一种基于光子转移曲线的自动化满阱测试方法技术

本发明专利技术提供一种基于光子转移曲线的自动化满阱测试方法。该方法实现CCD探测器满阱的自动化测量，基于光子转移曲线的相关理论，以及一套测试环境和测试软件。该方法用于在使用没有开发经验的探测器芯片，如CCD探测器进行成像电路的设计时，解决电路设计中需要找到最佳电路参数的问题。本发明专利技术应用于成像电路的设计和调试阶段，能够快速且自动化的得出探测器的满阱值。在测试结果中，满阱值最高的结果所对应的电路参数，即认为是最佳电路参数。即认为是最佳电路参数。即认为是最佳电路参数。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光子转移曲线的自动化满阱测试方法


[0001]本专利技术属于光电成像器件性能参数检测
，具体涉及一种基于光子转移曲线的自动化满阱测试方法。

技术介绍

[0002]紫外高光谱大气成分探测仪是一种空间光学载荷，具有探测目标区域痕量污染气体含量的能力，CCD探测器是紫外高光谱大气成分探测仪中的重要组成部分。
[0003]CCD探测器(Charge
‑
coupled Device，电荷耦合器件，以下简称CCD)，是一种集成电路，由许多排列整齐的电容组成，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD广泛应用在数字摄影、天文学，尤其是摄影测量学、光学与频谱望远镜、高速摄影中。其关键的参数包括读出速度、满阱、读出噪声等等。在紫外高光谱大气成分探测仪的工程应用中，更加看重CCD的满阱性能。
[0004]通常来说，CCD的满阱由探测器本身的制造工艺决定。但同时，CCD能够发挥出的满阱不但和探测器本身的制造工艺相关，还和CCD成像电路的电路设计水平相关。电路的参数选择是电路设计中的重要组成部分，其选择内容包括了对关键电压的选择、驱动时序的设计、关键阻值容值的选择等等。对一款从未使用过的探测器来说，能够调整的电路参数组合可能有数百种，即可能需要进行上百次的满阱测试以确定最佳的电路参数。
[0005]光子转移曲线(Photon Transfer Curve，PTC)是一种对CCD的满阱和电路增益进行测试的方法。光子转移曲线是用于表征探测器的读数(单位为：DN，即Digital Number，即采集软件获取的数值，又称为DN值)和满阱关系的一种曲线，如图1所示，随着探测器光强增加，探测器读数增加，在不同阶段，占据主导地位的噪声不同。在光强微弱时，占据主导地位的是读出噪声；随着光强的增加，占据主导地位的噪声逐渐变为散粒噪声；之后光强继续增加，占据主导地位的噪声逐渐变为固定模式噪声(Fixed Pattern Noise，FPN)，随后图像到达转折点，噪声开始急剧下降。其线性部分的拟合斜率即为电路增益；转折点处，称为光子转移曲线的饱和点，即认为探测器到达满阱。
[0006]中国专利技术专利CN106840613A(辐照后互补金属氧化物半导体光子转移曲线和转换增益的测试方法)提出了一种使用光子转移曲线对辐照后的互补金属氧化物半导体的转换增益进行测试的方法，该方法采用设置15组不同的曝光时间，每组曝光时间拍摄多组暗场和亮场照片相减的方式，计算辐照前后互补金属氧化物半导体的转换增益，其使用软件采集数据，再手动进行后续处理。但对于紫外高光谱大气成分探测仪来说，因航天产品的可靠性要求，不具备任意设置曝光时间的功能，仅有8档曝光时间可调，无法实现上述方法中的15种曝光时间的方法。同时，因为上述方法应用背景为测试互补金属氧化物半导体在辐照前后的变化，故仅需要在辐照前后各操作一次，不需要考虑测试的时间成本问题，但在本次的应用中，因为需要进行大量的光子转移曲线测试，故需要提高数据的采集和处理效率。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种基于光子转移曲线的自动化满阱测试方法，以解决电路设计和调试过程中需要找到最佳电路参数的问题。该方法应用于CCD成像电路的设计和调试阶段，能够快速自动化得出探测器的满阱值。在测试结果中，满阱值最高的结果所对应的电路参数，即认为是最佳电路参数。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于光子转移曲线的自动化满阱测试方法，具体的实现步骤如下：
[0009]步骤一，搭建实验装置，所述实验装置包括光源、光源控制器、积分球、CCD探测器及其成像电路、热敏电阻、数据采集器和工控机；
[0010]步骤二，选择CCD探测器的曝光时间T，固定此曝光时间用于后续测量；
