激光干擾探測(cè)器飽和面積非線性效應(yīng)研究

郎曉萍,張亞男,李曉英,牛春暉

(北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192)

引 言

電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)具有體積小、動(dòng)態(tài)范圍大、抗畸變及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)運(yùn)用在軍事作戰(zhàn)、航天、醫(yī)藥診斷和工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域。在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中，光電對(duì)抗作為一種全新的作戰(zhàn)手段在不斷發(fā)展和壯大，光電對(duì)抗也從傳統(tǒng)軍事力量的一種補(bǔ)充演變?yōu)榭藬持苿俚囊环N有效手段。在光電對(duì)抗中，CCD極易受到激光的輻射干擾，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致傳感器無法正常工作，甚至導(dǎo)致傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞以及材料的永久性損傷，從而無法再成像。因此，研究不同性能激光對(duì)CCD的干擾，對(duì)于提高CCD抗干擾性能以及提高我國(guó)在光電對(duì)抗領(lǐng)域作戰(zhàn)能力具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究集中于紅外脈沖或連續(xù)激光對(duì)CCD圖像傳感器的干擾和損傷實(shí)驗(yàn)[1-9]，部分學(xué)者開展了對(duì)激光干擾CCD的有限元或其它方式的仿真研究[10-19]；其中參考文獻(xiàn)[19]中介紹了“水桶模型”來描述光生載流子的擴(kuò)散方式，并推導(dǎo)出飽和像元在積分前期數(shù)量增長(zhǎng)的線性模型，但結(jié)果并不能準(zhǔn)確描述整個(gè)積分過程的非線性關(guān)系。

根據(jù)激光作用CCD探測(cè)器后載流子隨積分時(shí)間的非線性增長(zhǎng)方式以及載流子在CCD像元間擴(kuò)散時(shí)，超過像元?jiǎng)葳迦萘康妮d流子被CCD特有通道導(dǎo)出的特性，針對(duì)已有的“水桶模型”存在的誤差對(duì)該模型進(jìn)行修正，從而獲得符合實(shí)際干擾情況的非線性關(guān)系，且仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好,豐富了激光對(duì)CCD干擾的研究。

1 CCD工作原理和干擾機(jī)理

電荷耦合器件的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移，CCD工作過程主要是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。CCD的基本單元由金屬柵極、二氧化硅層、半導(dǎo)體硅基底構(gòu)成，稱為金屬氧化物半導(dǎo)體(metal oxide semiconductor,MOS)結(jié)構(gòu)，如圖1a所示。每個(gè)MOS單元也就是像素單元，像素單元由P型硅作為基底材料，在P型硅上面氧化極薄一層(厚度約0.1μm～0.2μm)，在此氧化層鍍上一層金屬電極，通常稱之為柵極G。將MOS電容接地，與氧化層接觸的硅表面下多數(shù)載流子分布基本均勻，如圖1b所示。在柵極與P型硅基底之間施加正電壓V后電勢(shì)分布改變，形成一個(gè)電子勢(shì)阱，用于存儲(chǔ)電荷，如圖1c所示。

Fig.1 Fundamental MOS structure in CCD

當(dāng)強(qiáng)光照射CCD探測(cè)器時(shí)，光信號(hào)積分時(shí)間下，CCD探測(cè)器中的半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體吸收光子，光子能量遠(yuǎn)超過帶隙能量從而激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，稱為光生載流子，載流子中的電子被MOS結(jié)構(gòu)吸引到勢(shì)能較低的氧化層與半導(dǎo)體的交界面處，隨著電荷的不斷填充，表面勢(shì)收縮，當(dāng)電荷足夠多時(shí)，勢(shì)阱被填滿，此時(shí)表面勢(shì)最窄，束縛的電子達(dá)到勢(shì)阱容量最大值，于是不再束縛多余電子，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象。

光生載流子由MOS電容內(nèi)部產(chǎn)生，MOS電容實(shí)際埋溝結(jié)構(gòu)如圖2所示。埋溝的兩邊各有一個(gè)比較厚的場(chǎng)氧化物區(qū)，形成勢(shì)壘溝道。強(qiáng)光輻照CCD，光生載流子在積分初期就可以把勢(shì)阱填滿，之后產(chǎn)生的光生載流子則向臨近像元溢流，溢出的載流子向周圍擴(kuò)散，逐漸填滿周圍勢(shì)阱，干擾光斑和串音線由此產(chǎn)生，但是CCD溝道的存在也會(huì)排走部分向四周溢流的載流子，從而造成載流子的流失，進(jìn)而減緩了飽和像元的增長(zhǎng)速度。

