JJ.国家计量标准-JJF 1037-1993 线列固体图像传感器 特性参数测试1.pdf

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1、中华人 民共和 国国家计量技术规范 J J F 1 0 3 7 - 1 9 9 3 线列固体图像传感器 特性参数测试 M e a s u r e me n t a n d Te s t o f Ch a r a c t e r i s t i c P a r a me t e r s f o r L i n e a r S o l i d S t a t e I ma g e S e n s o r s 1 9 9 3 一0 6 一1 9 发布 1 9 9 4 一0 1 一0 1 实施 国 家 技 术 监 督 局发 布 J J F 1 03 7- 19 93 线列固体图像传感器特性 参数测试技

2、术规范 Th e Te c h ni c a l No r m o f Me a s u r e me nt a n d T e s t o f Cha r a c t e r i s t i c P a r a me t e r s f o r L i n e a r S o l i d S t a t e I ma g e S e n s o r s J J F 1 0 3 7 - 1 9 9 3 口.今-今.心.令.。.勺.。、 本技术规范经国家技术监督局于 1 9 9 3年0 6月1 9日批准，并自1 9 9 4 年0 1 月0 1日 起施行。 归口单位 : 中国测试技术研究院 起 草

3、单位 : 中国测试技术研究院 本规范技术条文由起草单位负责解释 JT F 1 03 7- 1 99 3 本规范主要起草人 : 龚晓斌 刘颖 万光毅 参加起草人 : 董亮初 梁平 治 ( 中国测试技术研究院) ( 北京理工大学) ( 中国测试技术研究院) ( 中国科学院上海技术物理研究所) ( 中国科学院上海技术物理研究所) J JF 1 03 7- 1 99 3 目录 主题内容与适用范围 一 特性参数及相关量的定义 测试方法及测试条件 (1) (1) ( 3) 一一三 . I JF 1 0 37- 1 99 3 线列固体图像传感器特性 参数测试技术规范 为了评价线列固体 图像传感器 ( 以下简

4、称规范) 。 主题词:线列固体图像传感器、 ( 以下简称器件)的计量特性，特制定本技术规范 参数测试、规范。 一主题 内容 与适 用范 围 I 本规范对线列固体图像传感器特性参数及相关量进行了定义。 2 本规范推荐了线列固体图像传感器特性参数的测试方法及测试条件。 3 本规范适用于下列可见光线列固体图像传感器。 3 . 1 电荷藕合图 像器件 ( C C I D - C h a r g e C o u p l e d I m a g e D e v i c e ) . 3 . 2 自 扫描光电 二极管线列 ( S S P L A -S e l f S c a n n e d P h o t o

5、 d i o d e L i n e a r A r r a y ) . 3 . 3 类似于C C I D , S S P L A的 其他线列固 体图像传感器。 二特性参数及相关量的定义 4 电荷转移效率 ( C h a r g e t r a n s f e r e f f i c ie n c y ) 表征器件转移电荷包能力的特性参数。 定义: 电荷包在进行一次转移时实际传输到下一电极的电荷量 Q 。 * ， 与转移前的电 荷量 Q 。 的比 值。符号为 ， ，由式 ( 1 ) 表示: 7=Qn + 1 1 Q n ( 1 ) 5 总转移效率 ( T o t a l t r a n s f

6、 e r e f f i c i e n c y ) 定义:在器件包含的有效光敏元中，位于离输出端最远的光敏元 ，受光后产生的电 荷包Q 。 经 、 次转移后到达 输出端时， 其电荷量 Q 、 与Q 。 之比 值。 符号为T T E ，由 式 ( 2 )表示: T T E=Q/ Q O = V! 0 ( 2 ) 6 曝光积分时间 ( E x p o s u r e i n t e g r a t e d t i m e ) 定义:光敏元累积光信号产生电荷的时间。符号为 T，单位为秒，s o 7 曝光量 ( L u mi n o u s e x p o s u r e ) 定义:入射到光敏元上的

7、 ( 恒定)照度 E与曝光积分时间T之积。符号为 H，单 位为勒克司秒， I x . s o 8 饱和输出电压 ( S a t a r a t i o n o u t p u t s ig n a l v o l t a g e ) 定义:人射到光敏元上的曝光量大于某一限度时器件输出不再随曝光量的增加而变 化，此时器件输出的信号电压值。符号为 V-，单位为伏特，V. . i . 1 F 1 037 - 19 93 9 饱和曝光量 ( S a t u r a t i o n e x p o s u r e ) 定义: 器件输出信号电 压达到饱和时的最小人射曝光量。 符号为 H , e ， 单位为

