一种CCD性能参数测试装置及测试方法.pdf

本发明涉及光感器件性能测试领域，特别涉及一种CCD性能参数测试装置及测试方法。本发明提供的CCD性能参数测试装置包括PC控制模块、主积分球、暗箱、第一照度计、三维承载台、稳定电源以及设置在主积分球光输出口一侧半球上的辅助积分球；本发明提供的CCD性能参数测试装置光源由设置在主积分球上的多个辅助积分球提供，具有两次混光效果，使得主积分球输出光线均匀性更好，辅助积分球光输出口上设置有可调光栏，可提供照度连续可变且色温更加稳定的测试光源；同时本发明提供的测试方法通过自动交替切换照度计以及待测CCD到光输出口的方式，使得测量结果更加精确。

权利要求书1.  一种CCD性能参数测试装置，其特征在于，包括PC控制模块、主积分球、暗箱、第一照度计、三维承载台、稳定电源；所述PC控制模块包含有视频采集卡；所述视频采集卡与待测试CCD连接；所述第一照度计固定在所述三维承载台上，所述三维承载台位于所述暗箱内，所述第一照度计、三维承载台分别通过控制线与所述PC控制模块连接； 所述主积分球光输出口一侧半球上设置有两个以上的辅助积分球，主积分球光输出口一侧半球上设置有两个以上的辅助积分球，所述两个以上的辅助积分球均匀设置在所述主积分球球壳上形成圆周，所述圆周的圆心与主积分球光输出口圆心位于同一水平轴上，所述辅助积分球内设置有光源，所述光源与所述稳定电源连接。 2.  如权利要求1所述的CCD性能参数测试装置，其特征在于，所述辅助积分球与所述主积分球接口处设置有可调光栏，所述可调光栏包括调节光栏、与调节光栏连接在一起的步进电机以及固定在所述辅助积分球光输出口的通光光栏；所述步进电机与所述PC控制模块连接，所述可调光栏用于步进调节所述辅助积分球输出的光照度。 3.  如权利要求2所述的CCD性能参数测试装置，其特征在于，所述CCD性能参数测试装置中，所述辅助积分球的数量为四个。 4.  如权利要求1所述的CCD性能参数测试装置，其特征在于，所述CCD性能参数测试装置还包括第二照度计，所述第二照度计设置在所述主积分球的一侧并与主积分球经过其光输出口的水平轴垂直，其用于实时检测所述主积分球内部的光照度情况。 5.  如权利要求1至4任一项所述的CCD性能参数测试装置，其特征在于，所述光源为溴钨灯。 6.  一种CDD性能参数测试方法，其特征在于，采用如下步骤完成： 步骤1：根据辅助积分球内光源参数设定稳定电源的输出电流值； 步骤2:关闭可调光栏，测定可调光栏关闭情况下的主积分球光输出口光照度； 步骤3：测定待测CCD当前相应值，并根据步骤2中测定的光照度进行修正，得出待测CCD的本底响应，并计算出待测CCD的噪声； 步骤4:根据测试人员的设定步进打开所述可调光栏，测定不同照度下待测CCD的响应值； 步骤5:重复步骤4直至待测CCD达到响应上限，得出待测CCD的信号传递函数SiTF，所述信号传递函数SiTF用于反应待测CCD对目标照度的响应特性，其计算公式为：其中，ΔE为照度(lx)；ΔV＝VSi-VB，VSi为有光照时的信号输出，VB为无光照时的信号输出，单位是灰度值或电压(V)。 7.  如权利要求6所述的CDD性能参数测试方法，其特征在于，通过步骤5中得出的待测CCD的信号传递函数SiTF进一步计算得出待测CCD的饱和照度ES，所述饱和照度ES指CCD输出信号达到饱和时的最小入射照度。 8.  如权利要求7所述的CDD性能参数测试方法，其特征在于，通过步骤5中得出的待测CCD的信号传递函数SiTF进一步计算得出待测CCD的阈照度Eth，所述阈照度Eth指在光照下，待测CCD有效光敏元输出的电压值为10VN时所对应的照度值Eth；其计算公式为：Eth＝10VN/SiTF。 9.  如权利要求8所述的CDD性能参数测试方法，其特征在于，进一步计算得出待测CCD的动态范围Dr，所述动态范围Dr指饱和照度ES与阈照度Eth之比值，符号为Dr，其用于表征器件探测光信号大小的相对范围，其计算公式为：Dr＝ES/Eth。

说明书一种CCD性能参数测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及光感器件性能测试技术领域，特别涉及一种CCD性能参数测试装置及测 试方法。
背景技术
