白光輻照多光譜CCD的干擾效應(yīng)研究

婁小程，李曉英，牛春暉，郎曉萍

(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

20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外陸續(xù)展開(kāi)了各類(lèi)激光對(duì)單通道CCD圖像傳感器的干擾和損傷的研究。參考文獻(xiàn)[6]～參考文獻(xiàn)[16]中分別研究了單波長(zhǎng)激光對(duì)單通道CCD干擾效果。參考文獻(xiàn)[17]中研究了寬光譜光源對(duì)單通道CCD的干擾，分析了入射條件對(duì)面陣CCD干擾效果的影響。隨著多光譜CCD相機(jī)的出現(xiàn)與發(fā)展，多光譜CCD相機(jī)在軍事、遙感成像等領(lǐng)域逐漸代替了單通道CCD相機(jī)。以往研究學(xué)者大多是基于對(duì)單通道CCD相機(jī)的干擾和損傷研究，對(duì)激光干擾多光譜CCD相機(jī)的研究較少，同時(shí)單一波長(zhǎng)激光對(duì)多光譜CCD的干擾存在一定缺陷，研究作為典型的寬光譜光源的白光對(duì)多光譜CCD的干擾具有重要意義。

本文中主要對(duì)白光照射多光譜CCD產(chǎn)生的干擾效果進(jìn)行了研究。分別采用671nm,473nm,532nm等單波長(zhǎng)激光與白光光源對(duì)多光譜CCD進(jìn)行干擾實(shí)驗(yàn)研究，將它們對(duì)多光譜CCD的干擾效果進(jìn)行了對(duì)比分析；同時(shí)根據(jù)光生載流子擴(kuò)散模型對(duì)白光輻照多光譜CCD進(jìn)行仿真模擬，豐富了寬光譜光源對(duì)多光譜CCD的干擾研究，并為以后的深入研究提供理論基礎(chǔ)。

1 多光譜CCD相機(jī)

本文中使用的多光譜CCD相機(jī)是由SONY公司生產(chǎn)的acA640-120gm Basler ace GigE，如圖1所示。多光譜CCD相機(jī)像素?cái)?shù)為 659×494，像元尺寸為5.6μm×5.6μm。

Fig.1 Multi-spectral CCD camera

多光譜CCD的整體結(jié)構(gòu)類(lèi)似“三明治”，如圖2所示，依次為“微透鏡”、“分色濾光片”、“感光層”。微透鏡通過(guò)擴(kuò)展每個(gè)像素的感光面積來(lái)提高CCD的采光率，分色濾光片實(shí)現(xiàn)對(duì)多光譜相機(jī)成像的色彩信息的合成，感光層實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸[18]。每個(gè)像元的感應(yīng)度不同是因?yàn)榉稚珵V光片的作用，多光譜CCD中紅色像元的敏感光譜波長(zhǎng)范圍是620nm～680nm，綠色像元的敏感光譜波長(zhǎng)范圍是520nm～570nm，藍(lán)色像元的敏感光譜波長(zhǎng)范圍是425nm～500nm。

Fig.2 Internal structure of multispectral CCD

多光譜CCD相機(jī)的分色濾光片運(yùn)用拜耳矩陣進(jìn)行顏色識(shí)別。在拜耳矩陣中，每個(gè)像素都有各自的彩色窗口，以周期方式排列，其中50%為綠色，25%為紅色，25%為藍(lán)色，每行交替排列。如圖3a所示，一行使用紅綠元素，下一行使用綠藍(lán)元素。

Fig.3 a—Bayer matrix b—5×5 deBayer

RGB彩色圖像需要每個(gè)像素有紅、綠、藍(lán)3種顏色，但是在拜耳矩陣中，每個(gè)像素只對(duì)應(yīng)一種顏色，丟失的顏色是通過(guò)“插值”技術(shù)插入的，也稱(chēng)去拜耳化，其原理是提取相鄰像素的顏色值，從而估算缺失的顏色。圖3b展示了5×5去拜耳化。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 單波長(zhǎng)激光輻照多光譜CCD相機(jī)

2.1.1 單波長(zhǎng)激光輻照多光譜CCD相機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 圖4是單波長(zhǎng)激光輻照多光譜CCD相機(jī)的實(shí)驗(yàn)光路圖。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為暗室，選用的激光器分別為671nm,532nm,473nm激光器。激光經(jīng)過(guò)衰減片的衰減作用后，用分光鏡分成兩束(分光比為1∶1)，一束光入射到CCD的靶面中心，干擾圖像被傳送到計(jì)算機(jī)記錄,另一束光由功率計(jì)接收，由于兩束光的功率相同，可通過(guò)功率計(jì)實(shí)時(shí)記錄干擾CCD的光功率。