8、勒克 司秒，l x “ s a 1 0 暗输出电压 ( D a r k o u t p u t v o l t a g e ) 定义:器件在无 光照条件下各光敏元输出电压的平均值。符号为 V D ，由式 ( 3 ) 表示 : V 。 一 _1N 睿 V D , ( 3 ) 式中:VD i 第 i 光敏元的暗输出电压 ; N光敏元数 目。 1 1 暗输出 ( 电压)不均匀性 ( U n - u n i f o r m i t y o f d a r k o u t p u t v o l t a g e ) 定义:器件各光敏元在无光照条件下，各自输出信号电压中的最大值 小值 V D m m 与平

9、均值 V D之比的百分数。符号为 P R N U D，由式 ( 4 )表示 : P R N U D=( V D . . 、 一V D m ln ) / VD X 1 0 0 % 1 2 暗噪声 ( N o i s e o f d a r k o u t p u t v o l t a g e ) V D -、 减去最 封式5)式6) (由(由( 定义: 器件在无光照条件下暗输出电压随时间涨落的 均方根值。符号为 V N , ( 5 )表示 : 式 中: VN t 时刻暗输出电压;一 丫 罐( V r 一 又 ” 各时刻暗输出电压的平均值; 叭-叭 M采样次数。 1 3 噪声等 效曝光量 ( N

10、 o i s e e q u i v a le n t e x p o s u r e ) 定义 :器件暗噪声所对应的曝光量。符号为 HN ，单位为勒克司秒，I x “ s , ( 6 )表示: HN= V N / R 式中:V N R- 暗噪 声值 ; 响应度值 。 1 4 响应度 ( R e s p o n s i v i t y ) 表征器件受照曝光量与输出信号电压之间光电转换的特性参数。 定义 :在标准 A光源照射下器件在线性响应区，光敏元每单位曝光量所产生的输 出信号电压。符号为 R，单位为伏特每勒克司秒，V / l x “ s ，由式 ( 7 )表示 : R 二 V/ 仃( 7 )

11、 式中:H器件所受曝光量 ; v光敏元对应于 H 的输出信号电压。 1 5 响应不均匀性 ( P h o t o r e s p o n s e Un - u n i f o r mi t y ) 表征器件各光敏元响应度的不一致性。 J JF 1 0 37 - 1 9 93 定义 :器件各光敏元在二分之一饱和曝光量条件下各 自输出信号电压中的最大值 V - A x 减去最小值 V m i。 与 平均值V之比 的百分数。 符号为P R N U ， 由式 ( 8 ) 表示: P R N U =( V m a 、 一V , ; ) / V x 1 0 0 % ( 8 ) 1 6 动态范围 ( D y

12、 n a m i c r a n g e ) 表征器件探测光信号大小的相对范围。 定义 : 饱和曝光量 H、 与噪声等效曝光量 HN 之比值。符号为 D , ，由式 ( 9 )表示: D, =Hs , / HN ( 9 ) 1 7 相对光谱响应度 ( R e l a t i v e s p e c t r a l r e s p o n s i v i t y ) 表征器件的光谱响应特性。 定义:器件在波长 A的单色光照射下的光谱响应度 5 ( 劝 与其最大值 S 之比值。 符号为 S ( A ) , ，由式 ( 1 0 )表示: S ( A ) r 二S ( A ) / S m ( 1 0

13、) 1 8 光谱响应范围 ( S p e c t r a l r e s p o n s e r a n g e ) 表征器件有响应输出的人射光之波长范围。 定义:相对光谱响应度为0 . 1 时所对应的人射光最短波长与最长波长之间的波段范 围。 1 9 调制传递函数 ( Mo d u l a t i o n t r a n s f e r f u n c t i o n ) 表征器件图像变换空间分辨能力的特性参数。 定义:在奈奎斯特频率范围内，各正弦空间频率 ， 的调制光作用下，器件输出信号 调制度 MO( 、 ) 与入射光信号调制度 M, ( v )之比 值。符号为 M T F ，由式 (

14、1 1 )表 不: MT F二 M(， ( v ) / M, ( v )( 1 1 ) 三测试方法及测试条件 2 0 转移效率的测试 2 0 . 1 小光点注入法 2 0 . 1 . 1 测试装置及测试方法 通过光学系统产生小光点，其尺寸应小于单个光敏元的光敏区，小光点的照度连续 可调，同时可相对于被测器件中各光敏元平稳扫描。器件输出信号经相关双采样电路、 A / D转换后送人微机。整个测试系统由微机控制同步协调工作 ( 参见图 1 ) 0 2 0 . 1 . 2 测试条件 小光点光源应采用国际照明委员会 ( C I E )规定的标准A光源 ( 以下简称A光源) ， 并保证在整个测试周期过程中

