一种图像传感器全阵列像素响应函数测量方法

摘要

本发明公开了一种图像传感器全阵列像素响应函数测量的方法，所述方法包括：步骤1)获取图像传感器全阵列每个像素的像素响应函数频谱在设定的频率范围内每一个频率处的幅值和幅角之差；步骤2)用直接测量法测得图像传感器全阵列左上角第一个像素的像素响应函数；对该像素响应函数进行离散傅里叶变换，得到该像素响应函数的相位频谱；步骤3)利用步骤2)中的左上角第一个像素的相位频谱和步骤1)中得到的每个像素的像素响应频谱的幅值和幅角之差，计算得到图像传感器全阵列每个像素的像素响应函数。本发明的方法具有标定速度快的优点，可应用于实际工程，并可以同时对多个探测器阵列的所有像素的响应函数进行标定，快速得到空间域上的像素响应函数。

说明书

技术领域

本发明涉及天文学和空间技术领域，尤其涉及一种图像传感器全阵列像素响应函数测量的方法。

背景技术

图像传感器(CCD、CMOS等)由于其便于数字化存储、传输和处理的优点，在光学成像领域已经取代胶片占据了统治地位。随着超大规模集成电路工艺的发展，图像传感器的分辨率、灵敏度、量子效率等技术指标有了大幅提升，已被广泛应用于天文成像、光谱、天体测量、空间技术等领域。

为了提高相应测量系统的精度，许多对图像传感器输入光强分布和输出分布之间关系进行标定的方法和技术被提了出来。但是这些方法考虑的最小单元均为1个像素，也就是假设一个像素内部不同位置对光的响应是相同的。但实际上，由于光刻工艺和相邻像素的干扰等问题，像素内不同位置的量子效率(即像素响应函数)是不相同的，很多情况下不能忽略这个问题。尤其是在天体测量和天文光度测量等应用当中，所成图像多为降采样或临界采样图像，忽略像素内部响应不均匀性会对测量结果产生很大影响。

传统的测量像素响应函数的方法主要是直接测量法。这种方法用光学系统生成一个很小的聚焦光斑对每个像素的不同位置进行扫描，就可以得到每个像素的像素响应函数。这种方法的优点是比较直接，对理解单个像素响应的性质十分有效；缺点是该方法需要对每个像素进行逐点扫描，工作量大，十分耗时，不能应用于实际工程。近年来，一些在频域空间标定像素响应函数的方法被提出，这类方法利用外差式激光干涉装置产生具有频差的两束激光，从而在探测器表面形成动态干涉条纹，通过对条纹图像的处理可以对探测器的像素响应频域特性进行反演，如图1所示。这类方法的优点是可以对所有像素同时进行标定，速度快，缺点是得到的标定结果不能转换到空间域上，应用有很大局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服传统像素响应函数标定方法的局限性，提供一种效率高，可以应用于实际工程，对图像传感器全阵列的像素响应函数进行标定的方法。

为了实现上述目的，本发明提供来了一种图像传感器全阵列像素响应函数测量的方法，所述方法包括：

步骤1)在若干个设定频率上，获取图像传感器全阵列每个像素的像素响应函数频谱的幅值和幅角之差；

步骤2)在与步骤1)相同的设定频率上，用直接测量法测得图像传感器全阵列左上角第一个像素的像素响应函数；对该像素响应函数进行离散傅里叶变换，得到该像素响应函数的相位频谱；

步骤3)利用步骤1)中得到的每个像素的像素响应频谱的幅值和幅角之差以及步骤2)中的左上角第一个像素的相位频谱，计算得到图像传感器全阵列每个像素的像素响应函数。

作为上述方法的一种改进，所述设定频率的横向分量k_x和纵向分量k_y的取值为：M为像素相应函数的分辨率，M的取值范围为15～30。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)使用积分球对图像传感器的平场响应不均匀性进行标定，标定结果记为q_mn，表示第(m，n)像素的平场响应不均匀性；

