CN112540247B - 预先老化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微光探测器性能表征技术领域，公开了一种预先老化方法。对电子器件提供驱动条件使其处于正常工作状态，通过调节所述电子器件的增益电压以及对所述电子器件的输入光信号的光照强度进行调节，使所述电子器件连续工作在倍增寄存器接近饱和的状态，实现器件增益的快速老化，最终使所述电子器件达至增益稳定状态。对刚生产出来的所述电子器件进行预先老化，使其达至增益稳定状态后再投入实际生产使用。克服了所述电子器件在早期应用中增益稳定性不佳且测试结果偏差较大的问题，便于在连续信号采集应用中获得稳定成像效果。可为所述电子器件的研制生产和性能参数检测提供良好的技术支撑，使其具有良好的工程应用价值。

Description

预先老化方法

技术领域

本发明涉及微光探测器性能表征技术领域，特别是涉及一种预先老化方法。

背景技术

电子倍增CCD(EMCCD，Electron-Multiplication Charge Coupled Devices)是一种微弱光信号增强探测器件，具有高灵敏度、大动态范围、高信噪比等优点。电子倍增CCD的成像区、存储区和读出寄存器都和传统CCD结构相同，不同之处在于在读出寄存器和输出放大器间增加了一串倍增寄存器，使信号电荷在水平转移过程中得到放大倍增，从而有效提高信号的信噪比。电子倍增CCD的增益对微光探测质量有决定性影响，是电子倍增CCD的关键参数。然而，电子倍增CCD的增益存在随时间退化现象，特别是在器件生产出来后的早期增益退化特别严重，导致对增益参数的测试结果存在偏差较大、稳定性欠佳等问题，给器件的工程应用带来挑战。

发明内容

基于此，有必要针对电子倍增CCD在生产出来后的早期增益退化严重，导致对增益参数的测试结果存在偏差较大、稳定性欠佳等问题，提供一种预先老化方法。

一种预先老化方法，包括调节电子器件的增益电压以及输入光信号的光照强度，使得所述电子器件的输出信号达到预设信号量；保持所述光信号的光照强度不变，调节所述增益电压，维持所述电子器件的输出信号达到预设信号量，以对所述电子器件进行预先老化。

上述预先老化方法，提供驱动条件使电子器件处于正常工作状态，通过调节所述电子器件的增益电压以及对所述电子器件的输入光信号的光照强度进行调节，使所述电子器件连续工作在倍增寄存器接近饱和的状态，实现器件增益的快速老化，最终使所述电子器件达至增益稳定状态。对刚生产出来的所述电子器件进行预先老化，使其达至增益稳定状态后再投入实际生产使用。克服了所述电子器件在早期应用中增益稳定性不佳且测试结果偏差较大的问题，便于在连续信号采集应用中获得稳定成像效果。可为所述电子器件的研制生产和性能参数检测提供良好的技术支撑，使其具有良好的工程应用价值。

在其中一个实施例中，所述调节电子器件的增益电压以及输入光信号的光照强度，使得所述电子器件的输出信号达到预设信号量包括驱动电子器件正常工作，调节所述电子器件的增益电压以使得所述电子器件工作在预设增益倍数；对所述电子器件输入光信号，并调节所述光信号的光照强度以使得所述电子器件的输出信号达到预设信号量。

在其中一个实施例中，在对所述电子器件进行预先老化时，控制所述电子器件的器件温度稳定。

在其中一个实施例中，采用半导体制冷的方法控制器件温度稳定。

在其中一个实施例中，所述调节所述增益电压，维持所述电子器件的输出信号达到预设信号量包括当所述增益倍数下降至预设偏离值时，调节所述增益电压以使所述电子器件的增益倍数恢复至预设增益倍数；对调节后的所述增益电压以及试验时间进行实时记录。

