本發(fā)明涉及一種CCD測試技術(shù)，尤其涉及一種測量CCD電荷轉(zhuǎn)換因子的方法。

背景技術(shù)：

在CCD的眾多性能參數(shù)中，電荷轉(zhuǎn)換因子(CVF)是衡量CCD器件性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它可以表征CCD將采集到的電荷轉(zhuǎn)換為電壓的能力，與CCD的飽和電壓、響應(yīng)度、暗電流密度等性能參數(shù)密切相關(guān)。

Gordon R.Hopkinson等人在其著作中介紹過一系列的測量電荷轉(zhuǎn)換因子的方法(A Guide to the Use and Calibration of Detector Array Equipment，Gordon R.Hopkinson,Teresa M.Goodman,Stuart R.Prince，SPIE Press,2004)，這些方法被國內(nèi)外論文等文獻(xiàn)資料引用，包括：①復(fù)位漏電流法：依照電荷轉(zhuǎn)換因子的定義，通過測量CCD的復(fù)位漏電流、輸出信號幅度、積分時(shí)間和有效像元數(shù)來計(jì)算；②X射線法：在特定溫度下通過外部放射源的X射線照射CCD器件，產(chǎn)生一定數(shù)量的自由-空穴電子對，再對工作于積分狀態(tài)下的輸出節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行測量，求出CVF值；③均值-方差法：通過輸出信號所帶噪聲的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。

前述方法在實(shí)際操作中存在諸多問題：方法②和方法③的測試結(jié)果均存在較大誤差；方法②需要復(fù)雜的測試裝置和較苛刻的測試環(huán)境；方法③過程繁瑣，測試工作量大；而其中最大的不足在于三種方法均不具備通用性：例如方法①要求CCD工作在正常成像的狀態(tài)，其中的積分時(shí)間須根據(jù)正常成像時(shí)的時(shí)序來確定，然而每種CCD的工作時(shí)序都不相同，在對不同種類的CCD進(jìn)行測試時(shí)，須為每種CCD都單獨(dú)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，工作量大，耗時(shí)耗力，且通用性差；方法②和③則嚴(yán)重依賴CCD自身的物理特性參數(shù)，這樣不但增加了工作量，同時(shí)還增加了器件參數(shù)的測試周期，消耗了大量的人力物力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種測量CCD電荷轉(zhuǎn)換因子的方法，所述CCD包括抗暈柵、光積分區(qū)、第一轉(zhuǎn)移控制柵、垂直轉(zhuǎn)移區(qū)、第二轉(zhuǎn)移控制柵、水平轉(zhuǎn)移區(qū)、輸出控制柵和復(fù)位柵；所述第一轉(zhuǎn)移控制柵用于控制電荷從光積分區(qū)轉(zhuǎn)移至垂直轉(zhuǎn)移區(qū)；所述第二轉(zhuǎn)移控制柵用于控制電荷從垂直轉(zhuǎn)移區(qū)轉(zhuǎn)移至水平轉(zhuǎn)移區(qū)；所述輸出控制柵和復(fù)位柵用于控制電荷從水平轉(zhuǎn)移區(qū)向外輸出，其創(chuàng)新在于：按如下步驟對CCD的電荷轉(zhuǎn)換因子進(jìn)行測量：

1)將CCD置于光照環(huán)境中，控制抗暈柵使光積分區(qū)持續(xù)保持在光積分狀態(tài)，同時(shí)，控制第一轉(zhuǎn)移控制柵使光積分區(qū)和垂直轉(zhuǎn)移區(qū)之間的電荷通道持續(xù)保持在導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)，控制第二轉(zhuǎn)移控制柵使垂直轉(zhuǎn)移區(qū)和水平轉(zhuǎn)移區(qū)之間的電荷通道持續(xù)保持在導(dǎo)通狀態(tài)；

2)向輸出控制柵和復(fù)位柵周期性地施加控制脈沖，使水平轉(zhuǎn)移區(qū)周期性地向外輸出信號；

3)在第一光強(qiáng)條件下，當(dāng)水平轉(zhuǎn)移區(qū)向外輸出信號時(shí)，對水平轉(zhuǎn)移區(qū)輸出節(jié)點(diǎn)處的電流和輸出信號進(jìn)行采樣；在第二光強(qiáng)條件下，當(dāng)水平轉(zhuǎn)移區(qū)向外輸出信號時(shí)，對水平轉(zhuǎn)移區(qū)輸出節(jié)點(diǎn)處的電流和輸出信號進(jìn)行采樣；第一光強(qiáng)條件和第二光強(qiáng)條件的光強(qiáng)不同；

