激光輻照行間轉(zhuǎn)移型CCD的串?dāng)_效應(yīng)

周旋風(fēng)，張德鋒，王彥斌，肖文健，任廣森，李 華

（電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室，河南 洛陽471003）

1 引 言

電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）圖像傳感器具有體積小、靈敏度高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研和安全等領(lǐng)域［1-3］。CCD圖像傳感器通常是各種光電成像裝備的核心器件。按照電荷轉(zhuǎn)移方式，CCD可以分為幀轉(zhuǎn)移型、行間轉(zhuǎn)移型和幀行間轉(zhuǎn)移型3種，其中行間轉(zhuǎn)移型CCD（Interline Transfer CCD，IT-CCD）的應(yīng)用最多［4］。CCD圖像傳感器在激光輻照下極易受到干擾進(jìn)而影響其正常工作，干擾形式主要包括飽和現(xiàn)象和串?dāng)_現(xiàn)象［5-6］。飽和現(xiàn)象主要表現(xiàn)為受輻照區(qū)域的像元灰度值不再隨著激光功率的增加而增加，而串?dāng)_現(xiàn)象則表現(xiàn)為隨著激光功率的增加而在圖像中穿越主光斑中心沿CCD傳輸溝道方向出現(xiàn)亮線?；谏鲜鎏匦?，利用激光直接對光電裝備實施干擾的大功率激光壓制干擾方式，是光電對抗最重要的手段之一。針對激光壓制干擾試驗，要采用內(nèi)外場結(jié)合的辦法，通過外場典型試驗和內(nèi)場仿真試驗，對干擾效果及干擾效能進(jìn)行綜合評估。因此，開展激光對CCD干擾機(jī)理的研究并獲得激光干擾效應(yīng)圖像具有十分重要的意義。

目前，針對激光輻照CCD的串?dāng)_現(xiàn)象已經(jīng)進(jìn)行了大量的實驗研究，主要集中在串?dāng)_閾值的實驗測量、機(jī)理分析和干擾效應(yīng)圖像的獲?。?-14］。這些研究不僅涉及到普通面陣CCD、TDI-CCD和彩色CCD等多種類型，還包含了雙光束輻照和準(zhǔn)平行光干涉等多種干擾條件。在CCD光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)分析方面，Kawai等人提出光電二極管在飽和之后會出現(xiàn)Knee效應(yīng)，并給出了近似計算公式［7］，Djité等人基于像元響應(yīng)函數(shù)推導(dǎo)了光電二極管的量子效率和串?dāng)_分布［9］。在串?dāng)_效應(yīng)形成機(jī)理方面，早期研究人員認(rèn)為串?dāng)_是光生電荷從光輻照像素沿著傳輸溝道由近及遠(yuǎn)依次溢出至兩側(cè)像素而形成的。張震等根據(jù)實驗結(jié)果和原理分析進(jìn)一步將串?dāng)_分為第一類串?dāng)_和第二類串?dāng)_，并指出串?dāng)_線的形成主要是由第一類串?dāng)_引起的［15］。在實驗測量的基礎(chǔ)上，通過計算機(jī)仿真手段獲取激光干擾CCD的圖像數(shù)據(jù)，不僅可以提高實驗靈活性，還可以大大降低實驗成本。因此，研究人員基于成像機(jī)理開展了激光干擾CCD的仿真研究，并獲得了干擾效應(yīng)圖像［16-19］。但在這些仿真研究中，對串?dāng)_產(chǎn)生的機(jī)理和電荷溢出的具體過程還缺乏深入的分析，因此模型比較簡單，并且仿真結(jié)果中沒有體現(xiàn)出兩個串?dāng)_過程的差異。

本文針對IT-CCD的串?dāng)_現(xiàn)象開展了實驗和仿真研究。在實驗結(jié)果中，對兩個串?dāng)_過程形成的串?dāng)_效應(yīng)圖像進(jìn)行了比較。結(jié)合CCD的工作原理，對串?dāng)_現(xiàn)象的產(chǎn)生過程進(jìn)行了深入的理論分析，并開展了激光輻照IT-CCD的串?dāng)_效應(yīng)圖像仿真，可有效支撐激光壓制干擾的內(nèi)場仿真試驗。

