IT-CCD串擾強度與積分時間的無關(guān)性研究

張 震，程德艷，師宇斌，盛 良張檢民，徐作冬，林新偉，邵碧波

（西北核技術(shù)研究所西安710024；激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，西安710024）

IT-CCD串擾強度與積分時間的無關(guān)性研究

張 震，程德艷，師宇斌，盛 良張檢民，徐作冬，林新偉，邵碧波

（西北核技術(shù)研究所西安710024；激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，西安710024）

利用632.8 nm連續(xù)激光輻照以KAI-1020型IT-CCD為圖像傳感器的Basler piA1000-48 gm相機，觀察了CCD相機輸出視頻中通過光斑中心區(qū)域貫穿整個畫面的均勻串擾線現(xiàn)象。實驗發(fā)現(xiàn)，當成倍改變相機的積分時間時，與光斑及環(huán)境雜光亮度產(chǎn)生明顯變化不同，串擾線寬度及亮度幾乎不變。通過對IT-CCD激光光斑均勻串擾線產(chǎn)生機制的進一步分析，對串擾線強度與積分時間的無關(guān)性進行了解釋。

IT-CCD；激光光斑；串擾強度；積分時間

行間轉(zhuǎn)移CCD（interline transfer CCD，ITCCD），以其光電轉(zhuǎn)換與信號轉(zhuǎn)移相分離的構(gòu)造方式，具備了噪聲低、轉(zhuǎn)移效率高和掃描方式靈活等優(yōu)點。憑借這些優(yōu)點帶來的良好畫質(zhì)和使用便利性，目前IT-CCD已成為使用最廣泛的圖像傳感器，在生活、生產(chǎn)、科研、軍事等諸多領(lǐng)域的拍攝、監(jiān)控、探測和測量等方面發(fā)揮著重要作用。然而，IT-CCD易受強光干擾，在強光干擾下，IT-CCD的失真將影響其性能的發(fā)揮，甚至在應(yīng)用過程中給測量與探測工作帶來失誤。因此，研究IT-CCD強光干擾問題，掌握其規(guī)律與機制，將有助于減少因失真帶來測量或探測的失誤。激光與CCD都產(chǎn)生于20世紀60年代。激光具有亮度高、方向性好、易于控制和便于測量的優(yōu)點。IT-CCD的強光干擾問題主要以激光為光源開展研究。

目前，關(guān)于IT-CCD激光干擾問題的研究已有較多的報道。幾乎所有被報道的工作都是以實驗獲取干擾效應(yīng)的現(xiàn)象、總結(jié)效應(yīng)的規(guī)律為基礎(chǔ)，獲取初步的效應(yīng)規(guī)律后，按照研究側(cè)重點可分為效應(yīng)程度量化［1- 4］和效應(yīng)機制分析［5 8］兩大類。前者側(cè)重以某種算法量化激光對IT-CCD成像質(zhì)量的影響程度［1 3］、估算效應(yīng)閾值［4］等；后者則主要分析一些效應(yīng)現(xiàn)象，諸如串擾亮線［5］、亮線缺口［6］、漂移光點［7］和主斑丟失［8］等效應(yīng)的產(chǎn)生機制。效應(yīng)機制的明確可為系統(tǒng)研究效應(yīng)規(guī)律、準確量化效應(yīng)程度提供必要的理論基礎(chǔ)。根據(jù)激光串擾線的產(chǎn)生機制，亓鳳杰開展了一定的仿真工作［9］。本文也是根據(jù)串擾線的產(chǎn)生機制，對IT-CCD激光光斑串擾線強度與相機積分時間的無關(guān)性進行了進一步研究，從而加深了對IT-CCD激光串擾規(guī)律的認識。

1 實驗現(xiàn)象

IT-CCD的激光輻照實驗系統(tǒng)如圖1所示。實驗輻照對象為Basler pi A1000-48 gm相機，其圖像傳感器為KAI-1020型IT-CCD；用裝有相機配套軟件的計算機實現(xiàn)CCD參數(shù)的調(diào)節(jié)及輸出圖像的采集。實驗所用光源為05-LHP-991型He-Ne激光器，激光波長為632.8 nm，出光功率約10 m W。實驗以衰減片組和偏振片組分別實現(xiàn)激光功率的粗調(diào)和連續(xù)微調(diào)，以光楔與功率計組合實現(xiàn)激光功率的實時監(jiān)測。實驗事先標定監(jiān)測功率與相機鏡頭透過功率的比值。調(diào)節(jié)IT-CCD多個不同的積分時間檔，分別對同一激光光束進行采集。調(diào)節(jié)激光功率，對上述過程進行多次重復(fù)。

