單CCD彩色相機(jī)激光干擾模型及外場干擾實(shí)驗(yàn)

王濤濤， 付躍剛， 湯 偉， 王 銳， 王挺峰， 郭 勁

(1. 長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院， 吉林 長春 130022;2. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130033)

單CCD彩色相機(jī)激光干擾模型及外場干擾實(shí)驗(yàn)

王濤濤1， 付躍剛1， 湯 偉2*， 王 銳2， 王挺峰2， 郭 勁2

(1. 長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院， 吉林 長春 130022;2. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130033)

開展了多波段激光(750～970 nm)對彩色CCD成像系統(tǒng)的外場干擾實(shí)驗(yàn)，測得了不同輻照條件下對外場1.3 km處彩色CCD成像系統(tǒng)的干擾效果；建立了彩色CCD相機(jī)的激光干擾模型，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論驗(yàn)證與分析。理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：強(qiáng)激光對彩色CCD成像系統(tǒng)的干擾效果明顯，CCD靶面出現(xiàn)了明顯的光飽和和串?dāng)_現(xiàn)象，光飽和區(qū)域的形成是由激光束進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)后發(fā)生衍射效應(yīng)造成的；到靶激光功率密度越強(qiáng)，CCD靶面光飽和面積越大，激光干擾效果越好；單波段750 nm激光作用下，到靶功率密度為4.2 kW/cm2，CCD靶面的光飽和面積為0.88 mm×0.97 mm；多波段激光(750～970 nm)作用下，到靶功率密度為20.7 kW/cm2，CCD靶面發(fā)生全靶面飽和現(xiàn)象；仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明了理論模型的正確性。對遠(yuǎn)場干擾能力計(jì)算結(jié)果表明：隨著干擾距離的增加，到靶功率密度減小，激光干擾效果變差。

激光干擾； 彩色CCD器件； 半導(dǎo)體激光器； 光飽和串?dāng)_

1 引 言

近年來，CCD器件的激光輻照效應(yīng)已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一[1-3]。研究內(nèi)容幾乎覆蓋了從可見到紅外所有的激光波段，且根據(jù)特定輻照條件進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)[4-7]，如視場內(nèi)、視場外、波段內(nèi)和波段外；然而，這些研究基本上都是在室內(nèi)完成的，缺少外場對CCD器件干擾或損傷實(shí)驗(yàn)。此外，由于彩色圖像比黑白圖像更容易得到精細(xì)的結(jié)構(gòu)，這就使得彩色CCD在目標(biāo)成像、目標(biāo)識別和測繪等方面具有一定的優(yōu)勢，目前一些大型光電設(shè)備很多都選用彩色CCD作為感光器件，如航空航天用的偵查、測繪相機(jī)。根據(jù)分光原理不同，彩色CCD器件可以分為3CCD彩色相機(jī)和單CCD彩色相機(jī)，國內(nèi)僅國防科技大學(xué)江天等[8]在2007年對3CCD彩色相機(jī)的飽和干擾效應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道，而關(guān)于單CCD彩色相機(jī)干擾效應(yīng)的報(bào)道則尚未發(fā)現(xiàn)，因此，開展單CCD彩色相機(jī)的激光外場干擾實(shí)驗(yàn)具有一定的實(shí)際意義。

本文首先建立了激光干擾彩色CCD相機(jī)理論模型，然后利用多波段半導(dǎo)體激光對外場1.3 km處彩色CCD成像系統(tǒng)進(jìn)行了干擾實(shí)驗(yàn)，測得了不同功率/波段激光對彩色CCD成像系統(tǒng)的干擾效果，并通過理論模型對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行仿真與分析。最后根據(jù)理論模型，估算了多波段半導(dǎo)體激光對彩色CCD成像系統(tǒng)的遠(yuǎn)場(3，5，10，20 km)干擾能力。

2 彩色CCD相機(jī)激光干擾模型

激光對CCD器件的干擾主要是光電效應(yīng)作用，CCD探測器上的每一個單元都可以等效為一個電容Ci：

(1)

式中ε0為空氣介電常數(shù)，ε為相對介電常數(shù)，s為深耗盡層截面積，d為絕緣層厚度。當(dāng)CCD的結(jié)構(gòu)確定后，勢阱中所能存儲和處理的電荷量存在一個極限值Ql：

Ql=Ci(VG+Vso)，

(2)

其中Vso為未加?xùn)艠O時的表面電位，其大小可表示為：

(3)