2 實 驗

2.1 實驗裝置及方法

采用532 nm激光輻照IT-CCD的實驗裝置布局如圖1所示。激光器的輸出激光為準(zhǔn)直激光，光斑尺寸約為5 mm。在激光光路上采用一系列可調(diào)固定衰減片實現(xiàn)激光能量衰減，在此之后激光經(jīng)過一個50∶50的分束鏡，其中反射激光進(jìn)入功率計進(jìn)行功率監(jiān)測，透射激光直接輻照CCD相機(jī)。實驗數(shù)據(jù)通過相機(jī)自帶的圖像采集軟件實時顯示記錄，可通過讀取圖像灰度值觀察激光對CCD的輻照效應(yīng)。

圖1 激光輻照IT-CCD實驗布局示意圖Fig.1 Experimental setup for laser irradiation on ITCCD

本實驗中所采用的相機(jī)型號為DMK33G618，為行間轉(zhuǎn)移型CCD，其成像芯片為Sony ICX618ALA。CCD的分辨率為640×480，有效像素尺寸為5.6μm×5.6μm，圖像灰度量化等級為12 bit。CCD的垂直轉(zhuǎn)移周期約為30μs，幀頻為60 frame/s，積分時間在10~30 s之間調(diào)節(jié)。實驗中相機(jī)增益設(shè)定為0 d B，積分時間為10μs。

CCD相機(jī)鏡頭的有效焦距為35 mm，光闌尺寸為25 mm。實驗中為了得到較大的干擾光斑，通過調(diào)節(jié)鏡頭的位置，使得CCD探測靶面偏離焦點位置。為了降低背景光的影響，整個實驗都在黑暗環(huán)境下進(jìn)行。

2.2 實驗結(jié)果

實驗開始后，通過改變固定衰減片來調(diào)節(jié)激光功率，得到不同條件下的輻照效應(yīng)圖像。當(dāng)進(jìn)入CCD相機(jī)的功率為0.1μW時，實驗結(jié)果如圖2（a）所示。圖中所有像素均未達(dá)到飽和，圖像的灰度峰值為2 722。從圖2（b）可以看出，激光光斑基本呈高斯分布，計算可得光斑腰斑尺寸為30 pixel，約為0.2 mm（考慮像素尺寸為7μm）。為了消除噪聲的影響，將灰度值小于17的像素點置0，統(tǒng)計所有像素的灰度值總和為Gall=2 638 554，據(jù)此可以估計線性響應(yīng)區(qū)域內(nèi)單位灰度值對應(yīng)的激光功率約為3.8×10-14W，對應(yīng)的激光功率密度為7.7×10-5mW/cm2，灰度飽和時的激光功率密度為0.32 mW/cm2。圖2（c）給出的是灰度調(diào)整為［0，25］時的圖像，可以隱約看到穿越主光斑的串?dāng)_線。串?dāng)_線的存在可以從圖2（d）中得到證實，圖中的灰度值是對遠(yuǎn)離光斑的各行灰度求平均值得到的，從圖中可以看出串?dāng)_線的平均灰度值小于1。

圖2 功率為0.1μW時的串?dāng)_效應(yīng)圖像Fig.2 Images of crosstalk effect with laser power of 0.1 μW

進(jìn)一步提高激光功率，得到典型的串?dāng)_效應(yīng)圖像，如圖3所示。圖3（a）~3（c）的 灰 度 為［0，4 096］，插圖為遠(yuǎn)離主光斑的各行的灰度平均值；圖3（d）~3（f）的灰度為［0，500］，插圖為光斑中心所在列的灰度值。從圖中可以清晰看出，隨著激光功率的增大，串?dāng)_線強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，光斑飽和區(qū)域變大，并且不再呈現(xiàn)高斯分布特性，出現(xiàn)了沿傳輸方向的串?dāng)_。

圖3 不同功率條件下的串?dāng)_效應(yīng)圖像Fig.3 Images of crosstalk effect with different laser powers

綜上所述，串?dāng)_效應(yīng)主要包含兩種形式：一種是串?dāng)_線，其特點是貫穿整個傳輸列，在圖像未飽和時也會出現(xiàn)，灰度值一般未飽和，對應(yīng)文獻(xiàn)［15］中的第一類串?dāng)_；另一種是串?dāng)_光斑，其特點是出現(xiàn)在主光斑附近，只有在主光斑飽和后才會出現(xiàn)，灰度值一般都已經(jīng)飽和，對應(yīng)文獻(xiàn)［15］中的第二類串?dāng)_。值得注意的是，串?dāng)_線的強(qiáng)度隨光強(qiáng)線性增加［20］。

3 IT-CCD的工作原理及串?dāng)_效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理分析

3.1 IT-CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理

IT-CCD的像素結(jié)構(gòu)如圖4所示，其基本結(jié)構(gòu)由感光二極管（Photo Diode，PD）、轉(zhuǎn)移控制柵、垂直CCD寄存器、水平CCD寄存器以及讀出放大器等組成。它們分別完成信號的產(chǎn)生與積分、讀出轉(zhuǎn)移、垂直轉(zhuǎn)移、水平轉(zhuǎn)移和檢測等功能。一個感光二極管和其對應(yīng)的垂直CCD周期單元構(gòu)成圖像傳感器的一個像素。各行感光二極管之間，以及垂直CCD和相鄰列感光二極管之間都是由溝阻隔開的，但垂直CCD和本列感光二極管之間則是由轉(zhuǎn)移控制柵隔開的。

圖4 IT-CCD的像素結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of pixels for IT-CCD

IT-CCD的讀出轉(zhuǎn)移、垂直轉(zhuǎn)移及水平轉(zhuǎn)移和輸出信號之間的時序關(guān)系示意圖如圖5所示（彩圖見期刊電子版）。假設(shè)CCD的像元規(guī)模為m×n，即探測面上有m行和n列有效像素。從圖5中可以看出，當(dāng)感光二極管完成對入射光的積分后，讀出脈沖驅(qū)動轉(zhuǎn)移控制柵打開，信號電荷被同時轉(zhuǎn)移到對應(yīng)列的垂直CCD中。在經(jīng)歷讀出垂直轉(zhuǎn)移時間差（trvd）后，垂直脈沖驅(qū)動垂直CCD發(fā)生一次轉(zhuǎn)移，在此之后水平脈沖驅(qū)動水平CCD發(fā)生一次轉(zhuǎn)移，最后檢測放大電路將電荷信號轉(zhuǎn)化為水平電壓信號并輸出。當(dāng)水平CCD在水平圖像時間（thii）內(nèi)完成n次轉(zhuǎn)移后，再經(jīng)歷水平圖像消隱時間（thbi），垂直脈沖驅(qū)動垂直CCD發(fā)生第2次轉(zhuǎn)移。重復(fù)上述動作，當(dāng)垂直CCD經(jīng)歷垂直圖像時間（tvii）完成m次轉(zhuǎn)移后，進(jìn)入垂直圖像消隱時間（tvbi），完成一幀圖像的輸出。其中，垂直掃描周期（Tvsp）由一個垂直圖像時間和一個垂直消隱時間構(gòu)成，水平掃描周期（Thsp）由一個水平圖像時間和一個水平消隱時間構(gòu)成。當(dāng)不考慮快門的作用時間時，幀周期（Tf）即是相機(jī)的積分時間（Tint），并且和垂直掃描周期（Tvsp）相等。當(dāng)考慮快門作用時（快門脈沖如圖5中紅色短虛線所示），有效積分時間為最后一個快門脈沖和下一個讀出轉(zhuǎn)移之間的時間。

圖5 IT-CCD的時序示意圖Fig.5 Sketch map of time sequences for IT-CCD

3.2 IT-CCD的串?dāng)_效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理

結(jié)合實驗結(jié)果和IT-CCD的工作原理，可以將電荷溢出分為兩個溢出過程：第一個溢出過程為積分周期內(nèi)的溢出，第二個溢出過程為讀出轉(zhuǎn)移時的溢出。前者發(fā)生在光電二極管和對應(yīng)垂直CCD之間，形成串?dāng)_線；后者發(fā)生在垂直CCD之間，形成串?dāng)_光斑。

串?dāng)_效應(yīng)的具體形成過程如圖6所示（彩圖見期刊電子版）。圖6給出了5個典型時刻的電荷分布情況，每個時刻中的左邊列代表感光二極管，右邊列代表垂直傳輸CCD，灰色方塊代表著背景光產(chǎn)生的電荷，紅色圓點代表的是激光產(chǎn)生的電荷。圖6（a）給出的是讀出轉(zhuǎn)移完成時刻的電荷溢出情況，對應(yīng)著第二個溢出過程，如圖中白色箭頭所示。圖6（b）給出的是積分周期內(nèi)光生電荷量不滿足溢出條件時的電荷分布情況。圖6（c）~6（e）給出的是積分周期內(nèi)光生電荷量滿足溢出條件時的電荷分布情況，對應(yīng)著第一個溢出過程，如圖中黑色箭頭所示。由于激光隨時間均勻照射，而垂直CCD也是周期性地向下移動，因此每個單元得到的電荷數(shù)相等，為一個水平掃描周期內(nèi)所產(chǎn)生的電荷量。當(dāng)考慮快門作用時，快門脈沖時刻感光二極管的電荷會清空，但已經(jīng)溢出到垂直CCD中的電荷卻無法清空。

