CN107449587B - 一种测试探测器像元内不均匀性的装置及方法 - Google Patents

一种测试探测器像元内不均匀性的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明主要属于天文观测领域，具体涉及一种测试探测器像元内不均匀性的装置及方法。所述装置包括点光源系统和运动平台；所述运动平台使得待测的探测器在XYZ三维方向上运动；所述点光源系统提供小于探测器像元尺寸的像斑，运动平台置于点光源系统一侧，所述点光源在所述点光源系统的探测器像元内成像。本发明提供了测量探测器像内不均匀性的装置和方法，使用该装置和方法可以测量探测器像元内不均匀性，便于筛除均匀性较差的探测器，同时测量得到的数据可作为探测器拍摄目标图像的校准使用。

Description

一种测试探测器像元内不均匀性的装置及方法
技术领域
本发明主要属于天文观测领域，具体涉及一种测试探测器像元内不均匀性的装置及方法。
背景技术
光学波段的天文观测主要有测光观测和光谱观测，事实上，实测天文学是一门追求极致的学科，对设备有很高的要求，为了提高观测目标的信噪比，往往需要深度制冷探测器来降低暗噪声；探测器需要有很高的量子效率、很低的读出噪声；要求有很好线性响应、像元间响应均匀性等光电特性。
目前专业天文观测领域首选的光学探测器依然是CCD，它具有动态范围大、空间分辨率高、线性好、噪声低等优势，能够满足天文观测对探测器的要求。作为工作原理和CCD相同的另一种光学探测器CMOS，与科学级背照明CCD相机相比，传统CMOS相机量子效率低、填充因子低、动态范围小、噪声高，所以没有被广泛应用于专业天文观测中。近十几年CMOS技术迅速发展，使其性能得到了有效提升，在民用领域，CMOS已经基本取代了CCD成为主流，在专业天文观测领域，国内外的一些CMOS研发厂商已经推出了科学级背照式CMOS芯片，它们具有高量子效率、高帧频、低噪声、无需机械快门、功耗低等特点。
但CCD和CMOS是一种大规模半导体集成器件，生产工艺相当复杂，在生产制造过程中，难免产生掺杂浓度的不均匀、沉淀厚度的差异，以及光刻误差，一旦制成成品，这种先天性的缺陷就无法改变，从而引入了固定模式的噪声，表现为像元响应的不均匀性等，因器件而异，所以对于天文观测等高精度应用而言，需要在使用前对探测器进行实际测量，一方面筛除均匀性较差的探测器，另一方面测试探测器的不均匀性数据可以对后续观测结果加以补偿。
现有关于探测器不均匀性的研究都是对探测器像元间响应不均匀性进行测试，即靶面上像元间的不均匀性，但不同类型探测器的像元结构也不尽相同，比如CMOS像元内有相对复杂的电路结构，这部分并不感光，所以当光线照在上面，就不会发生光电效应激发出电子，传统的CMOS填充因子只有30％、40%，通过在芯片表面添加微透镜可以将填充因子提高到90%以上，这种结构对天文测光观测到底有何影响，需要测试；最新技术下的背照式科学级CMOS相机的填充因子可以达到100%，但是像元内依然有电路结构，这些结构对像元感光是否具有影响，对哪些波段的光有影响，都需要测试。事实上，相同类型的探测器，如全帧CCD相机，由于材料和制造工艺的不同，像元内不均匀性也不尽相同。现今，2米级空间望远镜，4米级、8米级、12米级等大口径地基望远镜都需要CCD拼接的大尺寸焦面相机，如何甄选性能优质的CCD芯片进行拼接是我们需要解决的一个问题。现有的研究并没有意识到像元内不均匀性对观测结果的影响，也缺少对像元内不均匀性检测的设备和方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种测试探测器像元内不均匀性的装置及方法。该装置利用稳定的点光源，使点光源在探测器的像元内不同位置成像，分析像斑流量和椭率的变化，通过测试一系列像元，来评测探测器像元内的不均匀性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种测试探测器像元内不均匀性的装置，所述装置包括点光源系统和运动平台；
所述运动平台使得待测的探测器在XYZ三维方向上运动；
所述点光源系统提供小于探测器像元尺寸的像斑，即像斑80%的能量集中在一个像元内，通常在测试过程中，我们也会将像斑的半高全宽调节成1.5、2.0像元左右，模拟真实观测情况下的像元内相应的不均匀性，运动平台置于点光源系统一侧，所述点光源在所述点光源系统的像元内成像。
进一步地，所述运动平台包括样品台、移动机构和转动机构，所述样品台用于放置待测的探测器设置，所述移动机构使得所述样品台在XYZ三维方向上移动；所述转动机构使得所述探测器在样品台上转动。
