JJF 1037-1993 线列固体图像传感器特性参数测试技术规范.pdf

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1、、.，啕. JJF 中华人民共和国国家计量技术规范JJf、1037-93线列固体图像传感器特性参数测试1993年6月19日批准1994年1月1日实施国家技术监督局一一一 一目录主题内容与适用范围. . . . . . . . . . . .(1) 特性参数及相关量的定义. . . . . . . . . . . . (1) 测试方法及测试条件. . . . . . . . .(4)、，. 、线列固体图像传感器特性参数测试The technical norm of measurement and test of characteristic parameters for linearlid st

2、ate image senrs JJG 1037-93 本技术规范经国家技术监督局于1993年6月19日批准，并自1994年1月1日起施行.归口单位=中国测试技术研究院起草单位=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.本规范主要起草人z龚晓我(中国测试技术研究院)刘颖(北京理工大学)万光毅(中国测试技术研究院)参加起草人z董亮初中国科学院上海技术物理研究所)., 呆子治(中国科学院上海技术物理研究所)、JJG 1037-93 线列固体图像传感器特性参数测试技术规范共10页第1页为了评价线列固体图像传感器(以下简称器件)的计量特性，特制定本技术规范以下简称规范).主题词:线列固体图像

3、传感器、参数测试、规范.一主题内容与适用范围1 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电荷祸合图像器件(CClD一-ChargeCoupled Image Device). 3.2自扫描光电二极管线列CSSPLA-SelfS臼nnedPhotodiode Linear Array). 3. 3类似于CClD、SSPLA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CCharge transfer efficiency) 表征器件转移电荷包能力

4、的特性参数.定义z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叶1与转移前的电荷量Q.的比值.符号为叩，由式(1)表示:可=Q.+l/Q.(1) 5 总转移效率(Totaltransfer efficiency) 定义z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Qo经n次转移后到达输出端时，其电荷量Q.与QQ之比值.符号为TTE，由式(2)表示:TTE=Q./Qo=矿(2)共10页第2页JJG 1037-93 6 曝光积分时间(Exposureintegrated time) 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). 7 曝光量(Lum

5、inousexposure) 定义:入射到光敏元上的(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(lx s). 8 饱和输出电压(Satarationoutput si胆alvoltage) 定义z入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，I单位为伏特(V).9 饱和曝光量(Saturationexposure) 定义:器件输出信号电压达到饱和时的最小入射曝光量.符号为H尉，单位为勒克司和、(lx s). 10 暗输出电压(Darkoutput voltage) 定义:器件在无光照条件下各光敏元输出电压的平均值.符

6、号为凡，由式(3)表示=N VD=去EJh(3) 式中Vrn一一第4光敏元的暗输出电压;N一一光敏元数目.11 暗输出(电压)不均匀性(Un-uniformityof dark output voltage) 定义:器件各光敏元在元光照条件下，各自输出信号电压中的最大值VDmax减去最小值VDmin与平均值几之比的百分数.符号为PRNUD，由式(4)表示=PRNUD= (VDma.-VDmin )!VDX 100 ,% (4) 12 暗噪声(Noiseof dark output voltage) 定义z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VN，由式(5)表示:、，俨JJG

7、 1037-93 VN = .1鸪川)2式中Vt一-t时刻暗输出电压zV，一一各时刻暗输出电压的平均值;M一一采样次数.13 噪声等效曝光量(Noiseequivalent exposure) 共10页第3页(5) 定义:器件暗曝声所对应的曝光量.符号为HN单位为勒克司秒(Ix.时，由式(6)表示:HN=VNjR (6) 式中VN一一暗噪声值;R一响应度值.14 响应度(Responsivity) 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g在标准A光惊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(Vjlx.时，由式(7)表示

8、:R=VjH (7) 式中H一一器件所受曝光量;V一一一光敏元对应于H的输出信号电压.15 响应不均匀性(PhotoresponseUn-uniformity) 表征器件各光敏元响应度的不一致性.定义z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Vmax减去最小值Vrn!n与平均值F之比的百分数.符号为PRNU，由式(的表示zPRNU= (V max-V rn!n )/VX 100% (8) 16 动态范围(Dynamicrange) 共10页第4页JJG 1037-93 表征器件探测光信号大小的相对范围.定义z饱和曝光量H圈与噪声等效曝光量HN之比值.符号为D由式(9)表

9、示=D.=ll帽/IlN17 相对光谱响应度(Relatives归ctralresponsivity) 表征器件的光谱响应特性.(9) 定义:器件在披长的单包光照射下的光谱响应度S()与其最大值S，.之比值.符号为S().，由式(10)表示zS(灿.=S()/乌(10)18 光谱响应范围(Spectralresponse range) 表征器件有响应输出的入射光之波长范围.定义z相对光谱响应度为0.1时所对应的入射光最短波长与最长波长之间的波段范围.19 调制传递函数(Modulationtransfer function) 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，

