GB/T 43063-2023 集成电路 CMOS图像传感器测试方法

　　ICS 31 . 200 CCS L 55

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 43063—2023

　　集成电路 CMOS图像传感器测试方法

　　Integrated circuit—Test method for CMOSimage sensors

　　2023-09-07 发布 2024-01-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 43063—2023

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 测试参数名称及符号 1

　　5 一般要求 2

　　5 . 1 测试环境 2

　　5 . 2 测试系统 2

　　5 . 3 规定条件 3

　　5 . 4 静电防护要求 3

　　6 测试方法 4

　　6 . 1 转换增益 K 4

　　6 . 2 暗信号 SD 7

　　6 . 3 暗信号非均匀性(固定图形噪声)FPN 8

　　6 . 4 读出噪声 Nm 9

　　6 . 5 响应非线性 Llin 10

　　6 . 6 满阱电荷数 Ns 11

　　6 . 7 动态范围 DR 12

　　6 . 8 信噪比 S/N 13

　　6 . 9 光响应非均匀性 PRNU 13

　　6 . 10 灵敏度 R 15

　　6 . 11 缺陷像元 16

　　6 . 12 电荷滞留 NRE 17

　　6 . 13 抗弥散性 18

　　6 . 14 量子效率 η 19

　　6 . 15 光谱响应度 Rλ 22

　　6 . 16 峰值响应波长 λ P 23

　　6 . 17 光谱响应范围 23

　　6 . 18 调制传递函数(奈奎斯特频率)MTFN 24

　　6 . 19 动态调制传递函数(奈奎斯特频率)MTFNs 26

　　6 . 20 角度响应曲线 28

　　I

　　GB/T 43063—2023

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中华人民共和国工业和信息化部提出并归口 。

　　本文件主要起草单位:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 、重庆光电技术研究所 、天津大学 、长春精测光电技术有限公司 、中国电子技术标准化研究院 、深圳佑驾创新科技有限公司 。

　　本文件主要起草人:李俊霖 、张涛 、兰太吉 、杨永强 、赵宇 、聂真威 、韩冰 、金辉 、马洪涛 、卢岩 、徐江涛 、刘昌举 、唐延甫 、聂凯明 、李金 、高志远 、马悦 、刘国清 、王琪 、刘秀娟 。

　　Ⅲ

　　GB/T 43063—2023

　　集成电路 CMOS图像传感器测试方法

　　1 范围

　　本文件描述了具有线性光电响应特性的线阵 、面阵和时间延迟积分(TDI)CMOS图像传感器(以下简称器件)参数及其测试方法 。

　　本文件适用于具有线性光电响应特性的线阵 、面阵和 TDI器件参数测试 。

　　2 规范性引用文件

　　本文件无规范性引用文件 。

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3.1

　　暗场 dark field

　　器件所处的无光照测试环境 。

　　3.2

　　亮场 light field

　　器件所处的有光照测试环境 。

　　3.3

　　有效像元 effective pixel

　　成像像元阵列中,没有被不透光材料覆盖并参与最终成像显示的像元 。

　　3.4

　　均值图像 mean image

　　在输入均匀辐照度 、积分时间 、器件参数均固定的条件下,对器件输出的 F 帧图像以像元为单位求均值,最后以所有有效像元 F 帧图像的均值组成的图像 。

　　3.5

　　暗信号校正 dark signal correction

　　在相同积分时间 、器件参数条件下,器件在亮场获取的均值图像与暗场获取的均值图像做差的操作 。

　　4 测试参数名称及符号

　　测试参数名称及符号见表 1 。

　　1

　　GB/T 43063—2023

　　表 1 测试参数名称及符号

　　名称

　　符号

　　单位

　　转换增益

　　K

　　DN/e—

　　暗信号

　　SD

　　e— /s

　　暗信号非均匀性(固定图像噪声)

