星载面阵CCD性能测试系统设计及温度影响分析 
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1 引言
科学级电荷耦合器件(CCD)具有超高的量子效率、超低的读出噪声、高分辨率以及宽光谱响应范围等优点,被广泛地应用于对地观测的遥感成像领域[1]。多角度偏振成像仪(DPC)是一种超广角、画幅式和低畸变成像的偏振成像传感器[2-5],选用广角重叠的方法来实现多角度探测,通过光楔补偿的方式来实现偏振波段同一目标的偏振测量,滤光片和偏振片转轮匀速转动切换,从而实现分时多角度和多光谱偏振测量。面阵CCD作为DPC完成光电转换的核心部件,其用于实现多角度和多光谱偏振辐射信息的获取,探测器在装机前需要对其光电性能进行全面测量[6],但是由于探测器厂商的测试设备和方法所限,无法提供不同的工作温度下全面的性能测试结果,因而需要研制一套面阵CCD性能参数的测试系统。在探测器装机前对影响DPC整机性能指标的全谱段量子效率、光响应不一致性以及暗电流和饱和灰度值等关键性能参数进行检测和评估。
长期以来,国内外对于CCD芯片性能参数的测试方法进行了大量研究。从1998年到2009年,欧洲南方天文台开发了ESO CCD Testbench摄像机测试系统[7];从2004年到2005年,劳伦斯伯克利国家重点实验室设计研制了一套设备用来测量课题组自主研发的科学级CCD的量子效率[8];2009年,美国斯坦福国际研究中心的一个附属机构-萨诺夫公司开发了一套相机参数的测试系统(Sarnoff's Camera CommanderTM Test System)[9]。从2011年到2013年,西安电子科技大学设计了一套通用的CCD芯片量子效率和非均匀性参数测试系统[10-11]。2014年,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李晓杰[12]设计了一套通用的CCD光电参数测试系统,使用该系统对某星敏感器核心成像器件面阵CCD的非均匀性、相对光谱响应和读出噪声等进行了测量。中国电子科技集团有限公司第四十一研究所基于均匀光辐射法研制了一套通用性强、精度高的CCD器件量子效率测试系统[13]。上述测量系统都是在常温环境下测量CCD相机的参数,未对CCD芯片与温度有关的参数进行测试,且针对性地测量了CCD芯片的部分参数,普遍存在参数测量不够全面的问题。
针对以上问题,本文研制一套通用性强、精度高和稳定度高的面阵CCD光电性能参数测试系统,对面阵探测器的光响应不一致性、暗电流、满阱电荷和光响应非线性等关键性能参数进行测量,在300~1100 nm的波长范围内实现光谱分辨率为1 nm的光谱响应标定。考虑到暗电流和量子效率对温度变化敏感,在测试系统中设计控温装置,并提出一种半导体热电制冷器(TEC)和低温循环机组合的探测器控温方法,该方法能够灵活设置探测器的工作温度,使得测量系统可在-10~25 ℃的温度范围内工作。如果对图像采集系统进行适当改动,并将光源更换成红外或紫外光源,也可以适用于红外和紫外成像器件的性能参数评价。该系统可以资源共享并降低成本,为面阵探测器光电性能的检测标准化及规范化提供重要参考。
2 CCD光电性能测试装置
表征CCD图像传感器的性能参数主要包括几何参数和光电参数。CCD几何特性包括像素尺寸、单个像元大小、整个光敏面面积、光敏面平面度和镀膜材料等,这些参数主要由生产厂家提供,一般不需要测试。光电参数包括量子效率(QE)、像元响应不一致性(PRNU)、光响应非线性、满阱电荷、电荷转移效率、暗电流、读出噪声及缺陷像元等。QE表征探测器光敏面对平均辐射光子数的吸收和转换能力;PRNU反映探测器光敏面上不同位置的像元对相同辐射响应差异的非均匀性,PRNU和非线性共同影响DPC的辐射定标精度;满阱电荷表征探测器像元势阱能够存储的最大电荷量,其是决定DPC信噪比的关键因素之一,QE和满阱电荷共同决定DPC各个谱段的动态范围。
QE定义:在特定波长λ的照射下,像元产生的电荷数与入射到像元表面上的光子数之比,通常用η来表示[14],其表达式为
式中:μy为有光照情况下探测器中有效像元的平均灰度值;μy,dark为无光照情况下探测器中有效像元的平均灰度值;K为图像采集系统的增益,单位DN/electron;h为普朗克常数,为6.6261×10-34 J·s;c为光在真空中的传播速度,为3×108 m/s;λ为入射光的波长,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/m2;Texp为探测器的曝光时间,单位s。