在其中一个实施例中，当在预设时间内增益电压的调节次数小于预设次数时，则判定所述电子器件达到增益稳定性要求。

在其中一个实施例中，对所述电子器件进行预先老化的时间为所述电子器件达到增益稳定性要求的时间或预设的老化时间。

在其中一个实施例中，所述预设增益倍数不小于所述电子器件的最大增益倍数的一半。

在其中一个实施例中，所述预设信号量不小于所述电子器件的最大输出信号的80％。

在其中一个实施例中，所述增益电压与所述增益倍数成正相关的关系。

附图说明

图1为本发明其中一实施例的预先老化方法的方法流程图；

图2为本发明其中一实施例的调节电子器件的增益电压以及输入光信号的光照强度的方法流程图；

图3为本发明其中一实施例的增益电压调节记录的方法流程图；

图4为本发明其中一实施例的增益随时间变化的退化曲线图；

图5为本发明其中一实施例的增益电压随时间变化的变化曲线图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

电子倍增CCD(EMCCD，Electron-Multiplication Charge Coupled Devices)是一种微弱光信号增强探测器件，具有高灵敏度、大动态范围、高信噪比等优点。电子倍增CCD的成像区、存储区和读出寄存器都和传统CCD结构相同，不同之处在于在读出寄存器和输出放大器间增加了一串倍增寄存器，使信号电荷在水平转移过程中得到放大倍增，从而有效提高信号的信噪比。电子倍增CCD的增益对微光探测质量有决定性影响，是电子倍增CCD的关键参数。然而，电子倍增CCD的增益存在随时间退化现象，特别是在器件生产出来后的在早期投入使用使增益退化特别严重，导致对增益参数的测试结果存在偏差较大、稳定性欠佳等问题，给器件的工程应用带来挑战。电子倍增CCD增益退化的机制目前仍不十分清楚，但普遍认为与倍增寄存器在高电场作用下的热载流子有关。

图1为本发明其中一实施例的预先老化方法的方法流程图，在其中一个实施例中，本发明提出一种预先老化方法，包括如下步骤S100和S120。

S100：调节电子器件的增益电压以及输入光信号的光照强度，使得所述电子器件的输出信号达到预设信号量。

S200：保持所述光信号的光照强度不变，调节所述增益电压，维持所述电子器件的输出信号达到预设信号量，以对所述电子器件进行预先老化。

在本实施例中，所述电子器件为电子倍增CCD。通过在电子倍增CCD刚生产出来在被投入使用之前，对电子倍增CCD进行预先老化，使其增益达到稳定后再投入生产，可以保证电子倍增CCD在实际应用时增益的稳定性。

由于电子倍增CCD的增益退化机制与通过增益寄存器的电荷总量相关，而电子倍增CCD在工作时的增益倍数和输入光信号的光照强度是决定通过增益寄存器电荷总量的主要因素。电子倍增CCD的增益倍数与施加于其上的增益电压相关。

因此，在本实施例中，通过调节电子倍增CCD的增益电压以及输入光信号的光照强度，使得电子倍增CCD的输出信号到达预设信号量，以提高通过增益寄存器的电荷总量。之后，保持输入电子倍增CCD的光信号的光照强度不变，通过不断对增益电压进行调节，使其连续工作在倍增寄存器接近饱和的状态，来实现电子倍增CCD的增益快速老化，最终使其达至增益稳定状态。

在电子倍增CCD交付使用前先使用本发明提供的预先老化方法对其进行预先老化，可以克服电子倍增CCD在早期应用中增益稳定性不佳且测试结果偏差较大的问题，因而不需要对电子倍增CCD在早期应用中频繁进行增益校准，便于其在连续信号采集应用中获得稳定成像效果。为电子倍增CCD研制生产和性能参数检测提供良好的技术支撑，使其具有良好的工程应用价值。

图2为本发明其中一实施例的调节电子器件的增益电压以及输入光信号的光照强度的方法流程图，在其中一个实施例中，所述调节电子器件的增益电压以及输入光信号的光照强度，使得所述电子器件的输出信号达到预设信号量包括如下步骤S110至S120。

