聚焦扫描线阵相机量子效率测试系统

唐延甫，李俊霖，杨永强，李忠明，韩 冰

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033）

1 引 言

近年来，图像传感器相关技术发展迅速，并广泛应用于军事、工业监控、工业测量和医学诊断等领域。但由于制造商的技术基础和设备稳定性存在差异，图像传感器性能参差不齐，所以筛选出性能出色的器件尤为重要［1］。图像传感器的性能指标主要是量子效率［2-4］、非均匀性［5］和信噪比［6］等光电参数。其中，量子效率作为图像传感器的重要参数，是传感器性能评价的基本测试项目［7］。目前，量子效率的高效率、高精度测试是该领域发展的重点。

欧洲机器视觉协会（European Machine Vision Association，EMVA）于2016 年发布了EMVA1288 R3.1 标准［8］，该标准给出了包含量子效率在内的图像传感器光电参数的定义及其测试原理、条件和方法等，为图像传感器的性能评价提供了依据。近年来，对图像传感器量子效率的测试大多数是基于单色仪和积分球进行的。通过在单色仪出口处设置光纤耦合装置和准直镜，将单色光束均匀照射至器件靶面，可对工业级面阵CCD 的量子效率进行测试［9］。使用氙灯照射单色仪分离出单色光，光纤将单色光耦合至积分球后，均匀照射至EMCCD 探测器靶面，可对其量子效率进行测试［10］。搭建高紫外探测器辐射定标系统，将光学系统与单色仪集成作为一个成像系统，将单色光聚焦成像至紫外探测器靶面，可对探测器的量子效率进行测试［11］，该方法也可对微通道板（Micro Channel Plane，MCP）在近紫外波段（200～380 nm）的量子效率［12］进行测试。将可见光源更换为黑体辐射源，搭配光谱测试仪和标准探测器可完成对红外探测器量子效率的测试［13］。

综上可知，目前研究多针对面阵图像传感器的量子效率［14-17］，且日趋成熟，而线阵相机量子效率的测试研究却较少。线阵相机具有分辨率高、帧幅数高和价格低廉等优点，具有极大的发展前景［18-20］，因此其量子效率测试的需求也极大。本文通过改进以单色仪和标准探测器为核心的系统，搭建了一套适用于线阵相机的量子效率测试系统。该量子效率测试方案具有方法简单、效率高、精度高等优点，可对大多数线阵相机的量子效率进行高精度测试。

2 工作原理

2.1 系统组成

聚焦扫描线阵相机量子效率测试系统主要由照明光源、单色仪、扫描机构、聚焦光学系统、标准探测器、电控单元和暗箱组成，如图1 所示。其中，照明光源由配备准直系统的75 W 氙灯组成，该光源输出稳定，效率高，光谱范围宽，常被用作光电测试照明光源；单色仪用于产生单色光，通过精密控制光栅色散单元及出光狭缝，可使输出单色光准确度达±0.2 nm，分辨率达0.1 nm；扫描机构主要用于被测线阵相机的扫描成像，线阵相机和标准探测器之间的切换以及相机安装时的位置调整。扫描方向速度要求较高，故该方向安装高精度光栅尺，定位精度可达1 μm；聚焦光学系统用于将单色光准直和聚焦，为避免相机对灯丝成像及单色光斑质量差，还引入光束匀化器和可调光阑；标准探测器作为测量入射光的标准器件，选用Newport 公司的紫外硅探测器，并经过出厂标定和中国计量科学研究院校准；被测线阵相机被安装在扫描机构安装架上，像元线列与水平安装面垂直，且正对测试系统；电控单元用于图像采集和处理，同时也控制照明光源、单色仪和扫描机构等单元；（h）暗箱用于提供无杂光的测试环境。箱体内部测试区和设备区单独设计，且均做了隔光处理，经测试，暗箱关闭时测试区照度可低至10-4lx 量级，满足测试要求。

图1 聚焦扫描线阵相机量子效率测试系统示意图Fig.1 Schematic diagram of quantum efficiency test system based on focusing scanning for linear array camera

2.2 工作原理

量子效率表征在规定波长光照下，入射光子在器件像元中产生并被收集的电荷数与入射光子数的比值，用于评估被测器件不同波长条件下光子转换为电荷的能力。理论计算公式如下：

其中：η(λ)为波长λ处器件的量子效率；μe为被转换的电荷数；μp为入射到像元的光子数；μy为光照时器件有效像元的灰度值；μy·dark为无光照时器件有效像元的灰度值；K为器件转换增益；h为普朗克常数，为6.626 1×10-34J·s；c为光在真空中的传播速度，为3×108m s；λ为入射光波长；As为像元面积；E为器件光敏面的光功率密度；texp为器件的曝光时间。

