CN104065956B - 一种图像传感器的检测和标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种图像传感器的检测和标定装置，包括：一光源，用于提供一光束；该光束经过第一光栅、一透镜和第二光栅后发生干涉；该干涉图像经该图像传感器采集，根据该干涉图像检测并标定该图像传感器，其特征在于，该第一光栅的周期等于该第二光栅的周期乘以该透镜的3倍率。本发明同时公开一种图像传感器的检测和标定方法。

Description

一种图像传感器的检测和标定装置及方法

技术领域

本发明涉及集成电路装备制造领域，尤其涉及一种图像传感器的检测和标定装置及方法。

背景技术

图像传感器能够实现光信号到电信号的转换，从而广泛应用于航空航天和图像传感领域。图像传感器一般可分为CMOS和CCD两种，这两种图像传感器都有光电响应特性，即输入光强信号和输出电信号之间存在一定的关系。理想情况下，输入光强与输出电信号之间为线性关系，实际输入和输出之间并不是一个理想的线性关系，而是存在非线性误差，非线性误差可以认为是期望输出和实际输出的偏差。同时各个像素光电响应特性线性系数（灵敏度）也不同。通过对灵敏度和非线性进行检测和标定，可以提高图像传感器测量的精度。

目前对传感器光电特性进行标定存在多种方法，如专利CN200910024039.6《一种CCD探测器标定方法和装置》中所描述的标定***由激光器、衰减器、积分球、图像传感器组成，通过探测不同照明光强下图像传感器的输出，来对光电响应特性进行标定。该方案中需要通过积分球来达到均匀照明的效果，开销较大，而且照明均匀程度直接影响测量精度。与此不同，通过小孔夫琅和费衍射法标定光电响应特性的方法，无需均匀照明，而是通过实际衍射图像和期望衍射图像之间的差异，来标定图像传感器的光电响应特性。这种方法和其他衍射标定方法类似，都需要引入像元对准过程，对准的误差会影响测量精度,而且此类衍射法标定的整个传感器的光点响应特性，无法对各个像素的光电响应特性进行标定。

实际上，在使用图像传感器时，更关心的是各个像素的灵敏度和非线性，尤其对于干涉测量，像素的灵敏度差异带来的误差很小，像素非线性带来的误差较大。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种图像传感器的检测和标定装置及方法，用于解决图像传感器的光电响应特性的检测问题。通过检测灵敏度和非线性可以标定出部分与传感器平均灵敏度差别较大的像素。在使用图像传感器时，可以通过直接剔出或者插值的方法对这些坏像素进行处理，从而减小其对测量结果的影响。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种图像传感器的检测和标定装置，包括：一光源，用于提供一光束；所述光束经过第一光栅并发生衍射，经一透镜汇聚到第二光栅后发生衍射，衍射光发生干涉，所述第一光栅与所述第二光栅相互匹配，所述第一光栅可以移动以进行移相调制；所述干涉图像经所述图像传感器采集，根据所述干涉图像检测并标定所述图像传感器。

更进一步地，所述光源与所述第一光栅之间包括一衰减片，用以调节照明光强。

更进一步地，所述第二光栅与所述图像传感器之间的距离可变，用以调整测量光斑大小。

本发明同时公开一种图像传感器的检测和标定方法，包括：光源发出一光束依次经过第一光栅并发生衍射，经一透镜汇聚到第二光栅后发生衍射，衍射光发生干涉，其中所述第一光栅与所述第二光栅相互匹配，所述第一光栅可以移动以进行移相调制，所述图像传感器采集所述干涉图像，根据所述干涉图像检测并标定所述图像传感器。

更进一步地，所述光源与所述第一光栅之间还设置一衰减片，用以调节照明光强。

更进一步地，所述第二光栅与所述图像传感器之间的距离可变，用以调整测量光斑大小。

更进一步地，该根据该干涉图像检测并标定该图像传感器具体包括：

（a）、调整测量光斑达到期望大小并调整所述光束的照明光强；

（b）、关闭所述光源，测量暗电流Idark；

（c）、打开所述光源，对所述第二光栅移相后发生干涉，且所述图像传感器采集所述干涉图像；

（d）、根据所述干涉图像补偿暗电流，计算所述图像传感器的校正输出I和理想输入Iideal：

I = Idetect-Idark，Idetect为探测到的传感器输出数字信号;

Iideal = Acos(θ) + B，A为所述图像传感器测量到的振幅，θ为移相相位，B为常数项；

（e）、对所述校正输出I进行余弦拟合：

I = A’cos(θ’) + B’，A’为拟合得到的振幅，θ’为拟合得到的移相相位，B’为拟合得到的常数项；

（f）计算各像素相对灵敏度sensitivity、平均灵敏度sens_mean和非线性nonlinearity:

sensitivity = A/A’；

sens_mean = mean(sensitivity)；

，Rmax为理想输入Iideal与校正输出I的最大偏差，Imax为校正输出I的最大值；

（g）、将灵敏度与平均灵敏度相差较大的像素点、非线性较大的像素点、暗电流较大的像素点标定为坏像素点。

更进一步地，该步骤d还包括：在计算理想输入之前，先标定所述图像传感器与所述光束光轴之间的位置关系。

本发明与现有技术相比，进步效果主要体现在：

第一、与传统的通过积分球来产生均匀照明光的检测方法相比，本方法由于无需均匀光照明所以无需使用积分球。同时检测的精度由移相精度决定，而相对于一个几十微米的周期性光栅标记，并不难实现0.1%的移相精度，可以实现较高精度的测量，当然也可以通过使用大周期的标记进行测试以减轻对运动台的精度要求。

