Transcript 总缺陷像元

XenICs近红外InGaAs
相机的性能测试
冯志伟 邓建 宋谦
中国科学院国家天文台

红外波段位于可见光和亚毫米波，射电波段之间


红外辐射的波长范围为：770nm～(200-350)μm,
亚毫米波：(200-350)μm ～1mm。

红外波段又可分为：
SPECTRAL REGION
Near-Infrared
Mid-Infrared
Far-Infrared
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WAVELENGTH RANGE
(microns)
(0.7-1) to 5
5 to (25-40)
(25-40) to (200-350)
TEMPERATURE RANGE
(degrees Kelvin)
WHAT WE SEE
740 to (3,000-5,200)
Cooler red stars
Red giants
Dust is transparent
(92.5-140) to 740
Planets, comets and
asteroids
Dust warmed by starlight
Protoplanetary disks
(10.6-18.5) to (92.5-140)
Emission from cold dust
Central regions of galaxies
Very cold molecular
clouds
2
天文用近红外焦平面阵列探测器

从探测机制上主要分为二类：

热探测器（对波长无选择性，在红外可做到全波响应）

光子探测器（光电效应）
目前天文观测常用的是光子探测器，它又分为三类：
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
光导（pc）探测器（内光电效应）

光伏（pv）探测器（阻挡层光电效应）

金属-绝缘体-半导体（MIS）探测器
3

近红外段，天文上常用的主要有InSb, HgCdTe,
PtSi 等3 种
InSb
HgCdTe
PtSi
工作波长
0.9~5.5µm
0.8~25µm
1.1~5.5µm
类型
PV
PV
MIS
峰值量子效率
>60%
55%~75%
2%~8%
工作温度
77~90K
213K（0.8~2.5µm）
77K（2.5~25µm）
~57K
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4

Cut-off Wavelength：

Eg与温度有关，将探测器制冷，可降低Eg, 增加λC
同时，温度降低，从而降低暗电流，提高了灵敏度。
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5
InGaAs焦平面阵列

In1-xGaxAs材料的特性

闪锌矿立方晶体结构。晶格常数随组分变化关系遵循Vegard定律,
近似为线性:
a(x)=xaGaAs+(1-x)aInAs
由GaAs的0.56533nm 变化到InAs 的0.60583nm。当其组分x=0.53时
，In0.47Ga0.53As晶格常数与磷化铟(InP)的晶格常数完全匹配。因此
，可以在InP衬底上外延生长高质量的In1-xGaxAs薄膜。
其次，In1-xGaxAs为直接带隙材料，其禁带宽度Eg随组分由InAs 的
0.35eV 变化到GaAs 的1.43eV 与之相对应的截止波长分别为
3.5µm 和0.87µm。由于石英介质光纤的低损耗带通在1.2~1.7µm
之间。当时x=0.53时In1-xGaxAs对应的截止波长为1.7µm正好覆盖了
光纤通讯的常用波长范围1310nm 和1550nm。


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6
不同组分的InGaAs和Si探测器的量子效率
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7
Sensor Unit (SU) contains the InGaAs PDA
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8

近红外探测器
Array
Type
Spectral band
Standard: 0.9 to 1.7 μm
# Pixels
640 x 512
Pixel Pitch
20 μm
Array Cooling
TE-cooled
Pixel operability
> 99%
Gain
4 gain settings
Noise level: Low gain
High gain
7 AD counts
14 AD counts
S/N ratio : Low gain
High gain
67 dB
61 dB
A to D conversion resolution
14 bit
厂家：比利时XenICs公司
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InGaAs
型号：XEVA-1.7-640
9

性能研究

增益
读出噪声
线性
暗流
量子效率和光谱响应曲线
比探测率 D* (max)
噪声等效功率 NEP (min)
缺陷像元







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10
光源 滤光片
单色仪
积分球 监测探头 定标探头 待测CCD
计算机
检流计
近红外焦平面阵列相机检测平台示意图
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11

