一种图像传感器特性参数测量分析系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种图像传感器特性参数测量分析系统，其集成了可配置光源、探测器室、控制终端。其中可配置光源包括光源控制器、激光光斑光源、脉冲激光光源、数字白光光源，构成本测量分析系统的信号光源。探测器室包括核心控制板、光路模块、定位执行机构和整体暗箱，用于样品定位、光路聚焦及任务设备控制。控制终端包括高可靠嵌入式多核处理器、高速数据采集与存储模块、物理参数测试分析模块、ADC阵列测试模块、精密程控电源，为本系统提供电源，进行数据采集、参数计算和人机交互。本发明可一体化实现针对图像传感器的：器件物理参数测量、电路特性参数测量、图像数据高速捕捉和回放。
【专利说明】一种图像传感器特性参数测量分析系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种图像传感器特性测量分析系统，尤其涉及一种面向图像传感器、集成了器件物理参数测量、电路特性测量、高速图像数据采集与存储的一体化测试分析系统。
【背景技术】
[0002]图像传感器的性能测量与分析包括多种参数，如像素器件方面有灵敏度、电荷残留数、像素间串扰等参数；电路特性方面有增益线性度、ADC性能等参数；为了分析图像质量还需进行图像数据采集和存储。目前已有的图像传感器测试系统存在以下不足:
[0003]像素性能测试设备、电路性能测试设备、图像数据采集设备各自独立、系统庞大、操作复杂、使用不便；
[0004]部分关键参数性能无法测量，如像素内电荷残留数和电子传输速率。
[0005]因此希望有一种图像传感器特性测量分析系统来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的一个或多个。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种图像传感器特性测量分析系统来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的一个或多个。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种图像传感器特性参数测量分析系统，其包括:
[0008]可配置光源，用于产生测试所需信号光波；
[0009]探测器室，至少包括I个待测图像传感器，用于接收可配置光源发出的信号光波，从而输出相应的光电感应信号及相关数据；
[0010]控制终端，用于为所述可配置光源，探测器室提供电源；接收探测器室输出的光电感应信号及相关数据，并根据所述光电感应信号及相关数据计算和显示所测的参数；所述控制终端还用于人机交互，将用户的设置数据传送至探测器室内以控制待测图像传感器的工作。
[0011]本发明的图像传感器特性测量分析系统，一体化集成了图像传感器器件物理参数测量、电路特性测量、高速图像数据采集与存储功能，从而解决了现有技术方案中，各项测试设备相互独立，操作复杂，使用不便的问题；并提供了一种针对像素内电荷残留数，电子转移速率等参数的测量手段。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]下面结合附图及实施例对本发明作详细说明:
[0013]图1为本发明中“图像传感器特性测量分析系统”的整体构成框图；
[0014]图2为本发明中高速数据采集与存储原理图；
[0015]图3为本发明中ADC阵列特性测试原理图；
[0016]图4为本发明中电荷残留测试原理图；
[0017]图5为本发明中像素阵列固定模式噪声测试原理图；
[0018]图6为本发明中像素间串扰测试原理图。
【具体实施方式】
[0019]为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