Fig.2 Buried-ditching structure of MOS capacity

2 CCD干擾的非線性模型建立

2.1 載流子濃度非線性增長(zhǎng)理論

可見光激光輻照CCD表面時(shí)，CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，理想情況下，如不考慮其它影響因素，若光照不變，光生載流子濃度將隨積分時(shí)間t線性增大，但實(shí)際上，由于光激發(fā)的同時(shí)，還存在電子-空穴對(duì)的復(fù)合，因此實(shí)際載流子增長(zhǎng)并非完全線性。設(shè)t=0時(shí)開始光照強(qiáng)度為I。在小注入時(shí)，光生載流子壽命τ是定值，被稱為弛豫時(shí)間，復(fù)合率R=Δn/τ。在光照過程中，單位體積的光生載流子濃度Δn的增加率應(yīng)為:

(1)

分離變量并積分，利用起始條件t=0，Δn=0，得到方程解為：

(2)

可見，小注入情況下，光生載流子濃度(光電導(dǎo)率)按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)t?τ時(shí)，

Δn=αβIτ=Δns

(3)

式中，Q為載流子電荷量，α為半導(dǎo)體吸收系數(shù)，β代表每吸收一個(gè)光子產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)，稱為量子產(chǎn)額，Δn為單位體積的光生載流子濃度，Δns即為光生載流子濃度的定態(tài)值[20]。

2.2 載流子擴(kuò)散模型

根據(jù)載流子擴(kuò)散特點(diǎn)， CCD在受激光輻照時(shí)，飽和像元數(shù)N滿足如下關(guān)系：

(4)

式中，Q0為激光輻照CCD后光生載流子的理想總電荷量，Qth為像元?jiǎng)葳宓碾姾闪块撝?。根?jù)(2)式光生載流子濃度關(guān)系式，可以得出理想總電荷量Q0為：

Q0=ΔnSd

(5)

式中，S為CCD受光面積，d為勢(shì)阱深度。

把(5)式代入(4)式可得飽和像元數(shù)與積分時(shí)間有如下關(guān)系：

(6)

圖3a為光生載流子擴(kuò)散分布2維仿真結(jié)果。它反映了串?dāng)_飽和像元數(shù)目分布情況，仿真根據(jù)光生載流子擴(kuò)散速率和載流子濃度成正比的關(guān)系，中心光斑處為激光輻射源，為整個(gè)積分時(shí)間提供擴(kuò)散的光生載流子，根據(jù)CCD像元排布結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即像元在水平方向被溝阻結(jié)構(gòu)隔開，阻礙了載流子在水平方向的擴(kuò)散速度，因此在仿真過程中載流子在垂直方向上擴(kuò)散速度大于水平方向的擴(kuò)散速度，所以可以在仿真結(jié)果中看到擴(kuò)散形成的橢圓光斑和垂直串?dāng)_線。圖3a中中心光斑顏色最深，即中心光斑接受的激光能量最高，光生載流子由此被激發(fā)出，因此光斑處光生載流子數(shù)量最多，CCD的飽和像元最多，載流子填充勢(shì)阱并不斷向周圍溢出，距離中心光斑越遠(yuǎn)，載流子數(shù)目越少，CCD的飽和像元越少，反映到圖3a即遠(yuǎn)離中心光斑的位置顏色漸淺；在修正該模型時(shí)，考慮到CCD工藝結(jié)構(gòu)中溝道的存在導(dǎo)致一些溢出載流子未來得及擴(kuò)散到周圍像元便被排出從而使得飽和像元數(shù)量增長(zhǎng)率降低，進(jìn)而造成干擾的非線性，因此需要通過對(duì)高斯曲線一定通孔半徑范圍內(nèi)光生載流子積分計(jì)算，來補(bǔ)充未參與填充像元?jiǎng)葳宓墓馍d流子對(duì)飽和像元數(shù)的影響。

Fig.3 Diffusion distribution of photogenerated carriersa—2-D distribution of carriers b—3-D distribution of carrievs

圖3b 為光生載流子分布3維圖。在圖3a的位置基礎(chǔ)上，對(duì)串音線上載流子濃度高低進(jìn)行形象展現(xiàn)，根據(jù)激光能量的高斯分布性質(zhì)，激光束中心能量最高，占個(gè)像素，遠(yuǎn)離中心處能量隨距離呈高斯分布，完整的3-D載流子分布圖應(yīng)各個(gè)截面均為高斯分布的鐘形，為了便于計(jì)算，這里只截取縱截面進(jìn)行分析。從圖3b中可以看出，造成“水桶模型”仿真誤差的重要原因之一是仿真程序中對(duì)飽和像元的統(tǒng)計(jì)并未考慮CCD溝道排出的載流子，圖3b中大于5000cm-3的部分代表泄露的載流子，因此在模型修正過程中要通過積分方式來計(jì)算泄露載流子所占比例。