[0011]步骤三，调节光源，使得当前光强下，CCD探测器有微弱响应，记录光源强度A1；再次调节光源，使得当前光强下，光源亮度明显大于CCD探测器饱和亮度，记录光源强度A20；
[0012]步骤四，将光源强度分为20档，标记为A1到A20；
[0013]步骤五，开始执行自动测试流程；
[0014]步骤六，自动测试流程首先关闭光源，每隔T时间采集温度和图像，当温度差小于1％且连续两幅图像的均值差小于1％时，表示温度和图像稳定，此时采集两幅图像，分别记作F1和F2，将两幅图像的均值记作M0；
[0015]步骤七，图像F1和图像F2对应像素值相减，形成一幅新的图像，即生成图像F3＝F1
‑
F2，计算F3的方差，记作V0；
[0016]步骤八，将光源强度调节到A1，重复步骤六和步骤七中操作，待温度和方差图像稳定后，采集两幅图像，两幅图像相减得到第三幅图像，计算均值和方差，得到M1和V1；
[0017]步骤九，依次将光源强度从A2到A20调节，重复步骤八中的过程，并记录图像的均值Mn和方差Vn；其中，n＝2
…
20；
[0018]步骤十，在步骤九完成后，以Xn＝(Mn
‑
M0)*2为横坐标，以Yn＝Vn
‑
V0为纵坐标，将点Pn记作以Xn为横坐标，Yn为纵坐标的点，即Pn(Xn，Yn)，依次连接点P1、P2
…
Pn，作折线图，此折线图即为CCD探测器的光子转移曲线；其中，n＝1
…
20；
[0019]步骤十一，从光子转移曲线的最右侧开始搜索，第一个满足其左侧相邻的连续两个点的值都小于当前值的点，确定为饱和点，假设该点为第m个点，即Pm，则将P1到Pm拟合成一条直线，拟合斜率为h，单位为DN/e，其中DN表示图像在采集软件中的实际读数单位，e表示该读数对应的电子数单位；使用h的倒数和Xm相乘，其中Xm为点Pm对应的横坐标，单位为DN，乘积即为CCD探测器满阱值，满阱值单位为e；
[0020]步骤十二，调节电路参数，重复进行上述步骤五到步骤十一，直到遍历所有的电路参数，选出对应满阱值最高的电路参数。
[0021]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0022](1)本专利技术自动化的进行光子转移曲线的测试工作，得出光子转移曲线和满阱测试结果，在需要多次测试的应用场景下提高了测试效率。
[0023](2)本专利技术的自动化测试包括自动化调节光源、采集数据，得出结果等等。
[0024](3)本专利技术采取固定曝光时间，调节光源亮度的方式实现亮度的变化，其优点为：并非所有探测器的积分时间都多档可调，但光源亮度在大多数情况下都能实现多档可调
(因为仅需要简单的调节电压或电流)，故操作更具有通用性。
[0025](4)本专利技术同时采取调节光源亮度的方式仅需要采集一次暗场数据，相比每种曝光时间采集暗场，提高了数据的采集效率。
[0026](5)本专利技术采用热敏电阻和图像方差的方式，判断当前环境是否稳定，能否可以开始采集。
[0027](6)本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光子转移曲线的自动化满阱测试方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，搭建实验装置，所述实验装置包括光源、光源控制器、积分球、CCD探测器及其成像电路、热敏电阻、数据采集器和工控机；步骤二，选择CCD探测器的曝光时间T，固定此曝光时间用于后续测量；步骤三，调节光源，使得当前光强下，CCD探测器有微弱响应，记录光源强度A1；再次调节光源，使得当前光强下，光源亮度明显大于CCD探测器饱和亮度，记录光源强度A20；步骤四，将光源强度分为20档，标记为A1到A20；步骤五，开始执行自动测试流程；步骤六，自动测试流程首先关闭光源，每隔T时间采集温度和图像，当温度差小于1％且连续两幅图像的均值差小于1％时，表示温度和图像稳定，此时采集两幅图像，分别记作F1和F2，将两幅图像的均值记作M0；步骤七，图像F1和图像F2对应像素值相减，形成一幅新的图像，即生成图像F3＝F1
‑
F2，计算F3的方差，记作V0；步骤八，将光源强度调节到A1，重复步骤六和步骤七中操作，待温度和方差图像稳定后，采集两幅图像，两幅图像相减得到第三幅图像，计算均值和方差，得到M1和V1；步骤九，依...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文清，林方，王煜，常振，邱晓晗，刘国华，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：