测定图像传感器量子效率的方法、装置、设备和介质与流程

1.本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及测定图像传感器量子效率的方法、装置、设备和介质。


背景技术：

2.量子效率(quantum efficiency，qe)是描述像元将光子转化为电子能力的参数，也是评估一个图像传感器性能的重要参数。量子效率越高，表示图像传感器在该波长下的光电转换能力越强，弱光表现能力也就越强。量子效率的准确性，在于分离出的单色光的波长范围，波长范围越小即精度越高，量子效率曲线越连续，结果越准确。
3.目前，测试量子效率主要方法是：将积分球输出的均匀光，使用卤光源，有较为连续的连续光谱，通过切换不同的带通滤光片，使所需波长的光通过。由于使用的带通滤波，波长的跨度较大，一般介于10nm～20nm。量子效率曲线偏差较大。因此，亟需测定图像传感器量子效率的方法、装置、设备和介质以改善上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供测定图像传感器量子效率的方法、装置、设备和介质，该方法用于精确测定图像传感器的量子效率。
5.第一方面，本发明提供一种测定图像传感器量子效率的方法，包括：图像传感器通过光纤面板接收来自光源的连续光谱；所述图像传感器分别在暗场和曝光条件下每间隔单位积分时间获取一幅图像，得到暗场图像组和曝光图像组；将所述曝光图像组的像素值与所述暗场图像组的像素值相减得到所述单位积分时间的数据差值；获取所述连续光谱经若干特定波长滤光后的图像，通过所述图像传感器定位所述特定波长在所述连续光谱中的特定位置；通过所述特定位置和所述连续光谱及其与光功率的对应关系，拟合得到光功率曲线；通过所述光功率曲线获取第一波长的光功率值；根据所述光功率值、所述第一波长、像元尺寸、所述单位积分时间、所述数据差值和转换增益，计算所述图像传感器对应所述第一波长的量子效率。
6.本发明的测定图像传感器量子效率的方法有益效果在于，只需要有限的暗场图像组和曝光图像组就能够得出任意第一波长的量子效率，能够全面而连续的展现图像传感器在各个波长下的量子效率，简化了测试流程，有利于提高测试效率。
7.可选的，所述第一波长的量子效率qe满足如下公式：
8.qe＝μe/μ
p
9.其中，μe为所述第一波长下单位积分时间内产生的平均光电子数；μ
p
为所述第一波长下单位积分时间内产生的入射光子数；所述平均光电子数满足如下公式：
10.μe＝δμ/cg
11.其中，δμ为所述单位积分时间的数据差值；cg为转换增益。其有益效果在于通过平均光电子数和平均光电子数计算出第一波长的量子效率。
12.可选的，所述转换增益的计算方法包括：保持所述光源不变，调整所述图像传感器的曝光时间；计算每个所述曝光时间下感兴趣区域像素值的时域方差和平均灰度值；以所述平均灰度值为横轴，以所述时域方差为纵轴，绘制曲线图；计算所述曲线图的线性段的斜率，即为所述转换增益。其有益效果在于通过改变曝光时间得出的图像计算出转换增益。
13.可选的，所述入射光子数满足如下公式：
14.μ
p
＝50.34
·a·
t
exp
·
λ
·e15.其中，e为所述光功率值，λ为所述波长，a为所述像元尺寸，t
exp
为所述单位积分时间。其有益效果在于，通过光功率值、波长，像元尺寸和单位积分时间计算出入射光子数。
16.可选的，将所述曝光图像组的像素值与所述暗场图像组的像素值相减得到单位积分时间的数据差值，包括：所述图像传感器在暗场条件下，每间隔单位积分时间t
exp
获取一幅暗场图像，得到暗场图像组；所述图像传感器在曝光条件下每间隔所述单位积分时间t
exp
获取一幅曝光图像，得到曝光图像组；所述暗场图像组至少包括第一暗场图像和二暗场图像；所述曝光图像组至少包括第一曝光图像和二曝光图像；像素值相减得到单位积分时间t
exp
的数据差值δμ满足如下公式：
17.δμ＝(img2-img_dark2)-(img1-img_dark1)
18.其中img1为第一曝光图像的像素值，所述img2为第二曝光图像的像素值，所述img_dark1为第一暗场图像的像素值，所述img_dark2为第二暗场图像的像素值；所述第一曝光/暗场图像与第二曝光/暗场图像的获取时间间隔均为单位积分时间t
exp
。其有益效果在于，通过第一暗场图像和二暗场图像的像素值计算出数据差值。