检测平台
用于测量量子效率、增益、读出噪声及线性等指标，主要组成为：

单色仪

光源及其电源

积分球

光电探头和微电流计

挡光设备

精密万向平台

精密测距显微镜
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12
结
果
增益(Gain)、读出噪声（Readout Noise）、线性(Linearity)

Ch 1
566.82
4.22
2393.64
0.9862
Ch 2
597.75
2.66
2524.24
0.9863
Ch 3
603.28
2.80
2547.60
0.9863
Ch 4
597.37
2.68
2522.64
0.9864
Mean
591.31
3.09
2497.03
0.9863
RN (e-)
Mean value (ADU)
RN (ADU)
Linearity
(%)
10000
8000
6000
4000
2000
10000
8000
6000
4000
2000
20
40
60
Exposure time (ms)
Channel-3 Linearity
80
10000
8000
6000
4000
2000
20
40
60
Exposure time (ms)
Channel-4 Linearity
80
20
40
60
Exposure time (ms)
80
10000
8000
6000
4000
2000
20
40
60
Exposure time (ms)

Channel-2 Linearity
Mean value (ADU)
Gain (e/ADU)
Mean value (ADU)
Least

Mean value (ADU)
Channel-1 Linearity
80
Lower than average
Ch 2
RN
(ADU)
RN (e-)
427.77
4.47
1912.76
429.25
2.97
1919.37
Linearity
(%)
0.9912
0.9912
10000
8000
6000
4000
3.11
1923.15
0.9912
Ch 4
427.39
3.01
1911.07
0.9912
Mean
2015/4/8
428.62
3.39
1916.59
0.9912
20
30
40
50
Exposure time (ms)
Channel-3 Linearity
10000
8000
6000
4000
10
20
30
40
50
Exposure time (ms)
10000
8000
6000
4000
60
Mean value (ADU)
430.09
Mean value (ADU)
10
Ch 3
Channel-2 Linearity
Mean value (ADU)
Ch 1
Gain
/ADU)
Mean value (ADU)
Channel-1 Linearity
(e-
60
10
20
30
40
50
Exposure time (ms)
Channel-4 Linearity
60
10
20
30
40
50
Exposure time (ms)
60
10000
8000
6000
4000
13
Higher than average

5.00
1595.58
Linearity
(%)
0.9923
Ch 2
304.86
3.73
1524.38
0.9924
Ch 3
306.62
3.78
1533.13
0.9923
Ch 4
Mean
303.33
308.48
3.73
4.06
1516.73
1542.46
0.9924
0.9924
Mean value (ADU)
319.10
RN (e-)
10000
8000
6000
4000
10
20
30
Exposure time (ms)
Channel-3 Linearity
8000
6000
4000
20
30
Exposure time (ms)
10000
8000
6000
4000
40
10000
10

Channel-2 Linearity
Mean value (ADU)
Ch 1
RN
(ADU)
Mean value (ADU)
Gain (e/ADU)
Mean value (ADU)
Channel-1 Linearity
10
20
30
Exposure time (ms)
Channel-4 Linearity
40
10
20
30
Exposure time (ms)
40
10000
8000
6000
4000
40
Most
Channel-2 Linearity
RN (e-)
Ch 1
193.17
7.20
1391.76
0.9911
Ch 2
188.53
6.35
1358.31
0.9913
Mean value (ADU)
RN (ADU)
Linearity
(%)
Mean value (ADU)
Channel-1 Linearity
Gain (e/ADU)
8000
6000
4000
186.98
6.45
1347.12
0.9911
Ch 4
185.66
6.40
1337.62
0.9913
Mean
188.58
6.60
1358.70
0.9912
2015/4/8
10
Exposure time (ms)
Channel-3 Linearity
8000
6000
4000
5
10
Exposure time (ms)
6000
4000
15
Mean value (ADU)
Ch 3
Mean value (ADU)
5
8000
15
5
10
Exposure time (ms)
Channel-4 Linearity
15
5
10
Exposure time (ms)
15
8000
6000
4000
14
XEVA-640 QE Curve
80
70
60