式中VG為柵極電壓，Qfc為表面氧化層的電荷量，Vms為金屬與半導(dǎo)體的接觸電位差。

當(dāng)CCD光敏面受強(qiáng)激光輻照時，由于信號電荷的產(chǎn)生時間(通常為10-12s)遠(yuǎn)小于CCD探測器的積分時間t0(幾個微秒)，光敏單元的勢阱中將收集大量的信號電荷。對于本征激發(fā)產(chǎn)生信號電荷的器件，積分時間內(nèi)積累的光生電荷Qs可表示為：

Qs=(1-R)esηI0t0/hυ,

(4)

式中R為反射率，e為電子電荷，η為量子效率，I0為入射激光功率密度，t0為CCD積分時間，h為普朗克常數(shù)，υ為光子頻率。

隨著光生電荷Qs的增加，表面電壓Vs逐漸降低。當(dāng)Vs等于附近MOS的表面初始電壓Vso時，電荷就會向鄰近勢阱“溢出”，即發(fā)生串音現(xiàn)象。隨著入射激光進(jìn)一步增強(qiáng)，當(dāng)光積分時間內(nèi)產(chǎn)生的信號電荷Qs等于勢阱的存儲電荷極限值Ql時，CCD靶面就發(fā)生光飽和現(xiàn)象。典型Si基CCD器件的主要光電參數(shù)[9]如表1所示。

表1 典型CCD器件的主要參數(shù)

圖1給出了光生電荷Qs的溢出模型，模型中取聚焦光斑峰值光強(qiáng)處所對應(yīng)的像元為發(fā)生串?dāng)_時的中心像元。如圖所示，模型中中心像元首先向4個鄰邊像元發(fā)生第一層溢出，這樣鄰邊像元勢阱內(nèi)的電荷量就會增多。若鄰邊像元光生電荷與從中心像元得到的溢出電荷之和大于勢阱內(nèi)極限電荷Ql，則多余電荷將繼續(xù)向外層溢出，直至某一像元勢阱內(nèi)光生電荷與得到的溢出電荷之和小于勢阱內(nèi)極限電荷Ql，電荷的溢出現(xiàn)象才停止。

像元溢出的電荷量可用下式近似表示：

Qci=μ(Qsi+Qc(i-1)-nQl)，

(5)

式中Qci為第i層像元向外溢出的電荷量，Qsi為第i層像元的光生電荷量，n為第i層上所有的像元數(shù)，μ為電荷的轉(zhuǎn)移效率。值得注意的是，由于CCD器件水平方向上的勢壘要比豎直方向上的勢壘高得多，因此電荷在水平和豎直方向上的溢出量是不等的，模型計(jì)算時取水平和豎直方向的溢出比為1∶19。

圖1 光生電荷Qs的溢出過程。圖中箭頭→方向?yàn)楣馍姾蒕s的溢出方向，一個方格代表一個像元。

Fig.1 Overflow process of laser-induced chargeQs. The arrow represents charge overflow direction， and a check represents a pixel.

單CCD彩色相機(jī)主要是通過Bayer濾鏡來實(shí)現(xiàn)分光的。Bayer濾鏡放置在CCD芯片上，每一個像元上都有一個微型濾鏡。按波段分，微型濾鏡主要分為紅色濾鏡、綠色濾鏡和藍(lán)色濾鏡，其排布方式如圖2所示。建模時，我們考慮了Bayer濾鏡對激光干擾效果的影響，將不同波段激光通過Byaer濾鏡后的透過率加入到了干擾模型中。

TGTRTGTRTGTRTBTGTBTGTBTGTGTRTGTRTGTRTBTGTBTGTBTGTGTRTGTRTGTRTBTGTBTGTBTG

圖2 Bayer濾鏡排布方式

Fig.2 Bayer filter arrangement

本文主要通過數(shù)值方法對上述模型進(jìn)行求解，計(jì)算時將光學(xué)鏡頭等效為一個理想透鏡。根據(jù)光束傳輸基本理論可知，光束通過透鏡后會產(chǎn)生一個附加相位，其復(fù)振幅[10]可表示為：

UT(x,y)=U(x,y)T(x,y)，

(6)

式中T(x,y)為復(fù)振幅變換函數(shù)。對于球面薄透鏡，T(x,y)可表示為：

(7)

式中f為光學(xué)系統(tǒng)的焦距；p(x,y)為光瞳，透光的部分為1，擋光的部分為0。CCD器件前的光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示。入射光在透鏡和探測器靶面需要通過一個光闌，該光闌的直徑通常遠(yuǎn)小于光學(xué)系統(tǒng)中透鏡的直徑，因此光瞳p(x,y)主要由光闌形狀及大小決定。通常該光闌為一圓孔，其大小可由鏡頭F數(shù)和焦距f求得。

