聚焦掃描線陣相機量子效率測試系統

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展迅速，并廣泛應用于軍事、工業監控、工業測量和醫學診斷等領域。但由于制造商的技術基礎和設備穩定性存在差異，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。其中，量子效率作為圖像傳感器的重要參數，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展的重點。

歐洲機器視覺協會（European Machine Vision Association，EMVA）于2016 年發布了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。近年來，對圖像傳感器量子效率的測試大多數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，將光學系統與單色儀集成作為一個成像系統，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、幀幅數高和價格低廉等優點，具有極大的發展前景［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，搭建了一套適用于線陣相機的量子效率測試系統。該量子效率測試方案具有方法簡單、效率高、精度高等優點，可對大多數線陣相機的量子效率進行高精度測試。

2 工作原理

2.1 系統組成

聚焦掃描線陣相機量子效率測試系統主要由照明光源、單色儀、掃描機構、聚焦光學系統、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的75 W 氙燈組成，該光源輸出穩定，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；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境。箱體內部測試區和設備區單獨設計，且均做了隔光處理，經測試，暗箱關閉時測試區照度可低至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

量子效率表征在規定波長光照下，入射光子在器件像元中產生并被收集的電荷數與入射光子數的比值，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；μp為入射到像元的光子數；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，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，可通過光斑圖像灰度值與相機轉換增益計算得到。現需重點分析入射光子數的測量方法。入射至線陣相機靶面有效像元上的光子數μp可由公式（2）計算：

其中：Ps為入射至有效像元的光子數；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，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：

其中：P為入射光子數；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，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。實驗發現：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）。對比產品手冊中量子效率曲線（藍色曲線）發現，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，差異位置發生變化。通過分析標準探測器校正方法，初步認為該現象是由標準探測器出廠校正區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據的最大偏差約為2%。經分析，不同波長單色光經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%。經分析，該重復性誤差偏大的主要原因是掃描機構速度不穩定和光斑目標形狀導致的圖像灰度分布梯度過大。通過優化實驗條件，可以減小速度穩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參數，如動態MTF、量子效率等。將測量結果與聚焦掃描法和手冊數據對比，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、輸出穩定性、轉鏡旋轉時反射率變化以及轉速穩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，根據不確定度來源及評定方式是否為統計分析方法，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）數據處理引入的誤差。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、數據公式修約和讀數等引入的誤差。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，其影響也主要表現在讀取灰度值上，實驗發現輸出灰度值的差別不大于2，影響基本可忽略；數據公式修約和讀數中，對公式進行賦值運算，根據修約規則和讀數位數等評估其影響，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）掃描速度不穩定性引入的誤差。掃描機構速度不穩定時，等效曝光時間不同。通過查閱掃描單元的速度穩定性，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品手冊數據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，并與出廠數據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測試。