超連續(xù)譜光源對(duì)CMOS圖像傳感器的干擾實(shí)驗(yàn)研究

朱 辰，李 堯，王雄飛，張 昆，熊文龍，張浩彬，張大勇，張利明

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100015)

超連續(xù)譜光源對(duì)CMOS圖像傳感器的干擾實(shí)驗(yàn)研究

朱 辰，李 堯，王雄飛，張 昆，熊文龍，張浩彬，張大勇，張利明

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100015)

首先介紹了CMOS圖像傳感器工作的基本原理。以自研的超連續(xù)譜光源為干擾源搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)CMOS器件在強(qiáng)光下的受干擾現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。獲得了不同功率密度水平下CMOS器件輸出的光斑飽和圖像。以入射到CMOS器件靶面的功率密度3.14×10－3W/cm2為例，對(duì)得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得到了干擾效果圖和像元灰度表，并對(duì)產(chǎn)生的原因作出了分析。

光電對(duì)抗;激光干擾;超連續(xù)譜光源;CMOS傳感器

1 引 言

圖像傳感器作為電視攝像機(jī)、圖像導(dǎo)引頭的關(guān)鍵部件，被廣泛應(yīng)用于監(jiān)控、測(cè)量、制導(dǎo)、識(shí)別、偵察等民用和軍用領(lǐng)域。在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，需要激光對(duì)圖像傳感器的正常工作形成干擾，甚至損傷器件。一般來(lái)說(shuō)，激光對(duì)圖像傳感器的損傷分為硬損傷和軟損傷。所謂硬損傷是探測(cè)器材料發(fā)生永久性破壞，而無(wú)信號(hào)輸出。軟損傷是指光電材料或器件的功能性退化或暫時(shí)失效，軟損傷后探測(cè)器仍有信號(hào)輸出，但信噪比會(huì)大大降低。從干擾源的輸出功率上看，只需較小的激光能量密度打在圖像傳感器上使傳感器飽和即可實(shí)現(xiàn)干擾，即軟損傷;而要實(shí)現(xiàn)硬損傷所需的激光能量密度要高得多。因此了解圖像傳感器受激光干擾與損傷的過程，開展圖像傳感器的激光輻照效應(yīng)與破壞機(jī)理研究，并對(duì)干擾效果做出恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)具有十分重要的意義。

電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)及互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體器件(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)兩種圖像傳感器是光電子成像領(lǐng)域重要的圖像傳感器。隨著CMOS大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，CMOS圖像傳感器的成像質(zhì)量不斷提高，且CMOS具有集成化程度很高、制造成本低、單一工作電壓、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在很多應(yīng)用場(chǎng)合替代了CCD而獲得廣泛的應(yīng)用。目前在激光對(duì)于圖像傳感器輻照效應(yīng)的研究中，通常是采用CCD作為研究對(duì)象的，而基于CMOS的激光輻照效應(yīng)研究很少報(bào)道。本文以自研的全光纖超連續(xù)譜光源為輻照源，以CMOS器件作為干擾目標(biāo)進(jìn)行研究，取得了一些干擾效果并給出了分析結(jié)論。

2 實(shí)驗(yàn)原理與裝置

2.1 CMOS圖像傳感器工作機(jī)理

CMOS圖像傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的，主要包含有像素陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時(shí)和控制電路、模擬信號(hào)處理器等功能模塊，如圖1所示。有的CMOS圖像傳感器還集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖1 CMOS圖像傳感器總體結(jié)構(gòu)

像素單元陣列的主要用途是收集有用的光信號(hào)，并將此光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào);模擬信號(hào)處理電路完成信號(hào)的積分、放大、取樣和保持功能，通過處理電路提高信號(hào)的信噪比;行選通邏輯單元與列選通邏輯單元配合使用可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能;定時(shí)和控制電路限制信號(hào)讀出模式、設(shè)定積分時(shí)間、控制數(shù)據(jù)輸出率等。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是數(shù)字成像系統(tǒng)所必須的，可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

正是由于CMOS圖像傳感器在工作原理上的特點(diǎn)，使得其與CCD器件相比具有掃描速度快、響應(yīng)光譜范圍寬、集成度高、功耗低、成本低等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于抗激光干擾的閾值也要比CCD器件高。缺點(diǎn)是在靈敏度、分辨率、噪聲控制能力等方面相比CCD器件來(lái)說(shuō)還有差距。

2.2 超連續(xù)譜光源

超連續(xù)譜現(xiàn)象是指高能量超短光脈沖在非線性介質(zhì)中受到色散、自/交叉相位調(diào)制、四波混頻以及受激拉曼散射等非線性效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，光譜被極大展寬的現(xiàn)象?；诔B續(xù)譜現(xiàn)象的光源輸出光譜范圍覆蓋可見光至近紅外光波段，具有輸出光譜寬、輸出功率高、光束質(zhì)量好等特點(diǎn)，非常適宜用作上述圖像傳感器抗輻照效應(yīng)研究的光源。

超連續(xù)譜光源由皮秒光纖激光器種子源、皮秒光纖放大器及非線性光譜展寬器三部分組成。皮秒光纖激光器種子源產(chǎn)生的種子脈沖入射至摻Y(jié)b光纖放大器進(jìn)行功率放大，放大后的高功率皮秒激光脈沖作為泵浦光入射至高非線性光子晶體光纖，由于多種非線性效應(yīng)將放大后的皮秒激光脈沖進(jìn)行光譜展寬，從而得到超連續(xù)譜輸出。