15、稳定性在 0 . 5 %以内。调节小光点照度，使靠近输出端有 效光敏元输出信号等于饱和输出信号的一半。 应给定器件测试中的工作条件 。如工作室温 、驱动工作频率或数据输出速率、积分 JJ R 1 03 7- 1 99 3 小 光点 图 1 小光点 注人法装置示意 图 时间、直流工作电压、驱动脉冲高低电平等。若被测器件是表面沟道者还应加注 “ 胖 零”条件。 2 0 . 1 . 3 数据处理方法 将器件各光敏元输出值设为纵坐标 y ， 光敏元的 序号设为横坐标x , 做出数据的散 点图。 然后采用最小二乘法将散点图拟 合成直线方程如式 ( 1 2 ) : Y=a一b x ( F H ) ( 1

16、2 ) 式中:a, b 拟合常数。 从而总转移效率和转移效率可分别由式 ( 1 3 )和式 ( 1 4 )计算出。 T T E=1 一( b / a ) x n ( 1 3 ) 1 =T T E I / “ ( 1 4 ) 式中:n 电荷转移总次数。 这样计算出来的转移效率是器件的平均转移效率。在给出转移效率数据的同时应附 上相应的曲线。 2 0 . 2 电注人法 利用给器件的检测端口周期性注人一串电脉冲信号的简便方法，也可以测试器件的 转移效率。操作及处理类似于光注入法。 2 1 响应不均匀性的测试 2 1 . 1 测试装置及测试方法 同2 0 . 1 . 1 2 1 . 2 测试条件 同2

17、 0 . 1 . 2 4 J JF 1 0 3 7- 19 93 2 1 . 3 数据处理方法 方法 1 :不考虑转移效率的不均匀性的影响，直接按式 ( 8 )计算处理。 方法 2 :扣除转移效率对不均匀性的影响之后的数据再按式 ( 8 )计算处理。 2 2 响应度、饱和输出电压等参数的测试 2 2 . 1 测试装置和测试方法 参见图 2 ，采用大小积分球串联结构，光源发出的光经两级光学积分后在大球窗口 产生均匀光场。于小球进人大球的光通道上装有连续可调的自动控制光栏以调节光通 量，从而在大球窗口上获得连续变化的曝光量。大球上设有两个窗口，一个是放置被测 器件的窗口，其面积大于被测器件尺寸。另

18、一个是照度即曝光量监测窗口， 通过高精度 照度计实时检测曝光照度。器件输出信号通过相关双采样电路，经 A / D转换后送人微 机 ，整 个测试系统 由微 机控制 同步 协调工作 。 n j 变 中 阻 电源 通适 1 标准电阻 光档 积分 球 卜 - - I照度 计 巡 回 检测 器 通 道: I ,$ Z 1L kA 一. ， 飞 3L n L l f uh L l /侧光一极省 C CD 数了电少 、 表 采样 电路 并行接日C P I 13 I I i - fi i 接u 微 机 图 2光 电转 换特性测试装置示 意图 测试过程中微机按程序控制光栏，逐步增加人射于器件上的照度即曝光量，并

19、由微 机自动记录输人的曝光量以及同步采集的器件输出信号电压。 2 2 . 2 测试条件 采用发光稳定性为0 . 5 %的A光源以及 2 0 . 1 . 2中所规定的有关器件的工作条件。 2 2 . 3 数据处理方法 以 曝光量H为横坐标， 输出信号电 压 V为纵坐标，由 测试数据给出散点图， 并按 最小二乘法分别对线性区及饱和区拟合出两条直线如图 3 。饱和区起始点对于横坐标垂 直线之垂足H s e 即为饱和曝光量， 饱和 线延长线与纵坐标之交点 V . , 即 为饱和 输出 信号 电压。由图3中直线区按式 ( 1 5 )计算出响应度 R: R 二 V / p H( 巧) 2 3 暗输出电压、

