0．53μm脈沖激光輻照可見光面陣CCD的實驗研究

李曉龍，高 山，康華超，張雷雷，張 雷

(1．中國洛陽電子裝備試驗中心，河南洛陽471003;2．光電對抗測試評估技術重點實驗室，河南洛陽471003;3．西安衛星測控中心，陜西 西安710003)

1 引言

電荷耦合器件(CCD)是一種固體成像器件，具有體積小、重量輕、靈敏度高、分辨率高、功耗成本低等特點，廣泛應用在民用和軍用領域［1］。由于CCD受強光特別是強激光輻照極易被干擾和破壞，以致于整個光電探測系統無法正常工作甚至被破壞，因此開展各波段強激光輻照對CCD干擾損傷效應研究具有十分重要的意義［2］。國內外在這一領域已開展過大量工作，但由于CCD型號種類眾多，其實驗結果無法涵蓋所有類型的CCD，因此本文開展了0．53μm脈沖激光輻照 MTV－12V6H－EX黑白面陣CCD相機的實驗研究，測得了干擾損傷閾值，豐富了激光對CCD的干擾損傷閾值數據庫。

2 實驗系統簡介

本實驗利用可見光面陣CCD作為被干擾對象;0．53μm脈沖YAG激光器作為干擾激光源，進行飽和干擾及損傷干擾;光闌與窄帶濾光片組合用于去除激光器雜散光干擾;衰減片組合用于衰減激光能量;激光功率/能量計用于實時監測激光能量;利用圖像采集系統存儲和分析CCD輸出圖像。激光器距離CCD相機90 m，相機參數設置為焦距30 mm，光圈值64。實驗框圖如圖1所示。

圖1 激光輻照CCD實驗研究原理圖

主要實驗設備參數如表1所示。

表1 主要實驗設備參數

3 實驗及結果分析

實驗時，激光器距離CCD相機90 m，設置相機能夠清晰成像時的焦距30 mm，光圈值64，CCD自動增益(AGC)為關閉(off)狀態。調整激光束與CCD相機光軸對準，在CCD相機上方放置激光能量計探頭監測入瞳激光能量。

實驗過程中，首先將激光能量衰減至CCD線性工作區(未出現像元飽和時的狀態)，然后不斷減小衰減倍數，觀察CCD出現飽和直至點損傷的實驗現象，記錄CCD受到激光干擾與損傷時的圖像和激光能量，計算相應的激光能量閾值。在點損傷實驗后，用顯微鏡觀察CCD靶面和傳輸電路，分析CCD受損的原因。

激光輻照CCD各階段的典型實驗圖像與平均激光能量密度如圖2所示。

圖2 典型實驗現象圖像

為得到激光能量密度，除了監測靶面光斑能量外，還需確定光斑面積。為此，選擇CCD剛出現像元飽和時的圖像作為源圖像。首先通過計算機程序處理灰度圖像，截取CCD像元飽和灰度圖像中的光斑區域圖像以及相同區域的干擾前圖像，將像元飽和灰度圖像中灰度為255的像素作為飽和像素，將背景圖像的最大灰度級作為光斑區域邊緣像素值，統計像元飽和圖像的光斑區域像素數量，然后根據CCD 尺寸參數(0．5 in(1．27 cm)，長寬比 4∶3，面積0．77 cm2)，折算靶面光斑面積，最后結合監測的靶面光斑能量，計算出CCD處于不同干擾階段的激光能量密度。

按上述方法計算得靶面光斑面積為1．95×10－5cm2。根據能量計監測的鏡頭后的光斑能量，計算激光對CCD的干擾損傷閾值如表2所示。

表2 CCD干擾損傷閾值統計表

通過計算機程序統計圖1(b)中光斑區域的飽和像素數與光斑大小如表3所示。

表3 CCD靶面光斑面積統計表

由表3可得，隨著激光衰減倍率的減小，CCD像元飽和區域的飽和像素數起伏很小。

當衰減倍率降為28 dB時，CCD已呈現較多的溢出電荷，CCD的飽和程度逐漸加深，已過渡到飽和串音階段。

通過計算機程序統計圖1(c)中飽和串音圖像中的飽和像素數如表4所示。

表4 CCD飽和像素數

由圖1(c)和表4可得，當衰減倍率為24 dB時，CCD已呈現明顯的光束亮線和彌散亮斑，即飽和串音現象。隨著衰減倍率繼續減小，激光輻照CCD區域的飽和像素明顯增多，并且光束亮線逐漸變粗，彌散光斑逐漸擴大，直至覆蓋整個目標區域。

