定性主要通過盡可能保持燈外殼內(nèi)鹵素氣體的溫度和壓力恒定實(shí)現(xiàn)。OPS-Q250電源為燈絲提供高度穩(wěn)定的電流，從而將燈輸出光強(qiáng)的波動保持在0.05% RMS以下，同時最大限度延長燈的壽命。采用歐司朗24V-275W的石英鎢鹵素?zé)襞?，發(fā)光范圍可以覆蓋整個可見光波段。通過一個焦比為2.2的非球面透鏡(平凸透鏡)對光源發(fā)出的光進(jìn)行準(zhǔn)直，形成直徑D=33 mm的光束，然后經(jīng)過焦距100 mm的凸透鏡和焦距30 mm的凹透鏡將準(zhǔn)直光束聚焦后再次準(zhǔn)直，形成直徑d=10 mm的光束入射單色儀的入光口，光路圖如圖3(a)。光束通過單色儀內(nèi)部的反射鏡和光柵分光后從出光口射出，如圖3(b)，經(jīng)過濾光片后進(jìn)入積分球形成均勻單色光。

圖3(a)光束準(zhǔn)直光路；(b) 單色儀光路
Fig.3(a) Beam collimation path; (b) light path of monochromator

暗室的主要功能是為CMOS相機(jī)提供一個無光照的暗場和相對穩(wěn)定的測試環(huán)境。暗室整體尺寸為1 740 mm × 1 000 mm × 1 000 mm，并分為上下兩部分，下面用于放置干燥機(jī)和制冷機(jī)，并起到支撐作用，上面用于放置位移平臺，如圖4。暗室內(nèi)壁由保溫隔熱層和空氣循環(huán)層組成，保溫隔熱層利用保溫棉可以保證暗室內(nèi)的溫度不隨外界溫度大幅度地變化。通過測試，在室溫為20 ℃，暗室溫度為10 ℃時，自然上升1 ℃需要的時間為5分鐘，可以保證恒溫條件下對CMOS相機(jī)的測試。空氣循環(huán)層中有半導(dǎo)體制冷機(jī)、加熱機(jī)以及風(fēng)扇，可以使暗室溫度和濕度快速地達(dá)到測試的要求，并保證暗室內(nèi)的溫濕度分布盡量均勻。

圖4 暗室結(jié)構(gòu)圖
Fig.4 The structure of darkroom

位移平臺的主要功能是為測試相機(jī)提供固定位置以及調(diào)節(jié)相機(jī)和積分球出光口的相對位置。位移平臺主要由相機(jī)承載臺、絲桿、支柱、滑槽、電機(jī)和運(yùn)動控制模塊組成。位移平臺的x軸、y軸和z軸的最大運(yùn)動距離為400 mm，最小運(yùn)動距離為25 ± 1.25 μm。位移平臺的承載臺可以實(shí)現(xiàn)對不同形狀和體積的相機(jī)進(jìn)行固定。通過控制位移平臺的運(yùn)動可以調(diào)節(jié)相機(jī)靶面和均勻光源即積分球出光口的相對位置，根據(jù)EMVA 1288標(biāo)準(zhǔn)，相機(jī)靶面與出光口距離d和出光口直徑D的關(guān)系為

f=d/D=8 .

(1)

同時應(yīng)該將CMOS相機(jī)靶面中心與積分球出光口中心對齊。此外，通過查閱文獻(xiàn)和實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，距離積分球輻射光源出口平面較近(f≤ 5)時，照度均勻性較差，不適合在出口位置對光電器件進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，且積分球出口處溫度較高，對器件測試精度也有影響[7]。距離積分球輻射光源出口平面較遠(yuǎn)(f≥ 10)時，照度均勻性很好但是光照強(qiáng)度降低很多，因此在f=8處更適合對天文CMOS相機(jī)的測試。