Fig.4 Interference experimental optical path of multispectral CCD irradiated by single wavelength laser

2.1.2 單波長(zhǎng)激光輻照多光譜CCD相機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 圖5是波長(zhǎng)為671nm、入射功率為746μW的激光干擾多光譜CCD相機(jī)的成像圖以及紅、綠、藍(lán)三通道的單色圖。由圖5a和圖5b可知，全通道及紅色通道的圖像被干擾較為嚴(yán)重;由圖5c和圖5d可知，綠色通道及藍(lán)色通道下的干擾區(qū)域相對(duì)較少，仍有可能從綠色通道或者藍(lán)色通道恢復(fù)原圖像。

首先向?qū)W生介紹教師基本信息，加強(qiáng)學(xué)生與教師之間的溝通，介紹本專(zhuān)業(yè)面向的就業(yè)方向及所從事的崗位，說(shuō)明本課程主要服務(wù)的崗位情況及工作流程。解答學(xué)生的疑惑：我們要學(xué)什么？怎么學(xué)，怎么做？具體內(nèi)容?該如何應(yīng)用？告知課程的教學(xué)應(yīng)用軟件及具體工作流程，講解室內(nèi)效果圖發(fā)展史及應(yīng)用范圍，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為學(xué)生提供室內(nèi)效果圖的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，本課程的資源共享平臺(tái)、學(xué)習(xí)交流群、網(wǎng)絡(luò)課程及優(yōu)秀案例素材網(wǎng)站，展示優(yōu)秀學(xué)生的作品案例，介紹本課程校內(nèi)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)條件，最后結(jié)合一個(gè)簡(jiǎn)單的案例——Teapot茶壺造型演變，帶領(lǐng)學(xué)生了解三維工具的實(shí)用性，激發(fā)學(xué)生對(duì)后續(xù)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)情趣。

Fig.5 Imaging images of 671nm laser irradiated multi-spectral CCD and monochromatic images of three channels

圖6是波長(zhǎng)為473nm、入射功率為380μW的激光干擾多光譜CCD相機(jī)的成像圖以及紅、綠、藍(lán)三通道的單色圖。由圖6a、圖6c、圖6d可發(fā)現(xiàn),全通道、綠色通道和藍(lán)色通道的圖像被干擾較為嚴(yán)重，但圖6b中紅色通道下的圖像上仍有部分細(xì)節(jié)。

Fig.6 Imaging images of 473nm laser irradiated multi-spectral CCD and monochromatic images of three channels

圖7是波長(zhǎng)為532nm、入射功率為166μW的激光干擾多光譜CCD相機(jī)的成像圖以及紅、綠、藍(lán)三通道的單色圖。由圖7a、圖7c、圖7d可發(fā)現(xiàn),全通道、綠色通道和藍(lán)色通道的圖像已被有效干擾，但圖7b中紅色通道下的圖像仍能呈現(xiàn)部分細(xì)節(jié)。

Fig.7 Imaging images of 532nm laser irradiated multi-spectral CCD and monochromatic images of three channels

由圖5～圖7可知，單波長(zhǎng)激光干擾多光譜CCD相機(jī)時(shí)，完全干擾某一通道可以實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)紅、綠、藍(lán)三通道的同時(shí)干擾難以實(shí)現(xiàn)，可能從某一通道輸出較為清晰的圖像，從而恢復(fù)原圖像。

圖8是多光譜CCD的光譜響應(yīng)曲線。橫坐標(biāo)代表波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)代表多光譜CCD對(duì)各波長(zhǎng)的響應(yīng)度。由圖8可知，多光譜CCD中紅色像元的敏感光譜波長(zhǎng)范圍是620nm～680nm，綠色像元的敏感光譜波長(zhǎng)范圍是520nm～570nm，藍(lán)色像元的敏感光譜波長(zhǎng)范圍是425nm～500nm，多光譜CCD的光譜響應(yīng)曲線很好地解釋了不同波長(zhǎng)激光輻照多光譜CCD相機(jī)時(shí)，各個(gè)通道干擾情況差異的原因。

Fig.8 Spectral response curve of multispectral CCD

2.2 白光輻照多光譜CCD相機(jī)

