强辐射环境下CMOS图像传感器噪声对相机分辨率的影响

王海川，冯 婕，李豫东,*

(1.中国科学院 新疆理化技术研究所，新疆 乌鲁木齐 830011；2.新疆电子信息材料与器件重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；3.中国科学院大学，北京 100049)

强辐射环境是辐射环境下的一种极端情况，其具体包括核电站相关设施的日常运行、维护、事故应急处理等。该环境包含大量α、β、γ射线及中子，具备高剂量率、高总剂量等特点。由于中子水平在运行反应堆外一般很低，且α和β辐射都可以通过相对薄的外壳进行有效屏蔽，因此当相机在强辐射环境上工作时，γ射线辐照是引起相机中电子器件性能退化的主要原因[1-2]。

CMOS图像传感器(CIS,CMOS image sensor)首次报道于20世纪60年代，近年来，CIS性能快速提升，有些已经追赶甚至超过电荷耦合器件(CCD,charge coupled device)性能，而且CIS有着体积小、集成度高、低功耗、质量轻等独特优势。在遥感成像、工业监控等图像采集方面正逐步取代原有的CCD。CIS作为电子器件，在强辐射场中工作时会受到γ射线辐照影响产生暗电流噪声，从而影响相机的分辨率[3-5]。因此有必要对强辐射环境下工作的相机系统进行抗辐射实验，探究累积剂量、噪声和分辨率间的定量关系。

目前，国内外已有多项辐射环境对相机分辨率影响的研究[6-8]。2004年，KIM等基于倾斜边缘技术测量调制传递函数(MTF)参数研究了X射线对闪烁体耦合CMOS APS阵列成像仪分辨率的影响；2007年KIM等基于系统MTF对X射线下闪烁体耦合CMOS传感器的空间分辨率受暗信号的影响程度进行评估；2010年，俞杰等对中子照相中CCD相机瞬态噪声对成像分辨率的影响与具体屏蔽需求进行了深入分析。但上述研究主要关注累积辐射剂量、射线类型和CIS图像传感器噪声间的关系或累积辐射剂量对CCD系统的影响，尚未基于器件辐射效应和MTF函数推导获得γ射线辐照后CIS噪声对相机分辨率的影响，同时也未开展辐照后相机分辨率实际测试方法研究，但这些对相机辐照前后分辨率评估很重要。

分辨率是相机系统性能评估的重要参数，ISO 12233:2017数码相机分辨率测量标准提出视觉分辨率、极限分辨率与空间频率响应(SFR)3种相机分辨率测试方法并推荐使用新型分辨率测试卡进行相机分辨率测试[9-10]。视觉分辨率、极限分辨率可基于测试卡中的楔形图进行检测。视觉分辨率是主观测试方法，结果易受图像输出显示器和观察者的影响。极限分辨率可采用Imatest等软件进行判定，数值较为准确且具备可重复性。SFR可用于测量作为空间频率函数的对比度损失，测试结果同时受镜头和感光器件以及处理程序的影响。由于SFR经过数学处理就能转化成MTF函数，因此可认为SFR与MTF基本等价。目前ISO 12233采用SFR测试法为Peter Burns提出的基于倾斜5°的黑白渐变斜边的方法来测量SFR[11]。

本文通过理论推导，建立噪点数量占图像总像素数量之比和成像分辨率之间的函数关系，通过辐照试验验证上述函数关系，从而获得累积剂量、噪点数量占图像总像素数量之比和成像分辨率的定量关系。并通过与MTF公式计算值作比较分析楔形图和SFR斜边图两种分辨率测试方法的适用性，同时提出辐照后快速评估相机分辨率退化的方法。

1 辐照试验

1.1 试验样品与试验条件

试验样品为CIS相机，相机内部CIS为安森美半导体公司推出的高性能CMOS图像传感器，有效像素数为210万，每个像素尺寸为3 μm×3 μm。相机工作模式为滚动曝光，伽马值设定为1。

辐照试验地点为中国科学院新疆理化技术研究所的60Co-γ射线辐照源。试验总剂量为200 krad(Si)，相机测试所选取剂量点分别为20、50、70、100、150、200 krad(Si)，剂量率为50 rad(Si)/s。

辐照试验时，相机采用在线测试方法。该方法由相机主板提供器件的驱动时序与偏压，使器件处于正常工作状态，同时相机与钴源外部PC机和电源连接，可进行相机的实时监测。相机主板和相机一起辐照，辐照剂量率相同。当达到设定的剂量点时降源，进行相机整体的移位测试，测试和辐照均在室温(24 ℃)下进行。

1.2 相机参数测试方法

相机系统测试具体操作为：1)将辐照后CIS与辐照后主板进行连接，安装未辐照镜头，搭建完整相机系统进行相机性能测试；2)将辐照后CIS与未辐照主板进行连接，安装相同的未辐照镜头，其余测试条件保持不变，重复相机性能测试。

