十六CCD性能指標的測試

#實驗六CCD性能指標的測試一、CCD成像原理是電耦合器件組成電荷耦合器件的基本元件（光敏元件）是電荷貯存電容器。它與電子線路中的金屬氧化物半導體電容器 電路非常相似，見圖 6 是由金屬、氧化層（絕緣層）、型半導體三層材料組成的器件。電偶合器件的基本單元內(nèi)金屬層做成電極，在型半導體上加上正電壓I）并達到某個特定值I）B，在半導體層內(nèi)會形成一個電荷貯存區(qū)（也叫位阱），這時，如有光照，則該區(qū)內(nèi)會有電荷積累，且其電荷數(shù)量與光輻射強度成正比。每一個電荷貯存電容器中電荷貯存區(qū)所積累的電荷，與相應像元的光強相對應成正比，那么所有元件電荷貯存的分布情況便對應于觀測對像的一個二維電子潛像。的信號讀出如何將二維電子潛像讀出并重建觀測圖像呢？在 器件中信息的讀出是采用Y一種電荷耦合的方法。假定圖 是 器件中某列的一組 管，在該圖所示的偏壓情況下， 管處于工作狀態(tài)。但因第二個電極上電壓為，無疑該電極下的表面位阱的深度要遠遠大于其它電極，光生電荷（電子）將被儲存在這一深位阱之中圖（）.但是，若我們把第三個電極電壓由 增加到圖6），那么其電極下的表面位阱的深度就會和第二電極下的位阱一樣，并且由于相距很近使兩個位阱相互耦合貫通，這樣，第二電極位阱中的電荷就會流向第三電極的位阱，見圖 6）。如果此時把第二極的偏壓由 降到V那么所有信號電荷就會完全轉移重疊在第三電極下的深位阱之中圖。這樣，連續(xù)改變電極的電壓，就可以把信號電荷包連續(xù)傳遞下去，直到輸出電極被讀出并放大記錄下來。這種電荷耦合輸送效率很高，一般 的輸送效率可以達到99）％9。99每一個光敏元件稱為一個像素，它是成像的基本單元，其面積可以做到55x55o例如一個 X 像素的 其成像面積相當于 X3圖器件中某列的一組 管及電荷耦合輸送原理圖器件中某列的一組 管及電荷耦合輸送原理二、的性能指標性能優(yōu)良，這主要表現(xiàn)在：1．量子效率高這是它最大的優(yōu)點，平均量子效率為0?0,最高可達％，大約是一般照相底片的10倍0。2．分光相應范圍寬的分光響應范圍為 ? ，比一般照相乳劑的靈敏波段范圍（? ）向近紅外波段延展了很多。3．線性好成像強度與入射光流量成正比,而且有很好的線性關系。4．動態(tài)范圍寬動態(tài)范圍是指可探測的最暗星與最亮星的星等差。 的動態(tài)范圍可達，遠遠優(yōu)于底片。5．分辨本領高像素的尺度越小分辨率越高。目前生產(chǎn)的 其像素尺度為?55，這與細顆粒的底片分辨本領相當。使用中也存在一些需要注意解決的問題和困難：成像面積越大制造上越困難；采用小面積拼接的辦法也需要尖端技術的支持。2．在不露光的情況下,由于柵偏壓而引起的電子潛像也存在,叫零秒露光,也稱做基底）在 的觀測資料處理中要扣除 。與光電倍增管一樣也有暗流，即在無光照時也有輸出。暗流隨溫度而改變，一般每降低?℃,暗流就減小一半。所以應將器件冷卻到足夠低的溫度。專業(yè)應用的常用液氮（裝在杜瓦瓶內(nèi)）制冷，使其溫度低于 ℃；業(yè)余觀測使用的 系統(tǒng)，多采用半導體制冷。觀測時需要單獨測定暗流,并在資料處理中加以扣除。器件各個像素的量子效率不一，這種基底（也叫“平場”）的不均勻性會造成成像失真。因此觀測天體之后通常要測定平場,即利用一均勻光源照射或對天空背景進行單獨觀測,存儲其圖像,然后在資料處理中加以扣除（天體的圖像除以平場）。型性能簡介型 是美國 I ）公司生產(chǎn)的系列中較新型的一種，廣泛用于行星、暗弱面天體、變星、雙星等的觀測。 與計算機共同組成一個探測器接收與處理系統(tǒng)。示意圖如圖 所示。系統(tǒng)有兩塊 ，較小的用于跟蹤導星（ ）,較大的用于成像（）d這使具有自導星（ ）功能，并適用于暗弱天體及需要較長曝光時間的觀測項目。