CN109660790A

CN109660790A - 一种tdicmos探测器的筛选测试方法

Info

Publication number: CN109660790A
Application number: CN201811535502.9A
Authority: CN
Inventors: 余达; 刘金国; 孔德柱; 陈佳豫; 马庆军; 王玉龙; 王冶
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2019-04-19
Anticipated expiration: 2038-12-14
Also published as: CN109660790B

Abstract

一种TDICMOS探测器的筛选测试方法，涉及一种TDICMOS探测器的筛选测试系统，解决现有技术无法满足高空间分辨率的成像应用的问题，采用CTE和TDI两种工作模式结合的筛选测试方法。针对不同像素增益(电荷电压转换比)及PGA增益，不同温度和不同积分级数及单级积分时间长度下的暗电流将影响测试获得的满阱电荷数，从而获得的最大信噪比和动态范围是不同的，为准确的进行评估，在低温下采用短曝光时间进行暗噪声的测试，在恒定的低温下采用改变入射光能量的方式获得满阱电荷数；然后根据入射的光能量的等效光子数计算最大动态范围和信噪比的成像参数。

Description

一种TDICMOS探测器的筛选测试方法

技术领域

本发明涉及一种TDICMOS探测器的筛选测试方法，具体涉及一种进行缺陷探测器筛选及性能最优化的参数设计的TDICMOS探测器的筛选测试系统。

背景技术

CMOS图像传感器和CCD相比，不需要多种工作电压的驱动电路，也不需要外部的视频处理器进行模数转换等操作，具有体积小、重量轻、功耗低的优点。但由于CMOS图像传感器的工作电压低，和CCD相比，像素内能存储的电荷量偏少。当把CMOS内的读出电路的电荷电压转换比设置得较小，则可在较宽的入射光能量范围工作，但读出噪声偏高；当把CMOS内的读出电路的电荷电压转换比设置得较大，则读出噪声可降低，但仅能在较窄的入射光能量范围工作。因此可以把高、低电荷电压转换比的图像进行组合，同时获得高空间和光谱分辨率的光谱图像最佳的信噪比和动态范围。

发明内容

本发明为解决现有技术无法满足高空间分辨率的成像应用的问题，提供一种基于TDICMOS探测器的筛选测试方法。

一种TDICMOS探测器的筛选测试方法，采用电荷转移效率测试模式和TDI 测试模式相结合的方式进行探测器筛选测试；

步骤一、探测器缺陷筛选测试，在TDI工作模式下，采用TDI不同级数的工作模式，测试输出图像的灰度值偏差；在CTE工作模式下，对所述TDI不同的级数下测试输出的图像灰度值组成为：

dn₁＝dn_tdi

dn₂＝(dn_tdi+dn_dark)×η_CTE+dn_tdi×(1-η_CTE)×η_CTE

式中i为大于0的正整数，dn_tdi为单级TDI获得的灰度值，dn_dark为单级暗电流获得的灰度值；dn_i为在CTE模式工作下第i行输出图像的灰度值，η_CTE为测试得到的转移效率；

当在低温测试环境下忽略暗电流的影响后，输出的图像灰度值为：

dn₁＝dn_tdi

dn₂＝dn_tdi×η_CTE+dn_tdi×(1-η_CTE)×η_CTE

在CTE工作模式下根据不同行输出图像的灰度值，测试得到的转移效率 η_CTE，按照下述公式对图像的灰度值进行恢复，然后进行恢复后的像元灰度值比较，完成探测器缺陷筛选测试；

dn_{restore_1}＝dn₁

步骤二、对步骤一筛选后的TDICMOS探测器进行暗场噪声和最大满阱测试；

在低温下采用短曝光时间进行暗场噪声的测试，低温的温度为低于-60℃，短曝光时间为等于或者小于1μs；在恒定的低温下采用改变入射光能量的方式测试获得满阱电荷数；TDICMOS的积分级数设置为1；

步骤三、对步骤二测试后的TDICMOS探测器在不同温度下的暗电流测试，不同温度下的测试范围在-70℃到70℃之间进行测试；

步骤四、对步骤三测试后的TDICMOS探测器进行最大信噪比及对应动态范围测试；所述信噪比及动态范围公式如下：

式中，SNR为信噪比，DR为动态范围，k_TDI为TDI级数，s_in为入射光等效电子数，s_dark为暗电流对应电子数，k_pix为像素增益，k_PGA为PGA放大器的增益值，为读出噪声的平方，为量化噪声的平方，为PGA放大器噪声的平方，s_FWC为像素增益为1且PGA增益为1测试得到的满阱电荷数；