对于转换电子数，可通过光斑图像灰度值与相机转换增益计算得到。现需重点分析入射光子数的测量方法。入射至线阵相机靶面有效像元上的光子数μp可由公式（2）计算：

其中：Ps为入射至有效像元的光子数；Ae为相机靶面上的光斑面积；E为入射光至相机光敏面的光功率密度；teit为线阵相机的等效曝光时间。

然后分析线阵相机的等效曝光时间。由于线阵相机在成像时处于扫描运动状态，故相机的曝光时间为像元对目标的实际感光时间，即目标在像元区域的“驻留”时间，如图2 所示。

图2 线阵相机扫描成像等效曝光时间原理Fig.2 Schematic of equivalent exposure time for linear array camera scanning imaging

由图2 可知，像元对面元目标ds的曝光时间为该面元目标在像元中存在的时间，即扫描方向像元尺寸与扫描速度之比，并非相机设定的曝光时间，即有：

其中：teit为线阵相机等效曝光时间；b为线阵相机的像元尺寸；v为扫描机构的运动速度。

结合式（2）和式（3）可推导出投射至相机靶面的入射光子数：

其中：P为入射光子数；S为投射至相机靶面上目标的面积。

最后，由回归量子效率计算公式（1）可计算波长λ处线阵相机的量子效率。

3 测量结果及分析

3.1 暗场图像采集

关闭光源和暗箱，启动线阵相机并成像，设定线阵相机参数，采集暗场图像，并计算μy·dark，暗场图像如图3（a）所示。

图3 聚焦扫描法测量子效率光斑图像Fig.3 Light spot images in quantum efficiency testing based on focusing and scanning

3.2 转换增益测量

转换增益用于表征器件输出码值与对应存储在像元势阱内的电荷数之比。本文通过改变均匀面光源辐射能密度进行测试，与传统方法基本一致，不做重点介绍。

3.3 量子效率测量

设置相机连续曝光成像，控制扫描单元运动，采集单色光斑图像（图3（b）～3（e））计算图像有效像元的总灰度值，切换至标准探测器测量对应的入射光能量，计算波长λ处的量子效率。

上述扫描测试需要考虑扫描单元的运动速度要求。理想情况下，相机应在一个曝光周期内对整个光斑目标扫描成像，即图像中仅一列像元有光斑图像，扫描单元的最小速度为：

其中：vmin为扫描单元的最小速度；D为投射至相机靶面的光斑宽度，D=0.7 mm；Tmax为相机的最大曝光时间，Tmax=3.3 ms。由此计算得到vmin=0.212 m s。然而，步进电机驱动的扫描单元难以达到该速度，因此需要进行“降速扫描”实验。实验发现：当曝光时间相同，扫描速度不同时，图像总灰度值基本相同，故扫描单元“降速扫描”对测量转换电荷数基本无影响，低速扫描测试具有可行性。

通过上述方法对各波长的线阵相机量子效率进行测量，并绘制量子效率曲线，如图4 所示（彩图见期刊电子版）。对比产品手册中量子效率曲线（蓝色曲线）发现，两曲线整体趋势一致，但个别波长（如505，575 nm 等）的结果差别略大，多次测量后差异依然存在，更换标准探测器后，差异位置发生变化。通过分析标准探测器校正方法，初步认为该现象是由标准探测器出厂校正区间选择以及校正点间拟合误差等造成的。除上述明显差异外，各波长处量子效率的测量结果与手册数据的最大偏差约为2%。经分析，不同波长单色光经单色仪出射后方向会有差别，聚焦至相机靶面的角度和光斑投影面积不同，导致图像灰度值总和也不相同；另外，扫描时各列像元感光时间不同造成的图像灰度分布梯度、标准探测器的校正精度、被测相机像元响应非均匀性等，均会导致测量结果偏差。

图4 量子效率测量曲线Fig.4 Measured curves of quantum efficiency

为验证测量结果的稳定性，对该线阵相机进行聚焦扫描重复测量实验，测量结果的重复性误差均小于2%。经分析，该重复性误差偏大的主要原因是扫描机构速度不稳定和光斑目标形状导致的图像灰度分布梯度过大。通过优化实验条件，可以减小速度稳定性的影响和改善图像灰度分布梯度过大的情形。除此之外，还优化了对焦算法，提高成像光斑边缘的判别精度，减少能量分散导致的灰度计算偏差。采取以上措施后，再次进行重复测量实验，重复测量误差可达1.1%，满足要求。

