CN114554183A - Cis辐照后像素单元电荷转移效率的测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试系统及方法，该方法能够对辐照后CMOS图像传感器单个特定像素单元的电荷转移效率进行测量，为辐照后CMOS图像传感器像素单元电荷转移损伤评估提供技术支撑。该测试系统包括控制计算机、直流电源、暗箱、测试板、FPGA控制模块和光源；暗箱内设置有温度控制装置，用于控制测试时的温度；测试板设置在暗箱底端，其上分别安装有FPGA控制模块和CMOS图像传感器；光源设置在暗箱的顶端，且设置在CMOS图像传感器的正上方；直流电源设置在暗箱外侧，其输出端与测试板连接，用于给CMOS图像传感器和光源提供电信号。控制计算机设置在暗箱外侧，用于CMOS图像传感器的输出信号采集和处理。
Description
技术领域
本发明涉及辐射效应测试技术领域，具体涉及一种CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试系统及方法。
背景技术
随着以CIS(CMOS图像传感器)为核心电子元器件的光电成像系统在空间遥感成像、航天器定位、核电站环境监测等辐射领域的广泛应用，其辐射损伤问题备受关注。开展辐照后器件辐射敏感参数测试对器件及系统的性能评估具有重要意义。随着CMOS图像传感器成像技术的不断发展，像素单元结构从3T(Photodiode)发展为4T甚至多T结构。像素单元的改变导致CMOS图像传感的电荷转移效率发生较大的变化。尤其在器件受到辐照后，辐射诱发的位移缺陷、陷阱电荷、界面态等对电荷转移效率产生较大影响。一般情况下，随着辐照注量或剂量的不断增大，器件的电荷转移效率降低。
此外，随着光电成像系统的不断发展，部分成像系统的帧频要求不断提高，从而导致电荷转移效率的影响被进一步放大。电荷转移效率较低时，图像中会出现拖影现象，导致系统成像质量下降甚至功能失效，因此开展CMOS图像传感器的电荷转移效率测试具有重要意义。
CMOS图像传感器的电荷转移效率分为像素阵列和像素单元的电荷转移效率。像素阵列的电荷转移效率是指所有像素单元电荷转移效率的平均值，用于评价整个CMOS图像传感器像素阵列的电荷转移效率。像素单元的电荷转移效率是指特定某个像素单元的电荷转移效率，用于评估单个像素单元的电荷转移效率。
CMOS图像传感器受到中子、中高能质子或重离子辐照后，在辐照注量较低时，仅有部分像素单元受到辐射损伤的影响，并非所有像素单元受到损伤。因此，通过测试辐照后CMOS图像传感器中受辐照损伤像素单元的电荷转移效率，对其电荷转移效率机理研究具有重要意义。
目前在对CIS电荷转移效率测试过程中，直接对CIS整个像素阵列电荷转移效率进行测量，从而会导致测试时间较长。此外，整个像素阵列电荷转移效率反映的是全部像素单元电荷转移效率的平均值，无法给出具体某一个像素单元的电荷转移效率。在低温辐照的情况下，受到辐照损伤的像素单元个数较少，像素阵列电荷转移效率会直接掩盖受损伤像素单元的电荷转移效率，严重影响了CIS电荷转移效率辐照损伤机理分析与抗辐射加固设计。因此需要建立CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试系统及方法，实现对辐照后像素单元电荷转移效率的快速、准确测量。
发明内容
为解决现有CIS辐照后的测试方法中没有对像素单元电荷转移效率进行快速准确测试的问题，本发明提出了一种CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试系统及方法，该方法能够对辐照后CMOS图像传感器单个特定像素单元的电荷转移效率进行快速准确测量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试系统包括暗箱、控制计算机、直流电源、FPGA控制模块、测试板和光源。其中，控制计算机、直流电源设置在暗箱外侧，控制计算机配备数据采集卡和测试软件。