圖1 IT-CCD激光輻照實驗系統(tǒng)Fig.1 IT-CCD laser irradiating system

實驗發(fā)現(xiàn)，IT-CCD對同一激光光束的響應(yīng)，隨著積分時間的增加，激光光斑增大，背景雜散光增強；而激光光斑串擾線的亮度與寬度幾乎沒有變化，如圖2所示。圖2（a）－（d）以對應(yīng)的IT-CCD相機積分時間作為標記。

圖2 IT-CCD在不同積分時間下對同一光斑的響應(yīng)Fig.2 IT-CCD responses to the same spot at different integration time

以串擾線中最亮的一列為對象，讀取列上灰度的最小值，其與積分時間的關(guān)系曲線如圖3所示。曲線上的標記功率為該組數(shù)據(jù)對應(yīng)的鏡頭激光通量。串擾線中最亮的一列始終對應(yīng)著光斑中的光強最大值，從而保證光強的一致性；而取列上最小灰度值，則避免了列上疊加的散光點的影響。因此，曲線所反映的是相同激光強度下串擾強度隨IT-CCD積分時間的關(guān)系。由曲線可知，除去系統(tǒng)中電學(xué)噪聲的影響，可認為串擾強度不隨積分時間而變化。

圖3 串擾強度與積分時間的關(guān)系Fig.3 The relationship of crosstalk intensity with integration time

2 機理分析

通過對IT-CCD的基本結(jié)構(gòu)與工作過程的分析，可以說明串擾線的產(chǎn)生機制，并在此基礎(chǔ)上分析出串擾強度與積分時間無關(guān)性的原因。如圖4（a）所示，IT-CCD主要有感光單元、垂直溝道、水平溝道和檢測電路4部分，分別完成信號的積分、垂直轉(zhuǎn)移、水平轉(zhuǎn)移和檢測輸出。上述動作的時序關(guān)系如圖4（b）所示，圖中1條豎線代表1次動作：1次讀出轉(zhuǎn)移是指整場積分信號并行轉(zhuǎn)入垂直溝道；1次垂直、水平轉(zhuǎn)移是指信號電荷包在垂直、水平溝道中向前傳輸1個像素單元。在上述正常工作的過程中，信號電荷包是通過讀出轉(zhuǎn)移動作而由感光單元進入垂直溝道的。但在激光輻照的情況下，電荷產(chǎn)生速率很高而使積分勢阱被迅速填滿，后續(xù)積分電荷將通過溢出機制由感光單元的積分勢阱進入垂直溝道的傳輸勢阱，如圖4（c）所示。因為在積分勢阱溢出同時，垂直溝道的傳輸勢阱正在向前傳送電荷，所以每個傳輸勢阱在經(jīng)過溢出位置時都得到一定的溢出電荷，因而形成穿過激光輻照像素而沿垂直溝道的串擾線。

圖4 IT-CCD工作過程及串擾機理示意圖Fig.4 Operation sequence and crosstalk process of IT-CCD

設(shè)在感光單元中產(chǎn)生積分信號電荷的有效光生電流為Iin，而由感光單元至垂直溝道的溢出電流為Iout。Iout在感光單元中的積分信號增加到一定量時產(chǎn)生，并隨著信號電荷量的增加而增加。光生載流子需要經(jīng)過耗盡區(qū)電場的作用才會被收集為信號電荷。因此，當積分信號電荷量增加而使感光單元的耗盡區(qū)域減少時，Iin也會隨之有所降低。因此，Iin與Iout趨于相等，即

式（1）是串擾線趨于均勻的條件關(guān)系。從圖2實驗結(jié)果來看，相對于較長的積分時間段來說，式（1）幾乎在相機積分開始后瞬間完成；否則，根據(jù)IT-CCD串擾線產(chǎn)生機制及文獻［6］的結(jié)論，串擾線將在光斑上緣出現(xiàn)缺口并有一個由弱變強的過程。既然式（1）在積分開始后瞬間完成，自然與積分時間長短無關(guān)。

得出IT-CCD串擾強度與積分時間無關(guān)性的嚴格結(jié)論如下：

設(shè)從積分開始時刻至達到公式（1）的時間為τ，則當相機積分時間T滿足關(guān)系

時，IT-CCD串擾線強度與相機積分時間無關(guān)。

3結(jié)論

在IT-CCD中，串擾線信號的本質(zhì)是光斑區(qū)域的信號電荷從感光單元中溢出至垂直轉(zhuǎn)移溝道，并在讀出轉(zhuǎn)移產(chǎn)生時刻已被沿垂直溝道傳輸至光斑以外的位置。因此，與激光雜散光斑信號不同，激光光斑串擾線信號并非直接由光信號在其所在位置積分而成。串擾線信號強度直接由IT-CCD感光單元向垂直轉(zhuǎn)移溝道的溢出電流大小所決定；而溢出電流的大小則由形成積分電荷的有效光生電流決定；二者的平衡關(guān)系是串擾線強度達到穩(wěn)定的決定條件。溢出電流與有效光生電流通常在IT-CCD積分開始的瞬間達到平衡。因此，在IT-CCD中，串擾線強度呈現(xiàn)出了與積分時間的無關(guān)性。

［1］DURéCE A，BOURDON P，VASSEUR O.Laser-dazzling effects on TV cameras：analysis of dazzling effects and experimental parameters weight assessment［C］／／SPIE，2007，6738：67380L.

