色選用近紅外InGaAs 焦平面探測器參數(shù)測試方法

1色選用近紅外InGaAs焦平面探測器參數(shù)測試方法本文件給出了色選用近紅外InGaAs焦平面探測器的參數(shù)，包括相對光譜響應(yīng)、光譜因子、像元黑體探測率、平均黑體探測率、響應(yīng)率、響應(yīng)率不均勻性、盲元率、行差、噪聲電壓及相應(yīng)的測試方法。本文件適用于線列、面陣色選用近紅外InGaAs焦平面探測器。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T17444—2013紅外焦平面陣列參數(shù)測試方法3術(shù)語和定義GB/T17444確立的以及下列術(shù)語和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。3.1近紅外nearinfrared探測器的標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)波段為0.8～2.5μm。3.2死像元deadpixel分階段定義。0.8～1.9μm波長范圍內(nèi)，像元響應(yīng)率小于平均響應(yīng)率10%的像元。1.9（不含）～2.5μm波長范圍內(nèi)，像元響應(yīng)率小于平均響應(yīng)率30%的像元。3.3過熱像元overhotpixel分階段定義。20.8～1.9μm波長范圍內(nèi)，像元響應(yīng)率大于平均響應(yīng)率10%的像元。1.9（不含）～2.5μm波長范圍內(nèi)，像元響應(yīng)率大于平均響應(yīng)率30%的像元。3.4行差當(dāng)探測器大于1行時，探測器各行扣除無效像元后。各行平均響應(yīng)率的最大值與最小值之差。3.5雜光比采集不遮擋位置光敏元輸出的平均值，與安裝遮光板前不遮擋位置光敏元輸出的平均值做計(jì)算，得到雜光比。4符號和單位表1給出了色選用近紅外InGaAs焦平面探測器參數(shù)符號、名稱和單位。符號名稱單位i)相對光譜響應(yīng)無量綱G光譜因子無量綱P黑體輻照功率Wd死像元數(shù)無量綱h過熱像元數(shù)無量綱VS黑體信號VVS平均黑體信號VRv峰值電壓響應(yīng)率V/WRλ峰值電流響應(yīng)率A/WUR響應(yīng)率不均勻性無量綱Nbad盲元率無量綱E行差無量綱MTFdet待測器件MTF無量綱MTFoptics光學(xué)系統(tǒng)MTF無量綱MTFsystem系統(tǒng)MTF無量綱MTFslit狹縫的MTF無量綱C雜光比無量綱-V0安裝遮光板前不遮擋位置光敏元信號V-VR安裝遮光板后不遮擋位置光敏元信號V35測試方法5.1相對光譜響應(yīng)、光譜因子5.1.1測試原理采用光柵單色儀結(jié)合探測器測試系統(tǒng)即可進(jìn)行探測器的光譜響應(yīng)表征，對探測器陣列的光譜響應(yīng)進(jìn)行測試，初始化單色儀，通過單色儀為探測器提供單色光照，在軟件中設(shè)置好選用的光柵、狹縫寬度、光源進(jìn)出口、起止波長和掃描步進(jìn)等參數(shù)，先測試InGaAs標(biāo)準(zhǔn)器件不同波長下的響應(yīng)信號，再測試待測焦平面的響應(yīng)信號，通過標(biāo)準(zhǔn)器件的響應(yīng)光譜進(jìn)行光譜歸一化處理，獲得待測焦平面的相對光譜響應(yīng)。光譜因子G由計(jì)算得到。5.1.2測試框圖測試框圖如圖1所示，整個測試系統(tǒng)由點(diǎn)源黑體、單色儀、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡、供電電源、數(shù)字脈沖發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)器件、計(jì)算機(jī)等部分組成。