[0020]图1示出了本发明提出的图像传感器特性测量分析系统的框架结构示意图。如图1所示，所述测量分析系统包括:可配置光源1、探测器室2、控制终端3。
[0021]可配置光源包括如图1所示的:光源控制器11、激光光斑光源12、脉冲激光光源13、数字白光光源14。所述光源控制器11用于光源切换选择和光源控制。其电源来自控制终端中精密程控电源的输出，并通过数据线缆与探测器室内的核心控制板进行数据通信。根据核心控制板下发的设定数据，选择当前测试所用光源种类，如激光光斑光源、脉冲激光光源和数字白光光源中的一个，并设定所选择光源的工作频率；或调整所选择光源的光强(激光光斑光源/脉冲激光光源通过控制光源电流进行调整；数字白光光源通过数字接口直接设定)；或光波频率(激光光斑光源内部主要由激光器、滤光轮片、单色仪组成，通过数字接口设定其输出单色光波的中心波长)。
[0022]当进行图像传感器不同参数测量时，可选用不同的光源作为信号源。可选地，进行电荷残留参数测量时，选用脉冲激光光源，用于产生脉冲式激光；进行像素阵列FPN噪声测量时，选用数字白光光源，用于发出平行均匀白光；进行像素间Cross Talk性能测量时，选用激光光斑光源，用于发出单色激光光斑。
[0023]探测器室如图1所示，包括光路模块21、定位执行机构22、核心控制板23、整体暗箱24。
[0024]其中光路模块21用于监控、调整可配置光源I所发出光束的光强、会聚光束并最终投射到图像传感器像素阵列上。光路模块21由准直光路211，光强监控/调整单元212，会聚光路213组成。准直光路211接收可配置光源发射出的光束，对该光束进行准直，控制入射光束的发散角，形成均匀平行光，以利于后续传输。光强监控和调整单元212位于准直光路和会聚光路之间，主要由光阑、光学衰减器、光强检测器组成，其通过数据线缆与核心控制板23相连，将实时光强数据报送至核心控制板23，同时又受其控制，动态调整光路中的光强。
[0025]光强控制主要通过光阑和光学衰减器实现。光阑是带有光孔的光学元件。一般成圆形薄片状，其中央有通光孔径，且孔径大小通过旋钮可调。通过缩放通光孔径实现光强的调节。如通光孔径大则通过的光强强，反之则弱。光学衰减器是一种具有固定衰减倍率的光学元件。通过上述两个部件，主要是根据需要，对入射光光强进行衰减，以防止光强过强，使光电探测器的光生电子一直处于饱和状态。
[0026]光强检测主要通光强检测器实现，其主要包括光强探测器及信号采集电路，其中，光强探测器通过光电效应产生微弱的电信号，并经过信号放大、采集电路处理后，将采集数据传递给核心控制板，并最终经核心控制板报送至控制终端。
[0027]定位执行机构22主要精密水平导轨222、三维电控样品台223。主要用于被测图像传感器的对焦和照射位置的调整。三维电控样品台安装于精密水平导轨222上，后者被用做水平基准。由X/Y/Z三轴步进电机控制，可在X/Y/Z三轴进行电控精确位置移动。由于被测图像传感器安装于核心控制板上，而核心控制板又被夹持于三维电控样品台223上，所以三维电控样品台223在三轴方向的移动，同时带动被测图像传感器的位置移动。三维电控样品台223电源来自控制终端中精密程控电源的输出，其三轴电机的移动方向和步进长度则通过数据线缆连接至核心控制板，从而受其控制。
[0028]核心控制板23用于保证被测图像传感器在测试时保持正常工作。图像传感器被安装于核心控制板上，由核心控制板提供电源、时钟、偏置等图像传感器工作所必须的驱动信号，同时还需按照图像传感器的数据时序和数据格式，获取输出数据。此外，其也是各任务模块的调度中心，其通过数据线缆与控制终端相连，接收其下发的用户数据和信号，继而输出控制数据，调整可配置光源1、光路模块21、三维电控样品台222 ;并将图像传感器输出信号和所采集图像数据通过数据线缆输出至控制终端。
[0029]整体暗室24内部涂覆乌光漆，主要用于吸收杂散光，提供成像暗室。此外整体暗室上设置有与外部的控制终端通讯的线路布置通道和电源接口。整体暗室设置有照明灯和操作门，用于待测图像传感器的装卸和设备调试、部件维修、更换等，测试时需关闭照明灯和操作门。
