強輻射環境下CMOS圖像傳感器噪聲對相機分辨率的影響

王海川，馮 婕，李豫東,*

(1.中國科學院 新疆理化技術研究所，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆電子信息材料與器件重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國科學院大學，北京 100049)

強輻射環境是輻射環境下的一種極端情況，其具體包括核電站相關設施的日常運行、維護、事故應急處理等。該環境包含大量α、β、γ射線及中子，具備高劑量率、高總劑量等特點。由于中子水平在運行反應堆外一般很低，且α和β輻射都可以通過相對薄的外殼進行有效屏蔽，因此當相機在強輻射環境上工作時，γ射線輻照是引起相機中電子器件性能退化的主要原因[1-2]。

CMOS圖像傳感器(CIS,CMOS image sensor)首次報道于20世紀60年代，近年來，CIS性能快速提升，有些已經追趕甚至超過電荷耦合器件(CCD,charge coupled device)性能，而且CIS有著體積小、集成度高、低功耗、質量輕等獨特優勢。在遙感成像、工業監控等圖像采集方面正逐步取代原有的CCD。CIS作為電子器件，在強輻射場中工作時會受到γ射線輻照影響產生暗電流噪聲，從而影響相機的分辨率[3-5]。因此有必要對強輻射環境下工作的相機系統進行抗輻射實驗，探究累積劑量、噪聲和分辨率間的定量關系。

目前，國內外已有多項輻射環境對相機分辨率影響的研究[6-8]。2004年，KIM等基于傾斜邊緣技術測量調制傳遞函數(MTF)參數研究了X射線對閃爍體耦合CMOS APS陣列成像儀分辨率的影響；2007年KIM等基于系統MTF對X射線下閃爍體耦合CMOS傳感器的空間分辨率受暗信號的影響程度進行評估；2010年，俞杰等對中子照相中CCD相機瞬態噪聲對成像分辨率的影響與具體屏蔽需求進行了深入分析。但上述研究主要關注累積輻射劑量、射線類型和CIS圖像傳感器噪聲間的關系或累積輻射劑量對CCD系統的影響，尚未基于器件輻射效應和MTF函數推導獲得γ射線輻照后CIS噪聲對相機分辨率的影響，同時也未開展輻照后相機分辨率實際測試方法研究，但這些對相機輻照前后分辨率評估很重要。

分辨率是相機系統性能評估的重要參數，ISO 12233:2017數碼相機分辨率測量標準提出視覺分辨率、極限分辨率與空間頻率響應(SFR)3種相機分辨率測試方法并推薦使用新型分辨率測試卡進行相機分辨率測試[9-10]。視覺分辨率、極限分辨率可基于測試卡中的楔形圖進行檢測。視覺分辨率是主觀測試方法，結果易受圖像輸出顯示器和觀察者的影響。極限分辨率可采用Imatest等軟件進行判定，數值較為準確且具備可重復性。SFR可用于測量作為空間頻率函數的對比度損失，測試結果同時受鏡頭和感光器件以及處理程序的影響。由于SFR經過數學處理就能轉化成MTF函數，因此可認為SFR與MTF基本等價。目前ISO 12233采用SFR測試法為Peter Burns提出的基于傾斜5°的黑白漸變斜邊的方法來測量SFR[11]。

本文通過理論推導，建立噪點數量占圖像總像素數量之比和成像分辨率之間的函數關系，通過輻照試驗驗證上述函數關系，從而獲得累積劑量、噪點數量占圖像總像素數量之比和成像分辨率的定量關系。并通過與MTF公式計算值作比較分析楔形圖和SFR斜邊圖兩種分辨率測試方法的適用性，同時提出輻照后快速評估相機分辨率退化的方法。

1 輻照試驗

1.1 試驗樣品與試驗條件

試驗樣品為CIS相機，相機內部CIS為安森美半導體公司推出的高性能CMOS圖像傳感器，有效像素數為210萬，每個像素尺寸為3 μm×3 μm。相機工作模式為滾動曝光，伽馬值設定為1。

輻照試驗地點為中國科學院新疆理化技術研究所的60Co-γ射線輻照源。試驗總劑量為200 krad(Si)，相機測試所選取劑量點分別為20、50、70、100、150、200 krad(Si)，劑量率為50 rad(Si)/s。

輻照試驗時，相機采用在線測試方法。該方法由相機主板提供器件的驅動時序與偏壓，使器件處于正常工作狀態，同時相機與鈷源外部PC機和電源連接，可進行相機的實時監測。相機主板和相機一起輻照，輻照劑量率相同。當達到設定的劑量點時降源，進行相機整體的移位測試，測試和輻照均在室溫(24 ℃)下進行。