圖1單色儀方法測試框圖5.1.3測試條件測試條件如下：a)輻射源一般采用高溫點(diǎn)源黑體作為輻射源，應(yīng)滿足下列要求：黑體溫度穩(wěn)定，輸出不加調(diào)制；黑體輻射應(yīng)保證探測器各像元均勻輻照；電源的電壓穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于±1%；電源的電流穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于±0.5%。焦平面器件測試的黑體溫度T推薦取900K。b)單色儀4單色儀應(yīng)滿足下列要求：波長的可調(diào)范圍應(yīng)能覆蓋被測探測器的光譜響應(yīng)；單色輻射束的波長寬度應(yīng)不大于中心波長的1/3；入射到被測探測器靈敏面上的輻照應(yīng)是均勻的。c)標(biāo)準(zhǔn)器件光譜響應(yīng)應(yīng)是已知的；應(yīng)定期送計(jì)量部門校準(zhǔn)。d)前置放大器其功能是將探測器產(chǎn)生的響應(yīng)信號進(jìn)行放大。應(yīng)該工作在線性范圍，并且有平坦的幅頻特性，其帶寬和增益應(yīng)滿足測試要求，增益穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于±1探測器輸出電壓范圍應(yīng)與采集卡設(shè)備相符合；放大器帶寬需大于器件信號輸出帶寬；放大器使用直通工作模式，不增加高通或低通濾波器。5.1.4測試步驟測試步驟如下：a)按照圖1連接測試系統(tǒng)。b)調(diào)節(jié)測試系統(tǒng)，使探測器處于正常工作狀態(tài)。c)選擇相應(yīng)的光譜測試波長范圍，以及被測器件的某一像元或某一區(qū)域測試位置。單色儀的波長在計(jì)算機(jī)控制下，進(jìn)行波段掃描，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測得各波長點(diǎn)下被測焦平面的輸出信號電壓，對電壓值進(jìn)行計(jì)算得到相對光譜響應(yīng)Rλi、光譜因子G。5.1.5計(jì)算5.1.5.1相對光譜響應(yīng)焦平面測得的光譜響應(yīng)需用標(biāo)準(zhǔn)器件測得的光譜響應(yīng)做校準(zhǔn)處理，處理方法如公式（1）所示：·Rstd………………公式式中，Rstd(λi）為標(biāo)準(zhǔn)器件的標(biāo)定光譜。從歸一化的相對光譜響應(yīng)曲線Rλi中可提取光譜響應(yīng)范圍和峰值波長。以波長為橫坐標(biāo)，相對光譜響應(yīng)Rλi為縱坐標(biāo)，繪制出相對光譜響應(yīng)曲線，對應(yīng)的前、后截止波長之間為光譜響應(yīng)范圍，除非另有規(guī)定，推薦前截止波長為峰值的10%，后截止波長為峰值的50%。5.1.5.2光譜因子光譜因子G由相對光譜響應(yīng)與黑體輻射譜叉乘得到：5…公式式中：T——焦平面測試時的黑體溫度，單位為開爾文（Kφ(λ)——黑體的單色輻射功率，單位為瓦特（WG(λ)——響應(yīng)率的測量曲線；λP——峰值響應(yīng)波長；G(λP)——相對峰值響應(yīng)率，相對單色響應(yīng)率；C1——3.742×104W?μm4/cm2;C2——1.439×10μm?K;其中φλ如公式（3）所示：………公式式中：h——普朗克常數(shù)6.626×10-34J?s；c——真空光速2.998x108m/s；k——玻爾茲曼常數(shù)1.381x10-23J/K。通過相對光譜響應(yīng)提取起始波長、截止波長和峰值波長，同時計(jì)算確定黑體溫度下對應(yīng)的G因子，為基于黑體輻射源建立焦平面測試系統(tǒng)，測量探測器信號提取器件量子效率提供依據(jù)。5.2像元黑體探測率、平均黑體探測率、響應(yīng)率、響應(yīng)率不均勻性、盲元率、行差5.2.1測試原理黑體源發(fā)出的紅外輻射照射在待測探測器上。以點(diǎn)源黑體為例，計(jì)算照射在探測器上的功率。