ICS31.260 CCS L 50
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T413102022
视觉模组光电性能的图像式检测方法
Image-based test method for vision module photoelectric performance
2023-01-01实施
2022-03-09发布
国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会
发布 GB/T41310—2022
目 次
前言
I
范围规范性引用文件
1
2
3 术语和定义
基本原理检测条件
N
5 6 仪器设备
检测样品 8 检测步骤 8.1 建立检测环境 8.2 基础光电参数的检测 8.3 空间非均匀性的检测 8.4 暗电流特性的检测 8.5 光谱灵敏度的检测 9数据处理 9.1 基础光电参数的数据处理 9.2 空间非均匀性的数据处理 9.3 暗电流的数据处理 9.4 光谱灵敏度的数据处理 10 检测报告参考文献
7
12 14 15 16 17 GB/T41310—2022
前言
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则 厂第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任，本文件由中国科学院提出。 本文件由全国光电测量标准化技术委员会（SAC/TC487）归口。 本文件起草单位：凌云光技术股份有限公司、中国计量科学研究院、西安远望图像技术有限公司、杭
州海康机器人技术有限公司、中国科学院空天信息创新研究院、中国科学院微电子研究所、中关村泛亚机器视觉技术产业联盟、深圳市凌云视讯科技有限责任公司、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国计量大学。
本文件主要起草人：张勇、冯兵、徐英莹、李琳骁、洪福星、朱勇、宣建楠、王颖、卢永红、霍云、李俊霖、 戚涛、朱晶、李鹏飞、潘芸、张淑琴。
II GB/T41310—2022
视觉模组光电性能的图像式检测方法
1范围
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、检测步骤、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。
规范性引用文件
1
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
术语和定义
3
GB/T2900.56—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，即该模组输出的数字信号随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quantumefficiency；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 system gain 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
1 GB/T41310—2022
3.6
暗电流 darkcurrent 在无光照条件和规定环境温度下，图像传感器正常工作时自发产生的电流，注1：也称无照电流。 注2：与环境温度和曝光时间呈正相关，
3.7
暗噪声darknoise 在无光照条件下，曝光时间为零或接近零时，图像传感器输出的固有噪声。
3.8
量化噪声 quantization noise 模拟信号转化为数字信号受像素位深限制而出现随机且均匀分布的量化误差。 注：也称量化误差，
3.9
动态范围 dynamic range;DR 图像传感器可输出的最大可用信号与最小可用信号的比值。
3.10
绝对灵敏度阈值 absolute sensitivity threshold 在规定照射条件下，当输出图像信噪比为1：1时，图像传感器单个像素或单位面积成像面在一个
曝光周期内的等效信号。
注：简称灵敏度。 3.11
饱和容量 saturation capacity 单个像素中线性可容纳的最大电荷量。
3.12
暗信号非均匀性 darksignal non-uniformity:DSNU 在无光照条件下，图像传感器各像素产生的输出信号与输出信号平均值的偏差。
3.13
光响应非均匀性 photo response non-uniformity;PRNU 在均勾光照条件下，图像传感器输出信号半饱和时，不同有效像素之间光电响应特性的偏差。
3.14
空间非均匀性 spatial non-uniformity 图像传感器不同像素间光电响应特性的偏差。
4基本原理
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入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。
光电转换
叠加暗电流
、线性模数转换
1
数字灰度值
电压信号
信号放大
光子
电子
图1视觉模组像素工作原理示意图
2 GB/T41310—2022
入射到像素上的一定数量的光子（，），经光电转换为一定数量的电子（，），与曝光时间内的暗电流（，)叠加后，被转换成电压再进行线性模数转换，模数转换中叠加了固定的量化噪声（。），最终形成数字灰度值（：，6)输出。其中，图像传感器像素曝光产生的光电子（e-）与其最终输出的数字灰度值（y）之间的转换关系定义为系统总增益（K）。视觉模组像素工作数学模型见图2。
量化噪声
暗噪声
光子噪声
量子效率 l, o 系统总增益 o
业 Hy oy
Hp op
光子数
电子数
数字灰度值
输入
输出
视觉模组（图像传感器/相机）
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，采集一
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
5 检测条件
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，检测
过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）。
仪器设备
6
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。
7检测样品
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；
c)
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
3 GB/T41310—2022
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曦
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 检测步骤
8.1 建立检测环境 8.1.1 搭建检测装置
根据图3搭建检测装置，步骤如下： a) 固定均勾单色光源位置； 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； f) 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
均匀照射
温度计被测视觉模组辐照度计
均匀单色光源
数据处理平台
温箱
图3检测装置示意图
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f=8；注1：f#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#三d/D b)i 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；光照非均匀性不大于3%。
c）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（Em)之差与平均照度（e） 4 GB/T41310—2022
比值的百分比表示AE EmaxEmit +100%。
ME
d
1
传感器
接口
1
图4盘形面光源照射图像传感器的示意图
8.2 2基础光电参数的检测
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：
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
1）
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
敏度阈值、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，
按照下列步骤进行图像采集：
c）
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 （L16）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勾性 8.4暗电流特性的检测 8.4.1暗电流检测
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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