2.2.1 白光輻照多光譜CCD相機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 圖9是白光輻照多光譜CCD干擾的實(shí)驗(yàn)光路圖。選用的光源是功率為150W的氙燈(白光)，白光的光譜較寬，透過(guò)三棱鏡可以呈現(xiàn)紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫7種顏色的光譜，其中，紅色的波長(zhǎng)為620nm～780nm、橙色波長(zhǎng)為600nm～620nm、黃色波長(zhǎng)為570nm～600nm、綠色波長(zhǎng)為500nm～570nm、青色波長(zhǎng)為475nm～500nm、藍(lán)色波長(zhǎng)為420nm～475nm、紫色波長(zhǎng)為380nm～420nm。實(shí)驗(yàn)中白光光束通過(guò)透鏡1與光闌，縮小光斑；繼續(xù)通過(guò)衰減片與偏振片衰減光強(qiáng)，然后由分光鏡將光分成兩束(分光比為1∶1)；一束入射到CCD探測(cè)器，另一束光由光功率計(jì)接收，實(shí)時(shí)檢測(cè)干擾探測(cè)器的光功率。干擾效果圖傳入計(jì)算機(jī)記錄，以備后續(xù)處理。

Fig.9 Interference experimental optical path of white light irradiation multispectral CCD

2.2.2 白光輻照多光譜CCD相機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 圖10是白光對(duì)多光譜CCD相機(jī)的干擾圖。圖10a是入射功率為12.9μW時(shí)多光譜CCD受干擾情況；圖10b是入射功率為68μW時(shí)多光譜CCD受干擾的圖，此時(shí)干擾光斑已飽和；圖10c是入射功率為136μW多光譜CCD受干擾的圖。圖10b和圖10c中的飽和光斑周?chē)嬖诟蓴_光斑，這主要是由雜散光引起的，白光光源并未全部輻照在多光譜CCD相機(jī)的靶面中心，部分光源輻照在鏡筒邊緣發(fā)生折射和偏轉(zhuǎn)，從而形成較弱的干擾光斑[14]。圖10d是激光功率為1.45mW的干擾圖像。此時(shí)多光譜CCD處于過(guò)飽和的狀態(tài)，由圖10a～圖10d可知，入射功率越大，干擾面積越大，干擾現(xiàn)象越嚴(yán)重。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，并未出現(xiàn)飽和串音線，分析是因?yàn)殡療舭l(fā)出的光源較為發(fā)散，很難像激光器一樣相對(duì)集中地輻照在CCD靶面中心。

Fig.10 Image of white light irradiated multi-spectral CCD

圖11是入射功率為328μW時(shí)的干擾圖。由圖11可知，紅、綠、藍(lán)三通道均被完全干擾。相對(duì)單波長(zhǎng)激光，白光的光譜較寬，壓制范圍較廣，白光對(duì)多光譜CCD相機(jī)的干擾更加全面，且當(dāng)需要對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行干擾時(shí)，光譜較寬的白光光源比聯(lián)合激光干擾更加有效。

Fig.11 White light irradiated multi-spectral CCD image and three-channel monochromatic image

圖12是多光譜CCD飽和像元隨激光功率變化的關(guān)系曲線。多光譜CCD對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)連續(xù)激光干擾響應(yīng)程度從大到小依次為白光,532nm,473nm和671nm；當(dāng)激光功率為250μW時(shí)，白光輻照CCD的飽和像元數(shù)約200000pixel，約等于532nm,473nm和671nm輻照CCD的飽和像元數(shù)之和；當(dāng)入射功率為10.5μW時(shí)，白光輻照多光譜CCD的飽和像元數(shù)為2382pixel，隨著入射功率的增大，白光輻照多光譜CCD飽和像元數(shù)也逐漸增加;當(dāng)入射功率為980μW時(shí)，白光輻照多光譜CCD的飽和像元數(shù)穩(wěn)定在320078pixel;當(dāng)激光功率為1200μW時(shí)，532nm激光對(duì)應(yīng)的飽和像元數(shù)基本穩(wěn)定在310000pixel左右，此時(shí)532nm激光的干擾圖像已接近于全飽和狀態(tài)，隨著激光功率的繼續(xù)增加，532nm激光的飽和像元數(shù)基本不變；當(dāng)激光功率為1200μW時(shí)，473nm激光對(duì)應(yīng)的飽和像元數(shù)多于671nm對(duì)應(yīng)的飽和像元，但兩者的干擾程度均未達(dá)到最大，隨著激光功率的增加，飽和像元數(shù)仍在增加。

Fig.12 Relation curve of saturation image element and laser power of multi-spectral CCD

3 白光輻照多光譜CCD的仿真分析

CCD像元間電子溢出方式如圖13所示。當(dāng)激光輻照在CCD的某個(gè)像元時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光生載流子，產(chǎn)生的光生載流子填充此像元，當(dāng)此像元被填充滿(mǎn)后，光生載流子又會(huì)向周?chē)南裨绯?，直到產(chǎn)生的光生載流子全部填充到像元中[19]。CCD的內(nèi)部存在水平方向的溝阻，致使光生載流子在豎直方向擴(kuò)散的速度大于水平方向，很好地解釋了隨著時(shí)間和光照強(qiáng)度的增加，在干擾光斑中心出現(xiàn)豎直串音線的原因[20]。