因?yàn)楹隗w輻射有連續(xù)波譜而且各波長的發(fā)射率不同，探測器產(chǎn)生的信號應(yīng)是各個波長輻射產(chǎn)生的信號總和。在焦平面測試系統(tǒng)中，直接測量的物理量為信號Vs[(i，j)]，和暗信號Vds[(i，j)]通過F幀暗信號Vds[(i，j)]的均方根偏差，在扣除無效像元后計(jì)算獲得Vn(i，j)，計(jì)算平均信號s。6響應(yīng)率是指輸出信號電壓或電流與入射光功率的比值，也就是單位入射光功率所生成的電流或電壓信號，入射光功率一致，而入射光的波長不同所產(chǎn)生的響應(yīng)也不盡相同，因此常結(jié)合器件光譜響應(yīng)曲線，提取光譜因子G，用峰值響應(yīng)率表征探測器的光電轉(zhuǎn)換能力。需要時，本條目規(guī)定的測試應(yīng)在探測器工作狀態(tài)下進(jìn)行。5.2.2測試框圖測試框圖見圖2，整個測試系統(tǒng)由點(diǎn)源黑體、數(shù)據(jù)采集卡、供電電源、數(shù)字脈沖發(fā)生器、計(jì)算機(jī)等部份組成。圖2黑體輻照功率的黑體信號測試框圖5.2.3測試條件測試條件如下:a)供電電源應(yīng)能提供探測器組件正常工作所需的供電電壓、電流；電壓范圍、精度、紋波系數(shù)、供電電流、穩(wěn)定性等應(yīng)滿足測試要求。b)數(shù)字脈沖發(fā)生器脈沖頻率可調(diào)，能輸出保證器件正常工作的最大頻率；脈沖電壓滿足器件工作電壓要求；脈沖支持多通道同時輸出，滿足器件數(shù)字邏輯通道數(shù)量；脈沖可編輯修改，滿足器件各增益、曝光時間的控制與修改。c）數(shù)據(jù)采集卡輸入阻抗與器件相匹配；采集速率可調(diào)，滿足器件工作速率，且可與器件時鐘同步；采集模擬信號需大于器件輸出擺幅范圍，不滿足可增加前置放大器進(jìn)行調(diào)制后再接入采集卡；數(shù)字信號需大于等于器7件工作速率；采集卡分辨率大于器件標(biāo)稱的最大動態(tài)范圍及信噪比要求；采集卡輸入通道需大于等于器件正常工作狀態(tài)信號輸出通道，若不滿足可使用多卡同步采集。5.2.4測試步驟測試步驟如下：a)按照圖2連接測試系統(tǒng)。b)調(diào)節(jié)測試系統(tǒng)，使探測器處于正常工作狀態(tài)。c)設(shè)置點(diǎn)源黑體溫度，以及被測器件的某一像元或某一區(qū)域測試位置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集被測探測器的輸出信號，使用公式計(jì)算得到像元黑體探測率VS、平均黑體探測率V-S、響應(yīng)率Rv、響應(yīng)率不均勻性UR、盲元率Nbad。5.2.5計(jì)算5.2.5.1黑體輻照功率黑體輻照功率按式（4）計(jì)算：…………………公式當(dāng)L/D>1時，n取值為1；當(dāng)L/D≤1時，n取值為0。式中：T——黑體溫度，單位為開爾文（KT0——背景溫度，單位為（K）；d——黑體輻射孔徑，單位為厘米（cm）；AD——光敏元面積，單位為平方厘米（cm2）；L——黑體出射孔至焦平面像元面垂直距離，單位為厘米（cmσ——斯特藩常數(shù)5.673×10-2W/(cm2?K4)。5.2.5.2像元黑體信號第（i，j）元黑體信號，按式（5）計(jì)算：………………公式式中：Vs[(i,j),f]——第（i，j）像元的第f幀黑體信號，單位為伏特（VVb[(i,j),f]——第（i，j）像元的第f幀背景信號，單位為伏特（VK——測試系增益（K=1F——采樣幀數(shù)。5.2.5.3平均黑體信號探測器平均黑體信號按式（6）計(jì)算：……………公式式中：M——焦平面行數(shù)；N——焦平面列數(shù)；d——死像元數(shù)；h——過熱像元數(shù)。