當設置衰減倍率為1 dB時，一個激光脈沖即可造成CCD點損傷，在關閉激光器后，CCD損傷部位的像素點已經不能正常成像，在圖像上呈現出永久亮點，即“壞點”。點損傷區域不影響CCD上未受損傷區域的成像，CCD在整體上仍然可以正常成像。

通過計算機程序統計圖1(d)點損傷區域像素數和面積大小如表5所示。

表5 CCD點損傷區域像素數

表5數據表明，當衰減為1 dB時，一個激光脈沖造成的點損傷區域的面積大小起伏不大，激光能量閾值穩定，激光對CCD的破壞程度相近。

以上實驗結果表明:CCD探測器的飽和閾值與輻照面積、輻照時間、激光波長及靶面像素數有關。CCD從像元飽和達到點損傷的閾值范圍很寬。CCD剛達到像元飽和時的閾值為2．88μJ/cm2，達到CCD點損傷的閾值為5．18×104μJ/cm2，二者相差約104量級。CCD像元飽和與飽和串音屬于激光對CCD的軟損傷［3］，會干擾CCD正常成像，但不會損傷CCD靶面材料，在停止激光輻照后，CCD仍然能夠正常成像。CCD點損傷屬于激光對CCD的硬損傷［4］，會造成CCD靶面局部損傷，損傷部位形成永久亮點，不能正常成像。但由于點損傷僅僅破壞了CCD少量像素點，不影響未被損傷區域的像素點成像，因此在停止激光輻照后，CCD在整體上仍保持成像能力。

激光輻照CCD產生的CCD飽和現象是由CCD器件結構決定的。CCD探測器的每個像元可等效為一個電容，CCD像元在受到光照時，能夠形成電子勢阱，在其結構確定后，每個勢阱存儲和處理的最大電子電荷數是一定的［5］。當照射在CCD光敏面上的激光能量增大到一定程度時，將產生足夠多的光生載流子，導致輸出電壓信號仍然隨著激光輻照強度的增大而繼續增大，但CCD的像元輸出灰度級達到最大值255，不再隨著激光輻照強度的增大而繼續增大，從而形成了CCD像元飽和。

由于實驗系統中的CCD前加有光學鏡頭，激光光斑在CCD靶面聚焦成像，光斑輻照CCD的像素數量較少。當激光能量繼續增大時，飽和區域像素中的信號對相鄰區域的未飽和像素會產生耦合影響［6］。由于CCD的光積分時間為幾微秒到幾百微秒，而光生載流子產生時間僅為10－12s量級，因此將有足夠的時間發生電子“溢出”現象。由CCD結構可知，其光敏單元是并行的，而轉移傳輸單元是串行的，各單元之間用溝阻隔開，但基底是相同的，因此短時間內產生的大量光生電荷，在光信號積分時間內，光生載流子將穿越勢壘沿著傳輸溝道由近及遠依次向周圍鄰近勢阱中擴散，使得未被輻照的像元區域也有電信號輸出，從而出現CCD飽和串音現象。在這一階段，CCD輸出圖像中穿越光斑中心沿著CCD傳輸溝道方向的光束亮線，呈現出連續而且相對光斑對稱分布的特點。產生該現象的原因是在同一傳輸溝道內，只有兩側較近的勢阱被填滿后，載流子才能向更遠的勢阱溢出，而且載流子向兩側溢出的概率是相等的。

脈沖激光具有較高的峰值功率，相比連續激光，更容易造成CCD器件的損傷，損傷程度與脈沖寬度及能量密度大小有關［7］。對于納秒脈沖激光，其脈沖寬度遠大于電子和離子的能量交換時間和電子熱傳導時間，因此極易導致CCD像元表面受到激光熱熔融作用而引起CCD像元失效，成像形成永久亮點，出現點損傷。通過顯微鏡觀察CCD點損傷區域，發現CCD損傷區域有明顯的熱蝕汽化痕跡，而沒有熱應力撞擊裂痕，這就表明是激光對CCD表面的熱熔融作用導致了CCD的點損傷。

4 結論

本文通過開展脈寬為10 ns、波長為0．53μm的脈沖激光輻照可見光面陣CCD的實驗研究，獲取了CCD從飽和到點損傷的激光能量閾值，充實了激光干擾損傷CCD閾值數據庫。實驗結果表明:當閾值為2．88～65．3 μJ/cm2時，達到像元飽和;當閾值為1．52×102～1．64 ×104μJ/cm2時，達到飽和串音;當閾值為5．18×104μJ/cm2時，一個脈沖即可實現點損傷，損傷原因是激光對CCD表面的熱熔融作用。

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