单CCD彩色相机激光干扰模型及外场干扰实验

2015-05-05王涛涛付跃刚王挺峰

发光学报 2015年5期

关键词：靶面势阱滤镜

王涛涛，付跃刚，汤伟，王锐，王挺峰，郭劲

(1. 长春理工大学光电工程学院，吉林长春 130022;2. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林长春 130033)

单CCD彩色相机激光干扰模型及外场干扰实验

王涛涛1，付跃刚1，汤伟2*，王锐2，王挺峰2，郭劲2

(1. 长春理工大学光电工程学院，吉林长春 130022;2. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林长春 130033)

开展了多波段激光(750～970 nm)对彩色CCD成像系统的外场干扰实验，测得了不同辐照条件下对外场1.3 km处彩色CCD成像系统的干扰效果；建立了彩色CCD相机的激光干扰模型，对实验结果进行了理论验证与分析。理论与实验结果表明：强激光对彩色CCD成像系统的干扰效果明显，CCD靶面出现了明显的光饱和和串扰现象，光饱和区域的形成是由激光束进入光学系统后发生衍射效应造成的；到靶激光功率密度越强，CCD靶面光饱和面积越大，激光干扰效果越好；单波段750 nm激光作用下，到靶功率密度为4.2 kW/cm2，CCD靶面的光饱和面积为0.88 mm×0.97 mm；多波段激光(750～970 nm)作用下，到靶功率密度为20.7 kW/cm2，CCD靶面发生全靶面饱和现象；仿真结果与实验结果基本一致，证明了理论模型的正确性。对远场干扰能力计算结果表明：随着干扰距离的增加，到靶功率密度减小，激光干扰效果变差。

激光干扰；彩色CCD器件；半导体激光器；光饱和串扰

1 引言

近年来，CCD器件的激光辐照效应已成为国内外的研究热点之一[1-3]。研究内容几乎覆盖了从可见到红外所有的激光波段，且根据特定辐照条件进行了大量的实验[4-7]，如视场内、视场外、波段内和波段外；然而，这些研究基本上都是在室内完成的，缺少外场对CCD器件干扰或损伤实验。此外，由于彩色图像比黑白图像更容易得到精细的结构，这就使得彩色CCD在目标成像、目标识别和测绘等方面具有一定的优势，目前一些大型光电设备很多都选用彩色CCD作为感光器件，如航空航天用的侦查、测绘相机。根据分光原理不同，彩色CCD器件可以分为3CCD彩色相机和单CCD彩色相机，国内仅国防科技大学江天等[8]在2007年对3CCD彩色相机的饱和干扰效应进行了相关报道，而关于单CCD彩色相机干扰效应的报道则尚未发现，因此，开展单CCD彩色相机的激光外场干扰实验具有一定的实际意义。

本文首先建立了激光干扰彩色CCD相机理论模型，然后利用多波段半导体激光对外场1.3 km处彩色CCD成像系统进行了干扰实验，测得了不同功率/波段激光对彩色CCD成像系统的干扰效果，并通过理论模型对实验结果进行仿真与分析。最后根据理论模型，估算了多波段半导体激光对彩色CCD成像系统的远场(3，5，10，20 km)干扰能力。

2 彩色CCD相机激光干扰模型

激光对CCD器件的干扰主要是光电效应作用，CCD探测器上的每一个单元都可以等效为一个电容Ci：

(1)

式中ε0为空气介电常数，ε为相对介电常数，s为深耗尽层截面积，d为绝缘层厚度。当CCD的结构确定后，势阱中所能存储和处理的电荷量存在一个极限值Ql：

Ql=Ci(VG+Vso)，

(2)

其中Vso为未加栅极时的表面电位，其大小可表示为：

(3)

式中VG为栅极电压，Qfc为表面氧化层的电荷量，Vms为金属与半导体的接触电位差。

当CCD光敏面受强激光辐照时，由于信号电荷的产生时间(通常为10-12s)远小于CCD探测器的积分时间t0(几个微秒)，光敏单元的势阱中将收集大量的信号电荷。对于本征激发产生信号电荷的器件，积分时间内积累的光生电荷Qs可表示为：

Qs=(1-R)esηI0t0/hυ,

(4)

式中R为反射率，e为电子电荷，η为量子效率，I0为入射激光功率密度，t0为CCD积分时间，h为普朗克常数，υ为光子频率。

随着光生电荷Qs的增加，表面电压Vs逐渐降低。当Vs等于附近MOS的表面初始电压Vso时，电荷就会向邻近势阱“溢出”，即发生串音现象。随着入射激光进一步增强，当光积分时间内产生的信号电荷Qs等于势阱的存储电荷极限值Ql时，CCD靶面就发生光饱和现象。典型Si基CCD器件的主要光电参数[9]如表1所示。

表1 典型CCD器件的主要参数

图1给出了光生电荷Qs的溢出模型，模型中取聚焦光斑峰值光强处所对应的像元为发生串扰时的中心像元。如图所示，模型中中心像元首先向4个邻边像元发生第一层溢出，这样邻边像元势阱内的电荷量就会增多。若邻边像元光生电荷与从中心像元得到的溢出电荷之和大于势阱内极限电荷Ql，则多余电荷将继续向外层溢出，直至某一像元势阱内光生电荷与得到的溢出电荷之和小于势阱内极限电荷Ql，电荷的溢出现象才停止。

像元溢出的电荷量可用下式近似表示：

Qci=μ(Qsi+Qc(i-1)-nQl)，

(5)

式中Qci为第i层像元向外溢出的电荷量，Qsi为第i层像元的光生电荷量，n为第i层上所有的像元数，μ为电荷的转移效率。值得注意的是，由于CCD器件水平方向上的势垒要比竖直方向上的势垒高得多，因此电荷在水平和竖直方向上的溢出量是不等的，模型计算时取水平和竖直方向的溢出比为1∶19。

图1 光生电荷Qs的溢出过程。图中箭头→方向为光生电荷Qs的溢出方向，一个方格代表一个像元。

Fig.1 Overflow process of laser-induced chargeQs. The arrow represents charge overflow direction， and a check represents a pixel.

单CCD彩色相机主要是通过Bayer滤镜来实现分光的。Bayer滤镜放置在CCD芯片上，每一个像元上都有一个微型滤镜。按波段分，微型滤镜主要分为红色滤镜、绿色滤镜和蓝色滤镜，其排布方式如图2所示。建模时，我们考虑了Bayer滤镜对激光干扰效果的影响，将不同波段激光通过Byaer滤镜后的透过率加入到了干扰模型中。

TGTRTGTRTGTRTBTGTBTGTBTGTGTRTGTRTGTRTBTGTBTGTBTGTGTRTGTRTGTRTBTGTBTGTBTG

图2 Bayer滤镜排布方式

Fig.2 Bayer filter arrangement

本文主要通过数值方法对上述模型进行求解，计算时将光学镜头等效为一个理想透镜。根据光束传输基本理论可知，光束通过透镜后会产生一个附加相位，其复振幅[10]可表示为：

UT(x,y)=U(x,y)T(x,y)，

(6)

式中T(x,y)为复振幅变换函数。对于球面薄透镜，T(x,y)可表示为：

(7)

式中f为光学系统的焦距；p(x,y)为光瞳，透光的部分为1，挡光的部分为0。CCD器件前的光学系统如图3所示。入射光在透镜和探测器靶面需要通过一个光阑，该光阑的直径通常远小于光学系统中透镜的直径，因此光瞳p(x,y)主要由光阑形状及大小决定。通常该光阑为一圆孔，其大小可由镜头F数和焦距f求得。

图3 激光束在光学系统内传输示意图

Fig.3 Schematic diagram of laser transmission in inner optical system

3 彩色CCD成像系统的外场干扰实验

3.1 实验装置与实验仪器

如图4所示，多波段半导体激光器垂直进入到可见光系统，实验中激光器放置在室内，可见光成像系统置于室外1.3 km处。

图4 实验装置示意图

本实验根据辐照光源的不同主要分为两部分：一是采用单波段激光(750 nm)对受试器件进行干扰实验；二是采用多波段激光(750～970 nm)对受试器件进行干扰实验，并根据测试时有无红外截止滤光片，分析了激光波段对彩色CCD相机干扰效果的影响。

实验中多波段激光输出波段及功率主要为750 nm (160 W)、780 nm (210 W)、808 nm (210 W)、880 nm (210 W)和970 nm (210 W)，其中750 nm激光可实现单波段输出，激光器其他主要工作参数如表2所示。

表2 激光器主要工作参数

彩色CCD成像系统主要包括光学镜头和彩色CCD相机。实验时光学镜头焦距f为120 mm，F数为5，受试口径为40 mm，光学透过率为0.5。彩色CCD相机为SONY公司ICX409AK相机，像元数为752×582，像元尺寸为6.5 μm×6.25 μm，其响应率曲线如图5所示。

图5 SONY公司ICX409AK相机的响应曲线

Fig.5 Response curve of SONY ICX409AK camera

图6 Edmund光学公司研制的OD2.0短波通滤光片光谱透过率曲线
Fig.6 Transmittance curve of OD2.0 short wave passing filter

实验中所用的红外截止滤光片为Edmund光学公司研制的OD2.0短波通滤光片，其截止深度为1%，光谱透过率曲线如图6所示。从800 nm开始，光谱透过率接近于1%。

