一種基於光斑的電荷耦合器件電荷轉移效率通用測試方法與流程
2023-07-16 07:27:51
本發明涉及圖像傳感器檢測技術領域，涉及一種基於光斑的電荷耦合器件電荷轉移效率通用測試方法。
背景技術：
電荷耦合器件最重要的參數就是電荷群的轉移效率，它的高低直接反映器件的設計與工藝水平，器件能否正常工作，性能好壞也主要取決於它。電荷群在電荷耦合器件中轉移時受很多因素的影響，使其不能完全地由一個電極下的勢阱裡轉移到另一個電極下的勢阱裡，總有些損耗，不好的轉移效率將造成信號幅度、相位、頻率等的失真。因而引起圖像模糊不清,畸變很大,直至顯不出圖像,因而在研製電荷耦合器件時首先就是要測出其轉移效率,加以分析後再返回工藝,以提高器件水平。
電荷轉移效率是指信號電荷在電荷耦合器件轉移溝道內轉移時，進行一次電荷轉移的過程中，正確轉移的電荷與轉移前電荷的比值。電荷轉移效率的測試方法一般有4種，分別為：周期脈衝技術、x射線堆積線徑跡方法、擴展像元邊緣響應法和首像元響應法。其中，周期脈衝技術需要對電荷耦合器件晶片進行特殊設計。x射線堆積線徑跡方法需要對x射線輻照劑量進行控制，對測試裝置要求高，難以表徵高cte(5個9或者6個9以上)的變化。首像元響應法依賴於脈衝頻率的控制，僅適用於幀轉移結構。擴展像元邊緣響應法不要求特殊的設備，只要求提供穩定的平面光場(採用積分球可以實現)，一致性好，但該方法要求器件像素單元有抗暈結構，否則對光強等條件有較高要求。
本發明提出一種基於光斑的電荷耦合器件電荷轉移效率通用測試方法，該方法對器件工藝沒有特殊要求；而且該方法用尺寸為毫米量級的小光斑即可完成測試，避免了採用微米量級光斑並且必須對應幾個像元導致的測試難度。該方法採用幾個像元的輸出電荷包進行統計，避免了單個像元導致的誤差，適用於兩通道及以上的電荷耦合器件的地面電荷轉移效率測試。本發明具有一定通用性，操作簡單，可以較準確的測出電荷耦合器件的水平、垂直轉移效率，為表徵傳感器的性能及變化程度以及對極端環境下性能退化的預測提供了有效可行的方法。
技術實現要素：
本發明的目的在於，為表徵電荷耦合器件性能及變化程度以及對極端環境下性能退化的預測難題，提供一種基於光斑的電荷耦合器件電荷轉移效率通用測試方法，該方法涉及裝置是由靜電試驗平臺、積分球光源、滷鎢燈光源、會聚球面鏡、樣品測試板、電荷耦合器件樣品、導軌、三維樣品調整臺、直流電源、暗箱、光學準直套筒和計算機組成，將電荷耦合器件樣品正對積分球光源出光口，首先進行暗場測試，計算出a、b、c三個通道暗場所有像素位置的灰度值的平均值；再進行亮場測試，計算出三個通道亮場所有像素位置的灰度值的平均值；通過計算得到b、c通道相對於a通道的增益係數；再移動樣品使其與滷鎢燈光源、光學準直套筒、會聚球面鏡在一條直線上，計算暗場條件下樣品從三個通道輸出的所有像素位置灰度值的平均值；打開滷鎢燈光源進行亮場測試，計算樣品連同光斑中心在內的25個像元的信號灰度值之和，求出三個通道去除本底信息的信號，最後根據公式求解出水平轉移效率和垂直轉移效率。本發明所述方法具有一定的通用性，操作簡單，可以較準確的測出電荷耦合器件的水平、垂直轉移效率。
本發明所述的一種基於光斑的電荷耦合器件電荷轉移效率通用測試方法，該方法涉及裝置是由靜電試驗平臺、積分球光源、滷鎢燈光源、會聚球面鏡、樣品測試板、電荷耦合器件樣品、導軌、三維樣品調整臺、直流電源、暗箱、光學準直套筒和計算機組成，在靜電試驗平臺(1)上分別設有積分球光源(2)和導軌(3)，在導軌(3)上固定有三維樣品調整臺(4)，在三維樣品調整臺(4)上固定有樣品測試板(5)，在樣品測試板(5)上放置電荷耦合器件樣品(6)，樣品測試板(5)分別與直流電源(7)、計算機(8)連接，滷鎢燈光源(10)與光學準直套筒(11)連接，具體操作按下列步驟進行：
