机器视觉微课堂｜EMVA 1288标准全方位解读之三

本篇内容转载自＜鉴衡研究＞

相机选型时，经常会提到系统增益、量子效率、光谱响应等，EMVA 1288标准中如何定义这些参数？它们对实际成像、相机选型又有何影响？接着上一篇 EMVA 1288标准的测试参数的学习余热，机器视觉微课堂今日继续开讲。

●Part 1 系统增益 System Gain

将电荷转换为数字的过程可用转换因子为K的模型表示，K称作系统增益，是每个有效光子导致输出图像灰度值的增量，也就是1/K个电子可以转换为数字为1的灰度。由此，系统增益K定义为系统测量得到的数字图像中每个计数代表的电子数，即指系统测量得到的数字图像中每个计数代表的电子数。

系统增益K与图像灰度值的关系可由下式表示：

可以看出，该公式即为上篇 EMVA 1288标准的测试参数简介中所介绍的光子传输曲线，而系统增益则可由光子传输曲线的斜率得到。

●Part 2 量子效率 Quantum Efficiency

图像传感器的核心功能就是进行光电转换，即将感光平面接收到的光信号转换成为电信号，其本质就是光子到电子的转换。

如下图所示，当光子射入到半导体表面，将激发半导体内部的“电子/空穴”对，即光生载流子，其中一部分高能量的光生载流子可以脱离价带，进入导带，形成光生电流。这一部分脱离价带的载流子占入射光子总数的比例就叫做量子效率η，它表示了一种转化效率，即光子转换成电子的效率。

量子效率表征了图像传感器对不同波长入射光的响应程度，由于其会在不同的波长上发生变化，所以通常将其作为波长的函数。由此量子效率可定义为，在某一特定波长下，在曝光时间内，入射光子在器件像元中产生并被收集的电子数与入射光子数的比值，通常用百分比表示。如量子效率50%，意味着每2个照射到感光区域的光子可转化成1个电子。

量子效率表征了光敏面对于辐射平均光子数的吸收和累积能力，量子效率的高低直接影响成像器件对入射光子的响应能力，是影响成像质量的第一要素。

给定数量的光子产生的电子数量越大，量子效率越高，图像中可获得的信息越多。在低光照条件下，高量子效率尤为重要。

量子效率高的图像传感器意味着该图像传感器在将入射光线转换为电信号时效率更高，量子效率越高探测光线的灵敏度更高，这点对大多数应用环境而言都特别有用，对微光应用环境而言更是如此。

影响量子效率的因素很多，其中图像传感器的几何结构、感光面分布情况、材料等因素都会直接影响器件量子效率。量子效率依赖于入射光子的能量，因此，它依赖于入射光的波长。同时，量子效率还依赖于: 1）材料，2）仪器收集自由电子的方式。

量子效率是图像传感器光电转换能力的直接反应，也是衡量图像传感器成像质量高低的基础参数。是否能够客观准确地完成量子效率的测量，决定了对图像传感器成像器件评价的准确与否。

成像过程即是一次光电转换的过程，假定转换为绝对线性过程，系统增益为Ｋ，响应度为Ｒ，那么通过线性系统反推，实验中即是利用图像平均灰度值与入射光辐射照度之间的线性关系，测量计算响应度R与系统增益K的比值得到量子效率η。

●Part 3 光谱响应 Spectral Response

光谱响应指图像传感器对不同频率光强的响应能力，通常指不同波长下图像传感器的量子效率。它是表征图像传感器量子效率随波长变化的特征参数。

测量量子效率的光谱响应时，必须有一个独立的实验装置，配有可以在特定波长范围内进行扫描的光源。光源的FWHM（半峰全宽）的带宽应小于10 nm。如果技术上无法使用如此窄的FWHM，可以将FWHM带宽的最大放宽至50 nm。

评估过程涉及对每个所选波长执行下列步骤：

a) 计算平均灰度值。

b) 从平均灰度值中减去平均暗灰度值。

c) 除以系统增益K，得到累积电荷单位数。

d) 除以μp(λ)，最后获得量子效率。

线性度指在均匀光照条件下，当曝光量变化时，器件输出信号和理想输出信号（拟合直线）间的偏差。它是用于描述图像传感器对光强响应的线性程度的一个度量。

线性度在定量分析中非常重要，低增益时，由于量化误差等因素，其线性度通常不会非常好；若提供了高增益的数据，则有助于用户对相机的性能判断。因此，定量方面为了提升精度以及灰度值，并且利用线性度最好的响应区间，经常会采用较高增益。

参考文献：

1、European Machine Vision Association, “EMVA Standard 1288 — Standard for Characterization  of  Image  Sensors and Cameras” ,Release 3.1, 2016.

2、B. Jahne, “Practical experiences with the EMVA1288 standard”, Vision Stuttgart, 2011.

3、何舒文. 基于数字微镜的像素级调光技术研究（博士学位论文）.长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2015

4、孙昊洋. CCD芯片量子效率和非均匀性参数测量（硕士学位论文）.西安：西安电子科技大学，2014

5、盆晓敏. 基于EMVA Standard 1288的CMOS图像传感器测试系统研究（硕士学位论文）. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2015

6、长春长光辰芯光电技术有限公司.图像传感器的光电参数及选择标准

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