一种红外焦平面探测器的量子效率测试方法及系统与流程

1.本发明涉及红外焦平面探测技术领域，尤其涉及一种红外焦平面探测器的量子效率测试方法及系统。


背景技术：

2.红外焦平面探测器属于第三代红外成像器件，是红外系统的核心部件，具有集成度高、噪声等效温差低、探测能力强等优点，广泛用于军事、工业、农业、医疗、森林防火等各个领域。
3.量子效率是器件对光敏感性的精确测量。由于光子的能量与波长的倒数成比例，量子效率的测量通常是在一段波长范围内进行。底片的量子效率通常少于10％，而感光耦合元件在某些波长位置具有超过90％的效率。
4.现有技术中尚无一个完整的理论可以对红外焦平面探测器的量子效率的计算过程以及其影响因素进行定量分析等。


技术实现要素：

5.为了解决以上技术问题，本发明提供了一种红外焦平面探测器的量子效率测试方法及系统。
6.本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：
7.一种红外焦平面探测器的量子效率测试方法，包括红外焦平面探测器以及与所述红外焦平面探测器对准且相隔一预设距离设置的面源黑体，使得黑体辐射均匀照射在所述红外焦平面探测器像元上，所述面源黑体工作在一预设温度下；
8.并包括以下步骤：
9.步骤s1，获取所述红外焦平面探测器的像元在不同积分时间下的像元电压数据；
10.步骤s2，对所述红外焦平面探测器的像元电压数据随所述积分时间进行线性拟合，确定拟合直线的斜率；
11.步骤s3，获取所述红外焦平面探测器的光学f数、所述红外焦平面探测器上读出电路的积分电容、像元面积以及普朗克光子发射率，并结合确定的所述拟合直线的斜率计算得到所述量子效率。
12.优选地，所述获取所述红外焦平面探测器的像元在不同积分时间下的像元电压数据，具体包括：
13.获取所述红外焦平面探测器上所有像元的输出电压；
14.对所有像元的输出电压进行平均处理，得到在不同积分时间下的所述像元电压数据。
15.优选地，所述步骤s3之后，还包括：
16.调整所述预设温度，按照步骤s1-s3的流程测量并得到所述预设温度调整后对应的像元输出电压随积分时间关系，以得到不同黑体温度下的量子效率。
17.优选地，所述量子效率采用下述公式计算得到：
[0018][0019]
其中，f表示所述红外焦平面探测器的光学f数；n表示补偿系数；k表示所述拟合直线的斜率；c表示所述读出电路的积分电容；j表示所述普朗克光子发射率；ad表示所述像元面积；η表示所述量子效率。
[0020]
优选地，所述普朗克光子发射率采用下述公式确定：
[0021][0022]
其中，λ表示所述黑体辐射的入射光的波长；h表示普朗克常数；c表示真空光速；t表示所述预设温度；kb表示玻尔兹曼常数；j表示所述普朗克光子发射率。
[0023]
优选地，所述预设温度为20℃-70℃。
[0024]
优选地，所述红外焦平面探测器为制冷型红外焦平面探测器。
[0025]
本发明还提供一种红外焦平面探测器的量子效率测试系统，其特征在于，用于实施如上述的红外焦平面探测器的量子效率测试方法，包括红外焦平面探测器以及与所述红外焦平面探测器对准且相隔一预设距离设置的面源黑体，使得黑体辐射均匀照射在所述红外焦平面探测器上，所述面源黑体工作在一预设温度下；
[0026]
还包括：
[0027]
获取单元，用于获取所述红外焦平面探测器的像元在不同积分时间下的像元电压数据；
[0028]
拟合处理单元，连接所述获取单元，用于对所述红外焦平面探测器的像元电压数据随所述积分时间进行线性拟合，确定拟合直线的斜率；
[0029]
计算单元，连接所述拟合处理单元，用于获取所述红外焦平面探测器的光学f数、所述红外焦平面探测器上读出电路的积分电容、像元面积以及普朗克光子发射率，并结合确定的所述拟合直线的斜率计算得到所述量子效率。
[0030]
优选地，所述获取单元具体包括：
[0031]
获取模块，用于获取所述红外焦平面探测器上所有像元的输出电压；
[0032]
处理模块，连接所述获取模块，用于对所有像元的输出电压进行平均处理，得到在不同积分时间下的所述像元电压数据。
[0033]
优选地，还包括：
[0034]
调整单元，用于调整所述预设温度，以测量并得到所述预设温度调整后对应的像元输出电压随积分时间关系，得到不同黑体温度下的量子效率。