进一步地，所述装置包括控制系统，所述控制系统与所述运动平台相连并且控制所述运动平台的运动。
进一步地，所述点光源系统包括依次连接的光源、滤光系统、遮光筒和镜头；
所述光源连接有准直器；
所述滤光系统为可拆卸替换的针孔或针孔转轮；
所述遮光筒和镜头间设置有可拆卸替换的光阑或光阑转轮；
所述遮光筒的长度与镜头有关，镜头有一个最小的对焦距离，遮光筒的长度要大于等于镜头的最小对焦距离，这样确保像斑能够合焦；
所述运动平台上的待测探测器与所述镜头的距离不大于镜头后截距，然后通过软件自动调焦功能，通过控制平行与装置光轴的平台运动，完成调焦。
针孔的孔径根据不同探测器选择，利用针孔将像斑调至探测器亚像元；
光阑的孔径选择依据像质，需要使虚焦像质中整个圆环的光的能量均匀分布。
进一步地，所述控制系统包括分析系统，所述分析系统与所述探测器相连，实时分析所述探测器拍摄的图像的像斑流量和椭率；
所述控制系统可根据所述分析系统的分析结果控制所述移动机构的移动。
进一步地，所述光源为LED光源，光源波长为365nm、385nm、405nm、455nm、470nm、505nm、530nm、590nm、617nm、625nm、660nm、730nm、780nm、810nm、850nm、940nm，根据待测探测器选择合适光源，如探测器是蓝敏的探测器，观测偏蓝的目标，那么测试的重点就是蓝端，选择365nm、385nm、405nm、455nm；如探测器是红敏的探测器，观测偏红的目标，那么测试的重点就是红端，可选择660nm、730nm、780nm、850nm、940nm；如果探测器在可见光敏感，观测的目标也是可见光波段，那么重点选择455nm、530nm、617nm、730nm。
一种测试探测器像元内不均匀性的方法，所述方法将点光源在探测器像元内成像，利用探测器拍摄得到点光源在像元内不同位置时的像斑图像，分析点光源在像元不同位置处的像斑图像的像斑流量和椭率。
进一步地，所述方法包括以下步骤：
光源设置：根据探测器选择合适的点光源，使得点光源的像斑尺寸可以小于探测器像元尺寸；所述点光源在探测器内成像；
调焦：移动光轴方向的平台上的所述探测器，探测器实时拍摄点光源成像像斑，计算探测器拍摄像斑的半高全宽，半高全宽数值最小时认为是焦点位置，记录焦点位置，完成调焦；
像斑校准：转动所述探测器，探测器实时拍摄点光源成像像斑，计算探测器拍摄像斑的半高全宽、椭率、流量，当半高全宽、椭率、流量满足阈值时记录调整装置位置，完成像斑校准；
移动拍摄：使探测器沿一定方向按照一定的步长移动并拍摄，得到不同位置处的像斑图像
数据分析：分析像斑图像的像斑流量和椭率。
进一步地，所述光源亮度满足光斑流量约为满阱的一半。
进一步地，所述移动拍摄步骤中，探测器移动的方向为X方向、Y方向和XY方向（即探测器对角线方向）。
本发明的有益技术效果：
（1）本发明提供了测量探测器像元内不均匀性的装置和方法，使用该装置和方法可以测量探测器像元内不均匀性，便于筛除均匀性较差的探测器，同时测量得到的不均匀性数据可作为探测器拍摄目标图像的校准使用。
（2）本发明的装置中光源、针孔、镜筒、光阑均可拆卸替换，可根据不同的待测探测器选用不同波长的光源、不同孔径的针孔、光阑和不同尺寸的镜筒，具有普适性。
（3）本发明通过控制系统控制，自动化程度高，测量方便，精度高。
附图说明
图1、本发明实施例1中点光源系统示意图；
图2、本发明实施例1中运动平台示意图；
图3、本发明实施例1中装置使用流程示意图；
图4、本发明实施例1中调焦流程图；
图5、本发明实施例1中像斑校准流程图；
图6、本发明实施例1测量得到的流量变化曲线；
图7、本发明实施例1测量得到的椭率变化曲线；
图8、本发明实施例2测量得到的流量变化曲线；
图9、本发明实施例2测量得到的椭率变化曲线；
图10、本发明实施例3测量得到的流量变化曲线；
图11、本发明实施例3测量得到的椭率变化曲线。
图中：1.稳定LED光源；2.转轮A；3.遮光筒；4.转轮B；5.镜头；6.支架；7.底座；8.三维高精度位移平台；9.俯仰、倾斜和旋转位移台；10.待测的探测器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
一种测试探测器像元内不均匀性的装置，所述装置包括点光源系统和运动平台。
运动平台包括样品台、移动机构8和转动机构9，所述样品台用于放置待测的探测器10 长辰光电GSENSE400BSI sCMOS设置，所述移动机构8使得所述样品台在XYZ三维方向上移动；所述转动机构9使得所述探测器 10 长辰光电GSENSE400BSI sCMOS在样品台上转动。
