CN111366340B - 一种基于通道分离的大面阵彩色cmos图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法 - Google Patents

一种基于通道分离的大面阵彩色cmos图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法，该方法涉及装置是静电试验平台、积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、大面阵彩色CMOS图像传感器样品、直流电源和计算机组成，首先打开积分球光源，并关闭测试室中其他照明光源，然后设置积分球光源为固定光强，由小至大调整积分时间，使输出图像由黑至最亮，根据坐标将图像传感器不同像素单元的相应数据归类放入R、GB、GR或B通道的灰度值矩阵中，分别计算各通道所有像素的平均灰度值，画出各通道所有像素的平均灰度值随积分时间变化的曲线，根据曲线可得饱和灰度值，本发明操作方便简单，可以直观的看出辐照引起器件各通道饱和灰度值退化的情况。为大面阵彩色CMOS图像传感器在空间应用时的抗辐射设计提供理论依据和技术支撑。

Description

一种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和 灰度值评估方法
技术领域
本发明属于光电成像器件性能参数检测技术领域，涉及一种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和输出电压评估方法。
背景技术
光电成像器件是利用光电效应，将光辐射图像转换为可观察、记录、传输、存储以及处理的信息器件的总称。光电成像器件广泛应用在各类空间光学卫星和有效载荷中，由于能够实时获得图像，是对地遥感侦察、目标监视、星敏感器等空间光电系统中不可缺少的核心器件。CMOS图像传感器与电荷耦合器件相比，具有单片集成、可靠性高、单电压、功耗低、成本低等明显优势，逐渐占据了对小体积、轻重量有苛刻要求的空间中低端成像领域，广泛应用于星敏感器、太阳敏感器、微纳卫星遥感、卫星姿态控制、飞船可视系统、空间视觉监控等各个方面。随着大规模集成电路工艺制造技术的进步，部分高性能CMOS图像传感器灵敏度、噪声性能已接近电荷耦合器件的水平，在国内外空间高端成像领域正逐渐取代电荷耦合器件。
航天器所处的天然空间辐射环境中，辐射主要来源于银河宇宙射线，太阳宇宙射线以及围绕地球的地磁俘获带辐射。辐射环境中的高能带电粒子作用于CMOS图像传感器会使它的性能参数产生影响。大面阵彩色CMOS图像传感器大多采用8T技术，全局电子快门，在像素内部集成额外的储存节点，实现相应的读取功能，保证所有像素同步曝光，从而克服卷帘曝光的缺点，具有较高的填充因子，从而增加了光响应灵敏度及信噪比，芯片可实现外触发和曝光控制。8T CMOS图像传感器自推出以来就备受空间光学相机设计师的青睐，我国多个宇航型号均采用了8T CMOS图像传感器，如天宫二号和神舟十一号交会对接目标凝视相机、嫦娥三号辅助着陆相机等。
以CMV12000-2E5C1PA这种大面阵彩色图像传感器为例，其输出图像为Bayer格式的原始图像，在分析其在辐射环境下性能参数的变化必须首先分离所有像素R、GB、GR和B通道的数据，再根据分离出的数据分别计算辐照前、后性能参数的变化。对于k位(k-bit)的图像传感器，它的数字灰度值在0到(2k-1)范围内，由此可见，若光强足够强或积分时间足够长时，灰度值总会在达到一个定值，即为饱和灰度值，单位为DN。它表征的是像素所能采集到的最强有效信号的能力。饱和灰度值是表征CMOS图像传感器性能的关键参数，同时也是空间辐射损伤的敏感参数。以往大量文献研究了针对黑白图像传感器辐照前、后饱和灰度值的计算方法，但对于这种大面阵彩色图像传感器，所有像素各通道输出信号在辐照后的参数退化程度是不同的，之前已有的方法不再适用，因此需要根据大面阵彩色图像传感器像素单元各通道的排列关系，通过数学方法分离各通道的信号，然后再计算各通道饱和灰度值大小，最后比较分析不同通道退化程度不同的机理解释。