1.2 相機參數測試方法

相機系統測試具體操作為：1)將輻照后CIS與輻照后主板進行連接，安裝未輻照鏡頭，搭建完整相機系統進行相機性能測試；2)將輻照后CIS與未輻照主板進行連接，安裝相同的未輻照鏡頭，其余測試條件保持不變，重復相機性能測試。

實驗采用Imatest軟件對相機拍攝的測試卡圖片進行分析，Imatest軟件是一款基于Matlab運算平臺的圖形圖像分析軟件，可通過和測試卡、光源燈等器材結合使用對相機系統的性能參數進行測試。其中Imatest軟件具備對楔形圖、SFR、動態范圍、信噪比和色彩還原能力等參數進行測試的功能，例如，基于測試卡圖片楔形圖提取基于楔形的MTF。本試驗采用數字圖像采集與基于Imatest軟件處理技術獲取分辨率數據。

相機分辨率測試采用分辨率測試卡為ISO 12233:2017標準中推薦的ISO 12233 eSFR新型測試卡，該卡具備楔形圖和SFR斜邊圖兩種分辨率測試方法，由于通過兩種分辨率測試方法得到的CIS相機分辨率結果出現不一致的現象，通過分析發現，利用基于楔形圖獲取混淆的開始頻率測試法評估輻照相機分辨率參數在本次實驗中更具合理性。

相機分辨率測試步驟：按標準要求在標準光源下，使用相機拍攝ISO 12233 eSFR新型測試卡(反射型)，利用CL-500A輻射照度計對測試卡表面照度誤差進行測量，要求測試卡表面照度誤差在±10%以內，相機曝光時間保持不變，連續拍攝10幅圖，可挑選拍攝效果最好的圖片；使用Imatest軟件利用eSFR ISO測試功能，輸入照度，測試卡與相機距離等實測參數，導入相機所采集的測試卡圖片進行自動處理，最后導出測試數據進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 CIS暗電流隨電離總劑量的變化

暗電流即CMOS圖像傳感器內部像素單元在暗場條件下，由于其結構內部各類缺陷(界面缺陷和體缺陷)的存在，能產生與被耗盡區所吸收的電子所形成的電流，暗電流單位e-/s[12]。如圖1所示，隨著電離總劑量的增加，器件暗電流顯著增大。

圖1 暗電流與累積劑量關系Fig.1 Change of dark current vs.total ionizing dose

以4T像素結構對暗電流的產生機理進行分析，如圖2所示，電離輻射導致Si-SiO2界面處產生大量界面陷阱電荷，主要分布在淺槽隔離區(shallow trench isolation,STI)外圍、TG-PPD交疊區、PPD表面[13-14]。其中表面P區的高濃度摻雜基本可去除電離損傷所產生的界面缺陷造成的影響，因此γ輻照后PPD表面產生的缺陷對暗電流影響較小。

圖2 暗電流產生機制示意圖Fig.2 Schematic diagram of dark current generation mechanism

STI界面產生電流的產生機理如下：輻照過程中，STI區域淀積的Si-SiO2界面產生斷裂的懸掛鍵，形成界面缺陷。此外，隨著工藝進步，氧化層的厚度變薄，硅和氧的不完全反應界面生成的SiO等氣態不穩定物質會在高溫的情況下從氧化層中排出，在界面處產生位缺陷。因此在電離輻射過程中，懸掛鍵和位缺陷的密度會隨著電離總劑量的增加而持續上升，成為輻照后暗電流增加的主要來源之一[14-18]。

TG-PD交疊區產生電流的產生機理如下：在電荷傳輸期間，由于表面高濃度P區(P+)和TG傳輸門柵存在交疊，P+層濃度過高，柵下部分N區出現耗盡夾斷現象，令FD到N區的電壓在該區域上形成高電場，導致熱載流子的形成。所形成的熱載流子持續轟擊Si-SiO2界面，形成較多的表面快界面態，造成界面缺陷水平和暗電流的上升。另外，界面態所引發的暗電流在高電場的作用下與其他摻雜原子發生碰撞電離，產生更多的熱電子并堆積在TG溝道中，導致TG管的閾值電壓發生偏移，從影響PPD的電荷最大收集能力。此外，在經過輻照后，由于電離損傷的作用，TG溝道柵氧化層界面形成更多的懸掛鍵，缺陷密度增加，繼而更易生成上述快界面態[14-18]。

因此，經過γ射線輻照后，CIS暗電流顯著增加，主要是由STI界面缺陷產生電流和TG-PD交疊區產生電流所致。

2.2 相機分辨率隨電離總劑量的變化

1)噪點數量和相機分辨率函數關系的推導過程

MTF反映成像系統在不同空間頻率下的分辨能力，通過計算系統的MTF反映的傳感器分辨率可有效測量系統的分辨率[6]。MTF計算公式為：

(1)