20、暗噪声等参数的测试 J . 1 F 1 037 - 1 9 93 图 3 光电转换特性曲线 2 3 . 1 测试装置及测试方法 同2 2 . 1 所述的装置，只是需要在暗噪声的测试中增设必须的低噪声放大器。 在装置中光源熄灭状态下测出器件光敏元暗输出电压。微机对器件某给定光敏元 ( 建议取输出端靠前那一光敏元)所输出的暗信号电压连续采样若干次 ( 建议选为3 0次 以上 ) 。 2 3 . 2 测试条件 器件工作条件参照 2 0 . 1 . 2并屏蔽室内杂散光。 2 3 . 3 数据处理方法 由测试数据先后按式 ( 3 ) 、式 ( 4 ) 、式 ( 5 ) 、式 ( 6 )计算出暗输 出电压

21、 V D 、暗 输出不均匀性 P R N U D、暗噪声 V N 、噪声等效曝光量 H, ，再由得到的结果按式 ( 9 ) 计算出动态范围D , D V M 转 镜CCD 饮 之 门- 相 关采 样 电 路 硅 光_ 极 F U . 示 器 光源 G PI R 单 色仪 微机 步进 电机 步 进 电 机 驱 动 器 R S一 2 32 C 绘 图 仪 图 4 相对光谱响应度测试装置示意图 . L I F 1 03 7- 19 93 2 4 相对光谱响应度和光谱响应范围的测试 2 4 . 1 测试装置及测试方法 参见图 4 ，整个测试系统由已知相对光谱响应度 S o( 们r 的 ( 标准)硅光二

22、极管、 稳定性为0 . 5 %的光源 、单色仪、波长控制和微机数据采集装置所构成。波长鼓由微机 控制，在器件光谱响应范围内连续扫描，并可在任一波长点停住。( 标准)硅光二极管 和被测器件的输出信号，经相关双采样电路、由A / D转换后送人微机处理。 在测量中首先将硅光二极管置于单色仪出射狭缝处，微机控制波长鼓使单色仪进行 全波段扫描，并同步实时测出各波长点下硅光二极管的输出信号电压 V a( 几 ) 。然后用 被测器件代替硅光二极管，在同样状态下测量器件的输出信号电压 V W o 2 4 . 2 测试条件 器件工作条件参照 2 0 . 1 . 2并屏蔽一切杂散光。 2 4 . 3 数据处理方法

23、 由 钡 试数据 V O ( A ) , V ( 劝 以及已 知的 硅光二极管的 相对光谱相应度S o ( 对r ， 按式 ( 1 6 )计算出被测器件的相对光谱响应度: S O) ， =S ( 2 ) / S m二 V( 2) V n ( 几 ) 5 。 ( 、 ) r 一 / S , ( 1 6 ) 式中: S、 是器件峰值波长处的响应度值即归一化基数， 也就是式 ( 1 6 )中分子项取最 大值时相应波长下的得值。 以波长 穴为横坐标，相对光谱响应度 S ( 幼, 为纵坐标绘制出相对光谱响应度曲 线 ，从曲线上查出光谱响应范围。 2 5 调制传递函数的测试 2 5 . 1 测试装置及测试

24、条件 参见图 5 ，平行光照射在不同空间频率的黑白条纹透射式分辨率板上 ，分辨率板成 像在被测器件上 ，分辨率板所形成的准正弦信号在被测器件上由微机采集并输出其图像 信号。光源为稳定性达 0 . 5 %的标准 A光源。透镜 L的调制传递函数 MT F ， 应为已知。 图 5 MTF测量示意 图 2 5 . 2 测试方法及结果处理 调整光学系统，使不同空间分辨率的分辨率板，在被测器件上所成图像空间频率依 J J F 1 0 3 7 -1 9 9 3 次为: f N , f N / 2 , f N / 4 , f N / 8 , f N / 1 6 , f N / 3 2 , f N / 6 4

25、, f , / 1 2 8 。其中f N 0 1 / 2 s ,、 是器件相邻光敏元的中心距，f N 为奈奎斯特频率。 在各个空间频率下，由 微机采集并计算出 各白 条纹信号最大值之平均值 I 。 和各黑 条纹信号最小值之平均值 I , ， 然后按式 ( 1 7 ) 计算出输出 调制度M0( ， ) : M0 ( ， )=( I O 一I D ) / ( I 0 +1 , ) ( 1 7 ) 规定 M, ( f , / 1 2 8 )为输人调制度，从而对于空间频率为 ， 时的调制传递函数 MT F ( ， )可由式 ( 1 8 )计算得到。 MTF ( ， )= M。 ( v ) / MT F , ( ， ) M， ( f N / 1 2 8 ) / MT F , ( f N / 1 2 8 ) ( 1 8 )