CMOS图像传感器、测试板和光源放置于暗箱中，暗箱中设置有温度控制装置，实现暗箱内的温度控制。测试板设置在暗箱底端，其上分别安装有FPGA控制模块和CMOS图像传感器；光源设置在暗箱的顶端，且设置在CMOS图像传感器的正上方；光源的发出的光进行均匀化处理，使到达CMOS图像传感器表面的光照不均匀性小于1％。CMOS图像传感器采用LGA或PGA封装，安装在带有插座的测试板上，测试板与光源连接，可提供稳定电压和脉冲电压用于驱动光源。控制计算机与测试板相采用CameraLink线、网线或光纤等信号传输线连接，采用线缆将直流电源与测试板相连，进行供电，其中测试板的供电线缆测试峰值压降小于0.2V，峰值压降计算方法为最大电流与电阻的乘积。
上述光源可以为LED或者不同波长的半导体激光器(如：蓝光、绿光、红光)，用于测量不同波长下的电荷转移效率。如若光强太强，采用半透半反镜(分光镜)进行分光，使用分光镜分光后需对未入射到器件表面的光进行处理，以免其散射光照射到CIS，影响测试结果，也可以通过LED前方安装滤波片的方法，实现不同波长下的电荷转移效率测量。
本发明提供一种CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试方法，包括以下步骤：
步骤一、搭建上述CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试系统；
步骤二、将辐照后的CMOS图像传感器安装在测试板上，调整硬件系统和软件系统，添加时序驱动，使测试系统能够正常采集数据；通过CMOS图像传感器内置的温度探测器实时测量CMOS图像传感器的温度，连续采集数据一段时间，直至采集的图像数据稳定且CMOS图像传感器温度几乎不发生变化后(1分钟内变化小于0.1℃)，开展相关测试；
步骤三、基于European Machine Vision Association(EMVA)1288标准中的方法对辐照后CMOS图像传感器像素阵列的暗电流进行测试，通过分析，确定受到辐照损伤像素单元在CMOS图像传感器像素阵列中的空间位置(横坐标和纵坐标)，其中判断是否受到辐照损伤的标准是：辐照后CMOS图像传感器像素单元暗电流大于等于2倍的辐照前输出暗电流；
步骤四、根据测试需要安装不同的光源，设置测试板的供电端驱动时序，使测试板供电端可提供稳定电压；将光源与测试板光源供电端相连接，使光源能够稳定发光；
步骤五、设置CMOS图像传感器的最小曝光时间(接近为零)、最大曝光时间、曝光时间线性采集间隔N(曝光时间线性采集间隔表示在最大曝光时间和最小曝光时间之间线性插入N-2个数据，间隔一般不小于50)和每个时间点采集数据次数(为提高数据采集效率，每个时间点采集数据次数为1次)，根据CMOS图像传感器像素阵列版图信息，在测试软件中设置待测像素单元的横坐标和纵坐标来确定需进行信号采集的待测像素单元；
最大曝光时间t可由下式进行估算：
其中，FWC为CMOS图像传感器的满阱容量；Φv为入射到器件表面单位面积、单位时间内所有光子的能量之和；α为硅材料中光的吸收系数；z1为空间电荷区上表面距离器件表面的距离；z2为空间电荷区下表面距离器件表面的距离；A为像素单元面积；FF为CMOS图像传感器的填充因子；Eep为产生一对电子空穴对所需的平均能量；
步骤六、根据步骤五中设定的最小曝光时间、最大曝光时间、曝光时间线性采集间隔N和每个时间点采集数据次数进行数据采集，自动变化曝光时间，并在每个曝光时间下获得待测像素单元的输出信号值；
步骤七、绘制待测像素单元输出信号随曝光时间的变化曲线，重复步骤五和步骤六，并调整最大曝光时间，确定最佳最大测试曝光时间；最佳最大测试曝光时间的判断标准为：待测像素单元在最后约5％的曝光区间内输出信号达到饱和；
步骤八、在步骤七的基础上，修改曝光时间线性采集间隔N(不小于20)，设置每个测试曝光时间内连续采集M次数据(为提高测试精度，一般情况下M≥50次)，设置测试板光源供电端驱动时序，使测试板供电端可提供脉冲电压，在第[M/2次]数据采集时测试板供电端提供脉冲电压，光源发光，而在其余时间内光源不发光，光源供电端脉冲电压添加时间需落在像素单元信号收集时间间隔内；