步骤1-2)利用差频激光束干涉的方法在图像传感器表面产生动态干涉条纹，然后分别单独遮挡产生差频激光束的两根光纤出射端口，对图像传感器采集的多帧图像进行平均获得两根光纤分别出射时在图像传感器平面的两幅光场分布图像I_mn，1和I_mn，2；对光场分布图像进行预处理，减去暗场图像扣除暗噪声和本底噪声，最终获得预处理之后的光场分布图像，然后同时遮挡两根光纤出射端口采集一组图像进行多帧平均获得一幅暗场图像；

步骤1-3)在与步骤1-2)相同条件下，图像传感器在一段时间内以固定帧频进行曝光采集一组动态干涉条纹图像，然后用步骤1-2)获得的暗场图像进行预处理，以扣除暗噪声和本底噪声，获得一组预处理之后的动态干涉条纹图像；

步骤1-4)利用步骤1-1)中获得的平场响应不均匀性、步骤1-2)中获得的预处理之后的两幅光场分布图像和步骤1-3)中获得的预处理后的动态干涉条纹图像，获得一个设定频率上图像传感器每个像素的像素响应函数频谱的幅值，以及在同一时刻每个像素的包裹相位；

步骤1-5)利用步骤1-4)中所得到的同一时刻每个像素的包裹相位，结合动态干涉条纹的移动方向以及动态干涉条纹的条纹间距，对相位进行解包裹，得到每个像素的解包裹相位；

步骤1-6)利用步骤1-5)中得到的每个像素的解包裹相位，计算出该设定频率上图像传感器每个像素的像素响应函数频谱的幅角之差

步骤1-7)通过改变两根光纤之间的相对位置关系来调整动态干涉条纹倾向和动态干涉条纹间距，重复步骤1-2)到1-6)，直到覆盖所有的设定频率；最终得到设定频率上每个像素的像素响应函数频谱的幅值和幅角之差。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1-2)的动态干涉条纹的对比度大于0.7；所述动态干涉条纹在图像传感器表面的移动速率v、帧频f和像素尺寸a，满足以下关系：

作为上述方法的一种改进，所述步骤1-4)的获得一个设定频率上图像传感器每个像素的像素响应函数频谱的幅值的计算过程为：

利用步骤1-1)中获得的平场响应不均匀性q_mn、步骤1-2)中获得的预处理之后采集的两幅光场分布图像I_mn，1、I_mn，2以及像素输出正弦曲线的振幅V_mn，计算每个像素的响应函数的频谱在设定频率(k_x，k_y)处的幅值

作为上述方法的一种改进，所述步骤1-5)具体包括：

步骤1-5-1)根据两根光纤基线之间的距离和光纤与图像传感器之间的距离，计算干涉条纹波矢量的横向分量和纵向分量的估计值和

其中，d_x、d_y为两根光纤出射端口的横向距离和纵向距离，λ为激光波长，L为光纤与传感器之间的距离；

步骤1-5-2)对步骤1-4)的包裹相位进行解包裹，计算解包裹相位

设(1，1)像素的解包裹相位和包裹相位相等，即对于(1，1)像素的相邻像素(1，2)像素，根据条纹传播方向的不同，和满足或再结合包裹相位和解包裹相位的关系其中m，n为整数，求出(1，2)像素的解包裹相位通过上述方式，求出所有像素的解包裹相位。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1-6)具体包括：

步骤1-6-1)根据步骤1-5)得到的每个像素的解包裹相位根据公式(6)进行最小二乘拟合，得到动态干涉条纹波矢量的横向分量和纵向分量的实际值

其中，是相位初始值；

步骤1-6-2)计算像素响应函数频谱的幅角之差

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)计算图像传感器阵列每个像素的像素响应函数频谱在(k_x，k_y)频率处的幅角

