CMOS成像传感器的昼夜兼容性能评价方法与系统技术方案

本发明专利技术公开一种CMOS成像传感器的昼夜兼容性能评价方法与系统，属于图像传感器测试评价技术领域。根据成像传感器成像机理，建立了低照度成像宽容度、高照度成像宽容度以及总成像宽容度一系列评价模型，将像元尺寸、动态范围、量子效率、信噪比、饱和入射光子数、绝对灵敏阈值和读出噪声等参数指标有机结合和统一，可准确地描述CMOS成像传感器在低照度和高照度下的成像性能，旨在客观评价CMOS成像传感器的昼夜兼容性能。的昼夜兼容性能。的昼夜兼容性能。

【技术实现步骤摘要】
CMOS成像传感器的昼夜兼容性能评价方法与系统


[0001]本专利技术涉及图像传感器
，尤其是图像传感器测试评价技术，具体而言涉及一种CMOS成像传感器的昼夜兼容性能评价方法与系统。

技术介绍

[0002]在夜晚低照度环境下，普通工业级CCD相机无法采集清晰图像。同时，虽然微光像增强器、微光ICCD等微光器件适用于低照度情况，但是又无法在白天或者强光环境下使用。所以对于可见光成像传感器来说，在低照度和高照度都能清晰成像是迫切的需求。随着半导体技术的进步，CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器(CIS)的性能也大大提升。因此，针对昼夜兼容的成像需求，CIS逐渐向低照度宽动态方向发展，在军事侦查、消防搜救、辅助驾驶等军民两用领域发挥巨大作用。
[0003]与此同时，由于CIS性能的提升与应用领域的拓展，对CIS成像质量的测试评价技术也提出了新的要求。第一，目前人们必须综合分析多种CIS测试指标，包括像元尺寸、动态范围、量子效率、信噪比、饱和入射光子数、绝对灵敏阈值、读出噪声和暗电流等，才能较为准确地判断不同厂家、不同型号CIS之间的性能差异，以确定CIS的适用范围。原因在于传统的CIS测试指标无法独立、准确并且直观地描述成像性能，必须具备相当的专业背景知识才能对多个测试指标进行分析，进而得出结论，这增加了测试评价的难度，也降低了性能评价的效率。第二，缺少能够直观描述CIS昼夜兼容特性的评价模型。2016年，李琛等人提出的一种图像传感器性能的替换方法，公开了一种本征感光效率，建立本征感光效率与量子效率、实际像素达到饱和输出时等效至单位面积的图像质量分辨率、饱和输出电压、以及达到饱和输出时所需的曝光时间的本征感光效率关系式，利用本征感光效率把CMOS图像传感器的各种参数统一起来，旨在统一CIS各种参数，形成综合性能指标，但是没有从高照度和低照度成像性能的角度去评价CIS的适用范围。
[0004]昼夜兼容CIS主要体现在两个方面：1)低照度下具有足够低的读出噪声，实现景物与噪声的区分；2)较高的动态范围，减少因过曝而导致的细节丢失。但是影响CIS昼夜成像性能的还有像元尺寸、量子效率以及暗电流等参数，由此可见CIS昼夜成像性能是众多参数指标的综合体现，而目前测试指标都无法独立地刻画CIS昼夜兼容特性。
[0005]现有技术文献：
[0006]专利文献1：CN106603943A一种图像传感器性能的替换方法。