式中：Imax為圖片目標區域的最大灰度值；Imin為圖片目標區域的最小灰度值。

考慮到相機系統受到包括光學鏡頭、外圍電路、傳感器等多種因素的影響，相機系統的MTF如下式所示[7]。

MTFsystem=MTFpictureMTFcameraMTF其他

(2)

當相機拍攝圖片存在噪聲時，假設圖片目標區域的最大灰度值區域的噪點數量占圖像總像素數量的比值為σlight，圖片目標區域的最小灰度值區域的噪點數量占圖像總像素數量的比值為σdark，最小灰度值區域的噪點平均灰度值為g1，像素數量為n，則存在噪點的最大灰度值區域圖像灰度值的增量為I亮-噪，最大灰度值區域的噪點平均灰度值為g2，其值為σlightng2，存在噪點的最小灰度值區域圖像灰度值的增量為I暗-噪，其值為σdarkng1。輻照后相機MTF轉移函數，MTFcamera-radiation的計算公式[7-8]如下：

MTFcamera-radiation=

(3)

則輻照后成像系統的MTF如下式所示：

MTFsystem-radiation=

MTFpictureMTFcamera-radiationMTF其他

(4)

2)相機噪點數據處理與分析

為探究劑量與相機噪點數量的關系，通過試驗獲取輻照后CIS與輻照后主板和未輻照主板分別組合成的相機在不同累積劑量下暗電流噪聲的變化情況，如圖3所示。圖4為相機所采集測試卡圖片目標區域的最小灰度值區域和最大灰度值區域噪點數量以及整個目標區域平均噪點數量和累積劑量的關系。

圖3 相機與主板的平均噪點數量占比與累積劑量的關系Fig.3 Ratio of noise number of camera and mainboard vs.total ionizing dose

圖4 輻照相機整體噪點數量占比與累積劑量的關系Fig.4 Ratio of noise number of irradiated camera vs.total ionizing dose

從圖3可看出，兩種組合的相機由于輻照產生的噪點數量隨累積劑量的增加而增加，同時每個劑量點不同組合相機的噪點數量差值為相機輻照主板所引入的噪聲，根據圖中折線的斜率可看出輻照主板噪點數量增長率小于輻照相機整體的噪點數量增長率。其中相機主板上具有大量MOS器件，其中MOS器件內部的柵氧層對電離總劑量效應較敏感，在γ射線輻照下氧化物陷阱電荷和Si/SiO2界面陷阱電荷的產生會增大MOS管的1/f噪聲，因此輻照后相機主板噪聲隨累積劑量的增加而增加[19]。此外，相機主板電源輻照后功能變化導致輸出電壓變化和數字電路噪聲(如ΔI噪聲)都有可能對相機主板噪聲產生一定影響。

從圖4可看出，輻照相機成像圖片目標區域的最大灰度值區域的噪點數量在累積劑量達到100 krad(Si)時發生明顯增加，而輻照相機成像圖片目標區域的最小灰度值區域的噪點數量在累積劑量達到150 krad(Si)時發生急劇增加。其中測試卡圖片噪聲是由光源光子性質、內部圖像傳感器和放大器引起的熱能等物理因素所導致的。相機所采集的圖像是可見光有效信號與噪聲的疊加，其中噪聲主要可分為圖像信號噪聲和本底噪聲。圖像信號噪聲為外部存在輸入信號下入射光子帶來的散粒噪聲。本底噪聲包括CIS相機噪聲和γ射線引入的輻射噪聲。在固定光強和相機曝光時間前提下，圖像信號噪聲僅與CIS本身輻照特性相關。因此最大灰度值區域的噪點數量受光子散粒噪聲的影響更大。另一方面γ射線輻照導致CIS暗電流增大，產生這部分暗電流的像素單元在整個CIS像素陣列中呈泊松分布，從而形成暗電流噪聲。本底噪聲隨著累積劑量的增加而增大，對像素灰度值產生影響，且多數噪聲信號集中在圖像的暗部。因此最小灰度值區域的噪點數量受CIS相機噪聲和γ射線引入的輻射噪聲的影響更大。

3)相機分辨率數據分析處理與分析

本次相機分辨率測試采用分辨率測試卡為ISO 12233:2017標準中推薦的ISO 12233 eSFR新型測試卡，該卡具備的楔形圖和SFR斜邊圖兩種分辨率方法。測試卡可對輻照后移位測試的相機的分辨率利用視覺分辨率、極限分辨率與空間頻率響應3種方法進行判斷。