这种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法目前还未形成，但这对于大面阵CMOS彩色图像传感器抗辐射加固十分必要。因此本文提出基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法，不仅可以掌握不同通道信号随辐照的变化趋势，对研究器件的辐射效应有重要意义，更可以为大面阵彩色CMOS图像传感器在空间应用时的抗辐射设计提供理论依据和技术支撑。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有测试技术的局限性，提供一种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、大面阵彩色CMOS图像传感器样品、直流电源和计算机组成，首先打开积分球光源，并关闭测试室中其他照明光源，利用三维样品调整台将辐照到固定累积剂量的大面阵彩色CMOS图像传感器样品调整到正对积分球光源的出光口，然后设置积分球光源为固定光强，在计算机上由小至大调整积分时间，使输出图像由黑至最亮，在此过程中选取六个积分时间进行测试，每个积分时间采集10帧RAW格式图像并保存，将采集到的原始图像每个像素的16位2进制数据读出，并且将其转换成10进制数据，根据坐标将图像传感器不同像素单元的相应数据归类放入R、GB、GR或B通道的灰度值矩阵中，分别计算各通道所有像素在不同积分时间下的平均灰度值，画出各通道所有像素的平均灰度值随积分时间变化的曲线，根据曲线可得饱和灰度值，将样品辐照到不同累积剂量，重复以上操作可以得到不同累积剂量下大面阵彩色CMOS图像传感器不同通道的饱和灰度值。本发明操作方便简单，并且可以直观的看出辐照引起器件各通道饱和灰度值退化的具体情况，从而为大面阵彩色CMOS图像传感器在空间应用时的抗辐射设计提供理论依据和技术支撑。
本发明所述的一种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、大面阵彩色CMOS图像传感器样品、直流电源和计算机组成，在静电试验平台(1)上设有积分球光源(2)和三维样品调整台(3)，在三维样品调整台(3)上固定有样品测试板(4)，在样品测试板(4)上放置大面阵彩色CMOS图像传感器样品(5)，样品测试板(4)与直流电源(6)连接，静电试验平台(1)与计算机(7)连接，具体操作按下列步骤进行：
a、打开积分球光源(2)，并关闭测试室中其他照明光源；
b、利用三维样品调整台(3)将辐照到固定累积剂量的大面阵彩色CMOS图像传感器样品(5)调整到正对积分球光源(2)的出光口；
c、设定积分球光源(2)为固定光强，在计算机(7)上由小至大调整积分时间，使输出图像由黑至最亮，在此过程中选取六个积分时间进行测试，每个积分时间采集10帧RAW格式图像并保存；
d、将步骤c中采集的每个积分时间下RAW格式图像每个像素的16位2进制数据读出；
e、将步骤d读出的每个像素的16位2进制数据转换为10进制数据，10进制数据即为该像素的灰度值；
f、将四组为循环单元的横坐标2m，纵坐标2n；横坐标2m+1，纵坐标2n；横坐标2m，纵坐标2n+1；横坐标2m+1，纵坐标2n+1的像素单元的灰度值分别依次读入R、GB、GR或B通道的灰度值矩阵中，其中m＝0,1,2…M，n＝0,1,2…N，M为大面阵彩色CMOS图像传感器像素阵列的宽度，N为大面阵彩色CMOS图像传感器像素阵列的高度；
g、分别计算R、GB、GR、B通道所有像素在不同积分时间下的平均灰度值，画出R、GB、GR、B通道所有像素的平均灰度值随积分时间变化的曲线，根据曲线得到饱和灰度值；
h、将大面阵彩色CMOS图像传感器样品(5)取下再放到钴源环境下辐照，直到达到指定累积剂量后取出，利用三维样品调整台(3)将其调整到正对积分球光源(2)的出光口，重复步骤c-步骤g，得到辐照至不同累积剂量大面阵彩色CMOS图像传感器R、GB、GR、B通道所有像素的平均灰度值随积分时间变化的曲线，根据曲线得到不同累积剂量下大面阵彩色CMOS图像传感器R、GB、GR、B通道的饱和灰度值。
本发明所述的一种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法，该方法中利用公式(1)计算辐照后暗场条件下R通道所有像素位置的灰度值的平均值，即μR.dark：