电荷藕合器件(Charge Coupled Device，简写CCD，又名CCD图像传感器、图像控制 器)，是一种光能转换器件，它使用高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷并存储。 CCD已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。CCD的性能参数有噪声、 响应度(SiTF)、饱和照度、阈照度、动态范围、均匀性，CCD出厂前必须对这些性能参数 进行检测，以确保出厂的CCD的具有良好的性能。
目前对CCD的性能参数进行检测的方式大多为在光学与光电测试设备的基本上通过 目视测量、人工判读和人工数据处理，且大多数积分球仅提供一次混光，混光效果不佳，光 照均匀性不强，不能满足实际需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种混光效果更好的CCD 性能参数的测试系统，其包括PC控制模块、主积分球、暗箱、第一照度计、三维承载台、 稳定电源；所述PC控制模块包含有视频采集卡；所述视频采集卡与待测试CCD连接；所述 第一照度计固定在所述三维承载台上，所述三维承载台位于所述暗箱内，所述第一照度计、 三维承载台分别通过控制线与所述PC控制模块连接。
主积分球光输出口一侧半球上设置有两个以上的辅助积分球，主积分球光输出口一侧 半球上设置有两个以上的辅助积分球，所述两个以上的辅助积分球均匀设置在所述主积分球 球壳上形成圆周，所述圆周的圆心与主积分球光输出口圆心位于同一水平轴上，所述辅助积 分球内设置有光源，所述光源与所述稳定电源连接。
进一步的，所述辅助积分球与所述主积分球接口处设置有可调光栏，所述可调光栏包 括调节光栏、与调节光栏连接在一起的步进电机以及固定在所述辅助积分球光输出口的通光 光栏；所述步进电机与所述PC控制模块连接，工作人员可通过PC控制模块控制步进电机， 调整可调光栏的打开关闭程度，从而控制所述辅助积分球输出的光照度。
优选的，所述CCD性能参数测试装置中，所述辅助积分球的数量为四个，也可根据 需要设置为一个、两个、三个或更多，辅助积分球数量的增加可增加混光的效果，使得主积 分球输出的光线均匀性更好，但辅助积分球的增加无疑会增加设备的成本。
进一步的，所述CCD性能参数测试装置还包括第二照度计，所述第二照度计设置在 所述主积分球的一侧并与所述主积分球的水平轴垂直，其用于实时检测所述主积分球内部的 光照度情况。
优选的，所述光源为35W、12V的溴钨灯，溴钨灯具有出射光线的可见光谱连续、光 强稳定、成本低等优点。
本发明同时提供一种通过测试人员实时控制、调节光照度，并自动测量待测CCD性 能参数的测试系统CDD性能参数测试方法，采用如下步骤完成：
步骤1：根据辅助积分球内光源参数设定稳定电源的输出电流值。
步骤2:关闭可调光栏，测定可调光栏关闭情况下的主积分球光输出口光照度；将所述 主积分球光输出口调整至暗箱入口，关闭可调光栏，将暗箱中的所述第一照度计移动至主积 分球光输出口中心，测定当前主积分球光输出口的光照度，理论上关闭所述可调光栏时，所 述主积分球光输出口的光照度为0，但实际上因为杂光、散光的存在，通常其光照度不为0。
步骤3：测定待测CCD当前相应值，并根据步骤2中测定的光照度进行修正，得出待 测CCD的本底响应，并计算出待测CCD的噪声。
其方法为，将同样固定设置在所述三维承载台上的待测CCD移动至所述主积分球光 输出口中心，测出当前照度下待测CCD的响应值，根据步骤S02中测出的照度值(所述可调 光栏均关闭情况下，所述主积分球光输出口的光照度值)对测出的响应值进行修正，以得到 待测CCD的本底响应(本地响应为理论上光照度为0时，待测CCD的响应)，根据所述本底 响应计算出待测CCD的噪声，所述噪声VN计算公式为：以 及 V N = 1 N Σ i = 1 N V N ( i ) . ]]>
其中，VN为待测CCD的本底噪声，VN(i,f)为CCD中有效光敏元的噪声电压， 为各时刻(帧间)噪声电压的平均值，F为采集图像的帧数，VN(i)为 CCD中有效光敏元的噪声电压VN(i,f)随时间涨落的均方根值(1≤i≤N)。
步骤4:根据测试人员的设定步进打开所述可调光栏，测定不同照度下待测CCD的响 应值；其具体方法为，根据测试人员的设定步进打开所述可调光栏，交替将所述第一照度计 和待测CCD移动至所述主积分球光输出口中心位置，所述第一照度计位于所述主积分球光输 出口中心位置时，用于测定所述主积分球光输出口当前照度值，待测CCD位于所述主积分球 光输出口时，用于测定当前照度值下待测CCD的响应值，并根据所述响应值计算出待测CCD 的响应度。
