CCD芯片量子效率的测量装置及其测量方法
2020-05-16
来源:世旅网
第42卷增刊l Vo1.42 No.S1 红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering 2013年6月 Jun.2013 CCD芯片量子效率的测量装置及其测量方法 邵晓鹏,王杨,高 鹏,许宏涛 (西安电子科技大学,陕西西安710071) 摘 要:CCD芯片的量子效率表示在曝光时间内到达像素光敏面的光子转换为电子的百分比.与器件的 几何结构、材料等有关,是评价CCD芯片性能的最主要因素之一。通过一定的测量装置及相应的测量方 法对CCD芯片的量子效率进行测量,才能对CCD芯片的成像性能做出客观评价。因此,根据欧洲机器视 觉协会制定的EMVA1288标准设计了一套CCD芯片量子效率的测量装置,并且阐述了基于量子效率的测 量方法,解决了单色光生成以及对于不同CCD测量时的兼容性问题。经过反复论证,该测量装置和方法 具有通用性强、高精度和高稳定度等优点。 关键词:量子效率;CCD芯片;量子效率;测量装置;测量方法 中图分类号:TN386.5 文献标志码:A 文章编号:1007—2276(2013)S1—0103—04 Measurement method and setup of the quantum eficifency for charge coupled devices Shao Xiaopeng,Wang Yang,Gao Peng,Xu Hongtao (School of Technical Physics XiDian University,Xi’an 710071,China) Abstract:The quantum efficiency of charge coupled devices ref ers to the percentage that the photons reaching the sensitive area conveas tO electrons during the exposure time,determined by the geometry structures of the device, material and SO on,which is one of the most important factors to evaluate performance of the charge coupled de— vices.Measuring the quantum eficifency of CCD with a certain measuring equipment and method,the objective es- timation of imaging performance can be obtained.Therefore,a setup of measuring the quantum eficiency of charge fcoupled devices was designed according to the EMVA 1 288 standard developed by the European Machine Vision Association and elaborated a measuring method based on quantum eficiency was discussed.The method solved fproblems of the system measurement for the compatibility of different CCD,as well as monochromatic light genera— tion.By persistent demonstration,the setup and method have the advantages of good commonality,measurement precision and stability. Key words:quantum eficiency;f charge coupled devices; quantum efficiency; measurement setup; meas— Ulrement meth0d 收稿日期:2013一O1—26; 修订日期:2013—02—10 作者简介:邵晓鹏(1973一),男,主要从事光电图像处理与模式识别方面的研究。Email:xpshao@xidian.edu.cn l04 红外与激光工程 第42卷 的图像传感器、相机进行性能参数标定。 0引言 CCD芯片的量子效率定义为在某一特定波长的光 国外一些天文台对CCD芯片性能参数测量系统研 究较多。亚利桑那大学的斯图尔德天文台(Steward Ob— servatory)于1996年开发了一种CCD性能参数测量装 置。1998年,欧洲南方天文台开发了一套ESO CCD Test 照下,在一定曝光时间内,单个像素光敏面的吸收与累 积的平均电荷数与辐射的平均光子数的比值…。它表 示CCD芯片在曝光时间内将到达像素光敏面的光子转 换为电子的百分比,在微观上描述了CCD芯片的光谱特 bench摄像机测试系统。