一种CMOS图像传感器质子辐照后图像滞留的测量方法与流程

本发明涉及辐射效应测试技术领域，具体涉及一种CMOS图像传感器质子辐照以后图像滞留的测量方法。

背景技术：

互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器有体积小、质量轻、功耗低、集成度高等优点，被广泛应用于星敏感器、太阳敏感器、遥感成像等空间领域，在星识别、恒星跟踪、姿态确定、空间对接、特征跟踪、着陆控制的降落成像及目标跟踪等空间任务中发挥了重要的作用。然而，当CMOS图像传感器应用于上述领域时将会受到空间质子辐照损伤，导致CMOS图像传感器性能退化甚至功能失效。因此开展CMOS图像传感器质子辐照损伤研究具有重要的意义。

图像滞留是CMOS图像传感器所采集图像质量的重要指标之一，它表征这一帧图像是否留有上一帧图像痕迹的一个参数，是CMOS图像传感器质子辐照损伤程度评估的重要参数。

质子辐照后，CMOS图像传感器成像结果对环境温度非常敏感。传统测量CMOS图像传感器图像滞留的系统往往忽视了温度因素，导致辐照后CMOS图像传感器图像滞留测试因为环境温度变化导致不确定度增大，甚至可能出现由于温度波动导致图像滞留的变化值大于辐照所诱发图像滞留的退化值。质子辐照后CMOS图像传感器可能出现随机电码信号，导致测量不确定度增大甚至出现错误。此外，质子辐照后，CMOS图像传感器连续采集多帧图像时，前几帧可能出现灰度值较大的问题，导致无法对CMOS图像传感器图像滞留进行准确测量，严重影响了CMOS图像传感器辐照损伤评估的准确性。

技术实现要素：

本发明针对以上已有技术的不足，提出了一种测量质子辐照后CMOS图像传感器图像滞留的方法。

本发明的技术方案如下：

该CMOS图像传感器质子辐照后图像滞留的测量方法，主要包括以下步骤：

1)将质子辐照后的CMOS图像传感器置于暗箱中，暗箱处于恒温环境，暗箱内部设置光源用于在测试需要时均匀辐照CMOS图像传感器；

2)设定呈等差数列的n个积分时间，n≥10，每个积分时间连续采集M帧图像，M≥20且为偶数，并仅在第M/2帧图像采集时间打开光源，使CMOS图像传感器处于均匀光照环境；而在其它帧图像采集的过程中，光源均不发光，CMOS图像传感器处于暗场环境；

3)对于各个积分时间，分别计算每帧图像的平均灰度值；判断其中第M/2帧平均灰度值是否与50％饱和灰度值一致(在允许的误差范围内)：如果是，则以该第M/2帧对应的积分时间作为测试积分时间；如果否，则调整所述等差数列的差值和/或初值，再次执行步骤2)、步骤3)，直至第M/2帧平均灰度值与50％饱和灰度值一致，最终确定出测试积分时间；

4)在所确定的测试积分时间下，连续采集M帧图像，并在第M/2帧图像采集时间打开光源，使CMOS图像传感器处于均匀光照环境；而在其它帧图像采集的过程中，光源均不发光，CMOS图像传感器处于暗场环境；

5)计算每帧图像的平均灰度值，除去第M帧和第M+1帧图像以及根据计算结果对比确定的异常图像、计算其余帧图像平均灰度值的均值，记为X₁；第M帧图像平均灰度值记为X₂，第M+1帧图像平均灰度值记为X₃；

6)按照下式计算该CMOS图像传感器的图像滞留I_g:

上述步骤4)可以重复测量多组数据，步骤5)计算各组数据中每帧图像的平均灰度值，再将各组对应的第1帧、第2帧…第M帧图像平均灰度值分别求平均值，以此作为计算结果，然后除去第M帧和第M+1帧图像以及根据计算结果对比确定的异常图像、计算其余帧图像的均值。

上述CMOS图像传感器可安装在测试评估板上，共同置于暗箱中；测试评估板与计算机相连接，采用计算机控制测试评估板，实现不同积分时间下CMOS图像传感器图像采集及光源发光时间控制功能。