量子效率（QE）
QE (%)
50
40
30
20
10
0
900
1000
1100
1200
1300
1400
Wavelength [ nm ]
1500
1600
1700
1600
1700
量子效率曲线
XEVA-640 Absolute Spectral Response
1
0.9
0.8
Response [ A / W ]
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
2015/4/8
0
900
1000
1100
1200
1300
1400
Wavelength [ nm ]
光谱响应曲线
1500
15

比探测率 D* (max)
1.368E+011 Jones (cm*Hz1/2/W)

噪声等效功率 NEP (min)
7.154E-014 W

缺陷像元

暗场信号平均值：1302.2242ADU
曝光图像信号平均值：6637.9556ADU
热像元（暗场中大于平均值5倍的像素）数量：40 (0.04884% )
死像元（曝光图像中小于平均值10%的像素）数量：0 (0% )
坏像元（曝光图像中偏离平均值大于+/-12%的像素）数量：136 (0.16606% )
总缺陷像元（热像元、死像元和坏像元）数量：136 (0.16606% )





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16

暗流 (Dark Current)

-40oC/233K
80000
1000000
Dark current
o
@-40 C
70000
Dark current
o
@-40 C
800000
Dark current(e /pixel/s)
50000
600000
-
-
Dark current(e /pixel)
60000
40000
30000
20000
400000
200000
10000
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0
200
Exposure time(ms)
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Exposure time(ms)
暗流平均值:30.31±0.50e-/pixel/ms
2015/4/8
17
-43oC/230K

70000
Dark current
o
@-43 C
Dark current
o
@-43 C
1000000
60000
Dark current(e /pixel/s)
40000
-
-
Dark current(e /pixel)
800000
50000
30000
20000
600000
400000
200000
10000
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0
200
400
Exposure time(ms)
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Exposure time(ms)
暗流平均值: 25.81±1.06e-/pixel/ms
-44oC/229K

Dark current
o
@-44 C
140000
Dark current
o
@-44 C
1000000
120000
Dark current(e /pixel/s)
80000
600000
-
-
Dark current(e /pixel)
800000
100000
60000
40000
400000
200000
20000
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0
0
Exposure time(ms)
2015/4/8
1000
2000
3000
4000
5000
Exposure time(ms)
18
暗流平均值: 20.56±0.32e-/pixel/ms
-45oC/228K

70000
Dark current
o
@-45 C
60000
Dark current
o
@-45 C
1000000
Dark current(e /pixel/s)
800000
-
40000
-
Dark current(e /pixel)
50000
30000
20000
600000
400000
200000
10000
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0
200
400
600
Exposure time(ms)
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Exposure time(ms)
暗流平均值: 23.78±0.24e-/pixel/ms
-40oC/233K、-43oC/230K、44oC/229K、-45oC/228K

80000
1000000
Dark current
Dark current
70000
Dark current(e /pixel/s)
800000
-
50000
-
Dark current(e /pixel)
60000
40000
30000
600000
400000
o
@-40 C
o
@-43 C
o
@-44 C
o
@-45 C
o
-40 C
o
-43 C
o
-44 C
o
-45 C
20000
10000
0
0
2015/4/8
200000
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Exposure time(ms)
1600
1800
2000
2200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Exposure time(ms)
1600
1800
2000
2200
19
结
果

暗流
•
从上述两个温度设置时的暗流作图中我们可以看到，在积分时
间≥500ms时，暗流才具有线性，故建议在实际观测中，在积
分时间<500ms时，要对每个积分时间分别采集暗流图像，以
用于对观测结果进行修正。
•
暗流随制冷温度降低而下降，但在-45oC/228K时又升高，说
明该相机的制冷不稳定，即不能在标称最低温度下工作，这是
因为半导体制冷能力与环境温度有关，因此在实际观测时，要
根据环境温度设定可靠工作温度。
2015/4/8
20
谢 谢！
2015/4/8
21