空間應(yīng)用短波CCD系統(tǒng)增益的放射源標(biāo)定和估算*

曾智蓉，李保權(quán)，彭吉龍

(空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190)

探測器是觀測儀器的重要分部件之一。由望遠(yuǎn)鏡收集的光子，只有通過探測器記錄后才能被采集和利用。用于接收光子的固體探測器曾有幾種不同的類型，分別為自掃描硅二極管(IDA)、電荷注入器件(CID)和電荷耦合器件(CCD)。經(jīng)過競爭，CCD淘汰了其他幾種類型，成為空間天文觀測中應(yīng)用最廣的二維固體器件。

CCD具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲和延時等功能，而且集成度高、功耗小，已經(jīng)在攝像、信號處理和存儲三大領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在1969年貝爾實(shí)驗(yàn)室的Willard S Boyle和George E Smith共同發(fā)明了CCD的雛形后，1975年CCD開始正式用于天文成像。此后的幾十年里，CCD在空間天文成像上的應(yīng)用有了飛速發(fā)展[1]。目前,國內(nèi)為了滿足空間天氣預(yù)報目標(biāo)監(jiān)測需求，開展全方位的空間天氣監(jiān)測預(yù)報研究，正在開發(fā)太陽軟X-EUV空間成像望遠(yuǎn)鏡[2]，該望遠(yuǎn)鏡選用了由E2V公司生產(chǎn)的大面陣背照式CCD作為焦平面上的成像器件，主要對軟X和EUV波段的光線進(jìn)行成像觀測。在儀器投入使用前，需要對儀器進(jìn)行地面標(biāo)定，其中第一階段主要是進(jìn)行包括CCD、入射窗、分析窗、鏡面系統(tǒng)等各個分部件的測試，第二階段主要是儀器拼接完成后的系統(tǒng)響應(yīng)測試。CCD裸片的標(biāo)定包括增益、讀出噪聲、轉(zhuǎn)移效率、平場響應(yīng)、量子效率的標(biāo)定，本文主要介紹其中對CCD系統(tǒng)增益的標(biāo)定測試實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)增益的標(biāo)定原理

固體探測器件都需解決光生電荷的讀出問題。CCD是由許多基本單元組成的面陣結(jié)構(gòu)，它的一個基本單元是像素。入射光子打到像素內(nèi)的靈敏層上產(chǎn)生的光電子在勢阱內(nèi)被收集，并在時序電壓下被逐個像素轉(zhuǎn)移讀出。CCD系統(tǒng)最終得到的數(shù)據(jù)是電荷信號經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，它的計量單位為模數(shù)單位(DN)，在進(jìn)行實(shí)際具體的物理分析和討論時都使用輸入端光子或電子作計量單位，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。在正常工作范圍內(nèi)，得到的DN值和像素勢阱內(nèi)收集到的光生電荷成正比，這個比例系數(shù)稱為增益，即一個DN值對應(yīng)的電子個數(shù)。

進(jìn)行增益的標(biāo)定是使用CCD系統(tǒng)和CCD標(biāo)定的必需步驟。只有知道增益轉(zhuǎn)換系數(shù)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，算出輸入光電子數(shù)。測量CCD的增益通常有兩種：轉(zhuǎn)移曲線和放射源方法[1，3]。轉(zhuǎn)移曲線方法是較簡單和常用的一種，又可以分為兩幅圖像[3-5]和多幅圖像的處理方法，其中比較常用的是多幅圖像的處理方法。它是讓CCD在均勻光照射下，逐漸增強(qiáng)光強(qiáng)或增加曝光時間，使CCD出現(xiàn)飽和，繪制不同輸入信號時的輸出噪聲平方曲線，在曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的輸出水平是CCD的勢阱容量，曲線的斜率即是要測量的增益值。轉(zhuǎn)移曲線方法對入射光均勻性要求很高，國內(nèi)對CCD增益的測試大多采用這方法[6-7]。放射源方法是用放射源照射CCD，通常采用Fe55放射源，其一個5.9keV光子產(chǎn)生1620個光電子，通過統(tǒng)計圖像數(shù)據(jù)中的單像素事件的輸出，將該輸出與1620相比，就能得到系統(tǒng)的增益，國外除轉(zhuǎn)移曲線方法外[8-9]，也較多使用這種方法測試[4,10]，本實(shí)驗(yàn)采用放射源方法對CCD增益進(jìn)行測試標(biāo)定。

