一种基于光斑的电荷耦合器件电荷转移效率通用测试方法

摘要

本发明涉及一种基于光斑的电荷耦合器件电荷转移效率通用测试方法，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、卤钨灯光源、会聚球面镜、样品测试板、电荷耦合器件样品、导轨、三维样品调整台、暗箱、光学准直套筒和计算机组成，将电荷耦合器件样品正对积分球光源出光口，首先进行暗场测试，计算出A、B、C三个通道暗场所有像素位置的灰度值的平均值；再进行亮场测试，计算出三个通道亮场所有像素位置的灰度值的平均值；通过计算得到B、C通道相对于A通道的增益系数；计算暗场条件下样品从三个通道输出的所有像素位置灰度值的平均值；打开卤钨灯光源进行亮场测试，计算样品连同光斑中心在内的25个像元的信号灰度值之和，最后求解出水平转移效率和垂直转移效率。本发明具有通用性，操作简单，结果准确。

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器检测技术领域，涉及一种基于光斑的电荷耦合器件电荷转移效率通用测试方法。

背景技术

电荷耦合器件最重要的参数就是电荷群的转移效率，它的高低直接反映器件的设计与工艺水平，器件能否正常工作，性能好坏也主要取决于它。电荷群在电荷耦合器件中转移时受很多因素的影响，使其不能完全地由一个电极下的势阱里转移到另一个电极下的势阱里，总有些损耗，不好的转移效率将造成信号幅度、相位、频率等的失真。因而引起图像模糊不清,畸变很大,直至显不出图像,因而在研制电荷耦合器件时首先就是要测出其转移效率,加以分析后再返回工艺,以提高器件水平。

电荷转移效率是指信号电荷在电荷耦合器件转移沟道内转移时，进行一次电荷转移的过程中，正确转移的电荷与转移前电荷的比值。电荷转移效率的测试方法一般有4种，分别为：周期脉冲技术、X射线堆积线径迹方法、扩展像元边缘响应法和首像元响应法。其中，周期脉冲技术需要对电荷耦合器件芯片进行特殊设计。X射线堆积线径迹方法需要对X射线辐照剂量进行控制，对测试装置要求高，难以表征高CTE(5个9或者6个9以上)的变化。首像元响应法依赖于脉冲频率的控制，仅适用于帧转移结构。扩展像元边缘响应法不要求特殊的设备，只要求提供稳定的平面光场(采用积分球可以实现)，一致性好，但该方法要求器件像素单元有抗晕结构，否则对光强等条件有较高要求。

本发明提出一种基于光斑的电荷耦合器件电荷转移效率通用测试方法，该方法对器件工艺没有特殊要求；而且该方法用尺寸为毫米量级的小光斑即可完成测试，避免了采用微米量级光斑并且必须对应几个像元导致的测试难度。该方法采用几个像元的输出电荷包进行统计，避免了单个像元导致的误差，适用于两通道及以上的电荷耦合器件的地面电荷转移效率测试。本发明具有一定通用性，操作简单，可以较准确的测出电荷耦合器件的水平、垂直转移效率，为表征传感器的性能及变化程度以及对极端环境下性能退化的预测提供了有效可行的方法。

发明内容

本发明的目的在于，为表征电荷耦合器件性能及变化程度以及对极端环境下性能退化的预测难题，提供一种基于光斑的电荷耦合器件电荷转移效率通用测试方法，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、卤钨灯光源、会聚球面镜、样品测试板、电荷耦合器件样品、导轨、三维样品调整台、直流电源、暗箱、光学准直套筒和计算机组成，将电荷耦合器件样品正对积分球光源出光口，首先进行暗场测试，计算出A、B、C三个通道暗场所有像素位置的灰度值的平均值；再进行亮场测试，计算出三个通道亮场所有像素位置的灰度值的平均值；通过计算得到B、C通道相对于A通道的增益系数；再移动样品使其与卤钨灯光源、光学准直套筒、会聚球面镜在一条直线上，计算暗场条件下样品从三个通道输出的所有像素位置灰度值的平均值；打开卤钨灯光源进行亮场测试，计算样品连同光斑中心在内的25个像元的信号灰度值之和，求出三个通道去除本底信息的信号，最后根据公式求解出水平转移效率和垂直转移效率。本发明所述方法具有一定的通用性，操作简单，可以较准确的测出电荷耦合器件的水平、垂直转移效率。