a、將電荷耦合器件樣品(6)固定在樣品測試板(5)上，再將樣品測試板(5)分別與直流電源(7)和計算機(8)相連，在導軌(3)上固定有三維樣品調整臺(4)，在三維樣品調整臺(4)上固定有樣品測試板(5)，利用三維樣品調整臺(4)在導軌(3)上滑動，以及三維樣品調整臺(4)自身的上下、左右調整，使電荷耦合器件樣品(6)正對著積分球光源出光口，然後將暗箱(9)罩上電荷耦合器件樣品(6)，開始進行暗場測試，暗場測試時需關閉測試室中所有照明光源和積分球光源(2)，同時將暗箱(9)上的通光口用遮光蓋蓋上，計算機(8)上安裝的測試軟體連續採集10幀灰度圖像，分別計算a、b、c三個通道暗場所有像素位置的灰度值的平均值sa。d、sb。d、sc。d；
b、打開暗箱(9)上的遮光蓋，同時打開積分球光源(2)，並保持測試室中其他照明光源關閉，開始進行亮場測試，計算機(8)上安裝的測試軟體連續採集10幀灰度圖像，分別計算a、b、c三個通道亮場所有像素位置的灰度值的平均值sa。l、sb。l、sc。l；
c、分別用a、b、c三個通道亮場所有像素位置的灰度值的平均值sa。l、sb。l、sc。l減去相應三個通道暗場所有像素位置的灰度值的平均值sa。d、sb。d、sc。d，得到去除本底信息的信號sa、sb、sc，再計算出b通道相對於a通道的增益係數gb/a和c通道相對於a通道的增益係數gc/a；
d、利用三維樣品調整臺(4)在導軌(3)上的滑動以及三維樣品調整臺(4)自身的上下、左右調整，使電荷耦合器件樣品(6)和滷鎢燈光源(10)、光學準直套筒(11)和會聚球面鏡(12)在一條直線上，打開滷鎢燈光源(10)，使經過會聚球面鏡(12)後出射光斑的焦平面剛好與電荷耦合器件樣品(6)的上表面重合，並使光斑邊緣與電荷耦合器件樣品(6)的左邊緣和上邊緣對齊；
e、將暗箱(9)罩上電荷耦合器件樣品(6)，開始進行暗場測試，暗場測試時需關閉測試室中所有照明光源和滷鎢燈光源(10)，同時將暗箱(9)上的通光口用遮光蓋蓋上，計算機(8)上安裝的測試軟體連續採集10幀灰度圖像，分別計算暗場條件下電荷耦合器件樣品(6)三個通道輸出的所有像素位置灰度值的平均值sa.dark、sb.dark、sc.dark；
f、打開暗箱(9)上的遮光蓋，同時打開滷鎢燈光源(10)，並保持測試室中其他照明光源關閉，開始進行亮場測試，計算機(8)上安裝的測試軟體連續採集10幀灰度圖像，找到信號灰度值最大的像元即為光斑中心，調節光強，使光斑中心的灰度值在飽和灰度值的40％-60％範圍內，選取與光斑中心行列數相差為2以內的像元，分別計算亮場條件下，電荷耦合器件樣品(6)連同光斑中心在內的25個像元的信號灰度值之和sa.light、sb.light、sc.light；
g、用亮場三個通道輸出的25個像元信號灰度值之和sa.light、sb.light、sc.light減去暗場三個通道輸出的所有像素位置灰度值的平均值sa.dark、sb.dark、sc.dark的25倍，得到電荷耦合器件樣品(6)三個通道去除本底信息的信號s'a、s'b、s'c。
h、將b通道輸出的去除本底信息的信號s'b除以步驟c計算出的b通道相對於a通道的增益係數gb/a得到s1，求出水平轉移效率ctehorizontal，將c通道輸出的去除本底信息的信號s'c除以步驟c計算出的c通道相對於a通道的增益係數得到gc/a得到s2，求出垂直轉移效率ctevertical，即測出電荷耦合器件的水平、垂直轉移效率。
