紅外焦平面長波探測器組件特性參數(shù)測試方法及相關(guān)視場角的討論_

1、紅外焦平面長波探測器組件特性參數(shù)測試方法及相關(guān)視場角的討論孫光莢 劉慶京 程有度(華北光電技術(shù)研究所 北京 100015摘要:為得到精確的焦平面探測器特性參數(shù)指標(biāo),以長波4x 288(4N焦平面探測器為例, 討論如何通過PI(Pul selnst rident測試系統(tǒng)進行參數(shù)測試并設(shè)定視場角FOV(Field of View 這個參數(shù)值.文中簡要介紹了PI測試系統(tǒng)的功能、校驗及測試方法;推導(dǎo)出適用于4N器件的較為 精確的視場角參數(shù)計算公式,并對典型器件以往的特性參數(shù)測試結(jié)果進行了分析及修正處理. 關(guān)鍵詞:PI測試系統(tǒng):焦平面探測器;視場角;響應(yīng)率;探測率;非均勻性.1前言隨著紅外焦平面探測器研

2、制工藝的不斷發(fā)展和完善,探測器經(jīng)歷了由單元器件向長線列器什、 焦平面器仆、人面陣凝視器件發(fā)展的過程。隨著探測元數(shù)的增多、芯片尺寸也隨之增大,但是相對 來說元數(shù)的增加率要高于芯片尺寸的增大率。探測器制造工藝的不斷改進與完善要求相應(yīng)的測試技 術(shù)也就更加的嚴(yán)格化、規(guī)范化、科學(xué)化和合理化。2Pl測試系統(tǒng)簡介PI系列是美國公司制造的低噪盧直流偏置和時鐘驅(qū)動測試系統(tǒng),可以用于測試電荷耦合器件、 紅外探測器和焦平面陣列的特性參數(shù)(響應(yīng)率、探測率、信號電平、噪聲、信噪比、非均勻性和百 元等。PI測試系統(tǒng)固有噪聲在0.2o.3mV(帶寬:IMHz,從整體結(jié)構(gòu)設(shè)計上全面考慮了如何降 低系統(tǒng)噪盧的問題,例如:采用低

3、噪聲的直流偏置和脈沖驅(qū)動:分離開的模擬電源和數(shù)字電源:數(shù) 據(jù)采集仁的轉(zhuǎn)換輸出也采用光隔離技術(shù)等。PI進行測鼙時首先在計算機中設(shè)定測試軟件程序(可以在程序中設(shè)定器件工作所需的脈沖和直 流偏置,采集脈沖的波形和頻率、黑體溫度、前置放大器接口連接模式、采集卡的:I:作狀態(tài)、數(shù)據(jù) 的輸出格式等。其次,執(zhí)行此測試程序,經(jīng)IEEE-488總線向數(shù)據(jù)發(fā)生器發(fā)出指令.產(chǎn)生采集的脈沖 波形(行、點、幀脈沖信號,然后發(fā)送到數(shù)據(jù)采集忙;同時它也作為脈沖驅(qū)動鼻的同步信號,分別 由脈沖驅(qū)動卡和直流偏置乍產(chǎn)生測試器件所需的脈沖波形和直流偏置,由用戶界面引出;與此同 時控制主扳通過PI.BUS總線控制儀器主扳的脈沖和偏置。

4、然后,由點源或面源黑體作為輻射源,通 過操作面板為器件提供所需的脈沖及偏置信號,前置放火器的接收器件的輸出信號并差分輸入到AD 采集F,在計算機上進行數(shù)據(jù)處理及圖形繪制,最終輸出測試結(jié)果報告。為進步降低噪聲,對PI測試系統(tǒng)進行了一定的改進。如自制驅(qū)動板提供測試所需的脈沖、偏 置以及同步采集信號,完成前放的功能;驅(qū)動板的輸出信號直接送到AD采集以克服前放較人的 嗣有噪聲。經(jīng)過測量和驗證,優(yōu)良的電路驅(qū)動扳產(chǎn)生的整體系統(tǒng)噪聲約為o.1mV(帶寬:1MHz, 這人人降低了以往測試結(jié)果中引入的系統(tǒng)噪聲,同時更加精確地反映出被測器件的真實性能,最終 得到比較精確的器件性能參數(shù)測試結(jié)果。PI測試系統(tǒng)的測試報

5、告結(jié)果驗證表1測試法國Sofradir的長波4N焦平面器件特性參數(shù) 法國的測量報告結(jié)果 PI系統(tǒng)的測量撤告結(jié)果峰值響應(yīng)率(V/W1I.92×10 1.93×10'峰值探測牢(cmHzl,2W-I 2.327×10” 2.324×10。1噪聲(mV/IMHz 03500352根據(jù)襲1得出:PI測試系統(tǒng)測試器件的噪盧、響應(yīng)率和探測率等性能參數(shù)指標(biāo)與法國器件的出 廠報告相當(dāng)吻合.可見完善化的PI測試系統(tǒng)性能優(yōu)良、測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、精度高。753理論依據(jù)為得劍精確的探測器特性參數(shù)測試結(jié)果,要求準(zhǔn)確地處理測試采集到的原始數(shù)據(jù)(例如,在數(shù) 據(jù)處理計算公式中提供準(zhǔn)

