CN110536131A - Tdi探测器的高光溢出性能测试系统及测试方法 - Google Patents

Tdi探测器的高光溢出性能测试系统及测试方法 Download PDF

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Abstract

TDI探测器的高光溢出性能测试系统及测试方法，TDI探测器性能测试领域，解决目前行业内无相关的测试方法，导致TDI探测器存在高光溢出问题时，无法获得准确的成像参数性能测试结果的问题，包括TDI探测器及成像电路、积分球、开关时间可控的星点光源、图像采集及控制系统以及探测器感光区部分的挡光结构；本发明根据在轨应用的具体情况，在地面进行在轨模拟实验；采用面阵CTE模式和感光区域部分遮光，两种方式对探测器的抗晕性能进行评估。对感光区域进行部分遮光，避免像素饱和后无法进行是否溢出的判断，甄别感光区域饱和是由于入射光能量过强还是发生高光溢出引起，筛选出满足应用要求的TDI探测器产品。

Description

TDI探测器的高光溢出性能测试系统及测试方法
技术领域
本发明涉及TDI探测器性能测试领域，具体涉及一种积分级数高的TDI探测器的高光溢出性能测试方法。
背景技术
由于探测器内部设置抗晕结构，会降低填充因子和满阱容量，可能对传递函数也有影响，因此多数的TDICCD或TDICMOS通常都没有进行抗晕(antiblooming)设计。高光溢出由于具有随机性，因此不能通过辐射定标的方式来进行校正。用户最感兴趣的是包含大量细节信息各区域亮度各不相同的地物，此部分可以考虑用灰度卡或者均匀目标叠加小亮点来表示；其次是作为辐射校正用的相对均匀的辐射源，如沙漠、月球等，此部分与在实验室基于积分球的辐射定标类似；另外就是遇到高反射率的地物，如反射率高达0.8的屋顶、海平面等，此处也应该考虑基于面光源的模式，按照地面反射率0.8来进行模拟。沙漠的地面反射率为0.3，是在轨良好的辐射定标源；若在等效的入瞳辐射亮度下的积分球辐射定标下还出现溢出问题，则在轨定标必然出现，用户是绝对不能容忍的，不可接受。若由于高光溢出出现了饱和，无法准确判断对应像素的满阱电荷数；同时由于高光溢出出现了灰度值，无法获得相对准确的响应特性。
发明内容
本发明为解决目前行业内无相关的测试方法，导致TDI探测器存在高光溢出时，无法获得准确的成像参数性能测试结果的问题，提供一种TDI探测器的高光溢出性能测试系统及测试方法。
TDI探测器的高光溢出性能测试系统，包括TDI探测器及成像电路、积分球、开关时间可控的星点光源、图像采集及控制系统以及探测器感光区部分的挡光结构；所述测试系统工作在CTE面阵工作模式和部分挡光的TDI线阵工作模式；
在所述CTE面阵工作模式下，采用图像采集及控制系统控制开关时间可控的星点光源作为TDI探测器的照明光源，所述图像采集及控制系统对TDI探测器及成像电路进行控制，产生成像控制的相关信号，并进行通信获取成像状态；
在TDI探测器开始曝光前，打开开关时间可控的星点光源；当TDI探测器曝光结束后，关闭开关时间可控的星点光源，然后开始进行电荷的逐行转移，读出感光区所有行的电荷，并转换为数字图像数据输出到图像采集及控制系统进行图像的分析，确定是否出现了高光溢出；
在所述部分挡光TDI线阵工作模式下，采用积分球作为TDI探测器的照明光源，并使用TDI探测器感光区部分的挡光结构进行感光区的部分挡光，TDI探测器工作在指定的TDI级数n下，对n行电荷转移读出并进行叠加，最终转换为数字图像数据输出，输出到图像采集及控制系统进行图像的分析，确定是否出现了高光溢出。
