白光輻照多光譜CCD的干擾效應研究

婁小程，李曉英，牛春暉，郎曉萍

(北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100192)

引 言

20世紀70年代以來，國內外陸續展開了各類激光對單通道CCD圖像傳感器的干擾和損傷的研究。參考文獻[6]～參考文獻[16]中分別研究了單波長激光對單通道CCD干擾效果。參考文獻[17]中研究了寬光譜光源對單通道CCD的干擾，分析了入射條件對面陣CCD干擾效果的影響。隨著多光譜CCD相機的出現與發展，多光譜CCD相機在軍事、遙感成像等領域逐漸代替了單通道CCD相機。以往研究學者大多是基于對單通道CCD相機的干擾和損傷研究，對激光干擾多光譜CCD相機的研究較少，同時單一波長激光對多光譜CCD的干擾存在一定缺陷，研究作為典型的寬光譜光源的白光對多光譜CCD的干擾具有重要意義。

本文中主要對白光照射多光譜CCD產生的干擾效果進行了研究。分別采用671nm,473nm,532nm等單波長激光與白光光源對多光譜CCD進行干擾實驗研究，將它們對多光譜CCD的干擾效果進行了對比分析；同時根據光生載流子擴散模型對白光輻照多光譜CCD進行仿真模擬，豐富了寬光譜光源對多光譜CCD的干擾研究，并為以后的深入研究提供理論基礎。

1 多光譜CCD相機

本文中使用的多光譜CCD相機是由SONY公司生產的acA640-120gm Basler ace GigE，如圖1所示。多光譜CCD相機像素數為 659×494，像元尺寸為5.6μm×5.6μm。

Fig.1 Multi-spectral CCD camera

多光譜CCD的整體結構類似“三明治”，如圖2所示，依次為“微透鏡”、“分色濾光片”、“感光層”。微透鏡通過擴展每個像素的感光面積來提高CCD的采光率，分色濾光片實現對多光譜相機成像的色彩信息的合成，感光層實現光電信號的轉換和傳輸[18]。每個像元的感應度不同是因為分色濾光片的作用，多光譜CCD中紅色像元的敏感光譜波長范圍是620nm～680nm，綠色像元的敏感光譜波長范圍是520nm～570nm，藍色像元的敏感光譜波長范圍是425nm～500nm。

Fig.2 Internal structure of multispectral CCD

多光譜CCD相機的分色濾光片運用拜耳矩陣進行顏色識別。在拜耳矩陣中，每個像素都有各自的彩色窗口，以周期方式排列，其中50%為綠色，25%為紅色，25%為藍色，每行交替排列。如圖3a所示，一行使用紅綠元素，下一行使用綠藍元素。

Fig.3 a—Bayer matrix b—5×5 deBayer

RGB彩色圖像需要每個像素有紅、綠、藍3種顏色，但是在拜耳矩陣中，每個像素只對應一種顏色，丟失的顏色是通過“插值”技術插入的，也稱去拜耳化，其原理是提取相鄰像素的顏色值，從而估算缺失的顏色。圖3b展示了5×5去拜耳化。

2 實驗研究

2.1 單波長激光輻照多光譜CCD相機

2.1.1 單波長激光輻照多光譜CCD相機實驗設計 圖4是單波長激光輻照多光譜CCD相機的實驗光路圖。實驗環境為暗室，選用的激光器分別為671nm,532nm,473nm激光器。激光經過衰減片的衰減作用后，用分光鏡分成兩束(分光比為1∶1)，一束光入射到CCD的靶面中心，干擾圖像被傳送到計算機記錄,另一束光由功率計接收，由于兩束光的功率相同，可通過功率計實時記錄干擾CCD的光功率。

Fig.4 Interference experimental optical path of multispectral CCD irradiated by single wavelength laser

2.1.2 單波長激光輻照多光譜CCD相機實驗結果與分析 圖5是波長為671nm、入射功率為746μW的激光干擾多光譜CCD相機的成像圖以及紅、綠、藍三通道的單色圖。由圖5a和圖5b可知，全通道及紅色通道的圖像被干擾較為嚴重;由圖5c和圖5d可知，綠色通道及藍色通道下的干擾區域相對較少，仍有可能從綠色通道或者藍色通道恢復原圖像。

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Fig.5 Imaging images of 671nm laser irradiated multi-spectral CCD and monochromatic images of three channels

圖6是波長為473nm、入射功率為380μW的激光干擾多光譜CCD相機的成像圖以及紅、綠、藍三通道的單色圖。由圖6a、圖6c、圖6d可發現,全通道、綠色通道和藍色通道的圖像被干擾較為嚴重，但圖6b中紅色通道下的圖像上仍有部分細節。