[0035]
本发明技术方案的优点或有益效果在于：
[0036]
本发明的量子效率测试方法简便可行，数据采集方便、数据处理简单，适用于暗电流比较小的焦平面探测器器件。
附图说明
[0037]
图1为本发明较佳实施例中，红外焦平面探测器的量子效率测试方法的流程示意图；
[0038]
图2为本发明较佳实施例中，像元电压随积分时间变化的示意图。
具体实施方式
[0039]
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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的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。
[0040]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0041]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0042]
参见图1-2，本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种红外焦平面探测器的量子效率测试方法，包括红外焦平面探测器以及与红外焦平面探测器对准且相隔一预设距离设置的面源黑体，使得黑体辐射均匀照射在红外焦平面探测器上，面源黑体工作在一预设温度下；
[0043]
并包括以下步骤：
[0044]
步骤s1，获取红外焦平面探测器的像元在不同积分时间下的像元电压数据；
[0045]
步骤s2，对红外焦平面探测器的像元电压数据随积分时间进行线性拟合，确定拟合直线的斜率；
[0046]
步骤s3，获取红外焦平面探测器的光学f数、红外焦平面探测器上读出电路的积分电容、像元面积以及普朗克光子发射率，并结合确定的拟合直线的斜率计算得到量子效率。
[0047]
作为优选的实施方式，其中，获取红外焦平面探测器的像元在不同积分时间下的像元电压数据，具体包括：
[0048]
获取红外焦平面探测器上所有像元的输出电压；
[0049]
对所有像元的输出电压进行平均处理，得到在不同积分时间下的像元电压数据。
[0050]
作为优选的实施方式，其中，步骤s3之后，还包括：
[0051]
调整预设温度，按照步骤s1-s3的流程测量并得到预设温度调整后对应的像元输出电压随积分时间关系，以得到不同黑体温度下的量子效率。
[0052]
作为优选的实施方式，其中，量子效率采用下述公式计算得到：
[0053][0054]
其中，f表示红外焦平面探测器的光学f数；n表示补偿系数；k表示拟合直线的斜率；c表示读出电路的积分电容；j表示普朗克光子发射率；ad表示像元面积；η表示量子效率。
[0055]
作为优选的实施方式，其中，普朗克光子发射率采用下述公式确定：
[0056][0057]
其中，λ表示黑体辐射的入射光的波长；h表示普朗克常数；c表示真空光速；t表示黑体预设温度；kb表示玻尔兹曼常数；j表示普朗克光子发射率。
[0058]
作为优选的实施方式，其中，预设温度为20℃-70℃。
[0059]
作为优选的实施方式，其中，红外焦平面探测器为制冷型红外焦平面探测器。
[0060]
本发明还提供一种红外焦平面探测器的量子效率测试系统，其特征在于，用于实施如上述的红外焦平面探测器的量子效率测试方法，包括红外焦平面探测器以及与红外焦平面探测器对准且相隔一预设距离设置的面源黑体，使得黑体辐射均匀照射在红外焦平面探测器上，面源黑体工作在一预设温度下；
[0061]
还包括：
[0062]
获取单元，用于获取红外焦平面探测器的像元在不同积分时间下的像元电压数据；
[0063]
拟合处理单元，连接获取单元，用于对红外焦平面探测器的像元电压数据随积分时间进行线性拟合，确定拟合直线的斜率；
[0064]
计算单元，连接拟合处理单元，用于获取红外焦平面探测器的光学f数、红外焦平面探测器上读出电路的积分电容、像元面积以及普朗克光子发射率，并结合确定的拟合直线的斜率计算得到量子效率。
[0065]
作为优选的实施方式，其中，获取单元具体包括：
[0066]
获取模块，用于获取红外焦平面探测器上所有像元的输出电压；
[0067]