2 CCD增益標(biāo)定方案

實(shí)驗(yàn)所用CCD裸片為E2V公司生產(chǎn)的像素數(shù)為1024×1024全幀讀出型陣列，成像敏感區(qū)面積為13.3 mm×13.3mm，像素勢阱容量≥10000e-，電荷轉(zhuǎn)移效率≥99.999%，它是目前空間天文科學(xué)級最常用的CCD之一。CCD的讀出電路和實(shí)時控制軟件由小組自己研究開發(fā)[11-13]。目前設(shè)有一種讀出模式，為了方便軟件設(shè)置最低讀出曝光時間是1s(可以改變)，ADC是16bit。CCD良好的工作輸出對溫度條件有很高的要求，一般工作在-40℃以下暗電流本底較小，工作溫度穩(wěn)定性需要控制在±0.1℃以內(nèi)，考慮目前在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對CCD電路進(jìn)行冷卻且保持一定的溫度穩(wěn)定性存在一定困難，實(shí)驗(yàn)在稍低于常溫的環(huán)境下進(jìn)行。這樣帶來的本底和噪聲比較大，將使實(shí)驗(yàn)信噪比降低。實(shí)驗(yàn)所使用的Fe55放射源源強(qiáng)約為9.76×107Bq，主要為5.9keV能量的光子。標(biāo)定工作在暗室熱真空罐內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)布置如圖1。

圖1 CCD標(biāo)定實(shí)驗(yàn)布置簡圖(左)，真空罐內(nèi)的CCD相機(jī)實(shí)物圖(右)Fig.1 Experimental arrangement of CCD calibration (left) and the CCD camera in a vacuum container (right)

2.1 放入放射源前圖像數(shù)據(jù)的獲取

放入放射源前獲取了部分在常溫下不同曝光時間的圖像數(shù)據(jù)，作為和有放射源時圖像數(shù)據(jù)的對比。如圖2(右)所示，圖像統(tǒng)計圖上有單峰顯示，它主要由本底構(gòu)成，峰寬在一定程度上反應(yīng)了CCD像素差異和噪聲的大小，從圖中可以看到CCD暗電流在常溫下較大，但圖像本底噪聲還是相對較小的。

2.2 放入放射源后圖像數(shù)據(jù)的獲取

熱真空罐冷卻能達(dá)到的最低溫度在-50℃以下，但由于CCD的讀取電路在不斷發(fā)熱，以目前的實(shí)驗(yàn)條件，局部區(qū)域CCD的溫度最低只能穩(wěn)定在-20℃以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)中沒有使用機(jī)械快門，為了實(shí)現(xiàn)不同的曝光時間，每次獲取圖像前都會將CCD的數(shù)據(jù)清零一次。從室溫到-8℃溫度范圍內(nèi)獲取了不同曝光時間下有放射源照射的圖像，最后從這些圖像數(shù)據(jù)中挑選了成像效果較好、便于分析和計算的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.3 增益標(biāo)定數(shù)據(jù)處理

偏置、暗場和平場圖像是3種CCD數(shù)據(jù)處理時一般會用到的圖像數(shù)據(jù)[3]，其中用的較多的是暗場圖像，它包含了相同溫度和曝光時間內(nèi)CCD圖像數(shù)據(jù)的偏置和暗電流本底，由于這些本底存在短期或較長期時間內(nèi)明顯的漂移，進(jìn)行具體的數(shù)據(jù)處理時一般需要獲取實(shí)時或短期內(nèi)的暗場圖像并將其減掉。對于本套CCD系統(tǒng)，其讀出電路是由實(shí)驗(yàn)室自己開發(fā)，通過之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CCD偏置在短期內(nèi)的漂移不可忽略，且隨著溫度的降低和再次升溫，偏置差異和電路參數(shù)隨溫度的變化相對明顯，偏置本底值漂移也較明顯，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)在不同溫度下的各幀數(shù)據(jù)不能用統(tǒng)一的偏置圖像進(jìn)行處理，加之未使用機(jī)械快門，沒有獲取同等條件下的實(shí)時暗場圖像。因此，在放入放射源前獲取了常溫下的幾幅暗場和偏置圖像進(jìn)行比對和觀察，信號數(shù)據(jù)的圖像將通過對單幅圖像統(tǒng)計圖和同等條件下的兩幅圖像相減之后圖像的統(tǒng)計圖進(jìn)行高斯擬合的方式進(jìn)行估算和比對，下面具體介紹這兩種處理方式。