4)根據(jù)下式計(jì)算CCD的電荷轉(zhuǎn)換因子：

$CVF=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_o\×{10}^3}{{\mathrm{\ΔI}}_{RD}\×{10}^{-9}}\×q\×f$

其中，ΔV_o＝V_o1-V_o2，ΔI_RD＝I_RD1-I_RD2，ΔV_o的單位為mV，ΔI_RD的單位為nA，V_o1為對應(yīng)第一光強(qiáng)條件的輸出信號的信號幅度，V_o2為對應(yīng)第二光強(qiáng)條件的輸出信號的信號幅度，I_RD1為對應(yīng)第一光強(qiáng)條件的電流，I_RD2為對應(yīng)第二光強(qiáng)條件的電流；q為單個(gè)電子的電荷量，q取1.6×10^-19庫倫；f為水平轉(zhuǎn)移區(qū)的輸出頻率；CVF為電荷轉(zhuǎn)換因子，單位為μV/e^-。

具體應(yīng)用時(shí)，將CCD置于光照環(huán)境中，控制抗暈柵使光積分區(qū)持續(xù)保持在光積分狀態(tài)(即將抗暈柵持續(xù)置于低電平狀態(tài))，處于光積分狀態(tài)下的CCD，在持續(xù)光照下，可持續(xù)不斷地產(chǎn)生電荷，以提供可用于測試的信號源；同時(shí)，控制第一轉(zhuǎn)移控制柵使光積分區(qū)和垂直轉(zhuǎn)移區(qū)之間的電荷通道持續(xù)保持在導(dǎo)通狀態(tài)(即將第一轉(zhuǎn)移控制柵持續(xù)置于高電平狀態(tài)，這就使得CCD內(nèi)部持續(xù)存在能夠存儲(chǔ)電荷的勢阱，并且這些勢阱相互連通，如此一來形成了貫通CCD內(nèi)部的恒定電場，由光積分產(chǎn)生的電荷能夠均勻地分布在CCD的內(nèi)部，只要光照條件不發(fā)生變化，CCD在單位時(shí)間內(nèi)的輸出就會(huì)保持穩(wěn)定)，同時(shí)，控制第二轉(zhuǎn)移控制柵使垂直轉(zhuǎn)移區(qū)和水平轉(zhuǎn)移區(qū)之間的電荷通道持續(xù)保持在導(dǎo)通狀態(tài)(即將第二轉(zhuǎn)移控制柵持續(xù)置于高電平狀態(tài)，電荷就能夠持續(xù)不斷地從垂直轉(zhuǎn)移區(qū)轉(zhuǎn)移至水平轉(zhuǎn)移區(qū))；在前述條件下，向輸出控制柵和復(fù)位柵周期性地施加控制脈沖，就能使CCD的水平轉(zhuǎn)移區(qū)周期性地向外輸出信號，這時(shí)，就可進(jìn)行步驟3)的采樣操作了，采樣操作結(jié)束，按步驟4)中公式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就能獲得該CCD的電荷轉(zhuǎn)換因子數(shù)據(jù)；

本發(fā)明的原理是：

電荷轉(zhuǎn)換因子的定義較為簡單，即輸出電壓與存儲(chǔ)在輸出節(jié)點(diǎn)處的電子數(shù)之間的比值，單從定義來看，如果可以獲取到CCD的輸出電壓和存儲(chǔ)在輸出節(jié)點(diǎn)處的電子數(shù)，就能方便地計(jì)算出該CCD的電荷轉(zhuǎn)換因子；但實(shí)際情況中，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，無法對存儲(chǔ)在輸出節(jié)點(diǎn)處的電子數(shù)進(jìn)行直接測量，這就導(dǎo)致無法直接利用電荷轉(zhuǎn)換因子的定義來計(jì)算電荷轉(zhuǎn)換因子；