[0030]所述测量分析系统还包括阻尼隔振平台221，其作为水平基准平台，用于承载所述可配置光源I和探测器室2并隔离震动。
[0031]控制终端包括如图1所示的:高可靠嵌入式多核处理器31、高速数据采集与存储模块32、物理参数测试模块33、ADC阵列测试模块34、精密程控电源35。
[0032]其中高可靠嵌入式多核处理器31，主要用于数据处理、参数计算、图表绘制以及人机交互。
[0033]高速数据采集与存储模块32，主要由读写控制器321和存储器阵列322组成，用于高速图像数据采集与并行大容量图像数据存储。读写控制器主要实现高速数据采集、指令解析和读写操作控制等功能；存储器阵列是图像数据的实际物理存储介质。
[0034]物理参数测试模块33，主要由锁相放大器331、高精度模数转换器332、数据处理单元333组成。主要用于对被测图像传感器输出的微小信号进行锁相、放大(提高微小信号的可检测性和检测精度)；高精度模拟-数字转换(实现模拟信号的数字化)以及数据预处理。
[0035]ADC阵列测试模块34主要由标准信号源341和信号源控制器342组成。用于产生低谐波标准ADC测试信号，其经过屏蔽模拟信号线缆、核心控制板最终加载到被测图像传感器上。
[0036]图像传感器简化来说，主要包括像素阵列和ADC转换阵列。可以理解为像素接收光照而感光产生模拟信号，送交ADC阵列进行采集并转换为数字信号，最后输出，并由外部的数据采集装置获取和显示数字图像。而单独测试ADC阵列自身的性能时，通过设置(图像传感器芯片内部开关切换)，已经将像素的模拟信号输出端与ADC的输入端断开，切换为从外界直接加载测试用低谐波标准模拟信号(常采用正弦波，测试方法和过程公知)。后续的转换和数字输出与之前一致。只是转换完成的数字信号，不是感光的图像，而是输入的标准信号。
[0037]上述高速数据采集与存储模块32、物理参数测试模块33、ADC阵列测试模块34通过高速背板数据总线与高可靠嵌入式多核处理器31进行数据交互，供其调用数据，进行数据处理和参数计算。
[0038]精密程控电源主要用于为可配置光源、探测器室及控制终端提供电源。
[0039]测试方法:
[0040]本发明一体化集成了高速数据采集与存储、电路特性测试、器件物理参数测试功能。如下分别介绍各功能的实现。
[0041]高速数据采集与存储:
[0042]本系统可实现1Gbps量级高速图像数据采集与存储，如图2所示。待测图像传感器安装于核心控制板23上，工作时其输出的高速数据经核心控制板23、高速数据总线后，接入高速数据采集与存储模块32。其具体执行过程如下:
[0043]当用户执行‘数据采集和存储’操作时:由嵌入式多核控制器31发送“采集存储启动”指令，由背板总线读写控制单元侦测并获取，提交指令解析单元。指令解析单元启动可重构数字端口单元、同步控制单元、存储阵列读写控制单元开始工作。可重构数字端口单元的输入端与高速数据总线相连接(可根据需要配置为数字并行接口、LVDS接口、Camera-Link接口)，以从所述待测图像传感器获得高速数据；其输出端分为:并行数字端口和同步信号端口，分别接入数据写入缓存单元和同步控制单元输入端。
[0044]可重构数字端口单元，其用于将接收到的数据根据输出接口的不同而转换成相应格式后输出。因为各个图像芯片设计厂家不一样，其芯片输出数据的接口定义不同，数字并行接口，LVDS接口，Camera-1ink接口为最常用的接口形式。为了最大程度上兼容多种图像传感器，本发明中通过可重构数字端口单元配置接口形式，同时兼容上述几种数据接口。
[0045]同步控制单元，主要用于数据同步。因为图像数据一般并行多路输出，高达几十?上百路。要保持上述数据输出同步，否则抓取图像数据并显示的时候，因为数据不同步，会导致图像缺失、错位等现象。