点光源系统包括依次连接的光源1、转轮A2、遮光筒3和镜头5；
镜头5使用的是尼康50mm f1.8；
光源1连接有准直器；光源为LED光源，光源波长为365nm；
遮光筒3和镜头5间设置有转轮B4，由于镜头光圈是由正多边形构成，使用镜头内的光圈，容易在顶角位置形成刺芒状的衍射图像，影响测试，所以在镜头前加入圆形的入射光阑，可抑制杂散光，同时减小入瞳，改善像质，增长景深。
针孔的孔径有：2um、5um、10um、20um、50um；光阑的孔径有：4cm、3cm、2cm、1cm、0.5cm；该实例中使用的是针孔孔径和光阑孔径分别为：10um和2cm。
针孔的孔径需根据不同的探测器选择，不同探测器的像元尺寸不同，需将像斑调至亚像元，本装置使用的镜头最大放大倍率约为0.152倍，所以选择针孔的孔径和探测器像元尺寸基本一致就可以。
光阑主要是为了优化像质和阻挡杂散光，光阑的选择需要依据像质，即首先将光斑调成失焦至一个圆环，在镜头光圈全开的情况下，镜头彗差比较严重，将光阑按直径由大到小依次加入光路中，查看虚焦像质，整个圆环的光均匀分布即可确定使用哪个光阑。
所述遮光筒的尺寸为：外径68mm，内径62mm，长450mm。
遮光筒3的长度与镜头5有关，镜头5有一个最小的对焦距离，遮光筒3的长度要大于等于镜头5的最小对焦距离，这样确保像斑能够合焦，本实施例中我们使用的是尼康50f1.8的手动定焦镜头，它的最短对焦距离是45cm，所以遮光筒的长度设计为45cm。由于转轮A和转轮B的口径是62mm，所以遮光筒3的内径设计为62mm，为了使遮光筒3在移动整个装置时承受住整个装置的重量，所以遮光筒3的壁厚设计为3mm，故外径为68mm。
遮光筒3使用铝材，整体做发黑处理，可有效减少杂散光对实验的影响。
所述运动平台与所述镜头的距离根据如下确定，本装置使用的是尼康50 f1.8的手动定焦镜头，后截距是46.5mm，所以首先将待测相机调至镜头后约46mm的位置，然后通过自动软件自动调焦功能，通过控制平行于装置光轴的平台运动，完成调焦。
转轮A、转轮B可相应的替换为单片针孔和单片光阑。
点光源系统还包括支架6和底座7，用以支撑点光源系统，稳定光源并便于携带。
所述装置包括控制系统，所述控制系统与所述运动平台相连并且控制所述运动平台的运动、探测器拍摄曝光等。
所述控制系统包括分析系统，所述分析系统与所述探测器相连，实时分析所述探测器拍摄的图像的像斑流量和椭率；
所述控制系统可根据所述分析系统的分析结果控制所述移动机构的移动。
一种测试探测器像元内不均匀性的方法，所述方法将点光源在探测器像元内成像，利用探测器拍摄得到点光源在像元内不同位置时的像斑图像，分析点光源在像元不同位置处的像斑图像的像斑流量和椭率。
进一步地，所述方法如图3所示，包括以下步骤：
光源设置：根据探测器选择合适的像斑，使得像斑的尺寸小于探测器像元尺寸；所述点光源在探测器内成像；所述光源亮度满足光斑流量约为满阱的一半即可；
像斑80%的能量集中在一个像元内，通常在测试过程中，我们也会将像斑的半高全宽调节成1.5、2.0像元左右，模拟真实天文观测情况下的像元内响应的不均匀性；
调焦：移动光轴方向的平台上的所述探测器，探测器实时拍摄点光源成像像斑，计算探测器拍摄像斑的半高全宽，半高全宽数值最小时认为是焦点位置，记录焦点位置，完成调焦；
像斑校准：转动所述探测器，探测器实时拍摄点光源成像像斑，计算探测器拍摄像斑的半高全宽、椭率、流量，当半高全宽、椭率、流量满足阈值时记录调整装置位置，完成像斑校准；像斑校准流程图如图5所示；
移动拍摄：使探测器沿一定方向按照一定的步长移动并拍摄，得到不同位置处的像斑图像；
数据分析：分析像斑图像的像斑流量和椭率。
进一步地，所述移动拍摄步骤中，探测器移动的方向为X方向、Y方向和XY方向（探测器对角线方向）。
具体的利用本实施例的装置和方法对探测器像元内不均匀性测量具体为：
（1）手动将合适的光源放置在具体位置，调节好光源亮度，光斑流量约为满阱一半即可；
（2）根据测试需求选择合适的针孔和光阑，利用控制系统调节转轮；
（3）控制移动机构8对焦点进行自动调节，分析系统分析调焦过程中各位置时形成的像斑的半高全宽，并对各个像斑的半高全宽进行比较，半高全宽最小时，记录此时的位置即为焦点；
（4）由于在安装过程中很难一次就使光线正入射到相机靶面，所以需要分析像斑椭率，调节转动机构9来调节探测器在平台上的俯仰、倾斜和旋转位移，分析系统分析此过程中各位置处的像斑椭率，判断像斑椭率最小的位置，同时半高全宽满足测试要求的时候停止转动机构转动，完成探测器测试初始位置设置；