為了解決電荷轉(zhuǎn)換因子的測量問題以及測量手段的通用性問題，發(fā)明人對不同種類的CCD進(jìn)行了深入研究，在研究過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的CCD，無論其種類如何，他們都存在如下兩個(gè)共同點(diǎn)：1)現(xiàn)有CCD的工作流程一般都遵循“接受光照-光積分產(chǎn)生電荷-電荷轉(zhuǎn)移-輸出”的步驟，2)對于同一CCD而言，在其響應(yīng)范圍內(nèi)，不同光照強(qiáng)度條件下，其輸出是不同的；

對于第2)共同點(diǎn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚，通常情況下，CCD的輸出與光照強(qiáng)度大小存在線性關(guān)系，即光照強(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)CCD輸出的電量越多，而電量可以換算成電子數(shù)，那么就可以根據(jù)不同光照強(qiáng)度條件下CCD輸出電量的差值來間接反映電荷轉(zhuǎn)換因子定義中的電子數(shù)，進(jìn)而求得電荷轉(zhuǎn)換因子，順著這一思路，發(fā)明人作了如下推導(dǎo)：

設(shè)光照強(qiáng)度1條件下CCD輸出信號的信號幅度為V_o1，對應(yīng)的輸出節(jié)點(diǎn)電荷量為Q₁，光照強(qiáng)度2條件下CCD輸出信號的信號幅度為V_o2，對應(yīng)的輸出節(jié)點(diǎn)電荷量為Q₂；用q代表單個(gè)電子的電荷量(1.6×10^-19庫倫)，ΔV_o＝V_o2-V_o1，ΔQ＝Q₂-Q₁，則按電荷轉(zhuǎn)換因子的定義，其值可以表示為：

$CVF=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_o}{\mathrm{\Δ}Q/q}$

設(shè)單個(gè)像元的輸出周期為t，則根據(jù)電流電量公式Q/t＝I可知，ΔQ＝ΔI_RD×t，ΔI_RD＝I_RD1-I_RD2，則上式可變形為如下式子：

$CVF=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_o}{{\mathrm{\ΔI}}_{RD}\×t/q}$

由現(xiàn)有理論可知，單個(gè)像元的輸出周期的倒數(shù)就是像元的輸出頻率，若用f代表像元的輸出頻率，則有f＝1/t，于是上式可改寫為：

$CVF=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_o}{{\mathrm{\ΔI}}_{RD}}\×q\×f$

對上式中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析后，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，f的數(shù)值取決于控制CCD輸出的時(shí)序脈沖，其為已知量，只要能夠獲得ΔV_o和ΔI_RD我們就能準(zhǔn)確地計(jì)算出CVF，而用于計(jì)算ΔV_o和ΔI_RD的參數(shù)均可由現(xiàn)有手段進(jìn)行量化檢測，說明前述方法完全可行；明確了測量方法后，我們再來看看該方法的通用性：

前文所述的現(xiàn)有CCD的另一個(gè)共同點(diǎn)是，他們的工作流程一般都遵循“接受光照-光積分產(chǎn)生電荷-電荷轉(zhuǎn)移-輸出”的步驟，基于現(xiàn)有的CCD控制理論可知，工作流程中的“接受光照-光積分產(chǎn)生電荷-電荷轉(zhuǎn)移”步驟均通過脈沖電平實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，而在前述的公式中，所需的僅是CCD能夠提供單位時(shí)間的輸出信號，于是，本發(fā)明采用步驟1)中的操作來使CCD處于一種非正常工作狀態(tài)(相對于正常工作狀態(tài)而言)，然后通過在輸出控制柵和復(fù)位柵上周期性地施加控制脈沖，就能獲取到前述公式計(jì)算所需的參數(shù)，至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白了，本發(fā)明不需要設(shè)計(jì)完整的工作時(shí)序來驅(qū)動(dòng)CCD正常工作，只需向CCD內(nèi)控制光積分和電荷轉(zhuǎn)移的控制柵提供固定電平，并向CCD內(nèi)控制輸出的控制柵提供簡單的控制脈沖，就能獲得公式計(jì)算所需的參數(shù)，與設(shè)計(jì)完整的CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序相比，本發(fā)明僅需設(shè)計(jì)與CCD輸出相關(guān)的控制脈沖，工作量和操作成本將大幅縮減，并且僅與輸出相關(guān)的控制脈沖十分簡單，只要能使CCD周期性地輸出信號信號即可，只要CCD的具體類型確定了，本領(lǐng)域技術(shù)人員就能實(shí)施。