圖2 CCD像素偏置平均值在降溫和升溫過程中的變化(左)和放入放射源前的暗場統(tǒng)計圖(右)Fig.2 Changes of CCD bias with temperature (left) and histogram of dark image without the Fe55 source (right)

(1)單幅圖像處理方式。其處理過程如下：

1)在-10℃至0℃溫度范圍內(nèi)每個溫度點(diǎn)各選取一幅較好的1s或其他較短曝光時間的圖像數(shù)據(jù)，對每幅圖像中一定區(qū)域內(nèi)每個像素內(nèi)的輸出值進(jìn)行統(tǒng)計，如圖3右，圖中可以看到在本底主峰右側(cè)放射源主要的5.9keV光子峰。

圖3 -5℃單幅圖像1s曝光時間的統(tǒng)計圖(左)和-6℃兩幅圖像相減后的統(tǒng)計圖(右)Fig.3 Histogram of a single image with 1s exposure at -5℃ (left) and histogram of the difference between two images with 1s exposures at -6℃ (right)

2)用高斯擬合的方法對每幅統(tǒng)計圖中的主峰和側(cè)峰分別進(jìn)行擬合，分別記錄其中心值C1，C2和標(biāo)準(zhǔn)偏差W1，W2。

3)根據(jù)側(cè)峰(放射源峰)擬合的數(shù)據(jù)，對輸出值在C2±3*W2范圍的像素進(jìn)行挑選，記錄單像素事件像素的行、列和像素值，如圖4。

圖4 -8℃ 1s曝光時間下單幅圖像(左)和兩幅圖像相減后(右)行單像素事件圖Fig.4 Single pixel values in a single image with 1s exposure (left) and in the difference between two images with 1s exposures at -8℃(right)

4)將單像素事件像素的輸出值進(jìn)行高斯擬合，得到擬合中心值C3，擬合的標(biāo)準(zhǔn)偏差在一定程度決定了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差大小和CCD對該能量的分辨率，偏差越小越好，由于實(shí)驗(yàn)所使用的是Fe55放射源5.9keV能量的光子，因此，系統(tǒng)的增益計算為：

1620/(C3-C1)(e-/DN)

上述計算方法認(rèn)為CCD像素之間的差異性很小，對一定區(qū)域內(nèi)每個像素使用了統(tǒng)一的本底值，主要從每幅圖像數(shù)據(jù)上挑選了像素均勻的4個區(qū)域，分別對每一個區(qū)域重復(fù)進(jìn)行上述增益計算過程，計算結(jié)果如表1。

表1 單幅圖像處理方法每個區(qū)域內(nèi)的增益結(jié)果Table 1 Measured gain values of each area from the single-image method

(2)同等條件下兩幅圖像相減的方式。仔細(xì)觀察CCD的暗場圖像發(fā)現(xiàn)存在一些固定噪點(diǎn)，這些噪點(diǎn)的數(shù)量和大小對單像素事件的判別有一定的干擾，另外在較短的曝光時間內(nèi)放射源入射到CCD上的光子同時落在一個像素內(nèi)的幾率非常小，堆積問題可以忽略，因此，將相同溫度和較小相同曝光時間下的兩幅信號圖像進(jìn)行相減，可以有效減掉本底和固定噪點(diǎn)，但會造成一些像素值為負(fù)值，圖像的統(tǒng)計圖上將出現(xiàn)以0DN值為中心對稱分布的兩個5.9keV信號峰,如圖4右。

在兩幅圖像處理方法中，挑選了部分較好的短曝光時間的幾對圖像進(jìn)行相減處理。對相減后的圖像挑選一定區(qū)域重復(fù)進(jìn)行上述1～4步計算，所不同的是在上述步驟中還包括了對像素負(fù)值的處理，最后對計算的負(fù)值增益結(jié)果取絕對值。計算結(jié)果如表2。

表2 兩幅圖像處理方法雙峰增益計算結(jié)果Table 2 Measured gain values (at peak- and bottom-valued pixels)from the two-images method

