CN116337415A - 科学级ccd探测器量子效率自动化测量装置及测量方法 - Google Patents

科学级ccd探测器量子效率自动化测量装置及测量方法 Download PDF

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CN116337415A CN202310408376.5A CN202310408376A CN116337415A CN 116337415 A CN116337415 A CN 116337415A CN 202310408376 A CN202310408376 A CN 202310408376A CN 116337415 A CN116337415 A CN 116337415A
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许智龙
许孙龙
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洪津
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    • G01M11/00Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02Testing optical properties
    • G01M11/0207Details of measuring devices

Abstract

本发明公开了一种科学级CCD探测器的量子效率自动化测量装置及测量方法,该装置包括:光源组件、探测器成像组件及控制组件,光源组件由氙灯、快门、单色仪、滤光片组件、积分球和监视探测器组成;探测器成像组件由图像采集装置、被测CCD探测器、热敏电阻、固定板、三维调整机构、探测器制冷装置、照度计和暗室构成;控制组件由线性电源、数据采集器、步进电机驱动器、光功率计和工控机构成。本发明实现了科学级CCD探测器在400nm~940nm光谱范围内量子效率的自动化标定,极大的节约测量时间,提升测试效率。

Description

科学级CCD探测器量子效率自动化测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及成像器件光电性能检测技术领域,具体的说是一种科学级CCD探测器量子效率自动测量装置及自动化测量方法。
背景技术
目前,对于科学级CCD探测器光电参数自动化测试在国内还没有相关的装置,只有在一些生产厂家有对CCD探测器进行光电性能标定的测试系统,且一般在-30℃环境下进行测试。实际应用中一般对CCD探测器在室温下进行光电参数测试,但多为人工测量,无法做到自动化运行。
目前现有技术中对CCD探测器进行量子效率测量的主要采用单波长光源对CCD探测器进行测试,然后再通过相对光谱响应测试系统,测量光谱范围内的相对光谱响应曲线,通过测得的CCD探测器单波长量子效率和CCD探测器的相对光谱响应计算出CCD探测器的绝对量子效率,该方法的光源控制和CCD成像控制是分开独立的,需要两套设备分别控制,测试成本高,效率低且时间成本高。由此可见,现有技术中的CCD器件量子效率测试时需要的自动化装置和自动化测量方法需要改进。
发明内容
本发明为解决上述现有技术存在的问题,提供一种稳定可靠,易于安装固定的科学级CCD探测器量子效率自动化测量装置及测量方法,以期能实现科学级CCD探测器在400nm~940nm光谱范围内量子效率的自动化标定,并能极大的节约测量时间、提升测试效率,从而能解决CCD探测器光电参数自动化测量问题。
本发明为上述目的,采用如下技术方案:
本发明一种科学级CCD探测器的量子效率自动化测量装置的特点在于,包括:光源组件、探测器成像组件和控制组件;
所述光源组件由氙灯、快门、单色仪、滤光片组件、积分球和监视探测器组成;
所述探测器成像组件由图像采集装置、被测CCD探测器、热敏电阻、固定板、三维调整机构、探测器制冷装置、照度计构成;
所述控制组件由线性电源、数据采集器、步进电机驱动器、光功率计和工控机构成;
在所述氙灯的出光口位置处设置有所述快门,在所述快门的一侧设置有所述单色仪,且所述单色仪通过RS232串口与所述工控机连接;