（2系系統(tǒng)采用半導體制冷，制冷溫度可達到比環(huán)境溫度低4℃5。每個像素點（ ）的大小為0JX0J,使分辨率達到 （未考慮望遠鏡的因素）。采用高速USB接口，一幅滿幀圖像（包括數(shù)字化和下載）下載速度＜1秒。照相機（ ）性能型號靶面大小靶面對角線尺寸像素數(shù)量像素點大小視場大小2X0XpX控制軟件 ，它具有一般 圖像處理的功能。性能測試內(nèi)容及所需設備此實驗可在白天進行，所需設備： 、計算機、望遠鏡。內(nèi)容主要包括對 的本底（ 能暗流（ 性平場（ ）的拍攝和處理。觀察在不同溫度下以上各項的變化，了解為什么要對 圖像進行上述的各種處理。三、實驗步驟本實驗主要是對暗流的拍攝和分析。步驟一：將 與計算機連接，即將 連線連接在計算機的 口上。注意：要在 和計算機均不加電的情況下進行連接。步驟二：給和計算機加電，啟動 和計算機（本身沒有電源開關，電源開關在變壓器上）。注意：要將 放在一個平穩(wěn)的地方， 風扇不能被擋住，不要打開 的鏡頭蓋，也不要將 裝到望遠鏡上。步驟三：啟動 軟件。該軟件在啟動時，自動檢測 并進行軟件連接，如無法建立連接，請關閉計算機，并檢查連線的連接及 是否已加電啟動。步驟四：啟動 制冷裝置在 環(huán)境下，鼠標單擊“ ”菜單項，在該項下拉菜單中選擇“ ”項，出現(xiàn) 設置對話框，如圖 所示。圖 設置對話框” ”列表框中有兩個選項："”一一關閉制冷系統(tǒng)；“i——打開制冷系統(tǒng)。注意：每次開始使用 時應首先打開制冷系統(tǒng)。停止使用，關閉退出前必須先關閉制冷系統(tǒng)。“） ”正文框內(nèi)輸入所需的最低溫度（最低只能比環(huán)境溫度低?0）,單擊""按鈕，即可啟動 制冷系統(tǒng)。此時，在 窗口下方的“?”提示框內(nèi)顯示出當前 的工作溫度。步驟五：拍暗流（ ）在相同的溫度下，用不同的時間拍暗流（如 、 、 ）,用相同的曝光時間，改變溫度拍攝暗流。并將拍攝的圖像分別存儲在硬盤上，可供以后處理資料時選用。方法如下：單擊“e菜單項，選擇“ ”選項，出現(xiàn)“"對話框，如圖所示。圖 " ”對話框TOC\o"1-5"\h\z在“ ”正文框中，可設置曝光時間，以秒為單位，最短為 °） ”列表框中有三個選項:“ ”為僅拍攝暗流（本實驗選此項）“ “為用相同曝光時間先拍暗流，再拍天體圖像，“ ”只拍攝天體圖像。） ”列表框有三個選項：””表示滿屏拍攝X X"”表示拍中心區(qū)域X大?。弧?”表示拍中心區(qū)域X大小。其它選項用默認值，單擊""按鈕，即開始曝光拍暗流。每拍完一幅，應用“ ”菜單項下的“ ”項保存此暗流圖像文件。步驟六：比較分析暗流在下,用“”菜單項下的“”選項打開一個已存好的暗流文件。用“”菜單項下的“ “選項可彈出參數(shù)窗口，顯示當前文件的曝光時間、溫度、像素點大小和觀測者等信息。用“”菜單項下的“ ”選項打開十字絲窗口，如圖所示。此時鼠標指針變成十字絲狀，十字絲窗口顯示的是十字絲所指處的、坐標、亮度值（ 為單位）、小方框內(nèi)的平均亮度 和噪音（ ）。圖十字絲窗口圖十字絲窗口用“”菜單項下的“ ”選項打開柱狀圖窗口，其中“”顯示的就是此幅暗流圖像的平均值。將在相同溫度下，不同曝光時間的暗流進行比較，畫出以 為縱坐標，以曝光時間為橫坐標的時變曲線圖，看 隨時間的變化。將在相同曝光時間下，不同溫度的拍攝的暗流進行比較，畫出以 為縱坐標，以為橫坐標的溫變曲線圖，看 隨時間的變化。一般暗流的大小與溫度和曝光時間成正比的。97.6597.60-溫度T±-1197.6597.60-溫度T±-11。97.55-97.50-Q97.45-97.40-97.35-97.30 ? ? ? ? 1I1I1I