　　FPN

　　—

　　读出噪声

　　Nm

　　e—

　　响应非线性

　　Llin

　　—

　　满阱电荷数

　　Ns

　　e—

　　动态范围

　　DR

　　dB

　　信噪比

　　S/N

　　dB

　　光响应非均匀性

　　PRNU

　　—

　　灵敏度

　　R

　　e— /(lx . s)

　　缺陷像元

　　—

　　—

　　电荷滞留

　　NRE

　　e—

　　抗弥散性

　　—

　　—

　　量子效率

　　η

　　—

　　光谱响应度

　　Rλ

　　DN/J/m2

　　峰值响应波长

　　λ p

　　nm

　　光谱响应范围

　　调制传递函数 (奈奎斯特频率)

　　MTFN

　　—

　　动态调制传递函数(奈奎斯特频率)

　　MTFNs

　　—

　　角度响应曲线

　　5 -般要求

　　5 . 1 测试环境

　　除另有规定外 , 测试环境条件如下:

　　环境温度 :23 ℃ ±5 ℃ ;

　　环境气压:86 kpa~106 kpa ;

　　环境湿度:25%~75% 。

　　5 . 2 测试系统

　　除另有规定外 , 测试系统的组成符合以下要求:

　　a) 测试类仪器的准确度应符合测试规定要求 , 经计量部门校准合格 ;

　　b) 测试系统的运动部件运动精度应符合测试需求 ;

　　c) 系统的结构应保证器件不浸水 , 不受静电 、电磁干扰 、杂散光等影响 ;

　　2

　　GB/T 43063—2023

　　d) 测试过程中 , 器件及驱动电路需有效接地 。

　　5 . 3 规定条件

　　5 . 3 . 1 光源

　　除另有规定外 , 本文件规定的光源条件满足:

　　a) 均匀面光源的光照度相对非均匀性优于 ±2% ;

　　b) 光源输出的稳定性应满足漂移量不大于 0. 5%/h ;

　　c) 单色光源输出的单色性应满足光源波长半峰宽不大于 10 nm 。

　　5 . 3 . 2 暗场

　　除另有规定外 , 本文件规定的暗场条件应满足最大照度不大于 0. 01 l x。

　　5 . 3 . 3 图像采集帧数

　　除另有规定外 , 本文件规定在测试中采集的图像帧数 F 宜为(50~100)帧 。

　　5 . 3 . 4 辐能密度调整

　　器件靶面接收辐能密度 w 由光源入射到靶面的辐照度 Ee 和积分时间 te 的乘积得出 。本文件中对辐能密度调整推荐下述两种方式:

　　a) 恒定辐照度 Ee , 调节积分时间 te 。在测试过程中光源输出辐亮度保持不变 , 通过改变积分时间 te 来改变器件接收辐能密度 w 。采用该方式调整时 , 需要注意暗信号的影响 , 在进行暗信号校正时 , 需要在每个积分时间下采集对应的暗场图像 , 按照不同积分时间完成暗信号校正 。

　　b) 恒定积分时间 te , 调节光源辐射出射度 。在测试过程中保持积分时间不变 , 通过改变光源的辐射出射度来改变靶面接收辐能密度 w 。采用该方式调整时 , 需要注意光源色温稳定度和辐照度的影响 , 推荐测试过程中采用辐照度计等监测单元实时监测辐射出射度变化 , 满足测试要求后 , 再进行相关项目的测试 。

　　5 . 3 . 5 辐能密度采样点

　　除另有规定外 , 在暗场到器件饱和输出照度区间内 , 辐能密度采样点数 I 应不低于 20 。

　　5 . 3 . 6 颜色

　　除另有规定外 , 对于黑白 CMOS图像传感器而言 , 所有参数采用全像素计算 , 不用进行任何区分 ;对于彩色 CMOS图像传感器而言 , 应将 CMOS图像传感器返回的图像按照颜色通道进行区分 , 形成