处理模块，连接获取模块，用于对所有像元的输出电压进行平均处理，得到在不同积分时间下的像元电压数据。
[0068]
作为优选的实施方式，其中，还包括：
[0069]
调整单元，用于调整预设温度，以测量并得到预设温度调整后对应的像元输出电压随积分时间关系，得到不同黑体温度下的量子效率。
[0070]
下文中对本发明实施例进一步阐述：
[0071]
红外焦平面(irfpa)是对红外辐照敏感的探测器并带有读出电路的器件，红外焦平面探测器(简称红外焦平面)像元(红外探测器的敏感单元)的输出电压v
out
(也叫信号电压，单位：伏特，v)为：
[0072][0073]
其中，vb表示红外焦平面还未开启时读出电路的输出电压，对于充电型读出电路，δq取正值；对于放电型读出电路，δq取负值，δq为固定测试条件下一个积分时间t
int
内积分电容c所积累的电荷量(单位：库仑，c)。
[0074]
由辐射度学可知在积分时间t
int
内入射光子产生的电子-空穴对的数目e
num
为
[0075][0076]
其中，θ表示红外焦平面探测器的视场角(fov)；α(i)表示入射光到达焦平面探测器的像元之前经过的第i个光学元器件的透过率；ad表示红外焦平面探测器中心单个像元的像元面积；η表示量子效率(即入射的每个光子所产生的电子-空穴对的数目)；j表示红外焦平面探测器器件正对的热辐射源(或黑体)的温度为t时每平方微米每秒且辐射波段范围为λ1～λ2焦平面的光谱响应范围，单位μm)的光的普朗克光子发射率，单位为ph/(μm2
·
s)。
[0077]
由辐射度学可知，普朗克光子发射率j由下式给出：
[0078][0079][0080]
其中，λ表示入射光子的波长(单位μm)；h表示普朗克常数，h＝6.626
×
10-34j·
s；c表示真空中光速，c＝3.0
×
10
14
μm/s；kb表示玻尔兹曼常数，kb＝1.38065
×
10-23
j/k；
[0081]
由上述公式(3)可知，当热辐射源(即面源黑体)的温度t稳定且红外焦平面探测器到热辐射源的距离r保持不变时，红外焦平面接收到的波段范围在λ1～λ2(单位μm)之间的辐射光子流密度为：
[0082][0083]
且该辐射光子流密度恒定，也即单位时间内红外焦平面上具体某个像元上所接受到的光子数是恒定的，也即该像元上单位时间内每平方微米像元上所产生的电子-空穴对的数目是恒定的，即红外焦平面的量子效率是一个稳定值，因此温度t和距离r保持不变时，红外焦平面探测器像元的信号电压输出值v
out
与积分时间t
int
是线性关系，满足如下关系式：
[0084][0085]vout-t
int
图像的斜率k满足如下关系：
[0086][0087]
则量子效率η为
[0088][0089]
其中，红外焦平面探测器的f数、读出电路(roic)的积分电容c和像元面积ad都是已知的，同时j可通过(3)式对红外焦平面的响应波段进行积分求得，因此测试红外焦平面量子效率η，数据采集方面只需要采集红外焦平面中心像元的信号电压输出值v
out
对积分时间t
int
的变化关系数据，也即红外焦平面探测器正常工作情况下通过改变积分时间得到信号电压的数据，将信号电压v
out
对积分时间t
int
的数据按最小二乘法拟合直线，得到v
out-t
int
图像的斜率k，再代入(6)式即能得到mct制冷型红外焦平面探测器焦平面的量子效率η，结
合gb/t 17444-2013红外焦平面参数测试方法可知近似计算时入射到像元的辐射光子流密度可由下式求得：
[0090][0091]
当f》1时，n取值为1；当f≤1时，n取值为0，将上式代入(6)式，则有
[0092][0093]
本发明方法测试量子效率，可归结为固定黑体温度、不同积分时间下的信号电压测试，即黑体温度t辐照条件下采集不同积分时间时红外焦平面探测器的信号电压，在测得信号电压后，红外焦平面探测器的量子效率可根据前面推导的公式进行计算。
[0094]
本发明实施例在测试过程中将红外焦平面探测器通过光学系统对准面源黑体，通过控制模块向红外焦平面提供偏置电压和工作脉冲，保证其正常工作，并对采集的信号进行信号处理、数据采集处理后送入控制模块，控制模块与计算机进行交互。
[0095]
(1)测试条件：
[0096]
1.1黑体温度稳定，原始图像输出并且输出不加调制；
[0097]
1.2黑体辐射应保证焦平面各像元均匀辐照；