其中，圖5為軟件基于楔形圖測試得到的混淆的開始頻率處的分辨率與累積劑量的關系。其中混淆的開始頻率(檢測到的條數低于楔形圖總條數以下時的空間頻率)不受信號處理的影響(銳化、降噪等)，可對不同類型相機的分辨率進行評估。另外可從圖5看出，基于楔形圖測試得到的混淆的開始頻率處的分辨率曲線出現拐點所對應的累積劑量點為150 krad(Si)，與圖4中目標區域的最小灰度值區域的噪點數量占圖像總像素數量曲線拐點所對應的累積劑量點相同。

圖5 基于楔形圖測試得到的混淆的開始頻率處的分辨率與累積劑量的關系Fig.5 Resolution ratio for aliasing onset based on wedge pattern test vs.total ionizing dose

圖6為軟件基于ISO 12233標準的SFR測試后的MTF50處的分辨率與累積劑量的關系。圖中所標注的MTF50是當MTF數值降至最大值的50%時對應的頻率，從圖中可看出，MTF50的數值未隨累積劑量的增加出現明顯變化。

圖6 基于SFR測試的MTF50處的分辨率與累積劑量的關系Fig.6 Resolution ratio for MTF50 based on SFR test vs.total ionizing dose

圖7為分辨率測試卡灰度值與累積劑量的關系。從圖5、7可看出，保持CIS不變更換主板后分辨率的變化具有不同趨勢，且光場下輻照后相機圖像受到光子噪聲的影響較弱。

圖7 分辨率測試卡灰度值與累積劑量關系Fig.7 Gray value of camera resolution chart vs.total ionizing dose

圖8為基于圖7中測試卡圖片楔形圖區域的灰度值，代入式(3)進行計算，從圖中可發現，計算出的MTF值均隨累積劑量的增加而降低，其中基于楔形圖計算的MTF值整體變化趨勢與基于楔形圖測試得到的混淆的開始頻率處的分辨率隨累積劑量的變化趨勢保持一致。從計算結果和代入數值可看出，對于確定的輻照相機系統，需保證輻照試驗條件和測試條件不變，通過對相機測試圖片噪聲灰度值的分析可得，光場下成像圖片最大灰度值區域的噪點灰度值對圖像目標區域最大灰度值的影響可忽略。隨著最大灰度值的減小，受噪點影響的最小灰度值對MTF的影響相應增大，因此隨著累積劑量的增加，最小灰度值區域噪點數量的多少成為影響成像分辨率的主要因素。

圖8 基于楔形圖的MTF計算值與累積劑量關系Fig.8 Calculated value of MTF based on wedge pattern test vs.total ionizing dose

輻照后相機分別采用視覺分辨率、極限分辨率與空間頻率響應3種方法進行分辨率測試。其中視覺分辨率為個人肉眼利用楔形圖進行主觀判斷，可明顯發現隨著噪點數量的增多，可識別線對數明顯下降。極限分辨率為基于楔形圖測試得到的混淆的開始頻率，空間頻率響應為基于SFR測試的MTF50數值。通過對試驗結果綜合比較，可發現視覺分辨率、極限分辨率的結果具有一致性，但由于基于SFR測試的MTF50并未隨累積劑量的增加而減少，與視覺分辨率的結果不相符，因此基于ISO 12233斜邊圖的SFR測試方法無法對輻照后移位測試的相機的分辨率進行有效評估。這是由于ISO 12233標準中SFR測試采用基于傾斜邊緣圖像特征分析的方法，屬于邊緣梯度分析的特殊情況，其對具有明顯邊緣特征對象的系統響應進行了分析。由于該算法在邊緣估計中要對每個掃描行的圖像數據進行求導，受噪聲的影響較大，因此通過該方法測得的參數無法準確評估輻照后相機分辨率的變化。

3 結論

本文首先通過MTF的理論推導建立了σ與輻照后成像系統MTF的函數關系，并開展了γ射線輻照CIS相機的試驗，獲得了相機TID>150 krad（Si）后，相機成像圖片目標區域的最小灰度值區域σ>2%，相機分辨率嚴重退化的結論。另外通過楔形圖測試法和SFR斜邊測試法對輻照后相機分辨率分別測試和比較，可發現利用基于楔形圖獲取混淆的開始頻率測試法評估輻照后相機分辨率更合理。上述研究結果為基于CIS相機輻照后性能退化評估提供了重要的理論指導，有利于抗輻照相機的開發和測試。其次，針對相機整體在γ射線輻照累積劑量大于150 krad（Si）時出現相機分辨率明顯下降的情況，后續將深入探討輻照后相機主板噪聲的產生機理以及相機主板噪聲和CIS噪聲對相機分辨率的影響。