多角度偏振成像仪面阵探测器筛选及测试方法 
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1 引言
星载多角度偏振成像仪(DPC)是一种超广角、画幅式、低畸变成像的偏振传感器[1],其主要任务与功能是获取多角度多光谱偏振辐射数据,并结合基于偏振信息的大气特性反演模型,提供全球大气气溶胶和云的光学及物理参数遥感数据,同时为卫星其他载荷提供大气校正数据[2-3]。
星载偏振相机一般采用体积小、质量轻、功耗低、分辨率高、光谱响应宽、动态范围大以及机械强度高的面阵CCD作为其对地观测的图像传感器[4-5]。由于宇航级光电转换器件的进货渠道受到越来越严格的限制[6],因此在无法采购到合适的探测器时,根据载荷任务研制要求,针对低等级面阵CCD开展鉴定试验,揭示面阵CCD的质量缺陷及其他潜在缺陷[7-8],并剔除早期失效的CCD,确保低等级器件在高可靠性领域满足空间应用要求[9]。国内外对CCD相机的性能参数测试方法作了大量的研究,但关于面阵CCD的筛选研究鲜有报道。在国外, 欧洲南部天文台开发了ESO CCD Test bench 摄像机测试系统,美国劳伦斯伯克利国家实验室研制了针对科学级CCD的量子效率测量设备,美国萨诺夫公司开发了一套全面评估CCD/CMOS 相机参数的测试系统[10-12]。在国内,李宪圣等[13]针对大视场空间相机拼接要求,提出筛选出饱和辐照度一致性最好的CCD筛选方法,但其适用范围有限。余达等[14]提出了面阵CCD板级筛选测试方法,通过测试CCD相机指标来间接评估CCD 的性能。金伟等[15]为了筛选出性能最优的探测器,针对空间外差光谱仪,对近红外波段备选面阵探测器开展了暗电流响应、盲元率、像元响应非一致性以及特定入射光能量下的响应度等指标测试。朱双双等[16]从大量低等级双元InGaAs红外探测器中筛选出满足航天高可靠性要求的探测器。
本文DPC选用的是帧转移型面阵CCD探测器,其具有低噪声、高灵敏度、大动态范围和高量子效率等优良性能,质量等级为科学级。对面阵CCD依次进行温度循环、随机振动、高温老炼等环境应力筛选试验考核,并通过对比筛选试验前后的暗电流、缺陷像元、像元响应非一致性及量子效率等参数,分析面阵CCD的环境适应性,并从参试面阵CCD中筛选出性能优良的探测器,确保优选后的面阵CCD具有高可靠性和稳定性,以提高DPC获取的多角度、多光谱偏振信息的质量。由于光电传感器较为特殊,在美军标、欧洲航天局及国内相关集成电路质量等级中,没有针对低等级面阵CCD的规范和标准,本文的研究工作可为应用于航天领域的低等级面阵CCD的筛选方法及CCD性能评估技术提供重要参考。
2 偏振成像仪探测器的图像采集系统设计
多角度偏振成像仪采用超广角光学系统并结合面阵CCD,在卫星沿轨飞行过程中实现多次成像,获得同一谱段的多角度信息,其成像示意图如
为了获得高质量的图像信号输出[19],设计了一套筛选专用的面阵CCD图像采集系统,如
图像采集系统以美国国家仪器公司(NI)的工控机为总控制器,通过串口通讯(RS422 接口)向FPGA发送积分时间修改、模拟前端增益、偏置修改及成像周期修改等工作参数;时序驱动单元将FPGA产生的帧转移时钟、垂直转移时钟、行转移时钟以及复位等逻辑时序信号转换成符合CCD工作幅值和上升沿时间要求的驱动时钟;偏置电压单元产生适用于CCD的各路偏置电压;面阵CCD输出的图像模拟信号经预放器后被送入模拟前端芯片进行信号调理与转化,之后将其送进FPGA内部,按照科学数据包格式进行组织打包,并通过低压差分信号(LVDS)数据总线将打包后的图像数据传送至NI工控机内的PXIe图像采集卡进行图像实时存储与显示。
3 面阵CCD的环境应力筛选试验
DPC项目采购的面阵CCD在出厂时已进行常规的可靠性测试,为了保证所选用的探测器满足严酷的航天环境要求,对该CCD进行环境适应性分析,从而实现二次深筛和性能优选,从中筛选出性能最优的探测器。