所述量化噪声的平方DN为数字图像的灰度值；暗电流对应电子数s_dark＝t_int×I_{dark_current}，t_int为单级TDI方式的积分时间，I_{dark_current}为暗电流值；

设定当前的像素增益不可调整，根据入射光能量的和暗电流的大小及当前的像素增益k_pix，测试获得最大信噪比的过程为：

当即：在当前的像素增益k_pix、入射光等效电子数s_in和暗电流对应电子数s_dark，采用最高的TDI级数k_{TDI_max}以及最大的PGA 增益k_{PGA_max}时，探测器也没有饱和，则采用最高的TDI级数k_{TDI_max}和最大的PGA 增益k_{PGA_max}，获得最大信噪比，用公式表示为：

在当前参数的条件下，获得动态范围DR，用公式表示为：

当时，即：采用最高的TDI级数和最大的PGA增益时，探测器会饱和；而采用最高的TDI级数和最小的PGA 增益时，探测器不会饱和；则将TDI级数设置为最大，PGA增益设置为：

对应的信噪比为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

当时，即，采用最高的TDI级数和最小的PGA增益时，探测器也会饱和，而采用最低的TDI级数和最小的 PGA增益时，探测器不会饱和；则将PGA增益设置为最小，TDI级数设置为k_{TDI_γ}，用公式表示为：

式中，_γ为正整数，对应的信噪比为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

设定当像素增益可调整，根据入射光能量的和暗电流的大小，测试获得最大信噪比的过程为：

当即：在当前入射光等效电子数s_in和暗电流对应电子数s_dark下，采用最高的像素增益k_{pix_max}、最高的TDI级数k_{TDI_max}和最大的PGA增益k_{PGA_max}时，探测器也没有饱和，则采用最高像素增益k_{pix_max}、最高的TDI级数k_{TDI_max}和最大的PGA增益k_{PGA_max}，获得最大信噪比，用公式表示为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

当时，即，采用最高的像素增益k_{pix_max}、最高的TDI级数和最大的PGA增益时，探测器会饱和；而采用最高的TDI级数、最高的像素增益k_{pix_max}和最小的PGA增益时，探测器不会饱和；则将像素增益设置为最高，TDI级数设置为最高，PGA增益设置为：

对应的信噪比用公式表示为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围用公式表示为：

当时，即：采用最高的TDI级数、最高的像素增益k_{pix_max}和最小的PGA增益时，探测器会饱和；而采用最高的TDI级数、最小的像素增益和最小的PGA增益时，探测器不会饱和；则将PGA增益设置为最小，当前的像素增益设定为k_pix，用公式表示为：

对应的信噪比用公式表示为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围，用公式表示为：

当时，即：采用最高的TDI级数、最小的像素增益和最小的PGA增益时，探测器也会饱和；而使用最小的 TDI级数、最小的像素增益和最小的PGA增益时，探测器不会饱和；则将PGA 增益设置为最小，像素增益设置为最小，TDI级数设置为k_{TDI_γ}：_γ为正整数；

对应的信噪比用公式表示为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围，用公式表示为：

本发明的有益效果：本发明所述的测试方法采用CTE和TDI两种工作模式结合的筛选测试方法。针对不同像素增益(电荷电压转换比)及PGA增益，不同温度和不同积分级数及单级积分时间长度下的暗电流将影响测试获得的满阱电荷数，从而获得的最大信噪比和动态范围是不同的，为准确的进行评估，在低温下采用短曝光时间进行暗噪声的测试，在恒定的低温下采用改变入射光能量的方式获得满阱电荷数；然后根据入射的光能量的等效光子数计算最大动态范围和信噪比的成像参数。具体存在以下优点：

1、本发明所述的筛选测试方法可以在测试过程中，减小温度对测试结果准确性的影响；

2、本发明所述的筛选测试方法通过CTE和TDI缺陷探测器筛选测试方法，可以快速全面的对探测器是否存在缺陷进行评估；

3、本发明所述的筛选测试方法通过优化各工作参数的设置，可以获得最大的信噪比。

附图说明

图1为本发明所述的一种TDICMOS探测器的筛选测试系统框图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，一种TDICMOS探测器的筛选测试方法，采用CTE(电荷转移效率)测试模式和TDI(时间延迟积分)两种工作模式结合的方式进行TDICMOS探测器的筛选测试。