S110：驱动电子器件正常工作，调节所述电子器件的增益电压以使得所述电子器件工作在预设增益倍数。

S120：对所述电子器件输入光信号，并调节所述光信号的光照强度以使得所述电子器件的输出信号达到预设信号量。

具体地，将待试验的电子倍增CCD接入驱动电路中，向其提供驱动条件，使电子倍增CCD处于正常工作状态。电子倍增CCD器件根据其自身的器件参数，其增益倍数具备一定的工作范围，以及其输出信号也具备一定的工作范围。

电子倍增CCD的增益倍数与施加于其上的增益电压相关。对电子倍增CCD的增益电压进行调节，将电子倍增CCD的增益调节至在允许的工作范围内的预设增益倍数附近。预设增益倍数具体根据对电子倍增CCD设计的预先老化试验方案制定，设定的增益倍数越大，则电子倍增CCD的增益倍数达到稳定状态所需的时间也就越短。

将电子倍增CCD的增益倍数调节至预设增益倍数后，向电子倍增CCD施加光信号。由于电子倍增CCD的输出信号则与施加于其上的光信号的光照强度相关，因此对光信号的光照强度进行调节，以使电子倍增CCD的输出信号达到允许的工作范围内的预设信号量。预设信号量具体也需要根据对电子倍增CCD设计的预先老化试验方案制定，设定的预设信号量的值越大，则电子倍增CCD的增益倍数达到稳定状态所需的时间也就越短。

将电子倍增CCD的增益倍数调节至预设增益倍数并电子倍增CCD的输出信号调节至预设信号量后，对待试验电子倍增CCD器件进行预先老化试验。在预先老化试验的试验过程中需要保持施加于电子倍增CCD器件上的光信号的光照强度保持稳定。通过调节电子倍增CCD的增益电压来使其输出信号保持稳定在预设信号量，使其连续工作在倍增寄存器接近饱和的状态，实现对电子倍增CCD增益的快速老化，最终达至增益稳定状态。

在其中一个实施例中，在使用本发明提供的预先老化方法对所述电子器件进行预先老化时，控制所述电子器件的器件温度稳定。由于电子倍增CCD在其它条件不变的情况下，其增益倍数也会随着温度的改变而改变，可见，温度对于老化试验的影响较大。因此，在对待试验电子倍增CCD进行预先老化试验时，需要控制器器件温度的稳定，防止因温度的改变对老化进程造成影响。

在其中一个实施例中，采用半导体制冷的方法控制器件温度稳定。半导体制冷是指利用半导体的热-电效应制取冷量的器件。用导体连接两块不同的金属,接通直流电，则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。通常情况下，电子倍增CCD器件在设计生产时，器件本身就封装有半导体制冷，可以对电子倍增CCD的器件温度进行调节。在本实施例中，利用电子倍增CCD器件本身自带的半导体制冷来对器件温度进行控制，以保证在预先老化试验期间电子倍增CCD器件温度处于稳定状态。

图3为本发明其中一实施例的增益电压调节记录的方法流程图，在其中一个实施例中，所述调节所述增益电压，维持所述电子器件的输出信号达到预设信号量包括如下步骤S210至S220。

S210：当所述增益倍数下降至预设偏离值时，调节所述增益电压以使所述电子器件的增益倍数恢复至预设增益倍数。

S220：对调节后的所述增益电压以及试验时间进行实时记录。

具体地，在使用本发明提供的预先老化方法对待试验的电子倍增CCD器件进行预先老化时，由于电子倍增CCD的增益会随着老化时间逐渐退化，且在早期时，增益退化尤其严重；而在预先老化试验的试验过程中需要使电子倍增CCD保持工作在调节的预设增益倍数，因此需要对电子倍增CCD的增益倍数进行实时监测。电子倍增CCD输出信号与输入信号的比值即为增益倍数，其单位是倍。因此，可以通过对电子倍增CCD的输出信号和输入信号进行实时监测计算，即可实现对增益倍数的监测。

