線列CCD光電響應(yīng)率測(cè)試

陳文彬

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院, 四川 成都 610054)

線列CCD光電響應(yīng)率測(cè)試

陳文彬

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院, 四川 成都 610054)

在介紹CCD工作原理基礎(chǔ)上分析了CCD響應(yīng)率的定義以及測(cè)試方法，設(shè)計(jì)制作了小光點(diǎn)線列CCD響應(yīng)率的測(cè)試系統(tǒng)，給出了測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)造及測(cè)試過(guò)程，選擇2 856 K標(biāo)準(zhǔn)光源并恒定照度，通過(guò)改變CCD的積分時(shí)間改變CCD的曝光量，從而改變CCD的輸出信號(hào)，從CCD響應(yīng)曲線的線性區(qū)可以擬合出CCD的響應(yīng)率。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠完成CCD響應(yīng)率的測(cè)試且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

線列CCD； 響應(yīng)率測(cè)試； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

CCD稱為電荷耦合器件,其功能是實(shí)現(xiàn)光電變換,把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào),即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)[1-2]。與其他器件如CMOS 等相比,最突出的特點(diǎn)是它以電荷作為信號(hào),而其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓作為信號(hào)[3]。CCD 以其高動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空航天、衛(wèi)星偵察、軍事保安監(jiān)控、天文觀測(cè)、通信、機(jī)器視覺(jué)、廣播、電影電視、醫(yī)學(xué)窺鏡、微光攝像等領(lǐng)域[4-6]。CCD的原理、技術(shù)與應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入本科生課程中,通過(guò)CCD光電特性的測(cè)試可以更好地使學(xué)生了解CCD的工作機(jī)理并對(duì)CCD性能作出評(píng)估。然而已有的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)大多組成復(fù)雜,不易操作,適合作精密測(cè)量[7-8]。本文介紹了一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基于2 856 K標(biāo)準(zhǔn)光源的簡(jiǎn)單CCD 光電響應(yīng)率測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)本實(shí)驗(yàn),可以了解CCD的工作原理、光電轉(zhuǎn)換特性及其影響因素并掌握CCD響應(yīng)率的測(cè)量方法和測(cè)試裝置的原理與應(yīng)用。

1 CCD的光電響應(yīng)率測(cè)試原理與方法

當(dāng)光入射在CCD光敏元上時(shí),光電二極管吸收光能而轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)電極下深耗盡層中的信號(hào)電荷。以響應(yīng)率Re表示光電轉(zhuǎn)換器件的光電轉(zhuǎn)換特性,設(shè)入射在光敏元上的總能量E,所產(chǎn)生的信號(hào)電荷量為Q,Re定義為

(1)

響應(yīng)率的單位為C/J,也常以A/W表示。

響應(yīng)率Re與入射光源的頻譜分布有關(guān),通常規(guī)定入射光源為2 856 K標(biāo)準(zhǔn)光源。在實(shí)際應(yīng)用中,CCD的輸出結(jié)構(gòu)為浮置擴(kuò)散放大器,輸出為信號(hào)電壓。因此,為測(cè)量方便,響應(yīng)率又定義為在一定光譜范圍內(nèi)單位曝光量產(chǎn)生的輸出信號(hào)電壓Vs,曝光量為光照強(qiáng)度與光照時(shí)間的乘積,因此有

(2)

式中：L為光源照到CCD光敏元上的照度,lx;t為光照時(shí)間,s;Rs是綜合參數(shù),單位為V/(lx·s)。

Rs不僅僅反映光敏元性能,而且反映光敏元大小、占空因子、CCD轉(zhuǎn)移效率和輸出結(jié)構(gòu)的性能等因素,所以Rs能反映出CCD光電特性的優(yōu)劣。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

CCD(TCD142D)響應(yīng)率的小光點(diǎn)測(cè)試裝置如圖1所示。光源采用色溫2856K的標(biāo)準(zhǔn)光源,光源由精密直流電源供電,暗盒中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成能在CCD面上形成小光點(diǎn),小光點(diǎn)光路見(jiàn)圖2。

圖1 CCD響應(yīng)率的測(cè)量裝置

圖2 小光點(diǎn)光路圖

光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)星孔板(星孔板由激光打孔的方法形成,小孔直徑約為10 μm)后可以看成平行光,經(jīng)過(guò)聚焦透鏡后再焦點(diǎn)處匯聚成小光點(diǎn),光點(diǎn)尺寸小于一個(gè)光敏元尺寸。光源的照度值及光源至CCD的距離首先經(jīng)過(guò)標(biāo)定,標(biāo)定時(shí)先在CCD光敏面位置處用標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)測(cè)試照度,調(diào)節(jié)光源電源、光圈和中性濾光片，使照度值穩(wěn)定在設(shè)定值。