PRNU指在均匀光照的条件下,每个像元之间的响应存在差异,这是由器件制造的过程中不同像素的QE及通光面积等差异引起的[15]。不同波长下,PRNU也略有差异,为了准确测量DPC不同波段的PRNU,通过与仪器同批次的滤光片进行匹配以确保测试光谱与DPC工作波长一致,按照
来计算探测器整个感光面的PRNU。式中:M和N分别为面阵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;
实验对于CCD光电性能测试装置的研制充分参考国内外光电成像器件的性能参数测量技术,整套装置如
2.1 光源系统
光源系统包含分段式均匀照明光源和连续可调谐均匀单色照明光源。分段式均匀照明光源可以用于测量图像传感器的PRNU、光响应非线性、暗电流和饱和灰度值,将积分球内置的卤钨灯作为照明光源,在积分球口放置与DPC同批次的滤光片作为分光元件,保证测试照明光谱波段与DPC工作波段一致。连续可调谐均匀单色照明光源可以用于测量CCD的QE,其由光谱范围为300~1100 nm、功率为1000 W的氙灯光源和光谱分辨率为1 nm的单色仪组成,大功率氙灯发出的光经过单色仪分光后入射至积分球内,经过积分球均匀光后出射,最后由待测探测器接收。在探测器的背面粘贴热敏电阻用于监测其工作温度。监视探测器置于积分球的侧壁,用于监测待测探测器接收的相对光谱能量,并将其作为探测器光谱响应测试的能量传递基准。照度计与待测探测器平行放置,通过水平导轨来切换光路,并测量探测器接收到的照度值。
DPC共有8个工作谱段,工作光谱范围为423~930 nm,其中423~463 nm,545~585 nm,753~773 nm,725~805 nm,890~930 nm为非偏振波段,470~510 nm,650~690 nm,825~905 nm为偏振波段。当测量CCD的PRNU和光响应非线性时,需要覆盖DPC所有的工作波段。当测量QE时,扫描的波长范围为400~930 nm,包含DPC所有的工作谱段,DPC工作波段内扫描间隔为3 nm,DPC工作波段外扫描间隔为10 nm。
2.2 CCD图像采集系统
面阵CCD若要获得高质量的图像信号输出,需要保证低噪声的偏压、精确的驱动时序以及高精度模拟前端的性能[16],为此设计一套CCD图像采集系统以实现面阵探测器的驱动与视频信号采集的控制,采集系统如
该系统的总控制器为NI工控机,通过USB接口向FPGA(Field-Programmable Gate Array)发送积分时间,模拟前端增益、偏置和成像周期等工作参数;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满足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合CCD的各路偏置电压;面阵CCD输出的图像模拟信号经过预放器后送入模拟前端视频信号处理器中,并进行信号调理与模数转换,然后送入FPGA中并按照科学数据包格式进行组织打包,通过LVDS接口将打包后的图像数据传送至工控机内的图像采集卡上并进行图像实时的存储与显示。工控机通过模拟采集卡来监测系统内部的遥测电压。面阵CCD探测器的管脚较软,测量过程中多次拆装容易造成管脚发生变形,故采用无应力插座来进行面阵CCD与图像采集系统的连接。
图像采集系统通过六自由度精密调整机构来调整六个方位,先调整z方向的位置,确保待测探测器光敏面的中心与积分球光源开口的中心对齐,再调整y方向的位置,使探测器光敏面与光源出光口平面平行,最后调整x方向的位置,确保积分球漫反射光均匀照射在待测探测器上。为了避免周围杂散光的影响,图像采集系统和调整机构一起被放置在暗室内,暗室内壁涂上黑色涂层,具有良好的不透光性。
2.3 探测器制冷系统
DPC在轨飞行时探测器组件的工作温度设计为0~9 ℃,每轨的工作温度波动优于3 ℃。测量CCD光电性能参数时,使工作温度与在轨工作温度相匹配,DPC选用的面阵CCD是普通陶瓷封装的探测器,内部未封装半导体制冷器,航天使用的探测器价格昂贵且容易损坏,则温控装置需尽量减少与探测器的应力接触,基于上述要求设计一种热电制冷器(TEC)和低温循环机组合的制冷系统,使用该系统对探测器进行温度控制。基于珀耳帖效应的TEC具有体积小、响应速度快、精度高、无制冷剂、易于实现加热和制冷转换等优势,其是实现探测器高精度温度控制的理想制冷器件[17]。制冷系统由TEC、高精度温控电路、低温循环机、导热铜板和热敏电阻构成,制冷系统如