實(shí)驗(yàn)中采用的光源為自研的超連續(xù)譜光源，其最大輸出功率3W，重復(fù)頻率32MHz，脈沖寬度154ps，單脈沖能量為0.094μJ，對(duì)應(yīng)的峰值功率可達(dá)0.6kW，輸出光譜范圍600～1700nm(受光譜儀測(cè)量量程的限制)，10dB帶寬大于900nm。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，采用的是國(guó)產(chǎn)某型CMOS圖像傳感器，傳感器采用1/3英寸靶面，像元大小為3.75μm× 5μm。實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖

超連續(xù)譜光源發(fā)出的光通過后續(xù)的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)整形發(fā)射;衰減器中的衰減片各自呈一定角度放置，以減少多次反射，保證較為準(zhǔn)確的衰減倍率。光束通過成像光學(xué)系統(tǒng)入射到CMOS圖像傳感器靶面上，傳感器連接計(jì)算機(jī)獲得并分析處理圖像。

實(shí)驗(yàn)中，通過適當(dāng)控制入射到接收光學(xué)系統(tǒng)及CMOS圖像傳感器上的光功率，分別得到了如圖3中的干擾效果圖。對(duì)應(yīng)的超連續(xù)譜功率分別為0.12W，0.73W，1.25W，1.86W，2.32W和2.68W，若假設(shè)接收光學(xué)系統(tǒng)的傳輸損耗為0.1，則圖3(a)～(e)對(duì)應(yīng)的功率密度分別為:0.14×10－3W/cm2，0.86×10－3W/cm2，1.46×10－3W/cm2，2.18×10－3W/cm2，2.72×10－3W/cm2，3.14×10－3W/cm2。

將上述圖像輸入計(jì)算機(jī)，通過圖像處理軟件對(duì)其中每個(gè)像元的灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其灰度劃分成0～255階?？紤]到CMOS器件及數(shù)據(jù)采集電路等的隨機(jī)干擾因素，此時(shí)規(guī)定灰度值大于235即認(rèn)為該像元的輸出已經(jīng)接近飽和，不能正常提供圖像信息數(shù)據(jù)。在后續(xù)處理時(shí)將這些像元的數(shù)據(jù)標(biāo)白，而其他未飽和的像元數(shù)據(jù)標(biāo)黑。處理完后的圖像如圖4所示。

圖3 在不同功率密度水平下CMOS圖像傳感器輸出的干擾圖像

在圖4(e)中，CMOS感光面上出現(xiàn)大面積像素不能讀出圖像，此時(shí)進(jìn)一步提取每個(gè)像元的灰度數(shù)據(jù)作分析。由于文章幅面有限，此處將相鄰像元進(jìn)行了簡(jiǎn)并處理，給出了飽和區(qū)附近像元的灰度表，如表1所示。

圖4 在不同功率水平輸出下CMOS圖像傳感器像元干擾效果圖

表1 3.14×10－3W/cm2時(shí)飽和區(qū)像元灰度數(shù)據(jù)表

通過分析，認(rèn)為出現(xiàn)遠(yuǎn)超出像元級(jí)別大小飽和區(qū)的原因主要是由于CMOS圖像傳感器在強(qiáng)光輻照的情況下，光生電荷從被輻照的像元中“溢出”至周邊的像元。隨著入射光強(qiáng)的增強(qiáng)，被“溢出”填滿的像元就越多，因此造成了成像器件的大面積飽和。

為了判別CMOS圖像傳感器是否有硬損傷，實(shí)驗(yàn)中切斷光源輸出，則CMOS圖像傳感器仍能正常工作，說(shuō)明器件本身沒有硬損傷。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)得到了不同功率密度時(shí)超連續(xù)譜光源對(duì)CMOS圖像傳感器的干擾現(xiàn)象，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，分析了圖像飽和的原因。當(dāng)一束光譜范圍600～1700nm、功率密度3.14×10－3W/cm2的光源照射到CMOS圖像傳感器靶面時(shí)，實(shí)現(xiàn)了作用像元的飽和以及周邊像元的“溢出”飽和。實(shí)驗(yàn)表明在現(xiàn)有的功率密度水平下已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)像元飽和與“溢出”飽和，但要實(shí)現(xiàn)對(duì)CMOS圖像傳感器的硬損傷還需要更高水平的功率密度。本實(shí)驗(yàn)對(duì)研究激光干擾以CMOS作為核心器件的圖像采集系統(tǒng)有一定的參考意義。

此外，由于CCD器件在軍用裝備中應(yīng)用較為廣泛，因此下一步有必要對(duì)其的干擾效果進(jìn)行研究。不過從器件電荷傳輸機(jī)理上看，CCD器件比CMOS器件的抗干擾閾值更低，干擾效果會(huì)更好。

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Experiment study of interference of super-contiuum light source on CMOS photodetectors

ZHU Chen，LIYao，WANG Xiong-fei，ZHANG Kun，XIONGWen-long ZHANG Hao-bin，ZHANG Da-yong，ZHANG Li-ming
(Science and Technology on Solid-state Laser Laboratory，Beijing 100015，China)

Firstly the principle of CMOS photodetectors is introduced，and some basic theories of supercontinuum are discussed.The experiment equipment is builtwith self-developed supercontiuum light source as interference source. The output power is about3W and spectrum range is 600～1700 nm.Based on the supercontinuum light source，the high power interference experiment is carried outwith CMOS detector as the imaging component.The saturation images are collected from CMOSunder different laser power densities.The image data is analyzed and interference effect pictures are drawn.When the power density in the CMOSdetector is 3.14×10－3W/cm2，gray chartof single picture elements is achieved，and the result is discussed.

optoelectronic countermeasure;laser disturbance;supercontinuum source;CMOS detector

TN249

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.00 5

1001-5078(2014)04-0374-04

朱 辰(1977－)，男，高工，碩士，從事高功率連續(xù)、脈沖光纖激光器及超連續(xù)譜技術(shù)研究。E-mail:zhuch@sina.com

2013-08-13