環(huán)境監(jiān)測控制部分的主要功能是對暗室內(nèi)的溫濕度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制，以及對CMOS相機(jī)靶面光功率的測量。溫濕度監(jiān)控主要用于CMOS相機(jī)暗電流對溫度依懶性的測量以及恒溫恒濕下性能參數(shù)的測試。通過暗室的保溫隔熱層可以使溫度在短時間內(nèi)保持穩(wěn)定，而溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)可以使溫度長時間保持在恒定溫度(±1 ℃)，溫濕度的監(jiān)測通過溫濕度傳感器完成，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸回電腦端。溫濕度的控制由半導(dǎo)體制冷機(jī)、壓縮制冷機(jī)、加熱機(jī)和干燥機(jī)依據(jù)溫濕度傳感器傳回的數(shù)據(jù)共同完成，并利用風(fēng)扇加速空氣的流動使暗室內(nèi)各個地方的溫濕度相對均勻。CMOS相機(jī)靶面接收的光功率由光功率計(jì)測量，用于量子效率的計(jì)算。

將光場生成部分、暗室、位移平臺和環(huán)境監(jiān)測控制部分進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和安裝，天文CMOS相機(jī)測試平臺如圖5，經(jīng)過安裝調(diào)試后已經(jīng)滿足EMVA 1288標(biāo)準(zhǔn)的相機(jī)測試條件，可以在實(shí)際測試中應(yīng)用。

3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

CMOS相機(jī)測試系統(tǒng)平臺雖然搭建完畢，但是因?yàn)槭褂昧瞬煌瑥S家的設(shè)備，接口以及通訊協(xié)議都有所不同。如果使用各個設(shè)備的自帶軟件，將大大增加操作難度，無法做到所有設(shè)備協(xié)同工作，因此實(shí)現(xiàn)對硬件設(shè)備的集成控制是非常必要的。為了方便集成以及后期設(shè)備的更換而不影響程序運(yùn)行，整個測試系統(tǒng)的電源開關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)繼電器控制，以此實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。所有設(shè)備通過轉(zhuǎn)接設(shè)備連接到路由器上，設(shè)置每個設(shè)備的IP地址為固定值，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問和控制。CMOS相機(jī)測試系統(tǒng)控制程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)將實(shí)現(xiàn)控制指令與數(shù)據(jù)儲存及顯示相結(jié)合的一體化控制，這大大提高測試效率，降低使用和學(xué)習(xí)成本。

圖5 天文CMOS相機(jī)測試平臺
Fig.5 Astronomical CMOS camera test platform

3.1 系統(tǒng)部署

CMOS相機(jī)測試平臺控制程序部署在控制計(jì)算機(jī)上，位移平臺、光源控制器等是標(biāo)準(zhǔn)的232串口通信，單色儀是USB通信，通過串口服務(wù)器和USB服務(wù)器將這些設(shè)備連接到交換機(jī)上。光功率計(jì)是TCP/IP通信，直接連接到交換機(jī)上，再通過交換機(jī)與控制計(jì)算機(jī)相連，如圖6。控制計(jì)算機(jī)采用Windows系統(tǒng)，控制程序基于MVC框架與C#語言開發(fā)。用戶可以通過控制程序?qū)MOS相機(jī)測試系統(tǒng)平臺實(shí)施遠(yuǎn)程操作，并對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測?？刂瞥绦蛲ㄟ^局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對測試系統(tǒng)平臺的遠(yuǎn)程操作。利用控制指令和執(zhí)行結(jié)果與設(shè)備控制程序進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)整個通訊過程。

圖6 測試系統(tǒng)部署圖
Fig.6 The deployment diagram of test system

3.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了在較短的時間內(nèi)完成軟件的開發(fā)，以及在使用過程中快速滿足測試系統(tǒng)需求的變化，采用敏捷開發(fā)方式，首先快速搭建可以滿足測試需要的軟件，然后根據(jù)使用情況，調(diào)整原有功能并增加新的功能。在控制系統(tǒng)搭建的過程中，為了方便以后系統(tǒng)升級和功能增加，不影響現(xiàn)有的功能，主要通過降低系統(tǒng)耦合性的方式，提高其拓展性[8]。

由于CMOS測試系統(tǒng)仍然處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，后期可能需要更換光源控制器，調(diào)整溫濕度控制系統(tǒng)，甚至存在更換操作系統(tǒng)的可能，因此需要系統(tǒng)架構(gòu)能夠滿足功能和相關(guān)計(jì)算機(jī)底層技術(shù)間的松耦合，所以將系統(tǒng)架構(gòu)分為界面層、功能層和應(yīng)用層[9]，如圖7。