具体测试过程为：

一、探测器缺陷筛选测试，对于TDI工作模式，采用典型光照下的三种TDI 级数(最低、最高、最高值的一半)下的TDI工作模式，测试输出图像的灰度值偏差；在CTE模式下，对于不同的级数输出的图像，其输出的灰度值组成为：

dn₁＝dn_tdi

dn₂＝(dn_tdi+dn_dark)×η_CTE+dn_tdi×(1-η_CTE)×η_CTE

式中i为大于1的正整数，dn_tdi为单级TDI获得的灰度值，dn_dark为单级暗电流获得的灰度值。

当在低温测试环境下忽略暗电流的影响后：

dn₁＝dn_tdi

dn₂＝dn_tdi×η_CTE+dn_tdi×(1-η_CTE)×η_CTE

对于CTE模式下，(1)首先在低温黑暗环境下(温度低于-40℃)进行电荷的转移，转移出探测器内部可能存在的暗电流；(2)然后在电荷转移停止的条件下，打开光源，进行所有感光像元的曝光积分；(3)接着在曝光积分结束后关闭光源，使探测器处于黑暗环境；(4)最后进行电荷转移读出，转移的行数为探测器最高的TDI级数。

对于CTE模式下不同行输出图像的灰度值dn_i，根据测试得到的转移效率 η_CTE，按照如下的公式进行灰度值恢复，然后进行恢复后的像元灰度值比较： dn_restore为恢复后的像元灰度值，dn_{restore_1}为第一行像元恢复后的灰度值；

dn_{restore_1}＝dn₁

二、对筛选后的TDICMOS探测器进行暗场噪声和最大满阱(读出噪声、放大器噪声和ADC的量化噪声)测试；在低温下采用短曝光时间测试，低温的温度为低于-60℃，短曝光时间为等于或者小于1μs；

最大满阱测试采用在恒定低温下(低于-60℃，成像工作时温度波动范围小于5℃)恒定曝光时间(典型轨道下的行周期)增大入射光能量的方式来测试， TDI探测器的积分级数设置为1。

三、对TDICMOS探测器在不同温度下的暗电流测试，不同温度下的测试范围在-70℃到70℃之间进行测试；

四、对TDICMOS探测器进行最大信噪比及对应动态范围测试；所述信噪比及动态范围公式如下：

根据入射光能量的和暗电流的大小及当前的像素增益k_pix，设定当前的像素增益不可调整，测试获得最大信噪比的过程为：

(1)当即：在当前的像素增益k_pix、入射光等效电子数s_in和暗电流对应电子数s_dark，采用最高的TDI级数k_{TDI_max}以及最大的 PGA增益k_{PGA_max}时，探测器也没有饱和，则采用最高的TDI级数k_{TDI_max}和最大的PGA增益k_{PGA_max}，获得最大信噪比，用公式表示为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

(2)当时，也就是使用最高的TDI级数和最大的PGA增益时，探测器会饱和，而使用最高的TDI级数和最小的PGA增益时，探测器不会饱和。此时TDI级数设置为最大，PGA增益设置为：

对应的信噪比为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

(3)当时，也就是使用最高的TDI级数和最小的PGA增益时，探测器也会饱和，而使用最低的TDI级数和最小的PGA增益时，探测器不会饱和。此时的PGA增益设置为最小，TDI级数设置为k_{TDI_γ}：_γ为正整数；

对应的信噪比为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

s_FWC为像素增益为1且PGA增益为1时的满阱电荷数；

本实施方式中，设定当像素增益可调整，根据入射光能量的和暗电流的大小，测试获得最大信噪比的过程为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

(2)当时，也就是使用最高的像素增益、TDI级数和最大的PGA增益时，探测器会饱和，而使用最高的TDI级数、最大的像素增益和最小的PGA增益时，探测器不会饱和。此时像素增益设置为最大，TDI级数设置为最大，PGA增益设置为：

对应的信噪比为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

(3)当时，也就是使用最高的TDI级数、最大的像素增益和最小的PGA增益时，探测器也会饱和，而使用最高的TDI级数、最小的像素增益和最小的PGA增益时，探测器不会饱和。此时的PGA增益设置为最小，像素增益设为k_pix；

对应的信噪比为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

s_FWC为像素增益为1PGA增益为1时的满阱电荷数；

(4)当时，也就是使用最高的TDI级数、最小的像素增益和最小的PGA增益时，探测器也会饱和，而使用最低的TDI级数、最小的像素增益和最小的PGA增益时，探测器不会饱和。此时的PGA增益设置为最小，像素增益设置为最小，TDI级数设置为k_{TDI_γ}：_γ为正整数；