［2］DURéCE A，VASSEUR O，BOURDON P.Assessment of laser-dazzling effects on TV-cameras by means of pattern recognition algorithms［C］／／SPIE，2007，6738：67380J- 1-67380J- 9.

［3］DURéCE A，VASSEUR O，BOURDON P.Quantitative assessment of laser-dazzling effects on a CCD-camera through patternrecognition-algorithms performance measurements［C］／／SPIE，2009，7483：74830N.

［4］ 張檢民，張震，馮國斌，等.行間轉(zhuǎn)移型CCD激光干擾效應(yīng)閾值估算方法［J］.光學(xué)學(xué)報，2015，35（3）：0314004.（ZHANG Jian-min，ZHANG Zhen，F(xiàn)ENG Guo-bin，et al.Estimating method of jamming thresholds for laser irradiated interline transfer CCD［J］.Acta Optica Sinica，2015，35（3）：0314004.）

［5］JIANG T，ZHANG Z，CHENG X A，et al.Study on vertical bright line image of CCD camera irradiated by laser［C］／／SPIE，2010，7656：76561A.

［6］ 張震，江天，程湘愛，等.CCD強光串擾效應(yīng)的串擾線缺口現(xiàn)象及其機制［J］.強激光與粒子束，2010，22（7）：1 505- 1 510.（ZHANG Zhen，JIANG Tian，CHENG Xiang-ai，et al.Gap on crosstalk line about CCD crosstalk effect induced by intense light and its mechanism［J］.High Power Laser and Particle Beams，2010，22（7）：1 505- 1 510.）

［7］ 張震，程湘愛，姜宗福.高重頻脈沖激光引起CCD視頻中的動態(tài)次光斑現(xiàn)象研究［J］.應(yīng)用激光，2010，30（1）：45- 49.（ZHANG Zhen，CHENG Xiang-ai，JIANG Zong-fu.Investigation into the dynamical subordinate facula in the video of the CCD irradiated by high repetition pulses laser［J］.Applied Laser，2010，30（1）：45- 49.）

［8］ 張震，程湘愛，江天，等.重頻激光輻照面陣CCD的主光斑丟失現(xiàn)象及其原因［J］.紅外與激光工程，2010，39（增刊）：429-432.（ZHANG Zhen，CHENG Xiang-ai，JIANG Tian，et al.Disappearing of main spots in the video of CCD camera being irradiated by repetition pulse laser and its reason［J］.Infrared and Laser Engineering，2010，39（Suppl）：429- 432.）

［9］ 亓鳳杰.激光干擾行間轉(zhuǎn)移CCD串擾現(xiàn)象研究［J］.半導(dǎo)體光電，2014，35（1）：23- 25.（QI Feng-jie.Study on crosstalk of laser jamming on interline transfer CCD［J］.Semiconductor Optoelectronics，2014，35（1）：23- 25.）

Independence of the Crosstalk Intensity on Integration Time in IT-CCD

ZHANG Zhen，CHENG De-yan，SHI Yu-bin，SHENG Liang ZHANG Jian-min，XU Zuo-dong，LIN Xin-wei，SHAO Bi-bo
（Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，China；State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter，Xi'an 710024，China）

A Basler piA1000-48 gm camera with an image sensor of KAI-1020 IT-CCD was irradiated by a 632.8 nm CW laser，and we observed in the video of the camera a crosstalk line through the laser spot and throughout the whole image.We investigated the crosstalk experimentally and found that，when the integration time of the IT-CCD is altered doubly，the brightness of laser spot and stray light spots changes obviously，but the width and brightness of the crosstalk line almost remains unchanged.We further analyzed the relation of the integration time with the intensity of the crosstalk，and discussed the main cause for the independence of the integration time on the crosstalk intensity.

IT-CCD；laser spot；crosstalk intensity；integration time

TN249

A

2095- 6223（2015）02- 081- 04

2015- 03- 30；

2015- 04- 15

國家自然科學(xué)基金資助項目（11405132）；激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室基金（SKLLIM1302，SKLLIM1401Z）

張震（1981－），男，山東五蓮人，助理研究員，博士，主要從事光電探測器激光輻照效應(yīng)與機理研究。

E-mail:zhangzhen11＠nint.ac.cn