光照時(shí)間即是CCD的光積分時(shí)間,根據(jù)CCD的驅(qū)動(dòng)原理[9-11],CCD的積分時(shí)間由可編程控制器控制調(diào)節(jié)。在光照強(qiáng)度一定的情況下,改變光積分時(shí)間可以得到不同的曝光量值。記錄積分時(shí)間和CCD的輸出電壓，直至CCD輸出飽和。以峰值信號(hào)作為CCD光敏元的響應(yīng),因此CCD的輸出信號(hào)通過(guò)峰值保持器輸出峰值信號(hào)電壓。峰值保持器的作用是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與其峰值相等的直流信號(hào),該信號(hào)電壓由數(shù)字電壓表測(cè)試讀出。

3 測(cè)試

測(cè)量前讓直流電源工作在設(shè)定值以滿足響應(yīng)率定義中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光源的要求,調(diào)整光欄可以改變照射到光敏元上的照度值。移動(dòng)光源裝置,讓光點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)線列CCD靠近輸出端的某個(gè)光敏元,從示波器屏上觀察信號(hào)輸出情況。用示波器觀察光積分脈沖周期,調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)振蕩器的頻率,測(cè)量出光積分脈沖周期的大小變化,并作記錄。改變光積分脈沖周期,用數(shù)字電壓表測(cè)量CCD輸出信號(hào)電壓,直到飽和值為止。可以改變光照光敏元的位置重復(fù)測(cè)量求出其平均值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于光照度不如時(shí)間容易測(cè)量,所以在光照度一定的情況下改變積分時(shí)間來(lái)改變曝光量。為了減小轉(zhuǎn)換損失對(duì)響應(yīng)率Rs的影響,測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇靠近輸出端的光敏元測(cè)量。在給定電流時(shí),CCD光敏面上的照度一定,改變積分時(shí)間測(cè)量輸出電壓。由于CCD勢(shì)阱容量有限,光生載流子會(huì)超過(guò)CCD勢(shì)阱的最大容量,CCD輸出信號(hào)從線性區(qū)過(guò)渡到飽和區(qū)。根據(jù)對(duì)CCD器件測(cè)量結(jié)果,作出Vs與時(shí)間t的關(guān)系曲線,由關(guān)系曲線的斜率求出Rs值。作為示例,電源電流分別為0.09、0.12、0.14 A時(shí)測(cè)得的Vs-t曲線見(jiàn)圖2。從測(cè)得的Vs-t關(guān)系曲線上可以看出,曲線可以分為3個(gè)區(qū)域，即線性區(qū)、過(guò)渡區(qū)和飽和區(qū)。采用最小二乘法對(duì)線性區(qū)進(jìn)行擬合,線性區(qū)的斜率即為CCD的響應(yīng)率。進(jìn)一步還可以求得CCD與響應(yīng)率相關(guān)的2個(gè)重要參數(shù),即飽和輸出信號(hào)電壓Vm及其對(duì)應(yīng)的飽和曝光量Hm。

從理論上講,當(dāng)積分時(shí)間為0時(shí),曝光量為0,CCD的輸出電壓為0。但是從測(cè)試結(jié)果來(lái)看并非如此,對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的響應(yīng)率曲線清楚地表明了當(dāng)曝光時(shí)間為0時(shí),CCD輸出噪聲電壓[12],如圖3(b)所示。

圖3 CCD響應(yīng)率曲線

5 結(jié)語(yǔ)

搭建了線列CCD的小光點(diǎn)響應(yīng)率測(cè)試系統(tǒng),通過(guò)改變CCD的積分時(shí)間以改變CCD的曝光量,在不同積分時(shí)間下測(cè)得CCD的輸出峰值電壓,Vs-t曲線表明CCD工作在線性區(qū)、過(guò)渡區(qū)和飽和區(qū),并進(jìn)一步得到CCD的飽和電壓和飽和曝光量以及暗輸出電壓,線性擬合得到了CCD得響應(yīng)率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便,已用于固體成像器件原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

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Test of linear CCD photoelectric responsivity

Chen Wenbin

(School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

Based on the introduction of the working principle of CCD responsivity, the definition and the test method for CCD responsivity are analyzed. The testing system for linear CCD responsivity based on a small light spot is designed and developed, and the structure and the process of the testing system are presented. The 2856 K standard light source is chosen and the constant illumination is maintained. The amount of CDD light exposure is changed by changing the integration time of CCD so that CCD output signal is altered. From the linear region of the CDD responsivity curve, CDD responsivity is obtained. The testing results show that this system can complete the test of CDD responsivity, and its structure is simple.

linear array CCD; responsivity test; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.010

2016-10-17 修改日期：2016-12-15

電子科技大學(xué)本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目(Y02012023701215，Y02012023701167)

陳文彬(1968—)，男，四川成都，博士，副教授，研究方向?yàn)轱@示與成像技術(shù).

E-mail：chenwb@uestc.edu.cn

TN386.5

B

1002-4956(2017)4-0037-02