　　R、G、B(或其他颜色)单色图像 , 并分别针对每幅图像进行参数测试 。

　　5 . 3 . 7 TDI 器件说明

　　除另有规定外 , 对于 TDI 器件而言 , 所有测试项 目 中提及的积分时间 te 均为级数 sta 与扫描频率 k之比 。

　　5 . 4 静电防护要求

　　测试时 , 应当按照有关规定执行操作预防措施 , 应避免因静电放电而引起器件损伤 。

　　3

　　GB/T 43063—2023

　　6 测试方法

　　6 . 1 转换增益 K

　　6 . 1 . 1 测试目的

　　转换增益表征器件输出码值与对应存储在像元势阱内的电荷数之间的比值 , 用于评估被测器件光电效应产生的光生电荷转换为灰度值的能力 。

　　6 . 1 . 2 测试原理

　　转换增益 K 的测试基于光子传递理论 , 以光子散粒噪声服从泊松分布为前提 。在不同辐能密度亮场环境下获取一组图像均值序列和对应的方差序列 , 以图像均值为横坐标 , 方差为纵坐标绘制光子传递曲线 , 曲线上升区间内线性区的斜率即为转换增益 K 的测试结果 , 测试原理图如图 1 所示 。

　　图 1 转换增益测试原理图

　　6 . 1 . 3 测试程序

　　6 . 1 . 3 . 1 方法 一

　　方法一基于空间域计算 , 测试步骤及数据处理如下 。

　　a) 按图 1 构建测试系统 , 并进行仪器预置 , 记录环境温度 , 配置器件参数(工作频率 、电路增益 、电路偏置 、量化位数)并记录 。

　　b) 设定某固定辐能密度亮场 w (i) 。

　　c) 连续采集两幅亮场 M×N(M 行 N 列 , 下同)图像D1(i) 和D2(i) , 分别对应图像序列{D1(i) (m) (n) }和{D2(i)(m)(n) } , 计算平均灰度值D(i) 见公式(1) 。

　　D … … … … … … …

　　式中:

　　m —M 行图像中参与计算的行号 , m∈ (0 , M—1) ;

　　n — N 列图像中参与计算的列号 , n∈ (0 , N—1) ;

　　i — I 个辐射能密度采样点中参与计算的点号 ;

　　D(i) — 固定辐射能密度w (i) 条件下 , 器件像元输出的平均灰度值 ;

　　4

　　GB/T 43063—2023

　　D1(i)(m)(n) — 图像D1(i) 中第 m 行 、第 n 列交汇像元的灰度值 ;

　　D2(i)(m)(n) — 图像D2(i) 中第 m 行 、第 n 列交汇像元的灰度值 。

　　d) 时域噪声σ(i) 计算见公式(2) 。

　　2 … … … … … …

　　式中:

　　m —M 行图像中参与计算的行号 , m∈ (0 , M—1) ;

　　n — N 列图像中参与计算的列号 , n∈ (0 , N—1) ;

　　i — I 个辐射能密度采样点中参与计算的点号 ;

　　σ (i) — 固定辐射能密度w (i) 条件下 , 器件输出信号的时域噪声 ;

　　D1(i)(m)(n) — 图像D1(i) 中第 m 行 、第 n 列交汇像元的灰度值 ;

　　D2(i)(m)(n) — 图像D2(i) 中第 m 行 、第 n 列交汇像元的灰度值 。

　　e) 关闭光源 , 形成暗场 , 在相同积分时间和温度环境下采集两幅暗场图像D1d(i) 和D2d(i) , 分别对应图像序列{D1d(i) (m) (n) }和{D2d(i) (m) (n) } , 参考 c) 、d)步骤 , 计算暗信号均值Dd(i) 和时域暗噪声σd(i) 分别见公式(3)和公式(4) 。

　　Dd … … … … … …

　　式中:

　　m —M 行图像中参与计算的行号 , m∈ (0 , M—1) ;

　　n — N 列图像中参与计算的列号 , n∈ (0 , N—1) ;

　　i — I 个辐射能密度采样点中参与计算的点号 ;

　　Dd(i) — 暗场条件下 , 器件像元输出的平均灰度值 ;

