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GB／T 41310-2022 视觉模组光电性能的图像式检测方法.pdfGB/T 41310—2022
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觉模组光电性能的图像式检测方！
本文件描述了视觉模组光电性能的图像式检测方法的基本原理、检测条件、仪器设备、检测样品、检 则步骤、数据处理和检测报告， 本文件适用于具有线性光电响应特性的数字视觉模组、配有数字图像采集卡的模拟视觉模组以及 作为视觉模组一部分的图像传感器， 注：视觉模组包括单色、彩色、面扫描与线扫描等类型
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文 件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于 本文件。 GB/T2900.56—2008电工术语控制技术 GB/T29298一2012数字（码）照相机通用规范
GB/T2900.56一2008、GB/T29298一2012界定的以及下列术语和定义适用于本文件 3.1 视觉模组visionmodule 将以光为载体的视觉图像进行光电转换并最终输出数字化图像数据的设备。 注：视觉模组一般由互补金属氧化物半导体(CMOS)或电荷耦合器件(CCD)图像传感器和辅助电子器件组成，具有 线性光电响应特征，即该模组输出的数信号随着曝光量的增加而线性增加。整个光电转换过程符合光子转 移法(PhotonTransferMethod)原理 3.2 线性度偏差linearityerror；LE 在均匀光照条件下，当辐射量变化时，图像传感器输出信号和理想信号（直线）间的偏差。 3.3 灰度graylevel 将图像中不同像素的明暗程度或颜色深浅进行量化表示，所对应的量化值 注：也称灰阶，或灰度等级， 3.4 量子效率 quantum efficiency;QE 在规定波长光照下，人射光子在图像传感器产生并被收集的电子数与入射光子数的比值 3.5 系统总增益 overall systemgain 视觉模组的像素工作在线性状态时.所输出的灰度值与其所收集的电子数的比值
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视觉模组成像单元是由一系列相互独立的像素组成的一维或二维阵列。视觉模组的每个像素在工作 时将曝光时间内人射到感光面上的光子转换为电子，然后通过存贮这些电子的电容转换为一定幅值的电 压信号，信号经放大与量化变成数字图像中对应像素的灰度值。视觉模组像素工作原理示意图见图1。
图1视觉模组像素工作原理示意图
图2视觉模组像素工作数学模型示意图
基于视觉模组工作的基本原理，在规定的检测条件下，采用均匀单色光照射被测视觉模组，采集 系列不同曝光条件下的数字图像数据，进行相应的数学计算，即可得到被测样品的响应度、系统总增益， 量子效率、时域暗噪声、绝对灵敏度阈值、饱和容量、动态范围、信噪比、线性度、空间非均匀性、暗电流以 及光谱灵敏度等光电参数
环境温度：23℃±5℃；相对湿度：30%~80%。 也可在被测样品允许的工作温度范围内，在其他受控的环境温度及样品工作温度下进行测试，村 程中环境温度与样品工作温度的变化不得超过士1℃（具有温度控制功能的视觉模组除外）。
光源光谱的半峰全宽（FWHM）小于50nm。 光源的中心波长满足以下条件： a）当被测样品为黑白视觉模组时，应选光源的中心波长作为被测样品的最大响应波长； b）当被测样品为彩色视觉模组时，应选用具有不同波长的光源，其中每个波长接近被测样品不 同色彩通道的最大响应波长。 应定期对光源、辐照度计、温度计、温箱等仪器设备进行检定或校准，确保数据的准确度
检测过程中，被测视觉模组的参数设置符合下列要求： a）温度：被测视觉模组的温度在检测过程中应维持稳定； b）数字分辨率：被测视觉模组的像素位深设置应为最大值，减小测试中量化噪声的影响； ）增益：设置被测视觉模组的增益，应使每个像素的饱和值达到满阱且信号不溢出； d）偏置：设置被测视觉模组的偏置，应使被测视觉模组输出的暗信号中出现截止（灰度为零值)的