[0098]
1.3面源黑体测试时，黑体温度推荐20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃；
[0099]
(2)测试步骤如下：
[0100]
2.1测试准备，连接测试系统，对测试系统进行预制；
[0101]
2.2调节测试系统，给制冷型红外焦平面探测器加上最佳的偏置电压，使探测器处于正常工作状态；
[0102]
2.3分别在黑体温度20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃时，通过串口工具改变积分时间，每个积分时间分别采集1帧数据，即可在每个温度下分别得到不同积分时间的一组二维数组
[0103]
2.4测得相同温度、不同积分时间下的二维数组后，量子效率η可根据前面推导的公式进行计算。
[0104]
(3)数据采集与处理：
[0105]
3.1常温分别采集得到黑体温度为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃时变积分时间的一组数据；
[0106]
3.2找到焦平面中心的16个像元(或者9个像元)，对其输出电压求平均值，得到相同温度下不同积分时间下的像元信号电压数据v
out
(t,t
int
())。
[0107]
3.3对相同温度t下红外焦平面探测器像元信号电压v
out
(t,t
int
())随积分时间t
int
变化的数据进行处理时要根据读出电路的特点来定：如果探测器应用的读出电路是直接注入电路(di)，直接注入电路低光通量时性能较差，高光通量时为标准电路；电容跨阻放大器电路(ctia)电路较复杂且功率较高，但是线性特别好等，以及其他类型的读出电路，都有相应的文献介绍其特点与优缺点，数据处理时则需要根据这些读出电路的特点来定。因此如果是直接注入电路(di)，那么推荐扣除掉小于10％阱深和大于95％阱深的数据；如果是电
容跨阻放大器电路(ctia)电路则因为线性特别好，则不需要额外扣除数据。
[0108]
3.4将前面经过处理的相同温度t下红外焦平面探测器信号电压v
out
(t,t
int
())随积分时间t
int
变化的数据通过origin软件拟合直线得到v
out-t
int
图像中拟合直线的斜率k，应用公式(7)即可计算出探测器的量子斜率η，其中c由读出电路的积分电容给定，ad由焦平面探测器的像元规格参数给定，其中j由积分式(3)式对红外焦平面探测器光谱响应波段范围λ1～λ2(单位μm)进行积分得到，以制冷型中波红外焦平面探测器为例，型号为mm615s4s3的一款f4红外焦平面探测器进行相关测试，其光谱响应范围为3.7～4.8(单位μm)，中波波段3.7～4.8(单位μm)时j值可以参考下表2的数值：
[0109]
表2j值速查表-中波波段3.7～4.8(单位μm)
[0110][0111][0112]
(a)拟合直线得斜率k
[0113]
以中波640
×
512制冷型红外焦平面探测器进行测试，其红外焦平面中心的16个像元(温度t时)信号电压v
out
(t,t
int
())，拟合信号电压随积分时间t
int
的v
out-t
int
图像(如图2)，得拟合直线的斜率k，并且将拟合的斜率k填入(b)的表4中；
[0114]
(b)量子效率
[0115]
红外焦平面探测器输出正常的情况下，查询探测器读出电路的积分电容c的大小以及像元面积ad，例如以探测器mm615s4s3-f4为例，读出电路相关参数取值如表3：
[0116]
表3探测器读出电路相关参数
[0117]
f数积分电容像元面积40.485pf225μm2[0118]
将(a)中得到的拟合直线的斜率以及表3中红外焦平面探测器电路相关参数代入公式(7)进行计算，得对应温度下探测器的中心像元的量子效率大小，对应的不同温度时红外焦平面探测器探测器中心像元的量子效率计算值详见下表4。
[0119]
表4mm615s4s3-f4常温区间量子效率数值
