CN108896277A - 一种ccd器件量子效率校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CCD器件量子效率校准装置及方法。其中，校准装置包括积分球、多组滤光片轮、探测器、被测CCD器件、光纤光谱仪、精密位移台、快门以及控制系统。积分球，被配置为用于提供积分球光源；多组滤光片轮，在光路方向上并列布置，被配置为用于对积分球光源进行滤光处理；每组滤光片轮上安装多个滤光片，其中一个为通光状态，其余均为窄带滤光片；各个窄带滤光片所允许通过的光的波长各不相同；每组滤光片轮分别配置有一组用于控制所述滤光片轮转动的驱动机构。本发明可以提供单色、大面积、高均匀性源，可以校准CCD器件量子效率，为CCD器件使用者和生产者提供高精度测量。

Description

一种CCD器件量子效率校准装置及方法

技术领域

本发明涉及一种CCD器件量子效率校准装置及方法。

背景技术

目前，对于CCD器件量子效率的校准在国内还没有相关的装置，只有在一些生产厂家有对CCD器件量子效率的测试系统，在CCD量子效率的校准还处在一个空白状态。一般对于CCD器件量子效率的值，也是处于默认出厂值，对于CCD器件使用者而言，CCD器件量子效率的校准还无法溯源和确认，无法满足使用。

现有技术中对CCD器件量子效率进行校准的装置和方法主要有以下几种：

1.一些生产厂对CCD器件量子效率的校准先采用单波长光源对CCD器件量子效率的测试，然后再通过相对光谱响应测试系统，测量CCD器件的光对光谱响应曲线，通过测得的CCD器件单波长量子效率和CCD器件的相对光谱响应计算出CCD器件的整个波段的CCD器件量子效率，测试原理图如图1和图2所示。然而，这种方法一般需要两套系统才可以完成对CCD器件量子效率的测试。而且成本高、效率低、也比较耗时间。

2.目前在一些高校也对CCD器件的测试有所研究，其中像西安电子科大，就有对CCD器件量子效率的测试有研究。他们在CCD器件量子效率的测试方法采用的是单色仪和积分球，测试原理图如图3所示。在该技术中，采用150W的氙灯作为光源，氙灯通过单色仪后输出单色光，直接打入到积分球中，积分球采用直径50cm。输出口直径10cm。CCD器件放在积分球的输出口，通过调整精密位移台，使CCD器件工作在最佳状态，探测器用于测量积分球输出每个波长的光功率值。通过控制器控制单色仪波长的改变，通过软件得到CCD器件量子效率。然而，这种方法产生的单色面阵均匀光源的输出功率较弱，特别是在低波段，因此不利于高精度CCD器件量子效率的测量。

3.还有方法采用多套单色仪和积分球组成系统，用于提高积分球输出口的辐射功率。这种方法虽然对积分球输出口的辐射功率有所提高，但系统相对复杂，成本和维护成本高，不便于推广。由此可见，现有技术中的CCD器件量子效率校准装置和方法需要改进。

发明内容

本发明的目的在于提出一种CCD器件量子效率校准装置，以解决单色面阵均匀光的产生问题，从而完成CCD器件量子效率的校准。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种CCD器件量子效率校准装置，包括积分球、多组滤光片轮、探测器、被测CCD器件、光纤光谱仪、精密位移台、快门以及控制系统；其中：