（5）以步骤（4）确定的测试初始位置起，开始对探测器像元内不均匀性进行测试，控制系统控制位移平台沿X方向每移动一个步长，相机拍摄一张像斑图像，分析系统分析像斑流量和椭率并记录，然后继续沿着同一方向移动并拍摄图像，分析后记录数据，最后形成一个流量和椭率变化曲线，如图6、图7所示。X方向测试完成后，测试Y方向以及沿XY方向像斑的变化情况。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，将光源换为了850nm，对比测试相同探测器在不同波段光源下像元内不均匀性情况。测得流量和椭率的变化曲线，如图8、图9。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，区别在于，将待测探测器换为Andor DV435 CCD相机，对比测试在测试环节相同情况下，不同类型相机，CCD和CMOS的像元内响应不均匀性。测得流量和椭率的变化曲线，如图10、图11。

Claims (8)

1.一种测试探测器像元内不均匀性的方法，其特征在于，所述方法将点光源在探测器像元内成像，利用探测器拍摄得到点光源在像元内不同位置时的像斑图像，分析点光源在像元不同位置处的像斑图像的像斑流量和椭率；
所述方法包括以下步骤：
光源设置：根据探测器选择合适的点光源，使得点光源的像斑尺寸小于探测器像元尺寸；所述点光源在探测器像元内成像；
调焦：移动光轴方向的平台上的所述探测器，探测器实时拍摄点光源成像像斑，计算探测器拍摄像斑的半高全宽，半高全宽数值最小时认为是焦点位置，记录焦点位置，完成调焦；
像斑校准：转动所述探测器，探测器实时拍摄点光源成像像斑，计算探测器拍摄像斑的半高全宽、椭率、流量，当半高全宽、椭率、流量满足阈值时记录调整装置位置，完成像斑校准；
移动拍摄：使探测器沿一定方向按照一定的步长移动并拍摄，得到不同位置处的像斑图像；
数据分析：分析像斑图像的像斑流量和椭率。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光源亮度满足光斑流量为满阱的一半。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述移动拍摄步骤中，探测器移动的方向为X方向、Y方向和XY方向。
4.一种用于实现权利要求1-3任一所述测试探测器像元内不均匀性的方法的装置，所述装置包括点光源系统和运动平台；
所述运动平台使得待测的探测器在XYZ三维方向上运动；
所述点光源系统提供小于探测器像元尺寸的像斑，运动平台置于点光源系统一侧，所述点光源在所述探测器的像元内成像；
所述运动平台包括样品台、移动机构和转动机构，所述样品台用于放置待测的探测器而设置，所述移动机构使得所述样品台在XYZ三维方向上移动；所述转动机构使得所述探测器在样品台上转动。
5.如权利要求4所述装置，其特征在于，所述装置包括控制系统，所述控制系统与所述运动平台相连并且控制所述运动平台的运动。
6.如权利要求4所述装置，其特征在于，所述点光源系统包括依次连接的光源、滤光系统、遮光筒和镜头；
所述光源连接有准直器；
所述滤光系统为可拆卸替换的针孔或针孔转轮；
所述遮光筒和镜头间设置有可拆卸替换的光阑或光阑转轮；
所述遮光筒的长度与镜头有关，遮光筒的长度要大于等于镜头的最小对焦距离；
所述运动平台与所述镜头的距离不大于镜头后截距；
针孔的孔径根据不同探测器选择，利用针孔将像斑调至探测器亚像元；
光阑的孔径选择依据像质，需要使虚焦像质中整个圆环的光的能量均匀分布。
7.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述控制系统包括分析系统，所述分析系统与所述探测器相连，实时分析所述探测器拍摄的图像的像斑流量和椭率；
所述控制系统可根据所述分析系统的分析结果控制所述移动机构的移动。
8.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述光源为LED光源，光源波长为365nm、385nm、405nm、455nm、470nm、505nm、530nm、590nm、617nm、625nm、660nm、730nm、780nm、810nm、850nm、940nm，根据待测探测器和观测需求选择合适光源。
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