步骤九、根据电荷转移效率计算公式给出不同曝光时间下的CMOS图像传感器像素单元电荷转移效率，每次曝光时间下像素单元电荷转移效率计算公式如下所示：
其中，Q1为第M/2次时测量所得的像素单元的输出数据；Q为M次采集数据中除去异常像素单元和拥有光信号像素单元数据后的均值；Q2为拥有光信号的像素单元数据之和，n为拥有光信号像素单元数据的个数；
异常像素单元数据是指连续采集的数据中，前1～n次数据中输出明显大于(n+1)～([M/2]-1)次采集的数据。拥有光信号像素单元数据是指曝光时测量所得的像素单元输出数据以及曝光后连续几次采集数据中输出明显大于(n+1)～([M/2]-1)次像素单元输出数据。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明通过对辐照后CMOS图像传感器像素单元的电荷转移效率进行测试，获得像素单元电荷转移效率的退化规律，对基于像素结构设计的CMOS图像传感器抗辐射加固研究具有重要意义，同时也为CMOS图像传感器辐射损伤性能评估提供技术支撑。
2.在电荷转移效率测试前通过对像素单元暗电流测试，筛选出受到辐照损伤的像素单元，从而对受到辐照损伤像素单元的电荷转移效率进行测试，能够极大的提高测试速度。
3.本发明测试速度快、测量结果准确。为避免温度对测试结果的影响，本发明系统和方法在开展像素单元的电荷转移效率效应测试时，首先对系统进行预热处理并进行监测，待温度稳定后开展测试。为避免辐照后异常像素单元的测试结果的影响，对其进行了筛选剔除；为避免辐照后受损伤像素单元随机电报噪声对测试结果的影响，统一时间下采集数据次数大于50次来降低其影响。
附图说明
图1为本发明实施例中CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试系统示意图；
图2为本发明实施例中CMOS图像传感器像素单元输出信号随曝光时间变化图；
图3为本发明方法实施例中质子辐照后CMOS图像传感器像素单元电荷转移效率示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试系统及方法。选定待测像素单元，在亮场条件下的不同曝光时间连续采集多帧图像，确定合适的曝光时间范围；在确定的曝光时间范围内等间隔选择曝光时间，并在相应的曝光时间下连续采集多次输出信号，并对输出信号数据进行处理，给出CMOS图像传感器像素单元电荷转移效率。本发明实现了辐照后CMOS图像传感器像素单元电荷转移效率的快速、准确测量，为辐照后CMOS图像传感器像素单元电荷转移损伤评估提供技术支撑。
本发明实施例提供了一款PGA封装的4T像素单元结构的CMOS图像传感器反应堆中子辐照后像素单元的电荷转移效率测试方法。本实施例中CMOS图像传感器受到反应堆中子的辐照，辐照累积注量为1×1011p/cm2。CMOS图像传感器采用离线辐照方式，辐照后将器件取出并安装在测试板上，开展像素单元的电荷转移效率测试。
如图1所示，测试系统包含控制计算机、带温控功能的暗箱、直流电源、CMOS图像传感器、测试板、光源，其中控制计算机配备数据采集卡和测试软件，CMOS图像传感器、测试板、光源放置于带温控功能的暗箱中，光源进行均匀化处理，使到达CMOS图像传感器表面的光照不均匀性小于1％。测试板中可提供稳定电压和脉冲电压用于驱动光源。CMOS图像传感器安装在测试板上并置于暗箱内，采用CameraLink线将控制计算机与测试板相连接，采用线缆将电源与测试板相连进行供电。供电电压为正负5V，正向电流限值为0.8A。
辐照后CMOS图像传感器像素单元电荷转移效率测试具体步骤如下：
步骤一、搭建上述测试系统；
