CCD组件参数测试系统的设计＊

孙大维 赵 杨

（东北电子技术研究所 锦州 121000）

1 引言

CCD组件是光电转换、电荷储存、电荷转移和自动扫描等功能于一体的光电器件。CCD具有多种光电参数，由于生产工艺和工作过程不同，各种CCD的光电参数差异很大。通常在使用前应对参数进行测试，全面定量地表征在探测图像时CCD组件的综合性能。特别是对于高灵敏度的CCD组件，靶面照度已经超出计量部门能计量的最小量程，因此需要研制一套高灵敏度CCD组件测试系统[1]。

2 CCD测试系统组成和功能

CCD测试系统的原理见图1。主要包括光源系统、CCD安装夹具、电源模块、控制模块、PCI图像采集卡、主机以及电缆组成。CCD测试系统的结构框图见图2。

图1 CCD测试系统的原理图

图2 结构框图

其主要功能是对CCD组件的帧频、饱和输出幅值、均方根噪声、最低照度等多种性能参量测试[2]。CCD测试系统的具体设计见表1。

3 CCD测试系统设计

3.1 系统主机

系统主机由工控机、数据传输卡及系统软件三部分组成。通过安装于工控机上的数据传输卡（LVDS－PCI）交换数据，以控制测试平台工作，显示测试图像，获取测试数据，计算分析；实现对光纤或光锥耦合CCD组件的自动测试工作[3]。

表1 设计要求

3.2 控制及转换模块

控制及转换模块与系统主机的信息交换，将测试平台的各项工作状态发送给系统主机，同时接收主机命令，改变测试平台工作状态；通过检测组件工作及掉电保护，进行安全监控及故障自检；通过对光源步进电机的控制，实现光源调节；将组件的图像数据信号及相关的时序信号转换为适宜远距离传输的LVDS信号，并数据转换输出。

3.3 CCD安装夹具

安装固定待测的光纤组件；保证被测组件与光源的相对位置确定。

3.4 电源模块

将220V交流电变为多路直流电源，供给测试平台其他部件使用；控制各路电源的开关；监测各路电源[4]。

3.5 光源系统

光源系统作为整套测试平台的基准，其准确度及稳定性至关重要。光源系统主要产生标准特定波段的平行光源，并可以生成不同的测试图案供CCD组件成像；并可根据系统命令改变光源强度、测试图像及获取均匀光照。光源系统由光源、平行光管、带通滤光片、4组吸收型中性衰减片（每组6片）和成像系统组成，如图3所示。

图3 光源系统原理图

1）平行光管。平行光管输出平行光源，保证光源强度稳定且随距离发生变化较小。

2）带通滤光片。采用滤光片获取单色光，保证光谱曲线固定不变，可按照光功当量公式推算出单位面积辐射功率与照度的固定关系（光功当量）。

对于本平行光源，其光谱曲线如图4：

图4 光源光谱曲线图

根据光功当量公式：

式中：Eλ：波长为λ的相对光能量；Vλ：波长为λ的光谱光视效率值；按光谱曲线计算结果如下：

K平行光源＝5.926LUX／（μW／cm2）（即：对于本平行光源，1μW／cm2的单位面积辐射功率对应5.926LUX的照度）

3）吸收型中性衰减片。CCD组件的一项重要指标为靶面最低照度，按技术要求为550nm处＜0.1μW／cm2，是按照单位面积辐射功率表示的。目前辐射计量部门能计量的最小量程为10（300mW／cm2，无法直接测试如此低功率的光。采用衰减片组合的方式可以实现，并保证光强调节的准确性和重复性。选用吸收型中性衰减滤光片，中性衰减片对可见光范围内的光线透过率保持一致，平行光在经过衰减后光谱曲线不变，保证了光功当量的固定关系不变；吸收型衰减片为单一材质，光学性能稳定，其透过率可视为恒定不变；吸收型衰减片的组合干扰＜0.36%，多片衰减片叠加的透过率可简单视为每片衰减片透过率的乘积。通过不同组合，可以得到多种透过率值，衰减片透过率组合如表2。

表2 衰减片透过率组合表

在测试均匀性时，光源通过电动位移平台自动更换为毛玻璃，测试畸变时，光源更换为畸变测试靶标。

4 测试结果分析

4.1 光源稳定性测试

抽取十余组衰减组合（理论透过率从30%（0.1%），进行重复性测试，每组透过率的重复性误差＜2%；说明光源系统具有高度的稳定性，能作为测量的依据[5]。

图5 畸变测试靶成像图

4.2 透过率重复性测试

用三个不同的灯泡，抽取十余组衰减组合（理论透过率从30%（0.1%），进行衰减率重复性测试，对同一组的透过率重复性误差＜2%；说明更换光源后系统的透过率保持不变，无需重新标定透过率。

4.3 检测项目重复性误差分析

将同一套光纤耦合CCD组件产品重复测试数次，其指标及重复性要求如表3：

表3 重复测试误差分析

5 结语

CCD具有多种光电参数，由于生产工艺和工作过程不同，各种CCD的光电参数差异很大。因此，CCD组件的综合参数测试结果将直接决定着CCD的实际应用情况。特别是随着高灵敏度低噪声CCD组件的出现，其测试难度加大。为了提高其测试准确度和重复精度，研制出了适用于实验室的操作简便的CCD组件参数综合测试系统，实现了一台仪器对CCD组件的多种参数测试，并且实现了设备的自动化。对连续测试结果进行统计误差分析，重复性小于3%，测试结果表明，本测试仪测试数据稳定、可靠[6]。

[1]向世明，倪国强.光电子成像器件原理[M].北京：国防工业出版社，1999.

[2]王庆有.CCD应用技术[M].天津：天津大学出版社，2000.

[3]安连生.应用光学[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[4]赵亮，刘海鸥.CCD组件参数综合测试系统应用研究[J].光电技术应用，2010（6）：5－7.

[5]李明伟.线阵CCD参量测试系统[J].电子器件2007，4.

[6]赵凯生，刘爽.基于ARM的线阵CCD测量系统应用分析[J].光电技术应用，2006（1）：31－34.