在所述单色仪的出光口处设置有所述滤光片组件;在所述滤光片组件的一侧设置有所述积分球,并在所述积分球的内壁涂有漫反射层;在所述积分球的侧壁处设置有所述监视探测器;
在所述固定板上设置有所述图像采集装置,在所述固定板的下表面设置有所述三维调整机构;所述照度计与被测CCD探测器平行放置,并通过三维调整机构切换光路,在所述被测CCD探测器的背面粘贴有所述热敏电阻;
所述工控机通过usb接口分别与所述线性电源、所述数据采集器、所述步进电机驱动器、所述光功率计相连;
所述快门打开所述氙灯的出光口,使得所述氙灯发出大功率电气光源至所述单色仪中,所述工控机控制所述单色仪产生不同波长点的单色光;由所述单色仪产生的单色光经过所述滤光片组件消除杂散光后进入所述积分球中产生均匀辐射的光源;所述监视探测器实时监测所述被测CCD探测器接收的相对光谱能量并传送给所述光功率计,从而由所述光功率计将所述相对光谱能量传送至所述工控机进行实时存储与显示;
所述工控机控制所述三维调整机构调整所述被测CCD探测器的感光面高度以及被测CCD探测器与积分球出光孔之间的距离后,由所述被测CCD探测器接收所述积分球中产生均匀辐射的光源;
所述被测CCD探测器将所接收的积分球的光信号转换为电信号,并由所述图像采集装置进行数据采集,得到图像数据后传送至所述工控机进行图像实时存储与显示;
所述工控机控制所述三维调整机构调整所述照度计的位置,用于获取当前波长下所述被测CCD探测器接收的单色光辐射功率并发送给所述光功率计;由所述光功率计将所述单色光辐射功率传送至所述工控机进行实时存储与显示;
所述热敏电阻采集所述被测CCD探测器的实时温度并发送所述数据采集器,由所述数据采集器将工作温度发送给工控机;所述工控机将所述工作温度与所设定的目标温度进行比较,并控制所述探测器制冷装置调整所述被测CCD探测器的工作温度以达到目标温度。
本发明所述的量子效率自动化测量装置的特点也在于,探测器成像组件均设置在密闭的暗室内,所述暗室内壁涂有黑色涂层,以防止周围杂散光影响。
所述被测CCD探测器的感光面中心轴线与积分球的出光孔中心轴线重合,所述被测CCD探测器的感光面与所述积分球的出光孔平面平行,且被测CCD探测器与积分球之间的距离大于积分球的出光孔直径的4倍。
本发明一种基于所述的量子效率自动化测量装置的测量方法的特点在于,包括如下步骤:
步骤1:开启并预热所有设备,并初始化被测CCD探测器的目标温度,被测CCD探测器的积分时间tin
步骤2:利用所述探测器热敏电阻测量所述被测CCD探测器的当前温度,并与设定的目标温度进行比较,若当前温度不等于目标温度,则控制所述探测器制冷装置调整所述被测CCD探测器的当前温度以达到目标温度;
步骤3:所述工控机控制所述三维调整机构,将所述照度计移入所述被测CCD探测器的位置,设置所述单色仪的当前波长λ和光功率计的当前波长λ,并控制光功率计连续对所述积分球进行采样,得到当前波长λ下的积分球的光源辐射功率I(λ);
利用式(1)得到积分时间tin内当前波长λ下的入射光子数μp(λ);
Figure BDA0004182374940000031
式(1)中:A为被测CCD探测器(8)的单个像素面积;hν为单光子能量;
步骤4:所述光功率计采样结束后,所述工控机控制所述照度计移出,并将所述被测CCD探测器移入,然后对图像采集装置发送成像指令,以控制所述被测CCD探测器采集图像,从而利用式(2)得到当前波长λ下所述被测CCD探测器输出的图像中有效像元灰度值
Figure BDA0004182374940000032
Figure BDA0004182374940000033
式(2)中:M,N为所述被测CCD探测器输出的图像中有效像元的行数和列数,R[m][n]为所述被测CCD探测器输出的图像中第m行第n列像元在有光照时的亮场灰度值;Rdark[m][n]为所述被测CCD探测器输出的图像中第m行第n列像元在无光照时的暗场灰度值;
步骤5:利用式(3)得到当前波长λ下所述被测CCD探测器的量子效率QE(λ):
Figure BDA0004182374940000034
式(3)中:g为图像采集装置的增益;h为普朗克常数;c为光在真空中的传播速度;
步骤7:以当前波长λ为横坐标,量子效率QE(λ)为纵坐标,绘制所述被测CCD探测器的量子效率随波长的变化曲线。
与已有技术相比,本发明的有益效果在于:
本发明采用氙灯、单色仪和积分球组合产生光谱范围400nm-940nm、光谱分辨率1nm的连续可调均匀单色照明光源,并设计了CCD成像器件光电参数自动化测试方法,将解决方案中用到的功能模块化,控制线性电源,单色仪,光功率计,步进电机驱动器,数据采集器和图像采集控制等多个设备的全部联动,从而实现了工作温度-10℃~25℃范围内对CCD探测器量子效率等光电参数的自动化测量,极大程度的节约了测量时间,提升了测试效率,并具有性能稳定、结构紧凑、使用方便,便于推广的优点。
附图说明
图1是CCD探测器量子效率标定的整体构造示意图;
图2是本发明中自动化测量方法的控制流程图;
图中标号:1.氙灯,2.快门,3.单色仪,4.滤光片组件,5.积分球,6.监视探测器,7.图像采集装置,8.被测CCD探测器,9.热敏电阻,10.固定板,11.三维调整机构,12.探测器制冷装置,13.照度计,14.暗室,15.线性电源,16.数据采集器,17.步进电机驱动器,18.光功率计,19.工控机。
具体实施方式
下面结合附图,通过实例对本发明作进一步说明。
本实施例中,如图1所示,一种科学级CCD探测器的量子效率自动化测量装置,包括:光源组件、探测器成像组件和控制组件;
光源组件由氙灯1、快门2、单色仪3、滤光片组件4、积分球5和监视探测器6组成;
探测器成像组件由图像采集装置7、被测CCD探测器8、热敏电阻9、固定板10、三维调整机构11、探测器制冷装置12、照度计13构成;具体实施中,探测器成像组件均设置在密闭的暗室14内,暗室14内壁涂有黑色涂层,以防止周围杂散光影响。
控制组件由线性电源15、数据采集器16、步进电机驱动器17、光功率计18和工控机19构成;
在氙灯1的出光口位置处设置有快门2,在快门2的一侧设置有单色仪3,且单色仪3通过RS232串口与工控机19连接;本实施例中,氙灯光源功率为1000W,光谱范围覆盖400nm-940nm的可见光至近红外谱段;单色仪3的光谱分辨率为1nm;
在单色仪3的出光口处设置有滤光片组件4;本实施例中,滤光片组件4包含2个滤光片,第一个滤光片允许通过的波长400nm~600nm,第二个滤光片允许通过的波长是600nm~940nm。
在滤光片组件4的一侧设置有积分球5,积分球5的出光孔直径5cm,并在积分球5的内壁涂有漫反射层;在积分球5的侧壁处设置有监视探测器6;
在固定板10上设置有图像采集装置7,在固定板10的下表面设置有三维调整机构11;照度计13与被测CCD探测器8平行放置,并通过三维调整机构11切换光路,在被测CCD探测器8的背面粘贴有热敏电阻9;
具体实施中,被测CCD探测器8的感光面中心轴线与积分球5的出光孔中心轴线重合,被测CCD探测器8的感光面与积分球5的出光孔平面平行,且被测CCD探测器8与积分球5之间的距离大于积分球5的出光孔直径的4倍。本实施例中,被测CCD探测器8放置在距离积分球5出口28cm处,同时满足光的均匀性和辐照度要求。
工控机19通过usb接口分别与线性电源15、数据采集器16、步进电机驱动器17、光功率计18相连;
快门2打开氙灯1的出光口,使得氙灯1发出大功率电气光源至单色仪3中,工控机19控制单色仪3产生不同波长点的单色光;由单色仪3产生的单色光经过滤光片组件4消除杂散光后进入积分球5中产生均匀辐射的光源;监视探测器6实时监测被测CCD探测器8接收的相对光谱能量并传送给光功率计18,从而由光功率计18将相对光谱能量传送至工控机19进行实时存储与显示;
工控机19控制三维调整机构11调整被测CCD探测器8的感光面高度以及被测CCD探测器8与积分球5出光孔之间的距离后,由被测CCD探测器8接收积分球5中产生均匀辐射的光源;
被测CCD探测器8将所接收的积分球5的光信号转换为电信号,并由图像采集装置7进行数据采集,得到图像数据后传送至工控机19进行图像实时存储与显示;
工控机19控制三维调整机构11调整照度计13的位置,用于获取当前波长下被测CCD探测器8接收的单色光辐射功率并发送给光功率计18;由光功率计18将单色光辐射功率传送至工控机19进行实时存储与显示;
热敏电阻9采集被测CCD探测器8的实时温度并发送数据采集器16,由数据采集器16将工作温度发送给工控机19;工控机19将工作温度与所设定的目标温度进行比较,并控制探测器制冷装置12调整被测CCD探测器8的工作温度以达到目标温度。
结合图2所示,以波长490nm,工作温度6℃为例,一种科学级CCD探测器量子效率自动化测量方法包括如下步骤:
步骤1:开启并预热所有设备,并初始化被测CCD探测器8的目标温度为6℃,被测CCD探测器8的积分时间tin,单位s;
步骤2:利用探测器热敏电阻9测量被测CCD探测器8的当前温度,并与设定的目标温度进行比较,若当前温度不等于目标温度,则控制探测器制冷装置12调整被测CCD探测器8的当前温度以达到目标温度;
步骤3:工控机19控制三维调整机构11,将照度计13移入被测CCD探测器8的位置,设置单色仪3的当前波长λ和光功率计18的当前波长λ为490nm,并控制光功率计18连续对积分球5进行采样,得到490nm波长下的积分球5的光源辐射功率I(490nm),单位W/m2
利用式(1)得到积分时间tin内490nm波长下的入射光子数μp(490nm);
Figure BDA0004182374940000061
式(1)中:A为被测CCD探测器8的单个像素面积,单位m2;hν为单光子能量,单位J;
步骤4:光功率计18采样结束后,工控机19控制照度计13移出,并将被测CCD探测器8移入,然后对图像采集装置7发送成像指令,以控制被测CCD探测器8采集图像,从而利用式(2)得到490nm波长下被测CCD探测器8输出的图像中有效像元灰度值
Figure BDA0004182374940000062
Figure BDA0004182374940000063
式(2)中:M,N为被测CCD探测器8输出的图像中有效像元的行数和列数,R[m][n]为被测CCD探测器8输出的图像中第m行第n列像元在有光照时的亮场灰度值;Rdark[m][n]为被测CCD探测器8输出的图像中第m行第n列像元在无光照时的暗场灰度值;
步骤5:利用式(3)得到490nm波长下被测CCD探测器8的量子效率QE(λ):
Figure BDA0004182374940000064
式(3)中:g为图像采集装置7的增益,单位DN/e-,代表每个电子转换的图像灰度值;h为普朗克常数,为6.6261×10-34J·s;c为光在真空中的传播速度,为3×108m/s;
本实施例中,CCD成像器件光电参数自动化测试方法对控制组件中各个设备的控制采用模块化实现,再使用流程列表形式把各个模块功能联动起来,工控机共使用了流程管理、温度监控、电源控制、CCD控制指令、CCD圈帧信号发送、数据遥测、平移台控制、光功率计控制、单色仪控制、成像失步检测以及文件夹自动命名十一个子模块,实现对被测CCD探测器光电性能的自动化测量。

Claims (4)

1.一种科学级CCD探测器的量子效率自动化测量装置,其特征在于,包括:光源组件、探测器成像组件和控制组件;
所述光源组件由氙灯(1)、快门(2)、单色仪(3)、滤光片组件(4)、积分球(5)和监视探测器(6)组成;
所述探测器成像组件由图像采集装置(7)、被测CCD探测器(8)、热敏电阻(9)、固定板(10)、三维调整机构(11)、探测器制冷装置(12)、照度计(13)构成;
所述控制组件由线性电源(15)、数据采集器(16)、步进电机驱动器(17)、光功率计(18)和工控机(19)构成;
在所述氙灯(1)的出光口位置处设置有所述快门(2),在所述快门(2)的一侧设置有所述单色仪(3),且所述单色仪(3)通过RS232串口与所述工控机(19)连接;
在所述单色仪(3)的出光口处设置有所述滤光片组件(4);在所述滤光片组件(4)的一侧设置有所述积分球(5),并在所述积分球(5)的内壁涂有漫反射层;在所述积分球(5)的侧壁处设置有所述监视探测器(6);
在所述固定板(10)上设置有所述图像采集装置(7),在所述固定板(10)的下表面设置有所述三维调整机构(11);所述照度计(13)与被测CCD探测器(8)平行放置,并通过三维调整机构(11)切换光路,在所述被测CCD探测器(8)的背面粘贴有所述热敏电阻(9);
所述工控机(19)通过usb接口分别与所述线性电源(15)、所述数据采集器(16)、所述步进电机驱动器(17)、所述光功率计(18)相连;
所述快门(2)打开所述氙灯(1)的出光口,使得所述氙灯(1)发出大功率电气光源至所述单色仪(3)中,所述工控机(19)控制所述单色仪(3)产生不同波长点的单色光;由所述单色仪(3)产生的单色光经过所述滤光片组件(4)消除杂散光后进入所述积分球(5)中产生均匀辐射的光源;所述监视探测器(6)实时监测所述被测CCD探测器(8)接收的相对光谱能量并传送给所述光功率计(18),从而由所述光功率计(18)将所述相对光谱能量传送至所述工控机(19)进行实时存储与显示;