面阵CCD的环境应力筛选试验具体流程如
图 3. 面阵CCD的环境应力筛选试验流程
Fig. 3. Flow chart of environmental stress screening test for area CCD
3.1 温度循环
面阵CCD的温度循环试验是在高低温箱内完成的。通过导热垫将探测器安装在温度循环试验专用工装上,对工装进行密封抽真空后将其放置在高低温箱内的基板上。在探测器周围贴装PT1000热敏电阻用于监测其温度变化。温度循环试验温度为-40~75 ℃;高温端保持1 h;低温保持留1 h;高温允许误差为±2 ℃,低温允许误差为±3 ℃;温变速率为3~5 ℃·min-1;试验次数为18.5。首次循环从高温开始;末次循环从低温开始,高温结束;高低温箱在高温端自然回温。在整个试验过程中高低温箱内充氮气,避免试验过程中在探测器表面上产生凝露。探测器安装图如
3.2 随机振动
为了模拟面阵CCD在多角度偏振成像仪上的实际安装状态,通过改变振动台方向,在电动振动台上开展CCD沿X、Y、Z三个轴向的随机振动试验。工装的振动底板安装在振动测试平台上,工装顶部设有透明观察窗,可在试验过程中观察探测器的振动情况。随机振动试验条件参考国军标GJB1032-90《电子产品环境应力筛选方法》中电子元器件筛选标准,频率f在20 Hz≤f≤80 Hz,80 Hz<f≤350 Hz和350 Hz<f≤2000 Hz范围内的功率谱密度p分别为每倍频程+3 dB、0.04 g2·Hz-1和每倍频程-3 dB,总均方根加速度为6.06g,每个轴向上的试验时间是5 min,其中g为重力加速度。
探测器安装坐标系以整星本体坐标系为参考,遵守右手法则,X向指卫星发射方向,即CCD光敏面的垂直方向,Y向指CCD光敏面的平行方向,Z向指与力学试验工装表面垂直方向。随机振动方向如
图 6. 随机振动试验测点布置图。(a) X向;(b) Y向;(c) Z向;(d)探测器坐标系
Fig. 6. Measuring point layout of random vibration. (a) X direction; (b) Y direction; (c) Z direction; (d) detector coordinate
3.3 高温老练
面阵CCD的高温老练试验在高低温箱内进行,试验过程中CCD需要加电成像,为了降低探测器的使用风险,设计了一种板级筛选测试系统,如
3.4 光电性能测试
面阵CCD的光电性能测试系统基于分段式均匀照明光源,连续可调谐均匀单色照明光源和筛选专用的面阵CCD图像采集系统,系统示意图如
连续可调谐均匀单色照明光源用于测量待面阵CCD的量子效率[20],采用大功率氙灯作为照明光源,以单色仪作为分光器件,大功率氙灯发出的光经单色仪分光后入射至积分球内,经积分球匀光后出射,被待测探测器接收,探测器在图像采集系统中完成光电转换,输出的图像信号由NI工控机进行实时采集。探测器背面粘贴热敏电阻,通过安捷伦数据采集器监测其工作温度。监视探测器放置于积分球侧壁,用于监测待测探测器接收的相对光谱能量,并将该相对光谱能量作为探测器相对光谱响应测试的能量传递基准。照度计与待测探测器共面放置,通过水平导轨切换光路,并测量探测器接收到的照度值。
图像采集系统通过六自由度自动调整机构进行六个方位的调整。先调整z向,确保待测探测器光敏面中心与积分球光源开口中心对齐;再调整y向,使探测器光敏面与光源出光口平面平行;最后调整x向,确保积分球漫反射光均匀照射在被测探测器上。为了避免周围杂散光的影响,图像采集系统被放置在暗室内,暗室内壁涂有黑色涂层,具有良好的不透光性。
通过对比筛选试验前后的面阵CCD的暗电流,坏点,像元响应不一致性(PRNU),非线性误差和量子效率,研究面阵CCD的光电性能变化。DPC共有8个波段,工作光谱范围为443~910 nm,从短波、中波、长波中各选一个波段(490,670,865 nm)进行像元响应不一致性和非线性误差的测量。量子效率测量扫描的波长范围为400~940 nm,覆盖DPC所有工作谱段,光谱分辨率为3 nm,DPC工作波段内的扫描间隔为3 nm,DPC工作波段外的扫描间隔为10 nm。