19.可选的，所述方法还包括：获取带通光谱，所述带通光谱由所述光源发出的连续光谱通过色散机构和滤光片产生；所述图像传感器的感光单元的行或列与所述连续光谱的谱线平行。其有益效果在于，所述图像传感器的感光单元的行或列与所述连续光谱的谱线平行使得所述图像传感器的感光单元的每行或每列接收到的波长相同，便于求平均时减少误差干扰。
20.第二方面，本发明提供一种测定图像传感器量子效率的装置，用于所述第一方面中任一项所述的方法，所述装置包括：感光单元、光源、色散机构、滤光片、处理单元和光纤面板；所述光源，用于提供光线；所述色散机构，用于将所述光源中不同波长的光进行分离，得到连续光谱；所述感光单元，用于通过光纤面板接收来自光源的连续光谱；所述图像传感器分别在暗场和曝光条件下每间隔单位积分时间获取一幅图像，得到暗场图像组和得到曝光图像组；所述处理单元，用于将所述曝光图像组的像素值与所述暗场图像组的像素值相减得到所述单位积分时间的数据差值；所述滤光片，在所述光源和所述光纤面板之间用于滤光通过特定波长，通过所述图像传感器定位所述特定波长在所述连续光谱中的特定位置；所述处理单元还用于通过所述特定位置和连续光谱及其与光功率的对应关系，拟合得到所述光功率曲线；通过所述光功率曲线获取第一波长的光功率值；根据所述光功率值、所述第一波长、像元尺寸、所述单位积分时间、所述数据差值和转换增益，计算所述图像传感器对应所述第一波长的量子效率。
21.可选的，所述装置还包括调整机构；所述调整机构用于调整所述滤光片的角度，使所述图像传感器的感光单元的行或列与所述连续光谱的谱线平行。其有益效果在于，当所述光源发出的光线通过色散机构时，产生所述连续光谱；通过在所述连续光谱中选择代表
不同波长的谱线作为第一波长进行量子效率分析，节约了了获取第一波长图像的时间；不需要处理一整幅图像的像素值，减少了冗余数据，有利于高效测定。
22.可选的，所述光源和所述色散机构之间设置有挡板，所述挡板内开设有狭缝，所述狭缝用于使透过所述挡板的光线呈条形。其有益效果在于，通过狭缝使透过所述挡板的光线呈条形，得到相干性较好的平行光源，减少干扰。
23.可选的，所述装置还包括发光材料层，所述发光材料层设置在对所述光纤面板上；用于吸收不可见光转换成可见光，并传输至所述图像传感器的感光单元。其有益效果在于，通过发光材料层接收不可见光并向所述图像传感器的感光单元发射可见光，便于计算所述图像传感器在不可见光波长的量子效率。
附图说明
24.图1为本发明提供的测定图像传感器量子效率的方法的流程示意图；
25.图2为本发明提供的连续光谱在像素单元的分布示意图；
26.图3中的(a)为本发明提供的已知的所述光源的光功率曲线；
27.图3中的(b)为本发明提供的特定波长的光功率曲线；
28.图4为本发明提供的平均灰度值与时域方差的曲线示意图；
29.图5为本发明提供的一种测定图像传感器量子效率的装置结构示意图；
30.图6为本发明提供的光纤面板的安装结构示意图。
31.图中标号：
32.100、装置；101、光源；102、光纤面板；103、感光单元；104、处理单元；105、存储单元；106、挡板；107、色散机构；108、滤光片；109、调整机构；310、发光材料层。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
34.图1为本发明提供的测定图像传感器量子效率的方法的流程示意图。
35.针对现有技术存在的问题，本发明的提供了一种测定图像传感器量子效率的方法，包括：
36.s101.图像传感器通过光纤面板接收来自光源的连续光谱；
37.图2为本发明提供的连续光谱在像素单元的分布示意图。
38.在一些具体实施例中，如图2所示，350nm-750nm的波长的连续光谱投射在所述图像传感器的感光单元上。
39.s102.所述图像传感器分别在暗场和曝光条件下每间隔单位积分时间获取一幅图像，得到暗场图像组和曝光图像组；
40.s103.所述图像传感器将所述曝光图像组的像素值与所述暗场图像组的像素值相减得到所述单位积分时间的数据差值；
41.值得说明的是，所述数据差值可以由fpga\dsp\上位机软件等执行。
42.在一些实施例中，将所述曝光图像组的像素值与所述暗场图像组的像素值相减得到单位积分时间的数据差值，包括：
43.所述图像传感器203在暗场条件下，每间隔单位积分时间t
exp
获取一幅暗场图像，得到暗场图像组；所述图像传感器203在曝光条件下每间隔所述单位积分时间t
exp
获取一幅曝光图像，得到曝光图像组；
44.所述暗场图像组至少包括第一暗场图像和二暗场图像；所述曝光图像组至少包括第一曝光图像和二曝光图像；像素值相减得到单位积分时间t
exp
的数据差值δμ满足如下公式：
