XenICs 近红外 InGaAs 相机的性能测试
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XenICs XenICs 近近近 近近近 InGaAs InGaAs 近近近近近近近 近近近近近近近 近近近 近近 近 宋 近近近 近近 近 宋 近近近近近近近近近近 近近近近近近近近近近
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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：. 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： 光导（ pc ）探测器（内光电效应） 光伏（ pv ）探测器（阻挡层光电效应） - PowerPoint PPT Presentation
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XenICsXenICs 近红外近红外 InGaAsInGaAs
相机的性能测试相机的性能测试
冯志伟 邓建 宋谦冯志伟 邓建 宋谦中国科学院国家天文台中国科学院国家天文台
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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 WAVELENGTH RANGE
(microns)TEMPERATURE RANGE
(degrees Kelvin) WHAT WE SEE
Near-Infrared (0.7-1) to 5 740 to (3,000-5,200) Cooler red stars
Red giants Dust is transparent
Mid-Infrared 5 to (25-40) (92.5-140) to 740
Planets, comets and asteroids
Dust warmed by starlight Protoplanetary disks
Far-Infrared (25-40) to (200-350) (10.6-18.5) to (92.5-140)
Emission from cold dustCentral regions of galaxies
Very cold molecular clouds
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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：
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
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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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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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InGaAsInGaAs 焦平面阵列焦平面阵列
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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不同组分的 InGaAs和 Si 探测器的量子效率
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Sensor Unit (SU) contains the InGaAs PDA
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近红外探测器厂家：比利时厂家：比利时 XenICsXenICs 公司公司 型号：型号： XEVA-1.7-640 XEVA-1.7-640
Array Type InGaAs
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 counts14 AD counts
S/N ratio : Low gain High gain
67 dB61 dB
A to D conversion resolution 14 bit
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性能研究 增益增益 读出噪声读出噪声 线性线性 暗流暗流 量子效率和光谱响应曲线量子效率和光谱响应曲线 比探测率比探测率 D* (max)D* (max) 噪声等效功率噪声等效功率 NEP (min)NEP (min) 缺陷像元缺陷像元
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单色仪光源
积分球 待测CCD
计算机
滤光片
检流计定标探头监测探头
近红外焦平面阵列相机检测平台示意图
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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
23/4/2123/4/21 1313
结 果结 果
20 40 60 802000
4000
6000
8000
10000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U) Channel-1 Linearity
20 40 60 802000
4000
6000
8000
10000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U) Channel-2 Linearity
20 40 60 802000
4000
6000
8000
10000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U) Channel-3 Linearity
20 40 60 802000
4000
6000
8000
10000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U) Channel-4 Linearity
Gain (e-/ADU)
RN (ADU) RN (e-)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
增益 (Gain)、读出噪声（ Readout Noise）、线性 (Linearity) Least
Lower than averageLower than average
10 20 30 40 50 60
4000
6000
8000
10000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U) Channel-1 Linearity
10 20 30 40 50 60
4000
6000
8000
10000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U) Channel-2 Linearity
10 20 30 40 50 60
4000
6000
8000
10000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U) Channel-3 Linearity
10 20 30 40 50 60
4000
6000
8000
10000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U) Channel-4 Linearity
Gain (e-/ADU)
RN (ADU) RN (e-)Linearity
(%)
Ch 1 427.77 4.47 1912.76 0.9912
Ch 2 429.25 2.97 1919.37 0.9912
Ch 3 430.09 3.11 1923.15 0.9912
Ch 4 427.39 3.01 1911.07 0.9912
Mean 428.62 3.39 1916.59 0.9912
23/4/2123/4/21 1414
Higher than average than average
Gain (e-/ADU)
RN (ADU) RN (e-)Linearity
(%)
Ch 1 319.10 5.00 1595.58 0.9923
Ch 2 304.86 3.73 1524.38 0.9924