由高斯分布特性可知，CCD溝道排出的光生載流子電荷量Q滿足：

(7)

式中,w(z)為曲線束腰半徑，A0為高斯分布灰度最大值，k為因子項(xiàng),g為載流子積分區(qū)域損耗，r為束腰半徑。

假設(shè)這部分光生載流子總電荷量分布在束腰半徑具體為ρ的區(qū)域，則通過積分可以得到損耗掉的電荷量百分比為：

(8)

變量代換，積分區(qū)間相應(yīng)變換為(0，2ρ2)，計(jì)算積分結(jié)果為：

(9)

因?yàn)槭霃溅央St增加而增加，可以認(rèn)為t∝ρ，即ρ=a×t，a為系數(shù)，用積分時(shí)間t替換ρ，得：

(10)

綜上所述，結(jié)合載流子的產(chǎn)生和擴(kuò)散，能夠確定一定功率激光作用CCD后，積分時(shí)間同飽和像元的關(guān)系如下：

(11)

整理后最終得出：

(12)

綜上可知，兩個(gè)對(duì)激光干擾過程中飽和像元數(shù)目的影響因素：光生載流子電子-空穴的復(fù)合以及CCD溝道對(duì)載流子的泄露共同導(dǎo)致了一定激光功率下飽和像元數(shù)隨積分時(shí)間的非線性增長(zhǎng)。正如(12)式所反映的：理想光生載流子數(shù)目乘以這兩個(gè)衰減因子后得到實(shí)際能夠填充的勢(shì)阱數(shù)目,即為激光干擾CCD實(shí)際飽和像元數(shù)。

3 干擾實(shí)驗(yàn)

圖4所示為實(shí)驗(yàn)基本光路圖。所用激光為波長(zhǎng)為532nm的連續(xù)激光，連續(xù)衰減片實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光強(qiáng)的控制；由于激光具有高度的相干性，空中的灰塵、光學(xué)元件或激光本身往往有一些散射光會(huì)形成光暈等雜散光的干擾，為了改善光束質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)中加入針孔濾波系統(tǒng)：激光先由10倍的顯微鏡物鏡聚焦，再通過直徑約25μm的針孔，使雜散光不能通過，以減少實(shí)驗(yàn)所得數(shù)字圖像中非相關(guān)光對(duì)干擾結(jié)果的影響。接著，匯聚的點(diǎn)光源經(jīng)過透鏡成為各部分光強(qiáng)均勻的平行光，最后輻照CCD相機(jī)，通過計(jì)算機(jī)獲取干擾數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)全程在暗室環(huán)境中進(jìn)行。光路中的分光鏡分光比為1∶1。實(shí)驗(yàn)中采用Basler CCD相機(jī)，黑白相機(jī)型號(hào)為：acA640-120gm Basler ace GigE，采用Sony ICX618ALA芯片，CCD相機(jī)像素為659×494，尺寸為5.6μm×5.6μm。

Fig.4 Experimental system diagram

搭建激光干擾實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在暗室中展開實(shí)驗(yàn)，調(diào)整光束與探測(cè)器的靶面位置，通過旋轉(zhuǎn)衰減片來調(diào)整光功率大小。用激光功率計(jì)測(cè)得光功率值為0μW，13.34μW，18.2μW，70.7μW時(shí)，起先沒有激光輻照CCD表面，故并沒有干擾光斑出現(xiàn)，接著小功率激光輻照CCD后，計(jì)算機(jī)捕獲到CCD干擾圖像，圖像中激光輻照處開始出現(xiàn)一個(gè)明亮的小光斑，干擾光斑隨功率的增加尺寸逐漸增大，功率值超過串音閾值后干擾光斑中心出現(xiàn)垂直方向的串音線，并隨激光功率的增強(qiáng)，串音線亮度增強(qiáng)，寬度增大。采集到不同光功率下的干擾光斑圖像，如圖5所示。

Fig.5 Crosstalk phenomenon about laser interfering CCD

不斷旋轉(zhuǎn)衰減片，使得激光輻照CCD的能量逐漸由弱變強(qiáng)，計(jì)算機(jī)持續(xù)捕獲一系列相應(yīng)功率下的干擾圖像，通過圖像處理軟件對(duì)干擾圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終獲得532nm激光輻照黑白CCD干擾關(guān)系曲線，如圖6所示。

Fig.6 Relationship curve between interfering area and laser power

圖6可以看出，對(duì)于波長(zhǎng)為532nm的可見光輻照CCD時(shí)，CCD的飽和像數(shù)點(diǎn)數(shù)隨激光功率的增加呈指數(shù)型增長(zhǎng)。小功率范圍激光輻照時(shí)，飽和點(diǎn)數(shù)增長(zhǎng)速度快，可以視為飽和點(diǎn)數(shù)隨功率呈線性增長(zhǎng)；激光功率較高時(shí)，飽和點(diǎn)數(shù)目增長(zhǎng)逐漸趨于平緩，整體來看，飽和像元數(shù)隨光強(qiáng)增加呈非線性增長(zhǎng)。

4 擬合結(jié)果

基于上述理論分析和公式推導(dǎo)，利用MATLAB建立修正后的CCD光生載流子擴(kuò)散模型，即(12)式，各個(gè)參量值如表1所示。擬合得到飽和像元數(shù)隨積分時(shí)間的曲線如圖7所示。

Table 1 List of fitting parameters

Fig.7 Varying curve of saturation pixel number to integrating time

圖7是激光干擾3條曲線對(duì)比圖。分別為：原有“水桶模型”干擾直線、根據(jù)(12)式繪制的仿真修正曲線以及實(shí)驗(yàn)中獲得的實(shí)際干擾值。實(shí)際干擾實(shí)驗(yàn)中，采用積分時(shí)間不變改變干擾激光功率的方法，根據(jù)總?cè)肷淠芰縀不變，而E=Pt，可以認(rèn)為改變積分時(shí)間t和改變激光功率P兩種方式等價(jià)。由圖7可以看出,原有“水桶模型”并不能準(zhǔn)確反映對(duì)整個(gè)的干擾，只能反映積分初期飽和像元的線性增長(zhǎng)，而修正后的仿真曲線與實(shí)際值吻合良好，說明仿真思路正確，針對(duì)原有“水桶模型”誤差的補(bǔ)償方式合理準(zhǔn)確，豐富了激光對(duì)CCD干擾的仿真研究。

為了驗(yàn)證本文中提出的非線性模型對(duì)于其它波長(zhǎng)干擾CCD的有效性，采用4種常用波長(zhǎng)(473nm,532nm,632.8nm,1064nm)激光器進(jìn)行了干擾CCD實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合非線性模型進(jìn)行了擬合，擬合結(jié)果如圖8所示。在圖中，點(diǎn)代表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)線代表擬合曲線。從圖8可以看到，不同波長(zhǎng)激光干擾下，CCD飽和像元數(shù)增加趨勢(shì)不同，但在初始階段接近于線性增加，隨著積分時(shí)間繼續(xù)增加，CCD飽和像元數(shù)呈現(xiàn)非線性。擬合曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，說明本文中提出的非線性模型對(duì)可見光和近紅外波段波長(zhǎng)都適合。

Fig.8 Varying curve of saturation pixel number under laser irradiation with different wavelength

定義實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)之差與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比值為相對(duì)誤差，則圖8中對(duì)應(yīng)的473nm,532nm,632.8nm和1064nm 4種波長(zhǎng)激光干擾電荷耦合器件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)平均相對(duì)誤差分別為7%,5%,5%和7%，證明了本文中提出的非線性模型的有效性。

另外，本實(shí)驗(yàn)中采用的都是連續(xù)激光器，根據(jù)激光干擾CCD的基本機(jī)理，如果采用重頻高(遠(yuǎn)大于CCD幀頻)脈沖激光干擾CCD，其干擾像元數(shù)變化也可以采用本文中提出的非線性模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。但是對(duì)于重頻接近或低于CCD幀頻的脈沖激光，本文中提出的非線性模型是否有效需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

5 結(jié) 論

根據(jù)激光干擾CCD時(shí)光生載流子的產(chǎn)生及擴(kuò)散特點(diǎn)，針對(duì)已有的“水桶模型”存在的誤差對(duì)該模型進(jìn)行修正；根據(jù)激光作用CCD探測(cè)器后載流子隨積分時(shí)間的非線性增長(zhǎng)方式以及載流子在CCD像元間擴(kuò)散時(shí)，超過像元?jiǎng)葳迦萘康妮d流子被CCD特有通道導(dǎo)出的特性，通過對(duì)高斯曲線一定通孔半徑范圍內(nèi)光生載流子積分，來達(dá)到補(bǔ)償未參與填充像元?jiǎng)葳宓墓馍d流子對(duì)飽和像元數(shù)的影響，使得飽和點(diǎn)像數(shù)隨積分時(shí)間滿足實(shí)際情況呈非線性增長(zhǎng)。針對(duì)波長(zhǎng)為 532nm 的激光輻照硅基 CCD 探測(cè)器而引起的光生載流子的擴(kuò)散過程，利用修正后的模型在MATLAB上進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了 CCD 探測(cè)器受激光輻照時(shí)飽和像元隨積分時(shí)間的變化曲線，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。