2004至2005年期间,劳伦斯伯 克利国家实验室设计研制了一套设备用来测量航天用 CCD的量子效率。2009年,美国斯坦福国际研究中心的 一性 J,与器件的几何结构、材料等有关,是衡量CCD芯片 性能的最主要因素之一。但是在CCD芯片的研制和应 用当中,由于加工和测量技术的限制,以及CCD芯片应 个附属机构——萨诺夫公司开发了一套相机测试系 统(Samoff’S Camera CommanderTM Test System),该套系 统已可以完全满足EMVA1288标准的测量要求。 在国内,中国科学院长春精密仪器研究所于1994 年建立了国内第一套CCD光电参量测试系统,后逐步对 用环境的不同,导致CCD芯片的实际量子效率与厂商给 出的测量值具有一定的差异,而在一些关键应用领域, 需要定量了解CCD芯片的实际量子效率,从而对采集到 的数据进行合理的校正,得到更好更准确的结果。例 如,在CCD应用系统的设计当中,一个极其关键的环节 就是对CCD芯片进行选型,并对它的性能参数进行测 其进行改进,并于2001年设计了一种新型光路可伸缩的 CCD器件光电参数测试装置。2006年,天津大学与华中 科技大学参考Corot CCD Testbench测试系统和ESO CCD Testbench测试系统,设计了基于积分球光源和视 量,量子效率就是其中最重要的参数之一,在很大程度 上决定了探测系统的性能 。因此,有必要提出一种 频信号处理的CCD摄像机感光参数测试系统,但没有实 现对CCD芯片本身的量子效率及其它各项参数的测量。 针对以上存在的问题,拟按照EMVA1288标准规 方法来有效的测量CCD芯片的量子效率,从而对其输出 数据进行处理后,得到更切合实际的结果 。 。同时,该 方法也适用于CCD芯片的研制、筛选和评估。 关于CCD芯片性能参数的测量,国外目前有两个 标准:(1)ESA/SCC Basic Speciifcation No.25000标准。 该标准由欧空局(European Space Agency,ESA)于1993 定的方法,研制一套通用性强、高精度和高稳定度的 CCD芯片量子效率测量装置。该装置可测量较宽的光 谱范围(300~1500nm),能够灵活设置CCD测量环境 温度(100~298K)。 年提出。主要包括各参量的定义、测试设备、电气一光 电测试原理、方法和条件。(2)EMVAI288标准。该标 1测量装置及方法 系统根据EMVA1288标准设计的结构框图如图1 所示。 准由欧洲视觉协会(European Machine Vision Associa— tion,EMVA)制定和完善,主要针对机器视觉应用领域 兽; i 辞 } Momantiocc lhigroht. 呈 H 。 。 s “dard d I PID temperature Testim ;cc。 l controller LL Uniform light \ ; 1 Host computer USB 。。 “ 。” “1 : , r 詈 communicat on circuitf. l co~eter I 图1测量系统框图 Fig.1 Measurement structure diagram 增刊1 邵晓鹏等:CCD芯片量子效率的测量装置及其测量方法 1 O 0 O O O O O 0 0 1O5 由图1可知,该系统主要包括如下几个部分:可调 单色光源、积分球一暗室、杜瓦瓶温控室、主控电路系 令和参数,接收并计算待测CCD芯片的量子效率。 ∞ 舳" ∞ 测量时,确定连接各处的密封性后,首先将待测 CCD芯片和标准探测器置于杜瓦瓶温控室中,设置好 系统的工作温度后,主控计算机通过串口驱动调节可 统和计算机 。其中:可调单色光源系统采用光谱范 围为200~2500nm、功率为500瓦的氙灯光源和单色 仪组成,输出光谱分辨率为10nm并且连续可调的单色 光。单色仪采用双光栅,在300~1500nm内的光栅效 调单色光源,输出带宽为10nm的单色光,经过积分球 和暗室变为均匀光后,同时照射在待测CCD和标准探 率高于50%。 积分球采用直径为20英寸的漫反射球体,其入口 直径为2英寸,出口直径为4英寸,内表面涂层为 Spectralon,保证输出辐射均匀度>98%的均匀光。由 辐射理论可知,积分球输出的面阵光距端口越远,均匀 度越好,但辐照度也越小,如图2所示。经综合考虑, 将待测CCD放置在距离积分球输出端口约80cm处, 这样同时满足的光的均匀性和辐射度的要求。为了防 止在这段光路上周围杂散光的干扰,设计暗室采用长 度为80cm的长方体黑箱结构,材料为木质,该黑箱内 部涂有黑色涂层,使其具有良好的不透光性,黑箱的顶 端设有能够活动的盒盖,两端各有一个开孔,分别用于 密闭连接积分球的出口和杜瓦瓶温控室 。 誊 重. 量 墨 童 蛋 Dlstanceffom the output port/cm 图2辐射均匀度与距输出端口距离关系 Fig.2 The relationship between the uniformity and distance from source 杜瓦瓶温控室中放置有待测CCD芯片、标准探测 器和PID温控仪。这样放置同时接受均匀光的照射, 通过皮安表对标准探测器输出电流的监测,能够保证 在整个过程中测量条件相同和稳定; 主控电路系统包括CCD通用驱动电路和USB通 信电路,CCD通用驱动电路由时序模块、电压模块和接 口模块构成。