CCD組件參數測試系統的設計＊

孫大維 趙 楊

（東北電子技術研究所 錦州 121000）

1 引言

CCD組件是光電轉換、電荷儲存、電荷轉移和自動掃描等功能于一體的光電器件。CCD具有多種光電參數，由于生產工藝和工作過程不同，各種CCD的光電參數差異很大。通常在使用前應對參數進行測試，全面定量地表征在探測圖像時CCD組件的綜合性能。特別是對于高靈敏度的CCD組件，靶面照度已經超出計量部門能計量的最小量程，因此需要研制一套高靈敏度CCD組件測試系統[1]。

2 CCD測試系統組成和功能

CCD測試系統的原理見圖1。主要包括光源系統、CCD安裝夾具、電源模塊、控制模塊、PCI圖像采集卡、主機以及電纜組成。CCD測試系統的結構框圖見圖2。

圖1 CCD測試系統的原理圖

圖2 結構框圖

其主要功能是對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試[2]。CCD測試系統的具體設計見表1。

3 CCD測試系統設計

3.1 系統主機

系統主機由工控機、數據傳輸卡及系統軟件三部分組成。通過安裝于工控機上的數據傳輸卡（LVDS－PCI）交換數據，以控制測試平臺工作，顯示測試圖像，獲取測試數據，計算分析；實現對光纖或光錐耦合CCD組件的自動測試工作[3]。

表1 設計要求

3.2 控制及轉換模塊

控制及轉換模塊與系統主機的信息交換，將測試平臺的各項工作狀態發送給系統主機，同時接收主機命令，改變測試平臺工作狀態；通過檢測組件工作及掉電保護，進行安全監控及故障自檢；通過對光源步進電機的控制，實現光源調節；將組件的圖像數據信號及相關的時序信號轉換為適宜遠距離傳輸的LVDS信號，并數據轉換輸出。

3.3 CCD安裝夾具

安裝固定待測的光纖組件；保證被測組件與光源的相對位置確定。

3.4 電源模塊

將220V交流電變為多路直流電源，供給測試平臺其他部件使用；控制各路電源的開關；監測各路電源[4]。

3.5 光源系統

光源系統作為整套測試平臺的基準，其準確度及穩定性至關重要。光源系統主要產生標準特定波段的平行光源，并可以生成不同的測試圖案供CCD組件成像；并可根據系統命令改變光源強度、測試圖像及獲取均勻光照。光源系統由光源、平行光管、帶通濾光片、4組吸收型中性衰減片（每組6片）和成像系統組成，如圖3所示。

圖3 光源系統原理圖

1）平行光管。平行光管輸出平行光源，保證光源強度穩定且隨距離發生變化較小。

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，可按照光功當量公式推算出單位面積輻射功率與照度的固定關系（光功當量）。

對于本平行光源，其光譜曲線如圖4：

圖4 光源光譜曲線圖

根據光功當量公式：

式中：Eλ：波長為λ的相對光能量；Vλ：波長為λ的光譜光視效率值；按光譜曲線計算結果如下：

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

3）吸收型中性衰減片。CCD組件的一項重要指標為靶面最低照度，按技術要求為550nm處＜0.1μW／cm2，是按照單位面積輻射功率表示的。目前輻射計量部門能計量的最小量程為10（300mW／cm2，無法直接測試如此低功率的光。采用衰減片組合的方式可以實現，并保證光強調節的準確性和重復性。選用吸收型中性衰減濾光片，中性衰減片對可見光范圍內的光線透過率保持一致，平行光在經過衰減后光譜曲線不變，保證了光功當量的固定關系不變；吸收型衰減片為單一材質，光學性能穩定，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

在測試均勻性時，光源通過電動位移平臺自動更換為毛玻璃，測試畸變時，光源更換為畸變測試靶標。

4 測試結果分析

4.1 光源穩定性測試

抽取十余組衰減組合（理論透過率從30%（0.1%），進行重復性測試，每組透過率的重復性誤差＜2%；說明光源系統具有高度的穩定性，能作為測量的依據[5]。

圖5 畸變測試靶成像圖

4.2 透過率重復性測試

用三個不同的燈泡，抽取十余組衰減組合（理論透過率從30%（0.1%），進行衰減率重復性測試，對同一組的透過率重復性誤差＜2%；說明更換光源后系統的透過率保持不變，無需重新標定透過率。

4.3 檢測項目重復性誤差分析

將同一套光纖耦合CCD組件產品重復測試數次，其指標及重復性要求如表3：

表3 重復測試誤差分析

5 結語

CCD具有多種光電參數，由于生產工藝和工作過程不同，各種CCD的光電參數差異很大。因此，CCD組件的綜合參數測試結果將直接決定著CCD的實際應用情況。特別是隨著高靈敏度低噪聲CCD組件的出現，其測試難度加大。為了提高其測試準確度和重復精度，研制出了適用于實驗室的操作簡便的CCD組件參數綜合測試系統，實現了一臺儀器對CCD組件的多種參數測試，并且實現了設備的自動化。對連續測試結果進行統計誤差分析，重復性小于3%，測試結果表明，本測試儀測試數據穩定、可靠[6]。

[1]向世明，倪國強.光電子成像器件原理[M].北京：國防工業出版社，1999.

[2]王慶有.CCD應用技術[M].天津：天津大學出版社，2000.

[3]安連生.應用光學[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

[4]趙亮，劉海鷗.CCD組件參數綜合測試系統應用研究[J].光電技術應用，2010（6）：5－7.

[5]李明偉.線陣CCD參量測試系統[J].電子器件2007，4.

[6]趙凱生，劉爽.基于ARM的線陣CCD測量系統應用分析[J].光電技術應用，2006（1）：31－34.