TDI探测器的高光溢出性能测试方法，包括CTE面阵模式下的高光溢出检测和部分挡光TDI线阵模式下的高光溢出检测：
所述CTE面阵模式下的高光溢出检测过程为：
所述开关时间可控的星点光源经光学系统后形成大小可调的亮斑，将亮斑放置在TDI探测器感光区域的中心，在TDI级数为n级的条件下改变星点光源的亮度；
根据TDI探测器的饱和入射光能量Isat和出现高光溢出的光能量Ibloom，测试抗弥散因子的值Xab，用公式表示为：
Xab≥Ibloom/Isat
将所述TDI探测器设置最小的PGA增益和像素增益进行测试抗弥散因子的值；
在TDI探测器开始曝光前，打开开关时间可控的星点光源；当TDI探测器曝光结束后，关闭开关时间可控的星点光源，然后开始进行电荷的逐行转移，读出感光区所有行的电荷，转换为数字图像数据输出到图像采集及控制系统进行图像的分析判断；出现高光溢出的依据是灰度值大于等于饱和灰度值90％的光斑图像，其尺寸在垂直方向增加量大于等于1个像素；
所述部分挡光TDI线阵模式下的高光溢出检测过程为：
一、在CTE面阵模式，采用积分球作为TDI探测器的照明光源，调节入射光能量，使输出的灰度值DN为半饱和；
二、测试能完全挡光的区域位置，判断与对应的TDI级数，即对应TDI行的部分完全挡光；设定完全挡光和不挡光的过渡行小于等于4行；
三、调节探测器感光区部分的挡光结构的平行度，同时进行所述挡光结构的漏光检查，使挡光区域和不挡光区域的灰度值偏差在100倍以上；
四、逐渐增加不挡光区域的入射光能量，根据不同的入射光能量的响应，针对每个像素计算入射光能量的响应特性，如果TDI探测器的焦面辐照度Ei+1灰度值DNi+1对应的斜率ki+1为斜率ki的10倍，则出现了高光溢出。
本发明的有益效果：
本发明所述的TDI探测器的高光溢出性能测试方法可在地面提前发现在轨应用可能存在的问题，预防发射后不可更换的问题；
本发明所述的TDI探测器的高光溢出性能测试方法通过遮挡需要使用的感光区域，可避免感光区域饱和后不能判断是否存在高光溢出问题，也能甄别出感光区域饱和是由于入射光能量过强还是发生高光溢出引起的。
附图说明
图1为本发明所述的TDI探测器的高光溢出性能测试系统中TDI探测器高光溢出性能测试系统图，图1a为TDI探测器的CTE面阵模式测试系统图，图1b为TDI探测器的部分挡光TDI线阵模式测试系统图；
图2为TDI探测器感光区部分的挡光结构图；
图3为挡光原理图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，TDI探测器高光溢出性能测试系统，主要包含TDI探测器及相关的成像电路；积分球、开关时间可控的星点光源、图像采集及控制系统、探测器感光区部分的挡光的结构。主要分为CTE工作模式测试和部分挡光的TDI工作模式。
在CTE面阵模式下，使用受图像采集及控制系统控制的开关时间可控的星点光源作为TDI探测器的照明光源，图像采集及控制系统对TDI探测器及相关的成像电路进行控制，产生成像控制的相关信号，并进行通信获取成像状态；在TDI探测器开始曝光前，打开开关时间可控的星点光源；当TDI探测器曝光结束后，关闭开关时间可控的星点光源，然后开始进行电荷的逐行转移，读出感光区所有行的电荷，转换为数字图像数据输出到图像采集及控制系统进行图像的分析判断。
部分挡光TDI线阵模式下，使用积分球作为TDI探测器的照明光源，并使用探测器感光区部分的挡光的结构进行感光区域的部分挡光。TDI探测器工作在指定的TDI级数n下，并非所有的感光区域的电荷都转移读出，仅n行电荷转移读出并进行叠加，最终转换为数字图像数据输出。