3 CCD系統(tǒng)增益標(biāo)定的數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過程得益于Matlab程序語言的可視化環(huán)境，可以方便有效地將明顯有溢出、圖像重疊等問題的圖像數(shù)據(jù)剔除，并在圖像上可以很方便地挑選需要處理的像素區(qū)域。實(shí)驗(yàn)測量得到的典型統(tǒng)計圖如圖3所示。圖中偏置和暗電流本底主峰很明顯，右側(cè)小突起即為放射源光子峰。觀察主峰和側(cè)峰的半高寬(FWHM)可以看到，該實(shí)驗(yàn)用CCD的像素差異性較明顯，光譜能量分辨率相對較大，這對一定區(qū)域內(nèi)所有像素使用統(tǒng)一本底值的估算方法會引起一定的誤差，像素差異越大，誤差越大。此外， CCD某些較大噪點(diǎn)對單像素事件的判別也會帶來一定影響，CCD面陣上沾有部分灰塵，曝光過程中溫度有微小變化以及圖像數(shù)據(jù)處理的漲落誤差等等，這些因素都將在一定程度上影響增益計算結(jié)果的精度。

分別對上述表格中單幅圖像和兩幅圖像相減兩種處理方式的結(jié)果在每個溫度點(diǎn)的值取均值，得到-8℃至0℃溫度范圍內(nèi)的最后增益結(jié)果，如表3，比較兩種方法的處理結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用兩幅圖像相減的方法得到的增益值比單幅圖像方法得到的值稍小，造成這種結(jié)果可能的原因主要是由于CCD像素之間的差異性相對較大，對各像素使用統(tǒng)一的本底值對精度有一定影響，當(dāng)然，由于使用的圖像數(shù)據(jù)有限，數(shù)據(jù)之間的漲落差異性以及數(shù)據(jù)擬合過程中存在的精度誤差等等也不可忽略，這兩種方法結(jié)果的差異仍在可接受的范圍之內(nèi)。計算第一種處理方法中每個溫度點(diǎn)四組數(shù)據(jù)對平均值的偏差，得到如圖5的結(jié)果，圖中看到各組數(shù)據(jù)的偏差較小，不同溫度下得到的最大相對誤差為1.66%。

表3 兩種處理方法在不同溫度下的增益結(jié)果Table 3 Measured gain values from two methods at different temperatures

圖5 單幅圖像處理方法的相對誤差Fig.5 Relative errors of the single-image method

比較每一欄中不同溫度下的增益值，經(jīng)過計算得到單幅圖像處理方法不同溫度下增益的平均值為5.2334±0.0389 e-/DN，相對誤差為0.7%，兩幅圖像處理方法不同溫度下的平均值為：5.0614±0.0937 e-/DN，相對誤差為1.85%，從數(shù)值結(jié)果上看兩種方法的結(jié)果符合較好，相差約0.17e-/DN左右，同時看到溫度變化對增益的影響較小，忽略溫度對增益結(jié)果的微小影響，以這兩組值作為最后的增益值結(jié)果，并在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中視不同的情況分別使用。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過本文的工作，使用Fe55放射源開展了短波應(yīng)用CCD系統(tǒng)增益的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理工作，得到了在-8℃～0℃溫度范圍內(nèi)的系統(tǒng)增益值。從上述估算結(jié)果和分析可以知道，實(shí)驗(yàn)條件和處理過程對大部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析影響較小，使用兩種處理方法得到的結(jié)果值分別為：5.2334±0.0389 e-/DN和5.0614±0.0937 e-/DN，相差約為0.17e-/DN，得到的在不同溫度下的增益結(jié)果在一定范圍內(nèi)較穩(wěn)定，兩種方法在-8℃～0℃不同溫度下增益變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.0389和0.0937 e-/DN 。由于溫度對增益的影響很小，以這兩組不同溫度下的增益平均值作為最后的增益處理結(jié)果，該增益結(jié)果能夠用于后續(xù)CCD數(shù)據(jù)的分析和處理，為以后的工作提供更多依據(jù)和幫助。

盡管如此，由于設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件的局限，標(biāo)定過程和實(shí)驗(yàn)仍然需要后續(xù)的持續(xù)改善，如：使用精確的機(jī)械快門，獲取實(shí)時的暗場圖像；改進(jìn)CCD降溫冷卻系統(tǒng)，進(jìn)行更低溫度下的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析等等。此外，從圖4較好的單像素事件分布圖看到，根據(jù)已有的圖像數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行CCD轉(zhuǎn)移效率(CTE)的計算，目前較好的CTE歸算方法仍在改進(jìn)之中。

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