圖6 IT-CCD的電荷溢出過程示意圖（（a）讀出轉(zhuǎn)移完成時刻；（b）積分周期內(nèi)的第1次垂直轉(zhuǎn)移；（c）積分周期內(nèi)的第s次垂直轉(zhuǎn)移；（d）積分周期內(nèi)的第m-1次垂直轉(zhuǎn)移；（e）積分周期內(nèi)的第m次垂直轉(zhuǎn)移）Fig.6 Sketch map of charge overflowing process for ITCCD（（a）Read-out transfer completion time；（b）The first vertical transfer in the integration cycle；（c）The s-th vertical transfer in the integration cy?cle；（d）The m-1st vertical transfer in the integra?tion cycle；（e）The m-th vertical transfer in the in?tegration cycle）

4 IT-CCD的串?dāng)_效應(yīng)圖像仿真

在前文對IT-CCD串?dāng)_圖像產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的輻照激光信息和成像CCD參數(shù)，就可以對串?dāng)_圖像進(jìn)行仿真。具體而言，需要分別完成探測靶面激光能量分布、光生電荷分布、串?dāng)_電荷分布、以及檢測電壓分布和灰度量化分布的仿真。

4.1 探測靶面激光能量分布仿真

激光在探測靶面上的能量分布特性與入射激光空間特性以及傳輸光學(xué)系統(tǒng)都有著密切的關(guān)系。由于實驗中采用的準(zhǔn)直激光光斑尺寸遠(yuǎn)小于光闌尺寸，因此光闌衍射效應(yīng)可以忽略。根據(jù)實驗結(jié)果，激光光斑呈現(xiàn)高斯分布特性，因此采用基模高斯光束模型來分析靶面激光能量分布。準(zhǔn)直激光的腰斑半徑為ω1=2.5 mm，則對應(yīng)的q參數(shù)為假設(shè)從激光腰斑到鏡頭的距離為l，鏡頭到探測靶面的距離為l'，鏡頭的有效焦距為F，則從干擾激光腰斑到探測靶面的變換矩陣為：

根據(jù)式（1）計算得到探測靶面的激光的q參數(shù)為：

從式（2）可以看出，經(jīng)過鏡頭變換后的激光在任意傳輸位置仍然保持高斯分布特性，因此只需要確定光斑半徑即可確定激光能量分布。實驗測量得到探測靶面激光的光斑尺寸為0.2 mm，因此在仿真中定義探測靶面上的激光能量分布為光斑半徑為ω2=0.1 mm的高斯光斑。

4.2 串?dāng)_效應(yīng)產(chǎn)生過程仿真

激光作用于CCD探測靶面時，感光二極管通過光電轉(zhuǎn)換將入射光子轉(zhuǎn)換為光生電荷。在CCD正常成像的過程中，感光二極管的光生電荷隨著景物的光強(qiáng)線性增加，但在激光輻照情況下，光生電荷量不但不再隨光強(qiáng)線性增加，甚至?xí)Ｖ棺兓?］。本文采用簡化模型描述光電轉(zhuǎn)換過程，如圖7所示。當(dāng)入射激光功率較低時，光生電荷隨著入射激光功率線性增加，對應(yīng)的量子效率為η1。當(dāng)輸入激光功率超過線性閾值Pvth時，光電轉(zhuǎn)換的量子效率降低為η2，此時的光生電荷量為Qvth。正常成像時為了保證工作在線性區(qū)，灰度飽和閾值Pgth一般小于線性閾值，對應(yīng)的光生電荷量為Qgth。而當(dāng)入射激光能量足夠強(qiáng)時，單像素中的光生電荷量也可能超過勢阱容量Qqth，此時會發(fā)生電荷溢出，對應(yīng)的入射激光功率為Pqth。

圖7 感光二極管的光電轉(zhuǎn)換效率曲線Fig.7 Photoelectric conversion efficiency curve of photo?diode

