孫大維 趙 楊
(東北電子技術(shù)研究所 錦州 121000)
CCD組件是光電轉(zhuǎn)換、電荷儲(chǔ)存、電荷轉(zhuǎn)移和自動(dòng)掃描等功能于一體的光電器件。CCD具有多種光電參數(shù),由于生產(chǎn)工藝和工作過程不同,各種CCD的光電參數(shù)差異很大。通常在使用前應(yīng)對(duì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,全面定量地表征在探測(cè)圖像時(shí)CCD組件的綜合性能。特別是對(duì)于高靈敏度的CCD組件,靶面照度已經(jīng)超出計(jì)量部門能計(jì)量的最小量程,因此需要研制一套高靈敏度CCD組件測(cè)試系統(tǒng)[1]。
CCD測(cè)試系統(tǒng)的原理見圖1。主要包括光源系統(tǒng)、CCD安裝夾具、電源模塊、控制模塊、PCI圖像采集卡、主機(jī)以及電纜組成。CCD測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖2。
圖1 CCD測(cè)試系統(tǒng)的原理圖
圖2 結(jié)構(gòu)框圖
其主要功能是對(duì)CCD組件的幀頻、飽和輸出幅值、均方根噪聲、最低照度等多種性能參量測(cè)試[2]。CCD測(cè)試系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)見表1。
系統(tǒng)主機(jī)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸卡及系統(tǒng)軟件三部分組成。通過安裝于工控機(jī)上的數(shù)據(jù)傳輸卡(LVDS-PCI)交換數(shù)據(jù),以控制測(cè)試平臺(tái)工作,顯示測(cè)試圖像,獲取測(cè)試數(shù)據(jù),計(jì)算分析;實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖或光錐耦合CCD組件的自動(dòng)測(cè)試工作[3]。
表1 設(shè)計(jì)要求
控制及轉(zhuǎn)換模塊與系統(tǒng)主機(jī)的信息交換,將測(cè)試平臺(tái)的各項(xiàng)工作狀態(tài)發(fā)送給系統(tǒng)主機(jī),同時(shí)接收主機(jī)命令,改變測(cè)試平臺(tái)工作狀態(tài);通過檢測(cè)組件工作及掉電保護(hù),進(jìn)行安全監(jiān)控及故障自檢;通過對(duì)光源步進(jìn)電機(jī)的控制,實(shí)現(xiàn)光源調(diào)節(jié);將組件的圖像數(shù)據(jù)信號(hào)及相關(guān)的時(shí)序信號(hào)轉(zhuǎn)換為適宜遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腖VDS信號(hào),并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出。
安裝固定待測(cè)的光纖組件;保證被測(cè)組件與光源的相對(duì)位置確定。
將220V交流電變?yōu)槎嗦分绷麟娫?,供給測(cè)試平臺(tái)其他部件使用;控制各路電源的開關(guān);監(jiān)測(cè)各路電源[4]。
光源系統(tǒng)作為整套測(cè)試平臺(tái)的基準(zhǔn),其準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性至關(guān)重要。光源系統(tǒng)主要產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)特定波段的平行光源,并可以生成不同的測(cè)試圖案供CCD組件成像;并可根據(jù)系統(tǒng)命令改變光源強(qiáng)度、測(cè)試圖像及獲取均勻光照。光源系統(tǒng)由光源、平行光管、帶通濾光片、4組吸收型中性衰減片(每組6片)和成像系統(tǒng)組成,如圖3所示。
圖3 光源系統(tǒng)原理圖
1)平行光管。平行光管輸出平行光源,保證光源強(qiáng)度穩(wěn)定且隨距離發(fā)生變化較小。
2)帶通濾光片。采用濾光片獲取單色光,保證光譜曲線固定不變,可按照光功當(dāng)量公式推算出單位面積輻射功率與照度的固定關(guān)系(光功當(dāng)量)。
對(duì)于本平行光源,其光譜曲線如圖4:
圖4 光源光譜曲線圖
根據(jù)光功當(dāng)量公式:
式中:Eλ:波長(zhǎng)為λ的相對(duì)光能量;Vλ:波長(zhǎng)為λ的光譜光視效率值;按光譜曲線計(jì)算結(jié)果如下:
K平行光源=5.926LUX/(μW/cm2)(即:對(duì)于本平行光源,1μW/cm2的單位面積輻射功率對(duì)應(yīng)5.926LUX的照度)
3)吸收型中性衰減片。CCD組件的一項(xiàng)重要指標(biāo)為靶面最低照度,按技術(shù)要求為550nm處<0.1μW/cm2,是按照單位面積輻射功率表示的。目前輻射計(jì)量部門能計(jì)量的最小量程為10(300mW/cm2,無法直接測(cè)試如此低功率的光。采用衰減片組合的方式可以實(shí)現(xiàn),并保證光強(qiáng)調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。選用吸收型中性衰減濾光片,中性衰減片對(duì)可見光范圍內(nèi)的光線透過率保持一致,平行光在經(jīng)過衰減后光譜曲線不變,保證了光功當(dāng)量的固定關(guān)系不變;吸收型衰減片為單一材質(zhì),光學(xué)性能穩(wěn)定,其透過率可視為恒定不變;吸收型衰減片的組合干擾<0.36%,多片衰減片疊加的透過率可簡(jiǎn)單視為每片衰減片透過率的乘積。通過不同組合,可以得到多種透過率值,衰減片透過率組合如表2。
表2 衰減片透過率組合表
在測(cè)試均勻性時(shí),光源通過電動(dòng)位移平臺(tái)自動(dòng)更換為毛玻璃,測(cè)試畸變時(shí),光源更換為畸變測(cè)試靶標(biāo)。
抽取十余組衰減組合(理論透過率從30%(0.1%),進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試,每組透過率的重復(fù)性誤差<2%;說明光源系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性,能作為測(cè)量的依據(jù)[5]。
圖5 畸變測(cè)試靶成像圖
用三個(gè)不同的燈泡,抽取十余組衰減組合(理論透過率從30%(0.1%),進(jìn)行衰減率重復(fù)性測(cè)試,對(duì)同一組的透過率重復(fù)性誤差<2%;說明更換光源后系統(tǒng)的透過率保持不變,無需重新標(biāo)定透過率。
將同一套光纖耦合CCD組件產(chǎn)品重復(fù)測(cè)試數(shù)次,其指標(biāo)及重復(fù)性要求如表3:
表3 重復(fù)測(cè)試誤差分析
CCD具有多種光電參數(shù),由于生產(chǎn)工藝和工作過程不同,各種CCD的光電參數(shù)差異很大。因此,CCD組件的綜合參數(shù)測(cè)試結(jié)果將直接決定著CCD的實(shí)際應(yīng)用情況。特別是隨著高靈敏度低噪聲CCD組件的出現(xiàn),其測(cè)試難度加大。為了提高其測(cè)試準(zhǔn)確度和重復(fù)精度,研制出了適用于實(shí)驗(yàn)室的操作簡(jiǎn)便的CCD組件參數(shù)綜合測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)儀器對(duì)CCD組件的多種參數(shù)測(cè)試,并且實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)化。對(duì)連續(xù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)誤差分析,重復(fù)性小于3%,測(cè)試結(jié)果表明,本測(cè)試儀測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠[6]。
[1]向世明,倪國(guó)強(qiáng).光電子成像器件原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1999.
[2]王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2000.
[3]安連生.應(yīng)用光學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2008.
[4]趙亮,劉海鷗.CCD組件參數(shù)綜合測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].光電技術(shù)應(yīng)用,2010(6):5-7.
[5]李明偉.線陣CCD參量測(cè)試系統(tǒng)[J].電子器件2007,4.
[6]趙凱生,劉爽.基于ARM的線陣CCD測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用分析[J].光電技術(shù)應(yīng)用,2006(1):31-34.