本發明所述的一種基於光斑的電荷耦合器件電荷轉移效率通用測試方法，該方法涉及裝置是由靜電試驗平臺、積分球光源、滷鎢燈光源、會聚球面鏡、樣品測試板、電荷耦合器件樣品、導軌、三維樣品調整臺、直流電源、暗箱、光學準直套筒和計算機組成，在靜電試驗平臺(1)上分別設有積分球光源(2)和導軌(3)，在導軌(3)上固定有三維樣品調整臺(4)，在三維樣品調整臺(4)上固定有樣品測試板(5)，在樣品測試板(5)上放置電荷耦合器件樣品(6)，樣品測試板(5)分別與直流電源(7)、計算機(8)連接，滷鎢燈光源(10)與光學準直套筒(11)連接，具體操作按下列步驟進行：
a、將電荷耦合器件樣品(6)固定在樣品測試板(5)上，再將樣品測試板(5)分別與直流電源(7)和計算機(8)相連，在導軌(3)上固定有三維樣品調整臺(4)，在三維樣品調整臺(4)上固定有樣品測試板(5)，利用三維樣品調整臺(4)在導軌(3)上的滑動以及三維樣品調整臺(4)自身的上下、左右調整，使電荷耦合器件樣品(6)正對著積分球光源出光口，然後將暗箱(9)罩上電荷耦合器件樣品(6)，開始進行暗場測試，暗場測試時需關閉測試室中所有照明光源和積分球光源(2)，同時將暗箱(9)上的通光口用遮光蓋蓋上，計算機(8)上安裝的測試軟體連續採集10幀灰度圖像，分別計算a、b、c三個通道暗場所有像素位置的灰度值的平均值sa。d、sb。d、sc。d；
b、打開暗箱(9)上的遮光蓋，同時打開積分球光源(2)，並保持測試室中其他照明光源關閉，開始進行亮場測試，計算機(8)上安裝的測試軟體連續採集10幀灰度圖像，分別計算a、b、c三個通道亮場所有像素位置的灰度值的平均值sa。l、sb。l、sc。l；
c、分別用a、b、c三個通道亮場所有像素位置的灰度值的平均值sa。l、sb。l、sc。l減去相應三個通道暗場所有像素位置的灰度值的平均值sa。d、sb。d、sc。d，得到去除本底信息的信號sa、sb、sc，再根據公式(1)、(2)計算出b通道相對於a通道的增益係數gb/a和c通道相對於a通道的增益係數gc/a；
d、利用三維樣品調整臺(4)在導軌(3)上的滑動以及三維樣品調整臺(4)自身的上下、左右調整，使電荷耦合器件樣品(6)和滷鎢燈光源(10)、光學準直套筒(11)、會聚球面鏡(12)在一條直線上，打開滷鎢燈光源(10)，使經過會聚球面鏡(12)後出射光斑的焦平面剛好與電荷耦合器件樣品(6)的上表面重合，並使光斑邊緣與電荷耦合器件樣品(6)的左邊緣和上邊緣對齊；
e、將暗箱(9)罩上電荷耦合器件樣品(6)，開始進行暗場測試，暗場測試時需關閉測試室中所有照明光源和滷鎢燈光源(10)，同時將暗箱(9)上的通光口用遮光蓋蓋上，計算機(8)上安裝的測試軟體連續採集10幀灰度圖像，分別計算暗場條件下電荷耦合器件樣品(6)三個通道輸出的所有像素位置灰度值的平均值sa.dark、sb.dark、sc.dark；
f、打開暗箱(9)上的遮光蓋，同時打開滷鎢燈光源(10)，並保持測試室中其他照明光源關閉，開始進行亮場測試，計算機(8)上安裝的測試軟體連續採集10幀灰度圖像，找到信號灰度值最大的像元即為光斑中心，調節光強，使光斑中心的灰度值在飽和灰度值的40％-60％範圍內。選取與光斑中心行列數相差為2以內的像元,分別計算亮場條件下,電荷耦合器件樣品(6)連同光斑中心在內的25個像元的信號灰度值之和sa.light、sb.light、sc.light；