所述工控机(19)控制所述三维调整机构(11)调整所述被测CCD探测器(8)的感光面高度以及被测CCD探测器(8)与积分球(5)出光孔之间的距离后,由所述被测CCD探测器(8)接收所述积分球(5)中产生均匀辐射的光源;
所述被测CCD探测器(8)将所接收的积分球(5)的光信号转换为电信号,并由所述图像采集装置(7)进行数据采集,得到图像数据后传送至所述工控机(19)进行图像实时存储与显示;
所述工控机(19)控制所述三维调整机构(11)调整所述照度计(13)的位置,用于获取当前波长下所述被测CCD探测器(8)接收的单色光辐射功率并发送给所述光功率计(18);由所述光功率计(18)将所述单色光辐射功率传送至所述工控机(19)进行实时存储与显示;
所述热敏电阻(9)采集所述被测CCD探测器(8)的实时温度并发送所述数据采集器(16),由所述数据采集器(16)将工作温度发送给工控机(19);所述工控机(19)将所述工作温度与所设定的目标温度进行比较,并控制所述探测器制冷装置(12)调整所述被测CCD探测器(8)的工作温度以达到目标温度。
2.根据权利要求1所述的量子效率自动化测量装置,其特征在于,探测器成像组件均设置在密闭的暗室(14)内,所述暗室(14)内壁涂有黑色涂层,以防止周围杂散光影响。
3.根据权利要求1所述的量子效率自动化测量装置,其特征在于,所述被测CCD探测器(8)的感光面中心轴线与积分球(5)的出光孔中心轴线重合,所述被测CCD探测器(8)的感光面与所述积分球(5)的出光孔平面平行,且被测CCD探测器(8)与积分球(5)之间的距离大于积分球(5)的出光孔直径的4倍。
4.一种基于权利要求1所述的量子效率自动化测量装置的测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:开启并预热所有设备,并初始化被测CCD探测器(8)的目标温度,被测CCD探测器(8)的积分时间tin
步骤2:利用所述探测器热敏电阻(9)测量所述被测CCD探测器(8)的当前温度,并与设定的目标温度进行比较,若当前温度不等于目标温度,则控制所述探测器制冷装置(12)调整所述被测CCD探测器(8)的当前温度以达到目标温度;
步骤3:所述工控机(19)控制所述三维调整机构(11),将所述照度计(13)移入所述被测CCD探测器(8)的位置,设置所述单色仪(3)的当前波长λ和光功率计(18)的当前波长λ,并控制光功率计(18)连续对所述积分球(5)进行采样,得到当前波长λ下的积分球(5)的光源辐射功率I(λ);
利用式(1)得到积分时间tin内当前波长λ下的入射光子数μp(λ);
Figure FDA0004182374910000021
式(1)中:A为被测CCD探测器(8)的单个像素面积;hν为单光子能量;
步骤4:所述光功率计(18)采样结束后,所述工控机(19)控制所述照度计(13)移出,并将所述被测CCD探测器(8)移入,然后对图像采集装置(7)发送成像指令,以控制所述被测CCD探测器(8)采集图像,从而利用式(2)得到当前波长λ下所述被测CCD探测器(8)输出的图像中有效像元灰度值
Figure FDA0004182374910000031
Figure FDA0004182374910000032
式(2)中:M,N为所述被测CCD探测器(8)输出的图像中有效像元的行数和列数,R[m][n]为所述被测CCD探测器(8)输出的图像中第m行第n列像元在有光照时的亮场灰度值;
Rdark[m][n]为所述被测CCD探测器(8)输出的图像中第m行第n列像元在无光照时的暗场灰度值;
步骤5:利用式(3)得到当前波长λ下所述被测CCD探测器(8)的量子效率QE(λ):
Figure FDA0004182374910000033
式(3)中:g为图像采集装置(7)的增益;h为普朗克常数;c为光在真空中的传播速度;
步骤7:以当前波长λ为横坐标,量子效率QE(λ)为纵坐标,绘制所述被测CCD探测器(8)的量子效率随波长的变化曲线。
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