本发明涉及光电成像器件成像质量检测技术领域，具体而言，涉及一种CMOS图像传感器光谱响应空间辐射损伤的测试设备及其方法。
背景技术：
CMOS图像传感器(CMOS Image sensor，简称CIS)是应用在航天器和载荷两大领域的关键器件，广泛应用于对地遥感观测、空间目标监控、航天器姿态控制等航天工程。因其像素结构和外围子电路更为复杂，因此，对空间高能粒子造成的空间辐射效应非常敏感，从而给空间应用带来了风险。工程型号上常常用光谱响应的退化来评价CIS受空间粒子辐照后的辐射损伤，这样有利于评价CIS光敏区域的退化。研究空间粒子辐照前后CIS光谱响应的测试方法，能够为我国宇航型号工程用CIS的选型、器件研制单位抗辐射加固设计、器件受辐照后光响应性能退化的机理研究提供检测手段，具有重要的现实意义。
孙景旭等2012年公开了发明专利《一种用于CCD调制传递函数测试的设备及其测试方法》，该发明中使用的仪器包括卤素灯光源室、单色仪、积分球(5)装置、分划板部、大数值孔径显微物镜、CCD三位调整架和待测CCD；李豫东、汪波、郭旗等于2013年在光学精密工程上发表了学术论文《CCD与CMOS图像传感器辐射效应测试系统》，论文指出利用单色仪输出均匀的单色光，经过投射物镜将放置在平行光管焦面位置的矩形分划板照亮，再经过反射镜改变光路方向后射入到平行光管，平行光管输出的准直单色光通过成像物镜将矩形分划板成像到光电成像器件的光敏面上，根据所采集的图像信息得出光电成像器件的光谱响应。
由于孙景旭公开的方法主要针对CCD调制传递函数的测试，分辨率板采用的是特定空间频率分划板，不能用来测试光电成像器件的光谱响应；李豫东公开的发表的论文中应用的单色仪输出的单色光束较小，无法覆盖整个器件的光敏区，无法保证多次测试的重复性，因此该方法中得到的单色光不能用来客观评价光电成像器件受高能粒子辐射后光谱响应的辐射损伤。
技术实现要素：
为了克服现有技术的缺陷，本发明的主要目的在于提供一种CMOS图像传感器光谱响应空间辐射损伤的测试设备及其方法，以解决现有技术中因重复性差而不能客观评价光电成像器件受高能粒子辐射后光谱响应辐射损伤的问题。
为了实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种CMOS图像传感器光谱响应空间辐射损伤的测试设备，包括可调光源、滤波轮和三维样品调整台，测试设备还包括导光筒、积分球、标准探测器和遮光板；可调光源放置于导光筒内，导光筒的出光口与积分球的入光口连接，遮光板可运动地设置于积分球侧面入光口，用于调节进入积分球的光通量，标准探测器放置于积分球内壁上，用于实时监控由积分球的光窗输出的均匀光的辐照度，滤波轮上安装有不同波长的滤波片；可调光源发出的光依次通过导光筒、积分球、滤波片，到达三维样品调整台上的待测CMOS图像传感器。
进一步地，积分球侧壁上设置有固定光源。
进一步地，可调光源为溴钨灯。
进一步地，固定光源为溴钨灯。
进一步地，遮光板通过步进电动机带动进行运动。
本发明的另一个方面提供了一种CMOS图像传感器光谱响应空间辐射损伤测试方法，包括以下步骤：
步骤一，使光通过积分球和滤波轮上波长为λ的滤光片后，得到波长λ的单色光，调整三维样品调整台，使波长λ的单色光照射到待测CMOS图像传感器的光敏面上，待测CMOS图像传感器采集图像；
步骤二，使光通过滤波片上不同波长的滤光片来改变单色光的波长λ的值，待测CMOS图像传感器采集相应的图像；
步骤三，根据以下公式计算所测CMOS图像传感器的响应度：
其中，Rλ为所测CMOS图像传感器接收波长λ单色光时的响应度；V为标准探测器的输出信号；R为标准探测器波长λ的定标值；AS为标准探测器的面积；Iλ为单色光波长为λ时标准探测器的输出电流；Ad为被测器件像元面积；T为积分时间；绘制波长λ与响应度Rλ的关系曲线一；
步骤四，用高能粒子辐照步骤一至三所测CMOS图像传感器后，重复步骤一至三的操作，得到辐照后的响应度Rλ’，以及波长λ与响应度Rλ’的关系曲线二；
步骤五，比对曲线一和曲线二，得到所测CMOS图像传感器受到高能粒子辐照后光谱响应的空间辐射损伤；
步骤六，调节可调光源和/或遮光片，重复步骤一至步骤五。。
本发明的工作原理是：利用溴钨灯等卤素灯光源发出光，经过积分球无数次反射后输出均匀光，均匀光通过滤波轮上不同的滤光片变成不同波长的单色光，调整放置在三维样品调整台上的待测CMOS图像传感器，使不同波长的单色光照射在光敏面上，根据所采集的图像信息得出CMOS图像传感器的光谱响应，再将CMOS图像传感器受高能粒子辐照后，再进行一次测试，即可得到器件的光谱响应辐射损伤。