Fig.6 Imaging images of 473nm laser irradiated multi-spectral CCD and monochromatic images of three channels

圖7是波長為532nm、入射功率為166μW的激光干擾多光譜CCD相機的成像圖以及紅、綠、藍三通道的單色圖。由圖7a、圖7c、圖7d可發現,全通道、綠色通道和藍色通道的圖像已被有效干擾，但圖7b中紅色通道下的圖像仍能呈現部分細節。

Fig.7 Imaging images of 532nm laser irradiated multi-spectral CCD and monochromatic images of three channels

由圖5～圖7可知，單波長激光干擾多光譜CCD相機時，完全干擾某一通道可以實現，但是對紅、綠、藍三通道的同時干擾難以實現，可能從某一通道輸出較為清晰的圖像，從而恢復原圖像。

圖8是多光譜CCD的光譜響應曲線。橫坐標代表波長，縱坐標代表多光譜CCD對各波長的響應度。由圖8可知，多光譜CCD中紅色像元的敏感光譜波長范圍是620nm～680nm，綠色像元的敏感光譜波長范圍是520nm～570nm，藍色像元的敏感光譜波長范圍是425nm～500nm，多光譜CCD的光譜響應曲線很好地解釋了不同波長激光輻照多光譜CCD相機時，各個通道干擾情況差異的原因。

Fig.8 Spectral response curve of multispectral CCD

2.2 白光輻照多光譜CCD相機

2.2.1 白光輻照多光譜CCD相機實驗設計 圖9是白光輻照多光譜CCD干擾的實驗光路圖。選用的光源是功率為150W的氙燈(白光)，白光的光譜較寬，透過三棱鏡可以呈現紅、橙、黃、綠、青、藍、紫7種顏色的光譜，其中，紅色的波長為620nm～780nm、橙色波長為600nm～620nm、黃色波長為570nm～600nm、綠色波長為500nm～570nm、青色波長為475nm～500nm、藍色波長為420nm～475nm、紫色波長為380nm～420nm。實驗中白光光束通過透鏡1與光闌，縮小光斑；繼續通過衰減片與偏振片衰減光強，然后由分光鏡將光分成兩束(分光比為1∶1)；一束入射到CCD探測器，另一束光由光功率計接收，實時檢測干擾探測器的光功率。干擾效果圖傳入計算機記錄，以備后續處理。

Fig.9 Interference experimental optical path of white light irradiation multispectral CCD

2.2.2 白光輻照多光譜CCD相機實驗結果與分析 圖10是白光對多光譜CCD相機的干擾圖。圖10a是入射功率為12.9μW時多光譜CCD受干擾情況；圖10b是入射功率為68μW時多光譜CCD受干擾的圖，此時干擾光斑已飽和；圖10c是入射功率為136μW多光譜CCD受干擾的圖。圖10b和圖10c中的飽和光斑周圍存在干擾光斑，這主要是由雜散光引起的，白光光源并未全部輻照在多光譜CCD相機的靶面中心，部分光源輻照在鏡筒邊緣發生折射和偏轉，從而形成較弱的干擾光斑[14]。圖10d是激光功率為1.45mW的干擾圖像。此時多光譜CCD處于過飽和的狀態，由圖10a～圖10d可知，入射功率越大，干擾面積越大，干擾現象越嚴重。在實驗過程中，并未出現飽和串音線，分析是因為氙燈發出的光源較為發散，很難像激光器一樣相對集中地輻照在CCD靶面中心。

Fig.10 Image of white light irradiated multi-spectral CCD

圖11是入射功率為328μW時的干擾圖。由圖11可知，紅、綠、藍三通道均被完全干擾。相對單波長激光，白光的光譜較寬，壓制范圍較廣，白光對多光譜CCD相機的干擾更加全面，且當需要對目標物體進行干擾時，光譜較寬的白光光源比聯合激光干擾更加有效。

Fig.11 White light irradiated multi-spectral CCD image and three-channel monochromatic image

圖12是多光譜CCD飽和像元隨激光功率變化的關系曲線。多光譜CCD對各個波長連續激光干擾響應程度從大到小依次為白光,532nm,473nm和671nm；當激光功率為250μW時，白光輻照CCD的飽和像元數約200000pixel，約等于532nm,473nm和671nm輻照CCD的飽和像元數之和；當入射功率為10.5μW時，白光輻照多光譜CCD的飽和像元數為2382pixel，隨著入射功率的增大，白光輻照多光譜CCD飽和像元數也逐漸增加;當入射功率為980μW時，白光輻照多光譜CCD的飽和像元數穩定在320078pixel;當激光功率為1200μW時，532nm激光對應的飽和像元數基本穩定在310000pixel左右，此時532nm激光的干擾圖像已接近于全飽和狀態，隨著激光功率的繼續增加，532nm激光的飽和像元數基本不變；當激光功率為1200μW時，473nm激光對應的飽和像元數多于671nm對應的飽和像元，但兩者的干擾程度均未達到最大，隨著激光功率的增加，飽和像元數仍在增加。