[0046]数据写入缓存单元，主要用于匹配工作速率。因为图像数据输出速度较高，而图像写入速度较慢，为了让二者速度匹配，形成配合。先把接收到的图像数据缓存起来，等待还未完成的上一次图像数据写入操作结束，再把缓存的数据继续写入。
[0047]同步信号包括:数据同步时钟、帧同步信号、行同步信号，作为输入信号连接至同步控制单元。同步控制单元输出相应控制信号至数据写入缓存单元、存储阵列读写控制单元，以匹配数据缓存和同步并行写入的操作。存储阵列读写控制单元从数据写入缓存单元读取数据，分块写入大容量并行存储器阵列。写满后存储阵列读写控制单元反馈‘写满’信号至指令解析单元并自动挂起不再写入新数据。
[0048]当执行‘数据上报’操作时:嵌入式多核处理器31发送‘数据上报’指令，由背板总线读写控制单元侦测并获取，提交指令解析单元。指令解析单元启动存储阵列读写控制单元，分块提取存储器中的数据至数据读出缓存单元。指令解析单元检测数据读出缓存单元并抓取数据，封装为数据包后，通过背板总线读写控制单元、高速背板总线、上报至嵌入式多核处理器进行处理，显示等。
[0049]电路特性测量:
[0050]如图3所示，本发明支持对待测图像传感器中并行多通道ADC电路特性进行测量(被测试通道数量取决于图像芯片内部ADC通道数目)，其实现过程如下。测试时，任务设备选择ADC阵列测试模块34和高速数据采集与存储模块32。待测芯片图像传感器安装于核心控制板23上，由核心控制板23输出图像传感器控制信号，使待测图像传感器的芯片ADC阵列输入端切换至外部信号输入模式(如图3所示信号选择开关k切换至外部信号输入)。
[0051]由控制装置中信号发生器发出的低谐波标准模拟信号，(常为正弦信号，正弦信号的频率、幅度、相位可根据需要设置:通过发送设置参数到“信号源控制器”，信号源控制器会控制“标准信号源”输出用户所设置标准模拟信号波形)。该信号作为外部信号加载到图像传感器内ADC阵列的输入端，用于测试ADC阵列性能参数。
[0052]由嵌入式多核处理器31根据用户设置，经高速背板数据总线，向ADC阵列测试模块34中的信号源控制器342发出设定参数以及“输出标准信号”指令。信号源控制器342收到指令后则调节标准信号源，输出幅度、频率固定，高信噪比(SNR)，低谐波失真(THD)正弦信号，经屏蔽信号线加载到待测图像传感器的ADC阵列输入端。ADC阵列采集所述低谐波失真(THD)正弦信号并经过模数转化后输出数据经高速数据总线，被高速数据采集与存储模块32采集和存储。最终由高可靠嵌入式多核处理器31读取各通道数据，依次计算各ADC通道电路特性参数。
[0053]器件物理参数测量:
[0054]重点解决电荷残留参数测量、固定模式噪声性能、像素间串扰性能参数测量。
[0055]如图4所示为电荷残留参数测试原理图。测试时，光源选用脉冲激光光源，任务设备选择物理参数测试模块33，调整好光路模块21使激光光源垂直投射到被测图像传感器像素阵列上。由核心控制板输出脉冲光源控制时钟(如图4所示Opt_Clk，输出至光源控制器)和被测图像传感器工作时钟(如图4所示Sens_Clk，输出至被测图像传感器)，二者保持精密同步。在图像传感器像素结构内部，根据Sens_Clk会自动产生传输管控制时钟(如图4所示TX_Clk)，用于控制像素感光信号。Opt_Clk与TX_Clk相比较，Opt_Clk只输出TX_Clk的奇数次脉冲，也即实现在第一帧积分时间内，开启激光脉冲光源和信号传输管；在接下来的第二帧积分时间内，激光脉冲光源关闭，但信号传输管开启。被测图像传感器的像素在上述两次积分时间内，先后输出感光电流。上述信号经过屏蔽信号线送至物理参数测试模块33，先后经锁相放大、高精度模数转换、和数据预处理后获得数字化值，得到第一次读出信号。然后根据第二次读出的信号，即可计算出第一次光积分时间内，残留在像素中的电荷数目，以其所占比例。
