[发明专利]一种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法

说明书

本发明涉及一种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法，该方法涉及装置是静电试验平台、积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、大面阵彩色CMOS图像传感器样品、直流电源和计算机组成，首先打开积分球光源，并关闭测试室中其他照明光源，然后设置积分球光源为固定光强，由小至大调整积分时间，使输出图像由黑至最亮，根据坐标将图像传感器不同像素单元的相应数据归类放入R、GB、GR或B通道的灰度值矩阵中，分别计算各通道所有像素的平均灰度值，画出各通道所有像素的平均灰度值随积分时间变化的曲线，根据曲线可得饱和灰度值，本发明操作方便简单，可以直观的看出辐照引起器件各通道饱和灰度值退化的情况。为大面阵彩色CMOS图像传感器在空间应用时的抗辐射设计提供理论依据和技术支撑。

技术领域

本发明属于光电成像器件性能参数检测技术领域，涉及一种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和输出电压评估方法。

背景技术

光电成像器件是利用光电效应，将光辐射图像转换为可观察、记录、传输、存储以及处理的信息器件的总称。光电成像器件广泛应用在各类空间光学卫星和有效载荷中，由于能够实时获得图像，是对地遥感侦察、目标监视、星敏感器等空间光电系统中不可缺少的核心器件。CMOS图像传感器与电荷耦合器件相比，具有单片集成、可靠性高、单电压、功耗低、成本低等明显优势，逐渐占据了对小体积、轻重量有苛刻要求的空间中低端成像领域，广泛应用于星敏感器、太阳敏感器、微纳卫星遥感、卫星姿态控制、飞船可视系统、空间视觉监控等各个方面。随着大规模集成电路工艺制造技术的进步，部分高性能CMOS图像传感器灵敏度、噪声性能已接近电荷耦合器件的水平，在国内外空间高端成像领域正逐渐取代电荷耦合器件。

航天器所处的天然空间辐射环境中，辐射主要来源于银河宇宙射线，太阳宇宙射线以及围绕地球的地磁俘获带辐射。辐射环境中的高能带电粒子作用于CMOS图像传感器会使它的性能参数产生影响。大面阵彩色CMOS图像传感器大多采用8T技术，全局电子快门，在像素内部集成额外的储存节点，实现相应的读取功能，保证所有像素同步曝光，从而克服卷帘曝光的缺点，具有较高的填充因子，从而增加了光响应灵敏度及信噪比，芯片可实现外触发和曝光控制。8T CMOS图像传感器自推出以来就备受空间光学相机设计师的青睐，我国多个宇航型号均采用了8T CMOS图像传感器，如天宫二号和神舟十一号交会对接目标凝视相机、嫦娥三号辅助着陆相机等。

以CMV12000-2E5C1PA这种大面阵彩色图像传感器为例，其输出图像为Bayer格式的原始图像，在分析其在辐射环境下性能参数的变化必须首先分离所有像素R、GB、GR和B通道的数据，再根据分离出的数据分别计算辐照前、后性能参数的变化。对于k位(k-bit)的图像传感器，它的数字灰度值在0到(2^k-1)范围内，由此可见，若光强足够强或积分时间足够长时，灰度值总会在达到一个定值，即为饱和灰度值，单位为DN。它表征的是像素所能采集到的最强有效信号的能力。饱和灰度值是表征CMOS图像传感器性能的关键参数，同时也是空间辐射损伤的敏感参数。以往大量文献研究了针对黑白图像传感器辐照前、后饱和灰度值的计算方法，但对于这种大面阵彩色图像传感器，所有像素各通道输出信号在辐照后的参数退化程度是不同的，之前已有的方法不再适用，因此需要根据大面阵彩色图像传感器像素单元各通道的排列关系，通过数学方法分离各通道的信号，然后再计算各通道饱和灰度值大小，最后比较分析不同通道退化程度不同的机理解释。这种基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法目前还未形成，但这对于大面阵CMOS彩色图像传感器抗辐射加固十分必要。因此本文提出基于通道分离的大面阵彩色CMOS图像传感器辐照后饱和灰度值评估方法，不仅可以掌握不同通道信号随辐照的变化趋势，对研究器件的辐射效应有重要意义，更可以为大面阵彩色CMOS图像传感器在空间应用时的抗辐射设计提供理论依据和技术支撑。

发明内容