对应的信噪比为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

s_FWC为像素增益为1且PGA增益为1时的满阱电荷数。

具体实施方式二、结合图1说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种TDICMOS探测器的筛选测试方法的测试系统，该系统包括 TDICMOS探测器的筛选测试系统，包括积分球与LED光源、温度控制系统、 TDICMOS探测器与成像电路和图像采集与成像控制器；所述积分球与LED光源用于为TDICMOS探测器提供测试用的光源；温度控制系统用于TDICMOS 探测器在恒定的温度下工作；图像采集与成像控制器对TDICMOS探测器进行控制，并采集TDICMOS探测器与成像电路输出的数字图像数据，进行探测器性能的筛选测试。

本实施方式中，积分球与LED光源采用输出均匀性不低于95％的积分球和 LED光源；温度控制系统选用小真空罐；TDICMOS探测器及成像电路采用辰芯公司的TDICMOS探测器及开发板；图像采集及成像控制器采用台式机内置图像采集卡，并通过串口进行成像控制。

Claims

1.一种TDICMOS探测器的筛选测试方法，其特征是：采用电荷转移效率测试模式和TDI测试模式相结合的方式进行探测器筛选测试；

dn₁＝dn_tdi

dn₂＝(dn_tdi+dn_dark)×η_CTE+dn_tdi×(1-η_CTE)×η_CTE

dn₁＝dn_tdi

dn₂＝dn_tdi×η_CTE+dn_tdi×(1-η_CTE)×η_CTE

在CTE工作模式下根据不同行输出图像的灰度值，测试得到的转移效率η_CTE，按照下述公式对图像的灰度值进行恢复，然后进行恢复后的像元灰度值比较，完成探测器缺陷筛选测试；

dn_{restore_1}＝dn₁

当即：在当前的像素增益k_pix、入射光等效电子数s_in和暗电流对应电子数s_dark，采用最高的TDI级数k_{TDI_max}以及最大的PGA增益k_{PGA_max}时，探测器也没有饱和，则采用最高的TDI级数k_{TDI_max}和最大的PGA增益k_{PGA_max}，获得最大信噪比，用公式表示为：

在当前参数的条件下，获得动态范围DR，用公式表示为：

当时，即：采用最高的TDI级数和最大的PGA增益时，探测器会饱和；而采用最高的TDI级数和最小的PGA增益时，探测器不会饱和；则将TDI级数设置为最大，PGA增益设置为：

对应的信噪比为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

当时，即，采用最高的TDI级数和最小的PGA增益时，探测器也会饱和，而采用最低的TDI级数和最小的PGA增益时，探测器不会饱和；则将PGA增益设置为最小，TDI级数设置为k_{TDI_γ}，用公式表示为：

式中，γ为正整数，对应的信噪比为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围为：

对应的信噪比用公式表示为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围用公式表示为：

对应的信噪比用公式表示为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围，用公式表示为：

当时，即：采用最高的TDI级数、最小的像素增益和最小的PGA增益时，探测器也会饱和；而使用最小的TDI级数、最小的像素增益和最小的PGA增益时，探测器不会饱和；则将PGA增益设置为最小，像素增益设置为最小，TDI级数设置为k_{TDI_γ}：γ为正整数；

对应的信噪比用公式表示为：

在当前参数的条件下，得到的动态范围，用公式表示为：

2.根据权利要求1所述的一种TDICMOS探测器的筛选测试方法，其特征在于：在步骤一中，对于CTE工作模式下，首先在低温黑暗环境下进行电荷的转移，转移出探测器内部可能存在的暗电流；然后在电荷转移停止的条件下，打开光源，进行所有感光像元的曝光积分；在曝光积分结束后关闭光源，使探测器处于黑暗环境；最后进行电荷转移读出，转移的行数为探测器最高的TDI级数。

3.根据权利要求1所述的一种TDICMOS探测器的筛选测试方法的筛选测试系统，其特征在于：包括积分球与LED光源、温度控制系统、TDICMOS探测器与成像电路和图像采集与成像控制器；所述积分球与LED光源用于为TDICMOS探测器提供测试用的光源；温度控制系统用于TDICMOS探测器在恒定的温度下工作；图像采集与成像控制器对TDICMOS探测器进行控制，并采集TDICMOS探测器与成像电路输出的数字图像数据，进行探测器性能的筛选测试。