在面阵CCD与导热铜板之间安装导热垫,探测器工作过程中产生的热量通过导热垫传递到导热铜板上即热沉,当TEC通入直流电时冷端实现对热沉的制冷,热端依靠低温循环机换热器带走热量以散热,从而保证探测器的工作温度稳定。在面阵CCD陶瓷背面粘贴热敏电阻,用于精确测量探测器工作时的温度变化。高精度温控电路用于实现对TEC的控制,其由高稳定性温度采集模块和低噪声热控驱动模块组成,采用FPGA专用芯片根据温控算法来实现探测器温度采集的控制,使用TEC来驱动信号输出与RS422异步串口通信。温控算法采用基于最优时间控制的开关控制算法[18],根据采集的温度信息来调节TEC的驱动功率以产生脉宽调制信号,驱动外部功率三极管来控制TEC制冷电流,电流采样电阻对驱动电流进行采样监控形成闭环控制以实现制冷,实现了±0.15 ℃高精度温控。
3 测试系统的标定
面阵CCD光电性能测试装置设计完成后需对其各部分性能进行检测,为探测器的关键性能指标测试数据的准确性提供有力依据。
3.1 光源系统的标定
采用硅陷阱探测器对均匀照明积分球光源的辐射稳定性进行测试,积分球口放置与DPC同批次的滤光片,连续监测30 min,间隔10 s记录一次硅陷阱探测器输出的均值,连续测量7次,测量数据如
光源系统中积分球的直径为25 cm,出光口的直径为5 cm。在距离积分球出口不同位置处光照度均匀性有所不同,一般在积分球出光口处及距离积分球出光孔径4~5倍之外的光照度均匀性较好[19-20]。积分球出光口处,在探测器中不便安装温控设备,且积分球的自身热量影响待测探测器的工作温度,但距离出光口越远,光照度越小,综合考虑后将待测探测器放置在距离积分球口约为40 cm处,同时满足光的均匀性和辐照度的要求。测试系统安装完成后,利用点探测器扫描法对积分球照度的辐射非均匀性进行测试,将照度计调整到积分球出光口的中心光轴上,采用“平面弓形”扫描方式对测量数据进行照度非均匀性计算,扫描区域为30 cm×30 cm,测试结果如
表 1. 积分球光源的辐射稳定性测试结果
Table 1. Radiation stability test results of integrating sphere light source
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崔珊珊等[21]对连续可调谐均匀单色照明光源系统的测量不确定度进行了详细分析,在实验室的条件下使用低压汞灯对单色仪进行波长定标,得到单色仪的波长准确性优于0.25 nm,并从单色仪引入的波长准确性及二级杂散光、参考探测器自身不确定度、测量非同步性及待测探测器自身噪声等方面来分析光谱响应的测量误差,采用同步采样的方法测得光谱定标的不确定度优于1.03%。
3.2 图像采集系统的标定
图像采集系统使用的高集成度模拟前端芯片为AD9826,自带相关双采样电路、输入箝位电路、偏置调整、程控增益及16位AD转换器,AD量化位数为16 bit。
积分时间精度的标定:采用安捷伦示波器来测量探测器成像区域驱动时钟电平在积分时间段内低电平的时间长度,测试数据如
图像采集系统的电路噪声标定过程:在图像采集系统中模拟信号输入端处,待测探测器用与其输出阻抗相等的精密电阻来替代,此时采集150 frame图像,对获取图像中的每个像元计算方均根噪声(单位ADU),再计算整幅图像方均根噪声值的平均值,实测结果表明探测器图像采集系统的电路噪声优于1.6 ADU,系统可以稳定工作。
表 2. 积分时间精度的测量结果
Table 2. Measurement results of integration time accuracy
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3.3 制冷系统的标定
将探测器制冷系统应用于面阵CCD的光电性能测试,当环境温度约为26 ℃时,设置CCD的制冷温度分别为0,3,6,9 ℃,连续采集CCD实际温度,结果如
图 5. 制冷控制结果。(a)温度控制曲线;(b)不同的工作温度
Fig. 5. Refrigeration control results. (a) Temperature control curve; (b) different working temperatures
CCD光电性能测试系统满足探测器性能测试指标的设计要求,图像采集电路具备良好的适应性,积分球光源具有较高的照度均匀性和良好的稳定性,可以作为CCD探测器主要性能指标的测试设备。
4 实验结果与分析
4.1 探测器的关键性能参数
采用第2节测试装置对多角度偏振成像仪CCD探测器的关键性能参数进行全面检测,测量得到的原始图像数据需要先扣除坏点像元,然后进行暗电流和帧转移的校正,最后计算有效像元的平均灰度值。当探测器的工作温度为6 ℃时,选择器件饱和曝光量为50%的输出图像对不同波长下的光响应不一致性进行测量,测试数据如
表 3. 不同波长下光响应不一致性的测量结果
