近紅外激光對圖像傳感探測器的干擾研究

張亞男，牛春暉，趙 爽，呂 勇

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京100192）

引 言

電荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）是由美國貝爾實驗室首次研發出來的新型光電器件，金屬氧化物半導體（metal oxide semiconductor，MOS）電容是其基本像元。CCD圖像傳感器具有以下幾項突出優點：小質量、小體積、較長的使用壽命、高靈敏度、較大的動態范圍、低功耗以及高準確度、高分辨率。基于它的突出優點，CCD在國防、工業生產、醫學界和其它科學研究領域中的應用非常廣泛。現代光電對抗領域，CCD受限于其抗干擾性能較低而極易被激光干擾，高強度激光甚至能夠燒毀探測器的傳感器部件，造成CCD內部結構和材料的永久性損壞，使其無法成像。紅外波段的激光由于具有很強的大氣穿透能力，主要被用于軍事中的激光制導以及激光雷達技術［1-10］。自21世紀開始，出現大量有關激光干擾及損傷CCD的現象及原理研究，但大部分集中在干擾閾值的測量和干擾機理的分析。參考文獻［10］～參考文獻［15］中研究了激光對CCD及互補金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）探測器的干擾及損傷閾值，但是沒有進行數值計算驗證。參考文獻［15］～參考文獻［20］中研究了1064nm激光干擾CCD時激光的干擾機理，但是卻缺乏仿真分析來具體說明。本文中通過搭建實驗光路，模擬近紅外激光輻照CCD探測器的干擾過程，進一步完善了1064nm激光對CCD的干擾機理，并對干擾情況作了定量計算和仿真，得出激光干擾過程中激光功率同CCD飽和像元的關系曲線和CCD受干擾時內部載流子擴散的仿真模型，與實驗數據基本吻合，豐富了利用紅外激光對CCD干擾的研究。

1 CCD工作原理和干擾機理

CCD的基本像元MOS結構主要包括：金屬、氧化物和半導體。MOS電容以陣列方式排布在硅襯底上，通過MOS電容器的非穩態CCD得以正常工作。CCD的工作原理主要有：電荷產生、存儲以及轉移。

在硅襯底上生長一層厚度為d的SiO2，其上再鍍一層薄鋁作為柵電極即構成MOS電容的基本結構，如圖1所示。給柵極施加合適的偏置電壓Ug，利用p-Si襯底較高的電子遷移率，MOS電容器的電壓特性隨之改變。若柵極不施加電壓，MOS表面因為沒有電場的作用，其表面載流子濃度同體內相等，MOS本身無電性，各個能帶呈平坦狀態，如圖2a所示，其中Ep為p型半導體的費米能級，Em為金屬的費米能級，Ei為半導體材料的中心能級，Ev為價帶頂。當給柵極施加Ug＞0小電壓時，從界面到主柵極末端的電場排斥了襯底上的空隙，即達到多數載流子的“耗盡狀態”，此時表面勢Us＞0，如圖2b所示，多子體從地表耗盡形成耗盡層。

Fig.1 Basic structure of CCD unit MOS

Fig.2 Changes of energy band structure at the surface of p-type semiconductora—energy band diagram at U g＝0 b—energy band diagram at U g＞0

當外加電壓Ug達到某個閾值Uth時，表面處形成電子勢阱，在這一點上，MOS電容器可以存儲電荷。若再以光照作用CCD表面，MOS電容將產生光生載流子為勢阱注入電子-空穴對，電荷包的不斷注入使得電勢升高，勢阱深度則會相應變淺。

圖3為三相CCD圖像傳感器的電荷包轉移過程示意圖。通過改變CCD電極的電壓，電荷包得以傳輸。電勢差使得電荷由高電勢流向低電勢，直到兩極擁有相同數量的電荷。圖3中，t1時刻為初始時間，在電極φ1上加上正偏壓，其余電極電壓為0V，此時電極φ1下儲存著大量的電荷。一段時間后，φ1下存儲的電荷轉移到φ2，電極φ2電壓升高，φ1相應降低，其余不變。在t2時刻下，電極φ1電壓降到0，電極φ2的電壓上升為φ1的初始值，此時第一勢阱內的電荷全部流入第二勢阱，從t2時刻開始，φ2以相同的方式向φ3繼續輸送電荷，t3時刻，存儲在φ2電極下的全部都轉移到了φ3，因此φ3電極的電勢最高，φ1和φ2電勢都為0，以此類推，實現了電荷的轉移，如圖3所示。