步骤二、将辐照后的CMOS图像传感器安装在测试板上，调整硬件系统和软件系统，添加时序驱动，使测试系统能够正常采集数据；通过CMOS图像传感器内置温度测试探测器实时测量CMOS图像传感器温度，连续采集图像数据一段时间，直至采集的图像数据稳定且CMOS图像传感器的温度几乎不发生变化后(1分钟内变化小于0.1℃)，开展相关测试；
步骤三、基于European Machine Vision Association(EMVA)1288标准中的方法对辐照后CMOS图像传感器像素阵列的暗电流进行测试，通过分析，确定受到辐照损伤像素单元在CMOS图像传感器像素阵列中的空间位置(横坐标和纵坐标)；
步骤四、选择光源为LED光源，设置测试板的供电端驱动时序，使测试板供电端可提供1.5V的稳定电压；将LED光源与测试板的供电端相连接，使LED光源能够稳定发光；
步骤五、设置CMOS图像传感器的最小曝光时间0.01ms、最大曝光时间3ms、曝光时间线性采集间隔50和每个时间点采集数据次数1；根据CMOS图像传感器像素阵列版图信息，在测试软件中设置待测像素单元的横坐标和纵坐标来确定需进行信号采集的像素单元，根据步骤三获得的受损伤像素单元的空间位置，本次测试选择待测像素单元坐标为(453，785)；
步骤六、根据步骤五中设定的参数，进行数据采集，自动变化曝光时间，并在每个曝光时间下获得待测像素单元的输出信号值，连续采集多帧图像数据；
步骤七、绘制待测像素单元输出信号随曝光时间的变化曲线，如图2所示，重复步骤五和步骤六，并调整最大曝光时间，待测像素单元在最后约5％的曝光区间内输出信号达到饱和时的最大曝光时间为2.25ms；
步骤八、在步骤七的基础上，修改曝光时间线性采集间隔为20，设置每个测试曝光时间内连续采集60次数据，设置测试板的供电端驱动时序，使测试板供电端可提供脉冲电压，在第30次数据采集时测试板供电端提供脉冲电压，LED光源发光，而在其余时间内光源不发光，光源供电端脉冲电压添加时间需落在像素单元信号收集时间间隔内；
步骤九、根据电荷转移效率计算公式给出不同曝光时间下的CMOS图像传感器像素单元电荷转移效率，不同曝光时间下像素单元的电荷转移效率如图3所示。
Claims (10)
1.一种CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试系统，其特征在于，包括控制计算机、直流电源、暗箱、测试板、FPGA控制模块和光源；
所述暗箱内设置有温度控制装置，用于控制测试时的温度；
所述测试板设置在暗箱底端，其上安装有相连接的FPGA控制模块和CMOS图像传感器；
所述光源设置在暗箱的顶端，且设置在CMOS图像传感器的正上方；
所述直流电源设置在暗箱外侧，其输出端与测试板连接，用于给CMOS图像传感器和光源提供电信号；
所述控制计算机设置在暗箱外侧，且与测试板相连，通过FPGA控制模块控制CMOS图像传感器的数据采集和处理。
2.根据权利要求1所述的CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试系统，其特征在于：所述光源为LED光源或不同波长的半导体激光器，用于测试不同波长下的电荷转移效率，LED光源前添加滤波片，用于产生单色光。
3.根据权利要求2所述的CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试系统，其特征在于：所述半导体激光器的输出端设置有分光镜，用于减小输出光强度。
4.根据权利要求1所述的CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试系统，其特征在于：所述控制计算机与测试板采用CameraLink线、网线或光纤连接，所述测试板的供电线缆测试峰值压降小于0.2V，所述CMOS图像传感器采用LGA或PGA封装，安装在带有插座的测试板上。
5.一种CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、搭建权利要求1至4任一所述的CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试系统；