[0056]第一次读出，是像素受到光波照射后，感生出电荷后进行输出，被ADC采集、数字化后输出。可根据上述数值计算出像素感光获得的电荷数值。
[0057]由于像素中势皇、势阱的作用，上述第一次读出中的电荷，不会被完全转移出来。会有少量电荷残留在像素内。因此需要进行第二次采集，此时像素近似于在暗场环境下，无光照，也即无新增的感生电荷。此时采集和读出的是原来残留在像素中的上一帧的电荷。由此可以获得残留的电荷数目，以及其占的比例。
[0058]如图5所示为像素阵列固定模式噪声测试原理图。测试时，光源选用数字白光光源14，任务设备选择高速数据采集与存储模块32，所述光路模块使所述数字白光光源14发出的均匀平行白光垂直投射到被测图像传感器像素阵列上，所述待测图像传感器阵列在所述平行白光的照射下输出光电感应信号。利用高速数据采集和存储模块32根据所述光电感应信号快速捕获图像帧，利用高可靠嵌入式多核处理器31计算N帧的平均值作为各像素单元信号输出。求各像素单元暗电流信号输出的标准差，再除以整个阵列像素单元输出信号输出平均值即为所测光照下的固定模式噪声。
[0059]如图6所示为像素间串扰性能测试原理图。测试时，光源选用12激光光斑光源，聚焦光路部分选择倍率更高的显微物镜。任务设备选择高速数据采集与存储模块32，调整好光路模块21使所述激光光斑光源12发出的激光光斑垂直投射到被测图像传感器像素阵列上。所选激光光斑光源12经聚焦后其输出的光斑直径与单个像素同等尺度量级(常用图像传感器像素大小约为2?1um)，调节样品台Z轴实现对焦，然后调节X/Y轴使光斑尽量仅覆盖单一像素，如图6中像素5。利用高速数据采集和存储模块采集像素阵列输出数据，特别是光斑覆盖像素及其临近像素的输出数据。由高可靠嵌入式多核处理器31计算其临近像素输出与中央像素输出的比值，即可获得像素间串扰参数。
[0060]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种图像传感器特性参数测量分析系统，其特征在于，包括: 可配置光源，用于产生测试所需信号光波； 探测器室，至少包括I个待测图像传感器，用于接收可配置光源发出的信号光波，从而输出相应的光电感应信号及相关数据； 控制终端，用于为所述可配置光源，探测器室提供电源；接收探测器室输出的光电感应信号及相关数据，并根据所述光电感应信号及相关数据计算和显示所测的参数；所述控制终端还用于人机交互，将用户的设置数据传送至探测器室内以控制待测图像传感器的工作。
2.如权利要求1所述的测量系统，其中，所述可配置光源包括至少一个光源和光源控制器，所述光源控制器用于根据需要选择所述至少一个光源产生测试所需信号光波。
3.如权利要求1所述的测量系统，其中，所述探测器室还包括: 光路模块，用于检测和调整所述可配置光源产生的信号光波光强，并将所述信号光波投射至待测图像传感器像素阵列上； 定位执行机构，用于调整待测图像传感器的位置； 核心控制板，所述待测图像传感器安装在所述核心控制板上，所述核心控制板用于控制所述待测图像传感器的工作，并与所述控制终端进行数据传输； 整体暗箱，其用于吸收探测器室内的杂散光，并提供与外部交互的接口。
4.如权利要求1所述的测量系统，其中，所述控制终端包括: 处理器，用于控制数据采集与存储模块、物理参数测试模块以及ADC阵列测试模块工作，并对上述模块输出的数据进行处理和显示； 数据采集与存储模块，用于采集被测图像传感器输出的光电感应信号及相关数据并对其进行存储； 物理参数测试模块，用于对待测图像传感器输出的光电感应信号及相关数据进行锁相、放大、模数转换以及数据预处理； ADC阵列测试模块，用于产生低谐波ADC测试信号，并加载到待测图像传感器的ADC阵列上。