45.δμ＝(img2-img_dark2)-(img1-img_dark1)
46.其中img1为第一曝光图像的像素值，所述img2为第二曝光图像的像素值，所述img_dark1为第一暗场图像的像素值，所述img_dark2为第二暗场图像的像素值；所述第一曝光/暗场图像与第二曝光/暗场图像的获取时间间隔均为单位积分时间t
exp
。
47.在一些具体实施例中，差值δμ1满足如下公式：
48.δμ1＝(img2-img_dark2)-(img1-img_dark1)
49.差值δμ2满足如下公式：
50.δμ2＝(img3-img_dark3)-(img2-img_dark2)
51.其中img1为第一曝光图像的像素值，所述img2为第二曝光图像的像素值，所述img3为第三曝光图像的像素值；所述img_dark1为第一暗场图像的像素值，所述img_dark2为第二暗场图像的像素值，所述img_dark3为第三暗场图像的像素值；所述第一曝光/暗场图像、第二曝光/暗场图像和第三曝光/暗场图像的获取时间间隔均为单位积分时间t
exp
。通过对差值δμ1和差值δμ2取平均值得到δμ，有利于减少误差。或者通过对比差值δμ1和差值δμ2便于分析噪声对所述数据差值的影响。
52.在另一些实施例中，所述曝光图像组和所述暗场图像组中的图像数量可以是大于等于二的任意整数。
53.s104.获取所述连续光谱滤光后的图像，所述图像传感器定位到若干特定波长在所述连续光谱中的特定位置；
54.s105.通过所述特定位置和所述连续光谱及其与光功率的对应关系，拟合得到光功率曲线；通过所述光功率曲线获取第一波长的光功率值；
55.图3中的(a)为本发明提供的已知的所述光源101的光功率曲线；图3中的(b)为本发明提供的特定波长的光功率曲线。
56.在一些具体实施例中，已知的所述光源101的所述光功率曲线如图3中的(a)所示。如图3中的(b)所示，选取450nm、550nm和650nm波长作为特定波长，定位到450nm、550nm和650nm波长在所述连续光谱中的特定位置分别为16行、35行和52行。
57.在另一些实施例中，所述特定波长可以是所述连续光谱中的任意波长。所述特定位置可以是所述连续光谱中的任意位置。
58.在一些具体实施例中，通过450nm、550nm和650nm波长在所述连续光谱中的特定位
置和已知的所述光源101的所述光功率曲线，经过非线性回归拟合方法得到光功率曲线。通过所述光功率曲线获取第一波长500nm的光功率值。
59.在另一些实施例中，所述第一波长可以是所述连续光谱中的任意波长。所述得到所述光功率曲线还可以是通过其他拟合方法获得。
60.s106.根据所述光功率值、所述第一波长、像元尺寸、所述单位积分时间、所述数据差值和转换增益，计算所述图像传感器在第一波长的量子效率。
61.在一些实施例中，所述第一波长的量子效率qe满足如下公式：
62.qe＝μe/μ
p
63.其中，μe为所述第一波长下单位积分时间内产生的平均光电子数；μ
p
为所述第一波长下单位积分时间内产生的入射光子数；
64.所述平均光电子数满足如下公式：
65.μe＝δμ/cg
66.其中，δμ为所述单位积分时间的数据差值；cg为转换增益。
67.值得说明的是，在一些实施例中，所述转换增益的计算方法包括：保持所述光源101不变，调整所述图像传感器203的曝光时间；计算每个所述曝光时间下感兴趣区域像素值的时域方差和平均灰度值；以所述平均灰度值为横轴，以所述时域方差为纵轴，绘制曲线图；计算所述曲线图的线性段的斜率，即为所述转换增益。
68.在一些具体实施例中，所述图像传感器203的曝光时间为所述单位积分时间t
exp
；所述感兴趣区域为曝光/暗场图像的整体区域。
69.在另一些实施例中，所述感兴趣区域为曝光/暗场图像的部分区域。
70.图4为本发明提供的平均灰度值与时域方差的曲线示意图。
71.在一些具体实施例中，以所述平均灰度值为横轴，以所述时域方差为纵轴，绘制曲线图；如图4所示，计算所述曲线图在平均灰度值小于600时的斜率，即为所述转换增益。
72.在一些实施例中，所述入射光子数满足如下公式：
73.μ
p
＝50.34
·a·
t
exp
·
λ
·e74.其中，e为所述光功率值，λ为所述波长，a为所述像元尺寸，t
exp
为所述单位积分时间。
75.值得说明的是，在一些具体实施例中，所述像元尺寸为所述感光单元的尺寸。所述单位积分时间为所述第一曝光/暗场图像与第二曝光/暗场图像的获取时间间隔。
76.在一些实施例中，所述方法还包括：获取带通光谱，所述带通光谱由所述光源101发出的连续光谱通过色散机构107和滤光片108产生；所述图像传感器203的感光单元103的行或列与所述连续光谱的谱线平行。
77.值得说明的是，所述图像传感器203的感光单元103的行或列与所述连续光谱的谱线平行，因此所述带通光谱的延伸方向与所述图像传感器203的感光单元103的行或列平行。
78.图5为本发明提供的一种测定图像传感器量子效率的装置结构示意图。
79.如图5所示，本发明还提供一种测定图像传感器量子效率的装置100，用于所述权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述装置100包括：感光单元103、光源101、色散机构107、滤光片108、处理单元104和光纤面板102。所述光源101，用于提供光线。所述
色散机构107，用于将所述光源101中不同波长的光进行分离，得到连续光谱。所述感光单元103，用于通过光纤面板102接收来自光源101的连续光谱。所述图像传感器203分别在暗场和曝光条件下每间隔单位积分时间获取一幅图像，得到暗场图像组和得到曝光图像组。所述处理单元104，用于将所述曝光图像组的像素值与所述暗场图像组的像素值相减得到所述单位积分时间的数据差值。所述滤光片108，用于插入所述光源101和所述光纤面板102之间，定位到若干特定波长在所述连续光谱中的特定位置。所述处理单元104还用于通过所述特定位置和已知的所述光源101的所述光功率曲线，拟合得到包含第一波长的光功率值的所述光功率曲线。根据所述光功率值、所述第一波长、像元尺寸、所述单位积分时间、所述数据差值和转换增益计算出所述图像传感器203在第一波长的量子效率。
80.应理解，所述处理单元，可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)或图形处理器(graphics processing unit，gpu)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件器组合执行完成。
81.图6为本发明提供的光纤面板的安装结构示意图。
82.在一些具体实施例中，如图6所示，所述光纤面板102固定安装在所述光纤面板102的感光单元103上。所述光纤面板102由光纤阵列构成。所述感光单元103与光纤一一对应连接。
83.在另一些实施例中，所述光纤面板102与所述光纤面板102的感光单元103可以是可拆卸连接或其他任意连接方式。一个所述感光单元103可以与若干所述光纤连接，或者一个所述光纤可以与若干所述感光单元103连接。
84.在一些实施例中，所述色散机构107可以设置为棱镜或其他色散机构107。所述滤光片108可以设置为带通滤光片108或其他滤光片108。所述光源101可以设置为复合光源或其他光源。
85.在一些实施例中，所述装置100还包括调整机构109；所述调整机构109用于调整所述滤光片108的角度，使所述图像传感器203的感光单元103的行或列与所述连续光谱的谱线平行。
86.在一些实施例中，所述光源101和所述色散机构107之间设置有挡板106，所述挡板106内开设有狭缝，所述狭缝用于使透过所述挡板106的光线呈条形。
87.在一些具体实施例中，所述挡板106可以设置为两块，两块挡板106平行设置，光源101发出的光线通过两块挡板106之间的狭缝射出。
88.在另一些实施例中，所述挡板106还可以设置为光栅或其他光学器件，使透过所述光学器件的光线呈条形。
89.在一些实施例中，所述装置100还包括发光材料层110，设置在所述光纤面板102上，用于吸收不可见光转换成可见光，并传输至所述图像传感器203的感光单元103。
90.值得说明的是，硅基材料无法吸收：紫外线(ultra violet，uv)、深紫外线(deep ultra violet，duv)、极紫外线(extreme ultra violet，euv)和伦琴射线(x-ray)等不可见光，此类不可见光会对硅基材料造成损伤。通过发光材料进行吸收，转换成可见光，再由图像传感器执行感光探测。
91.在一些具体实施例中，所述发光材料层110由闪烁体制成，所述闪烁体用于吸收紫外线并向所述图像传感器203的感光单元103发射可见光。能够获取所述图像传感器203的感光单元103在紫外线波段的量子效率，并规避紫外线直射导致所述感光单元103受损。
92.在另一些实施例中，发光材料层110还可以由其他发光材料制成。
93.虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。