根據(jù)探測靶面的激光能量分布信息，結(jié)合感光二極管的光電轉(zhuǎn)換規(guī)律，就可以得到光生電荷的分布情況。在此基礎(chǔ)上考慮串?dāng)_的兩個溢出過程，可以得到調(diào)整后的串?dāng)_電荷分布。電壓檢測過程和灰度量化過程都采用簡單的線性模型，只是在灰度量化過程中需要考慮灰度飽和閾值的影響，因此對兩者的仿真可以合并為對灰度量化分布的仿真。

4.3 串?dāng)_效應(yīng)圖像仿真

為了與實驗結(jié)果進(jìn)行比較，在串?dāng)_仿真中IT-CCD的像元規(guī)模、像素尺寸等參數(shù)的設(shè)定均與實驗保持一致。感光二極管的量子轉(zhuǎn)換效率分別為η1=0.6和η2=0.01，對應(yīng)光電轉(zhuǎn)換飽和點的電荷量Qvth=8 250e-。感光二極管和傳輸CCD的飽和電荷量均設(shè)定為Qqth=9 000e-。檢測電壓靈敏度為Rqv=1×10-4V/e-，灰度量化的飽和電壓設(shè)定為0.75 V，對應(yīng)的飽和電荷量Qvth=7 500 e-。光電二極管到垂直CCD單元的溢出效率為0.065%，垂直CCD單元之間的溢出效率為99.9%。根據(jù)上述參數(shù)，對功率為0.1 μW時的情況進(jìn)行了仿真，得到的串?dāng)_效應(yīng)圖像如圖8所示。圖像沒有出現(xiàn)飽和，灰度峰值為2 741。圖中沒有觀察到串?dāng)_線，因為計算得到的串?dāng)_線灰度值小于0.5，因此在量化過程中被置為0而無法體現(xiàn)。

圖8 功率為0.1μW時串?dāng)_效應(yīng)的仿真圖像Fig.8 Simulated image of crosstalk effect with laser pow?er of 0.1μW

進(jìn)一步對不同功率下的情況進(jìn)行了仿真，得到的串?dāng)_效應(yīng)圖像如圖9所示，數(shù)據(jù)處理方式與圖3相同。從仿真圖像中可以清晰地看出串?dāng)_線和串?dāng)_光斑的差異。比較圖9和圖3可以發(fā)現(xiàn)，無論是串?dāng)_線的強(qiáng)度還是串?dāng)_光斑的強(qiáng)度，仿真圖像與實驗獲得的圖像都非常接近。對飽和像元數(shù)和串?dāng)_線強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計計算，結(jié)果如表1所示，在不同功率條件下的仿真相對誤差均小于40%，說明仿真模型具有很高的精度。分析結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干擾激光功率較低時，飽和像元數(shù)和串?dāng)_線強(qiáng)度受干擾激光本身的靶面能量分布特性的影響更大，而實驗中的激光特性與高斯光束有較大偏差，這使得在低功率條件下的相對誤差更大。而當(dāng)干擾激光功率較高時，飽和像元數(shù)和串?dāng)_線強(qiáng)度受飽和串?dāng)_效應(yīng)的影響更大，因此對應(yīng)的仿真誤差變小。

表1 仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果Tab.1 Comparison results of simulation data and experi?ment data

圖9 不同激光功率下的串?dāng)_效應(yīng)仿真圖像Fig.9 Simulated images of crosstalk effect with different laser powers

5 結(jié) 論

本文開展了激光輻照IT-CCD的串?dāng)_效應(yīng)實驗研究，測量了CCD的響應(yīng)特性，并計算得到CCD的飽和閾值為0.32 mW/cm2，比較分析了不同激光功率下的串?dāng)_效應(yīng)圖像特性。在此基礎(chǔ)上，對IT-CCD串?dāng)_現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了深入分析。針對IT-CCD讀出轉(zhuǎn)移、垂直轉(zhuǎn)移及水平轉(zhuǎn)移和輸出信號之間的時序關(guān)系，將串?dāng)_溢出分為積分周期內(nèi)的溢出和讀出轉(zhuǎn)移時的溢出兩個過程。按照探測靶面的激光能量分布仿真、光生電荷分布仿真、串?dāng)_電荷分布仿真，以及檢測電壓分布和灰度量化分布仿真等各個階段建立了串?dāng)_圖像的仿真模型。利用模型對實驗進(jìn)行仿真，得到了不同功率下的串?dāng)_效應(yīng)圖像，統(tǒng)計計算表明，仿真的相對誤差均小于40%，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合得很好。