筛选试验前后光电性能测试的合格判据如
表 1. 筛选试验前后面阵CCD光电性能合格要求
Table 1. Criteria of electro-optical tests of array CCD before and after screening
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暗电流指无光照条件下,由内部热生电子所形成的电流,是CCD的主要噪声源之一。暗电流会随着曝光时间的增加而线性增长。在无光照时,通过改变探测器的积分时间,测试对应积分时间下的输出信号,然后以积分时间为横坐标,输出信号为纵坐标,基于测试数据给出散点图,并按最小二乘法,拟合出一条直线,该直线的斜率即为探测器的单位时间暗信号。
CCD的坏点包含亮点和暗点,在无光照条件下,像元暗电流大于该温度下10倍最大暗电流的像元称为亮点(white spot)。在均匀光照条件下,器件呈半饱和输出时,响应低于80%平均响应的像元称为暗点(black spot)。
像元响应不一致性指在均匀光照条件下,器件输出信号呈半饱和时,每个像元之间的响应差异引起的有效像元之间的响应偏差。在特定亮度光照条件下,通过调节积分时间,使器件的输出信号约为饱和输出信号的1/2,此时采集150 frame图像;关闭光源,在相同积分时间下采集150 frame图像,对上述图像分别扣除坏点后再求取平均,然后通过亮场图像减暗场图像来扣除暗电流,以进行帧转移校正。校正后图像有效像元的方差和均值及探测器整个感光面的PRNU计算公式为
式中:PPRNU为探测器整个感光面的PRNU值;M,N为面阵CCD光敏面像元的行数和列数;μy,m,n为第m行,第n列像元的响应值;
非线性误差(LE)指在均匀光照条件下,当曝光量变化时,CCD输出信号和理想输出信号之间的偏差。探测器光响应输出信号是曝光量和曝光时间的线性函数,在一定的辐照强度下,通过调节积分时间来改变入射曝光量,从而测量探测器的响应非线性。以积分时间为横坐标,光响应输出信号为纵坐标,基于测试数据给出散点图,采用最小二乘法对所得数据进行线性回归运算,每个积分时间下的相对偏差δy,i和总的非线性误差ELE为
式中:t为积分时间;k、b分别为线性回归直线的斜率、截距;μy,i分别为积分时间i下的光响应均值;imax为最大测量积分时间;imin为最小测量积分时间;μy
量子效率是在规定波长光照下,入射光子在器件像元中产生并被收集的电子数与入射光子数的比值[21-22],它表征了面阵CCD对不同波长入射光的敏感程度,通常用η表示。量子效率的公式为
式中:μy为有光照情况下探测器有效像元的平均灰度值;μy,dark为无光照情况下探测器有效像元的平均灰度值;K为图像采集系统的增益,单位为DN·electron-1;h为普朗克常数,大小为6.6261×10-34 J·s;c为光在真空中的传播速度,大小为3×108 m/s;λ为入射光波长,单位为nm;A为单像元面积,单位为m2;J为探测器光敏面接收到的绝对辐照度,单位为W·m-2;Texp为曝光时间,单位为s;μp(λ)为在曝光时间Texp内,λ波长的光入射到面积为A的像元上的平均光子数,表达式为
4 试验结果与分析
采用上述环境应力筛选试验装置和光电性能测试方法,对DPC项目采购的五片面阵CCD分两批进行温度循环、随机振动和高温老练试验考核,并在筛选前后进行光电性能测试,其中环境试验前后CCD的量子效率允许变化范围为±5%,即CCD的量子效率变化范围超过±5%时,则认为该探测器失效。试验结果表明,五片CCD均通过全部测试,被判定为筛选合格的探测器。考虑DPC载荷实际在轨工作温度为0~8 ℃,探测器所有光电性能参数均是在5.5 ℃工作温度下测试的。其中一个探测器的光电性能参数如