技术实现思路

[0007]针对上述不足，本专利技术目的在于提供一种能够反映CIS在低照度和高照度下的综合成像性能的CMOS成像传感器的昼夜兼容性能评价方法，以实现直观地评价CIS昼夜兼容成像性能
[0008]本专利技术第一方面的目的提出一种CMOS成像传感器的昼夜兼容性能评价方法，所述方法包括如下步骤：
[0009]步骤01：获取量子效率曲线、总系统增益、暗场图像时域方差、绝对灵敏阈值以及饱和入射光子数；
[0010]步骤02：计算单像元平均入射光子数参考值；
[0011]步骤03：计算信噪比达到预设水平时所需的平均入射光子数；
[0012]步骤04：获取低照度成像宽容度、高照度成像宽容度以及总成像宽容度，评价所述成像传感器昼夜兼容性能。
[0013]根据本专利技术第二方面的目的还提出一种CMOS成像传感器的昼夜兼容性能评价系统，包括：
[0014]用于获取量子效率曲线、总系统增益、暗场图像时域方差、绝对灵敏阈值以及饱和入射光子数的模块；
[0015]用于计算单像元平均入射光子数参考值的模块；
[0016]用于计算信噪比达到预设水平时所需的平均入射光子数的模块；以及
[0017]用于获取低照度成像宽容度、高照度成像宽容度以及总成像宽容度的模块，以评价所述成像传感器昼夜兼容性能。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的评价方法具有如下显著优点：
[0019]本专利技术的成像宽容度将探测器像元尺寸、绝对灵敏阈值、饱和入射电子数、量子效率、动态范围、信噪比、暗噪声和增益等指标融为一体，可以反映CIS在低照度和高照度下的综合成像性能。而成像宽容度指标本质是对现有评价指标的深层次含义的挖掘和综合，其计算比较简便，并没有在原有的CIS性能测试中增加过多的限制条件和测试步骤，因此可以很简便地嵌入现有的CIS测试系统中。
附图说明
[0020]图1为两种不同量子效率CIS的饱和入射光子数与信噪比的关系。
[0021]图2为本专利技术的评价方法的流程图。
[0022]图3为两种不同量子效率CIS的高照度成像宽容度与信噪比的关系。
具体实施方式
[0023]为了更了解本专利技术的
技术实现思路
，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0024]目前，动态范围和信噪比是CMOS探测器性能评价的主要指标。根据动态范围定义可知，动态范围本质是饱和入射光子与绝对灵敏阈值的比值，可以很好地描述CMOS探测器可以响应的入射光子数范围大小比例。但是动态范围是一个相对值，无法单独地、准确地且直观地表征CMOS探测器在昼夜不同照度下的性能。
[0025]根据EMVA Standard 1288，绝对灵敏阈值μ
p.min
定义为信噪比SNR＝1时的平均入射光子数，表达式如下，
[0026][0027]从绝对灵敏阈值的定义可以看出，μ
p.min
越低，表示量子效率越高、或增益越高、或暗噪声越低，这些都可以反映出一个CIS在低照度情况下的成像性能。因此可以认为绝对灵敏阈值越低，CIS成像性能越好。
[0028]根据EMVA Standard 1288，动态范围(Dynamic range,DR)定义如下：
[0029][0030]根据EMVA Standard 1288，信噪比与平均入射光子数之间具有如下关系：
[0031][0032]饱和入射光子数是绝对值，但无法与图像质量形成一一对应关系。图1中包含了两种具有不同量子效率的CMOS探测器的信噪比
‑
入射光子数曲线。假设两个CMOS探测器都具有相同的饱和入射光子数(图中绿色数据点)，但真正决定成像质量的信噪比相差很大，即使量子效率为67％的CMOS具有更高的饱和入射光子数(图中黄色数据点)，但其所能达到的信噪比也远低于量子效率为83％的CMOS在饱和时的信噪比。根据式(3)可知原因在于：越高的饱和入射光子数并不能保证成像的信噪比越高，也就是就不能说明CMOS在高光时成像质量越好。因此，反映饱和入射光子数与绝对灵敏阈值之比值的动态范围具有一定的片面性和局限性，CMOS探测器的动态范围越大，并不能保证一定可以高质量的成像。
[0033]目前，对于昼夜兼容CMOS传感器成像性能评价，主要使用动态范围和低照度下的信噪比两个指标，例如动态范围>60dB，信噪比>12dB@10
‑
4l本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CMOS成像传感器的昼夜兼容性能评价方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤01：获取量子效率曲线、总系统增益、暗场图像时域方差、绝对灵敏阈值以及饱和入射光子数；步骤02：计算单像元平均入射光子数参考值；步骤03：计算信噪比达到预设水平时所需的平均入射光子数；步骤04：获取低照度成像宽容度、高照度成像宽容度以及总成像宽容度，评价所述成像传感器昼夜兼容性能。2.根据权利要求1所述的CMOS成像传感器的昼夜兼容性能评价方法，其特征在于，所述预设水平设置为信噪比30dB。3.根据权利要求1所述的CMOS成像传感器的昼夜兼容性能评价方法，其特征在于，所述的步骤02的单像元平均入射光子数参考值μ
p.ref
，表达如下：μ
p.ref
＝20.136
·
A
·
λ
p
,其中A为CIS像元尺寸，λ
p
表示量子效率曲线中量子效率达到峰值时所对应的中心波长。4.根据权利要求3所述的CMOS成像传感器的昼夜兼容性能评价方法，其特征在于，所述步骤04的低照度成像宽容度LIL计算公式如下：其中μ
p.min
表示绝对灵敏阈值。5.根据权利要求4所述的CMOS成像传感器的昼夜兼容性能评价方法，其特征在于，所述步骤03的信噪比达到预设水平所需的单像元平均入射光子数μ
p.30dB
，被设置按照以下方式获得：其中，η(λ
p
)为量子效率峰值，为暗场图像时域方差，K为总系统增益，单位为DN/e
‑
，DN表示无量纲。6.根据权利要求5所述的CMOS成像传感器的昼夜兼容性能评价方法，其特征在于，所述步骤04的高照度成像宽容度HIL计算公式如下：其中，μ
p.sat
表示单像元饱和入射光子数。7.根据权利要求6所述的CMOS成像传感器的昼夜兼容性能评价方法，其特征在于，所述步骤04的总成像宽容度TIL计算公式如下：...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾燕，郭一亮，吉建平，杨锋，张佳奎，张磊，肖臣鸿，王光耀，乔延婷，吕扬，
申请(专利权)人：北方夜视科技南京研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：