Fig.3 Charge packet transfer process of three-phase CCD image sensor a—CCD charge packet transfer potential wavefor—charge capacitance diagram of charge packet transfer

圖3 a為CCD電荷包轉移電勢波形圖。從圖中可以看出三相CCD的時鐘波形。相差的周期為T／3，即代表電荷包向右移動一個電極所用的時間。在該周期中，時鐘脈沖由t1～t4視為一個周期T。圖3b為電荷包轉移的電荷容量示意圖。對應各個時鐘脈沖，勢阱中的電荷量在電勢差下進行量變，實現了電荷轉移。對于p型半導體Si材料，產生的信號電荷Qs為：

式中，t0為 CCD相機的快門時間；g＝η（1-R）／（hν），R為CCD像元表面的反射率，η為量子效率，h為普朗克常數，ν為入射光的頻率；I為入射光的功率密度；e為單位電荷量；S為受光面積。像元的電勢會隨著信號電荷的增加而逐漸降低，直到表面電勢下降到與鄰近MOS電容的表面勢相等時，信號電荷便向鄰近勢阱轉移。此時MOS電容串擾電荷閾值Qs，0表示為：

式中，Vg為像元的柵極電壓，Ci為MOS電容，ε0為未飽和像元絕緣層的介電常數，εi為飽和像元絕緣層的介電常數，Na為半導體材料的受主雜質濃度，Vs，0為半導體與地之間的電壓。

此外，光生載流子的產生速率公式如下：

式中，I0是入射激光的能量密度，R0是CCD像元反射率，α是吸收率，x為光照后耗盡層深度，f是激光的頻率。由上式可推導出單個MOS像元飽和所需時間為：

式中，w為MOS像元受光區域的底面積。

因此，如果光積分時間過長或者光強度過高，耗盡區的電荷飽和并出現“溢出”現象，則會干擾相鄰位置的信號，使圖像不清晰，甚至無法區分。

2 激光干擾實驗

2.1 實驗系統

Fig.4 The schematic diagram of the experimental system

圖4 所示為實驗光路圖。實驗中所用激光器波長為1064nm，為近紅外半導體連續激光器，連續衰減片實現對激光光強的控制。實驗開始前，衰減片應調節到最大衰減以保護實驗器材，防止其因激光太強而損壞；實驗過程中，衰減片衰減程度由強到弱，用以控制激光輻照CCD的能量強度；分光鏡將光束分為兩束激光，一束用于測量激光能量，另一束輻照CCD相機，光路中的分光鏡分光比為1∶1，實驗環境為暗室，最后通過計算機獲取干擾數據。實驗中采用Basler CCD工業相機，黑白相機型號為：acA640-120gm Basler ace GigE，采用 Sony ICX618ALA芯片，CCD相機像素為659×494，每個像素尺寸為5.6μm×5.6μm。

2.2 實驗結果分析

圖5所示為波長1064nm激光干擾黑白CCD的輸出圖像。由于入射激光功率較高，實驗一開始便出現串音現象，可觀察到，當激光功率為162μW時，中心光斑已經飽和，以明亮光斑為中心的矩形區域出現亮度稍弱的規律性10×15的亮斑矩陣，亮斑呈軸對稱分布，共10行、15列，位置越靠近中心光斑，亮度越高；反之則亮度越低。每列點陣光斑都會有一條同時穿過此列亮斑中心的串擾線，且同樣距離中心串擾線越近，亮度越高；當激光功率為3.43mW時，亮斑矩陣仍是原來的10行、15列，只是光斑中心和相應位置亮斑及串擾線變得更加明亮，中心光斑直徑變大，CCD中心飽和區域隨之變大，串擾線寬度變寬，穿過中心光斑的串擾線相比其它串擾線寬度最寬。隨著激光入射功率的增加，CCD圖像探測器受激光干擾的區域隨之增加，干擾區域亮度進一步增大，飽和像素點數隨之增多。當激光功率為10.06mW時，干擾區域縱向進一步增大，干擾區域亮度增加，干擾區域背景信息幾乎完全遮蓋，飽和區域隨之增大，靠近中心光斑的串擾線同中心串擾線合并在一起，其它串擾線仍然繼續變寬變亮，且原點陣外側開始出現新的規律性亮斑和微弱串擾線。當激光功率增大到為45.3mW時，原矩陣干擾區域完全被光斑和串擾線遮蓋，背景信息全無，干擾區域像素全部飽和，原矩陣干擾區域串擾線合并為更寬更亮的矩形干擾區域，新出現的點陣和串音線繼續同上述點陣和串音線的變化規律隨激光功率的增大而相應變化。