6、確的已知參數(shù)。以砸源黑體作為輻射源.器件選用圓形冷屏的集成杜瓦組 件為例”I。探測器的幾個重要性能參數(shù)指標(biāo)計算公式如F”1:懈R=嵩罐蒜黧燃黼墨=志(v腫 n 其中P:出摯吣一- 毛2s2I2黑體探測率=高蔫×j粟爵器疆硒面雨孺兩飄甄酊麗破=壓-告時中 3響廈翠非均勻性.廣i;一 u2專J面_善;【墨(j-瓦】21 4探測率非均勻性.廠i礦一 %2寺J麗志麗善驢w巧.】2 (3(4(5其中:盯=5.673X10一2W.cm-2.K-:n(置低溫面灝黑體溫度:72(x高溫面源黑體溫度;一廠光敏面面積:7k積分時間:卜分別為像元的總行數(shù)和總列數(shù);d,_Ir一分別為死像元數(shù)和過熱像元數(shù);F

7、OV(Field ofview:視場角;即每個像元通過冷輻射屏(簡稱冷屏接受外界輻射源輻射的立體角.本文討論的焦 平面探測器組件是中心對稱的,可以忽略方位角的影響。以立體角頂點為球心,做一個半徑為矗的球面,用此立體角的邊界在球面上所截的球面砸積嬲 除以半徑平方來標(biāo)志立體角的大小“1:do:竺 (644N長波焦平面探測器視場角的計算公式推導(dǎo)(I常規(guī)FOV參數(shù)計算方法一般測試焦平面探測器特性參數(shù)中各像元的FOV值是用中心像元的FOV值來統(tǒng)一近似替代的 (參考Sofradir的測試報告.如圖I,視場角所圍成是一個普視的球面.己知R(冷屏窗口到探測器光敏面的距離,即球面的,徑,(圓形冷屏窗口的二|徑,

8、推導(dǎo)出中心像元視場角FOV的計算公式及計算結(jié)果。解在實際計算中作了如下近似:輻射球面面積。球面對應(yīng)的上平面圓面積FOV"-譬zR2對于4N杜瓦組件:R=12mm得出光敏面中心點像元的視場角:jFOV=O.283(sr圖1但是很明顯光敏面的邊緣地帶和中心點的視場角是不完全相同的,中心像元所張的立體角并不 能表示非中心區(qū)域像元所張的視場角。因此,如果不分別計算每個像元所對應(yīng)的視場角.那么邊緣 地帶像元的性能將會產(chǎn)生一定的偏差.因此,下面對4N長波焦平面探測器組件的FOV計算公式(適 用丁.任意像元進行了比較詳細(xì)地推導(dǎo)。(2K波4|v焦平面探測器任意像元FOV的計算公式推導(dǎo)一口口口 一口口

9、口口口口 口口口同配師 分削2長波4N焦平面探測器光敏元排列示意圖 圖34N焦平面探測器工作模式是采用TDI方式,相鄰4個像元的信號經(jīng)延遲合成為一組信號進行處 理,因此將奇、偶列各144行的4N個像元等效為288個像元、交錯排列成豎品字結(jié)構(gòu),如圖2”1所示。相鄰兩個像元的間距等于像元的尺寸大小,等效后的兩列像元中心間距遠(yuǎn)小于該線列的總長 度,近似忽略不計(這樣會引入部分誤差,這樣可以將兩列像元等效成一個緊密排列的K線列。 當(dāng)計算FOV時,根據(jù)光敏面的總長度Length=8064It m,分成288份,每一份的長度dL=28u m.此 長線列等效為一個一維矩陣,坐標(biāo)標(biāo)定為(1、(2、(f(288

10、,中心坐標(biāo)為(144.5。因此任意像元到光敏面中心的距離為:(8,1如圖3所示,冷屏窗口中心和光敏面上線列中心對齊。已知冷屏半徑r,冷屏到光敏面距離R, 任意像元到線列中心點的距離為上(公式8。根據(jù)公式(7并假設(shè)出一般情況:任意像元所嗣輻射面的兩半軸分別為a、b,輻射面到像元的垂直距離為:半軸口對慮的平面角為口/2,、卜軸6和像元形成的平面延伸到冷屏面圓的相交線為EF,其它假設(shè)條件如圖標(biāo)注所示?，F(xiàn)以討論線列一側(cè)為例,另一側(cè)對稱可得。77口口口d_.口口口口口口扣卞蘿雌口口口口一口口口尸解:細(xì)t”降+ntan(譬AC:麗得出:口=爿c.sin(罷,矗=爿cc。s(罷陽tan(老一可R tallt