本发明所述的一种基于光斑的电荷耦合器件电荷转移效率通用测试方法，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、卤钨灯光源、会聚球面镜、样品测试板、电荷耦合器件样品、导轨、三维样品调整台、直流电源、暗箱、光学准直套筒和计算机组成，在静电试验平台(1)上分别设有积分球光源(2)和导轨(3)，在导轨(3)上固定有三维样品调整台(4)，在三维样品调整台(4)上固定有样品测试板(5)，在样品测试板(5)上放置电荷耦合器件样品(6)，样品测试板(5)分别与直流电源(7)、计算机(8)连接，卤钨灯光源(10)与光学准直套筒(11)连接，具体操作按下列步骤进行：

a、将电荷耦合器件样品(6)固定在样品测试板(5)上，再将样品测试板(5)分别与直流电源(7)和计算机(8)相连，在导轨(3)上固定有三维样品调整台(4)，在三维样品调整台(4)上固定有样品测试板(5)，利用三维样品调整台(4)在导轨(3)上滑动，以及三维样品调整台(4)自身的上下、左右调整，使电荷耦合器件样品(6)正对着积分球光源出光口，然后将暗箱(9)罩上电荷耦合器件样品(6)，开始进行暗场测试，暗场测试时需关闭测试室中所有照明光源和积分球光源(2)，同时将暗箱(9)上的通光口用遮光盖盖上，计算机(8)上安装的测试软件连续采集10帧灰度图像，分别计算A、B、C三个通道暗场所有像素位置的灰度值的平均值S_A。d、S_B。d、S_C。d；

b、打开暗箱(9)上的遮光盖，同时打开积分球光源(2)，并保持测试室中其他照明光源关闭，开始进行亮场测试，计算机(8)上安装的测试软件连续采集10帧灰度图像，分别计算A、B、C三个通道亮场所有像素位置的灰度值的平均值S_A。L、S_B。L、S_C。L；

c、分别用A、B、C三个通道亮场所有像素位置的灰度值的平均值S_A。L、S_B。L、S_C。L减去相应三个通道暗场所有像素位置的灰度值的平均值S_A。d、S_B。d、S_C。d，得到去除本底信息的信号S_A、S_B、S_C，再计算出B通道相对于A通道的增益系数G_B/A和C通道相对于A通道的增益系数G_C/A；

d、利用三维样品调整台(4)在导轨(3)上的滑动以及三维样品调整台(4)自身的上下、左右调整，使电荷耦合器件样品(6)和卤钨灯光源(10)、光学准直套筒(11)和会聚球面镜(12)在一条直线上，打开卤钨灯光源(10)，使经过会聚球面镜(12)后出射光斑的焦平面刚好与电荷耦合器件样品(6)的上表面重合，并使光斑边缘与电荷耦合器件样品(6)的左边缘和上边缘对齐；

e、将暗箱(9)罩上电荷耦合器件样品(6)，开始进行暗场测试，暗场测试时需关闭测试室中所有照明光源和卤钨灯光源(10)，同时将暗箱(9)上的通光口用遮光盖盖上，计算机(8)上安装的测试软件连续采集10帧灰度图像，分别计算暗场条件下电荷耦合器件样品(6)三个通道输出的所有像素位置灰度值的平均值S_A.dark、S_B.dark、S_C.dark；

f、打开暗箱(9)上的遮光盖，同时打开卤钨灯光源(10)，并保持测试室中其他照明光源关闭，开始进行亮场测试，计算机(8)上安装的测试软件连续采集10帧灰度图像，找到信号灰度值最大的像元即为光斑中心，调节光强，使光斑中心的灰度值在饱和灰度值的40％-60％范围内，选取与光斑中心行列数相差为2以内的像元，分别计算亮场条件下，电荷耦合器件样品(6)连同光斑中心在内的25个像元的信号灰度值之和S_A.light、S_B.light、S_C.light；