Table 3. Measurement results of inconsistency of light response at different wavelengths
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探测器的光响应非线性、暗电流、满阱及QE等测试结果及厂家给出的数据如
表 4. 探测器的光电性能参数测试结果
Table 4. Photoelectric performance parameter test results of detector
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表 5. 探测器光响应非线性及QE测试结果
Table 5. Detector optical response nonlinearity and QE test results
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将测试结果与厂家给出的测试数据进行比对,其中探测器满阱和PRNU值与厂家给出的数据接近,暗电流及400 nm和900 nm波长的QE值小于厂家给出的数据。由于与探测器生产厂家使用的暗电流和QE测试方法、温度测试点和图像采集电路不同,造成探测器出厂验收报告上的性能参数值与实测值有差异。考虑到厂家给出的是理论参考数据,当DPC使用时以实测数据为准。
4.2 温度影响分析
采用探测器制冷系统设置不同的制冷温度,测试不同的工作温度下探测器的暗电流,得到CCD暗电流与温度的变化关系。将制冷温度分别设置在0,3,6,9,20 ℃,无光照条件下通过改变探测器的积分时间,在0~300 ms范围内以20 ms为间隔选择16个点进行测试,然后将积分时间作为横坐标,输出信号作为纵坐标,由测试数据给出散点图,并按照最小二乘法拟合一条直线,该直线的斜率即为探测器的单位时间暗信号,单位为DN·electron-1·s-1,除以系统增益得到暗电流电子数,单位electron·pixel-1·s-1,测试结果如
式中:T为CCD温度;Qd0为在293 K的暗电流电子数;Qd为室温下测量的暗电流电子数。从
QE与温度相关,温度的降低会引起硅的能隙变宽,使光生电荷跃过能隙的几率变小,导致QE相应降低,这种温度影响具有波长依赖性。采用探测器制冷系统将CCD设置在不同的工作温度,在400~930 nm的波长范围内对CCD的QE进行测试,测得不同温度下的QE曲线如
使用8个波长对DPC的QE进行统计,结果如
5 结论
针对多角度偏振成像仪探测器的光电性能评估需求,研制一套通用性强、精度高和稳定度高的CCD光电性能参数测试系统。该系统包含光源系统、图像采集控制系统和探测器制冷系统三个部分,对器件的光电响应性能和光谱特性进行全面的定量测试与分析。为了尽量减少制冷装置与探测器的应力接触,避免损坏昂贵的航天使用的探测器,提出基于热电制冷器与低温循环机组合的探测器控温方法,该方法能够灵活设置探测器的工作温度。采用所提系统对多角度偏振成像仪的面阵CCD进行全面的光电参数测量。实验结果表明探测器没有坏点,满阱电荷为1.28×105 electron·pixel-1,当工作温度为6 ℃时,暗电流为1011.78 electron·pixel-1·s-1,不同波长下的光响应不一致性优于3%,光响应非线性优于1%。探测器的工作温度从0 ℃升高到9 ℃,暗电流增加1.25倍,近红外波段的QE受温度影响较大,相差3.58个百分点。探测器关键性能参数的评估为多角度偏振成像仪整机的性能测试和定标需求提供保障。后续将在DPC遥感图像数据预处理的流程中增加温度补偿系数的校正以消除温度变化的影响。
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姚萍萍, 许孙龙, 涂碧海, 于新宇, 崔珊珊, 骆冬根, 洪津. 星载面阵CCD性能测试系统设计及温度影响分析[J]. 中国激光, 2020, 47(9): 0910001. Yao Pingping, Xu Sunlong, Tu Bihai, Yu Xinyu, Cui Shanshan, Luo Donggen, Hong Jin. Design of Performance Test System and Analysis of Temperature Dependence for Space-Borne Array CCD[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(9): 0910001.
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