圖3 激光束在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)傳輸示意圖

Fig.3 Schematic diagram of laser transmission in inner optical system

3 彩色CCD成像系統(tǒng)的外場干擾實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)儀器

如圖4所示，多波段半導(dǎo)體激光器垂直進(jìn)入到可見光系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中激光器放置在室內(nèi)，可見光成像系統(tǒng)置于室外1.3 km處。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)輻照光源的不同主要分為兩部分：一是采用單波段激光(750 nm)對受試器件進(jìn)行干擾實(shí)驗(yàn)；二是采用多波段激光(750～970 nm)對受試器件進(jìn)行干擾實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)測試時有無紅外截止濾光片，分析了激光波段對彩色CCD相機(jī)干擾效果的影響。

實(shí)驗(yàn)中多波段激光輸出波段及功率主要為750 nm (160 W)、780 nm (210 W)、808 nm (210 W)、880 nm (210 W)和970 nm (210 W)，其中750 nm激光可實(shí)現(xiàn)單波段輸出，激光器其他主要工作參數(shù)如表2所示。

表2 激光器主要工作參數(shù)

彩色CCD成像系統(tǒng)主要包括光學(xué)鏡頭和彩色CCD相機(jī)。實(shí)驗(yàn)時光學(xué)鏡頭焦距f為120 mm，F(xiàn)數(shù)為5，受試口徑為40 mm，光學(xué)透過率為0.5。彩色CCD相機(jī)為SONY公司ICX409AK相機(jī)，像元數(shù)為752×582，像元尺寸為6.5 μm×6.25 μm，其響應(yīng)率曲線如圖5所示。

圖5 SONY公司ICX409AK相機(jī)的響應(yīng)曲線

Fig.5 Response curve of SONY ICX409AK camera

圖6 Edmund光學(xué)公司研制的OD2.0短波通濾光片光譜透過率曲線
Fig.6 Transmittance curve of OD2.0 short wave passing filter

實(shí)驗(yàn)中所用的紅外截止濾光片為Edmund光學(xué)公司研制的OD2.0短波通濾光片，其截止深度為1%，光譜透過率曲線如圖6所示。從800 nm開始，光譜透過率接近于1%。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

激光光源為非理想光源，M2因子較大，可采用幾何光學(xué)方法對到靶功率密度I進(jìn)行估算:

(8)

其中d為聚焦光斑直徑，其大小可表示為：

d=2.44λF，

(9)

式中P0為初始激光功率，τa為大氣透過率，τ1為光學(xué)系統(tǒng)透過率，D0為光學(xué)系統(tǒng)口徑，l為激光干擾距離，θ為激光發(fā)散角，λ為激光波長，F(xiàn)為光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)。實(shí)驗(yàn)中天氣狀況良好，通過Modtran軟件計(jì)算后可得波長400～1 100 nm激光的大氣透過率，如圖7所示。

圖7 400～1 100 nm激光傳輸至1.3 km處的大氣透過率

Fig.7 Atmospheric transmittance of 400-1 100 nm laser at 1.3 km

實(shí)驗(yàn)中測得了多波段激光(750～970 nm)對彩色CCD成像系統(tǒng)的干擾效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8和表3所示。

由圖8(b)中干擾圖像可以發(fā)現(xiàn)，輸出功率為160 W的單波段750 nm激光傳輸1.3 km后，可實(shí)現(xiàn)對單彩色CCD相機(jī)的干擾，且干擾效果明顯，在圖像中心處出現(xiàn)了明顯的光飽和現(xiàn)象。圖中白色亮線應(yīng)為串?dāng)_線，串?dāng)_線的出現(xiàn)說明入射激光功率足夠強(qiáng)，使彩色CCD相機(jī)發(fā)生了光飽和串音現(xiàn)象。與圖8(c)和 (d)對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的進(jìn)一步增強(qiáng)，對彩色CCD相機(jī)的干擾效果也逐漸增強(qiáng)，當(dāng)多波段(750～970 nm)激光輸出功率為1 000 W時，相機(jī)發(fā)生了全靶面飽和。此外，在圖8(b)和圖8(d)中光飽和區(qū)域附近還出現(xiàn)了一些彌散斑，彌散斑形狀相同且較為規(guī)則。分析認(rèn)為，這主要是雜散光造成的。進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的激光并未全部會聚在靶面中心，還有一部分激光打在鏡筒邊緣或鏡框上發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，這部分激光光強(qiáng)較弱，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，最終在CCD靶面形成一系列形狀規(guī)則的彌散斑。

圖8 彩色CCD成像系統(tǒng)的干擾效果。 (a) 背景圖像；(b) 單波段750 nm激光干擾圖像；(c) 多波段激光干擾圖像；(d) 加入紅外截止濾光片的多波段激光干擾圖像。

Fig.8 Jamming effects of laser on colour CCD imaging system. (a) Background. (b) 750 nm laser. (c) Multi-wavelength laser (750-970 nm). (d) Multi-wavelength laser (750-970 nm) with IR filter.

