一種提高光電傳感器及感光材料弱光檢測(cè)能力的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電信號(hào)檢測(cè);光電圖像成像;銀鹽感光材料成像;非銀感光材料成像技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)傳感器，常見的包括利用內(nèi)光電效應(yīng)(光電導(dǎo)、光生伏特、光電磁、光子牽引)的傳感器，例如:光電二極管、光敏電阻和CXD、CMOS、Cl S、紅外成像器件等光電圖像傳感器；外光電效應(yīng)的光電倍增管;包括銀鹽感光材料和非銀感光材料在內(nèi)的各種光化學(xué)檢測(cè)記錄介質(zhì)。
[0003]對(duì)微弱光信號(hào)的檢測(cè)和弱光環(huán)境的攝影攝像，在各領(lǐng)域均有很多的需求。為此發(fā)展了很多新型檢測(cè)器件，例如:雪崩光電二極管;低照度CMOS圖像傳感器；電子轟擊EBCCD;電子倍增EMCXD;以及InSb、PtSi等紅外焦平面陣列。
[0004]雖然光學(xué)傳感器的技術(shù)不斷進(jìn)步，但是在入射光信號(hào)及鏡頭等光采集裝置確定時(shí)，特定器件均存在不同的動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度(也稱最低照度)和不同的非線性。
[0005]光電二極管(包括PIN與雪崩管)的線性最好，其它依次為光電池、光電三極管，光敏電阻的線性最差。動(dòng)態(tài)范圍分為線性動(dòng)態(tài)范圍與非線性動(dòng)態(tài)范圍。在線性動(dòng)態(tài)范圍方面，反向偏置狀態(tài)的光電二極管動(dòng)態(tài)范圍最好，光電池、光電三極管、復(fù)合光電三極管較好，光敏電阻最差。光敏電阻的非線性動(dòng)態(tài)范圍比其它光電器件寬。光敏電阻的靈敏度最高，其它依次為雪崩光電二極管，復(fù)合光電三極管、光電三極管，光電二極管的靈敏度最低。光電二極管的暗電流與噪聲最低。
[0006]典型的CXD (S卩TTL工藝(XD)和CMOS(即CMOS工藝CCD)圖像傳感器用具有光生伏特效應(yīng)的反向偏置狀態(tài)的光電二極管作為像敏單元，一般具有很好的動(dòng)態(tài)范圍和線性度，靈敏度較低。CCD的電流靈敏度與入射輻射波長(zhǎng)的關(guān)系(光譜響應(yīng)曲線)是很復(fù)雜的，對(duì)不同顏色的光線都有不同的敏感曲線。
[0007]銀鹽感光材料的線性度與靈敏度差異很大。負(fù)片的特性曲線比較傾斜，趾部、直線部和肩部特征明顯，其感光度較高，較小的曝光量就可以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)密度。正片的特性曲線比較陡直，趾部較短，肩部不明顯，感光度低，需要較多的曝光量才能獲得適當(dāng)?shù)挠跋衩芏?。彩色正片或?fù)片的三個(gè)彩色感光層對(duì)不同顏色的光線也有不同的敏感曲線。重氮等非銀鹽感光材料分辨力高，具有各自的敏感光譜及非線性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]技術(shù)問題
當(dāng)使用光電或光化學(xué)傳感器對(duì)微弱光信號(hào)或高動(dòng)態(tài)范圍光信號(hào)的弱光部分進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)設(shè)備受到光傳感器或圖像傳感器及感光材料本身弱光檢測(cè)和記錄性能的局限而造成的不利影響十分明顯。突出地表現(xiàn)在，當(dāng)足夠微弱的光信號(hào)通過鏡頭等光采集裝置到達(dá)光學(xué)傳感器或感光材料時(shí)，光信號(hào)強(qiáng)度可能仍然低于光傳感器的最低照度(靈敏度一般用最低照度來表示)，或處于其輸出特性曲線底部的非線性區(qū)域(曝光不足Under-exposure)時(shí)，見圖1、圖2、圖3、圖4，存在弱光部分的信號(hào)混為一片;很多用來描述昏暗環(huán)境的像素沒有足夠的時(shí)間接收足夠的光子量，得出的檢測(cè)值為O或檢測(cè)值極低。