具体实施方式二、结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的TDI探测器高光溢出性能测试系统的测试方法，该测试方法包括CTE面阵模式下的高光溢出性能检测和部分挡光TDI线阵模式下的高光溢出性能检测。
所述CTE面阵模式下的高光溢出性能检测过程为：
采用开关时间可控的星点光源(小亮点光源)经光学系统后形成大小可调的小亮斑(大小为几个像素)，小亮斑放置在感光区域的中心；在指定的TDI级数为n级(nmax为探测器的最大可用级数)的条件下改变星点的亮度，根据探测器的饱和入射光能量Isat和出现高光溢出的光能量Ibloom，测试抗弥散因子的值Xab，Xab≥Ibloom/Isat；看光斑的变化情况，此时的TDI探测器应设置最小的PGA增益、像素增益来进行测试。在TDI探测器开始曝光前，打开开关时间可控的星点光源；当TDI探测器曝光结束后，关闭开关时间可控的星点光源，然后开始进行电荷的逐行转移，读出感光区所有行的电荷，转换为数字图像数据输出到图像采集及控制系统进行图像的分析判断。出现高光溢出的依据是，与较弱的入射光照相比，获取的灰度值不低于饱和灰度值90％光斑图像，且尺寸在垂直方向加大不低于1个像素。
部分挡光TDI线阵模式下的高光溢出性能检测过程为：
一、先使用CTE模式，采用积分球输出均匀光的面光源，调节入射光能量，保证输出的DN值为半饱和(半满阱电荷量)；
二、先使用CTE模式测试能完全挡光的区域位置，判断与对应的TDI级数(对应TDI行的部分完全挡光)；完全挡光和不挡光的过渡行不超过4行(调节挡光金属片的左右旋转角度)；
三、调节挡光片的平行度，同时进行挡光结构的漏光检查，保证挡光区域和不挡光区域的灰度值偏差在100倍以上；
四、逐渐增加不挡光区域的光能量，查看挡光区域的灰度值出现突变时的入射光能量。判断是否出现高光溢出的依据：结合不同的入射光能量响应，针对每个像素计算响应特性，若焦面辐照度Ei+1灰度值DNi+1对应的斜率ki+1为斜率ki的10倍，则认为出现了溢出。BIAS为暗场的灰度值。
本实施方式中，将TDI探测器的PGA增益和像素增益设置最小进行测试。
本实施方式中，对TDI探测器在轨是否可用的判断依据：根据在轨应用的辐亮度Lmax，焦面对应的辐照度公式：
按照在轨应用的相对孔径F、透过率τ0及使用的波长范围，则计算焦面的辐照度。因此光斑的辐照度可以考虑4倍裕量，测试在轨应用的积分级数m1-mp下是否会出现溢出，若不溢出，可认为可用。
本实施方式中，探测器感光区部分的挡光结构应与探测器的线路板形成一个封闭的长方体结构，(长方体结构的下盖板为线路板，长方体结构的上盖板(挡光金属片)的开孔大小与窗口玻璃大小相同)；挡光金属片和探测器的盖板玻璃的距离要求小于0.1mm；曝光量的控制通过调节挡光金属片的位置来实现；挡光长方体的长和宽比探测器大；高度比探测器高，但不超过0.1mm；要求：挡光金属片的宽度大于探测器的宽度，挡光金属片与探测器的盖板玻璃平行。
本实施方式所述的探测器感光区部分的挡光结构也可以采用支架、挡光布以及经过喷砂涂黑漆的金属片来实现。
本实施方式中，CMOS图像传感器为长光辰芯公司的TDICMOS图像传感器及开发板；积分球采用出口光均匀性不低于99.5％的积分球；开关时间可控的星点光源采用LED光源+光学系统来实现；图像采集及控制系统采用台式机及图像采集卡来实现。
本实施方式所述的测试方法根据在轨应用的具体情况，在地面进行在轨模拟实验；采用面阵CTE模式和感光区域部分遮光，两种方式对探测器的抗晕性能进行评估。对感光区域进行部分遮光，避免像素饱和后无法进行是否溢出的判断，甄别感光区域饱和是由于入射光能量过强还是发生高光溢出引起，筛选出满足应用要求的TDI探测器产品。