表 2. CCD探测器筛选前后的光电性能参数
Table 2. Photoelectric performance parameters of CCD detector before and after screening
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表 3. 探测器性能优选结果
Table 3. Performance optimization results of detectors
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5 结论
为了从科学级面阵探测器中筛选出满足空间应用要求并具有高可靠性和高稳定性的器件,提出了一种面阵CCD筛选测试方法,结合其应用特点设计了一套专用的图像采集系统,通过评估筛选前后CCD裸片的光电参数变化,对器件的性能进行判定。对星载多角度偏振成像仪选用的CCD实施了温度循环、随机振动和高温老练等环境应力考核,通过对比分析多片面阵CCD筛选试验前后的暗电流、非线性误差、像元响应非一致性及量子效率等参数,筛选出性能最优的探测器。试验结果表明,DPC项目采购的五片面阵CCD全部通过筛选试验考核,筛选出综合性能最优的探测器,筛选试验前后量子效率的最大变化量为-2.56%,筛选后5.5 ℃工作温度下的暗电流为889.22 electron·(pixel·s-1)-1,最大像元响应不一致性为2.34%,最大非线性误差为0.28%,且没有坏像元,说明经过环境试验考核后的面阵CCD具有较好的稳定性与可靠性,满足航天产品应用要求。
[1] Gu X F, Qiao Y L, Wang J N, et al. High-resolution directional polarimetric camera (DPC) used in the remote sensing of aerosol properties[J]. Proceedings of SPIE, 2010, 7807: 78070W.
[2] 钱鸿鹄, 孟炳寰, 袁银麟, 等. 星载多角度偏振成像仪非偏通道全视场偏振效应测量及误差分析[J]. 物理学报, 2017, 66(10): 100701.
Qian H H, Meng B H, Yuan Y L, et al. Full field of view polarization effect measurement and error analysis of non-polarized channels of spaceborne directional polarimetric camera[J]. Acta Physica Sinica, 2017, 66(10): 100701.
[3] 张苗苗, 孟炳寰, 骆冬根, 等. 星载多角度偏振成像仪测量精度验证与偏差分析[J]. 光学学报, 2018, 38(8): 0812004.
[4] 涂碧海, 洪津, 姚萍萍, 等. 多角度偏振成像仪探测性能与检测[J]. 光学学报, 2020, 40(7): 0712003.
[5] 翁建文, 袁银麟, 郑小兵, 等. 星载偏振相机帧转移模糊效应校正方法研究[J]. 光学学报, 2019, 39(12): 1228005.
[6] 胡善伟, 雷婉星, 刘喆, 等. 工业档塑封元器件的军用研究[J]. 电子元器件应用, 2009, 11(10): 93-95.
Hu S W, Lei W X, Liu Z, et al. Military research on industrial plastic packaging components[J]. Electronic Component & Device Applications, 2009, 11(10): 93-95.