這樣就會(huì)導(dǎo)致昏暗部分的信息缺失，或信號(hào)層次分辨力降低、線性度差的缺點(diǎn)。且這種缺點(diǎn)難于在檢測(cè)后的信號(hào)處理或圖像處理過程中得到實(shí)質(zhì)性的改善。一種解決辦法是通過提高鏡頭通光口徑或延長(zhǎng)曝光時(shí)間從而增大曝光量來解決這一問題。但是在確定的光信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍條件下，提高光信號(hào)強(qiáng)度是有極限的，且過度提高易導(dǎo)致高光部分超出傳感器檢測(cè)范圍，形成曝光過度。并且需要付出增加光學(xué)鏡頭口徑從而增加系統(tǒng)重量和制造成本，和過多延長(zhǎng)曝光時(shí)間引起模糊和遲滯等代價(jià)。對(duì)數(shù)字?jǐn)z影、數(shù)字?jǐn)z像來說，另一種解決辦法是利用部分設(shè)備可以記錄無損壓縮RAW格式原始數(shù)據(jù)或高碼流高動(dòng)態(tài)范圍數(shù)據(jù)的能力，通過后期數(shù)字圖像處理技術(shù)從原始數(shù)據(jù)中恢復(fù)一部分的弱光影像數(shù)據(jù)。但這種處理方式既帶來額外成本，又難以對(duì)微弱光信號(hào)未能得到妥善檢測(cè)和記錄的情況予以實(shí)質(zhì)性地改善，對(duì)于實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)來說更難以實(shí)現(xiàn)。
[0009]對(duì)技術(shù)問題的解決方案
鑒于以上問題，本發(fā)明提出一種提高光電傳感器或感光材料弱光檢測(cè)能力的方法。通過實(shí)施一束或多束照射于光電傳感器或感光材料的補(bǔ)充光，通過適當(dāng)增加作用于傳感器的光子數(shù)量，使其輸入和輸出均適度提高。令補(bǔ)充光的光強(qiáng)或者超出傳感器最低照度進(jìn)入其可測(cè)量范圍，或者處于其光照特性曲線線性區(qū)域的合適位置。
[0010]在信號(hào)光測(cè)量的時(shí)間窗口內(nèi)，使所述的補(bǔ)充光按照設(shè)定的強(qiáng)度與被測(cè)光信號(hào)共同照射于光電傳感器或感光材料，共同參與光電傳感器的光電轉(zhuǎn)換過程或感光材料的光化學(xué)過程。使傳感器接收到的光強(qiáng)度大于單純來自信號(hào)源的光強(qiáng)度，并工作在可檢測(cè)范圍或輸出特性的線性區(qū)域，從而改善其弱光檢測(cè)能力。此后經(jīng)模擬和數(shù)字信號(hào)處理過程得到測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)。
[0011]通過執(zhí)行獨(dú)立的補(bǔ)充光測(cè)量過程。關(guān)閉信號(hào)光通道，測(cè)量、記錄上述補(bǔ)充光對(duì)光傳感器或感光材料的輸出帶來的“影響數(shù)據(jù)集”。可以全面測(cè)量并記錄不同強(qiáng)度的補(bǔ)充光與不同的快門速度，不同的系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理參數(shù)的各種組合情況下的“影響數(shù)據(jù)集”。也可以只測(cè)量少數(shù)幾種曝光組合的數(shù)據(jù)，其它組合的數(shù)據(jù)根據(jù)該光傳感器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算獲得。記錄并在測(cè)量中重復(fù)使用此補(bǔ)“充光影響數(shù)據(jù)集”，直到它需要重新測(cè)量并修正。
[0012]可以根據(jù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的使用需要，選擇利用已知的“補(bǔ)充光影響數(shù)據(jù)集”，經(jīng)過信號(hào)處理或數(shù)字圖像處理方法消除補(bǔ)充光可能造成的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)值偏高的影響。該處理過程可以由光信號(hào)檢測(cè)設(shè)備本身來處理，也可以在測(cè)量結(jié)束后由其它設(shè)備處理，得到修正補(bǔ)充光影響后的結(jié)果數(shù)據(jù)。對(duì)各種非線性傳感器的修正要依靠其各自的光照特性來處理。對(duì)線性傳感器，最簡(jiǎn)單的線性修正算法是將測(cè)量數(shù)據(jù)減去補(bǔ)充光影響數(shù)據(jù):