积分球，被配置为用于提供积分球光源；

多组滤光片轮，在光路方向上并列布置，被配置为用于对积分球光源进行滤光处理；

每组滤光片轮上安装多个滤光片，其中一个为通光状态，其余均为窄带滤光片；

各个窄带滤光片所允许通过的光的波长各不相同；

每组滤光片轮分别配置有一组用于控制所述滤光片轮转动的驱动机构；

探测器，被配置为用于获取积分球光源通过窄带滤光片滤光后的辐射功率；

被测CCD器件，被配置为用于将积分球光源通过窄带滤光片后的光转化为电信号；

光纤光谱仪，被配置为用于获取积分球光源通过窄带滤光片后的实际波长；

精密位移台，被配置为用于调整被测CCD器件光敏面角度以及与积分球出光口的间距；

快门处于积分球的出光口位置，被配置为用于打开和关闭出光口；

驱动机构、探测器、被测CCD器件、光纤光谱仪和精密位移台分别与控制系统相连。

优选地，在积分球内对称设有多个卤素灯，各个卤素灯的开关状态和电流大小可控。

优选地，所述校准装置还包括用于控制各个卤素灯的开关状态和电流大小的光源控制器。

优选地，所述窄带滤光片允许通过的光的波长均处于380nm～780nm范围之内。

优选地，在多组滤光片轮工作时，积分球光源择一通过其中一组滤光片轮上的窄带滤光片；其余各组滤光片轮上的滤光片均处于通光状态。

优选地，所述CCD器件光敏面的角度平行于积分球的出光孔的中心轴线；

被测CCD器件与积分球出光口之间的距离大于积分球的直径。

优选地，所述校准装置还包括用于放置滤光片轮、探测器、被测CCD器件、光纤光谱仪和精密位移台的屏蔽箱。

此外，本发明还提出了一种CCD器件量子效率校准方法，其采用如上所述的CCD器件量子效率校准，具体方案如下：

一种CCD器件量子效率校准方法，包括如下步骤：

s1.控制快门的打开和关闭，采集一帧或多帧被测CCD器件输出信号，扣除死像元或过热像元，由(1)式计算所有有效像元输出信号的平均值作为被测CCD器件输出信号；

上式中，m为被测CCD器件的行，n为被测CCD器件的列，h为过热像元数，d为死像元，N为有效像元数，N＝m×n-(h+d)；

I_i为第i个有效像元输出的电信号，为所有有效像元输出信号的平均值；

s2.量子效率测量时，将快门处于打开状态，通过控制系统控制滤光片轮，通过光纤光谱仪获得积分球光源通过窄带滤光片后的实际波长，通过探测器获得积分球光源通过窄带滤光后的辐射功率，通过被测CCD器件获得输出响应信号，然后通过测试数学模型进行数据分析和处理，代入(2)式得到被测CCD器件在波长λ处的量子效率；

上式中，表示被测CCD器件响应信号输出；

A是被测CCD传感器表面区域的面积，是曝光时间；

E是传感器表面的辐射照度，可由探测器定标，单位W/m²；

h表示普朗克常数，c表示真空中的光速；

QE_λ表示某一波长点的量子效率；t_exp表示曝光时间；

λ表示积分球辐射光的波长；

K为被测CCD器件增益系数，单位为DN/e-，表示每个电子转换成的数字量；

s3.控制系统依次控制滤光片轮，按照上述步骤s2依次得出各个波长点的被测CCD器件量子效率，直到所选波长点的被测CCD器件量子效率均测量完成；

以波长为横坐标，量子效率为纵坐标，绘制出被测CCD器件量子效率随波长的变化曲线。

本发明具有如下优点：

本发明采用积分球和多组滤光片轮产生单色面阵均匀光来测量CCD器件的量子效率。其中，积分球光源相比于现有技术中的单色光经过积分球反射而言，输出功率较高，因而经过多组滤光片轮产生的单色面阵均匀光功率较高，利于高精度CCD器件量子效率的测量。本发明可以提供单色、大面积、高均匀性源，可以校准CCD器件量子效率，为CCD器件使用者和生产者提供高精度测量。本发明性能稳定、结构紧凑、使用方便，便于推广。

附图说明

图1为单点CCD器件量子效率测试原理图；

图2为相对光谱响应测试原理图；

图3为CCD器件量子效率测试原理图；

图4为本发明中可见光CCD器件量子效率校准装置原理图；

其中，1-积分球，2-滤光片轮，3-探测器，4-被测CCD器件，5-光纤光谱仪，6-精密位移台，7-快门，8-控制系统，9-光源控制器，10-屏蔽箱。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图4所示，一种CCD器件量子效率校准装置，包括积分球1、多组滤光片轮2、探测器3、被测CCD器件4、光纤光谱仪5、精密位移台6、快门7以及控制系统8。