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像素数小于0.5%； e）采集行数：线阵传感器视觉模组单幅图像应不小于100行，并采用面阵传感器的计算公式评估 参数； f) 辐射曝光量：通过以下三种方法控制被测样品的辐射曝光量： 1）恒定光照下曝光时间变化：光源亮度固定，应通过调节被测样品曝光时间改变辐射曝 光量； 2) 恒定曝光时间下光照变化：被测样品曝光时间固定，应通过调节光源亮度改变辐射曝 光量； 3） 恒定曝光时间下使用脉冲照明：被测样品曝光时间固定，应通过调节LED光源的脉冲宽 度改变辐射曝光量，所选择的曝光时间应大于LED最大脉冲宽度的固定值 检测过程中，除本文件中要求的曝光时间变更外，检测样品的所有设置应保持一致
8.1.1搭建检测装置
根据图3搭建检测装置，步骤如下： a）固定均匀单色光源位置； b）根据光源位置固定被测视觉模组，确保光源出光口能够覆盖视觉模组； c）在单色光源均匀照射范围内，且与视觉模组感光面同一平面处放置辐照度计； d）连接视觉模组与数据平台，平台应能够控制视觉模组工作与图像传输； e） 检测暗电流时将被测视觉模组置于温箱内，将温箱温度设置为检测温度； 温度可控型视觉模组不需使用温箱，通过模组本身设置检测温度； g 检测暗电流时，温度计应当接触视觉模组壳体进行测温
8.1.2调节检测光路
根据图4调节检测光路，步骤如下： a）调节光源与视觉模组之间的位置，使#=8； 注1：#由视觉模组感光面至光源出光口距离（d)与光源出光口直径（D)之比表示，f二d/D b） 调节视觉模组感光面，使感光面与光轴垂直，感光面中心与光轴重合，光源出光口与感光面之 间光路应密闭，确保无杂散光干扰测试，视觉模组感光面的直径不能大于面光源的开口直径； c）光照非均匀性不大于3%。 注2：光照非均勾性由视觉模组图像传感器感光面上光辐照度的最大值（Emx）与最小值（Emm）之差与平均照度（e）
8.2基础光电参数的检测
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图4盘形面光源照射图像传感器的示意图
基础光电参数包括：响应度、系统总增益、量子效率、时域暗噪声、绝对灵敏度阈值、饱和容量、动态 范围、信噪比与线性度。按下列步骤进行检测。 a）检测环境中的所有仪器设备通电。 b）按照第7章的要求设置好被测样品，记录环境温度，记录辐射曝光条件。 c）按照以下步骤进行图像采集： 1）被测视觉模组开始采集图像，打开光源，从0开始等间隔增加辐射曝光量，直到被测样品 饱和输出为止，此时采得图像的平均灰度值不再增加。应至少采集10组不同辐射曝光量 的图像； 2） 每种辐射曝光量条件下采集两幅明场图像，并记录辐照度计测得辐照度E； 3）关闭光源，对应每种辐射曝光量的曝光时间采集两幅无光照的暗场图像； 4）关闭光源，在被测样品可设置的最短曝光时间下采集两幅无光照的暗场图像 d 按照9.1中基础光电参数的计算方法计算响应度、系统总增益、量子效率、时域暗噪声、绝对灵 敏度國值、饱和容量、动态范围、信噪比与线性度
8.3空间非均匀性的检测
按下列步骤进行检测。 a）检测环境中的所有仪器设备通电 b）按照第7章的要求设置好被测样品，记录环境温度。 c）按照下列步骤进行图像采集： 1）被测视觉模组开始采集图像，打开光源，通过调整辐射曝光量，使被测样品输出图像达到 50%饱和灰度值，此时采得图像的平均灰度值为饱和输出时平均灰度值的一半，采集L （L≥16）幅明场图像，并记录辐照度计测得辐照度E； 2） 关闭光源，保持步骤1）中被测样品的曝光时间不变，关团闭光源，采集L幅无光照的暗场 图像。 d）按照9.2中计算方法计算空间非均匀性
8.4暗电流特性的检测
按下列步骤进行检测： a）检测环境中的所有仪器设备通电，关闭光源，将被测样品置于暗场环境中