F (Ls) = F(LsLr) -F(Lr)
設(shè):當(dāng)其它曝光參數(shù)相同時(shí)，Ls為信號(hào)光信號(hào);Lr為補(bǔ)充光信號(hào);F(Lr)為測(cè)量得到的“補(bǔ)充光影響數(shù)據(jù)” ；F(LSLr)為測(cè)量得到的“補(bǔ)充光與信號(hào)光共同作用”的測(cè)量結(jié)果；F (Ls)為修正補(bǔ)充光影響后的結(jié)果數(shù)據(jù)；“一”運(yùn)算符為對(duì)應(yīng)空間位置像素值或顏色值的減法運(yùn)笪并ο
[0013]對(duì)于已知的特定光電圖像傳感器或感光材料，可以事先確知其光照特性曲線和光譜響應(yīng)曲線?？梢允褂霉鈴?qiáng)度穩(wěn)定的、高信噪比的、發(fā)光強(qiáng)度可調(diào)的、到達(dá)感光傳感器平面各部分光場(chǎng)均勻的、并具有適合光譜(可見光、紅外線、紫外線、X光)的單個(gè)光源、多個(gè)單獨(dú)光源、多個(gè)不同光譜的光源的組合作為補(bǔ)充光光源。光傳感器的時(shí)間響應(yīng)有一定的寬度，在寬度內(nèi)對(duì)光強(qiáng)的瞬時(shí)起伏作了時(shí)間平均;傳感器的入窗有一定的面積，在此面積內(nèi)對(duì)光子的分布作了空間的平均。對(duì)不太弱的補(bǔ)充光，可認(rèn)為是理想的信號(hào)。
[0014]補(bǔ)充光光源的照射目標(biāo)為光電傳感器入窗、光電圖像傳感器或感光材料底片的感光平面，可以由多個(gè)光源，根據(jù)傳感器的特性從任何可以達(dá)到上述補(bǔ)光效果的方向或角度照射過來。
[0015]補(bǔ)充光與信號(hào)光應(yīng)該分別直接照射于目標(biāo)傳感器，或經(jīng)過各自的光學(xué)透鏡、反射鏡后照射于目標(biāo)傳感器。但是補(bǔ)充光與信號(hào)光不應(yīng)該經(jīng)過半透半反射鏡等裝置進(jìn)行有信號(hào)損失的混合，以免影響信號(hào)光強(qiáng)度和信噪比。
[0016]依據(jù)不同光傳感器的信號(hào)積分特性、快門類型及應(yīng)用需求的不同，不要求所述的補(bǔ)充光與信號(hào)光在同一時(shí)間窗口照射傳感器。補(bǔ)充光作用的時(shí)間窗口，可以與信號(hào)光作用的時(shí)間窗口相同，也可以不同。
[0017]補(bǔ)充光的發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)該是可以調(diào)整和關(guān)閉的，這將有利于不同光信號(hào)環(huán)境及不同曝光參數(shù)下細(xì)致地調(diào)整不同傳感器的檢測(cè)性能，并保證適當(dāng)?shù)臋z測(cè)動(dòng)態(tài)范圍。
[0018]除非需要，否則補(bǔ)充光的光強(qiáng)度應(yīng)該是穩(wěn)定的和高信噪比的，這樣有利于在正式測(cè)量之前測(cè)得補(bǔ)充光對(duì)光傳感器或感光材料的輸出帶來的“影響數(shù)據(jù)集”。并重復(fù)利用此“影響數(shù)據(jù)集”修正多份測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果。
[0019]補(bǔ)充光作用于圖像傳感器時(shí)候，由于CCD/CM0S或感光材料對(duì)光譜響應(yīng)的復(fù)雜性，可能需要補(bǔ)充光中的各顏色光的光強(qiáng)度不同；對(duì)于多個(gè)經(jīng)過分光鏡照射的傳感器、多層彩色感光材料、多層光電元件的光傳感器，因?yàn)楦黝伾泄馄骷蝾伾泄鈱荧@得的光信號(hào)衰減不同，同樣可能需要補(bǔ)充光中的各顏色光的光強(qiáng)度不同，以保證補(bǔ)充光對(duì)各個(gè)像素單元(或各色彩測(cè)量單元)的作用均勻且一致。
[0020 ]所述的光電傳感器包括:各種光電二極管;光電三極管;光電池;光電