g、用亮场三个通道输出的25个像元信号灰度值之和S_A.light、S_B.light、S_C.light减去暗场三个通道输出的所有像素位置灰度值的平均值S_A.dark、S_B.dark、S_C.dark的25倍，得到电荷耦合器件样品(6)三个通道去除本底信息的信号S'_A、S'_B、S'_C。

h、将B通道输出的去除本底信息的信号S'_B除以步骤c计算出的B通道相对于A通道的增益系数G_B/A得到S₁，求出水平转移效率CTE_horizontal，将C通道输出的去除本底信息的信号S'_C除以步骤c计算出的C通道相对于A通道的增益系数得到G_C/A得到S₂，求出垂直转移效率CTE_vertical，即测出电荷耦合器件的水平、垂直转移效率。

本发明所述的一种基于光斑的电荷耦合器件电荷转移效率通用测试方法，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、卤钨灯光源、会聚球面镜、样品测试板、电荷耦合器件样品、导轨、三维样品调整台、直流电源、暗箱、光学准直套筒和计算机组成，在静电试验平台(1)上分别设有积分球光源(2)和导轨(3)，在导轨(3)上固定有三维样品调整台(4)，在三维样品调整台(4)上固定有样品测试板(5)，在样品测试板(5)上放置电荷耦合器件样品(6)，样品测试板(5)分别与直流电源(7)、计算机(8)连接，卤钨灯光源(10)与光学准直套筒(11)连接，具体操作按下列步骤进行：

a、将电荷耦合器件样品(6)固定在样品测试板(5)上，再将样品测试板(5)分别与直流电源(7)和计算机(8)相连，在导轨(3)上固定有三维样品调整台(4)，在三维样品调整台(4)上固定有样品测试板(5)，利用三维样品调整台(4)在导轨(3)上的滑动以及三维样品调整台(4)自身的上下、左右调整，使电荷耦合器件样品(6)正对着积分球光源出光口，然后将暗箱(9)罩上电荷耦合器件样品(6)，开始进行暗场测试，暗场测试时需关闭测试室中所有照明光源和积分球光源(2)，同时将暗箱(9)上的通光口用遮光盖盖上，计算机(8)上安装的测试软件连续采集10帧灰度图像，分别计算A、B、C三个通道暗场所有像素位置的灰度值的平均值S_A。d、S_B。d、S_C。d；

b、打开暗箱(9)上的遮光盖，同时打开积分球光源(2)，并保持测试室中其他照明光源关闭，开始进行亮场测试，计算机(8)上安装的测试软件连续采集10帧灰度图像，分别计算A、B、C三个通道亮场所有像素位置的灰度值的平均值S_A。L、S_B。L、S_C。L；

c、分别用A、B、C三个通道亮场所有像素位置的灰度值的平均值S_A。L、S_B。L、S_C。L减去相应三个通道暗场所有像素位置的灰度值的平均值S_A。d、S_B。d、S_C。d，得到去除本底信息的信号S_A、S_B、S_C，再根据公式(1)、(2)计算出B通道相对于A通道的增益系数G_B/A和C通道相对于A通道的增益系数G_C/A；

d、利用三维样品调整台(4)在导轨(3)上的滑动以及三维样品调整台(4)自身的上下、左右调整，使电荷耦合器件样品(6)和卤钨灯光源(10)、光学准直套筒(11)、会聚球面镜(12)在一条直线上，打开卤钨灯光源(10)，使经过会聚球面镜(12)后出射光斑的焦平面刚好与电荷耦合器件样品(6)的上表面重合，并使光斑边缘与电荷耦合器件样品(6)的左边缘和上边缘对齐；

e、将暗箱(9)罩上电荷耦合器件样品(6)，开始进行暗场测试，暗场测试时需关闭测试室中所有照明光源和卤钨灯光源(10)，同时将暗箱(9)上的通光口用遮光盖盖上，计算机(8)上安装的测试软件连续采集10帧灰度图像，分别计算暗场条件下电荷耦合器件样品(6)三个通道输出的所有像素位置灰度值的平均值S_A.dark、S_B.dark、S_C.dark；