Fig.5 Laser interference with CCD crosstalka—162μ—3.43m—10.06m—45.3mW

圖6 所示為1064nm激光功率與干擾光斑面積關系曲線。可以看出，CCD飽和像元數隨著激光功率的增大逐漸增多。在激光功率為0.5mW～10mW間，飽和像元數量隨激光功率的增大增長速度較快，此階段為CCD的線性工作區域。當激光功率大于10mW，飽和像元數隨功率的增大緩慢增加，最終趨于平緩，此時CCD全屏飽和。

Fig.6 Curve of relationship between laser power and interference spot area at 1064nm

綜上所述，1064nm近紅外激光輻照CCD的實驗現象如下：激光功率較弱時，干擾區域為矩形規律性點陣，點陣各個亮斑距離中心光斑越近，亮度越高并呈軸對稱分布，且出現若干串音干擾線，亮度同亮斑變化規律一致；隨著激光功率增加，干擾光斑和串音線亮度相應變大，飽和區域隨之增加，光斑和串音線的直徑和寬度變大，串音線甚至會從中心串音線向周圍一一合并，但是干擾點陣規模變化較小，只有激光功率相對較大時，才會小范圍拓寬區域。

CCD結構中，光敏單元是并行排列的方式，垂直方向間的像元用溝阻隔離，光信號積分階段，勢阱中不斷聚集光生載流子，對應干擾圖像上的明亮光斑，光生載流子積滿溢出后干擾到鄰近勢阱，使得沒有激光輻照的區域有載流子的干擾，即干擾光斑直徑變大，由于CCD結構中溝阻的制約，載流子在水平方向的溢出速度遠小于垂直方向的溢出擴散速度，串音線隨之出現，隨著激光強度的增加，光生載流子不斷增多，繼續擴散，漸漸將飽和像元周圍的像元填滿，就會使得原來干擾區域飽和像元數量增多，干擾區域擴大。

對于1064nm激光干擾實驗過程中出現的除中心光斑外的點陣光斑現象，根據點陣光斑分布的周期性等間距的特性，可以用阿貝-波特成像原理解釋，實驗光學系統如圖7所示。激光視為一束平行光，CCD表面網狀結構分布可以看作2維光柵，光束經過相機鏡頭輻照在CCD表面網狀陣列結構上，由于CCD表面覆蓋一層微透鏡，微透鏡作用相當于傅氏鏡，能夠在其后方焦平面上將物體的頻率成分顯現出來，若焦平面內置入觀察屏，使其處于焦平面上，則可在觀察屏上看到周期性網格的傅里葉頻譜，即一些衍射斑，而激光光斑則單獨成像在像平面1上；若CCD成像面剛好與微透鏡的頻譜面重合，則激光在CCD成像的光斑便與頻譜面上的點陣斑一同顯示在像平面2上，最終CCD探測器上成像得到規則亮斑干擾圖像，隨著光強的增加，每個亮斑同中心光斑一樣，當載流子填滿勢阱后，便會以特定方式溢出，從而產生串音線。