该电路通过硬件设计和软件代码的编 写,实现了对不同厂家CCD芯片的驱动,解决了该装 置测量的兼容性问题;主控计算机内部设有控制模块 和图像处理模块,其控制模块包括串口驱动子模块和 USB驱动子模块两部分,串口驱动子模块用于控制调 节单色仪和皮安表,同时,USB驱动子模块下发测量命 测器上,主控电路驱动CCD芯片工作并将采集到的图 像信息通过USB接口上传给主控计算机,主控计算机 根据获取的图像信息计算出图像的平均灰度值和灰度 值的方差;同理,在黑暗条件,即无光照射的条件下,主 控计算机再次获取图像信息。最后主控计算机由两组 图像信息经过数学运算处理,计算得到待测CCD芯片 的量子效率。其具体的测量流程如下: (I)将待测CCD芯片放置在测量系统的杜瓦瓶温 控室中,该杜瓦瓶温控室开有入射窗,入射窗的透过率 要求对入射光的透过率达到98%以上,将CCD芯片与 控制电路对应接口相连,该控制电路用于控制CCD芯 片成像和调节杜瓦瓶温控室的温度,杜瓦瓶温控室的 温度即为CCD芯片的工作温度; (2)在CCD芯片附近放置标准探测器,该探测器已 经标定好,用于测量光源功率,为其后的计算提供光功率 参考值。并且在测量过程中,通过对标准探测器的输出电 流实时监测,保证整个过程中的测量条件一致和稳定; (3)通过CCD芯片自带的电子快门调整CCD芯片 的积分时间,控制CCD芯片的曝光量,如果CCD芯片的 电子快门不满足应用需求,则需要在入射光路中间添加 快门装置,一般添加在入射窗前或波长可调单色均匀光 源系统之前,使用该快门装置调节CCD芯片的曝光量; (4)按照应用需求和CCD芯片的响应波长范围选 取波长宽度△A、扫描波长范围[A 、A ]、扫描波长间隔 A 其中波长宽度△A需要小于50nm,扫描波长范围要 将CCD芯片的波长响应范围包含在内,扫描波长间隔 / ̄int要小于两倍的波长宽度,设置起始波长为A ,截止波 长为A ,从起始波长开始,依次叠加扫描波长间隔A , 直到波长达到A 为止,得到一系列波长值,以这些波长 值作为参数,控制光源系统产生相应波长的单色光; (5)每设置一次单色光波长,用CCD芯片拍摄两 组图像,每组拍摄的图像张数大于5,其中拍摄第一组 图像时选取的积分时间需要使CCD芯片达到50%曝 光量或以上,所得图像称为亮图像,拍摄第二组图像 时,使用与拍摄第一组图像相同的积分时间,但此时需 106 红外与激光工程 第42卷 要关闭快门,所得图像称为暗图像,所有拍摄的图像均 通过控制电路上传到计算机当中,接下来使用配套的 计算机软件对这些数据进行处理得到测量参数; (6)从第一组图像和第二组图像中各抽取中间的 两张亮图像和两张暗图像; (7)利用抽取的图像计算CCD芯片及其控制电路 的总的增益 ,称为系统增益: 1)从两张亮图像和两张暗图像中各选取一张,分 别计算选取的亮图像和暗图像的平均灰度值 和 : ./x 。 y [m][n] (1) 。 ),z[m][n] (2) 其中,Y。、Y 分别代表选取的亮图像和暗图像, 、 Ⅳ分别为拍摄图像的行像素数和列像素数,这两个尺 寸可以从CCD芯片的产品手册中得到或者从图像信 息中统计出来; 2)使用抽取的两张亮图像计算亮图像方差 :: 2M=IN-I: [m-11 ̄-1 (yA[m][,. .[m] ]_y Em一y ][] ])z)(3)… (3) 其中,Y 、Y 分别代表亮图像中的第一张和第二 张; 3)使用抽取的两张暗图像计算暗图像方差 :,: ‘ 2 : I. ̄I- (), 。(),,c[m][。[m] ]一y。Em一y。][]㈨ ])z) (4)(4) 。 其中,Y 、Y。分别代表暗图像中的第一张和第二 张; 4)根据以上得到的参数计算系统增益K: K: (5) y 一 y (8)利用步骤6中抽取的四张图像计算CCD芯片 的响应度尺: R: (6) 其中为CCD芯片单个像素点的平均光子数,A为 CCD芯片单个像素点的面积,E为照射到CCD芯片上 的单色光功率,texp为拍摄抽取亮图像时所用的积分时 间,为拍摄抽取亮图像时照射到CCD芯片上的单色光 波长,h为普朗克常数,C为光速; (9)由系统增益K和响应度R最终求得CCD芯片 的量子效率: (A)= R (7) 2结束语 笔者根据EMVA1288标准,设计了一套测量CCD 芯片量子效率的装置,并阐述了其测量方法,该方法选 取的数据采用拍摄多张,选取中间部分图像,很好的排 除了成像系统的误差,提高了测量参数的精度。对于 空间方差的计算采用取多张图像求平均的方式,基本排 除了时域方差的影响,使测量的空间非均匀性更准确。 另外,由于使用标定过的探测器对入射单色光光强进行 标定,能够计算出量子效率和响应度的绝对值,相对于 相对量子效率和相对响应度,对用户更有参考价值。 在接下来的工作中,我们将对更多不同厂家的 CCD芯片进行测试,进一步验证装置的通用性和兼容 性。在此基础上,开发出一套全自动的测量软件,实现 整个过程的全自动化测量。 参考文献: [1] EMVA Standard 1288:Standard for characterization of image sen— SOtS and cameras.Release 3.0,2010,11:5—6. 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