现代光电子技术实验报告实验四光电探测器特性测量实验
专业：电子与通信工程
姓名：何超
学号：1405122310
组号： 4
一、实验目的
过一套“CCD芯片性能参数测试和评价仪器”，实现对CCD芯片内部性能参数的测试和评价。该仪器能够在温度可调（100~298K）的环境下，较宽的光谱范围（300~1100nm）内对CCD芯片进行测试和评价。
二、实验仪器
氙灯光源、单色仪、光纤准直镜、积分球、皮安计、电动位移台、暗室、计算机等。
三、实验原理
量子效率和非均匀性是CCD图像传感器的两个关键性能参数，对成像质量起到最为关键的影响作用：量子效率表征了光敏面对于辐射平均光子数的吸收和累积能力，量子效率的高低直接影响成像器件对入射光子的响应能力，是影响成像质量的第一要素；非均匀性指光敏面上不同位置的像元对相同光辐射响应的差异性，从定义角度出发，非均匀性对于成像质量的作用不言而喻，非均匀性越小的成像器件对拍摄景物的失真效果必然越小，图像还原程度越高。
一）量子效率
量子效率的测量是通过在一定曝光时间内，CCD成像平均灰度值和入射光子数之间存在的线性关系来完成的。成像过程即是一次光电转换的过程，假定转换为绝对线性过程，系统增益为K，而响应度R定义为在给定波长的入射光辐射下，信号电压与曝光量的比值，那么量子效率η即是响应度R与系统增益K的比值。实验中采用的测量标准即是利用图像平均灰度值与入射光辐射照度之间的线性关系，测量计算响应度R与系统增益K的比值得到量子效率η。
量子效率具体测量方法如下：
（1）将待测CCD芯片和标准探测器，以及它们各自的驱动电路放置在暗室中，并调节测量系统各部分仪器的参数。
（2）通过上位机程序控制待测CCD芯片电子快门，调整CCD芯片的积分时间来控制CCD芯片的曝光时间和曝光量。
（3）根据实际测量条件需求和待测CCD芯片的响应波长范围，设定测量波长宽度为10nm、扫描波长范围400nm-780nm、扫描波长的间隔20nm。设置
起始波长为400nm ，是由可见光CCD 芯片响应曲线决定；截止波长为780nm ，可以保证测量波长范围覆盖整个可见光波段。从起始波长400nm 开始，间隔20nm 进行一次波长采样，直到波长达到780nm 为止，得到一系列波长值，以这些波长值作为参数，控制可调单色光源系统产生相应波长的单色光。
（4） 每设置一次单色光波长，通过待测CCD 芯片拍摄两组图像，每组拍摄的图像张数为16，其中，拍摄第一组图像时选取的积分时间需要使待测CCD 芯片达到50%以上的曝光量，所得的这一组图像称之为亮图像；同理，拍摄第二组图像时，使用与拍摄第一组图像相同的积分时间，实际实验操作时曝光时间设置为50ms ，但此时需要完全避光，所得的这一组图像称之为暗图像，将拍摄得到的亮暗图像由通信电路上传到主控计算机以备参数计算使用。
（5） 从第一组亮图像和第二组暗图像中分别抽取首尾两张亮图像和两张暗图像。
（6） 利用抽取的图像计算待测CCD 芯片及其驱动电路的系统增益： 6a)从两张亮图像和两张暗图像中各选取一张，分别计算选取的亮图像和暗图像的平均灰度值1y μ和2y μ：
[][]11
1
1100
y M N y m n m n MN
μ--===∑∑ （1）
[][]2211100
y M N y m n m n MN μ--=
==∑∑ （2） 其中，1y 、2y 分别代表选取的亮图像和暗图像，M 、N 分别为拍摄图像的行像素数和列像素数，这两个尺寸可以从待测CCD 芯片的产品手册中得到或者从图像信息中识别出来；
6b)使用抽取的两张亮图像计算亮图像方差12
y σ：
[][][][]()1
2
21
1100
2A B y M N y m n y m n m n MN σ--=-==∑∑ （3） 其中，A y 、B
y 分别代表抽取的亮图像中的第一张和第二张； 6c)同理，类似于6b ），使用抽取的两张暗图像计算暗图像方差22
y σ：
[][][][]()2
C D 22111002y M N y m n y m n m n MN σ--=-==∑∑ （4）
其中，C y 、D
y 分别代表抽取的暗图像中的第一张和第二张； 6d)根据以上计算得到的参数计算系统增益：
1
2
1
2
22y y
y y
K σσμμ-=- （5）
（7） 利用步骤（5）中抽取的四张图像计算CCD 芯片的响应度R ：
1
2p
y y
y
R μμμ-=
（6） 其中，exp
p
y AEt hc μλ
=
为待测CCD 芯片单个像素点的平均光子数，A 为待测
CCD 芯片单个像素点的面积，E 为照射到待测CCD 芯片上的单色均匀光功率，由标准探测器输出的光电流计算得出。exp t 为拍摄亮图像时所使用的积分时间，λ为拍摄抽取亮图像时照射到待测CCD 芯片上的单色光波长，h 为普朗克常数，c 为光速。
（8） 由系统增益K 和响应度R 最终求得待测CCD 芯片的量子效率：
()R K
ηλ=
二）非均匀性
CCD 芯片的暗信号非均匀性DSNU 是遮光时的全部有效像元的输出电压最大或者最小值与平均暗电流ADS 之差，它表征了CCD 芯片在未接受光照时自身暗信号响应输出的波动性；光子响应非均匀性PRNU 是取全部有效像元输出电压的最大最小值之比值，它表征了CCD 芯片在信号光照射下响应信号输出的波动性。两者综合考虑可以获得对CCD 芯片非均匀性参数的综合评价。
待测CCD 芯片的暗信号非均匀性DSNU 和光子响应非均匀性PRNU 的测量流程如下：
1) 将待测CCD 芯片及其驱动电路放置在暗室中，并调节测量系统各部分仪器的参数。
2) 通过上位机程序控制积分球出口光功率密度和待测CCD 芯片电子快门，