第二、与小孔夫琅和费衍射法或者双缝干涉法测量相比，本方案通过移相干涉行测量，可以避免像元对准所带来的误差，而且本方案可以通过调整干涉区域的大小，对传感器各个像素进行标定。

第三、同时本方案适用于物镜测试平台，由于物镜测试平台本身不具备大视场均匀照明及小孔夫琅和费衍射法的测量条件，而本方案所需测量设备与像传感器分***完全一致，可以直接使用。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1所示为本发明所使用的图像传感器的光电响应特性的检测装置的结构示意图；

图2是通过移相产生线性变化的入射光的示意图；

图3是利用本发明所示出的方法的非线性测试仿真结果图；

图4是利用本发明所示出的方法的灵敏度测试仿真结果图；

图5是本发明所示出的图像传感器的检测和标定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

本发明中采用的图像传感器的光电响应特性的检测装置如图1所示，该装置包括：光源1，光栅2，透镜3，光栅4，图像传感器5，衰减片6，控制器7。光栅2和光栅4分别位于透镜3的物面和像面。光源要求相干性较好，比如激光光源。光栅2和光栅4为相互匹配的光栅，相互匹配是指：光栅4周期等于光栅2周期乘以透镜3的倍率。

光源1发出的照明光通过相互匹配的光栅2和光栅4后发生干涉，这样图像传感器5可以采集到干涉图像。通过控制器7移动光栅2进行移相调制，图像传感器将采集到一组干涉图像。理想情况下该组图像干涉区域内像素的输出将完全符合余弦变化，但实际像素的输出是余弦信号和暗电流以及噪声的叠加。通过暗电流补偿可以消除暗电流的影响，那么消除暗电流影响后的每个像素输出就可以用于计算非线性。非线性较大或灵敏度存在明显差异的像素可以认为是坏像素。通过调节图像传感器5和光栅4的距离，以及衰减片，可以调节干涉光强，从而在传感器输出范围内对整个传感器的像素进行检测。

本技术方案中每个像素的输入光可以是余弦变化，也可以通过调整每次移相的大小获得等间距变化，从而达到更高的测量精度，参照图2。无论何种方法，都不会像小孔夫琅和费衍射法标定那样引入像元误差。

如图1所示，激光器(193nm)发出的照明光经过光学衰减装置(毛玻璃)后照射到光栅2上(周期为48微米)并发生衍射，然后再经过透镜3（透镜倍率为0.25）汇聚到光栅4（周期为12微米）发生二次衍射，不同衍射级次光（0，+1，-1级）发生干涉，使用二维传感器可以采集到远场干涉条纹。干涉条纹区域的大小由光栅4到图像传感器5之间的间距决定。如图5中所示，该图像传感器的检测和标定方法具体包括：

501.根据需要标定传感器的区间大小，调整图像传感器与光栅4之间的间距,使得测量光斑达到期望大小。

502.调整衰减片使得照明光强能够覆盖整个传感器输出范围。以一个输出范围(0-1024)的传感器为例，调节衰减片使得传感器采集到的光强能达到900左右。对于一个传感器而言，并不是所有输出区间都是线性区间。比如上面举例的传感器，很有可能(950-1023)区间的线性度并不好，所以照明光强的调整也需要结合传感器本身来进行。传感器将入射光信号转换成电信号，再通过A/D转换，转换成数字信号。

503.关闭光源，测量传感器输出的暗电流Idark。

504.打开光源，通过控制器控制光栅2进行移相，图像传感器5采集干涉图像。

等间距移相测量 N次，直到移相距离达到一个光栅周期。移相范围也可以大于一个周期，增大移相范围可以提高测量精度，但是会增加测试时间。

505.根据采集到的一组图像，针对干涉区域内的像素使用如下公式补偿暗电流，计算校正输出I：

I = Idetect-Idark

Idetect为探测到的传感器输出数字信号，Idark为步骤503测量到的暗电流输出数字信号。

506.计算理想输入Iideal：

Iideal = Acos(θ) + B

A为传感器测量到的振幅，θ为移相相位，B为常数项。计算理想输入时需要考虑余弦辐射，以光斑中心位置作为余弦辐射中心位置来进行计算。

507.余弦辐***确校准。

通常情况下，通过拟合振幅和拟合残差已经可以计算出传感器的非线性和灵敏度，但是实际上使用光斑中心计算余弦辐射效应存在误差，会影响最终的测量精度。所以如果需要更精确的标定传感器灵敏度和非线性，那么就需要标定传感器与光轴之间的位置关系。该位置关系可以通过正负离焦测量来进行标定。假设标定后的传感器各像素位置可以表示为Pixel(x,y),光瞳坐标可以表示为Pupil（m，n），可以通过光线追迹计算出传感器像素在光瞳坐标下的位置Pupil（m_pixel,n_pixel）,那么该像素的权重Weight就是其在光瞳坐标系下的面积除以其在传感器坐标系下的面积。那么校准后的理想输入光强可以表示为：