g、用亮場三個通道輸出的25個像元信號灰度值之和sa.light、sb.light、sc.light減去暗場三個通道輸出的所有像素位置灰度值的平均值sa.dark、sb.dark、sc.dark的25倍，得到電荷耦合器件樣品(6)三個通道去除本底信息的信號s'a、s'b、s'c；
h、將b通道輸出的去除本底信息的信號s'b除以步驟c計算出的b通道相對於a通道的增益係數gb/a得到s1，根據公式(n為水平轉移次數)，求出水平轉移效率ctehorizontal，將c通道輸出的去除本底信息的信號s'c除以步驟c計算出的c通道相對於a通道的增益係數得到gc/a得到s2，根據公式(n為垂直轉移次數)，求出垂直轉移效率ctevertical。
本發明所述的一種基於光斑的電荷耦合器件電荷轉移效率通用測試方法，適用於兩通道及以上的電荷耦合器件的地面電荷轉移效率測試。本發明具有一定通用性，操作簡單，可以較準確的測出電荷耦合器件的水平、垂直轉移效率，為表徵傳感器的性能及變化程度以及對極端環境下性能退化的預測提供了有效可行的方法。
因此本發明適用於需要掌握電荷耦合器件性能的器件研製單位、科研院所和航天載荷單位使用。
附圖說明
圖1為本發明測試系統示意圖。
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
實施例
本發明所述的一種基於光斑的電荷耦合器件電荷轉移效率通用測試方法，該方法涉及裝置是由靜電試驗平臺、積分球光源、滷鎢燈光源、會聚球面鏡、樣品測試板、電荷耦合器件樣品、導軌、三維樣品調整臺、直流電源、暗箱、光學準直套筒和計算機組成，在靜電試驗平臺1上分別設有積分球光源2和導軌3，在導軌3上固定有三維樣品調整臺4，在三維樣品調整臺4上固定有樣品測試板5，在樣品測試板5上放置電荷耦合器件樣品6，樣品測試板5分別與直流電源7、計算機8連接，滷鎢燈光源10與光學準直套筒11連接，具體操作按下列步驟進行：
a、將電荷耦合器件樣品6(其型號為1k×1kccd)固定在樣品測試板5上，樣品6在水平、垂直方向均為三相轉移，再將樣品測試板5分別與直流電源7和計算機8相連，連接後將直流電源的三路設置為+6v、+18v和接地，設置樣品測試板5在+5v和+18v下限流為300ma；在導軌3上固定有三維樣品調整臺4，在三維樣品調整臺4上固定有樣品測試板5，利用三維樣品調整臺4在導軌3上的滑動以及三維樣品調整臺4自身的上下、左右調整，使電荷耦合器件樣品6正對著積分球光源出光口，然後將暗箱9罩上電荷耦合器件樣品6，開始進行暗場測試，測試環境溫度設置為25℃，溼度設置為30％rh，暗場測試時需關閉測試室中所有照明光源和積分球光源2，同時將暗箱9上的通光口用遮光蓋蓋上，計算機8上安裝的測試軟體連續採集10幀灰度圖像，計算出a、b、c三個通道暗場所有像素位置的灰度值的平均值sa。d、sb。d、sc。d分別為692dn、736dn、729dn；
b、打開暗箱9上的遮光蓋，同時打開積分球光源2，並保持測試室中其他照明光源關閉，開始進行亮場測試，測試環境溫度設置為25℃，溼度設置為30％rh，計算機8上安裝的測試軟體連續採集10幀灰度圖像，計算出a、b、c三個通道亮場所有像素位置的灰度值的平均值sa。l、sb。l、sc。l分別為28496dn、29674dn、30254dn；
c、分別用a、b、c三個通道亮場所有像素位置的灰度值的平均值sa。l、sb。l、sc。l減去相應三個通道暗場所有像素位置的灰度值的平均值sa。d、sb。d、sc。d，得到去除本底信息的信號sa、sb、sc分別為27804dn、28938dn、29525dn，再根據公式(1)、(2)計算出b通道相對於a通道的增益係數gb/a和c通道相對於a通道的增益係數gc/a；