Figure BDA0002483727020000031
其中，M为R通道灰度值矩阵的总行数，N为R通道灰度值矩阵的总列数。
暗场条件下GB、GR或B通道所有像素位置的灰度值的平均值也按照公式(1)计算，M、N要换成相应通道灰度值矩阵的总行数和总列数。
本发明所述的一种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法，适用于像素尺寸为5.5×5.5μm或者大于该像素尺寸的彩色CMOS图像传感器。本发明准确度高，方法简单快速，实用性强，可以为大面阵彩色CMOS图像传感器在空间应用时的抗辐射设计提供理论依据和技术支撑。
本发明适用于需要预估或者掌握大面阵彩色CMOS图像传感器辐射损伤程度的器件研制单位、科研院所和航天载荷单位使用。
附图说明
图1为本发明测试系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例
一种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、大面阵彩色CMOS图像传感器样品、直流电源和计算机组成，在静电试验平台1上设有积分球光源2和三维样品调整台3，在三维样品调整台3上固定有样品测试板4，在样品测试板4上放置大面阵彩色CMOS图像传感器样品5，样品测试板4与直流电源6连接，静电试验平台1与计算机7连接，具体操作按下列步骤进行：
a、打开积分球光源2，并关闭测试室中其他照明光源；
b、先将经过辐照后的大面阵彩色CMOS图像传感器样品5(其型号为CMV12000)插入样品测试板4上，大面阵彩色CMOS图像传感器样品5辐照后累积的总剂量为5krad(Si)，然后用样品测试板4上的零插拔力插座固定大面阵彩色CMOS图像传感器样品5，再将样品测试板4分别与直流电源6、计算机7相连，利用三维样品调整台3将辐照到固定累积剂量的大面阵彩色CMOS图像传感器样品5调整到正对积分球光源2的出光口；
c、设定积分球光源2为固定光强2.4lux，将直流电源的电压设置为+28V、和接地，限流设置为1A；测试板的驱动时钟为125MHz，测试软件输出图像分辨率设置为4096×3072，在计算机7上由小至大调整积分时间，使输出图像由黑至最亮，在此过程中选取六个积分时间5ms，10ms，15ms，20ms，40ms，50ms进行测试，每个积分时间采集10帧RAW格式图像并保存；
d、将步骤c中采集的每个积分时间下RAW格式图像每个像素的16位2进制数据读出；
e、将步骤d读出的每个像素的16位2进制数据转换为10进制数据，10进制数据即为该像素的灰度值；
f、将四组为循环单元的横坐标为2m，纵坐标为2n的像素单元的灰度值依次读入R通道的灰度值矩阵中，其中m＝0,1,2…M，n＝0,1,2…N，M为大面阵彩色CMOS图像传感器像素阵列的宽度,N为大面阵彩色CMOS图像传感器像素阵列的高度；
将横坐标为2m+1，纵坐标为2n的像素单元的灰度值依次读入GB通道的灰度值矩阵中，其中m＝0,1,2…M，n＝0,1,2…N，M为大面阵彩色CMOS图像传感器像素阵列的宽度，N为大面阵彩色CMOS图像传感器像素阵列的高度；
将横坐标为2m，纵坐标为2n+1的像素单元的灰度值依次读入GR通道的灰度值矩阵中，其中m＝0,1,2…M，n＝0,1,2…N，M为大面阵彩色CMOS图像传感器像素阵列的宽度，N为大面阵彩色CMOS图像传感器像素阵列的高度；
将横坐标为2m+1，纵坐标为2n+1的像素单元的灰度值依次读入B通道的灰度值矩阵中，其中m＝0,1,2…M，n＝0,1,2…N，M为大面阵彩色CMOS图像传感器像素阵列的宽度，N为大面阵彩色CMOS图像传感器像素阵列的高度；
g、根据公式(1)分别计算R、GB、GR或B通道在不同积分时间下所有像素的平均灰度值；
Figure BDA0002483727020000041
M为各通道灰度值矩阵的总行数，N为各通道灰度值矩阵的总列数；
根据公式(1)计算出的R、GB、GR或B通道所有像素的平均灰度值如表1中辐照累积剂量5krad(Si)下积分时间5ms，10ms，15ms，20ms，40ms，50ms相应行的数据所示；画出R、GB、GR或B通道所有像素的平均灰度值随积分时间变化的曲线，根据曲线可以得到5krad(Si)累积剂量下各通道的饱和灰度值，如表2中第二行所示；
h、将大面阵彩色CMOS图像传感器样品5取下再放到钴源环境下辐照，直到达到指定累积剂量5krad(Si)，11krad(Si)，30krad(Si)，50krad(Si)，100krad(Si)后取出，利用三维样品调整台3将其调整到正对积分球光源2的出光口，重复步骤c-步骤g，得到辐照至不同累积剂量5krad(Si)，11krad(Si)，30krad(Si)，50krad(Si)，100krad(Si)大面阵彩色CMOS图像传感器R、GB、GR或B通道所有像素的平均灰度值，如表1中相应行所示，画出R、GB、GR或B通道所有像素的平均灰度值随积分时间变化的曲线，根据曲线得到不同累积剂量11krad(Si)，30krad(Si)，50krad(Si)，100krad(Si)下大面阵彩色CMOS图像传感器不同通道的饱和灰度值，如表2中第3行-第6行所示；
表1参数计算结果
Figure BDA0002483727020000051
表2不同累积剂量下大面阵彩色CMOS图像传感器不同通道的饱和灰度值
Figure BDA0002483727020000052
从表中可以直观的看出：随着辐照累积剂量的增大，同一积分时间下R、GB、GR或B通道所有像素的平均灰度值都呈现下降的趋势，而且可以清晰地对比出不同通道所有像素的平均灰度值的下降程度，便于进行更深层次的机理分析。
以上所述，仅为本发明提供的一种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (1)

1.一种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法，其特征在于，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、大面阵彩色CMOS图像传感器样品、直流电源和计算机组成，在静电试验平台（1）上设有积分球光源（2）和三维样品调整台（3），在三维样品调整台（3）上固定有样品测试板（4），在样品测试板（4）上放置大面阵彩色CMOS图像传感器样品（5），样品测试板（4）与直流电源（6）连接，静电试验平台（1）与计算机（7）连接，具体操作按下列步骤进行：
a、打开积分球光源（2），并关闭测试室中其他照明光源；
b、利用三维样品调整台（3）将辐照到固定累积剂量的大面阵彩色CMOS图像传感器样品（5）调整到正对积分球光源（2）的出光口；
c、设定积分球光源（2）为固定光强，在计算机（7）上由小至大调整积分时间，使输出图像由黑至最亮，在此过程中选取六个积分时间进行测试，每个积分时间采集10帧RAW格式图像并保存；
d、将步骤c中采集的每个积分时间下RAW格式图像每个像素的16位2进制数据读出；
e、将步骤d读出的每个像素的16位2进制数据转换为10进制数据，10进制数据即为该像素的灰度值；
f、将四组为循环单元的横坐标2m，纵坐标2n；横坐标2m+1，纵坐标2n；横坐标2m，纵坐标2n+1；横坐标2m+1，纵坐标2n+1的像素单元的灰度值分别依次读入R、GB、GR或B通道的灰度值矩阵中，其中m=0,1,2…M，n=0,1,2…N ，M为大面阵彩色CMOS图像传感器像素阵列的宽度，N为大面阵彩色CMOS图像传感器像素阵列的高度；
g、分别计算R、GB、GR、B通道所有像素在不同积分时间下的平均灰度值，画出R、GB、GR或B通道所有像素的平均灰度值随积分时间变化的曲线，根据曲线得到饱和灰度值；
h、将大面阵彩色CMOS图像传感器样品（5）取下再放到钴源环境下辐照，直到达到指定累积剂量后取出，利用三维样品调整台（3）将其调整到正对积分球光源（2）的出光口，重复步骤c-步骤g，得到辐照至不同累积剂量大面阵彩色CMOS图像传感器R、GB、GR或B通道所有像素的平均灰度值随积分时间变化的曲线，根据曲线得到不同累积剂量下大面阵彩色CMOS图像传感器R、GB、GR或B通道的饱和灰度值。
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