3.2 实验结果与分析

激光光源为非理想光源，M2因子较大，可采用几何光学方法对到靶功率密度I进行估算:

(8)

其中d为聚焦光斑直径，其大小可表示为：

d=2.44λF，

(9)

式中P0为初始激光功率，τa为大气透过率，τ1为光学系统透过率，D0为光学系统口径，l为激光干扰距离，θ为激光发散角，λ为激光波长，F为光学系统F数。实验中天气状况良好，通过Modtran软件计算后可得波长400～1 100 nm激光的大气透过率，如图7所示。

图7 400～1 100 nm激光传输至1.3 km处的大气透过率

Fig.7 Atmospheric transmittance of 400-1 100 nm laser at 1.3 km

实验中测得了多波段激光(750～970 nm)对彩色CCD成像系统的干扰效果，实验结果如图8和表3所示。

由图8(b)中干扰图像可以发现，输出功率为160 W的单波段750 nm激光传输1.3 km后，可实现对单彩色CCD相机的干扰，且干扰效果明显，在图像中心处出现了明显的光饱和现象。图中白色亮线应为串扰线，串扰线的出现说明入射激光功率足够强，使彩色CCD相机发生了光饱和串音现象。与图8(c)和 (d)对比可以发现，随着激光功率的进一步增强，对彩色CCD相机的干扰效果也逐渐增强，当多波段(750～970 nm)激光输出功率为1 000 W时，相机发生了全靶面饱和。此外，在图8(b)和图8(d)中光饱和区域附近还出现了一些弥散斑，弥散斑形状相同且较为规则。分析认为，这主要是杂散光造成的。进入光学系统的激光并未全部会聚在靶面中心，还有一部分激光打在镜筒边缘或镜框上发生了偏转，这部分激光光强较弱，经光学系统成像后，最终在CCD靶面形成一系列形状规则的弥散斑。

图8 彩色CCD成像系统的干扰效果。 (a) 背景图像；(b) 单波段750 nm激光干扰图像；(c) 多波段激光干扰图像；(d) 加入红外截止滤光片的多波段激光干扰图像。

Fig.8 Jamming effects of laser on colour CCD imaging system. (a) Background. (b) 750 nm laser. (c) Multi-wavelength laser (750-970 nm). (d) Multi-wavelength laser (750-970 nm) with IR filter.

表3 多波段激光(750～970 nm)对彩色CCD相机的干扰结果

为验证实验结果，基于彩色CCD相机激光干扰模型，我们利用Matlab软件对实验结果进行了数值仿真，结果如图9所示。

由仿真结果可以发现光饱和和光饱和串扰现象明显，且随着激光功率的增加，对彩色CCD的激光干扰效果逐渐增强，饱和光斑面积逐渐增大，这与实验得到的规律是一致的。通过读取干扰仿真图像饱和像素数，可以得到图9中3幅干扰仿真图像所对应的光饱和面积分别为1.0 mm×1.0 mm、近全靶面和1.5 mm×1.5 mm。与实验结果相比，仿真模型得到的干扰效果要弱于实验测得的干扰结果，分析认为，这主要是由于仿真模型中未考虑杂散光对光学系统成像效果的影响所致。

图9 彩色CCD相机干扰效果的仿真结果。 (a) 单波段750 nm激光干扰仿真图像；(b) 1 000 W多波段激光干扰仿真图像；(c) 加入红外截止滤光片的多波段激光干扰仿真图像。

Fig.9 Jamming simulation results of the laser on colour CCD imaging system. (a) 750 nm laser. (b) Multi-wavelength laser. (c) Multi-wavelength laser with IR filter.

为了深入分析激光干扰机理，我们给出了单波段750 nm激光在一个积分时间内CCD靶面光生电荷Qs的分布情况，如图10所示。

Qs/10-12CPixelatthehorizontaldirection158159160161162163164Pixelattheverticaldirection1181108.92902328012781191801201.7×1031.2×1031.7×10398250120290812701.1×104340852801214801.2×1032.2×1048.1×1042.2×1041.2×103480122280853401.1×10427081290123250981.7×1031.2×1031.7×1031201801247812280232908.9110

图10 辐照中心区CCD靶面光生电荷Qs的分布情况

Fig.10 Distribution of the laser-induced chargeQsat irradiation center

从图中数据可以看出，一个积分时间内产生的光生电荷Qs主要集中在辐照中心处的几个像元内，这说明激光束通过光学系统后聚焦在CCD靶面的面积非常小，远小于实验测得光饱和面积。另外，还可以发现光饱和区域内光生电荷Qs均大于势阱存储电荷极限值Ql(4.78×10-13C)，该区域内光生电荷Qs主要是由激光衍射效应引起的，这说明光饱和区域的形成主要是由激光束进入光学系统后发生衍射效应造成的。

