陈文彬

(电子科技大学 光电信息学院, 四川 成都 610054)

线列CCD光电响应率测试

陈文彬

(电子科技大学 光电信息学院, 四川 成都 610054)

在介绍CCD工作原理基础上分析了CCD响应率的定义以及测试方法，设计制作了小光点线列CCD响应率的测试系统，给出了测试系统的构造及测试过程，选择2 856 K标准光源并恒定照度，通过改变CCD的积分时间改变CCD的曝光量，从而改变CCD的输出信号，从CCD响应曲线的线性区可以拟合出CCD的响应率。测试结果表明该系统能够完成CCD响应率的测试且结构简单。

线列CCD； 响应率测试； 实验教学

CCD称为电荷耦合器件,其功能是实现光电变换,把光学图像转换为电信号,即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息转换为按时序串行输出的电信号[1-2]。与其他器件如CMOS 等相比,最突出的特点是它以电荷作为信号,而其他大多数器件是以电流或者电压作为信号[3]。CCD 以其高动态范围、低噪声、技术成熟等优点而广泛应用于航空航天、卫星侦察、军事保安监控、天文观测、通信、机器视觉、广播、电影电视、医学窥镜、微光摄像等领域[4-6]。CCD的原理、技术与应用已经进入本科生课程中,通过CCD光电特性的测试可以更好地使学生了解CCD的工作机理并对CCD性能作出评估。然而已有的实验系统大多组成复杂,不易操作,适合作精密测量[7-8]。本文介绍了一种用于实验教学的基于2 856 K标准光源的简单CCD 光电响应率测试系统。通过本实验,可以了解CCD的工作原理、光电转换特性及其影响因素并掌握CCD响应率的测量方法和测试装置的原理与应用。

1 CCD的光电响应率测试原理与方法

当光入射在CCD光敏元上时,光电二极管吸收光能而转换为存储电极下深耗尽层中的信号电荷。以响应率Re表示光电转换器件的光电转换特性,设入射在光敏元上的总能量E,所产生的信号电荷量为Q,Re定义为

(1)

响应率的单位为C/J,也常以A/W表示。

响应率Re与入射光源的频谱分布有关,通常规定入射光源为2 856 K标准光源。在实际应用中,CCD的输出结构为浮置扩散放大器,输出为信号电压。因此,为测量方便,响应率又定义为在一定光谱范围内单位曝光量产生的输出信号电压Vs,曝光量为光照强度与光照时间的乘积,因此有

(2)

式中：L为光源照到CCD光敏元上的照度,lx;t为光照时间,s;Rs是综合参数,单位为V/(lx·s)。

Rs不仅仅反映光敏元性能,而且反映光敏元大小、占空因子、CCD转移效率和输出结构的性能等因素,所以Rs能反映出CCD光电特性的优劣。

2 实验装置

CCD(TCD142D)响应率的小光点测试装置如图1所示。光源采用色温2856K的标准光源,光源由精密直流电源供电,暗盒中的光学系统设计成能在CCD面上形成小光点,小光点光路见图2。

图1 CCD响应率的测量装置

图2 小光点光路图

光源发出的光经过星孔板(星孔板由激光打孔的方法形成,小孔直径约为10 μm)后可以看成平行光,经过聚焦透镜后再焦点处汇聚成小光点,光点尺寸小于一个光敏元尺寸。光源的照度值及光源至CCD的距离首先经过标定,标定时先在CCD光敏面位置处用标准照度计测试照度,调节光源电源、光圈和中性滤光片，使照度值稳定在设定值。

光照时间即是CCD的光积分时间,根据CCD的驱动原理[9-11],CCD的积分时间由可编程控制器控制调节。在光照强度一定的情况下,改变光积分时间可以得到不同的曝光量值。记录积分时间和CCD的输出电压，直至CCD输出饱和。以峰值信号作为CCD光敏元的响应,因此CCD的输出信号通过峰值保持器输出峰值信号电压。峰值保持器的作用是将脉冲信号转换成与其峰值相等的直流信号,该信号电压由数字电压表测试读出。

3 测试

测量前让直流电源工作在设定值以满足响应率定义中对标准光源的要求,调整光栏可以改变照射到光敏元上的照度值。移动光源装置,让光点对准线列CCD靠近输出端的某个光敏元,从示波器屏上观察信号输出情况。用示波器观察光积分脉冲周期,调节驱动电源内振荡器的频率,测量出光积分脉冲周期的大小变化,并作记录。改变光积分脉冲周期,用数字电压表测量CCD输出信号电压,直到饱和值为止。可以改变光照光敏元的位置重复测量求出其平均值。

4 实验结果分析

由于光照度不如时间容易测量,所以在光照度一定的情况下改变积分时间来改变曝光量。为了减小转换损失对响应率Rs的影响,测量时应选择靠近输出端的光敏元测量。在给定电流时,CCD光敏面上的照度一定,改变积分时间测量输出电压。由于CCD势阱容量有限,光生载流子会超过CCD势阱的最大容量,CCD输出信号从线性区过渡到饱和区。根据对CCD器件测量结果,作出Vs与时间t的关系曲线,由关系曲线的斜率求出Rs值。作为示例,电源电流分别为0.09、0.12、0.14 A时测得的Vs-t曲线见图2。从测得的Vs-t关系曲线上可以看出,曲线可以分为3个区域，即线性区、过渡区和饱和区。采用最小二乘法对线性区进行拟合,线性区的斜率即为CCD的响应率。进一步还可以求得CCD与响应率相关的2个重要参数,即饱和输出信号电压Vm及其对应的饱和曝光量Hm。

从理论上讲,当积分时间为0时,曝光量为0,CCD的输出电压为0。但是从测试结果来看并非如此,对数坐标下的响应率曲线清楚地表明了当曝光时间为0时,CCD输出噪声电压[12],如图3(b)所示。

图3 CCD响应率曲线

5 结语

搭建了线列CCD的小光点响应率测试系统,通过改变CCD的积分时间以改变CCD的曝光量,在不同积分时间下测得CCD的输出峰值电压,Vs-t曲线表明CCD工作在线性区、过渡区和饱和区,并进一步得到CCD的饱和电压和饱和曝光量以及暗输出电压,线性拟合得到了CCD得响应率。系统结构简单、操作方便,已用于固体成像器件原理课程的实验教学中。

References)

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[12] 雷仁方. MPP CCD暗电流温度特性研究[J]. 电子科技,2012(25):23-25.

Test of linear CCD photoelectric responsivity

Chen Wenbin

(School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

Based on the introduction of the working principle of CCD responsivity, the definition and the test method for CCD responsivity are analyzed. The testing system for linear CCD responsivity based on a small light spot is designed and developed, and the structure and the process of the testing system are presented. The 2856 K standard light source is chosen and the constant illumination is maintained. The amount of CDD light exposure is changed by changing the integration time of CCD so that CCD output signal is altered. From the linear region of the CDD responsivity curve, CDD responsivity is obtained. The testing results show that this system can complete the test of CDD responsivity, and its structure is simple.

linear array CCD; responsivity test; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.010

2016-10-17 修改日期：2016-12-15

电子科技大学本科教学改革研究项目(Y02012023701215，Y02012023701167)

陈文彬(1968—)，男，四川成都，博士，副教授，研究方向为显示与成像技术.

E-mail：chenwb@uestc.edu.cn

TN386.5

B

1002-4956(2017)4-0037-02