對于不同種類的CCD，可能其控制柵的數(shù)量存在差異，也可能某些CCD具備一些獨(dú)有的附加功能，但是，不論何種CCD，他們工作時(shí)所依據(jù)的主體原理卻是相同的；在應(yīng)用本發(fā)明對不同種類的CCD進(jìn)行測試時(shí)，只需根據(jù)CCD的控制柵數(shù)量及附加功能，將其置于本發(fā)明步驟1)所設(shè)定的條件，然后對控制脈沖進(jìn)行簡單修改，就能滿足不同種類CCD的測試需求；例如，CCD輸出采用的是三相或者四相驅(qū)動(dòng)，只需增加輸出驅(qū)動(dòng)信號的路數(shù)即可，又如CCD擁有垂直合并柵等，只需將其置為高電平即可；

與背景技術(shù)中的方法①相比，方法①需要為不同種類的CCD都單獨(dú)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)時(shí)序，而采用本發(fā)明后，不再需要進(jìn)行復(fù)雜繁瑣的驅(qū)動(dòng)時(shí)序設(shè)計(jì)工作，只需根據(jù)控制柵的數(shù)量或附加功能對驅(qū)動(dòng)電路作一些細(xì)微調(diào)整即可；與方法②和③相比，本發(fā)明的測量操作不需要了解器件的物理參數(shù)，測試過程簡單高效；

值得說明的是：由于在實(shí)際工程中，電荷轉(zhuǎn)換因子的常用單位為μV/e^-，而通過檢測手段獲取到的電流和信號幅度的計(jì)量單位與之不匹配，為了使各個(gè)參數(shù)的單位相互匹配，于是發(fā)明人又對前述公式作了如下變形：

$CVF=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_o\×{10}^3}{{\mathrm{\ΔI}}_{RD}\×{10}^{-9}}\×q\×f$

優(yōu)選地，所述輸出節(jié)點(diǎn)處的電流由電流表進(jìn)行采樣。

優(yōu)選地，在同一光照條件下，對電流進(jìn)行多次采樣，I_RD1和I_RD2分別取各自對應(yīng)光照條件下的多個(gè)采樣信號的平均值。

優(yōu)選地，在同一光照條件下，對輸出信號進(jìn)行多次采樣，V_o1和V_o2分別取各自對應(yīng)光照條件下的多個(gè)采樣信號的信號幅度平均值。

優(yōu)選地，在對所述輸出信號進(jìn)行采樣時(shí)，同一光強(qiáng)條件下進(jìn)行多次采樣，將對應(yīng)同一光強(qiáng)條件的多個(gè)采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，然后計(jì)算出數(shù)字圖像中單個(gè)像素的像素平均值，然后將像素平均值換算為相應(yīng)的V_o1和V_o2?，F(xiàn)有技術(shù)中，某些圖像處理軟件本身就已經(jīng)集成了提取像素平均值的功能，直接利用這類圖像處理軟件，可以使本發(fā)明的處理程序得到適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：提供了一種測量CCD電荷轉(zhuǎn)換因子的方法，該方法不需要為CCD設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)時(shí)序，通用性強(qiáng)，操作簡便。

附圖說明

圖1、采用本發(fā)明方案的一種測試時(shí)序圖；圖中AG為抗暈柵、TG為控制電荷從光積分區(qū)轉(zhuǎn)移至垂直轉(zhuǎn)移區(qū)的轉(zhuǎn)移柵(也即第一轉(zhuǎn)移控制柵)、V1和V2為控制電荷從垂直轉(zhuǎn)移區(qū)轉(zhuǎn)移至水平轉(zhuǎn)移區(qū)的轉(zhuǎn)移柵(也即第二轉(zhuǎn)移控制柵)、H1和H2為控制電荷在水平轉(zhuǎn)移區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移柵(也即輸出控制柵)、RG為復(fù)位柵。