　　D1d(i)(m)(n) — 图像D1d(i) 中第 m 行 、第 n 列交汇像元的灰度值 ;

　　D2d(i)(m)(n) — 图像D2d(i) 中第 m 行 、第 n 列交汇像元的灰度值 。

　　2 … … … … … …

　　式中:

　　m —M 行图像中参与计算的行号 , m∈ (0 , M—1) ;

　　n — N 列图像中参与计算的列号 , n∈ (0 , N—1) ;

　　i — I 个辐射能密度采样点中参与计算的点号 ;

　　D1d(i) (m) (n) — 图像D1d(i) 中第 m 行 、第 n 列交汇像元的灰度值 ;

　　D2d(i) (m) (n) — 图像D2d(i) 中第 m 行 、第 n 列交汇像元的灰度值 ;

　　σd(i) — 暗场条件下 , 器件输出信号的时域噪声 。

　　f) 依据公式(5)实现暗信号校正 , 得到辐能密度亮场w (i) 条件下 , 器件光响应平均灰度值DO(i) 。依据公式(6)实现按噪声扣除 , 得到器件光响应时域噪声σO(i) 。

　　DO(i) = D(i) — Dd(i) …………………………( 5 )

　　σ O(2)(i) = σ 2( i) — σ d(2)(i) …………………………( 6 )

　　g) 根据测试条件要求 , 在暗场至器件饱和输出区间内改变辐能密度w (i) , 重复 c)~f)数据处理过程 , 得到光响应平均灰度值序列{DO(i) }和时域噪声方差序列{ σ O(2)(i) } , 以{DO(i) }为横坐标 , { σ O(2)(i) }为纵坐标绘制光子传递曲线 , 曲线可分为线性区和非线性区 , 利用最小二乘法对线性区进行线性拟合 , 拟合后求取其斜率 K , 表达式见公式(7) , 则 K 即为被测器件的转换增益测试值 。其中DOa 为 I 个采样点{DO(i) }的平均值 , 表达式见公式(8) , σ O(2)a 为 I 个采样点{ σ O(2)(i) }的平均值 ,表达式见公式(9) 。

　　5

　　GB/T 43063—2023

　　K

　　式中:

　　DO(i) — 光响应平均灰度值 ;

　　σ O(2)(i) — 时域噪声方差 ;

　　I — 光子传递曲线线性区采样点总数 ;

　　DOa —I 个采样点{DO(i) }平均值 ;

　　σ O(2)a —I 个采样点{ σ O(2)(i) }平均值 。

　　DOa …………………………( 8 )

　　…………………………( 9 )

　　6 . 1 . 3 . 2 方法二

　　方法二基于时间域计算 , 测试步骤及数据处理如下 。

　　a) 按图 1 构建测试系统 , 并进行仪器预置 , 记录环境温度 , 配置器件参数(工作频率 、电路增益 、电路偏置 、量化位数)并记录 。

　　b) 设定某固定辐能密度亮场 w (i) 。

　　c) 光源稳定后 , 采集 F 帧图像 , 依据公式(10) 、公式(11)分别计算图像中 M 个样本像元(样本像元的选取可根据实际测试需求及运算能力 自行规定) F 次采样值的均值和方差 。最终形成 一个辐能密度亮场w (i) 对应的 M 元素均值序列{DT(i) (m) }和 M 元素的灰度方差序列{ σ T(2)(i) (m) } 。

　　DT DT … … … … … … … … … …

　　式中:

　　DT(i)(m)(f) — 辐能密度亮场w (i) 环境下第 f 帧图像中第i 个样本像元的暗场灰度值 ;

　　DT(i) (m) — 辐能密度亮场w (i) 环境下第 m 个样本像元的灰度均值 ;

　　F — 采集图像的帧数 ;

