体沟道CCD表面饱和电荷量幅值大小的筛选方法

摘要

本发明公开了一种体沟道CCD表面饱和电荷量幅值大小的筛选方法，对于可以产生表面饱和效应的同一型号的不同CCD器件，通过比较其对同一信号响应所产生的拖尾信号长度的相对大小，可以判断其表面饱和电荷量的相对大小，对于同一信号的响应，拖尾信号越长，则表明其表面饱和电荷量越小。本发明的筛选方法具有原理简单可靠、效率高的特点，其测量结果可直接用于CCD器件强光测量和效应实验中。

说明书

技术领域

本发明属于一种器件性能测试方法，具体涉及一种用信号拖尾长 度差异来测试CCD表面饱和电荷量相对大小的方法。

背景技术

表面饱和是指在特定驱动下，体沟道CCD一个像素中的信号电 荷，随着数量的增加，在向该像素之外溢出之前，会先接触CCD中半 导体层与绝缘层的界面。在一个像素中，信号电荷恰好接触界面时的 数量，称为表面饱和电荷量。在CCD的强光成像应用中，CCD表面饱 和电荷量对于评价CCD器件成像动态范围和可承受强光辐照的阈值 具有重要的参考价值。

由于CCD的表面饱和除与器件自身结构相关外，还要受到其驱动 电压幅度的影响，现有的理论估算或基于电荷加载的测量方法，难以 准确得到不同器件之间表面饱和电荷量的差异，限制了CCD在强光成 像中的应用。

发明内容

本发明基于体沟道CCD表面堆积信号电荷的拖尾效应，提出一种 测试CCD表面饱和电荷量相对大小的方法，可对成品CCD器件的表面 饱和电荷量的相对幅值进行测量，为CCD器件用于强光成像应用的筛 选提供了一种方便有效的测量手段。

一种体沟道CCD表面饱和电荷量幅值大小的筛选方法，包括以下 步骤：

[1]通过光阑限制或透镜汇聚等方式，将稳定输出的光源辐照在 CCD器件感光面的中心位置，其中光源的光斑尺度小于CCD器件感光 面尺度；

[2]调节光源的强度，使得在CCD输出图像中出现光斑拖尾，记 录图像；

[3]保持光源的输出强度不变，更换CCD器件，并使得光源辐照 在CCD器件相同的位置；

[4]读取图像中光斑中心与拖尾图像尾端之间所包含的拖尾像素 数量，按照拖尾像素数量越大，所对应的CCD表面饱和电荷量越小的 原则，筛选得到所需要的CCD器件。

上述体沟道CCD表面饱和电荷量幅值大小的筛选方法中，光源为 光强呈高斯分布的激光器。

上述体沟道CCD表面饱和电荷量幅值大小的筛选方法中，激光器 的波长为可见光。

本发明具有以下的有益效果：

本发明提供了一种用于同一型号、不同CCD器件表面饱和电荷量 测试和筛选的方法，通过比较器件对同一信号响应所产生拖尾信号长 度的来判断器件表面饱和电荷量的相对大小，具有原理简单可靠、效 率高的特点，其测量结果可直接用于CCD器件强光测量和效应实验 中。

附图说明

图1为体沟道CCD相机拍摄的强度较弱的激光光斑；

图2为激光增强后图1光斑呈现拖尾的现象；

图3为激光束继续增强后图2拖尾长度增加的现象；

图4单像素信号的拖尾产生机制示意图。

附图标记：11为激光光斑，12为激光光斑拖尾长度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在特定驱动下，体沟道CCD一个像素中的信号电荷，随着数量的 增加，在向该像素之外溢出之前，会先接触CCD中半导体层与绝缘层 的界面。在一个像素中，信号电荷恰好接触界面时的数量，称为表面 饱和电荷量；信号电荷的数量超过表面饱和电荷量后，其中的一部分 将会堆积在界面处，称为表面堆积信号电荷。在信号电荷转移的过程 中，由于界面态的作用，表面堆积信号电荷具有不可忽略的转移损失 率，从而造成像素信号的拖尾现象。当一个像素中信号电荷的数量小 于或等于表面饱和电荷量时，则该像素不存在表面堆积信号电荷，不 会形成拖尾。