5.2.5.4響應(yīng)率和響應(yīng)率不均勻性（1）峰值電壓響應(yīng)率峰值電壓響應(yīng)率按式（7）計(jì)算：Rv=G·………公式式中，G因子從相對光譜響應(yīng)中獲得；P為黑體輻照功率；（2）峰值電流響應(yīng)率峰值電流響應(yīng)率和峰值電壓響應(yīng)率的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式：………公式式中：Cint——放大器輸入級的積分電容;Av——放大器的增益系數(shù)；τ——焦平面測試的積分時間。（3）響應(yīng)率不均勻性響應(yīng)率不均勻性按式（9）計(jì)算：9×100%………………公式針對色選行業(yè)，像元黑體信號波動范圍一般控制在平均黑體信號的±10%內(nèi)，放寬要求在±30%內(nèi)。5.2.5.5盲元率色選行業(yè)規(guī)定單線列盲元分布不得出現(xiàn)2個及以上的連續(xù)盲元，且規(guī)定在像元黑體信號波動范圍之外的像元定義為盲元。盲元分為兩類：一類是像元黑體信號小于像元黑體信號控制范圍的下限，稱為死像元，記為d；一類是像元黑體信號大于像元黑體信號控制范圍的上限，稱為過熱像元，記為h。盲元率按式（10）計(jì)算：Nbad=×100%…………公式5.2.5.6行差第I行黑體平均信號，按式（11）計(jì)算：S，I=………………公式行差按式（12）計(jì)算：×100%…………公式5.3MTF測試5.3.1測試原理調(diào)整狹縫像的位置使其與待測光敏芯片垂直，通過位移臺帶動光敏元以亞像元步長依次掃過xj,…,xn位置，采集光敏元在各個位置的輸出，就得到了狹縫的線擴(kuò)散函數(shù)曲線LSF。為了抑制隨機(jī)噪聲和固定圖形噪聲對測試的干擾，對光敏元每個位置的輸出進(jìn)行多次采樣，取平均結(jié)果作為該位置的最終輸出。5.3.2測試框圖測試框圖與原理圖如圖3所示，整個測試系統(tǒng)框圖由鹵鎢燈、光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)等組圖3MTF測試框圖與原理圖5.3.3測試條件測試條件如下：鹵鎢燈光譜范圍覆蓋器件光譜范圍；鹵燈盡量使用直流電源供電，鹵燈光強(qiáng)穩(wěn)定，抖動小。b)狹縫狹縫寬度可調(diào)，出射光能均勻覆蓋于焦平面；c)光學(xué)系統(tǒng)確保入射焦平面的光為平行勻光；不滿足平行光入射，需增加平行光調(diào)制系統(tǒng)。5.3.4測試步驟測試步驟如下：a)按圖4連接測試系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)置。b)光源照射狹縫目標(biāo)，通過成像光學(xué)形成高質(zhì)量的目標(biāo)像，并被待測的離散采樣器件接收。c)通過位移臺帶動狹縫對離散采樣系統(tǒng)進(jìn)行物方掃描，可以得到離散采樣器件每個光敏元對狹縫能量的掃描曲線LSF或ESF。d)由MTF測試單元對LSF或ESF進(jìn)行計(jì)算可以得到離散采樣系統(tǒng)的MTF。5.3.5計(jì)算按式（17）采用加權(quán)的單次高斯函數(shù)對LSF曲線進(jìn)行擬合：=a0+aexp…………公式對擬合后的一維LSF數(shù)據(jù)按式（18）進(jìn)行離散傅里葉變換：Yk=Σxne?j2πkn/N………………公式（18）式中：X——輸入的LSF序列；N——x中的元素?cái)?shù)量；Y——離散傅里葉變換后的結(jié)果。對擬合后LSF進(jìn)行離散傅里葉變換，在0頻處歸一化，并剔除狹縫MTF和光學(xué)系統(tǒng)MTF后的結(jié)果如式（19）所示：MTFdet=…………………公式式中：MTFdet——待測器件MTF;MTFsystem——系統(tǒng)MTF，由測試系統(tǒng)直接得到，包含了待測器件、測試系統(tǒng)的綜合貢獻(xiàn)；MTFoptics——光學(xué)系統(tǒng)MTF；MTFslit——狹縫的MTF，由狹縫的非理想性引起，是狹縫寬度的函數(shù)。5.4雜光比測試5.4.1測試原理調(diào)整遮光板的位置使其與待測光敏芯片垂直，通過位移臺帶動遮光板，使其不間斷遮擋X（X一般取10