为验证该方案量子效率测量结果的准确性，使用转镜法对该相机进行量子效率测量，并绘制量子效率曲线（图4 中绿色曲线）。转镜法使用高速旋转镜作为动态扫描元件，单色LED 照射平行光管作为光源。该方法光斑均匀，图像灰度分布梯度小，常用于测量图像传感器的动态参数，如动态MTF、量子效率等。将测量结果与聚焦扫描法和手册数据对比，3 条曲线的整体趋势基本一致，但转镜法的测量结果偏差略大，这是因为单色LED 波长偏差、光谱分布、输出稳定性、转镜旋转时反射率变化以及转速稳定性等均会造成测量结果的偏差。

4 不确定度分析

测量不确定度可反映测试水平，体现测试方法和过程的可信度。本文对整个量子效率测量过程进行了不确定度分析，根据不确定度来源及评定方式是否为统计分析方法，不确定度共分为A 类和B 类。

4.1 A 类不确定度

（1）暗箱闭合时杂散光引入的测量误差。被测相机或标准探测器在测试中接收的光照度约在10 lx 以上量级，远大于暗箱杂散光照度，故可认为基本无影响；

（2）输出单色光功率不稳定性引入的误差。本方案中被测相机和标准探测器的测试时间和切换时间间隔小，且光源自带稳压设计，整个过程光源输出功率的变化极小，故可忽略不计；

（3）单色仪输出波长不确定度。由于单色仪输出单色光存在一定谱宽和中心波长偏离，量子效率测量结果实际为带宽内所有单色光的总和。本方案中单色仪输出的单色光谱宽为0.3 nm，波长准确度为±0.2 nm。假设单色光的光谱呈高斯型分布，其高斯分布期望和标准差分别为中心波长和谱宽，故可通过中心波长能量占比计算波长误差，计算结果约为0.77%；中心波长偏差会造成实际量子效率测量结果并非设定波长的结果，将中心波长偏离带入量子效率即可计算偏差，计算结果约为0.2%；故合成之后，输出波长引入的不确定度约为0.8%；

（4）线阵相机曝光时间不准确引入的误差。曝光时间可通过示波器对线阵相机曝光信号（即晶振周期的测量，结合量子效率的计算公式，引入误差约为0.01%；

（5）数据处理引入的误差。该误差主要是指光斑图像灰度输出准确性、操作软件图像阈值、数据公式修约和读数等引入的误差。光斑图像灰度输出通过对比相同照度目标灰度输出结果，软件图像阈值设置后通过采集和扣除背景图像的方式将背景去除，其影响也主要表现在读取灰度值上，实验发现输出灰度值的差别不大于2，影响基本可忽略；数据公式修约和读数中，对公式进行赋值运算，根据修约规则和读数位数等评估其影响，可引入误差约为1%。

综上，计算A 类标准不确定度分量uA≈1.3%。

4.2 B 类不确定度

（1）标准探测器测量不确定度。标准探测器经中国计量科学研究院计量，其不确定度为2%；

（2）扫描速度不稳定性引入的误差。扫描机构速度不稳定时，等效曝光时间不同。通过查阅扫描单元的速度稳定性，最终得到引入量子效率的测量误差约为0.2%。

（3）被测相机响应非均匀性引入的误差。线阵相机的所有像元响应并非均相同。通过查看被测线阵相机产品手册数据以及非均匀性指标验证，该误差引入的不确定度约为1%；

综上，计算B 类标准不确定度分量uB≈2.2%。

分析考察不确定度uA和uB可知，两者相互独立，互不相关。因此，合成标准不确定度uC为：

5 结 论

针对线阵相机量子效率测量需求，本文采用聚焦扫描法对DALSA 公司的LINEA 系列高速线阵CMOS 相机的量子效率进行了测量，绘制了量子效率曲线，并与出厂数据和转镜法测得的量子效率对比，测量结果的总体趋势基本吻合。最后对测量结果的不确定度进行分析，得到测量不确定度约为2.6%。该方法可准确测量多款相机的量子效率，测量过程简单、光源要求低、装调难度小，为线阵相机的性能评估提供了有效手段，适用于线阵相机或其他类型相机的光电参数测试。