一种提高光电传感器及感光材料弱光检测能力的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电信号检测;光电图像成像;银盐感光材料成像;非银感光材料成像技术领域。
【背景技术】
[0002]光学传感器，常见的包括利用内光电效应(光电导、光生伏特、光电磁、光子牵引)的传感器，例如:光电二极管、光敏电阻和CXD、CMOS、Cl S、红外成像器件等光电图像传感器；外光电效应的光电倍增管;包括银盐感光材料和非银感光材料在内的各种光化学检测记录介质。
[0003]对微弱光信号的检测和弱光环境的摄影摄像，在各领域均有很多的需求。为此发展了很多新型检测器件，例如:雪崩光电二极管;低照度CMOS图像传感器；电子轰击EBCCD;电子倍增EMCXD;以及InSb、PtSi等红外焦平面阵列。
[0004]虽然光学传感器的技术不断进步，但是在入射光信号及镜头等光采集装置确定时，特定器件均存在不同的动态范围、灵敏度(也称最低照度)和不同的非线性。
[0005]光电二极管(包括PIN与雪崩管)的线性最好，其它依次为光电池、光电三极管，光敏电阻的线性最差。动态范围分为线性动态范围与非线性动态范围。在线性动态范围方面，反向偏置状态的光电二极管动态范围最好，光电池、光电三极管、复合光电三极管较好，光敏电阻最差。光敏电阻的非线性动态范围比其它光电器件宽。光敏电阻的灵敏度最高，其它依次为雪崩光电二极管，复合光电三极管、光电三极管，光电二极管的灵敏度最低。光电二极管的暗电流与噪声最低。
[0006]典型的CXD (S卩TTL工艺(XD)和CMOS(即CMOS工艺CCD)图像传感器用具有光生伏特效应的反向偏置状态的光电二极管作为像敏单元，一般具有很好的动态范围和线性度，灵敏度较低。CCD的电流灵敏度与入射辐射波长的关系(光谱响应曲线)是很复杂的，对不同颜色的光线都有不同的敏感曲线。
[0007]银盐感光材料的线性度与灵敏度差异很大。负片的特性曲线比较倾斜，趾部、直线部和肩部特征明显，其感光度较高，较小的曝光量就可以产生适当的光学密度。正片的特性曲线比较陡直，趾部较短，肩部不明显，感光度低，需要较多的曝光量才能获得适当的影像密度。彩色正片或负片的三个彩色感光层对不同颜色的光线也有不同的敏感曲线。重氮等非银盐感光材料分辨力高，具有各自的敏感光谱及非线性。
【发明内容】
[0008]技术问题
当使用光电或光化学传感器对微弱光信号或高动态范围光信号的弱光部分进行检测时，检测设备受到光传感器或图像传感器及感光材料本身弱光检测和记录性能的局限而造成的不利影响十分明显。突出地表现在，当足够微弱的光信号通过镜头等光采集装置到达光学传感器或感光材料时，光信号强度可能仍然低于光传感器的最低照度(灵敏度一般用最低照度来表示)，或处于其输出特性曲线底部的非线性区域(曝光不足Under-exposure)时，见图1、图2、图3、图4，存在弱光部分的信号混为一片;很多用来描述昏暗环境的像素没有足够的时间接收足够的光子量，得出的检测值为O或检测值极低。这样就会导致昏暗部分的信息缺失，或信号层次分辨力降低、线性度差的缺点。且这种缺点难于在检测后的信号处理或图像处理过程中得到实质性的改善。一种解决办法是通过提高镜头通光口径或延长曝光时间从而增大曝光量来解决这一问题。但是在确定的光信号动态范围条件下，提高光信号强度是有极限的，且过度提高易导致高光部分超出传感器检测范围，形成曝光过度。并且需要付出增加光学镜头口径从而增加系统重量和制造成本，和过多延长曝光时间引起模糊和迟滞等代价。对数字摄影、数字摄像来说，另一种解决办法是利用部分设备可以记录无损压缩RAW格式原始数据或高码流高动态范围数据的能力，通过后期数字图像处理技术从原始数据中恢复一部分的弱光影像数据。但这种处理方式既带来额外成本，又难以对微弱光信号未能得到妥善检测和记录的情况予以实质性地改善，对于实时视频监控系统来说更难以实现。
[0009]对技术问题的解决方案