Fig.13 Electronic overflow mode

受激光輻照的半導(dǎo)體會(huì)吸收光子的能量，當(dāng)積累的光子能量超過(guò)帶隙能量時(shí)，會(huì)發(fā)生電子躍遷的現(xiàn)象[20]，由此產(chǎn)生的電荷可以用Q表示為：

Q=ηqPAt/(hν)

(1)

式中,q為電子電荷,P為入射光功率，t為光照時(shí)間，η為量子效率，A為受光面積，h為普朗克常量，ν是頻率。設(shè)定一個(gè)像元所能存儲(chǔ)的最大電荷量是Qth,則N個(gè)飽和像元所能存儲(chǔ)的最大電荷Q可表示為：

Q=NQth

(2)

由此可推導(dǎo)出時(shí)間、激光的入射功率和CCD飽和像元數(shù)的關(guān)系為：

N=ηqPAt/(hνQth)

(3)

圖14是入射功率為935μW的白光輻照多光譜CCD的干擾圖。圖15是根據(jù)光生載流子擴(kuò)散模型得到的入射功率為935μW的白光干擾多光譜CCD的仿真圖?？梢钥闯?當(dāng)入射功率為935μW時(shí)，多光譜CCD相機(jī)已被完全干擾，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)干擾結(jié)果基本相符。

Fig.14 935μW white light disturbs color CCD image

Fig.15 Simulation of 935μW white light interfering color CCD

對(duì)白光輻照多光譜CCD的過(guò)程進(jìn)行仿真，設(shè)置與實(shí)驗(yàn)相同的參量，得到白光輻照多光譜CCD的飽和像元隨激光功率變化的關(guān)系曲線,如圖16所示。

Fig.16 Relation curve between saturated image element and laser power of multi-spectral CCD radiated by white light

由圖16可知，仿真白光輻照多光譜CCD飽和像元數(shù)隨激光功率變化的關(guān)系曲線與由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所獲得的曲線變化趨勢(shì)基本一致。對(duì)于仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差可能是:仿真過(guò)程中并未考慮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中雜散光斑對(duì)光生載流子擴(kuò)散的影響，只是針對(duì)主要的干擾光斑進(jìn)行分析；仿真過(guò)程中并未考慮因CCD工藝結(jié)構(gòu)中溝道的存在，導(dǎo)致部分溢出的載流子尚未擴(kuò)散到周?chē)南裨惚慌懦鯷21]。但整體來(lái)說(shuō)，仿真所得白光輻照多光譜CCD飽和像元數(shù)隨激光功率變化曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得曲線基本吻合，證明此方法具有一定的可靠性。

4 結(jié) 論

在激光對(duì)多光譜CCD相機(jī)的干擾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，分別采用671nm,532nm和473nm波長(zhǎng)激光與白光輻照多光譜CCD相機(jī)，得到了幾種光源輻照多光譜CCD相機(jī)的干擾圖，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),單波長(zhǎng)激光干擾多光譜CCD相機(jī)時(shí)，完全干擾某一通道很容易實(shí)現(xiàn)，但是很難同時(shí)對(duì)紅、綠、藍(lán)三通道進(jìn)行完全干擾；相對(duì)單波長(zhǎng)激光，白光的光譜較寬，壓制范圍較廣，白光對(duì)多光譜CCD相機(jī)的干擾更加全面，且當(dāng)需要對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行干擾時(shí)，光譜較寬的白光光源比聯(lián)合激光干擾更加有效。繪制了多光譜CCD飽和像元數(shù)隨激光功率的變化曲線，得出多光譜CCD對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)連續(xù)光干擾響應(yīng)程度從大到小依次為白光,532nm,473nm和671nm。最后根據(jù)光生載流子的溢出方式，利用MATLAB對(duì)白光干擾CCD的過(guò)程進(jìn)行仿真，得到白光輻照多光譜CCD的干擾仿真圖和仿真白光輻照多光譜CCD相機(jī)飽和像元數(shù)隨激光功率變化的關(guān)系曲線，仿真所得關(guān)系曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的關(guān)系曲線基本吻合。本文中將實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合，證明了白光相對(duì)于單波長(zhǎng)激光對(duì)多光譜CCD相機(jī)的干擾效果更好，對(duì)于豐富寬光譜光源干擾多光譜CCD的效應(yīng)研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。