11、口+一lD_-,:擴j而F0.。2sin(fl墨+O一6得出:6=麗h+D”F冊y:譬。丁mb(們 代入已知條件即可求出光敏面上各點像元的視場角,并將公式(9作為FOV的修正處理計算 公式,井對探測器特性參數(shù)測試結(jié)果進行修正。5長波4N焦平面探測器的FOV修正處理焦平面探測器根據(jù)種類及杜瓦封裝結(jié)構(gòu)的不同,FOV的計算方法及計算公式將有所不同。本文 選用,=3.atom。R=12mm的典型4N長波焦平面探測器杜瓦組件進行討論,并對P【測試系統(tǒng)測得的 探測器特性參數(shù)報告結(jié)果進行修正。(2FOV修正比較表 薹旁矽§三 n 2I圖4FOV的修正曲線圖表2FOV修正比較表(FOV單位:sr F

12、OV修正前 FOV修正后(3FOV修止舉例以法國Sofradir-長波4N焦平面探測器為例。PI系統(tǒng)性能特性參數(shù)測試結(jié)果的FOV修正表3FOV修正測試結(jié)果比較表FOV(sr探測器各項特性指標(biāo)修正前 修正后 平均值 346E+073.60E+07黑體響應(yīng)率Ry(V/W 最大值 3.92+073.95E+07最小值 2.5JE+072.5IE+07平均值 4.15E+104.32E+10黑體探測牢D+(craHz”W-1 屜大值 4.79E+104.93E+10最小值 223E十102.23E+10響應(yīng)率非均勻性 633%4.7似 探測率非均勻性 10.74%10.46%盲 元 00一.二:=羞。

13、7j_=一一WPfj'2。3482。§iBB!l!§6§XS wDSIO_AL of WNSI*m,/,i斟5FOV修ll三前響應(yīng)率測試曲線圖 圈6FOV修正后響應(yīng)率測試曲線圖圖5是響麻率測試數(shù)據(jù)曲線(未經(jīng)FOV的修正,發(fā)現(xiàn)響應(yīng)率曲線為中間高、兩邊低的彎弧形。 圖6是修止后的響應(yīng)率測試數(shù)據(jù)曲線,明顯可以看出曲線趨于水平,可見該器件各像元之間的實際 響應(yīng)率數(shù)值偏差并不象圖5所示的那么大。圖5的曲線圖形狀是由于二光敏面上各像元的FOV差異而 產(chǎn)生的。6結(jié)論一般情況。F,在進行焦平面探測器組件特性參數(shù)計算時并不刻意地進行FOV的修正處理。實際 應(yīng)_Ij加冷屏的探

14、測器組件時,在同等輻射條件下,由于光敏面邊緣區(qū)域像元接收到的光輻射能量要 小丁.中心lX域位置的像元,導(dǎo)致展終反映到組件的響應(yīng)率上時如圖5所示;所以般評估焦平面探 測器紐什性能優(yōu)劣的經(jīng)驗是中心兩側(cè)的響應(yīng)率數(shù)據(jù)曲線比較對稱,且彎曲弧度和FOV的計算數(shù)值曲 線弧度形狀相近:備點數(shù)值沿弧形趨勢曲線上H皮動小、曲線平滑就可以認(rèn)為該組忭響應(yīng)比較均勻. 非均勻性較小,性能比較優(yōu)越。但如果要進一步考察探測器芯片的真實特性時,可以適當(dāng)?shù)剡M行FOV的修止處理,消除了不同 位置由丁像元視場角的差異而帶來的測試報告結(jié)果的偏差,得到反映探測器芯片真實特性的曲線及 79, . 一測試結(jié)果，為芯片的生產(chǎn)工藝提供可靠的參考

15、及寶貴的分析數(shù)據(jù) 器件的光敏面排列近似為一維矩陣，其的一般計算公式推導(dǎo)還比較容易，但是相對丁 對稱的人面陣器件（般近似為二維矩陣）來說，計算將比較復(fù)雜且推導(dǎo)中將用到多次近似計算， 計算公式也就更加沒有說服力。 同時，測試系統(tǒng)對多種國內(nèi)及國外的焦平面探測器進行了測試，其測試報告結(jié)果表明測試 系統(tǒng)的測試結(jié)果真實、測試精度滿足要求、測試報告全面完整，是目前國內(nèi)已投入使用的性能優(yōu)照 的探測器特性參數(shù)測試系統(tǒng)隨著紅外焦平面探測器新產(chǎn)品的不斷推出，研究工作的進一步深入， 測試系統(tǒng)必將有更廣闊的開發(fā)空問及更好的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn) 測試系統(tǒng)蛄掏與量理分析（內(nèi)幫壹料） 【虹井撅囂參量舅試方法 【】缸外釹平面陣列特性參試技術(shù)規(guī)范（） 】