f、打开暗箱(9)上的遮光盖，同时打开卤钨灯光源(10)，并保持测试室中其他照明光源关闭，开始进行亮场测试，计算机(8)上安装的测试软件连续采集10帧灰度图像，找到信号灰度值最大的像元即为光斑中心，调节光强，使光斑中心的灰度值在饱和灰度值的40％-60％范围内。选取与光斑中心行列数相差为2以内的像元,分别计算亮场条件下,电荷耦合器件样品(6)连同光斑中心在内的25个像元的信号灰度值之和S_A.light、S_B.light、S_C.light；

g、用亮场三个通道输出的25个像元信号灰度值之和S_A.light、S_B.light、S_C.light减去暗场三个通道输出的所有像素位置灰度值的平均值S_A.dark、S_B.dark、S_C.dark的25倍，得到电荷耦合器件样品(6)三个通道去除本底信息的信号S'_A、S'_B、S'_C；

h、将B通道输出的去除本底信息的信号S'_B除以步骤c计算出的B通道相对于A通道的增益系数G_B/A得到S₁，根据公式(N为水平转移次数)，求出水平转移效率CTE_horizontal，将C通道输出的去除本底信息的信号S'_C除以步骤c计算出的C通道相对于A通道的增益系数得到G_C/A得到S₂，根据公式(N为垂直转移次数)，求出垂直转移效率CTE_vertical。

本发明所述的一种基于光斑的电荷耦合器件电荷转移效率通用测试方法，适用于两通道及以上的电荷耦合器件的地面电荷转移效率测试。本发明具有一定通用性，操作简单，可以较准确的测出电荷耦合器件的水平、垂直转移效率，为表征传感器的性能及变化程度以及对极端环境下性能退化的预测提供了有效可行的方法。

因此本发明适用于需要掌握电荷耦合器件性能的器件研制单位、科研院所和航天载荷单位使用。

附图说明

图1为本发明测试系统示意图。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例

本发明所述的一种基于光斑的电荷耦合器件电荷转移效率通用测试方法，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、卤钨灯光源、会聚球面镜、样品测试板、电荷耦合器件样品、导轨、三维样品调整台、直流电源、暗箱、光学准直套筒和计算机组成，在静电试验平台1上分别设有积分球光源2和导轨3，在导轨3上固定有三维样品调整台4，在三维样品调整台4上固定有样品测试板5，在样品测试板5上放置电荷耦合器件样品6，样品测试板5分别与直流电源7、计算机8连接，卤钨灯光源10与光学准直套筒11连接，具体操作按下列步骤进行：

a、将电荷耦合器件样品6(其型号为1K×1K CCD)固定在样品测试板5上，样品6在水平、垂直方向均为三相转移，再将样品测试板5分别与直流电源7和计算机8相连，连接后将直流电源的三路设置为+6V、+18V和接地，设置样品测试板5在+5V和+18V下限流为300mA；在导轨3上固定有三维样品调整台4，在三维样品调整台4上固定有样品测试板5，利用三维样品调整台4在导轨3上的滑动以及三维样品调整台4自身的上下、左右调整，使电荷耦合器件样品6正对着积分球光源出光口，然后将暗箱9罩上电荷耦合器件样品6，开始进行暗场测试，测试环境温度设置为25℃，湿度设置为30％RH，暗场测试时需关闭测试室中所有照明光源和积分球光源2，同时将暗箱9上的通光口用遮光盖盖上，计算机8上安装的测试软件连续采集10帧灰度图像，计算出A、B、C三个通道暗场所有像素位置的灰度值的平均值S_A。d、S_B。d、S_C。d分别为692DN、736DN、729DN；

b、打开暗箱9上的遮光盖，同时打开积分球光源2，并保持测试室中其他照明光源关闭，开始进行亮场测试，测试环境温度设置为25℃，湿度设置为30％RH，计算机8上安装的测试软件连续采集10帧灰度图像，计算出A、B、C三个通道亮场所有像素位置的灰度值的平均值S_A。L、S_B。L、S_C。L分别为28496DN、29674DN、30254DN；

c、分别用A、B、C三个通道亮场所有像素位置的灰度值的平均值S_A。L、S_B。L、S_C。L减去相应三个通道暗场所有像素位置的灰度值的平均值S_A。d、S_B。d、S_C。d，得到去除本底信息的信号S_A、S_B、S_C分别为27804DN、28938DN、29525DN，再根据公式(1)、(2)计算出B通道相对于A通道的增益系数G_B/A和C通道相对于A通道的增益系数G_C/A；

