CN102508141A - Ccd芯片性能参数的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CCD芯片性能参数的测量系统，主要解决现有系统不具有通用性、测量参数不全面和光谱范围窄的不足。整个系统包括可调单色光源系统(1)、积分球(4)、暗室(5)、杜瓦瓶温控室(9)、皮安表(10)、主控电路系统(11)和主控计算机(14)，待测CCD和标准探测器安放在杜瓦瓶温控室中，调节可调单色光源系统输出单色光，该单色光经过积分球和暗室转变为均匀光后，照射在待测CCD和标准探测器上，待测CCD由主控电路系统驱动成像，并将CCD的输出信息上传到主控计算机上，主控计算机根据图像信息计算出待测CCD的性能参数。本发明具有通用性强、测量参数全面和稳定性高的优点，适用于对所有CCD芯片的测量。

Description

CCD芯片性能参数的测量系统

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及对CCD芯片性能参数的测量，用于实现CCD芯片性能的评价。

背景技术

CCD作为一种重要的光电探测元件，其各项性能参数在很大程度上决定了探测系统的性能，因此，在研制探测系统时，需要选择合适性能参数的CCD芯片。而CCD生产厂家提供的性能参数指标并不等于CCD应用中所需要的参数指标，因此，在研制CCD成像系统时，为了确保其选型的合理性、成像系统探测的稳定性及精确性，需要研制一套可以对CCD芯片各项性能参数进行精确标定的科学仪器。

目前，在国内随着CCD的广泛应用，一些科研单位相继开发出具有特定功能CCD参数测量系统，但仍未形成统一的测量标准。其中，中国科学院长春精密仪器研究所于1994年研制了国内第一套CCD光电参量测试系统，并于2001年设计了一种新型的光路可伸缩的CCD器件光电参数测试装置。合肥工业大学、大连理工大学、电子科技大学、清华大学、中国科学院西安光学精密机械研究所和中国科学院空间科学与应用研究中心等都根据各自的需求设计了具有针对性的CCD性能参数测量系统。但是，以上系统普遍存在以下几个不足之处：未能实现低温测量，使测量不够精确，暗电流、噪声等受环境温度影响较大；通用性不够，各自系统只能实现特定型号CCD的测量；光谱测量范围较窄、光谱分辨率较低；测量的参数不够全面，只测量了自己需要的参数。这些不足都严重影响了CCD性能参数测量的精度、通用性和全面性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种CCD芯片性能参数的测量系统，以在较宽的光谱范围300-1500nm内实现对不同类型的CCD芯片性能参数的全面测量，提高其测量的通用性和全面性。

为实现上述目的，本发明的测量系统包括：可调单色光源系统、积分球、暗室、主控电路系统和主控计算机，主控计算机分别与可调单色光源系统和主控电路系统双向连接，可调单色光源系统通过积分球与暗室连接，其特征在于：

暗室与主控电路系统之间设有杜瓦瓶温控室，待测CCD、标准探测器和PID温控仪放置在该杜瓦瓶温控室内；

主控电路系统包括：CCD通用驱动电路和USB通信电路，该CCD通用驱动电路，由时序模块、电压模块和接口模块构成，时序模块用于提供不同CCD芯片成像所需的驱动时序，电压模块用于提供不同CCD芯片所需的驱动电压，接口模块用于连接不同CCD芯片的输入和输出。

待测CCD与CCD通用驱动电路连接；

标准探测器通过皮安表与USB通信电路连接。

所述的可调单色光源系统，由光谱范围为200nm-2500nm、功率为500瓦的氙灯光源和单色仪组成，单色仪与主控计算机相连，其输出光谱分辨率为10nm并且连续可调。

所述的积分球，采用直径为20英寸的漫反射球体，其入口直径为2英寸，出口直径为4英寸，内表面涂层为Spectralon，辐射均匀度＞98％。

所述的暗室，采用木质结构，形状为一个长方体，内部涂有黑色涂层，具有良好的不透光性，其顶端设有能够活动的盒盖，两端各有一个开孔，分别密闭连接积分球出口和杜瓦瓶温控室。

所述的待测CCD和标准探测器并行放置在杜瓦瓶温控室中，同时接受均匀光照射，通过皮安表对标准探测器输出的监测，保证测量条件相同和稳定。

所述的主控计算机，设有控制模块和图像处理模块，该控制模块由串口驱动子模块和USB驱动子模块组成，串口驱动子模块控制单色仪，调节其输出波长和分辨率，USB驱动子模块控制主控计算机与USB通信电路之间相互通信，传输控制命令；该图像处理模块获取图像信息后计算出待测CCD的性能参数。