重复步骤4直至得出待测CCD的信号传递函数SiTF，所述信号传递函数SiTF用于 反应待测CCD对目标照度的响应特性，得出待测CCD的输出特性(灰度值或电压)随目标 输入照度特性变化的对应关系，其计算公式为：
其中，ΔE为照度(lx)；ΔV＝VSi-VB，VSi为有光照时的信号输出，VB为无光照时的信号 输出，单位是灰度值或电压(V)。
进一步的，通过步骤5中得出的待测CCD的信号传递函数SiTF进一步计算得出待测 CCD的饱和照度ES，所述饱和照度ES指CCD输出信号达到饱和时的最小入射照度，当待测 CCD接收大于饱和照度的光照时，其输出信号将不发生明显改变。
进一步的，通过步骤5中得出的待测CCD的信号传递函数SiTF进一步计算得出待测 CCD的阈照度Eth，所述阈照度Eth指在光照下，待测CCD有效光敏元输出的电压值为10VN时所对应的照度值Eth；其计算公式为：Eth＝10VN/SiTF。
进一步的，进一步计算得出待测CCD的动态范围Dr，所述动态范围Dr指饱和照度ES与阈照度Eth之比值，符号为Dr，其用于表征器件探测光信号大小的相对范围，其计算公式 为：Dr＝ES/Eth。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的CCD性能参数测试装置光源由 设置在主积分球上的多个辅助积分球提供，具有两次混光效果，使得主积分球输出光线均匀 性更好，辅助积分球光输出口上设置有可调光栏，可提供照度连续可变且色温更加稳定的测 试光源；同时本发明提供的测试方法通过自动交替切换照度计以及待测CCD到光输出口的方 式，使得测量结果更加精确。
附图说明：
图1为本发明实施例1提供的CCD性能参数测试装置连接示意图。
图2a为本发明实施例1中主积分球光出口侧示意图。
图2b为本发明实施例1中主积分球侧视图。
图3为本发明实施例1中辅助积分球光输出口处可调光栏结构示意图。
图4为本发明实施例2提供的CCD性能参数测试方法步骤图。
图5为本发明实施例2中待测CCD光照响应曲线图。
图中标记：1-PC控制模块、2-主积分球、21-主积分球光输出口、3-第二照度计、4- 第一照度计、5-三维承载台、6-稳定电源、7-辅助积分球、8-可调光栏、81-通光光栏、82-调 节光栏、821-挡板、822-通光孔、83-步进电机。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本 发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的 范围。
实施例1：如图1所示，本实施例的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提 供一种混光效果更好的CCD性能参数的测试系统，CCD性能参数的测试系统，其包括PC控 制模块1、主积分球2、暗箱(图中未显出)、第一照度计4、三维承载台5、稳定电源6；所 述PC控制模块1包含有视频采集卡(图中未显出)；所述视频采集卡与待测试CCD连接； 所述第一照度计4固定在所述三维承载台5上，所述三维承载台5位于所述暗箱内，所述第 一照度计4、三维承载台5分别通过控制线与所述PC控制模块连接。
如、图2a、图2b所示，主积分球2光输出口一侧半球上设置有四个辅助积分球7，所 述四个辅助积分球7均匀设置在所述主积分球2球壳上并形成圆周，所述圆周的圆心与主积 分球光输出口21圆心位于同一水平轴上，所述辅助积分球7内设置有溴钨灯光源，所述溴钨 灯光源与所述稳定电源6连接，溴钨灯具有出射光线的可见光谱连续、光强稳定、成本低等 优点，四个对称设置的辅助积分球与主积分球球体共同作用，提供两次混光效果(溴钨灯光 源照射的光在辅助积分球内部实现一次混光，该混光从辅助积分球7与所述主积分球2接口 处射入主积分球后再次实现混光，达到两次混光后从主积分球光输出口射出)，使得主积分球 光输出的光线光均匀性更好。
所述CCD性能参数测试装置还包括第二照度计3，所述第二照度计3设置在所述主积 分球2的一侧并与所述主积分球2的水平轴垂直，其用于实时检测所述主积分球2内部的光 照度情况，以控制所述主积分球2光照度的稳定性。
