红外焦平面长波探测器组件特性参数测试方法及相关视场角的讨论

1、红外焦平面长波探测器组件特性参数测试方法及相关视场角的讨论孙光荚 刘庆京 程有度(华北光电技术研究所 北京 100015摘要:为得到精确的焦平面探测器特性参数指标,以长波4x 288(4N焦平面探测器为例, 讨论如何通过PI(Pul selnst rident测试系统进行参数测试并设定视场角FOV(Field of View 这个参数值.文中简要介绍了PI测试系统的功能、校验及测试方法;推导出适用于4N器件的较为 精确的视场角参数计算公式,并对典型器件以往的特性参数测试结果进行了分析及修正处理. 关键词:PI测试系统:焦平面探测器;视场角;响应率;探测率;非均匀性.1前言随着红外焦平面探测器研

2、制工艺的不断发展和完善,探测器经历了由单元器件向长线列器什、 焦平面器仆、人面阵凝视器件发展的过程。随着探测元数的增多、芯片尺寸也随之增大,但是相对 来说元数的增加率要高于芯片尺寸的增大率。探测器制造工艺的不断改进与完善要求相应的测试技 术也就更加的严格化、规范化、科学化和合理化。2Pl测试系统简介PI系列是美国公司制造的低噪卢直流偏置和时钟驱动测试系统,可以用于测试电荷耦合器件、 红外探测器和焦平面阵列的特性参数(响应率、探测率、信号电平、噪声、信噪比、非均匀性和百 元等。PI测试系统固有噪声在0.2o.3mV(带宽:IMHz,从整体结构设计上全面考虑了如何降 低系统噪卢的问题,例如:采用低

3、噪声的直流偏置和脉冲驱动:分离开的模拟电源和数字电源:数 据采集仁的转换输出也采用光隔离技术等。PI进行测鼙时首先在计算机中设定测试软件程序(可以在程序中设定器件工作所需的脉冲和直 流偏置,采集脉冲的波形和频率、黑体温度、前置放大器接口连接模式、采集卡的:I:作状态、数据 的输出格式等。其次,执行此测试程序,经IEEE-488总线向数据发生器发出指令.产生采集的脉冲 波形(行、点、帧脉冲信号,然后发送到数据采集忙;同时它也作为脉冲驱动鼻的同步信号,分别 由脉冲驱动卡和直流偏置乍产生测试器件所需的脉冲波形和直流偏置,由用户界面引出;与此同 时控制主扳通过PI.BUS总线控制仪器主扳的脉冲和偏置。

4、然后,由点源或面源黑体作为辐射源,通 过操作面板为器件提供所需的脉冲及偏置信号,前置放火器的接收器件的输出信号并差分输入到AD 采集F,在计算机上进行数据处理及图形绘制,最终输出测试结果报告。为进步降低噪声,对PI测试系统进行了一定的改进。如自制驱动板提供测试所需的脉冲、偏 置以及同步采集信号,完成前放的功能;驱动板的输出信号直接送到AD采集以克服前放较人的 嗣有噪声。经过测量和验证,优良的电路驱动扳产生的整体系统噪声约为o.1mV(带宽:1MHz, 这人人降低了以往测试结果中引入的系统噪声,同时更加精确地反映出被测器件的真实性能,最终 得到比较精确的器件性能参数测试结果。PI测试系统的测试报

5、告结果验证表1测试法国Sofradir的长波4N焦平面器件特性参数 法国的测量报告结果 PI系统的测量撤告结果峰值响应率(V/W1I.92×10 1.93×10'峰值探测牢(cmHzl,2W-I 2.327×10” 2.324×10。1噪声(mV/IMHz 03500352根据袭1得出:PI测试系统测试器件的噪卢、响应率和探测率等性能参数指标与法国器件的出 厂报告相当吻合.可见完善化的PI测试系统性能优良、测试数据准确、精度高。753理论依据为得剑精确的探测器特性参数测试结果,要求准确地处理测试采集到的原始数据(例如,在数 据处理计算公式中提供准

6、确的已知参数。以砸源黑体作为辐射源.器件选用圆形冷屏的集成杜瓦组 件为例”I。探测器的几个重要性能参数指标计算公式如F”1:懈R=嵩罐蒜黧燃黼墨=志(v肿 n 其中P:出挚吣一- 毛2s2I2黑体探测率=高蔫×j粟爵器疆硒面雨孺两飘甄酊丽破=压-告时中 3响厦翠非均匀性.广i;一 u2专J面_善;【墨(j-瓦】21 4探测率非均匀性.厂i矿一 %2寺J丽志丽善驴w巧.】2 (3(4(5其中:盯=5.673X10一2W.cm-2.K-:n(置低温面灏黑体温度:72(x高温面源黑体温度;一厂光敏面面积:7k积分时间:卜分别为像元的总行数和总列数;d,_Ir一分别为死像元数和过热像元数;F

7、OV(Field ofview:视场角;即每个像元通过冷辐射屏(简称冷屏接受外界辐射源辐射的立体角.本文讨论的焦 平面探测器组件是中心对称的,可以忽略方位角的影响。以立体角顶点为球心,做一个半径为矗的球面,用此立体角的边界在球面上所截的球面砸积嬲 除以半径平方来标志立体角的大小“1:do:竺 (644N长波焦平面探测器视场角的计算公式推导(I常规FOV参数计算方法一般测试焦平面探测器特性参数中各像元的FOV值是用中心像元的FOV值来统一近似替代的 (参考Sofradir的测试报告.如图I,视场角所围成是一个普视的球面.己知R(冷屏窗口到探测器光敏面的距离,即球面的,径,(圆形冷屏窗口的二|径,

