632.8nm连续激光辐照可见光CMOS相机实验研究

盛 良，张 震，张检民，徐作冬

（1.四川大学物理科学与技术学院，成都610064；2.西北核技术研究所，西安710024；3.激光与物质相互作用国家重点实验室，西安710024）

632.8nm连续激光辐照可见光CMOS相机实验研究

盛 良1，2，3，张 震2，3，张检民2，3，徐作冬2，3

（1.四川大学物理科学与技术学院，成都610064；2.西北核技术研究所，西安710024；3.激光与物质相互作用国家重点实验室，西安710024）

开展了632.8nm连续激光辐照可见光JHSM36Bf CMOS相机实验研究，获得了632.8nm连续激光使CMOS相机单像元饱和及全屏饱和的功率密度阈值。实验证实了CMOS比CCD抗激光干扰能力更强；连续激光比脉冲激光更容易实现对CMOS相机的干扰；分析了CMOS串扰现象与CCD的不同。用饱和面积法、相关度法和均方差法3种激光干扰图像质量评价方法，定量分析了CMOS成像受激光干扰的程度。

CMOS；激光辐照；功率密度阈值；激光干扰

CMOS（complementary metal oxide semiconductor）图像传感器，作为与CCD并驾齐驱的一种固体成像器件，以其高集成度、小体积、低功耗、成像质量好等特点，广泛应用于航天航空、安防监控、工业控制、交通、医疗、侦察、导航制导、图像识别系统等领域［1 4］。

随着CMOS图像传感器和激光应用日益广泛，CMOS容易受激光影响的问题也引起了人们的高度重视。特别是在光电对抗领域，激光辐照对CMOS图像传感器成像的影响是重要的研究课题之一，具有迫切的现实需要和重要的研究意义。目前，激光辐照CMOS的效应研究工作开展较少，主要集中在1 064nm脉冲激光对CMOS干扰损伤的实验研究［5-11］。本文用632.8nm连续激光辐照可见光面阵黑白CMOS相机，获得了不同干扰阶段CMOS相机的功率密度阈值。

1 CMOS图像传感器工作原理

CMOS图像传感器包括像素单元阵列、模拟信号处理器、A／D转换器、偏置电压生成单元、时钟生成单元、数字逻辑单元和存储器等部件。图1为CMOS图像传感器的二维结构示意图［12］，不同类型器件的区别主要体现在像素单元上。典型CMOS图像传感器的每个像元，包括1个用于光电采集与转换的光敏二极管和数个控制MOS管。

当外界光照射到像素阵列上时，发生光电效应，像素单元内产生相应的光生电荷，光积分开始。在行选逻辑控制下，选通相应的行像素单元。在列选逻辑的控制下，选通行像素单元内的每个像元的信号，依次通过各自所在的列总线，将信号传输到相应的模拟信号处理单元。经过处理的模拟信号，通过A／D转换器，转换为数字信号输出。

2 实验方法

实验所用相机为可见光面阵黑白CMOS相机，型号为JHSM36Bf，芯片为Micron MT9V032，工作波段为350～1 100nm。激光光源为632.8nm He－Ne连续激光，发散角为1.06mrad（约0.061°），可认为是准平行光，出光稳定。实验布局如图2所示。

起偏器和检偏器与中性密度衰减片相结合，调节入射激光功率。分光镜把激光按比例分为2束：一束辐照CMOS相机；另一束进入激光功率计。激光功率计用来测量CMOS镜头后的初始功率，并在实验过程中提供实时监测。变焦镜头将激光聚焦到CMOS相机光敏面上。实验中，入射到CMOS相机光敏面上的激光功率密度变化范围为0～95.1W·cm－2。

调整激光束，使其与CMOS相机光轴对准。利用CMOS相机自带的图像采集软件实时观察CMOS输出的图像，通过读取图像灰度值判断入射到CMOS的激光是否使CMOS饱和。首先，将激光衰减到使CMOS功率处于线性工作范围，然后，逐渐减小衰减，使CMOS处于饱和状态，并最终达到过饱和状态。获得的典型实验现象如图3所示。

