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图像传感器量子效率曲线“震荡”现象及其产生原因分析

图像传感器量子效率曲线“震荡”现象及其产生原因分析
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2021-12-16 10:55:35来源: 中国机器视觉网

在实验室使用ez1288图像传感器与相机性能测试平台为用户测量图像传感器(Sensor)量子效率曲线(QE Curve)中我们发现:有些图像传感器的量子效率曲线非常“平滑”,如图1;而另一些图像传感器的量子效率曲线有明显的“震荡”现象,如图2;在EMVA1288标准中,其QE Curve也是呈现出“震荡”现象,如图3。

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图1   某Sensor的实测QE曲线:平滑特征

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图2   某Sensor的实测QE曲线:有振荡特征

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图3   EMVA1288标准的示例QE曲线

尽管这种“震荡”的QE曲线看起来“正常”且常见,但某Sensor厂商希望他们的曲线与其它某些图像传感器一样,也是平滑的,而不是“震荡”的,想知道产生这种现象的原因,以便寻找消除或减轻此震荡的方法。对此现象,其他有几个Sensor厂商与相机厂商也都非常感兴趣,于是我们尝试寻找答案。

我们与图像传感器生产商、相机生产商、行业内的一些专家与用户,及一些大学的老师进行了交流讨论,大家提了多种可能,例如是否与半导体材料相关?初期我们没有得到一个明确的合理可信的答案。后来,南开大学的张天浩教授提出,此现象应该是由微透镜(Microlens)与Sensor感光层之间的一层“薄膜”引起的,如图4中红色箭头所指的那一层微透镜的基座膜。

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图4    图像传感器像元结构示意图

经Sensor厂商确认,他们Sensor的Microlens之下,确实有一层“膜”,是Microlens的“基座”。张教授指出,就是该“基座膜”产生的干涉导致了这种“震荡”现象,输出了锯齿状的QE曲线。这层“膜”的厚度决定了QE曲线的“震荡”周期,反之,根据QE曲线的“震荡”周期,他推测,“膜”的厚度在10微米左右。

如果张教授的判断是正确的,此“膜”的厚度会影响QE曲线的“震荡”周期,那么我们可以通过改变图像传感器与光轴之间的角度的方法,通过改变单色光的入射光路来间接改变此“膜”的厚度,如图5。图中,用两个蓝色箭头分别示意了垂直入射与45度角入射的测试条件。在不同的入射角度下,入射光线的光程不同,相当于间接地改变了膜的厚度。

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图5   在不同入射角下的测试所用单色光

图6显示了在垂直入射(蓝色D0)、30度角入射(橙色D30)与45度角入射(灰色D45)三种条件下测得的QE曲线。图中,用不同颜色的箭头标记出了6个特征峰,这6个特征峰的波长分别是:蓝色(460,710)、橙色(450,690)与灰色(430, 665)。由此得到这些特征峰之间的间隔分别是:250nm、240nm与235nm。尽管这些测试采用的步长是5nm,相对比较“粗”,但这些间隔的变化,以及特征峰值位置的变化已经明确地证实了震荡周期与光的入射角度相关,也即与“膜厚度”相关。我们认为,它证明了张教授的判断是正确的。

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图6    不同入射角度条件下的QE曲线实测结果

根据以上测试结果,我们可以确认,这种震荡的锯齿状的QE曲线与Sensor材料无关。推荐Sensor厂商从这个“膜”入手,来解决这个问题。这个“膜”,可能是Microlens的基座膜,也可能是Sensor玻璃面上的增透膜。

(文章作者:远望图像 冯兵)



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