CCD組件參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)＊

孫大維 趙 楊

（東北電子技術(shù)研究所 錦州 121000）

1 引言

CCD組件是光電轉(zhuǎn)換、電荷儲(chǔ)存、電荷轉(zhuǎn)移和自動(dòng)掃描等功能于一體的光電器件。CCD具有多種光電參數(shù)，由于生產(chǎn)工藝和工作過程不同，各種CCD的光電參數(shù)差異很大。通常在使用前應(yīng)對(duì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，全面定量地表征在探測(cè)圖像時(shí)CCD組件的綜合性能。特別是對(duì)于高靈敏度的CCD組件，靶面照度已經(jīng)超出計(jì)量部門能計(jì)量的最小量程，因此需要研制一套高靈敏度CCD組件測(cè)試系統(tǒng)[1]。

2 CCD測(cè)試系統(tǒng)組成和功能

CCD測(cè)試系統(tǒng)的原理見圖1。主要包括光源系統(tǒng)、CCD安裝夾具、電源模塊、控制模塊、PCI圖像采集卡、主機(jī)以及電纜組成。CCD測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖1 CCD測(cè)試系統(tǒng)的原理圖

圖2 結(jié)構(gòu)框圖

其主要功能是對(duì)CCD組件的幀頻、飽和輸出幅值、均方根噪聲、最低照度等多種性能參量測(cè)試[2]。CCD測(cè)試系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)見表1。

3 CCD測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主機(jī)

系統(tǒng)主機(jī)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸卡及系統(tǒng)軟件三部分組成。通過安裝于工控機(jī)上的數(shù)據(jù)傳輸卡（LVDS－PCI）交換數(shù)據(jù)，以控制測(cè)試平臺(tái)工作，顯示測(cè)試圖像，獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算分析；實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖或光錐耦合CCD組件的自動(dòng)測(cè)試工作[3]。

表1 設(shè)計(jì)要求

3.2 控制及轉(zhuǎn)換模塊

控制及轉(zhuǎn)換模塊與系統(tǒng)主機(jī)的信息交換，將測(cè)試平臺(tái)的各項(xiàng)工作狀態(tài)發(fā)送給系統(tǒng)主機(jī)，同時(shí)接收主機(jī)命令，改變測(cè)試平臺(tái)工作狀態(tài)；通過檢測(cè)組件工作及掉電保護(hù)，進(jìn)行安全監(jiān)控及故障自檢；通過對(duì)光源步進(jìn)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)光源調(diào)節(jié)；將組件的圖像數(shù)據(jù)信號(hào)及相關(guān)的時(shí)序信號(hào)轉(zhuǎn)換為適宜遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腖VDS信號(hào)，并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出。

3.3 CCD安裝夾具

安裝固定待測(cè)的光纖組件；保證被測(cè)組件與光源的相對(duì)位置確定。

3.4 電源模塊

將220V交流電變?yōu)槎嗦分绷麟娫?，供給測(cè)試平臺(tái)其他部件使用；控制各路電源的開關(guān)；監(jiān)測(cè)各路電源[4]。

3.5 光源系統(tǒng)

光源系統(tǒng)作為整套測(cè)試平臺(tái)的基準(zhǔn)，其準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性至關(guān)重要。光源系統(tǒng)主要產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)特定波段的平行光源，并可以生成不同的測(cè)試圖案供CCD組件成像；并可根據(jù)系統(tǒng)命令改變光源強(qiáng)度、測(cè)試圖像及獲取均勻光照。光源系統(tǒng)由光源、平行光管、帶通濾光片、4組吸收型中性衰減片（每組6片）和成像系統(tǒng)組成，如圖3所示。

圖3 光源系統(tǒng)原理圖

1）平行光管。平行光管輸出平行光源，保證光源強(qiáng)度穩(wěn)定且隨距離發(fā)生變化較小。

2）帶通濾光片。采用濾光片獲取單色光，保證光譜曲線固定不變，可按照光功當(dāng)量公式推算出單位面積輻射功率與照度的固定關(guān)系（光功當(dāng)量）。