3 实验结果及分析

3.1 功率密度阈值计算

3.1.1 单像元饱和功率密度阈值

已知激光功率，求激光功率密度，需要确定光斑大小。通常，激光经过透镜后的光强分布为近高斯分布，故确定光斑大小的方法为：从峰值强度处开始，光强降为峰值的1／e2处作为光斑的边缘。以图像像素灰度值对应表示光强的大小，使用MATLAB软件读取并计算每幅图像饱和像素点的数量，取灰度值≥35的像素为光斑覆盖区，如图4所示。

根据光强与灰度值的比例关系，设灰度值为1的光敏元上的激光功率密度为P0，则光斑所覆盖的256个像素的激光功率密度可分别设为35P0，36P0，38P0，…，40P0，38P0［13］。单个像素面积为3.6 ×10－11m2，光斑对应的激光总功率为1.46×10－9W，可计算得到P0＝1.64×10－3W·m－2，255P0＝0.042mW·cm－2，这就是JHSM36Bf型CMOS相机光敏面单个像元饱和的激光功率密度阈值。

在上述CMOS光敏面单个像元饱和功率密度阈值的计算中，把像素灰度值≥35的光斑覆盖区视为辐照光斑的面积，由于其约为实际光斑面积的86.4%，因此，会使计算的激光功率密度比实际值偏大；此外，虽然测量激光功率是在较暗环境下进行，但不能完全排除背景光的影响，使测得的激光功率偏大，这也会使计算的激光功率密度比实际值偏大。因此，计算结果仅为功率密度阈值的近似值。

3.1.2 全屏饱和时的功率密度阈值

得到CMOS相机采集光斑图像全屏饱和时，激光功率密度阈值范围为11.6～24.3W·cm－2。

3.2 连续／脉冲激光对CMOS的干扰效果比较

将实验获得的数据与文献［5］中的相关数据进行对比发现，632.8nm He－Ne连续激光和1.06μm高重频激光使CMOS相机达到过饱和状态所需的功率密度分别为4.10W·cm－2和4.3×103W·cm－2，二者相差3个量级。考虑到CMOS相机在632.8 nm处的光吸收量子效率比1.06μm处至少高1个量级，连续激光产生的大量光生载流子导致CMOS更严重的串扰。因此，632.8nm He－Ne连续激光比1.06μm高重频激光更容易实现对CMOS相机的干扰。

3.3 激光干扰CMOS与CCD效果的比较

利用532nm连续激光准平行入射辐照面阵CCD。CCD型号为BC131A1，芯片为SONY ICX405AL黑白图像传感器，工作波段为350～1 100nm。当辐照功率密度为1.3×10－3W·cm－2时，面阵CCD图像中约1／2的像素达到饱和，串扰区域的中间出现暗线，图像出现过饱和现象［14］。

利用632.8nm连续激光准平行入射辐照面阵CMOS。当辐照功率密度为4.10W·cm－2时，面阵CMOS图像出现过饱和现象，但与面阵CCD不同，不是出现暗线，而是暗斑。这是由于CMOS像元结构和工作原理不同于CCD：CMOS的典型信号是以像元为单位的电荷电压信号，而CCD的信号一般是以行／列为单位的电荷电流信号；CMOS某一像元饱和，其他未饱和像元仍能成像，而CCD某一像元饱和，会导致同行／列输出图像饱和。比较面阵CCD过饱和出现暗线与面阵CMOS过饱和出现暗斑时的激光功率密度可知，二者相差3个量级，考虑到不同波长激光对器件量子效率的影响，二者至少还相差1～2个量级，说明CMOS比CCD抗激光干扰能力更强。

3.4 CMOS成像受激光干扰程度的定量评价

为了定量评价激光对CMOS成像的影响程度，探讨了基于图像灰度值的全参考图像质量评价方法，包括饱和面积法、相关度法和均方差法。

3.4.1 饱和面积法

饱和面积法是用激光造成的CMOS输出图像饱和面积的大小，来衡量激光对CMOS成像的影响程度。数据处理时，用MATLAB读取图像的灰度值，统计激光所造成的饱和像元数，并结合对应的激光功率，绘制关系曲线图。图像饱和属于有效干扰。