进一步的，所述辅助积分球7与所述主积分球2接口处设置有可调光栏8，如图3所 示，所述可调光栏8包括调节光栏82、与调节光栏82连接在一起的步进电机83以及固定在 所述辅助积分球光输出口的通光光栏81；所述步进电机83与所述PC控制模块连接，工作人 员可通过PC控制模块控制步进电机，调整可调光栏的打开关闭程度，从而控制所述辅助积 分球输出的光照度，通过可调光栏步进控制辅助积分球的光线输出，使得主积分球输出的光 线色温更加稳定。
进一步的，所述调节光栏82包括与所述通光光栏形状一致的通光孔822和挡板821。
实施例2：如图4、图5所示，本实施例时提供一种通过测试人员实时控制、调节光 照度，并自动测量待测CCD性能参数的测试系统CDD性能参数测试方法，采用如下步骤完 成：
步骤S01：根据辅助积分球内光源参数设定稳定电源的输出电流值。
步骤S02:关闭可调光栏，测定可调光栏关闭情况下的主积分球光输出口光照度；将 所述主积分球光输出口调整至暗箱入口，关闭可调光栏，将暗箱中的所述第一照度计移动至 主积分球光输出口中心，测定当前主积分球光输出口的光照度，理论上关闭所述可调光栏时， 所述主积分球光输出口的光照度为0，但实际上因为杂光、散光的存在，通常其光照度不为0。
步骤S03：测定待测CCD当前相应值，并根据步骤S02中测定的光照度进行修正，得 出待测CCD的本底响应，并计算出待测CCD的噪声。
其方法为，将同样固定设置在所述三维承载台上的待测CCD移动至所述主积分球光 输出口中心，测出当前照度下待测CCD的响应值，根据步骤S02中测出的照度值(所述可调 光栏均关闭情况下，所述主积分球光输出口的光照度值)对测出的响应值进行修正，以得到 待测CCD的本底响应(本地响应为理论上光照度为0时，待测CCD的响应)，根据所述本底 响应计算出待测CCD的噪声，所述噪声VN计算公式为：以 及 V N = 1 N Σ i = 1 N V N ( i ) . ]]>
其中，VN为待测CCD的本底噪声，VN(i,f)为CCD中有效光敏元的噪声电压， 为各时刻(帧间)噪声电压的平均值，F为采集图像的帧数，VN(i)为 CCD中有效光敏元的噪声电压VN(i,f)随时间涨落的均方根值(1≤i≤N)。
步骤S04:根据测试人员的设定步进打开所述可调光栏，测定不同照度下待测CCD的 响应值；其具体方法为，根据测试人员的设定步进打开所述可调光栏，交替将所述第一照度 计和待测CCD移动至所述主积分球光输出口中心位置，所述第一照度计位于所述主积分球光 输出口中心位置时，用于测定所述主积分球光输出口当前照度值，待测CCD位于所述主积分 球光输出口时，用于测定当前照度值下待测CCD的响应值，并根据所述响应值计算出待测 CCD的响应度。
步骤S05:重复步骤S04直至得出待测CCD的信号传递函数SiTF，所述信号传递函 数SiTF用于反应待测CCD对目标照度的响应特性，得出待测CCD的输出特性(灰度值或 电压)随目标输入照度特性变化的对应关系，其计算公式为：
其中，ΔE为照度(lx)；ΔV＝VSi-VB，VSi为有光照时的信号输出，VB为无光照时 的信号输出，单位是灰度值或电压(V)。
进一步的，通过步骤S05中得出的待测CCD的信号传递函数SiTF进一步计算得出待 测CCD的饱和照度ES，所述饱和照度ES指CCD输出信号达到饱和时的最小入射照度，当 待测CCD接收大于饱和照度的光照时，其输出信号将不发生明显改变。
进一步的，通过步骤S05中得出的待测CCD的信号传递函数SiTF进一步计算得出待 测CCD的阈照度Eth，所述阈照度Eth指在光照下，待测CCD有效光敏元输出的电压值为10VN时所对应的照度值Eth；其计算公式为：Eth＝10VN/SiTF。
进一步的，进一步计算得出待测CCD的动态范围Dr，所述动态范围Dr指饱和照度ES与阈照度Eth之比值，符号为Dr，其用于表征器件探测光信号大小的相对范围，其计算公式 为：Dr＝ES/Eth。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特 征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述， 均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一 系列等效或类似特征中的一个例子而已。