Claims (7)

1.TDI探测器高光溢出性能测试系统，包括TDI探测器及成像电路、积分球、开关时间可控的星点光源、图像采集及控制系统以及探测器感光区部分的挡光结构；所述测试系统工作在CTE面阵工作模式和部分挡光的TDI线阵工作模式；
在所述CTE面阵工作模式下，采用图像采集及控制系统控制开关时间可控的星点光源作为TDI探测器的照明光源，所述图像采集及控制系统对TDI探测器及成像电路进行控制，产生成像控制的相关信号，并进行通信获取成像状态；
在TDI探测器开始曝光前，打开开关时间可控的星点光源；当TDI探测器曝光结束后，关闭开关时间可控的星点光源，然后开始进行电荷的逐行转移，读出感光区所有行的电荷，并转换为数字图像数据输出到图像采集及控制系统进行图像的分析，确定是否出现了高光溢出；
在所述部分挡光TDI线阵工作模式下，采用积分球作为TDI探测器的照明光源，并使用TDI探测器感光区部分的挡光结构进行感光区的部分挡光，TDI探测器工作在指定的TDI级数n下，对n行电荷转移读出并进行叠加，最终转换为数字图像数据输出，输出到图像采集及控制系统进行图像的分析，确定是否出现了高光溢出。
2.根据权利要求1所述的TDI探测器高光溢出性能测试系统，其特征在于：
TDI探测器感光区部分的挡光结构具体为与所述TDI探测器的线路板形成一个封闭的长方体，所述长方体结构的下盖板为探测器的线路板，长方体的上盖板为挡光金属片，所述挡光金属片与TDI探测器的窗口玻璃平行且距离小于0.1mm；曝光量的控制通过调节挡光金属片的位置实现；
所述挡光金属片的开孔大小与TDI探测器的窗口玻璃大小相同；
所述长方体的长和宽均大于TDI探测器的长和宽，且均大于等于0.1mm；长方体高度高于TDI探测器高度小于等于0.1mm。
3.根据权利要求1所述的TDI探测器高光溢出性能测试系统的测试方法，该方法包括CTE面阵模式下的高光溢出检测和部分挡光TDI线阵模式下的高光溢出检测：
所述CTE面阵模式下的高光溢出检测过程为：
所述开关时间可控的星点光源经光学系统后形成大小可调的亮斑，将亮斑放置在TDI探测器感光区域的中心，在TDI级数为n级的条件下改变星点光源的亮度；
根据TDI探测器的饱和入射光能量Isat和出现高光溢出的光能量Ibloom，测试抗弥散因子的值Xab，用公式表示为：
Xab≥Ibloom/Isat
将所述TDI探测器设置最小的PGA增益和像素增益进行测试抗弥散因子的值；
在TDI探测器开始曝光前，打开开关时间可控的星点光源；当TDI探测器曝光结束后，关闭开关时间可控的星点光源，然后开始进行电荷的逐行转移，读出感光区所有行的电荷，转换为数字图像数据输出到图像采集及控制系统进行图像的分析判断；出现高光溢出的依据是灰度值大于等于饱和灰度值90％的光斑图像，其尺寸在垂直方向增加量大于等于1个像素；
所述部分挡光TDI线阵模式下的高光溢出检测过程为：
一、在CTE面阵模式，采用积分球作为TDI探测器的照明光源，调节入射光能量，使输出的灰度值DN为半饱和；
二、测试能完全挡光的区域位置，判断与对应的TDI级数，即对应TDI行的部分完全挡光；设定完全挡光和不挡光的过渡行小于等于4行；
三、调节探测器感光区部分的挡光结构的平行度，同时进行所述挡光结构的漏光检查，使挡光区域和不挡光区域的灰度值偏差在100倍以上；
四、逐渐增加不挡光区域的入射光能量，根据不同的入射光能量的响应，针对每个像素计算入射光能量的响应特性，如果TDI探测器的焦面辐照度Ei+1灰度值DNi+1对应的斜率ki+1为斜率ki的10倍，则出现了高光溢出。
4.根据权利要求3所述的TDI探测器高光溢出性能测试方法，其特征在于：在所述部分挡光TDI线阵模式下的高光溢出检测过程中，将TDI探测器的PGA增益和像素增益设置最小进行测试。
5.根据权利要求3所述的TDI探测器高光溢出性能测试方法，其特征在于：在部分挡光TDI线阵模式下，判断TDI探测器在轨是否可用的判断依据为：
根据在轨应用的辐亮度Lmax，焦面对应的辐照度公式：
根据在轨应用的相对孔径F、透过率τ0及使用的波长范围，计算TDI探测器焦面的辐照度，将光斑的辐照度设置4倍裕量，测试在轨应用的积分级数在m1-mp下是否会出现高光溢出，如果不出现高光溢出，则认为可用；m1为在轨应用的最小积分级数，mp为在轨应用的最大积分级数，m1和mp均为大于0，小于nmax。
6.根据权利要求3所述的TDI探测器高光溢出性能测试方法，其特征在于；
探测器感光区部分的挡光结构具体为与所述TDI探测器的线路板形成一个封闭的长方体，所述长方体结构的下盖板为探测器的线路板，长方体的上盖板为挡光金属片，所述挡光金属片与TDI探测器的窗口玻璃平行且距离小于0.1mm，曝光量的控制通过调节挡光金属片的位置实现；
所述挡光金属片的开孔大小与TDI探测器的窗口玻璃大小相同；
所述长方体的长和宽均大于TDI探测器的长和宽，且均小于等于0.1mm；长方体高度高于TDI探测器高度小于等于0.1mm。
7.根据权利要求3所述的TDI探测器高光溢出性能测试方法，其特征在于；
所述TDI探测器感光区部分的挡光结构采用支架、挡光布以及经过喷砂涂黑漆的金属片来实现。
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