表3 多波段激光(750～970 nm)對彩色CCD相機(jī)的干擾結(jié)果

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基于彩色CCD相機(jī)激光干擾模型，我們利用Matlab軟件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值仿真，結(jié)果如圖9所示。

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)光飽和和光飽和串?dāng)_現(xiàn)象明顯，且隨著激光功率的增加，對彩色CCD的激光干擾效果逐漸增強(qiáng)，飽和光斑面積逐漸增大，這與實(shí)驗(yàn)得到的規(guī)律是一致的。通過讀取干擾仿真圖像飽和像素?cái)?shù)，可以得到圖9中3幅干擾仿真圖像所對應(yīng)的光飽和面積分別為1.0 mm×1.0 mm、近全靶面和1.5 mm×1.5 mm。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，仿真模型得到的干擾效果要弱于實(shí)驗(yàn)測得的干擾結(jié)果，分析認(rèn)為，這主要是由于仿真模型中未考慮雜散光對光學(xué)系統(tǒng)成像效果的影響所致。

圖9 彩色CCD相機(jī)干擾效果的仿真結(jié)果。 (a) 單波段750 nm激光干擾仿真圖像；(b) 1 000 W多波段激光干擾仿真圖像；(c) 加入紅外截止濾光片的多波段激光干擾仿真圖像。

Fig.9 Jamming simulation results of the laser on colour CCD imaging system. (a) 750 nm laser. (b) Multi-wavelength laser. (c) Multi-wavelength laser with IR filter.

為了深入分析激光干擾機(jī)理，我們給出了單波段750 nm激光在一個積分時間內(nèi)CCD靶面光生電荷Qs的分布情況，如圖10所示。

Qs/10-12CPixelatthehorizontaldirection158159160161162163164Pixelattheverticaldirection1181108.92902328012781191801201.7×1031.2×1031.7×10398250120290812701.1×104340852801214801.2×1032.2×1048.1×1042.2×1041.2×103480122280853401.1×10427081290123250981.7×1031.2×1031.7×1031201801247812280232908.9110

圖10 輻照中心區(qū)CCD靶面光生電荷Qs的分布情況

Fig.10 Distribution of the laser-induced chargeQsat irradiation center

從圖中數(shù)據(jù)可以看出，一個積分時間內(nèi)產(chǎn)生的光生電荷Qs主要集中在輻照中心處的幾個像元內(nèi)，這說明激光束通過光學(xué)系統(tǒng)后聚焦在CCD靶面的面積非常小，遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)測得光飽和面積。另外，還可以發(fā)現(xiàn)光飽和區(qū)域內(nèi)光生電荷Qs均大于勢阱存儲電荷極限值Ql(4.78×10-13C)，該區(qū)域內(nèi)光生電荷Qs主要是由激光衍射效應(yīng)引起的，這說明光飽和區(qū)域的形成主要是由激光束進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)后發(fā)生衍射效應(yīng)造成的。

此外，由于CCD器件水平方向的勢壘遠(yuǎn)高于豎直方向的，使得光生電荷Qs主要向豎直方向發(fā)生溢出。由于光生電荷Qs主要集中在輻照中心，所以串?dāng)_現(xiàn)象主要發(fā)生在輻照中心處，即形成實(shí)驗(yàn)中所觀察到的串音線。

3.3 多波段激光對彩色CCD成像系統(tǒng)的遠(yuǎn)場干擾能力估算

基于激光干擾模型，我們計(jì)算了1 000 W多波段激光(750～970 nm)對遠(yuǎn)場3，5，10，20 km處彩色CCD成像系統(tǒng)的干擾效果，仿真結(jié)果如表4所示。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著干擾距離的增加，多波段激光(750～970 nm)對彩色CCD成像系統(tǒng)的干擾效果逐漸減弱。當(dāng)干擾距離為3 km時，光飽和面積約為彩色CCD靶面的1/20；而當(dāng)干擾距離為20 km時，光飽和面積僅為彩色CCD靶面的1/400，此時激光對成像系統(tǒng)的干擾效果已經(jīng)相當(dāng)微弱。