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即被测样品应达到热平衡状态： C 被测视觉模组开始采集图像，在被测样品的最小曝光至最大曝光的区间内，等间隔选择至少6 个曝光时间，在每个曝光时间下采集2幅图像； d）按照9.3.1中计算方法计算暗电流
8.4.2暗电流温度依赖性检测
按下列步骤进行检测 a）在被测样品的工作温度范围内，间隔均匀地选择至少6个温度点； b）每个温度点按照8.4.1中步骤采集图像，并计算每个温度点的暗电流
8.5光谱灵敏度的检测
按下列步骤进行检测： a）检测环境中的所有仪器设备通电； b） 按照第7章的要求设置好被测样品，记录环境温度； C） 按第6章的要求选择波长可调光源，在被测样品可响应的全波长范围内选择多个测试点，相邻 两个测试点的波长间隔应小于或等于光源在对应波长处两倍的半峰全宽值； d 设定光源的波长，打开光源，不要求覆盖被测样品的整个感光面，可选取部分感光区域进行检 测。并记录辐照度计测得辐照度E e) 被测视觉模组开始采集图像，调整被测样品的辐射曝光量，使所选定的检测区域内输出的图像 灰度均值在饱和输出时平均灰度值的20%～80%范围内，采集并保存2幅明场图像，记录其 辐射曝光量以及曝光时间； 关闭光源，保持步骤d)中被测样品的曝光时间不变，采集并保存2幅无光照的暗场图像： g) 根据9.1.4中方法计算对应波长下的量子效率； h) 调整单色光源波长到下一个设定值，重复c）f)步骤，直至完成全部所选定波长光照条件下的 明场与暗场图像的采集并记录其曝光时间
9.1基础光电参数的数据处理
按8.2a）～8.2d)的步骤采集图像，在每种辐射曝光量条件下，利用采集的图像，分别计算 辐射曝光量时的平均灰度值y，暗场的平均灰度值"y.dark，时域方差，暗场时域方差α.dark， 直t、饱和灰度值at和平均光子数
9.1.1.2平均灰度值μ
式中： y 平均灰度值； N 图像的列数； M 图像的行数； m 图像的第m行；
图像的第n列； yA[m] [n] 图像A的m行n列的灰度； yB「m[n 图像B的m行n列的灰度
9.1.1.3暗场平均灰度值u.dlrk
针对每种辐射曝光量下对应曝光时间的两幅暗场图像（图像A与图像B），按照公式（1 平均灰度值。
9.1.1.4时域方差c2
.1.1.5暗场时域方差α
针对每种辐射曝光量下对应曝光时间的两幅暗场图像（图像A与图像B），按照公式（2）计算暗场 时域方差。
9.1.1.6绘制光子转移曲线（PTC曲线）
根据9.1.1.2～9.1.1.5计算所得值绘制曲线，其中横轴为，一"y.dark，纵轴为一α3.dark，连接每种辐 射曝光量下计算得到的μ，一y.dr值与の一α.dark值绘得光子转移曲线，利用A与B间的数据进行线性 拟合得到拟合曲线，示例见图5
图5光子转移曲线示例
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9.1.1.7饱和灰度值μ.ml
9.1.1.8平均光子数μ
针对每种辐射曝光量条件，按照公式（3)计算平均光子数
AEtexp hc/入
式中： μp 平均光子数；AG A 被测样品像素面积； 被测样品成像面的辐照度： t exp 被测样品的曝光时间，当采用第7章中的f)3)脉冲照明的方式控制辐射曝光量时基坑围护及土方开挖施工专项施工方案，tex为 曝光过程中光源所有脉冲的脉宽之和； h 普朗克常量； C 光的速度； 光源的波长
9.1.2 响应度 R
9.1.3系统总增益K
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9.1.4量子效率 m
按照公式（6)计算该检测波长下的量子效率：
9.1.5 时域暗噪声 ,
根据8.2最短曝光时间采集的两幅暗场图像，按照9.1.1.5的方法计算被测样品最小曝光时间 lark。当03.dark<0.24时，0y.dark取值为0.49。 按照公式（7)计算去除量化噪声后的时域暗噪声α，单位为电子个数，e
式中： da时域暗噪声； 量化噪声DL／T 846.8-2017标准下载，值为1/12。