10、各正弦空间频率v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，(吟之比值.符号为MTF，由式。1)表示:MTF=Mo(v)/M , (吵(11)三测试方法及测试条件20 转移效率的测试20.1小光点注入法a.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转换后送入微机.整个测试系统由微机控制同步协调工作(参见图1).JJG 1037-93 共10页第5页b.测试条件小光点光摞应采用国际照明委员会(CIE)规定的标准A光摞以下简称A光、源)，并保证在整个

11、测试周期过程中稳定性在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-C.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(12): y=a-bx (1 2) 式中a，b一一拟合常数.从而总转移效率和转移效率可分别由式(13)和式(14)计算出.TIE=l一(b/a)X四(13)可=TT宜1/.(1 4) 式中现一一电荷转移

12、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.20.2电注入法利用给器件的检测端口周期性注入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.21 响应不均匀性的测试21. 1测试装置及测试方法同20.1. a. 21. 2测试条件同20.1.b. 21. 3数据处理方法共10页第6页JJG 1037-93 、川、4 卜、UJ 、l J 图1IJ、光点注入法装置示意图方法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.图2光电转换特性测试装

13、置示意图JJG 1037-93 22 响应度、饱和输出电压等参数的测试22. 1测试装置和测试方法共10页第7页参见图2，采用大小积分球串联结构，光惊发出的光经两级光学积分后在大球窗口产生均匀光场.于小球进入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，从而在大球窗口上我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转换后送入微机，整个测试系统由微机控制同步协调工作.测试过程中微机按程序控制光栏，逐步增加入射于器件上的照度即曝光量，并由微机自

14、动记录输入的曝光量以及同步采集的器件输出信号电压.22.2测试条件采用发光稳定性为0.5%的A光由以及20.1. b中所规定的有关器件的工作条件.22. 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曲即为饱和曝光量，饱和线延长线与纵坐标之交点V.t即为饱和输出信号电压.由图3中直线区按式(15)计算出响应度R:( 11 ) 11 , 11 图3光电转换特性曲式共10页第8页JJG 1037-93 R=,Wj/).H (15) 23 暗输出电压、暗噪声等参数的测试23.

15、1测试装置及测试方法同22.1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.在装置中光晾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30次以上).23.2测试条件器件工作条件参照20.1.b并屏蔽室内杂散光-23.3数据处理方法由测试数据先后按式(3)、式(4)、式(5)、式(的计算出暗输出电压VD、暗输出不均匀性PRNUD、暗噪声VN、噪声等效曝量HN再由得到的结果按式(的计算出动态范围D.图4相对光谱响应度测试装置示意图24 相对光谱响应度和光谱响应范围的测试24. 1 测试装置及测试方法参

16、见图4.整个测试系统由已知相对光谱响应度so(灿，的(标准)硅光二极管、稳定性为0.5%的光惊、单包仪、波长控制和微机数据采JJG 1037-93 共10页第9页集装置所构成.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转换后送入微机处理.在测量中首先将硅光二极管置于单包仪出射狭缝处，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Vo().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().24. 2测试条件器件工作条件参照20.1.b并屏蔽一

17、切杂散光.24. 3数据处理方法由测试数据Vo()、V(均以及已知的硅光二极管的相对光谱相应度8o().，按式(16)计算出被测器件的相对光谱响应度zrV() ，l， 8().=8()/马=七一一一.8o(川/比(1 6) lYo() -U .J I 式中，8.是器件峰值波长处的响应度值即归一化基数，也就是式(16)中分子项取最大值时相应波长下的得值.以波长为横坐标，相对光谱响应度8(灿，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.25 调制传递函数的测试25. 1测试装置及测试条件参见图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

18、所形成的准正弦信号在被视IJ器件上由微机采集并输出其图像信号r.光惊为稳定性达0.5%的标准A光源.透镜L的调制传递函数MTFL应为已知-25. 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次为:fN、fN/2、fN/4、fN/8、fN/16、fN/32、fN/64、fN/128.其中fN=1/28，8是器件相邻光敏元的中心距，fN为奈奎斯特频共10页第10页JJG 1037-93 率.图5MTF测量示意图在各个空间频率下，由微机采集并计算出各白条纹信号最大值之平均值10和各黑条纹信号最小值之平均值l.然后按式(17)计算出输出调制度Mo(v):

19、 Mo(吟=(1。一l)/(lo十l)(17) 规定MI (fN/128)为输入调制度，从而对于空间频率为v时的调制传递函数MTF(吟可由式(18)计算得到.M 0 (,1) /MTF L (,1) MTF(II)=-:l /. 1 1 、1.由【r.l -t n.、(18)新登(京)字024号中华人民共和国国家计量技术规范线列固体图像传感器特性参数测试JJG 1037-93 国家技术监督局颁布祷中国计量出版社出版北京和平里西街甲2号中国计量出版社印刷厂印刷新华书店北京发行所发行 开本850X1168/32 印张0.375字数9千字1993年10月第1版1993年10月第1次印刷印数1一1500统一书号155026-690定价1.50元及iNE, F 叫._ e