图4为本发明其中一实施例的增益随时间变化的退化曲线图，在图4中，横坐标为时间，纵坐标为增益值。可见，电子倍增CCD的增益在早期出现明显退化，但随着时间的推移曲线走势逐步变得平稳，即增益逐渐趋于稳定。

在预先老化试验过程中，电子倍增CCD的增益随着试验时间会出现退化从而增益倍数下降。增益倍数在一定的偏离范围内时不需要对其进行调节，例如增益倍数在预设增益倍数的上下5％的范围内浮动。当增益倍数下降至预设偏离值时，例如当前增益倍数与预设增益倍数的差值超过5％时，需要对增益电压进行调节，以使电子倍增CCD的增益倍数调制回预设增益倍数附近，保证在预先老化试验中电子倍增CCD始终工作在倍增寄存器接近饱和的状态。同时，需要对此时的增益电压即调节后当前时刻的增益电压，以及预先老化试验已经进行的试验时间进行实时记录，以记录电子倍增CCD的增益电压值随试验时间的变化。对增益电压值随试验时间的变化进行记录，可以用于判断该电子倍增CCD的增益是否达到稳定的要求。

图5为本发明其中一实施例的增益电压随时间变化的变化曲线图，在图5中，横坐标为时间，纵坐标为增益电压的电压变化值。可见，在早期老化试验中电子倍增CCD的增益变化频繁，导致电压调节次数也较为频繁，但随着时间的推移增益逐渐趋于稳定，其退化频率逐渐降低因此增益电压的调节频率也逐渐降低。根据该变化曲线图可判断该电子倍增CCD的增益是否达到稳定的要求。

在其中一个实施例中，当在预设时间内增益电压的调节次数小于预设次数时，则判定所述电子器件达到增益稳定性要求。增益稳定性要求的判定标准根据预先老化试验的试验方案设定，根据不同的器件情况以及对于器件的性能要求设定不同的判断标准。例如，若在经过预先老化试验后，在一段较长的时间段内都不需要对增益电压进行调节，或增益电压的调节次数在设定的时间内小于一定次数，即可判定该电子倍增CCD的增益已经达到设计的增益稳定性要求。

在其中一个实施例中，对所述电子器件进行预先老化的时间为所述电子器件达到增益稳定性要求的时间或预设的老化时间。使用本发明提供的预先老化方法进行预先老化时，对于电子增益CCD的老化试验时间可以为视老化情况而定的灵活试验时间，依据增益电压随随试验时间的变化记录表来判断该电子增益CCD是否达到增益稳定性要求，若满足增益稳定性要求则停止试验，否则继续进行；也可采用定时截止的方式进行老化试验，即设定一固定的试验时间，到时间即停止对该电子增益CCD器件的老化。

在其中一个实施例中，所述预设增益倍数不小于所述电子器件的最大增益倍数的一半。由于电子倍增CCD的增益退化与通过增益寄存器电荷总量有关，而通过增益寄存器电荷总量与增益倍数有关，可见增益倍数越大则电子倍增CCD的老化程度越快，因此，需要通过调节电子倍增CCD的增益电压来使该器件的增益维持在允许工作范围内的任一较高增益倍数附近，例如该电子倍增CCD的增益倍数范围最大值的50％。在实际应用中的具体数值选择根据对电子倍增CCD的器件参数以及老化要求来确定。例如，当待试验的电子倍增CCD的增益倍数工作范围为1-100时，则可选择通过调节增益电压来将其增益倍数调节至50，并通过调节增益电压使其在预先老化试验中始终稳定工作在增益倍数为50的工作状态下。