本发明的有益效果是：本发明使用各谱段单色光对CMOS图像传感器受高能粒子辐照后的光谱响应辐射损伤进行测试，能够对CMOS图像传感器光谱响应的辐射损伤进行定量的分析评价，为星用CMOS图像传感器的选型、抗辐射加固设计以及器件受辐照后光响应性能退化的机理研究提供检测手段；利用步进机对遮光板及CMOS图像传感器进行三维调节，减轻了CMOS图像传感器光谱响应辐射损伤测试的工作量；结构紧凑，操作简单方便。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了CMOS图像传感器光谱响应空间辐射损伤的测试设备结构；
图2示出了CMOS图像传感器光谱响应空间辐射损伤的测试流程。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。
请参考图1，本发明提供了一种CMOS图像传感器光谱响应空间辐射损伤的测试设备，包括可调光源1、滤波轮7和三维样品调整台8，测试设备还包括导光筒2、积分球5、标准探测器6和遮光板3；可调光源1放置于导光筒2内，导光筒2的出光口与积分球5的入光口连接，遮光板3可运动地设置于积分球5侧面入光口，用于调节进入积分球5的光通量，标准探测器6放置于积分球5内壁上，用于实时监控由积分球5的光窗输出的均匀光的辐照度，滤波轮7上安装有不同波长的滤波片；可调光源1发出的光依次通过导光筒2、积分球5、滤波片，到达三维样品调整台8上的待测CMOS图像传感器。
通常积分球5的侧面入光口直径为500mm，光窗直径为125mm，本实施例中，滤波轮7上安装有400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、850nm、900nm等不同波长的滤光片，以使积分球5光窗发出的均匀光通过不同波长的滤光片而形成相应波长的单色光。
为了增加积分球的动态输出范围，在积分球5侧壁上设置固定光源4，可调光源1和固定光源4配合使用。
一般地，可调光源1和固定光源4选用卤素灯，如溴钨灯、碘钨灯，可调光源1可选用功率为100W的卤素灯，固定光源4可选用功率为10W、20W、35W、50W的卤素灯。
本发明中遮光板3的运动可以通过机械、手动等多种方式实现，但考虑到精度和稳定性，实施例中选用步进电动机带动遮光板进行运动，从而调节进入积分球5内的光通量，进一步改变从积分球5输出的均匀光的辐照度。
请参考图2，应用上述测试设备进行CMOS图像传感器光谱响应空间辐射损伤测试的方法，包括以下步骤：
步骤一，使光通过积分球5和滤波轮7上波长为λ的滤光片后，得到波长λ的单色光，调整三维样品调整台8，使波长λ的单色光照射到待测CMOS图像传感器的光敏面上，待测CMOS图像传感器采集图像；
步骤二，使光通过滤波片上不同波长的滤光片来改变单色光的波长λ的值，待测CMOS图像传感器采集相应的图像；
步骤三，根据以下公式计算所测CMOS图像传感器的响应度：
其中，Rλ为所测CMOS图像传感器接收波长λ单色光时的响应度；V为标准探测器6的输出信号；R为标准探测器6波长λ的定标值；AS为标准探测器6的面积；Iλ为单色光波长为λ时标准探测器6的输出电流；Ad为被测器件像元面积；T为积分时间；绘制波长λ与响应度Rλ的关系曲线一；
步骤四，用高能粒子辐照步骤一至三所测CMOS图像传感器后，重复步骤一至三的操作，得到辐照后的响应度Rλ’，以及波长λ与响应度Rλ’的关系曲线二；
步骤五，比对曲线一和曲线二，得到所测CMOS图像传感器受到高能粒子辐照后光谱响应的空间辐射损伤；
步骤六，调节可调光源1和/或遮光片，重复步骤一至步骤五。
实验室的规定条件如下：
环境温度20±5℃；环境湿度45％-60％。
CMOS图像传感器件受高能粒子辐照前，通过多次测试获得器件光谱响应初值，得到的实验结果重复性误差小于2％，因此用本发明所述测试方法对CMOS图像传感器件光谱响应辐射损伤进行评价是客观合理的。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
本发明使用各谱段单色光对CMOS图像传感器受高能粒子辐照后的光谱响应辐射损伤进行测试，能够对CMOS图像传感器光谱响应的辐射损伤进行定量的分析评价，为星用CMOS图像传感器的选型、抗辐射加固设计以及器件受辐照后光响应性能退化的机理研究提供检测手段；利用步进机对遮光板及CMOS图像传感器进行三维调节，减轻了CMOS图像传感器光谱响应辐射损伤测试的工作量；结构紧凑，操作简单方便。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。