(1)應(yīng)用層為實(shí)現(xiàn)具體功能提供了同步時鐘、線程管理、遠(yuǎn)程通訊、事務(wù)處理機(jī)制等底層技術(shù)。

(2)功能層描述了光源控制器、單色儀、溫濕度控制等功能以及各個組件間的關(guān)系和交互行為。

(3)界面層用于接收用戶輸入的數(shù)據(jù)并將返回的數(shù)據(jù)和圖表呈現(xiàn)出來，為用戶提供一種交互式的操作界面。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用層、功能層和界面層的分離，采用容器-組件-服務(wù)模型。.Net提供了容器組件的實(shí)現(xiàn)，但由于設(shè)備硬件的差異和性能的不同，許多設(shè)備的軟件開發(fā)工具包(Software Development Kit, SDK)不提供.Net環(huán)境的支持，所以選擇自行開發(fā)。將系統(tǒng)的應(yīng)用層、功能層和界面層分離具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)降低了層與層之間的依懶性，有利于控制系統(tǒng)后期的升級和改造。功能層與應(yīng)用層的松耦合，可以減少后期軟件調(diào)整的工作量。

(2)開發(fā)人員可以只關(guān)注整個系統(tǒng)的其中一層，在開發(fā)具體功能性應(yīng)用時，不用關(guān)心應(yīng)用層具體技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，大大降低了維護(hù)成本和時間。

測試平臺控制系統(tǒng)部署在控制計(jì)算機(jī)上，可以通過控制計(jì)算機(jī)的界面直接控制測試平臺上的設(shè)備，并返回執(zhí)行的結(jié)果。也可以通過數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送指令，控制系統(tǒng)在接收到指令后進(jìn)行解析，然后執(zhí)行指令，間接控制測試平臺上的設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)流程圖如圖8。

控制系統(tǒng)的指令和硬件設(shè)備可執(zhí)行的操作是一一對應(yīng)的，測試平臺包括光源控制器、單色儀、三維位移平臺、光功率計(jì)和溫濕度設(shè)備等，因設(shè)備比較多，控制指令也比較復(fù)雜，這里列舉部分常用的控制指令如表2。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接正常時，根據(jù)控制指令執(zhí)行的不同情況，控制系統(tǒng)分別接收到執(zhí)行成功、執(zhí)行失敗和指令錯誤3種結(jié)果。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接中斷時，發(fā)送控制指令會返回 “請檢查網(wǎng)絡(luò)連接是否正?！薄?/p>

圖7 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
Fig.7 System architecture

圖8 控制系統(tǒng)流程圖
Fig.8 The flow chart of control system

3.3 界面設(shè)計(jì)

為了方便測試人員操作，使用的圖形交互界面如圖9。界面設(shè)計(jì)以功能實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)，采用了極簡風(fēng)格，讓測試人員對功能一目了然，同時可以將數(shù)據(jù)信息快速傳遞給測試人員。整個界面主要分為信息反饋、圖表顯示和設(shè)備控制3部分，方便測試人員快速了解和熟悉界面。在主界面中只列出了測試必須使用的功能，如位移臺的運(yùn)動位置、單色儀的當(dāng)前波長等。在測試過程中較少使用的功能，如設(shè)備端口更改、位移平臺加速度、單色儀濾光輪設(shè)置等，可以修改相應(yīng)的配置文件調(diào)整這些參數(shù)。

表2 常用控制指令表Table 2 List of common control instructions

圖9 圖形交互界面
Fig.9 The GUI

4 結(jié)論與展望

天文CMOS相機(jī)測試平臺在功能上實(shí)現(xiàn)了對相機(jī)的量子效率、增益、暗電流、信噪比、動態(tài)范圍和光響應(yīng)不均勻性等性能參數(shù)的測量，可以滿足測試系統(tǒng)所需的測試條件。平臺控制系統(tǒng)在多次運(yùn)行和調(diào)試后，對電源控制器、位移平臺、單色儀和溫濕度控制等的控制指令執(zhí)行正確，數(shù)據(jù)返回正常，圖表顯示穩(wěn)定。CMOS相機(jī)測試平臺和控制系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，可以滿足測試環(huán)境的要求。

天文CMOS相機(jī)測試平臺仍然處于發(fā)展之中，在控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，采用了敏捷開發(fā)方式，有良好的擴(kuò)展性，可以在較短的開發(fā)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)部署迭代，為以后測試系統(tǒng)已有功能的調(diào)整和新功能的加入打下良好的基礎(chǔ)。