在其中一个实施例中，所述预设信号量不小于所述电子器件的最大输出信号的80％。同样地，由于电子倍增CCD的增益退化与通过增益寄存器电荷总量有关，而通过增益寄存器电荷总量还与电子倍增CCD的输出信号有关，可见输出信号越大则电子倍增CCD的老化程度越快，因此，需要通过调节施加于电子倍增CCD上的光信号来使该器件的输出信号调节至允许工作范围内的接近饱和状态，例如该电子倍增CCD最大输出信号的80％。在实际应用中的具体数值选择可以根据对电子倍增CCD的器件参数以及老化要求来确定。例如，当待测试电子倍增CCD的输出信号的工作范围为1-5V，则可通过调节光信号的信号强度将其输出信号调节至4V，并在预先老化试验中维持该光信号的光照强度使其稳定在输出信号为4V工作状态下。需要注意的是，在调节电子倍增CCD的输出信号时，不能将其调节至饱和输出状态，电子倍增CCD长时间工作在饱和输出状态可能会对器件造成损坏。

在其中一个实施例中，所述增益电压与所述增益倍数成正相关的关系。即，电子倍增CCD的增益电压越大时，其增益倍数越大；电子倍增CCD的增益电压越小时，其增益倍数也越小。因此在预先老化试验中，若电子倍增CCD的增益随着老化进程增益倍数有所下降时，可以通过调高增益电压来使增益倍数恢复至预设增益倍数附近。需要注意的是，电子倍增CCD的增益倍数可在一定范围内上下浮动，例如上下浮动不超过5，即当设定的预设增益倍数为50时，在预先老化试验中，可通过调节增益电压将电子倍增CCD的增益倍数调节至45-55之间。另外，当经过老化后，该电子倍增CCD的增益倍数低于45，则需要调高增益电压以将增益倍数调节回45-55的区间内。

同时，所述光信号的光照强度与所述输出信号也成正相关的关系。即，施加于电子倍增CCD的光信号的光照强度越大时，其输出信号越大；施加于电子倍增CCD的光信号的光照强度越小时，其输出信号也越小。因此，在预先老化试验中，可以通过增大或减小光信号的光照强度来使输出信号接近饱和状态。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种预先老化方法，其特征在于，包括：

调节电子器件的增益电压以及输入光信号的光照强度，使得所述电子器件的输出信号达到预设信号量；

保持所述光信号的光照强度不变，调节所述增益电压，维持所述电子器件的输出信号达到预设信号量，以对所述电子器件进行预先老化。

2.根据权利要求1所述的预先老化方法，其特征在于，所述调节电子器件的增益电压以及输入光信号的光照强度，使得所述电子器件的输出信号达到预设信号量包括：

驱动电子器件正常工作，调节所述电子器件的增益电压以使得所述电子器件工作在达到预设增益倍数；

对所述电子器件输入光信号，并调节所述光信号的光照强度以使得所述电子器件的输出信号达到预设信号量。

3.根据权利要求1或2所述的预先老化方法，其特征在于，在对所述电子器件进行预先老化时，控制所述电子器件的器件温度稳定。

4.根据权利要求3所述的预先老化方法，其特征在于，采用半导体制冷的方法控制器件温度稳定。

5.根据权利要求1所述的预先老化方法，其特征在于，所述调节所述增益电压，维持所述电子器件的输出信号达到预设信号量包括：

当所述电子器件的增益倍数下降至预设偏离值时，调节所述增益电压以使所述电子器件的增益倍数恢复至预设增益倍数；

对调节后的所述增益电压以及试验时间进行实时记录。

6.根据权利要求4所述的预先老化方法，其特征在于，当在预设时间内增益电压的调节次数小于预设次数时，则判定所述电子器件达到增益稳定性要求。

7.根据权利要求6所述的预先老化方法，其特征在于，对所述电子器件进行预先老化的时间为所述电子器件达到增益稳定性要求的时间或预设的老化时间。

8.根据权利要求2所述的预先老化方法，其特征在于，所述预设增益倍数不小于所述电子器件的最大增益倍数的一半。

9.根据权利要求1所述的预先老化方法，其特征在于，所述预设信号量不小于所述电子器件的最大输出信号的80％。

10.根据权利要求1所述的预先老化方法，其特征在于，所述增益电压与所述电子器件的增益倍数成正相关的关系。

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