d、利用三维样品调整台4在导轨3上的滑动以及三维样品调整台4自身的上下、左右调整，使电荷耦合器件样品6和卤钨灯光源10、光学准直套筒11、会聚球面镜12在一条直线上，打开卤钨灯光源10，使经过会聚球面镜12后出射光斑的焦平面刚好与电荷耦合器件样品6的上表面重合，并使光斑边缘与电荷耦合器件样品6的左边缘和上边缘对齐；

e、将暗箱9罩上电荷耦合器件样品6，开始进行暗场测试，测试环境温度设置为25℃，湿度设置为30％RH，暗场测试时需关闭测试室中所有照明光源和卤钨灯光源10，同时将暗箱9上的通光口用遮光盖盖上，计算机8上安装的测试软件连续采集10帧灰度图像，计算出暗场条件下电荷耦合器件样品6三个通道输出的所有像素位置灰度值的平均值S_A.dark、S_B.dark、S_C.dark分别为695DN、738DN、734DN；

f、打开暗箱9上的遮光盖，同时打开卤钨灯光源10，并保持测试室中其他照明光源关闭，开始进行亮场测试，测试环境温度设置为25℃，湿度设置为30％RH，计算机8上安装的测试软件连续采集10帧灰度图像，找到信号灰度值最大的像元即为光斑中心，此光斑中心靠近A通道输出口，找到的光斑中心在水平方向为第11个像元，在垂直方向为第15个像元，调节光强，使光斑中心的灰度值在饱和灰度值的40％-60％范围内，选取与光斑中心行列数相差为2以内的像元,分别计算亮场条件下,电荷耦合器件样品6连同光斑中心在内的25个像元的信号灰度值之和S_A.light、S_B.light、S_C.light分别为473258DN、492416DN、499735DN；

g、用亮场三个通道输出的25个像元信号灰度值之和S_A.light、S_B.light、S_C.light减去暗场三个通道输出的所有像素位置灰度值的平均值S_A.dark、S_B.dark、S_C.dark的25倍，得到电荷耦合器件样品6三个通道去除本底信息的信号S'_A、S'_B、S'_C分别为455883DN、473966DN、481385DN。

h、将B通道输出的去除本底信息的信号S'_B除以步骤c计算出的B通道相对于A通道的增益系数G_B/A得到S₁，根据公式(N为水平转移次数，N＝3006)，求出水平转移效率CTE_horizontal为0.9999996。将C通道输出的去除本底信息的信号S'_C除以步骤c计算出的C通道相对于A通道的增益系数得到G_C/A得到S₂，根据公式(N为垂直转移次数，N＝2982)，求出垂直转移效率CTE_vertical为0.9999981。

由于电荷转移效率现有测试技术如周期脉冲技术需要对电荷耦合器件芯片进行特殊设计；X射线堆积线径迹方法需要对X射线辐照剂量进行控制，对测试装置要求高，难以表征高CTE(5个9或者6个9以上)的变化；首像元响应法依赖于脉冲频率的控制，仅适用于帧转移结构；扩展像元边缘响应法不要求特殊的设备，只要求提供稳定的平面光场，一致性好，但该方法要求器件像素单元有抗晕结构，否则对光强等条件有较高要求。现有技术方法对器件工艺或结构有特殊要求，不具备通用性。

本发明所述的一种基于光斑的电荷耦合器件电荷转移效率通用测试方法，该方法具有的效果是对器件工艺、结构没有特殊要求；而且该方法用尺寸为毫米量级的小光斑即可完成测试，避免了采用微米量级光斑并且必须对应几个像元导致的测试难度。该方法采用几个像元的输出电荷包进行统计，避免了单个像元导致的误差，适用于两通道及以上的电荷耦合器件的地面电荷转移效率测试。

通过试验得到的数据，按照本发明提出的方法，就能较准确的测出电荷耦合器件的水平、垂直转移效率，该测试结果不但与理论分析、建模仿真结果相符，也与现有技术测出的同款器件的电荷转移效率结果相符。