积分球1，被配置为用于提供积分球光源。具体的：

在积分球内对称设有多个卤素灯，各个卤素灯的开关状态和电流大小可控。

通过设置上述多个卤素灯，能够提高积分球光源的输出功率，进而能够保证积分球光源通过滤光处理后的单色面阵均匀光功率，利于高精度CCD器件量子效率的测量。

为了实现对上述各个卤素灯的控制，本实施例中的校准装置还包括光源控制器9。通过光源控制器9可以保证各个卤素灯的开关状态以及电流大小。

本实施例中的卤素灯例如可以有8个，每个卤素灯的功率为100W。当然，本实施例中的卤素灯还可以是其他数量，例如4个、6个、10个甚至更多等等。

积分球直径为50cm，内部涂层为硫酸钡，反射率98％以上，积分球输出口直径12cm。

多组滤光片轮，在光路方向上并列布置，被配置为用于对积分球光源进行滤光处理。

每组滤光片轮2上安装多个滤光片，其中一个为通光状态，其余均为窄带滤光片。

各个窄带滤光片所允许通过的光的波长各不相同。

每组滤光片轮分别配置有一组用于控制所述滤光片轮转动的驱动机构。

本实施例中的滤光片轮例如可以有五组，如图1所示；

第一组至第四组滤光片轮上均设有10个滤光片，有1个处于通光状态，另外9个为窄带滤光片。第五组滤光片轮上有6个滤光片，1个处于通光状态，另外5个为窄带滤光片。

第一组滤光片轮上的9个窄带滤光片允许通过的波长分别为380nm、390nm、400nm、410nm、420nm、430nm、440nm、450nm和460nm。

第二组滤光片轮上的9个窄带滤光片允许通过的波长分别为470nm、480nm、490nm、500nm、510nm、520nm、530nm、540nm和550nm。

第三组滤光片轮上的9个窄带滤光片允许通过的波长分别为560nm、570nm、580nm、590nm、600nm、610nm、620nm、630nm和640nm。

第四组滤光片轮上的9个窄带滤光片允许通过的波长分别为650nm、660nm、670nm、680nm、690nm、700nm、710nm、720nm和730nm。

第五组滤光片轮上的5个窄带滤光片允许通过的波长分别为740nm、7500nm、760nm、770nm和780nm。

各个窄带滤光片的直径为50mm，厚度为7.5mm，透过率大于45％。

在多组滤光片轮工作时，积分球光源择一通过其中一组滤光片轮2上的某一个窄带滤光片，而其余各组滤光片轮上的滤光片均处于通光状态。

例如，当选择波长为380nm时，此时，选择第一组滤光片轮上的能够通过380nm波长的窄带滤光片，第二至第五组滤光片轮的滤光片均处于通光状态。

上述设计，可以保证积分球光源只有某一波长的光能通过相应的窄带滤光片。

探测器3，被配置为用于获取积分球光源通过窄带滤光片滤光后的辐射功率。本实施例中的探测器为Si探测器，面积为100mm²，响应波长范围为：200nm～1100nm。

被测CCD器件4，被配置为用于将积分球光源通过窄带滤光片后的光转化为电信号。

光纤光谱仪5，被配置为用于获取积分球光源通过窄带滤光片后的实际波长。本实施例中的光纤光谱仪采用海洋光学的HR4000，波长范围为：200nm～1100nm。

精密位移台6，被配置为用于调整被测CCD器件光敏面角度平行于积分球的出光孔的中心轴线，被测CCD器件与积分球出光口之间的距离大于积分球的直径。

本实施例中CCD器件与积分球出光口之间的距离例如可以为600mm。

当然，CCD器件与积分球出光口之间的距离并非越大越好(距离太大，功率容易变弱)，最佳距离的选择可参考文献“一种新型大孔径积分球辐射均匀性定标方法”。

对于本领域技术人员来说，CCD器件与积分球出光口之间距离的设置是容易得出的。

快门7处于积分球1的出光口位置，被配置为用于打开和关闭积分球1的出光口。

驱动机构、探测器3、被测CCD器件4、光纤光谱仪5和精密位移台6分别与控制系统8相连，各个部件的动作均由控制系统8控制。

另外，本实施例中的校准装置还包括用于放置滤光片轮2、探测器3、被测CCD器件4、光纤光谱仪5和精密位移台6的屏蔽箱10。

通过屏蔽箱10，可以消除杂散光对CCD器件量子效率测量结果的影响。

光纤光谱仪5、精密位移台6以及控制系统8等均可采用现有技术中已有部件。

此外，本发明还提出了一种CCD器件量子效率校准方法，其采用如上所述的CCD器件量子效率校准，具体包括如下步骤：

s1.在测量过程中，通过精密位移台6调整被测CCD器件4光敏面平行处于积分球的出光孔中心处，距离积分球输出面600mm位置处，调整驱动电路使其工作在最佳状态。

控制快门7的打开和关闭，采集一帧或多帧被测CCD器件输出信号，扣除死像元或过热像元，由(1)式计算所有有效像元输出信号的平均值作为被测CCD器件输出信号。

上式中，m为被测CCD器件的行，n为被测CCD器件的列，h为过热像元数，d为死像元，N为有效像元数，N＝m×n-(h+d)；

I_i为第i个有效像元输出的电信号，为所有有效像元输出信号的平均值。

s2.量子效率测量时，将快门7处于打开状态，通过控制系统控制滤光片轮，通过光纤光谱仪获得积分球光源通过窄带滤光片后的实际波长，通过探测器3获得积分球光源通过窄带滤光后的辐射功率，通过被测CCD器件获得输出响应信号，然后通过测试数学模型进行数据分析和处理，代入(2)式得到被测CCD器件4在波长λ处的量子效率；