[0120][0121][0122]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种红外焦平面探测器的量子效率测试方法，其特征在于，包括红外焦平面探测器以及与所述红外焦平面探测器对准且相隔一预设距离设置的面源黑体，使得黑体辐射均匀照射在所述红外焦平面探测器像元上，所述面源黑体工作在一预设温度下；并包括以下步骤：步骤s1，获取所述红外焦平面探测器的像元在不同积分时间下的像元电压数据；步骤s2，对所述红外焦平面探测器的像元电压数据随所述积分时间进行线性拟合，确定拟合直线的斜率；步骤s3，获取所述红外焦平面探测器的光学f数、所述红外焦平面探测器上读出电路的积分电容、像元面积以及普朗克光子发射率，并结合确定的所述拟合直线的斜率计算得到所述量子效率。2.根据权利要求1所述的红外焦平面探测器的量子效率测试方法，其特征在于，所述步骤s1包括：获取所述红外焦平面探测器上所有像元的输出电压；对所有像元的输出电压进行平均处理，得到在不同积分时间下的所述像元电压数据。3.根据权利要求1所述的红外焦平面探测器的量子效率测试方法，其特征在于，所述步骤s3之后，还包括：调整所述预设温度，按照步骤s1-s3的流程测量并得到所述预设温度调整后对应的像元输出电压随积分时间关系，以得到不同黑体温度下的量子效率。4.根据权利要求1所述的红外焦平面探测器的量子效率测试方法，其特征在于，所述量子效率采用下述公式计算得到：其中，f表示所述红外焦平面探测器的光学接口f数；n表示补偿系数；k表示所述拟合直线的斜率；c表示所述读出电路的积分电容；j表示所述普朗克光子发射率；a
d
表示所述像元面积；η表示所述量子效率。5.根据权利要求4所述的红外焦平面探测器的量子效率测试方法，其特征在于，所述普朗克光子发射率采用下述公式确定：其中，λ表示所述黑体辐射的入射光的波长；h表示普朗克常数；c表示真空光速；t表示所述预设温度；k
b
表示玻尔兹曼常数；j表示所述普朗克光子发射率。6.根据权利要求1所述的红外焦平面探测器的量子效率测试方法，其特征在于，所述预设温度为20℃-70℃。7.根据权利要求1所述的红外焦平面探测器的量子效率测试方法，其特征在于，所述红外焦平面探测器为制冷型红外焦平面探测器。8.一种红外焦平面探测器的量子效率测试系统，其特征在于，用于实施如权利要求1-7任意一项所述的红外焦平面探测器的量子效率测试方法，包括红外焦平面探测器以及与所
述红外焦平面探测器对准且相隔一预设距离设置的面源黑体，使得黑体辐射均匀照射在所述红外焦平面探测器像元上，所述面源黑体工作在一预设温度下；还包括：获取单元，获取所述红外焦平面探测器的像元在不同积分时间下的像元电压数据；拟合处理单元，连接所述获取单元，对所述红外焦平面探测器的像元电压数据随所述积分时间进行线性拟合，确定拟合直线的斜率；计算单元，连接所述拟合处理单元，获取所述红外焦平面探测器的光学f数、所述红外焦平面探测器上读出电路的积分电容、像元面积以及普朗克光子发射率，并结合确定的所述拟合直线的斜率计算得到所述量子效率。9.根据权利要求8所述的红外焦平面探测器的量子效率测试系统，其特征在于，所述获取单元具体包括：获取模块，获取所述红外焦平面探测器上所有像元的输出电压；处理模块，连接所述获取模块，对所有像元的输出电压进行平均处理，得到在不同积分时间下的所述像元电压数据。10.根据权利要求8所述的红外焦平面探测器的量子效率测试系统，其特征在于，还包括：调整单元，调整所述预设温度，以测量并得到所述预设温度调整后对应的像元输出电压随积分时间关系，得到不同黑体温度下的量子效率。

技术总结
本发明提供一种红外焦平面探测器的量子效率测试方法及系统，包括红外焦平面探测器以及与红外焦平面探测器对准且相隔一预设距离设置的面源黑体，使得黑体辐射均匀照射在红外焦平面探测器像元上，面源黑体工作在一预设温度下；并包括以下步骤：步骤S1，获取红外焦平面探测器的像元在不同积分时间下的像元电压数据；步骤S2，对红外焦平面探测器的像元电压数据随积分时间进行线性拟合，确定拟合直线的斜率；步骤S3，获取红外焦平面探测器的光学F数、红外焦平面探测器上读出电路的积分电容、像元面积以及普朗克光子发射率，并结合确定的拟合直线的斜率计算得到量子效率。有益效果：本发明测试方法简便可行，数据采集方便、数据处理简单。简单。简单。


技术研发人员：杜宇 熊伟钉 李克俊 安美 陈天晴 谭必松 毛剑宏
受保护的技术使用者：浙江珏芯微电子有限公司
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/9/12