步骤二、将辐照后的CMOS图像传感器安装在测试板上，控制计算机采集一段时间的图像数据，直至采集的图像数据稳定且CMOS图像传感器的温度变化在设定范围内；
步骤三、对辐照后CMOS图像传感器像素阵列的暗电流进行测试，确定受到辐照损伤的像素单元在CMOS图像传感器像素阵列中的空间位置；
步骤四、将光源与测试板的供电端相连接，使光源能够稳定发光；
步骤五、设置CMOS图像传感器的最小曝光时间、最大曝光时间、曝光时间线性采集间隔N和每个时间点采集数据次数，所述曝光时间线性采集间隔N不小于50次；根据CMOS图像传感器像素阵列版图信息以及步骤三中获取的受到辐照损伤像素单元的空间位置，确定需要进行信号采集的待测像素单元；
步骤六、根据步骤五设定的最小曝光时间、最大曝光时间、曝光时间线性采集间隔N和每个时间点采集数据次数，在每个曝光时间下采集待测像素单元的输出信号值；
步骤七、根据步骤六采集的输出信号，绘制待测像素单元输出信号随曝光时间的变化曲线，重复步骤五和步骤六，并调整最大曝光时间，确定最佳最大测试曝光时间；
步骤八、修改曝光时间线性采集间隔N，N不小于20，设置每个测试曝光时间内连续采集M次数据，M≥50次，在第[M/2]次数据采集时测试板的供电端提供脉冲电压，光源发光，在其余数据采集的过程中，光源不发光；
步骤九、根据电荷转移效率计算公式给出不同曝光时间下的CMOS图像传感器像素单元电荷转移效率，每次曝光时间下像素单元电荷转移效率计算公式如下所示：
其中，Q1为第[M/2]次时测量所得的像素单元的输出数据；Q为M次采集数据中除去异常像素单元和拥有光信号像素单元数据后的均值；Q2为拥有光信号的像素单元数据之和，n为拥有光信号像素单元数据的个数。
6.根据权利要求5所述的CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试方法，其特征在于：步骤九中，异常像素单元数据是指连续采集的数据中，前1～n次数据中输出明显大于(n+1)～([M/2]-1)次采集的数据，拥有光信号像素单元数据是指曝光时测量所得的像素单元输出数据以及曝光后连续几次采集数据中输出明显大于(n+1)～([M/2]-1)次像素单元输出数据。
7.根据权利要求5所述的CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试方法，其特征在于：步骤二中，CMOS图像传感器的温度变化在设定范围内具体为：CMOS图像传感器的温度在1分钟内变化小于0.1℃。
8.根据权利要求5所述的CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试方法，其特征在于：步骤五中，每个时间点采集数据次数为1次；最大曝光时间t由下式进行计算：
其中，FWC为待测CMOS图像传感器的满阱容量；Φv为入射到CMOS图像传感器表面单位面积、单位时间内所有光子的能量之和；α为硅材料中光的吸收系数；z1为空间电荷区上表面距离器件表面的距离；z2为空间电荷区下表面距离器件表面的距离；A为像素单元面积；FF为CMOS图像传感器的填充因子；Eep为产生一对电子空穴对所需的平均能量。
9.根据权利要求5所述的CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试方法，其特征在于：步骤三中，基于European Machine Vision Association1288标准中的方法对辐照后CMOS图像传感器像素阵列的暗电流进行测试，判断像素单元是否受到辐照损伤的标准是：辐照后CMOS图像传感器的像素单元暗电流大于等于2倍的辐照前输出暗电流。
10.根据权利要求5所述的CIS辐照后像素单元电荷转移效率的测试方法，其特征在于：步骤七中，最佳最大测试曝光时间的判断标准为：待测像素单元在最后5％的曝光区间内输出信号达到饱和。
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