假设在CCD中仅有一个像素受到辐照，其中积分所得电荷量为 Q_S，则该像素信号及其拖尾的最大长度(以像素数为单位)为

n_max＝ceil(Q_S/Q_sf)

其中ceil()为正向取整函数，Q_sf为该CCD的表面饱和电荷量。对于相 同的信号电荷量Q_S，Q_sf越大，则n_max越小；Q_sf越小，则n_max越大。

要使信号及其拖尾长度n达到最大值n_max，需要让信号及其拖尾 在CCD中转移足够多的次数(一次转移是指信号向前传输一个单元)， 以使信号及其拖尾像素内的信号电荷量Q_S-any因转移损失而减少至

Q_S-any≤Q_sf

但即使n仍未达到最大，它与CCD表面饱和电荷量Q_sf的相对大小关系 也与n_max一致。这是因为，信号及其拖尾的转移传输过程中，当且仅 当拖尾最末端像素中的信号电荷量Q_S-end满足

Q_S-end>Q_sf

时，在下次转移时n才会增加。因此Q_sf越小，则该条件越容易满足， n增加越快；反之，n增加越慢。当然，转移次数越大，则n因Q_sf差 异所造成的差异就越明显。

本发明的一种测试和比较体沟道CCD表面饱和电荷量相对大小 的方法，包括以下步骤：

[1]通过光阑限制或透镜汇聚等方式，将一稳定光源的信号定域 在CCD感光面的中部，既使信号在输出之前经历较多的转移次数，又 使在输出中呈现信号及其拖尾的全貌。

[2]调节光源的强度，令CCD输出中出现光斑拖尾，并使光斑的 拖尾超出原光斑的区域，保存该图像或波形。

[3]保持光源的强度与分布不变，更换CCD器件，注意使激光辐 照相同的位置，保存对应的拖尾图像或波形。

[4]比较[2]、[3]所得图像或波形中拖尾长度的相对大小，通常 用光斑辐照中心与拖尾图像尾端之间所包含的拖尾像素数量来表示， 拖尾长度越长，拖尾像素数量越大，所对应的CCD表面饱和电荷量越 小。

如图1所示，以高斯分布的可见光激光辐照到CCD表面，当激 光较弱时，光斑所覆盖的所有像素中的电荷量都低于或等于表面饱和 电荷量时，光斑信号不会出现拖尾。当激光较强时，光斑覆盖的部分 像素中的电荷量高于表面饱和电荷量时，光斑信号将会出现拖尾，如 图2所示。当激光增强，像素中的电荷量增加时，拖尾也会增长，如 图3所示。对于高斯光斑而言，光斑中心的光强值最大，因此其光斑 中心的拖尾最长，故整个拖尾呈前宽后窄的形状。

下面，通过一个简单的例子来说明激光光斑拖尾的形成过程，从 而进一步理解根据拖尾长度的相对大小来判断CCD表面饱和电荷量 相对大小的原理。

如图4所示，设CCD仅第5个像素受到激光辐照而产生电荷量 Q_S5-0'，且有

Q_S5-0'>Q_sf

则在信号第1'次转移时，Q_S5-0'的一部分Q_S4-1'转移至第4个像素，剩 余Q_S5-1'留在第5个像素。假设有如下关系

Q_S4-1'>Q_sf

Q_S5-1'<Q_sf

则在信号第2'次转移时，Q_S4-1'的一部分Q_S3-2'转移至第3个像素，剩 余Q_S4-2'-L留在第4像素；同时，Q_S5-1'全部转移至第4像素；此时，第 4像素中的总电荷量为

Q_S4-2'＝Q_S4-2'-L+Q_S5-1'

继续假设有如下关系

Q_S4-2'>Q_sf

Q_S3-2'＝Q_sf

则在第3'次转移时，Q_S3-2'全部转移至第2个像素，重新标记为Q_S2-3'； Q_S4-2'的一部分Q_S3-3'转移至第3像素，剩余Q_S4-3'留在第4像素。假设 此时有关系

Q_S2-3'＝Q_sf

Q_S3-3'＝Q_sf

Q_S4-3'≤Q_sf

则在后续的电荷转移过程中，信号电荷不再产生转移损失，整个CCD 中信号电荷的分布不再改变，信号及其拖尾达到最大长度。也就是说， 对于相同的输入信号，CCD的表面饱和电荷量Q_sf越小，则信号及其拖 尾的长度越大。