Fig.7 Abbe-Porter imaging optical system

3 仿真分析

Fig.8 Photon carrier diffusion model

對于CCD像元間電荷的擴散過程，假設有一片緊密排布的“小桶”方陣，小桶形狀和容量都相同，外界往中心小桶中不斷注入“水滴”，水滿則溢往周圍小桶。將水滴比作光照，勢阱中積累電荷，就如同不斷的在“小桶”中聚集“水滴”，電荷在勢阱中聚集滿后，會向鄰近勢阱溢流。CCD基本像元結構以及像元間電子溢出方式如圖8所示。假設激光輻照在CCD的一個中心像元上，該像元的光生載流子達到飽和，接著繼續產生的載流子向臨近的像元溢出，光生載流子填滿周圍的像元后，飽和的像元又會繼續向周圍像元溢出載流子，直到產生的載流子全部容納在像元里，由于CCD水平方向溝阻結構的制約，載流子在水平方向的溢出速度遠小于垂直方向的溢出擴散速度，所以光強達到一定程度后就會出現穿過光斑中心的垂直串擾線。

當強光輻照探測器后，光子能量超過帶隙則實現電子躍遷，產生電荷，電荷可表示為：

式中，q為電子電荷，P為入射光功率，t′為光照時間。“水滴”視為光生電荷量，已知電荷量正比于光功率，設定“小桶”盛滿水的電荷閾值是Qth，“小桶”盛滿水后會向鄰近“小桶”溢流，根據光生載流子擴散規律，可知飽和像元數滿足：

式中，i為載流子向外擴散的圈數，根據實驗中CCD相機的像素數，i取0～274之間的整數，wi為i圈時的串音線上的飽和像元數。N個飽和像元的總電荷數Q為：

則推導出一定時間、功率和CCD飽和像元數的關系為：

基于上述實驗現象中在功率較低時，串音線數量和亮度變化較為穩定，通過MATLAB統計得到功率小于500μW時，串音線上平均飽和像素點數為110pixel。根據表1中激光器和CCD性能結構參量數據，利用MATLAB建立CCD光生載流子的“水滴”擴散模型，仿真干擾光斑如圖9所示。

Table 1 Parameters of CCD

Fig.9 Simulation of interference phenomena

根據圖8中光生載流子擴散方式，計算不同功率下的光斑面積來設置初始飽和光斑區域，進而得出不同功率下的干擾情況和飽和像元數。圖9分別為激光功率194μW和334μW的串音仿真圖。可以看出，干擾區域中心飽和光斑近似橢圓形，串音線穿過光斑中心，距離中心光斑越遠像元飽和程度越低，飽和光斑集中在靠近中心光斑的區域，符合CCD結構特性和干擾機理。計算并繪制激光輻照CCD表面300s時飽和像元數隨激光功率的變化曲線，如圖10所示。

Fig.10 Comparison of the number of saturated pixels with laser power

由圖10可知，利用MATLAB“水滴”模型仿真得出的仿真數據同公式擬合數據以及實驗數據均吻合得較好。通過公式擬合、模型仿真以及實驗數據的對比，可以將CCD光生載流子的擴散過程的理論分析，定量計算以及實際干擾過程緊密結合起來。對于仿真及擬合數據和實驗數據的誤差，分析為：仿真過程并未考慮實驗過程中出現的點陣光斑和旁支串音線對飽和像素點數的影響，仿真過程只針對一個干擾光斑和穿過其中心的一條串擾線，此外，擬合曲線中飽和像素點數的計算中，串音線和光斑重合部分的飽和像元數沒有剔除，實際串音線上的飽和像元數小于公式中的，這也造成了擬合與實驗數據的誤差。整體來說，根據圖10中飽和像元數隨激光功率的變化曲線對比圖中仿真結果同實際數據的基本吻合可以證明此方法正確，并具有可靠性。

4 結 論

激光對CCD的干擾效應中，利用波長為1064nm的近紅外連續激光輻照黑白CCD相機，獲得了黑白CCD在不同激光功率下的干擾程度曲線，得出激光功率越高，干擾光斑半徑越大，串音線越寬，相應干擾區域中飽和像元數越多，干擾程度越嚴重以及飽和像元數量正比于激光功率基本呈線性增長的結論；針對實驗中出現的規律性點陣光斑和旁支串音線，分析是光學鏡頭的傅里葉頻譜性質所致；利用相關公式推導得出一般干擾過程的擬合曲線，并最后根據CCD基本像元MOS電容勢阱的特點和載流子溢出方式來對干擾過程進行仿真模擬，仿真結果與實驗數據基本相符。