利用本发明系统进行CCD芯片性能参数测量的方法，包括如下步骤：

(1)将待测CCD安放在杜瓦瓶温控室中，使其与标准探测器等高，通过调节PID温控仪，设置好测量所需要的温度，同时，密闭杜瓦瓶温控室，并将其抽成真空；

(2)通过主控计算机，选择需要测量的CCD性能参数，对可调单色光源系统输出光谱波长等参数进行设定，产生需要的均匀单色光；

(3)待CCD温度、标准探测器温度以及均匀单色光稳定后，主控电路系统通过皮安表获得标准探测器测得的输出电流值，同时，控制待测CCD的曝光时间并读取CCD的输出信号，并通过USB总线将CCD响应的信号、皮安表测得的结果和CCD温度信息上传到主控计算机；

(4)主控计算机根据获取的信息，计算出待测CCD的性能参数。

本发明具有如下优点：

1)本发明由于设计的主控电路系统适合不同类型的CCD芯片，能够驱动不同类型CCD芯片产生图像信号，使测量系统具有通用性，能够对不同类型的CCD芯片性能参数进行测量。

2)本发明由于采用杜瓦瓶温控室，能够调节和控制测量环境的温度，不仅能够提供测量所需的低温环境，而且能够测量与温度有关的性能参数，使测量系统具有测量参数的全面性，同时也保证了测量环境不受周围环境的干扰。

3)本发明由于通过皮安表对标准探测器的输出进行实时监测，读取皮安表输出结果，观察入射光功率是否变化，确保整个测量过程中的光功率相同，使测量系统具有稳定性。

附图说明

图1是本发明CCD芯片性能参数测量系统结构框图；

图2是本发明CCD芯片性能参数测量流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做进一步详细描述。

参照图1，本发明的测量系统给出如下两种实施例：

实施例1：

本发明的测量系统包括可调单色光源系统1、积分球4、暗室5、杜瓦瓶温控室9、皮安表10、主控电路系统11和主控计算机14。其中：可调单色光源系统1，采用光谱范围为200nm-2500nm、功率为500瓦的氙灯光源2和单色仪3组成，输出光谱分辨率为10nm并且连续可调的单色光；积分球4采用直径为20英寸的漫反射球体，其入口直径为2英寸，出口直径为4英寸，内表面涂层为Spectralon，输出辐射均匀度＞98％的均匀光；暗室5采用长度为80cm的长方体黑箱结构，材料为木质，该黑箱内部涂有黑色涂层，使其具有良好的不透光性，黑箱的顶端设有能够活动的盒盖，两端各有一个开孔，分别用于密闭连接积分球4的出口和杜瓦瓶温控室9；杜瓦瓶温控室9中放置有待测CCD芯片6、标准探测器7和PID温控仪8；主控电路系统11包括CCD通用驱动电路12和USB通信电路13，CCD通用驱动电路12由时序模块、电压模块和接口模块构成；主控计算机14内部设有控制模块和图像处理模块，其控制模块包括串口驱动子模块和USB驱动子模块两部分。各部件的相互连接关系及工作原理如下：

主控计算机14分别与单色仪3和主控电路系统11双向连接；可调单色光源系统1通过积分球4与暗室5连接；暗室5与主控电路系统11之间设有杜瓦瓶温控室9；待测CCD芯片6与CCD通用驱动电路12连接，标准探测器7通过皮安表10与USB通信电路13连接。工作时，将待测CCD芯片6安放在杜瓦瓶温控室9中，使其与标准探测器7等高，调节温控仪8，设置测量需要的环境温度，待环境温度稳定后，打开氙灯光源，通过主控计算机14选择需要测量的CCD芯片性能参数，并设置单色仪3的输出光谱波长和带宽这些参数后，可调单色光源系统1输出单色光，该单色光进入积分球4，经积分球4转变为均匀光入射到暗室5中，该均匀光从暗室5射出后同时照射在杜瓦瓶温控室9中的待测CCD芯片6和标准探测器7上，并且通过皮安表10监测标准探测器7的输出，保证测量条件相同和稳定，CCD通用驱动电路12中的时序模块用于提供CCD成像所需的驱动时序，电压模块用于提供CCD成像所需的驱动电压，接口模块用于连接CCD的输入和输出，控制待测CCD芯片6成像后，将CCD的输出信息通过USB通信电路13上传到主控计算机14，主控计算机14中的图像处理模块根据获取到的信息计算出待测CCD芯片6的性能参数。

实施例2：

积分球4采用直径为12英寸的漫反射球体，其入口直径为2英寸，出口直径为4英寸，内表面涂层为Spectralon，输出辐射均匀度＞98％的均匀光；暗室5采用长度为80cm的正方体黑箱结构，材料为金属，该黑箱内部涂有黑色涂层，使其具有良好的不透光性，黑箱的顶端设有能够活动的盒盖，两端各有一个开孔，分别用于密闭连接积分球4的出口和杜瓦瓶温控室9。其余部件、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

参照图2，利用本发明系统进行CCD芯片性能参数测量的方法，包括如下步骤：

步骤1，将待测CCD芯片6安放在杜瓦瓶温控室9中，使其与标准探测器7等高，通过调节PID温控仪8，设置好测量所需要的环境温度，同时，密闭杜瓦瓶温控室9，并将其抽成真空，确保测量过程中不受周围环境的干扰；