　　σ T(2)(i) (m) — 辐能密度亮场w (i) 环境下第 m 个样本像元的灰度方差 。

　　d) 关闭光源 , 形成暗场 , 在相同积分时间和温度环境下采集 F 帧暗场图像 , 依据公式(10) 、公式

　　(11)分别计算图像中对应 M 个样本像元F 次采样值的均值和方差 。最终形成一个 M 元素的暗场均值序列{Ddark(i) (m) }和一个 M 元素的暗场方差序列{ σ d(2)ark(i) (m) } 。

　　e) 依据公式(12) 、公式(13)完成暗信号校正并求取均值 , 最终得到辐能密度亮场w (i) 条件下 M 元素光响应均值DO(i) 和方差均值σO(2)(i) 。

　　DO

　　…………………( 13 )

　　6

　　GB/T 43063—2023

　　式中:

　　DT(i) (m) — 辐能密度亮场w (i) 环境下第 m 个样本像元的灰度均值 ;

　　σ T(2)(i) (m) — 辐能密度亮场w (i) 环境下第 m 个样本像元的灰度方差 ;

　　Ddark(i) (m) —M 个元素的暗场灰度均值 ;

　　σ d(2)ark(i) (m) —M 个元素的暗场灰度方差 。

　　f) 在暗场至器件饱和输出区间内设置 I 个采样点 , 改变辐能密度w (i) , 重复 a)~e)数据处理过程 , 得到一组 I 元素的光响应均值序列{DO(i) }和一组 I 元素的方差序列{ σ O(2)(i) } , 以{DO(i) }为横坐标 , { σ O(2)(i) }为纵坐标绘制光子传递曲线 , 曲线可分为线性区和非线性区 , 利用最小二乘法对线性区进行线性拟合 , 拟合后求取其斜率 K , 表达式见公式(7) , 则 K 即为被测器件的转换增益测试值 。

　　6 . 1 . 4 规定条件

　　相关文件至少应规定下列测试条件:

　　a) 环境温度 ;

　　b) 工作频率 ;

　　c) 电路增益 ;

　　d) 电路偏置 ;

　　e) 量化位数 ;

　　f) 线性统计范围 。

　　6 . 2 暗信号 SD

　　6 . 2 . 1 测试目的

　　暗信号表征在无光照条件下 , 器件各像元中由热效应产生的输出信号 , 用于评估被测器件热效应产生电荷的能力 。

　　6 . 2 . 2 测试原理

　　设置暗场环境 , 热平衡状态下调整积分时间 , 获得一组积分时间序列和相对应的暗图像信号等效电荷数序列 , 以积分时间为横坐标 , 暗图像信号等效电荷数为纵坐标绘制暗响应曲线 , 曲线线性区的斜率即为暗信号 SD 的测试结果 , 测试原理图如图 1 所示 。

　　6 . 2 . 3 测试程序

　　具体测试步骤及数据处理如下 。

　　a) 按图 1 连接测试系统 , 并进行仪器预置 , 记录环境温度 , 配置器件参数和工作状态与转换增益测试时一致 。

　　b) 设置均匀面光源为关闭状态 , 保持暗场环境 。

　　c) 设置积分时间te(i) , 保持被测芯片工作于热平衡状态 , 采集 F 帧 M × N 图像 , 依据公式(14)计算积分时间te(i) 下暗图像信号等效电荷数Nd(i) 。

　　Nd Dd … … … … … …

　　式中:

　　Dd(i)(f)(m)(n) — 第 i 个积分时间te(i) 条件下 , 采集第 f 帧图像中第m 行 , 第 n 列交汇像元的灰度值 ;

　　7

　　GB/T 43063—2023

　　K — 转换增益 ;

　　F — 采集图像的帧数 ;

　　f — 采集图像的帧号 ;

　　m —M 行图像中参与计算的行号 , m∈ (0 , M—1) ;

　　n —N 列图像中参与计算的列号 , n∈ (0 , N—1) 。

　　d) 调整积分时间te(i) , 完成 I 个采样点的采样 , 重复 b) 、c)步骤的图像采集及数据处理过程 , 最终得出一个积分时间序列{te(i) }和一个暗图像信号等效电荷数序列{Nd(i) } 。

　　e) 以{te(i) }为横坐标 , {Nd(i) }为纵坐标绘制散点图 , 并依据最小二乘原理进行直线拟合 , 所得拟合直线的斜率即为暗信号SD 的测量结果 , 见公式(15) 。