表4 多波段激光對彩色CCD成像系統(tǒng)的遠(yuǎn)場干擾仿真結(jié)果

Table 4 Jamming simulation results of laser on colour CCD imaging system at the far field

Distance/kmPowerintensitytotarget/(kW·cm-2)Lightsaturationarea/mm33.41.03×1.0351.10.75×0.75100.210.41×0.41200.3460.23×0.23

與表3中實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，盡管3 km處到靶激光功率密度低于單波段750 nm激光，但是多波段激光的干擾效果還是優(yōu)于單波段750 nm激光。分析認(rèn)為，這主要是由于彩色CCD相機(jī)對不同波段激光具有不同的響應(yīng)特性。由圖5中彩色相機(jī)的響應(yīng)曲線可知，Bayer濾鏡中綠光濾鏡和藍(lán)光濾鏡對波長大于800 nm的激光具有較高的透過率，而對小于800 nm的激光透過率則較低。對于多波段激光，由于Bayer濾鏡中綠光濾鏡和藍(lán)光濾鏡對800 nm以上激光仍具有較高的透過率，從而使得在到靶功率相同的情況下，實(shí)際上作用在CCD芯片上的功率要高于單波段750 nm激光，進(jìn)而造成了較好的干擾效果。

4 結(jié) 論

建立彩色CCD成像系統(tǒng)在外場1.3 km處的干擾實(shí)驗(yàn)，測得了單波段750 nm激光和多波段激光(750～970 nm)對彩色CCD成像系統(tǒng)的干擾效果，并通過彩色CCD干擾模型對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論驗(yàn)證和仿真分析。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果表明：單波段750 nm激光和多波段激光(750～970 nm)可實(shí)現(xiàn)對彩色CCD成像系統(tǒng)的有效干擾，并隨著激光到靶功率密度的增加，干擾效果逐漸增強(qiáng)。多波段激光(750～970 nm)未加濾光片時，彩色CCD發(fā)生全靶面飽和；加入濾光片后，彩色CCD發(fā)生局部光飽和，并伴有光飽和串音現(xiàn)象，光飽和區(qū)域的形成主要是由激光束進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)后發(fā)生衍射效應(yīng)造成的。此外，值得注意的是仿真模型得到的激光干擾效果弱于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這主要是由于仿真模型中未考慮雜散光的影響造成的。

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Laser Jamming Model and Out-field Laser Jamming Experiment of Single CCD Colour Imaging System

WANG Tao-tao1， FU Yue-gang1， TANG Wei2*， WANG Rui2， WANG Ting-feng2， GUO Jin2

(1.DepartmentofOpticalEngineering,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China;2.StateKeyLaboratoryofLaserInteractionwithMatter,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofScience,Changchun130033,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:twei222@163.com

Out-field laser jamming experiment of single CCD colour imaging system irradiated by multi-wavelength laser (750-970 nm) was done. Laser jamming effects of colour CCD imaging system with different irradiating conditions were measured at 1.3 km. Laser jamming model was set up, and theoretical proving and analysis on experimental results were completed. Theoretical and experimental results show that the jamming effect of laser on colour CCD imaging system is obvious, CCD surface appears obvious light saturation and crosstalk phenomena. The light saturation phenomenon is caused by laser diffraction effect. In addition, laser jamming effect and light saturation gradually enhance with the increasing of the laser power density to target. When the laser power density to target of single wavelength 750 nm laser is 4.2 kW/cm2, the light saturation area of CCD surface is 0.88 mm×0.97 mm. When the laser power density to target of multi-wavelength laser is 20.7 kW/cm2, CCD device appears the whole target saturation. The simulation results are coincident with the experimental results, and it proves that the laser jamming model is correct. The simulation results for far-field laser jamming show that the laser jamming effect gradually weakens with the increasing of laser jamming distance.

laser jamming; colour CCD device; semiconductor laser; light saturation and crosstalk

王濤濤(1980-)，男，陜西藍(lán)田人，碩士研究生，2002年于北京理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事激光輻照效應(yīng)的研究。

E-mail: 13699099092@139.com

湯偉(1985-)，男，黑龍江綏棱人，博士，助理研究員，2014年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事激光輻照效應(yīng)的研究。

E-mail: twei222@163.com

1000-7032(2015)05-0588-07

2015-01-25；

2015-03-24

長春市科技計(jì)劃(長科技合2013270號)資助項(xiàng)目

TN248

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10.3788/fgxb20153605.0588