鉴于以上问题，本发明提出一种提高光电传感器或感光材料弱光检测能力的方法。通过实施一束或多束照射于光电传感器或感光材料的补充光，通过适当增加作用于传感器的光子数量，使其输入和输出均适度提高。令补充光的光强或者超出传感器最低照度进入其可测量范围，或者处于其光照特性曲线线性区域的合适位置。
[0010]在信号光测量的时间窗口内，使所述的补充光按照设定的强度与被测光信号共同照射于光电传感器或感光材料，共同参与光电传感器的光电转换过程或感光材料的光化学过程。使传感器接收到的光强度大于单纯来自信号源的光强度，并工作在可检测范围或输出特性的线性区域，从而改善其弱光检测能力。此后经模拟和数字信号处理过程得到测量结果数据。
[0011]通过执行独立的补充光测量过程。关闭信号光通道，测量、记录上述补充光对光传感器或感光材料的输出带来的“影响数据集”。可以全面测量并记录不同强度的补充光与不同的快门速度，不同的系统数据处理参数的各种组合情况下的“影响数据集”。也可以只测量少数几种曝光组合的数据，其它组合的数据根据该光传感器系统的数学模型计算获得。记录并在测量中重复使用此补“充光影响数据集”，直到它需要重新测量并修正。
[0012]可以根据对测量数据的使用需要，选择利用已知的“补充光影响数据集”，经过信号处理或数字图像处理方法消除补充光可能造成的测量结果数据值偏高的影响。该处理过程可以由光信号检测设备本身来处理，也可以在测量结束后由其它设备处理，得到修正补充光影响后的结果数据。对各种非线性传感器的修正要依靠其各自的光照特性来处理。对线性传感器，最简单的线性修正算法是将测量数据减去补充光影响数据:
F (Ls) = F(LsLr) -F(Lr)
设:当其它曝光参数相同时，Ls为信号光信号;Lr为补充光信号;F(Lr)为测量得到的“补充光影响数据” ；F(LSLr)为测量得到的“补充光与信号光共同作用”的测量结果；F (Ls)为修正补充光影响后的结果数据；“一”运算符为对应空间位置像素值或颜色值的减法运笪并ο
[0013]对于已知的特定光电图像传感器或感光材料，可以事先确知其光照特性曲线和光谱响应曲线。可以使用光强度稳定的、高信噪比的、发光强度可调的、到达感光传感器平面各部分光场均匀的、并具有适合光谱(可见光、红外线、紫外线、X光)的单个光源、多个单独光源、多个不同光谱的光源的组合作为补充光光源。光传感器的时间响应有一定的宽度，在宽度内对光强的瞬时起伏作了时间平均;传感器的入窗有一定的面积，在此面积内对光子的分布作了空间的平均。对不太弱的补充光，可认为是理想的信号。
[0014]补充光光源的照射目标为光电传感器入窗、光电图像传感器或感光材料底片的感光平面，可以由多个光源，根据传感器的特性从任何可以达到上述补光效果的方向或角度照射过来。
[0015]补充光与信号光应该分别直接照射于目标传感器，或经过各自的光学透镜、反射镜后照射于目标传感器。但是补充光与信号光不应该经过半透半反射镜等装置进行有信号损失的混合，以免影响信号光强度和信噪比。
[0016]依据不同光传感器的信号积分特性、快门类型及应用需求的不同，不要求所述的补充光与信号光在同一时间窗口照射传感器。补充光作用的时间窗口，可以与信号光作用的时间窗口相同，也可以不同。
[0017]补充光的发光强度应该是可以调整和关闭的，这将有利于不同光信号环境及不同曝光参数下细致地调整不同传感器的检测性能，并保证适当的检测动态范围。
[0018]除非需要，否则补充光的光强度应该是稳定的和高信噪比的，这样有利于在正式测量之前测得补充光对光传感器或感光材料的输出带来的“影响数据集”。并重复利用此“影响数据集”修正多份测量数据结果。
[0019]补充光作用于图像传感器时候，由于CCD/CM0S或感光材料对光谱响应的复杂性，可能需要补充光中的各颜色光的光强度不同；对于多个经过分光镜照射的传感器、多层彩色感光材料、多层光电元件的光传感器，因为各颜色感光器件或颜色感光层获得的光信号衰减不同，同样可能需要补充光中的各颜色光的光强度不同，以保证补充光对各个像素单元(或各色彩测量单元)的作用均匀且一致。
[0020 ]所述的光电传感器包括:各种光电二极管;光电三极管;光电池;光电