5.如权利要求4所述的测量系统，其中，所述测量系统用于数据采集与存储，且所述数据采集与存储模块包括: 背板总线读写控制单元，用于侦测并获取所述处理器的根据用户指示下发的指令，并提交指令解析单元； 指令解析单元，用于解析所述指令，并将所述指令解析为数据采集或数据上报指令；当为数据采集指令时，启动所述可重构数字端口单元；当数据采集指令为数据上报指令时，启动存储阵列读写控制单元，并从数据读出缓存单元读取数据并上报至处理器； 可重构数字端口单元，接收待图像传感器输出的光电感应信号及相关数据，并将其转换成相应格式数据后输出至数据写入缓存单元和同步控制单元； 同步控制单元，其用于输出同步控制信号，以同步数据写入缓存单元、数据读出缓存单元和存储阵列读写控制单元的操作； 数据写入缓存单元，用于缓存可重构数字端口单元输出的数据； 数据读出缓存单元，用于缓存所述存储阵列读写控制单元输出的数据； 存储阵列读写控制单元，用于从数据写入缓存单元读取数据，并分块写入大容量并行存储器阵列中；还用于从并行阵列存储器中提取出数据写入数据读出缓存单元； 并行阵列存储器，用于存储数据。
6.如权利要求4所述的测量系统，其中，所述ADC阵列测试模块包括:标准信号源和信号源控制器；其中，在电路特性测量时， 所述处理器根据用户指示向所述信号源控制器输出设定参数以及输出标准信号指令； 信号源控制器根据所述指令调节标准信号源，向待测图像传感器加载低谐波ADC测试信号; 所述待测图像传感器中的ADC阵列采集所述低谐波ADC测试信号并经过数模转化后输出ADC测试数据； 所述ADC测试数据被所述数据采集与存储模块采集并存储； 所述处理器读取所述ADC测试数据，并计算得到所述待测图像传感器中ADC阵列各通道的电路特性参数。
7.如权利要求4所述的测量系统，其中，所述物理参数测试模块可用于测量所述待测图像传感器的电荷残留参数、固定模式噪声性能和像素间串扰性能参数。
8.如权利要求7所述的测量系统，其中，所述可配置光源包括脉冲激光光源；其中，测量所述待测图像传感器的电荷残留参数时， 所述光路模块将所述脉冲激光光源输出的激光脉冲垂直投射到待测图像传感器像素阵列上； 所述待测图像传感器阵列在所述激光脉冲的照射下输出光电感应信号； 所述物理参数测试模块获得所述光电感应信号并将其进行锁相放大、高精度模数转换和数据预处理后获得第一次数字数据； 所述物理参数测试模块再次获得所述光电感应信号并将其进行锁相放大、高精度模数转换和数据预处理后获得第二次数字数据； 所述物理参数测试模块根据所述第一次数字数据和第二次数字数据计算残留在待测图像传感器阵列像素阵列中的电荷数目及其比例。
9.如权利要求7所述的测量系统，其中，所述可配置光源包括数字白光光源；其中，测量所述待测图像传感器的固定模式噪声性能时， 所述光路模块将所述数字白光光源发出的均匀平行白光垂直照射到待测图像传感器像素阵列上； 所述待测图像传感器阵列在所述平行白光的照射下输出光电感应信号； 所述数据采集与存储模块根据所述光电感应信号捕获图像帧； 所述处理器计算所述数据采集与存储模块捕获的多个图像帧的平均值作为所述待测图像传感器像素阵列中各像素单元的信号数据，并所述各像素单元的信号数据计算得到固定模式噪声性能数据。
10.如权利要求7所述的测量系统，其中，所述可配置光源包括激光光斑光源；其中，测量所述待测图像传感器像素阵列的像素间串扰性能时， 所述光路模块将所述激光光斑光源发出的激光光斑垂直投射到待测图像传感器像素阵列上，且使得所述激光光斑照射在所述像素阵列单个像素上，激光光斑的直径与所述像素阵列单个像素同等尺度量级； 所述待测图像传感器像素阵列在所述激光光斑的照射下输出光电感应信号； 所述数据采集与存储模块采集所述光电感应信号并分别获取被照射像素单元及其相邻像素单元输出的电流数据； 所述处理器根据所述被照射像素单元及其相邻像素单元输出的电流数据计算得到像素间串扰性能数据。
【文档编号】H04N17/00GK104469356SQ201410838194
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】秦琦, 吴南健, 冯鹏, 刘力源 申请人:中国科学院半导体研究所