其中，为步骤2)的图像传感器全阵列的左上角第一个像素的像素响应函数的相位频谱；

步骤3-2)结合步骤1-4)中得到的每个像素的响应函数频谱的幅度得到每个像素的响应函数频谱

步骤3-3)对每个像素的响应函数频谱进行离散逆傅里叶变换，得到每个像素的像素响应函数Q_mn(x，y)。

本发明的优点在于：

本发明的方法具有标定速度快的优点，可应用于实际工程，并可以同时对多个探测器阵列的所有像素的响应函数进行标定，快速得到空间域上的像素响应函数。

附图说明

图1是外差式激光干涉装置标定示意图；

图2是本发明的图像传感器全阵列像素响应函数测量方法的流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

现有技术中的直接测量法对每个像素进行逐点扫描，工作量大，十分耗时，不能应用于实际工程。

本发明充分考虑现有技术中的直接测量法和频域标定方法测量图像传感器像素响应函数的局限性，将直接测量法和频域标定方法联系起来，提出一种可以对图像传感器全阵列的像素响应函数进行测量的方法。

参考图2，本发明提供的一种图像传感器全阵列像素响应函数测量方法包括以下步骤：

步骤1)、使用积分球对图像传感器的平场响应不均匀性进行标定。

步骤2)、利用差频激光束干涉的方法在图像传感器表面产生动态干涉条纹，然后分别单独遮挡产生差频激光束的两根光纤出射端口，图像传感器采集多帧图像进行多帧平均获得两根光纤分别出射时在图像传感器平面的光场分布图像。然后同时遮挡两根光纤出射端口采集一组图像进行多帧平均获得一幅暗场图像。对光场分布图像进行预处理，减去暗场图像扣除暗噪声和本底噪声，最终获得预处理之后的光场分布图像。

步骤3)、在与步骤2)相同条件下，图像传感器在一段时间内以固定帧频进行曝光采集一组动态干涉条纹图像，然后用步骤2)获得的暗场图像进行预处理，以扣除暗噪声和本底噪声，获得一组预处理之后的动态干涉条纹图像。

步骤4)、利用步骤1)中获得的平场响应不均匀性、步骤2)中获得的预处理之后采集的光场分布图像和步骤3)中采集的动态干涉条纹图像，经过处理后可以获得图像传感器所有像素响应函数频谱在该空间频率处的幅值，以及所有像素输出值在同一时刻的包裹相位。

步骤5)、利用步骤4)中所得到的同一时刻所有像素的包裹相位，结合动态干涉条纹的移动方向以及干涉条纹的条纹间距，对相位进行解包裹，得到所有像素输出的解包裹相位。

步骤6)、利用步骤5)中得到的解包裹相位，可以求出图像传感器每个像素的像素响应函数频谱在该空间频率处的幅角之差。

步骤7)、通过改变两根光纤之间的相对位置关系来调整条纹倾向和条纹间距，重复步骤2)到6)，直到覆盖设定的频率范围。最终可以得到每个像素的像素响应函数频谱在设定的频率范围内每一个频率处的幅值和幅角之差。

步骤8)、用直接测量法测得左上角第一个像素的像素响应函数。

步骤9)、对步骤8)中测得到的左上角第一个像素的像素响应函数进行离散傅里叶变换，得到该像素响应函数的相位频谱。

步骤10)、利用步骤9)中的左上角第一个像素的相位频谱、和步骤7中得到的每个像素的像素响应频谱的幅值和幅角之差，求得每个像素的像素响应函数。

下面对本发明方法中的各个步骤做进一步的说明。

在步骤1)中，标定结果记为q_mn，即第(m，n)像素的平场响应不均匀性。

在步骤2)中，所述动态干涉条纹的对比度应大于0.7；所述动态干涉条纹在图像传感器表面的移动速率v、帧频f和像素尺寸a，应满足以下关系：

在步骤2)中，获得的两幅预处理之后的光场分布图像分别记为I_mn，1和I_mn，2，I_mn，1是在第一根光纤单独照射下第(m，n)像素的输出值，I_mn，2是在第二根光纤单独照射下第(m，n)像素的输出值。