步骤2，打开氙灯光源，通过主控计算机14，选择需要测量的CCD芯片性能参数，并且设置可调单色光源系统1中单色仪3的输出光谱波长、带宽等参数，产生测量需要的均匀单色光；

步骤3，待CCD温度、标准探测器温度以及均匀单色光输出功率稳定后，主控电路系统11通过皮安表10获得标准探测器7测得的输出电流值，同时，主控计算机14根据不同的待测参数，设置CCD不同的曝光时间；

步骤4，CCD通用驱动电路12驱动待测CCD成像后，读取CCD的输出信号，并通过USB总线将CCD响应的信号、皮安表10测得的结果和CCD温度信息上传到主控计算机14；

步骤5，主控计算机14根据获取的信息，计算出待测CCD芯片6的性能参数。

Claims (9)

1.一种CCD芯片性能参数测量系统，包括可调单色光源系统(1)、积分球(4)、暗室(5)、主控电路系统(11)和主控计算机(14)，主控计算机(14)分别与可调单色光源系统(1)和主控电路系统(11)双向连接，可调单色光源系统(1)通过积分球(4)与暗室(5)连接，其特征在于：

暗室(5)与主控电路系统(11)之间设有杜瓦瓶温控室(9)，该杜瓦瓶温控室(9)内放置有待测CCD芯片(6)、标准探测器(7)和PID温控仪(8)；

主控电路系统(11)包括：CCD通用驱动电路(12)和USB通信电路(13)；

待测CCD芯片(6)与CCD通用驱动电路(12)连接；

标准探测器(7)通过皮安表(10)与USB通信电路(13)连接。

2.根据权利要求1所述的CCD芯片性能参数测量系统，其特征在于可调单色光源系统(1)，由光谱范围为200nm-2500nm、功率为500瓦的氙灯光源(2)，和单色仪(3)组成，单色仪(3)与主控计算机(14)相连，其输出光谱分辨率为10nm并且连续可调。

3.根据权利要求1所述的CCD芯片性能参数测量系统，其特征在于积分球(4)，采用直径为20英寸或12英寸的漫反射球体，其入口直径为2英寸，出口直径为4英寸，内表面涂层为Spectralon，辐射均匀度＞98％。

4.根据权利要求1所述的CCD芯片性能参数测量系统，其特征在于暗室(5)，采用长方形木质腔体，腔体内部涂有不透光的黑色涂层，长方形木质腔体的顶端设有能够活动的盒盖，两端各设有一个分别与积分球(4)和杜瓦瓶温控室(9)密闭连接的开孔。

5.根据权利要求1所述的CCD芯片性能参数测量系统，其特征在于暗室(5)，采用正方形金属腔体，腔体内部涂有不透光的黑色涂层，正方形金属腔体的顶端设有能够活动的盒盖，两端各设有一个分别与积分球(4)和杜瓦瓶温控室(9)密闭连接的开孔。

6.根据权利要求1所述的CCD芯片性能参数测量系统，其特征在于待测CCD芯片(6)和标准探测器(7)并行放置在杜瓦瓶温控室(9)中，同时接受均匀光照射，通过皮安表(10)对标准探测器(7)输出的监测，保证测量条件相同和稳定。

7.根据权利要求1所述的CCD芯片性能参数测量系统，其特征在于CCD通用驱动电路(12)，由时序模块、电压模块和接口模块构成，时序模块用于提供不同CCD芯片成像所需的驱动时序，电压模块用于提供不同CCD芯片所需的驱动电压，接口模块用于连接不同CCD芯片的输入和输出。

8.根据权利要求1所述的CCD芯片性能参数测量系统，其特征在于主控计算机(14)，设有控制模块和图像处理模块，该控制模块由串口驱动子模块和USB驱动子模块组成，串口驱动子模块控制单色仪(3)，调节其输出波长和分辨率，USB驱动子模块控制主控计算机(14)与USB通信电路(13)之间相互通信，传输控制命令；该图像处理模块获取图像信息后计算出待测CCD芯片(6)的性能参数。

9.一种利用权利要求1所述测量系统进行CCD芯片性能参数测量的方法，包括如下步骤：

(1)将待测CCD芯片(6)安放在杜瓦瓶温控室(9)中，使其与标准探测器(7)等高，通过调节PID温控仪(8)，设置好测量所需要的温度，同时，密闭杜瓦瓶温控室(9)，并将其抽成真空；

(2)通过主控计算机(14)，选择需要测量的CCD性能参数，对可调单色光源系统(1)输出光谱波长等参数进行设定，产生需要的均匀单色光；

(3)待CCD温度、标准探测器温度以及均匀单色光稳定后，主控电路系统(11)通过皮安表(10)获得标准探测器(7)测得的输出电流值，同时，控制待测CCD的曝光时间并读取CCD的输出信号，并通过USB总线将CCD响应的信号、皮安表(10)测得的结果和CCD温度信息上传到主控计算机(14)；

(4)主控计算机(14)根据获取的信息，计算出待测CCD芯片(6)的性能参数。

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