d、利用三維樣品調整臺4在導軌3上的滑動以及三維樣品調整臺4自身的上下、左右調整，使電荷耦合器件樣品6和滷鎢燈光源10、光學準直套筒11、會聚球面鏡12在一條直線上，打開滷鎢燈光源10，使經過會聚球面鏡12後出射光斑的焦平面剛好與電荷耦合器件樣品6的上表面重合，並使光斑邊緣與電荷耦合器件樣品6的左邊緣和上邊緣對齊；
e、將暗箱9罩上電荷耦合器件樣品6，開始進行暗場測試，測試環境溫度設置為25℃，溼度設置為30％rh，暗場測試時需關閉測試室中所有照明光源和滷鎢燈光源10，同時將暗箱9上的通光口用遮光蓋蓋上，計算機8上安裝的測試軟體連續採集10幀灰度圖像，計算出暗場條件下電荷耦合器件樣品6三個通道輸出的所有像素位置灰度值的平均值sa.dark、sb.dark、sc.dark分別為695dn、738dn、734dn；
f、打開暗箱9上的遮光蓋，同時打開滷鎢燈光源10，並保持測試室中其他照明光源關閉，開始進行亮場測試，測試環境溫度設置為25℃，溼度設置為30％rh，計算機8上安裝的測試軟體連續採集10幀灰度圖像，找到信號灰度值最大的像元即為光斑中心，此光斑中心靠近a通道輸出口，找到的光斑中心在水平方向為第11個像元，在垂直方向為第15個像元，調節光強，使光斑中心的灰度值在飽和灰度值的40％-60％範圍內，選取與光斑中心行列數相差為2以內的像元,分別計算亮場條件下,電荷耦合器件樣品6連同光斑中心在內的25個像元的信號灰度值之和sa.light、sb.light、sc.light分別為473258dn、492416dn、499735dn；
g、用亮場三個通道輸出的25個像元信號灰度值之和sa.light、sb.light、sc.light減去暗場三個通道輸出的所有像素位置灰度值的平均值sa.dark、sb.dark、sc.dark的25倍，得到電荷耦合器件樣品6三個通道去除本底信息的信號s'a、s'b、s'c分別為455883dn、473966dn、481385dn。
h、將b通道輸出的去除本底信息的信號s'b除以步驟c計算出的b通道相對於a通道的增益係數gb/a得到s1，根據公式(n為水平轉移次數，n＝3006)，求出水平轉移效率ctehorizontal為0.9999996。將c通道輸出的去除本底信息的信號s'c除以步驟c計算出的c通道相對於a通道的增益係數得到gc/a得到s2，根據公式(n為垂直轉移次數，n＝2982)，求出垂直轉移效率ctevertical為0.9999981。
由於電荷轉移效率現有測試技術如周期脈衝技術需要對電荷耦合器件晶片進行特殊設計；x射線堆積線徑跡方法需要對x射線輻照劑量進行控制，對測試裝置要求高，難以表徵高cte(5個9或者6個9以上)的變化；首像元響應法依賴於脈衝頻率的控制，僅適用於幀轉移結構；擴展像元邊緣響應法不要求特殊的設備，只要求提供穩定的平面光場，一致性好，但該方法要求器件像素單元有抗暈結構，否則對光強等條件有較高要求。現有技術方法對器件工藝或結構有特殊要求，不具備通用性。
本發明所述的一種基於光斑的電荷耦合器件電荷轉移效率通用測試方法，該方法具有的效果是對器件工藝、結構沒有特殊要求；而且該方法用尺寸為毫米量級的小光斑即可完成測試，避免了採用微米量級光斑並且必須對應幾個像元導致的測試難度。該方法採用幾個像元的輸出電荷包進行統計，避免了單個像元導致的誤差，適用於兩通道及以上的電荷耦合器件的地面電荷轉移效率測試。
通過試驗得到的數據，按照本發明提出的方法，就能較準確的測出電荷耦合器件的水平、垂直轉移效率，該測試結果不但與理論分析、建模仿真結果相符，也與現有技術測出的同款器件的電荷轉移效率結果相符。