Fig.12 Relation curve of saturation image element and laser power of multi-spectral CCD

3 白光輻照多光譜CCD的仿真分析

CCD像元間電子溢出方式如圖13所示。當激光輻照在CCD的某個像元時，會產生光生載流子，產生的光生載流子填充此像元，當此像元被填充滿后，光生載流子又會向周圍的像元溢出，直到產生的光生載流子全部填充到像元中[19]。CCD的內部存在水平方向的溝阻，致使光生載流子在豎直方向擴散的速度大于水平方向，很好地解釋了隨著時間和光照強度的增加，在干擾光斑中心出現豎直串音線的原因[20]。

Fig.13 Electronic overflow mode

受激光輻照的半導體會吸收光子的能量，當積累的光子能量超過帶隙能量時，會發生電子躍遷的現象[20]，由此產生的電荷可以用Q表示為：

Q=ηqPAt/(hν)

(1)

式中,q為電子電荷,P為入射光功率，t為光照時間，η為量子效率，A為受光面積，h為普朗克常量，ν是頻率。設定一個像元所能存儲的最大電荷量是Qth,則N個飽和像元所能存儲的最大電荷Q可表示為：

Q=NQth

(2)

由此可推導出時間、激光的入射功率和CCD飽和像元數的關系為：

N=ηqPAt/(hνQth)

(3)

圖14是入射功率為935μW的白光輻照多光譜CCD的干擾圖。圖15是根據光生載流子擴散模型得到的入射功率為935μW的白光干擾多光譜CCD的仿真圖。可以看出,當入射功率為935μW時，多光譜CCD相機已被完全干擾，仿真結果和實驗干擾結果基本相符。

Fig.14 935μW white light disturbs color CCD image

Fig.15 Simulation of 935μW white light interfering color CCD

對白光輻照多光譜CCD的過程進行仿真，設置與實驗相同的參量，得到白光輻照多光譜CCD的飽和像元隨激光功率變化的關系曲線,如圖16所示。

Fig.16 Relation curve between saturated image element and laser power of multi-spectral CCD radiated by white light

由圖16可知，仿真白光輻照多光譜CCD飽和像元數隨激光功率變化的關系曲線與由實驗數據所獲得的曲線變化趨勢基本一致。對于仿真數據和實驗數據的偏差可能是:仿真過程中并未考慮實驗過程中雜散光斑對光生載流子擴散的影響，只是針對主要的干擾光斑進行分析；仿真過程中并未考慮因CCD工藝結構中溝道的存在，導致部分溢出的載流子尚未擴散到周圍的像元便被排出[21]。但整體來說，仿真所得白光輻照多光譜CCD飽和像元數隨激光功率變化曲線與實驗數據所得曲線基本吻合，證明此方法具有一定的可靠性。

4 結 論

在激光對多光譜CCD相機的干擾效應實驗中，分別采用671nm,532nm和473nm波長激光與白光輻照多光譜CCD相機，得到了幾種光源輻照多光譜CCD相機的干擾圖，通過研究發現,單波長激光干擾多光譜CCD相機時，完全干擾某一通道很容易實現，但是很難同時對紅、綠、藍三通道進行完全干擾；相對單波長激光，白光的光譜較寬，壓制范圍較廣，白光對多光譜CCD相機的干擾更加全面，且當需要對目標物體進行干擾時，光譜較寬的白光光源比聯合激光干擾更加有效。繪制了多光譜CCD飽和像元數隨激光功率的變化曲線，得出多光譜CCD對各個波長連續光干擾響應程度從大到小依次為白光,532nm,473nm和671nm。最后根據光生載流子的溢出方式，利用MATLAB對白光干擾CCD的過程進行仿真，得到白光輻照多光譜CCD的干擾仿真圖和仿真白光輻照多光譜CCD相機飽和像元數隨激光功率變化的關系曲線，仿真所得關系曲線與實驗數據得到的關系曲線基本吻合。本文中將實驗與仿真相結合，證明了白光相對于單波長激光對多光譜CCD相機的干擾效果更好，對于豐富寬光譜光源干擾多光譜CCD的效應研究具有一定的現實意義。