Ch 3 306.62 3.78 1533.13 0.9923
Ch 4 303.33 3.73 1516.73 0.9924
Mean 308.48 4.06 1542.46 0.9924
10 20 30 40
4000
6000
8000
10000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U) Channel-1 Linearity
10 20 30 40
4000
6000
8000
10000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U)
Channel-2 Linearity
10 20 30 40
4000
6000
8000
10000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U)
Channel-3 Linearity
10 20 30 40
4000
6000
8000
10000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U)
Channel-4 Linearity
MostGain
(e-/ADU)RN (ADU) RN (e-)
Linearity (%)
Ch 1 193.17 7.20 1391.76 0.9911
Ch 2 188.53 6.35 1358.31 0.9913
Ch 3 186.98 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
5 10 15
4000
6000
8000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U) Channel-1 Linearity
5 10 15
4000
6000
8000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U) Channel-2 Linearity
5 10 15
4000
6000
8000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U) Channel-3 Linearity
5 10 15
4000
6000
8000
Exposure time (ms)
Mean v
alu
e (
AD
U) Channel-4 Linearity
23/4/2123/4/21 1515
量子效率（量子效率（ QEQE ））
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 17000
10
20
30
40
50
60
70
80XEVA-640 QE Curve
QE
(%
)
Wavelength [ nm ]
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 17000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1XEVA-640 Absolute Spectral Response
Response [
A /
W ]
Wavelength [ nm ]
量子效率曲线
光谱响应曲线
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比探测率比探测率 D* (max)D* (max)
1.368E+011 Jones (cm*Hz1.368E+011 Jones (cm*Hz1/21/2/W)/W)
噪声等效功率噪声等效功率 NEP (min)NEP (min)
7.154E-014 W7.154E-014 W
缺陷像元缺陷像元 暗场信号平均值：暗场信号平均值： 1302.2242ADU1302.2242ADU 曝光图像信号平均值：曝光图像信号平均值： 6637.9556ADU6637.9556ADU 热像元（暗场中大于平均值热像元（暗场中大于平均值 55 倍的像素）数量：倍的像素）数量： 40 (0.04884% )40 (0.04884% ) 死像元（曝光图像中小于平均值死像元（曝光图像中小于平均值 10%10% 的像素）数量：的像素）数量： 0 (0% )0 (0% ) 坏像元（曝光图像中偏离平均值大于坏像元（曝光图像中偏离平均值大于 +/-12%+/-12% 的像素）数量：的像素）数量： 136 (0.16606% )136 (0.16606% ) 总缺陷像元（热像元、死像元和坏像元）数量：总缺陷像元（热像元、死像元和坏像元）数量： 136 (0.16606% )136 (0.16606% )
23/4/2123/4/21 1717
暗流暗流 (Dark Current) -40-40ooC/233KC/233K
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
Da
rk c
urr
en
t(e- /p
ixe
l)
Exposure time(ms)
Dark current
@-40oC
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
200000
400000
600000
800000
1000000
Da
rk c
urr
en
t(e- /p
ixe
l/s)
Exposure time(ms)
Dark current
@-40oC
暗流平均值 :30.31±0.50e-/pixel/ms
23/4/2123/4/21 1818
-43oC/230K
-44oC/229K
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000 Dark current
@-43oC
Exposure time(ms)
Da
rk c
urr
en
t(e
- /pix
el)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
200000
400000
600000
800000
1000000
Exposure time(ms)
Da
rk c
urr
en
t(e
- /pix
el/s)
Dark current
@-43oC
暗流平均值 : 25.81±1.06e-/pixel/ms
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
Da
rk c
urr
en
t(e
- /pix
el)
Exposure time(ms)
Dark current
@-44oC
0 1000 2000 3000 4000 50000
200000
400000
600000
800000
1000000
Da
rk c
urr
en
t(e
- /pix
el/s)
Exposure time(ms)
Dark current
@-44oC
暗流平均值 : 20.56±0.32e-/pixel/ms
23/4/2123/4/21 1919
-45oC/228K
-40oC/233K、 -43oC/230K、 44oC/229K、 -45oC/228K暗流平均值 : 23.78±0.24e-/pixel/ms
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
Da
rk c
urr
en
t(e- /p
ixe
l)
Exposure time(ms)
Dark current
@-45oC
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
200000
400000
600000
800000
1000000
Da
rk c
urr
en
t(e- /p
ixe
l/s)
Exposure time(ms)
Dark current
@-45oC
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000 Dark current
Da
rk c
urr
en
t(e- /p
ixe
l)
Exposure time(ms)
-40oC
-43oC
-44oC
-45oC
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000
200000
400000
600000
800000
1000000
Exposure time(ms)
Da
rk c
urr
en
t(e- /p
ixe
l/s)
Dark current
@-40oC
@-43oC
@-44oC
@-45oC
23/4/2123/4/21 2020
结 果结 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。
23/4/2123/4/21 2121
谢 谢！谢 谢！