　　SD

　　式中:

　　tea — 积分时间均值 , 单位为秒(s) ;

　　Nda — 暗图像信号等效电荷数均值 。

　　6 . 2 . 4 规定条件

　　相关文件至少应规定下列测试条件:

　　a) 环境温度 ;

　　b) 积分时间 ;

　　c) 暗场照度 ;

　　d) 线性统计范围 。

　　6 . 3 暗信号非均匀性(固定图形噪声)FPN

　　6 . 3 . 1 测试目的

　　暗信号非均匀性表征在无光照条件下 、约定积分时间内 , 器件光敏区各像元产生的暗信号空间域噪声所占满阱的百分比 , 用于评估被测器件像元间热效应产生电荷的能力差异 。

　　6 . 3 . 2 测试原理

　　设置暗场环境 , 热平衡状态下设置固定积分时间获得一组暗场图像 , 对暗场图像进行处理得到暗场均值图像 , 计算暗场均值图像的方差并完成时域噪声扣除得到空间域方差 , 将空间域方差求标准差并与饱和灰度值相除取百分比 , 即得到了暗信号非均匀性 FPN 的测试结果 , 测试原理图如图 1 所示 。

　　6 . 3 . 3 测试程序

　　具体测试步骤及数据处理如下 。

　　a) 按图 1 连接测试系统 , 并进行仪器预置 , 记录环境温度 , 配置器件参数和工作状态与转换增益测试时一致 。

　　b) 设置均匀面光源为关闭状态 , 保持暗场环境 。

　　c) 设置积分时间 , 采集 F 帧图像 , 形成 F × M × N 的图像序列{DFPN(f) (m) (n) } , 以像元为单位 , 对每个像元在 F 帧图像中取均值 , 得出一个均值图像序列 {DaFPN(m) (n) } , 依据公式(16)计算

　　{DaFPN(m)(n) }的方差ηT(2) , 该部分结果由空间域噪声和时域噪声两部分组成 。

　　2 … … … … … …

　　8

　　GB/T 43063—2023

　　式中:

　　μ aFPN — 均值图像序列{DaFPN(m) (n) }的均值 ;

　　m —M 行图像中参与计算的行号 , m∈ (0 , M—1) ;

　　n —N 列图像中参与计算的列号 , n∈ (0 , N—1) 。

　　d) 依据公式(17) 、公式(18)计算时域方差σs(2) 。

　　… … … … … … … … … …

　　式中:

　　σ s(2)(m)(n) — 器件第 m 行 、第 n 列交汇像元利用 F 帧采样值计算的方差 ;

　　m —M 行图像中参与计算的行号 , m∈ (0 , M—1) ;

　　n —N 列图像中参与计算的列号 , n∈ (0 , N—1) 。

　　e) 依据公式(19)完成暗信号非均匀性 FPN 的测试 。

　　FPN

　　式中:

　　K — 转换增益 ;

　　Ns — 满阱电荷 。

　　6 . 3 . 4 规定条件

　　相关文件至少应规定下列测试条件:

　　a) 环境温度 ;

　　b) 积分时间 ;

　　c) 暗场照度 。

　　6 . 4 读出噪声 Nm

　　6 . 4 . 1 测试目的

　　读出噪声表征器件的信号读出 、放大电路和 A/D转换电路所产生的所有噪声之和 , 用于评估被测器件读出电路的噪声水平 。

　　6 . 4 . 2 测试原理

　　设置暗场环境和最小积分时间 , 计算多帧图像中每个像元的时域噪声 , 最后取全靶面像元时域噪声的均值 , 并转换为等效电荷数 , 该结果即为读出噪声 Nm 的测试值 , 测试原理图如图 1 所示 。

　　6 . 4 . 3 测试程序

　　具体测试步骤及数据处理如下 。