此外，由于CCD器件水平方向的势垒远高于竖直方向的，使得光生电荷Qs主要向竖直方向发生溢出。由于光生电荷Qs主要集中在辐照中心，所以串扰现象主要发生在辐照中心处，即形成实验中所观察到的串音线。

3.3 多波段激光对彩色CCD成像系统的远场干扰能力估算

基于激光干扰模型，我们计算了1 000 W多波段激光(750～970 nm)对远场3，5，10，20 km处彩色CCD成像系统的干扰效果，仿真结果如表4所示。

由表中数据可以看出，随着干扰距离的增加，多波段激光(750～970 nm)对彩色CCD成像系统的干扰效果逐渐减弱。当干扰距离为3 km时，光饱和面积约为彩色CCD靶面的1/20；而当干扰距离为20 km时，光饱和面积仅为彩色CCD靶面的1/400，此时激光对成像系统的干扰效果已经相当微弱。

表4 多波段激光对彩色CCD成像系统的远场干扰仿真结果

Table 4 Jamming simulation results of laser on colour CCD imaging system at the far field

Distance/kmPowerintensitytotarget/(kW·cm-2)Lightsaturationarea/mm33.41.03×1.0351.10.75×0.75100.210.41×0.41200.3460.23×0.23

与表3中实验结果相比，尽管3 km处到靶激光功率密度低于单波段750 nm激光，但是多波段激光的干扰效果还是优于单波段750 nm激光。分析认为，这主要是由于彩色CCD相机对不同波段激光具有不同的响应特性。由图5中彩色相机的响应曲线可知，Bayer滤镜中绿光滤镜和蓝光滤镜对波长大于800 nm的激光具有较高的透过率，而对小于800 nm的激光透过率则较低。对于多波段激光，由于Bayer滤镜中绿光滤镜和蓝光滤镜对800 nm以上激光仍具有较高的透过率，从而使得在到靶功率相同的情况下，实际上作用在CCD芯片上的功率要高于单波段750 nm激光，进而造成了较好的干扰效果。

4 结论

建立彩色CCD成像系统在外场1.3 km处的干扰实验，测得了单波段750 nm激光和多波段激光(750～970 nm)对彩色CCD成像系统的干扰效果，并通过彩色CCD干扰模型对实验结果进行了理论验证和仿真分析。实验与仿真结果表明：单波段750 nm激光和多波段激光(750～970 nm)可实现对彩色CCD成像系统的有效干扰，并随着激光到靶功率密度的增加，干扰效果逐渐增强。多波段激光(750～970 nm)未加滤光片时，彩色CCD发生全靶面饱和；加入滤光片后，彩色CCD发生局部光饱和，并伴有光饱和串音现象，光饱和区域的形成主要是由激光束进入光学系统后发生衍射效应造成的。此外，值得注意的是仿真模型得到的激光干扰效果弱于实验结果，这主要是由于仿真模型中未考虑杂散光的影响造成的。

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Laser Jamming Model and Out-field Laser Jamming Experiment of Single CCD Colour Imaging System

WANG Tao-tao1， FU Yue-gang1， TANG Wei2*， WANG Rui2， WANG Ting-feng2， GUO Jin2

(1.DepartmentofOpticalEngineering,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China;2.StateKeyLaboratoryofLaserInteractionwithMatter,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofScience,Changchun130033,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:twei222@163.com

Out-field laser jamming experiment of single CCD colour imaging system irradiated by multi-wavelength laser (750-970 nm) was done. Laser jamming effects of colour CCD imaging system with different irradiating conditions were measured at 1.3 km. Laser jamming model was set up, and theoretical proving and analysis on experimental results were completed. Theoretical and experimental results show that the jamming effect of laser on colour CCD imaging system is obvious, CCD surface appears obvious light saturation and crosstalk phenomena. The light saturation phenomenon is caused by laser diffraction effect. In addition, laser jamming effect and light saturation gradually enhance with the increasing of the laser power density to target. When the laser power density to target of single wavelength 750 nm laser is 4.2 kW/cm2, the light saturation area of CCD surface is 0.88 mm×0.97 mm. When the laser power density to target of multi-wavelength laser is 20.7 kW/cm2, CCD device appears the whole target saturation. The simulation results are coincident with the experimental results, and it proves that the laser jamming model is correct. The simulation results for far-field laser jamming show that the laser jamming effect gradually weakens with the increasing of laser jamming distance.

laser jamming; colour CCD device; semiconductor laser; light saturation and crosstalk