在步骤3)中，在动态干涉条纹照射下，传感器像素输出的表达式如下式(2)所示：

其中g_mn(t)是t时刻(m，n)像素的输出值，k_x、k_y分别为干涉条纹波矢量的横向和纵向分量，为(m，n)像素的像素响应函数Q_mn(x，y)的傅里叶变换，也就是像素响应函数的频域表示，Δω为两根光纤输出的频差。

在步骤4)中，根据公式(2)，图像传感器上任一像素的输出随时间的变化均呈正弦曲线分布，因此可以对动态干涉条纹图像用最小二乘拟合法求得任一像素(m，n)输出正弦曲线的振幅V_mn和包裹相位

在步骤4)中，根据公式(2)，利用步骤1)中获得的平场响应不均匀性q_mn、步骤2)中获得的预处理之后采集的光场分布图像I_mn，1、I_mn，2以及像素输出正弦曲线的振幅V_mn，可以求得每个像素的响应函数的频谱在(k_x，k_y)频率处的幅值计算公式如下：

在步骤5)中，根据两根光纤基线之间的距离和光纤与传感器之间的距离，对动态干涉条纹波矢量进行估算，具体的计算公式如下式(4)(5)：

其中，分别为动态干涉条纹波矢量的横向和纵向分量的估计值，d_x、d_y为两根光纤出射端口的横向距离和纵向距离，λ为激光波长，L为光纤与传感器之间的距离。

在步骤5)中，对包裹相位进行解包裹求解包裹相位的原理如下。

不妨设(1，1)像素的解包裹相位和包裹相位相等，即对于(1，1)像素的相邻像素(1，2)像素，根据条纹传播方向的不同，和满足或再结合包裹相位和解包裹相位的关系其中n为整数，可以求出通过上述方式，可以求出所有像素的解包裹相位。

在步骤6)中，由于不同像素的较小，且变化是相对独立随机的，因此我们可以暂时忽略它们对相位的影响，那么根据公式(2)，像素的解包裹相位由下面的公式决定：

其中是相位初始值，分别为动态干涉条纹波矢量的横向分量和纵向分量的实际值。

利用步骤5)得到的解包裹相位根据公式(6)进行最小二乘拟合，得到动态干涉条纹波矢量的横向分量和纵向分量的实际值

利用(6)可得：

其中为(m，n)像素和(1，1)像素的像素响应函数频谱在(k_x，k_y)频率处的幅角之差。

在步骤7)中，设定的频率范围影响最终像素响应函数的测量精度，并且要和后面步骤8)中保持一致。考虑到实际情况，k_x，k_y的取值范围可以是M的选择决定所得像素响应函数的分辨率，一般取15～30。

在步骤7)中，最终得到每个像素的响应函数频谱的幅值和幅角之差在设定的频率范围处的值。

在步骤8)中，所述直接测量法测量单个像素的响应函数的具体做法是：用光学系统形成亚微米级别的聚焦光斑，利用高精度位移台让聚焦光斑在图像传感器表面以一定步长进行扫描测量每个位置的像素响应，扫描范围覆盖所选像素周围的3×3个像素。每个方向的扫描步数均为2M，步长为1.5a/M，则共获得2M×2M个位置的像素响应。

在步骤9)中，进行离散傅里叶变换求得的相位频谱也是离散的，是在处的幅角值。

在步骤10)中，利用步骤9)得到的(1，1)像素的像素响应函数相位频谱和步骤7)得到的每个像素的像素响应函数频谱的幅角之差，可以得到每个像素的像素响应函数频谱的幅角，即计算方法见下式(8)：

再结合步骤7)中得到的每个像素的响应函数频谱的幅度得到每个像素的响应函数频谱在处的值，计算方法见下式(9)。

最后对每个像素的响应函数频谱进行离散逆傅里叶变换，就可以得到每个像素的像素响应函数Q_mn(x，y)。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。