對(duì)于本平行光源，其光譜曲線如圖4：

圖4 光源光譜曲線圖

根據(jù)光功當(dāng)量公式：

式中：Eλ：波長(zhǎng)為λ的相對(duì)光能量；Vλ：波長(zhǎng)為λ的光譜光視效率值；按光譜曲線計(jì)算結(jié)果如下：

K平行光源＝5.926LUX／（μW／cm2）（即：對(duì)于本平行光源，1μW／cm2的單位面積輻射功率對(duì)應(yīng)5.926LUX的照度）

3）吸收型中性衰減片。CCD組件的一項(xiàng)重要指標(biāo)為靶面最低照度，按技術(shù)要求為550nm處＜0.1μW／cm2，是按照單位面積輻射功率表示的。目前輻射計(jì)量部門能計(jì)量的最小量程為10（300mW／cm2，無法直接測(cè)試如此低功率的光。采用衰減片組合的方式可以實(shí)現(xiàn)，并保證光強(qiáng)調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。選用吸收型中性衰減濾光片，中性衰減片對(duì)可見光范圍內(nèi)的光線透過率保持一致，平行光在經(jīng)過衰減后光譜曲線不變，保證了光功當(dāng)量的固定關(guān)系不變；吸收型衰減片為單一材質(zhì)，光學(xué)性能穩(wěn)定，其透過率可視為恒定不變；吸收型衰減片的組合干擾＜0.36%，多片衰減片疊加的透過率可簡(jiǎn)單視為每片衰減片透過率的乘積。通過不同組合，可以得到多種透過率值，衰減片透過率組合如表2。

表2 衰減片透過率組合表

在測(cè)試均勻性時(shí)，光源通過電動(dòng)位移平臺(tái)自動(dòng)更換為毛玻璃，測(cè)試畸變時(shí)，光源更換為畸變測(cè)試靶標(biāo)。

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 光源穩(wěn)定性測(cè)試

抽取十余組衰減組合（理論透過率從30%（0.1%），進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，每組透過率的重復(fù)性誤差＜2%；說明光源系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性，能作為測(cè)量的依據(jù)[5]。

圖5 畸變測(cè)試靶成像圖

4.2 透過率重復(fù)性測(cè)試

用三個(gè)不同的燈泡，抽取十余組衰減組合（理論透過率從30%（0.1%），進(jìn)行衰減率重復(fù)性測(cè)試，對(duì)同一組的透過率重復(fù)性誤差＜2%；說明更換光源后系統(tǒng)的透過率保持不變，無需重新標(biāo)定透過率。

4.3 檢測(cè)項(xiàng)目重復(fù)性誤差分析

將同一套光纖耦合CCD組件產(chǎn)品重復(fù)測(cè)試數(shù)次，其指標(biāo)及重復(fù)性要求如表3：

表3 重復(fù)測(cè)試誤差分析

5 結(jié)語(yǔ)

CCD具有多種光電參數(shù)，由于生產(chǎn)工藝和工作過程不同，各種CCD的光電參數(shù)差異很大。因此，CCD組件的綜合參數(shù)測(cè)試結(jié)果將直接決定著CCD的實(shí)際應(yīng)用情況。特別是隨著高靈敏度低噪聲CCD組件的出現(xiàn)，其測(cè)試難度加大。為了提高其測(cè)試準(zhǔn)確度和重復(fù)精度，研制出了適用于實(shí)驗(yàn)室的操作簡(jiǎn)便的CCD組件參數(shù)綜合測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)儀器對(duì)CCD組件的多種參數(shù)測(cè)試，并且實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)化。對(duì)連續(xù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)誤差分析，重復(fù)性小于3%，測(cè)試結(jié)果表明，本測(cè)試儀測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠[6]。

[1]向世明，倪國(guó)強(qiáng).光電子成像器件原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

[2]王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2000.

[3]安連生.應(yīng)用光學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

[4]趙亮，劉海鷗.CCD組件參數(shù)綜合測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2010（6）：5－7.

[5]李明偉.線陣CCD參量測(cè)試系統(tǒng)[J].電子器件2007，4.

[6]趙凱生，劉爽.基于ARM的線陣CCD測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用分析[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2006（1）：31－34.