Iideal = Acos(θ)*Weight + B

A为振幅，θ为移相相位,Weight为像素对应的权重。

508.计算各像素灵敏度和非线性。

传感器的理想输入Iideal和校正输出I之间的关系可以通过下式来表示：

I = sensitivity* Iideal + offset

sensitivity就是传感器灵敏度，offset为偏置。

计算非线性：

Rmax为理想输入Iideal与校正输出I的最大偏差即残差，Imax为校正输出I的最大值。

计算灵敏度时，首先根据校正输出I进行余弦拟合：

I = A’cos(θ’) + B’

A’为拟合得到的振幅，θ’为拟合得到的移相相位,B’为拟合得到的常数项

像素之间的相对灵敏度可以表示为：sensitivity = A/A’

计算传感器平均灵敏度sens_mean = mean(sensitivity)。

将灵敏度与传感器平均灵敏度相差较大的像素点、非线性较大的像素点、暗电流较大的像素点标为坏像素点。检测和标定流程结束。

一个100*100像素的传感器，在移相精度为0.2%时，使用本测试方法16步移相测量仿真结果如图3和图4所示，非线性标定精度达到0.3%，灵敏度标定精度为0.35%。实际在光刻机中，标记周期为48微米，而运动台精度为几个纳米数量级，所以实际移相精度远高于0.2%，完全可以达到更高的精度。

对于一个已经通过传统标定方法标定过光电响应特性图像传感器，由于老化或者其他原因需要再次标定时，可以按照上文所述的实施例进行再次标定，同时确定某像素点不满足光电响应特性后，一般需要重新标定的像素比较少，可以使用如下方法再次标定其光电响应特性：

1.确定需要再次标定的像素；

2.根据该像素点的信号输出余弦变化曲线确定其初始相位；

3.根据其初始相位确定一种移相方式，该方式可使得该像素在移相过程中的输入光强为线性等间距变化。同时输入光强采样次数应当比实施例1更多，以提高检测精度；

4.移相并采集图像；

5.计算该像素的灵敏度和非线性；

6. 将灵敏度与传感器平均灵敏度相差较大的像素点、非线性较大的像素点、暗电流较大的像素点标为坏像素点。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种图像传感器的检测和标定方法，其特征在于，包括：光源发出一光束依次经过第一光栅并发生衍射，经一透镜汇聚到第二光栅后发生衍射，衍射光发生干涉，其中所述第一光栅与所述第二光栅相互匹配，所述第一光栅可以移动以进行移相调制，所述图像传感器采集干涉图像，根据所述干涉图像检测并标定所述图像传感器，其中，

所述根据所述干涉图像检测并标定所述图像传感器具体包括：

（a）、调整测量光斑达到期望大小并调整所述光束的照明光强；

（b）、关闭所述光源，测量暗电流Idark；

（c）、打开所述光源，对所述第一光栅移相后在第二光栅发生干涉，且所述图像传感器采集所述干涉图像；

（d）、根据所述干涉图像补偿暗电流，计算所述图像传感器的校正输出I和理想输入Iideal：

I = Idetect-Idark，Idetect为探测到的传感器输出数字信号;

Iideal = Acos(θ) + B，A为所述图像传感器测量到的振幅，θ为移相相位，B为常数项；

（e）、对所述校正输出I进行余弦拟合：

I = A’cos(θ’) + B’，A’为拟合得到的振幅，θ’为拟合得到的移相相位，B’为拟合得到的常数项；

（f）计算各像素相对灵敏度sensitivity、平均灵敏度sens_mean和非线性nonlinearity:

sensitivity = A/A’;

sens_mean = mean(sensitivity)；

，Rmax为理想输入Iideal与校正输出I的最大偏差，Imax为校正输出I的最大值，mean为求平均值；

（g）、将灵敏度与平均灵敏度相差较大的像素点、非线性较大的像素点、暗电流较大的像素点标定为坏像素点。

2.如权利要求1所述的图像传感器的检测和标定方法，其特征在于，所述光源与所述第一光栅之间还设置一衰减片，用以调节照明光强。

3.如权利要求1所述的图像传感器的检测和标定方法，其特征在于，所述第二光栅与所述图像传感器之间的距离可变，用以调整测量光斑大小。

4.如权利要求1所述的图像传感器的检测和标定方法，其特征在于，所述步骤（d）还包括：在计算理想输入之前，先标定所述图像传感器与所述光束光轴之间的位置关系。