对JHSM36Bf CMOS相机在632.8nm连续激光辐照下的干扰图像进行了处理，得到了不同激光功率辐照下，饱和面积占整个探测器面积的比例，即有效干扰面积，如图5所示。

从图5可以看出：随着入射激光功率的增加，CMOS探测器的有效干扰面积不断增加，但并不是线性增加。AB段，入射激光功率变化范围为10－3～10μW，有效干扰面积缓慢增加；BC段，入射激光功率变化范围为10～103μW，有效干扰面积迅速增加；CD段，入射激光功率变化范围为103～104μW，CMOS相机达到全屏饱和，有效干扰面积保持不变。

3.4.2 相关度法

相关度法利用干扰前后图像之间的协方差系数来表示干扰效果。图像相关度r的计算公式为

式中，Amn，Bmn分别表示受到干扰前、后图像中m行n列的灰度值；分别表示受到干扰前、后图像的平均灰度值。利用式（1）分别对相机干扰前、后的图像质量进行了计算。

图6是JHSM36Bf CMOS相机在632.8nm连续激光准平行正入射情况下，受到辐照干扰后输出图像相关度随入射激光功率的变化曲线。可以看出：随着入射激光功率的增大，相机干扰前后图像的相关度减小，图像质量下降，干扰程度提高。该结果与实际CMOS采集的图像数据对比，一致性较好。因此，可以用相关度方法评价激光对CMOS相机的干扰效果。

3.4.3 均方差法

均方差法（mean square error，MSE）是一种较为典型的基于像素误差统计的模型算法，属于全参考质量评价算法。首先计算失真图像和原始图像像素差值的均方差值，然后通过均方差值的大小来确定失真图像的失真程度。计算公式为

式中，C（i，j）和D（i，j）分别表示参考图像和测试图像的像素值。

用MSE对CMOS相机在632.8nm连续激光辐照下的干扰实验数据进行处理，如图7所示。可以发现，图7与图5中曲线变化趋势非常相似。

用上述3种定量评价方法可以较好地评价CMOS成像受激光干扰的程度，饱和面积法和均方差法的评价效果比相关度法与实际情况更为吻合。

4 结论

以可见光面阵黑白CMOS相机为对象，开展了632.8nm He－Ne连续激光辐照效应实验，观察到随着入射激光功率不断增大，CMOS相机出现了未饱和、饱和及全屏饱和等现象，测量了对应的激光功率，计算得到JHSM36Bf CMOS相机光敏面单个像元的饱和激光功率密度阈值为0.042mW·cm－2，CMOS相机采集光斑图像全屏饱和时的激光功率密度阈值范围为11.6～24.3W·cm－2。借鉴文献中CCD和CMOS相关实验数据，对比分析了连续激光与脉冲激光对CMOS的干扰效果及CCD和CMOS的激光干扰阈值差异。用饱和面积法、相关度法和均方差法，定量分析了CMOS成像受激光的干扰程度。

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Experimental Study on a Visible Light CMOS Camera Irradiated by 632.8nm CW Laser

SHENG Liang1，2，3，ZHANG Zhen2，3，ZHANG Jian－min2，3，XU Zuo－dong2，3
（1.College of Physical Science and Technology，Sichuan University，Chengdu 610064，China；2.Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，China；3.State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter，Xi'an 710024，China）

The JHSM36Bf CMOS camera was irradiated by a 632.8nm CW laser，and the laser power density thresholds which cause the single pixel saturation and full screen saturation of the CMOS camera were obtained.It was demonstrated that CCD cameras are more vulnerable to laser jamming than CMOS cameras，and CW laser is more likely to induce laser jamming than pulsed laser.The cross－talk phenomena in both CMOS and CCD cameras irradiated by CW laser were analyzed.The laser jamming effects on the images of CMOS cameras were evaluated quantitatively by three commonly used methods for image evaluation.

CMOS；laser irradiation；power density threshold；laser jamming

TN249

A

2095 6223（2015）03 181 05

2015 04 16；

2015 07 08

盛良（1982－），男，浙江金华人，工程师，硕士研究生，主要从事激光光学研究。

E－mail：shengliang11＠nint.ac.cn