8、推导出中心像元视场角FOV的计算公式及计算结果。解在实际计算中作了如下近似:辐射球面面积。球面对应的上平面圆面积FOV"-譬zR2对于4N杜瓦组件:R=12mm得出光敏面中心点像元的视场角:jFOV=O.283(sr图1但是很明显光敏面的边缘地带和中心点的视场角是不完全相同的,中心像元所张的立体角并不 能表示非中心区域像元所张的视场角。因此,如果不分别计算每个像元所对应的视场角.那么边缘 地带像元的性能将会产生一定的偏差.因此,下面对4N长波焦平面探测器组件的FOV计算公式(适 用丁.任意像元进行了比较详细地推导。(2K波4|v焦平面探测器任意像元FOV的计算公式推导一口口口 一口口

9、口口口口 口口口同配师 分削2长波4N焦平面探测器光敏元排列示意图 图34N焦平面探测器工作模式是采用TDI方式,相邻4个像元的信号经延迟合成为一组信号进行处 理,因此将奇、偶列各144行的4N个像元等效为288个像元、交错排列成竖品字结构,如图2”1所示。相邻两个像元的间距等于像元的尺寸大小,等效后的两列像元中心间距远小于该线列的总长 度,近似忽略不计(这样会引入部分误差,这样可以将两列像元等效成一个紧密排列的K线列。 当计算FOV时,根据光敏面的总长度Length=8064It m,分成288份,每一份的长度dL=28u m.此 长线列等效为一个一维矩阵,坐标标定为(1、(2、(f(288

10、,中心坐标为(144.5。因此任意像元到光敏面中心的距离为:L=dL×1144.5一il(8,1如图3所示,冷屏窗口中心和光敏面上线列中心对齐。已知冷屏半径r,冷屏到光敏面距离R, 任意像元到线列中心点的距离为上(公式8。根据公式(7并假设出一般情况:任意像元所嗣辐射面的两半轴分别为a、b,辐射面到像元的垂直距离为:半轴口对虑的平面角为口/2,、卜轴6和像元形成的平面延伸到冷屏面圆的相交线为EF,其它假设条件如图标注所示。现以讨论线列一侧为例,另一侧对称可得。77口口口d_.口口口口口口扣卞萝雌口口口口一口口口尸解:细t”降+ntan(譬AC:丽得出:口=爿c.sin(罢,矗=爿cc

11、。s(罢阳tan(老一可R tallt口+一lD_-,:扩j而F0.。2sin(fl墨+O一6得出:6=丽h+D”F册y:譬。丁mb(们 代入已知条件即可求出光敏面上各点像元的视场角,并将公式(9作为FOV的修正处理计算 公式,井对探测器特性参数测试结果进行修正。5长波4N焦平面探测器的FOV修正处理焦平面探测器根据种类及杜瓦封装结构的不同,FOV的计算方法及计算公式将有所不同。本文 选用,=3.atom。R=12mm的典型4N长波焦平面探测器杜瓦组件进行讨论,并对P【测试系统测得的 探测器特性参数报告结果进行修正。(2FOV修正比较表 薹旁矽§三 n 2I图4FOV的修正曲线图表2

12、FOV修正比较表(FOV单位:sr FOV修正前 FOV修正后(3FOV修止举例以法国Sofradir-长波4N焦平面探测器为例。PI系统性能特性参数测试结果的FOV修正表3FOV修正测试结果比较表FOV(sr探测器各项特性指标修正前 修正后 平均值 346E+073.60E+07黑体响应率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黑体探测牢D+(craHz”W-1 屉大值 4.79E+104.93E+10最小值 223E十102.23E+10响应率非均匀性 633%4.7似 探测率非均匀性 10.74%

13、10.46%盲 元 00一.二:=羞。7j_=一一WPfj'=。;。_21j 819!ig§8i§§E 岫-_-_l_-_-_-._-_-_-一2。3482。§iBB!l!§6§XS wDSIO_AL of WNSI*m,/,i斟5FOV修ll三前响应率测试曲线图 圈6FOV修正后响应率测试曲线图图5是响麻率测试数据曲线(未经FOV的修正,发现响应率曲线为中间高、两边低的弯弧形。 图6是修止后的响应率测试数据曲线,明显可以看出曲线趋于水平,可见该器件各像元之间的实际 响应率数值偏差并不象图5所示的那么大。图5的曲线图形状是由于

14、二光敏面上各像元的FOV差异而 产生的。6结论一般情况。F,在进行焦平面探测器组件特性参数计算时并不刻意地进行FOV的修正处理。实际 应_Ij加冷屏的探测器组件时,在同等辐射条件下,由于光敏面边缘区域像元接收到的光辐射能量要 小丁.中心lX域位置的像元,导致展终反映到组件的响应率上时如图5所示;所以般评估焦平面探 测器纽什性能优劣的经验是中心两侧的响应率数据曲线比较对称,且弯曲弧度和FOV的计算数值曲 线弧度形状相近:备点数值沿弧形趋势曲线上H皮动小、曲线平滑就可以认为该组忭响应比较均匀. 非均匀性较小,性能比较优越。但如果要进一步考察探测器芯片的真实特性时,可以适当地进行FOV的修止处理,消除了不同 位置由丁像元视场角的差异而带来的测试报告结果的偏差,得到反映探测器芯片真实特性的曲线及 79, . 一测试结果，为芯片的生产工艺提供可靠的参考及宝贵的分析数据 器件的光敏面排列近似为一维矩阵，其的一般计算公式推导还比较容易，但是相对丁 对称的人面阵器件（般近似为二维矩阵）来说，计算将比较复杂且推导中将用到多次近似计算， 计算公式也就更加没有说服力。 同时，测试系统对多种国内及国外的焦平面探测器进行了测试，其测试报告结果表明测试 系统的测试结果真实、测试精度满足要求、测试报告全