通常是前面连续几帧。

本发明相比现有技术具有稳定性好、测量精确度高和测量方法简便等优点，具体效果如下：

1、针对质子辐照后CMOS图像传感器连续输出多帧图像时，前几帧图像传感器暗信号增大，导致测量精度下降甚至出现错误的问题，采用排除除去部分异常图像的方法，提高了CMOS图像传感器质子辐照后图像滞留的测量精度。

2、质子辐照后CMOS图像传感器的图像滞留对温度比较敏感，导致辐照后图像滞留无法准确测量。本发明采用温控装置对测试环境温度进行了控制，排除由于温度变化对辐照后CMOS图像传感器图像滞留测试结果的影响。

3、针对质子辐照后CMOS图像传感器可能会出现随机电码信号，导致个别图像出现暗信号增大的问题，采用取多组图像求平均值的方法，排除了单次测量所造成的随机误差。

附图说明

图1、CMOS图像传感器图像滞留测试系统框图；

图2、CMOS图像传感器图像滞留测试流程图；

图3、质子辐照后，CMOS图像传感器图像滞留示意图；

图4、CMOS图像传感器的图像滞留随质子注量的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步描述：本实施例提供了一款CMOS图像传感器质子辐照后，图像滞留的测试方法。本实施例中CMOS图像传感器受辐照质子的能量为3MeV，质子注量分别为1.0×10¹⁰p/cm²，5.0×10¹⁰p/cm²，1.0×10¹¹p/cm²。质子辐照后的样品在CMOS图像传感器辐照效应参数测试系统上测试图像滞留，测试结果见图4所示。

CMOS图像传感器的图像滞留测试系统框图见图1所示，测试系统包含均匀光源、测试评估板、暗箱、温控箱和计算机等，其中均匀光源为测试图像滞留时提供均匀光照条件，测试评估板为被测器件供电、并提供驱动时序和驱动频率等工作条件，暗箱为器件测试过程中提供暗场环境，温控箱为器件测试过程中提供恒温环境，计算机通过控制测试评估板实现CMOS图像传感器图像采集、图片数据存储与处理。

参考图2，本发明测量CMOS图像传感器图像滞留的测试方法，包括如下步骤：

步骤一、将质子辐照后的CMOS图像传感器安装在测试评估板上，并将它们放置在暗箱中，使CMOS图像传感器处于无光照环境。

步骤二、将均匀光源固定于CMOS图像传感器正上方暗箱内壁，在测试需要时提供均匀光照。

步骤三、将暗箱放置在温控箱中，将温控箱温度设置为25℃。

步骤四、将测试评估板与计算机相连接，通过计算机控制测试评估板，实现不同积分时间下CMOS图像传感器图像采集及光源发光时间控制功能。

步骤五、选取10个等间隔分布的积分时间(t₁、t₂…t₁₀)。积分时间数列的初值和差值的设定(调整)与光源强度、光源与CMOS图像传感器之间的距离及CMOS图像传感器最大曝光时间等因素相关。每个积分时间连续采集20帧图像，并在第10帧图像采集时间内光源发光，CMOS图像传感器处于均匀光照环境。在其它19帧图像采集的过程中，光源不发光，CMOS图像传感器处于无光照环境。

步骤六、计算每帧图像的平均灰度值，判断其中第10帧平均灰度值是否为50％饱和灰度值：如果是，则以该第10帧对应的积分时间作为测试积分时间；如果否，则调整积分时间，直至第10帧平均灰度值等于50％饱和灰度值，作为测试积分时间。

步骤七、在所选取的测试积分时间下(1.243ms)，连续采集20帧图像，并在第10帧图像采集时间内光源发光，CMOS图像传感器处于均匀光照环境。在其它19帧图像采集的过程中，光源不发光，CMOS图像传感器处于无光照环境。重复测量多组数据(以下以20组为例)。

步骤八、计算每组数据中每帧图像平均灰度值，并将各组对应的第1帧、第2帧…第20帧图像平均灰度值分别求平均值(x₁、x₂…x₂₀)，即x1为所有组数据中第1帧图像平均灰度值的平均值，x2为所有组数据中第2帧图像平均灰度值的平均值……。计算结果如图3所示。

步骤九、计算除去第1帧(异常图像)、第10帧和第11帧图像平均灰度值的均值，记为X₁。第10帧图像平均灰度值为X₂，第11帧图像平均灰度值记为X₃。

步骤十、根据X₁、X₂和X₃计算该CMOS图像传感器的图像滞留I_g: