微光像增強(qiáng)器與大尺寸CMOS的直接耦合

高天陽(yáng)，曹峰梅，王 霞，崔志剛

〈微光技術(shù)〉

微光像增強(qiáng)器與大尺寸CMOS的直接耦合

高天陽(yáng)1，曹峰梅1，王 霞1，崔志剛2

（1. 北京理工大學(xué) 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 中國(guó)通用技術(shù)研究院，北京 100091）

通過(guò)將直徑為40mm的像增強(qiáng)器與全畫(huà)幅尺寸CMOS直接耦合，對(duì)大尺寸直耦工藝進(jìn)行了研究。針對(duì)使用透鏡耦合制成的大尺寸ICCD/ICMOS體積大、光能損失大以及光錐耦合的器件莫爾條紋較多等問(wèn)題提出采用直接耦合的工藝制作ICCD/ICMOS。文中研制的大尺寸ICMOS可獲取更大視場(chǎng)內(nèi)的信息，整機(jī)分辨率可達(dá)3800×1900 LW/PH，畫(huà)面清晰，無(wú)明顯莫爾條紋，結(jié)構(gòu)緊湊，整機(jī)僅為手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)大小，隱蔽性強(qiáng)，有利于在復(fù)雜環(huán)境中更準(zhǔn)確、快速地獲取目標(biāo)信息。

直接耦合；ICMOS；光錐耦合；微光增強(qiáng)

0 引言

ICCD/ICMOS（intensified CCD/CMOS）是由像增強(qiáng)器與CCD/CMOS耦合組成的，集成了微光直視成像器件的高靈敏度和電視成像器件的攝像功能的微光夜視攝像器件，具有體積小、重量輕、成像速度快等特點(diǎn)[1]。根據(jù)Liouville理論，任何縮小的光學(xué)系統(tǒng)在從大端面向小端面?zhèn)鬏數(shù)倪^(guò)程中都會(huì)伴隨著能量的損失[2]，通過(guò)將像增強(qiáng)器與大尺寸CCD/CMOS耦合獲得的ICCD/ICMOS可以獲取更多的能量。

CCD/CMOS雖然在讀取信號(hào)的方式上有所不同，但是兩者在像敏元陣列結(jié)構(gòu)上比較接近，文中僅涉及像元排列方式，因此ICMOS制作工藝及流程同樣適用于ICCD，文中將40mm口徑高清晰度的像增強(qiáng)器與大尺寸CMOS直接耦合，研究了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的工藝流程，制作并完成了大尺寸微光攝像系統(tǒng)。

1 像增強(qiáng)器與CMOS耦合方式

隨著模擬/數(shù)字視頻CCD和CMOS成像技術(shù)的發(fā)展，像增強(qiáng)器與CCD/CMOS結(jié)合的ICCD/ICMOS是目前發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛、工作照度最低的微光視頻器件模式，是當(dāng)前微光視頻器件的主流模式，特別是高速電子快門(mén)選通成像模式更是目前固體微光視頻器件難以匹敵的領(lǐng)域[3]。像增強(qiáng)器與CCD/CMOS耦合通常有兩種形式：①采用中繼透鏡將像增強(qiáng)器輸出畫(huà)面成像到CCD/CMOS上，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是容易對(duì)焦，但光能利用率一般小于10%，且儀器體積大，成像質(zhì)量不佳[4]；②通過(guò)光纖光錐或者光纖面板將像增強(qiáng)器輸出窗與CCD/CMOS感光面連接，將像增強(qiáng)器的信號(hào)無(wú)畸變的傳輸至CCD/CMOS感光面，其光能傳輸效率達(dá)到70%，且圖像信噪比高，形成的設(shè)備集成度高、體積小、重量輕[5]，是目前最常見(jiàn)的耦合方式。

像增強(qiáng)器輸出窗的尺寸往往大于普通的CCD/CMOS芯片的感光面，故而光錐耦合過(guò)程中，使用光錐的小端與CCD/CMOS芯片除窗后的感光面貼合，大端則貼合像增強(qiáng)器的輸出窗，這種耦合方式是3個(gè)分布頻率不同的離散型器件直接貼合，每一個(gè)貼合面，在一定頻率下均會(huì)導(dǎo)致莫爾條紋的產(chǎn)生，形成固定的圖像紋理，同時(shí)在器件貼合時(shí)也容易產(chǎn)生干涉條紋，這些都會(huì)影響畫(huà)面成像質(zhì)量[6]（如圖1所示）。目前CCD/CMOS向著大面陣的方向發(fā)展，使得直接耦合成為了可能。本文所用的方法為舍去光錐或光纖面板，將像增強(qiáng)器的輸出窗直接與CMOS芯片的感光面耦合。目前，國(guó)外僅有德國(guó)的ProxVision GmbH公司宣布可以提供像增強(qiáng)器直耦CCD/CMOS芯片的感光面的ICCD/ICMOS技術(shù)[7]，而事實(shí)上目前在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上仍無(wú)法得到直耦的ICCD/ICMOS實(shí)際產(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)。圖2為3種耦合方式示意圖。

直接耦合作為一種新的耦合方式，直耦工藝因減少了光纖面板（或光錐）的使用，相當(dāng)于減少了一次光能的損耗，并且減少了一個(gè)耦合面，因此，直耦可以減少莫爾條紋的出現(xiàn)。同時(shí)，直接耦合可以獲得更高的增益，也減輕了系統(tǒng)的體積與質(zhì)量，使其攜帶更加輕便。

但直接耦合目前沒(méi)有成熟的工藝，相比于光錐耦合時(shí)可通過(guò)觀察光錐大端的傳光結(jié)果，來(lái)調(diào)整光錐落在芯片上的位置，直接耦合時(shí)，由于像增強(qiáng)器是非透明器件，無(wú)法直接觀察是否與CMOS芯片對(duì)正，需要在CCD/CMOS開(kāi)機(jī)的狀態(tài)下通過(guò)攝像畫(huà)面的顯示來(lái)判斷像增強(qiáng)器是否對(duì)正，這種不直觀的觀察不易判斷耦合面之間是否對(duì)正，因此操作難度更大，應(yīng)用尚不廣泛。

圖1 光錐耦合ICCD/ICMOS成像系統(tǒng)中的莫爾條紋以及干涉條紋

圖2 像增強(qiáng)器與CCD/CMOS耦合方式示意圖

2 直接耦合工藝流程

2.1 耦合器件的主要參數(shù)

為實(shí)現(xiàn)大尺寸直耦，文中設(shè)計(jì)的微光成像系統(tǒng)所使用的相機(jī)為L(zhǎng)UMIX S1，其芯片尺寸為全畫(huà)幅；為覆蓋整個(gè)感光面，像增強(qiáng)器選用北方夜視公司生產(chǎn)的40mm像增強(qiáng)器，表1為耦合器件的主要參數(shù)。

表1 耦合器件的主要參數(shù)

2.2 CMOS保護(hù)窗的去除

CMOS是一個(gè)精密的器件，為保護(hù)感光面以及邊緣引線，CMOS表面會(huì)有一層保護(hù)玻璃。但是在耦合時(shí)，像增強(qiáng)器需要與像面緊密接觸，如果存在保護(hù)玻璃會(huì)導(dǎo)致熒光屏輸出光線在CMOS與保護(hù)玻璃之間來(lái)回反射，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量[8]，因此需要拆除保護(hù)玻璃。

目前較為常用的拆除保護(hù)玻璃的方法有以下幾種：①加熱法，通過(guò)熱吹風(fēng)加熱光學(xué)膠使其融化以取下保護(hù)玻璃，這種方法不易產(chǎn)生細(xì)小碎屑而損傷像面，但是有時(shí)光學(xué)膠融化需要較高的溫度，不可避免地會(huì)同時(shí)加熱CMOS其他部分，而高溫可能導(dǎo)致CMOS的損壞；②機(jī)械切除法，即采用工具將保護(hù)玻璃拆除，這種方法雖然不會(huì)由于溫度過(guò)高而損壞CMOS，但是在切割過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑很容易落在感光面上造成劃傷。本文利用激光高功率的特性，僅照射保護(hù)玻璃與CMOS連接部分的光學(xué)膠，使光學(xué)膠碳化失去粘性，從而取下光學(xué)玻璃，圖3為激光拆除保護(hù)玻璃的過(guò)程圖，這種方法可以避免溫度過(guò)高損壞CMOS，在拆除的過(guò)程中也不易產(chǎn)生碎屑。但要注意的是，在激光照射時(shí)需要保護(hù)好像面以及CMOS邊緣電路，只照射膠體；在照射過(guò)程中要保證由外向內(nèi)進(jìn)行，因?yàn)檎丈溥^(guò)程會(huì)導(dǎo)致膠體汽化，汽化膠如果附著在像面上會(huì)導(dǎo)致清潔像面時(shí)風(fēng)險(xiǎn)變大。

圖3 CMOS的激光開(kāi)窗

2.3 像增強(qiáng)器處理

由于像增強(qiáng)器的輸出窗是圓形，無(wú)法與CMOS表面緊密貼合，因此像增強(qiáng)器的輸出窗需要打磨至合適的尺寸。打磨時(shí)應(yīng)注意熒光屏輸出窗光纖面板中光纖的排列方向，在耦合角度為15°、45°、75°的時(shí)候，莫爾條紋對(duì)圖像質(zhì)量影響最小[9]。因?yàn)镃MOS的像素是矩形排列，而像增強(qiáng)器則是由多個(gè)六邊形的單元組合而成，因此在打磨像增強(qiáng)器時(shí)可通過(guò)控制打磨方向來(lái)控制像增強(qiáng)器與CMOS之間的角度。通過(guò)在顯微鏡下觀察像增強(qiáng)器的單元排列方式，45°相較于其他角度更容易控制，因此可在像增強(qiáng)器熒光屏表面做一條輔助線，在后期可沿這條線進(jìn)行打磨，如圖4所示。將圓形的熒光屏打磨成方形，打磨后的大小應(yīng)保證大于CMOS實(shí)際感光面積，但小于CMOS整個(gè)感光面，這樣可以保證CMOS感光面被充滿，同時(shí)保證CMOS邊緣引線不受像增強(qiáng)器的擠壓而損壞。圖5為像增強(qiáng)器實(shí)物圖以及打磨過(guò)程圖。

圖4 像增強(qiáng)器熒光屏微觀圖

2.4 像增強(qiáng)器與CMOS耦合

耦合環(huán)境要求清潔度優(yōu)于萬(wàn)級(jí)，無(wú)灰塵，防止耦合面進(jìn)入細(xì)小雜物，影響像質(zhì)。耦合前需要清理CMOS像面與像增強(qiáng)器熒光屏，用脫脂棉蘸取少量酒精輕輕擦拭，防止損傷。因像增強(qiáng)器是非透明器件，因此需要CMOS相機(jī)處在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下耦合，通過(guò)觀察輸出視頻畫(huà)面調(diào)整像增強(qiáng)器的位置。圖6為直耦器件實(shí)物圖。

圖5 像增強(qiáng)器實(shí)物圖與打磨過(guò)程圖

圖6 直耦器件實(shí)物圖

耦合時(shí)采用盲貼合對(duì)準(zhǔn)的方式，耦合角度為45°，確保耦合的準(zhǔn)確性。在耦合面之間添加耦合液可以進(jìn)一步提高成像質(zhì)量。

3 微光夜視相機(jī)

由于增加了像增強(qiáng)器，因此需要對(duì)相機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)?？紤]相機(jī)的法蘭距等因素重新設(shè)計(jì)鏡頭卡口截圈，該截圈同時(shí)可以支撐像增強(qiáng)器，防止耦合面開(kāi)裂。截圈如圖7所示，整機(jī)如圖8所示，如圖可見(jiàn)，直耦工藝極大地減小了整機(jī)的體積。

3.1 微光夜視系統(tǒng)的性能測(cè)試與分析

分辨力是成像器件的重要參數(shù)之一，指成像器件或系統(tǒng)對(duì)物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。像增強(qiáng)器的分辨力用每毫米內(nèi)可分辨的最多線對(duì)數(shù)表示，ICMOS成像系統(tǒng)的分辨力用電視線（TV line，TVL）表示，電視線通常用每幀圖像高度內(nèi)的電視線數(shù)表示[10]。TVL可由線寬每圖像高度（LW/PH）表征。實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行，在10－3lx的環(huán)境中，通過(guò)拍攝ISO 12233分辨率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)板測(cè)試ICMOS整機(jī)的分辨力，如圖9所示。圖10為幀圖像平均后所得，減小了隨機(jī)噪聲的干擾，圖中刻線的空間分辨率分別是1500，1600，1700，1800，1900，2000LW/PH，可以觀察出1900LW/PH刻線的方向，因此整機(jī)分辨率為3800×1900LW/PH。圖10(b)為圖10(a)的平均灰度曲線。

圖7 鏡頭卡口截圈示意圖

圖8 微光夜視相機(jī)整機(jī)圖

3.2 直耦微光攝像系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)直耦全畫(huà)幅尺寸CMOS與大尺寸像增強(qiáng)器，攝像系統(tǒng)具有更大的視場(chǎng)以及更高的清晰度。在同樣的條件下，本文制作的微光夜視設(shè)備可獲取更多的圖像信息，如圖11所示，由圖可見(jiàn)，畫(huà)面清晰，莫爾條紋少。

圖9 微光夜視器件的分辨力測(cè)試圖像

圖11 全畫(huà)幅與半畫(huà)幅拍攝畫(huà)面對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過(guò)直接耦合像增強(qiáng)器與全畫(huà)幅尺寸CMOS，獲得了大尺寸的微光攝像系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）通過(guò)運(yùn)用直接耦合的方式可以有效減少莫爾條紋以及干涉條紋對(duì)圖像質(zhì)量的影響；

2）采用全畫(huà)幅尺寸CMOS與40mm像增強(qiáng)器研制的ICMOS相比于小畫(huà)幅尺寸制成的器件具有更大視場(chǎng)，可獲取更多信息；

3）文中研制的微光夜視系統(tǒng)分辨率可達(dá)3800×1900 LW/HP，可以在復(fù)雜環(huán)境中更準(zhǔn)確地獲取信息。

進(jìn)一步可在本系統(tǒng)中增加5ns門(mén)控電源，實(shí)現(xiàn)手持選通相機(jī)，在水下探測(cè)、透窗透霧識(shí)別等領(lǐng)域有著更多應(yīng)用。直接耦合不同的像增強(qiáng)器所獲得的ICCD/ICMOS可以應(yīng)用在不同場(chǎng)所，例如通過(guò)耦合X射線像增強(qiáng)器可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像和無(wú)損鑒定等領(lǐng)域，耦合紫外像增強(qiáng)器則可用于高壓電路檢測(cè)以及雪地偽裝識(shí)別等。直接耦合可以耦合不同的器件以實(shí)現(xiàn)不同的功能，例如將偏振片陣列與CCD/CMOS實(shí)現(xiàn)像素級(jí)對(duì)準(zhǔn)從而獲取像素偏振CCD/CMOS，將微透鏡與CCD/CMOS實(shí)現(xiàn)像素級(jí)對(duì)準(zhǔn)則可獲得光場(chǎng)相機(jī)等。

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Direct Coupling of Low Light Image Intensifier with Large Size CMOS

GAO Tianyang1，CAO Fengmei1，WANG Xia1，CUI Zhigang2

(1.,,,100081,; 2.,100091,)

The large size direct coupling technology was studied by coupling a 40mm diameter image intensifier with a full-frame CMOS. To solve the problems of large-size ICCD/ICMOS made by lens coupling, such as large volume, large light energy loss, and large number of moiré fringes in optical cone coupling devices, a direct coupling process is proposed to make ICCD/ICMOS. The large-size ICMOS developed in this study can obtain more information in the field of view. The resolution of the entire device is up to 3600′1800, the picture is clear, there is no obvious moiré fringe, and the structure is compact. The entire device has the size of a handheld digital camera and has strong concealability, which is conducive to obtaining target information more accurately and quickly in a complex environment.

direct coupling, ICMOS, light cone coupling, low light level enhancement

TN223，TN206

A

1001-8891(2021)06-0537-06

2020-09-14；

2020-10-25.

高天陽(yáng)（1996-），男，河北廊坊人，碩士，主要從事微光夜視、圖像處理方面的研究工作。E-mail：xiuchuan1115@foxmail.com。

崔志剛（1967-），男，河北石家莊人，研究員，博士，主要從事微光夜視光錐耦合等方面的研究工作。E-mail：forest508@163.com。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019QY0902）。