具體實(shí)施方式

一種測量CCD電荷轉(zhuǎn)換因子的方法，所述CCD包括抗暈柵、光積分區(qū)、第一轉(zhuǎn)移控制柵、垂直轉(zhuǎn)移區(qū)、第二轉(zhuǎn)移控制柵、水平轉(zhuǎn)移區(qū)、輸出控制柵和復(fù)位柵；所述第一轉(zhuǎn)移控制柵用于控制電荷從光積分區(qū)轉(zhuǎn)移至垂直轉(zhuǎn)移區(qū)；所述第二轉(zhuǎn)移控制柵用于控制電荷從垂直轉(zhuǎn)移區(qū)轉(zhuǎn)移至水平轉(zhuǎn)移區(qū)；所述輸出控制柵和復(fù)位柵用于控制電荷從水平轉(zhuǎn)移區(qū)向外輸出，其創(chuàng)新在于：按如下步驟對CCD的電荷轉(zhuǎn)換因子進(jìn)行測量：

1)將CCD置于光照環(huán)境中，控制抗暈柵使光積分區(qū)持續(xù)保持在光積分狀態(tài)，同時(shí)，控制第一轉(zhuǎn)移控制柵使光積分區(qū)和垂直轉(zhuǎn)移區(qū)之間的電荷通道持續(xù)保持在導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)，控制第二轉(zhuǎn)移控制柵使垂直轉(zhuǎn)移區(qū)和水平轉(zhuǎn)移區(qū)之間的電荷通道持續(xù)保持在導(dǎo)通狀態(tài)；

2)向輸出控制柵和復(fù)位柵周期性地施加控制脈沖，使水平轉(zhuǎn)移區(qū)周期性地向外輸出信號；

3)在第一光強(qiáng)條件下，當(dāng)水平轉(zhuǎn)移區(qū)向外輸出信號時(shí)，對水平轉(zhuǎn)移區(qū)輸出節(jié)點(diǎn)處的電流和輸出信號進(jìn)行采樣；在第二光強(qiáng)條件下，當(dāng)水平轉(zhuǎn)移區(qū)向外輸出信號時(shí)，對水平轉(zhuǎn)移區(qū)輸出節(jié)點(diǎn)處的電流和輸出信號進(jìn)行采樣；第一光強(qiáng)條件和第二光強(qiáng)條件的光強(qiáng)不同；

4)根據(jù)下式計(jì)算CCD的電荷轉(zhuǎn)換因子：

$CVF=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_o\×{10}^3}{{\mathrm{\ΔI}}_{RD}\×{10}^{-9}}\×q\×f$

其中，ΔV_o＝V_o1-V_o2，ΔI_RD＝I_RD1-I_RD2，ΔV_o的單位為mV，ΔI_RD的單位為nA，V_o1為對應(yīng)第一光強(qiáng)條件的輸出信號的信號幅度，V_o2為對應(yīng)第二光強(qiáng)條件的輸出信號的信號幅度，I_RD1為對應(yīng)第一光強(qiáng)條件的電流，I_RD2為對應(yīng)第二光強(qiáng)條件的電流；q為單個(gè)電子的電荷量，q取1.6×10^-19庫倫；f為水平轉(zhuǎn)移區(qū)的輸出頻率；CVF為電荷轉(zhuǎn)換因子，單位為μV/e^-。

進(jìn)一步地，所述輸出節(jié)點(diǎn)處的電流由電流表進(jìn)行采樣。

進(jìn)一步地，在同一光照條件下，對電流進(jìn)行多次采樣，I_RD1和I_RD2分別取各自對應(yīng)光照條件下的多個(gè)采樣信號的平均值。

進(jìn)一步地，在同一光照條件下，對輸出信號進(jìn)行多次采樣，V_o1和V_o2分別取各自對應(yīng)光照條件下的多個(gè)采樣信號的信號幅度平均值。

進(jìn)一步地，在對所述輸出信號進(jìn)行采樣時(shí)，同一光強(qiáng)條件下進(jìn)行多次采樣，將對應(yīng)同一光強(qiáng)條件的多個(gè)采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，然后計(jì)算出數(shù)字圖像中單個(gè)像素的像素平均值，然后將像素平均值換算為相應(yīng)的V_o1和V_o2。