上式中，表示被测CCD器件响应信号输出；

A是被测CCD传感器表面区域的面积，是曝光时间；

E是传感器表面的辐射照度，可由探测器定标，单位W/m²；

h表示普朗克常数，c表示真空中的光速；

QE_λ表示某一波长点的量子效率；t_exp表示曝光时间；

λ表示积分球辐射光的波长；

K为被测CCD器件增益系数，单位为DN/e-，表示每个电子转换成的数字量。

s3.控制系统依次控制滤光片轮2，按照上述步骤s2依次得出各个波长点的被测CCD器件量子效率，直到所有波长点的被测CCD器件量子效率均测量完成。

以波长为横坐标，量子效率为纵坐标，绘制出被测CCD器件量子效率随波长的变化曲线。

其中，校准CCD器件量子效率的波长范围为：380nm～780nm，波长步进为：10nm。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (8)

1.一种CCD器件量子效率校准装置，其特征在于，包括积分球、多组滤光片轮、探测器、被测CCD器件、光纤光谱仪、精密位移台、快门以及控制系统；其中：

积分球，被配置为用于提供积分球光源；

多组滤光片轮，在光路方向上并列布置，被配置为用于对积分球光源进行滤光处理；

每组滤光片轮上安装多个滤光片，其中一个为通光状态，其余均为窄带滤光片；

各个窄带滤光片所允许通过的光的波长各不相同；

每组滤光片轮分别配置有一组用于控制所述滤光片轮转动的驱动机构；

探测器，被配置为用于获取积分球光源通过窄带滤光片滤光后的辐射功率；

被测CCD器件，被配置为用于将积分球光源通过窄带滤光片后的光转化为电信号；

光纤光谱仪，被配置为用于获取积分球光源通过窄带滤光片后的实际波长；

精密位移台，被配置为用于调整被测CCD器件光敏面角度以及与积分球出光口的间距；

快门处于积分球的出光口位置，被配置为用于打开和关闭出光口；

驱动机构、探测器、被测CCD器件、光纤光谱仪和精密位移台分别与控制系统相连。

2.根据权利要求1所述的CCD器件量子效率校准装置，其特征在于，在积分球内对称设有多个卤素灯，各个卤素灯的开关状态和电流大小可控。

3.根据权利要求2所述的CCD器件量子效率校准装置，其特征在于，所述校准装置还包括用于控制各个卤素灯的开关状态和电流大小的光源控制器。

4.根据权利要求1所述的CCD器件量子效率校准装置，其特征在于，所述窄带滤光片允许通过的光的波长均处于380nm～780nm范围之内。

5.根据权利要求1所述的CCD器件量子效率校准装置，其特征在于，在多组滤光片轮工作时，积分球光源择一通过其中一组滤光片轮上的窄带滤光片；

其余各组滤光片轮上的滤光片均处于通光状态。

6.根据权利要求1所述的CCD器件量子效率校准装置，其特征在于，所述CCD器件光敏面的角度平行于积分球的出光孔的中心轴线；

被测CCD器件与积分球出光口之间的距离大于积分球的直径。

7.根据权利要求1所述的CCD器件量子效率校准装置，其特征在于，所述校准装置还包括用于放置滤光片轮、探测器、被测CCD器件、光纤光谱仪和精密位移台的屏蔽箱。

8.一种CCD器件量子效率校准方法，基于如上述权利要求1至7任一项所述的CCD器件量子效率校准装置，其特征在于，所述校准方法包括如下步骤：

s1.控制快门的打开和关闭，采集一帧或多帧被测CCD器件输出信号，扣除死像元或过热像元，由(1)式计算所有有效像元输出信号的平均值作为被测CCD器件输出信号；

上式中，m为被测CCD器件的行，n为被测CCD器件的列，h为过热像元数，d为死像元，N为有效像元数，N＝m×n-(h+d)；

I_i为第i个有效像元输出的电信号，为所有有效像元输出信号的平均值；

s2.量子效率测量时，将快门处于打开状态，通过控制系统控制滤光片轮，通过光纤光谱仪获得积分球光源通过窄带滤光片后的实际波长，通过探测器获得积分球光源通过窄带滤光后的辐射功率，通过被测CCD器件获得输出响应信号，然后通过测试数学模型进行数据分析和处理，代入(2)式得到被测CCD器件在波长λ处的量子效率；

上式中，表示被测CCD器件响应信号输出；

A是被测CCD传感器表面区域的面积，是曝光时间；

E是传感器表面的辐射照度，可由探测器定标，单位W/m²；

h表示普朗克常数，c表示真空中的光速；

QE_λ表示某一波长点上的量子效率，t_exp表示曝光时间；

λ表示积分球辐射光的波长；

K为被测CCD器件增益系数，单位为DN/e-，表示每个电子转换成的数字量；

s3.控制系统依次控制滤光片轮，按照上述步骤s2依次得出各个波长点的被测CCD器件量子效率，直到所选波长点的被测CCD器件量子效率均测量完成；

以波长为横坐标，量子效率为纵坐标，绘制出被测CCD器件量子效率随波长的变化曲线。