[7] 朱恒静. 航天器用高性能塑封器件的板级鉴定方法[J]. 航天器环境工程, 2008, 25(1): 87-90, 4.
Zhu H J. Board-level testing for advanced PEMs in space applications[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(1): 87-90, 4.
[8] 姜秀杰, 孙辉先, 王志华, 等. 航天电子系统中电子元器件选用的途径分析[J]. 电子器件, 2005, 28(1): 38-43.
Jiang X J, Sun H X, Wang Z H, et al. Technical overview of the electronic components selection for spacecraft[J]. Chinese Journal of Electron Devices, 2005, 28(1): 38-43.
[9] 丁继善. 国内半导体器件的可靠性筛选技术[J]. 半导体技术, 1999, 24(3): 55-57.
Ding J S. Domestic semiconductor device reliability screening technique[J]. Semiconductor Technology, 1999, 24(3): 55-57.
[10] Amico P L, Böhm T. ESO's new CCD test bench[J]. Experimental Astronomy, 1998, 8(1): 1-8.
[11] Donald E, Bebek C J, Fabricius M, et al. Quantum efficiency characterization of LBNL CCD's: Part I. The quantum efficiency machine[J]. Proceedings of SPIE, 2006, 6068: 60680F.
[12] SteckertJ. Design, implementation and setup of an automated quantum efficiency measurement system for charge-coupled devices[D]. Berkeley: University of California, 2005: 20- 28.
[13] 李宪圣, 万志, 刘则洵, 等. 大视场空间相机CCD性能测试及筛选方法[J]. 红外与激光工程, 2014, 43(7): 2245-2250.
Li X S, Wan Z, Liu Z X, et al. Method of CCD test and screening for space camera with wide field of view[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(7): 2245-2250.
[14] 余达, 周怀得, 龙科慧, 等. 一种面阵CCD的筛选测试方法[J]. 中国激光, 2013, 40(7): 0708001.
[15] 金伟, 陈迪虎, 李志伟, 等. 星载空间外差光谱仪探测器筛选测试方法[J]. 中国激光, 2016, 43(9): 0904004.
[16] 朱双双, 吴洋, 邹鹏, 等. 星载红外探测器组件环境适应性分析与性能优选[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(2): 193-200.
Zhu S S, Wu Y, Zou P, et al. Environmental adaptability analysis and performance optimization of space-borne infrared detector assembly[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(2): 193-200.
[17] 杨伟锋, 洪津, 乔延利, 等. 星载多角度偏振成像仪光学系统设计[J]. 光学学报, 2015, 35(8): 0822005.
[18] 涂碧海, 洪津, 姚萍萍, 等. 多角度偏振成像仪温度校正方法[J]. 中国激光, 2019, 46(10): 1010002.
[19] 骆冬根. 多角度偏振成像仪光电探测系统设计与研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2017: 77- 86.
Luo DG. Design and research of photoelectric detection system for directional polarization camera[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2017: 77- 86.
[20] 崔珊珊, 孟炳寰, 裘桢炜, 等. CCD相对光谱响应同步采样方法研究[J]. 红外与激光工程, 2015, 44(11): 3397-3401.
[21] James J, Klaasen K, Tom E. CCD charge collection efficiency and the photon transfer technique[J]. Proceedings of SPIE, 1985, 0570: 7-19.
[22] EMVA standardcompliant. Standard for characterization of image sensors and cameras[S]. Barcelona: European Machine Vision Association, 2016.
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姚萍萍, 许孙龙, 涂碧海, 崔珊珊, 金洁, 骆冬根, 洪津. 多角度偏振成像仪面阵探测器筛选及测试方法[J]. 光学学报, 2020, 40(11): 1112002. Pingping Yao, Sunlong Xu, Bihai Tu, Shanshan Cui, Jie Jin, Donggen Luo, Jin Hong. Screening and Testing Method of Area Detectors for Directional Polarimetric Camera[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(11): 1112002.
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