实验采用Imatest软件对相机拍摄的测试卡图片进行分析，Imatest软件是一款基于Matlab运算平台的图形图像分析软件，可通过和测试卡、光源灯等器材结合使用对相机系统的性能参数进行测试。其中Imatest软件具备对楔形图、SFR、动态范围、信噪比和色彩还原能力等参数进行测试的功能，例如，基于测试卡图片楔形图提取基于楔形的MTF。本试验采用数字图像采集与基于Imatest软件处理技术获取分辨率数据。

相机分辨率测试采用分辨率测试卡为ISO 12233:2017标准中推荐的ISO 12233 eSFR新型测试卡，该卡具备楔形图和SFR斜边图两种分辨率测试方法，由于通过两种分辨率测试方法得到的CIS相机分辨率结果出现不一致的现象，通过分析发现，利用基于楔形图获取混淆的开始频率测试法评估辐照相机分辨率参数在本次实验中更具合理性。

相机分辨率测试步骤：按标准要求在标准光源下，使用相机拍摄ISO 12233 eSFR新型测试卡(反射型)，利用CL-500A辐射照度计对测试卡表面照度误差进行测量，要求测试卡表面照度误差在±10%以内，相机曝光时间保持不变，连续拍摄10幅图，可挑选拍摄效果最好的图片；使用Imatest软件利用eSFR ISO测试功能，输入照度，测试卡与相机距离等实测参数，导入相机所采集的测试卡图片进行自动处理，最后导出测试数据进行分析。

2 试验结果与讨论

2.1 CIS暗电流随电离总剂量的变化

暗电流即CMOS图像传感器内部像素单元在暗场条件下，由于其结构内部各类缺陷(界面缺陷和体缺陷)的存在，能产生与被耗尽区所吸收的电子所形成的电流，暗电流单位e-/s[12]。如图1所示，随着电离总剂量的增加，器件暗电流显著增大。

图1 暗电流与累积剂量关系Fig.1 Change of dark current vs.total ionizing dose

以4T像素结构对暗电流的产生机理进行分析，如图2所示，电离辐射导致Si-SiO2界面处产生大量界面陷阱电荷，主要分布在浅槽隔离区(shallow trench isolation,STI)外围、TG-PPD交叠区、PPD表面[13-14]。其中表面P区的高浓度掺杂基本可去除电离损伤所产生的界面缺陷造成的影响，因此γ辐照后PPD表面产生的缺陷对暗电流影响较小。

图2 暗电流产生机制示意图Fig.2 Schematic diagram of dark current generation mechanism

STI界面产生电流的产生机理如下：辐照过程中，STI区域淀积的Si-SiO2界面产生断裂的悬挂键，形成界面缺陷。此外，随着工艺进步，氧化层的厚度变薄，硅和氧的不完全反应界面生成的SiO等气态不稳定物质会在高温的情况下从氧化层中排出，在界面处产生位缺陷。因此在电离辐射过程中，悬挂键和位缺陷的密度会随着电离总剂量的增加而持续上升，成为辐照后暗电流增加的主要来源之一[14-18]。

TG-PD交叠区产生电流的产生机理如下：在电荷传输期间，由于表面高浓度P区(P+)和TG传输门栅存在交叠，P+层浓度过高，栅下部分N区出现耗尽夹断现象，令FD到N区的电压在该区域上形成高电场，导致热载流子的形成。所形成的热载流子持续轰击Si-SiO2界面，形成较多的表面快界面态，造成界面缺陷水平和暗电流的上升。另外，界面态所引发的暗电流在高电场的作用下与其他掺杂原子发生碰撞电离，产生更多的热电子并堆积在TG沟道中，导致TG管的阈值电压发生偏移，从影响PPD的电荷最大收集能力。此外，在经过辐照后，由于电离损伤的作用，TG沟道栅氧化层界面形成更多的悬挂键，缺陷密度增加，继而更易生成上述快界面态[14-18]。

因此，经过γ射线辐照后，CIS暗电流显著增加，主要是由STI界面缺陷产生电流和TG-PD交叠区产生电流所致。

2.2 相机分辨率随电离总剂量的变化

1)噪点数量和相机分辨率函数关系的推导过程

MTF反映成像系统在不同空间频率下的分辨能力，通过计算系统的MTF反映的传感器分辨率可有效测量系统的分辨率[6]。MTF计算公式为：

(1)

式中：Imax为图片目标区域的最大灰度值；Imin为图片目标区域的最小灰度值。

考虑到相机系统受到包括光学镜头、外围电路、传感器等多种因素的影响，相机系统的MTF如下式所示[7]。

MTFsystem=MTFpictureMTFcameraMTF其他

(2)

当相机拍摄图片存在噪声时，假设图片目标区域的最大灰度值区域的噪点数量占图像总像素数量的比值为σlight，图片目标区域的最小灰度值区域的噪点数量占图像总像素数量的比值为σdark，最小灰度值区域的噪点平均灰度值为g1，像素数量为n，则存在噪点的最大灰度值区域图像灰度值的增量为I亮-噪，最大灰度值区域的噪点平均灰度值为g2，其值为σlightng2，存在噪点的最小灰度值区域图像灰度值的增量为I暗-噪，其值为σdarkng1。辐照后相机MTF转移函数，MTFcamera-radiation的计算公式[7-8]如下：

MTFcamera-radiation=

(3)

则辐照后成像系统的MTF如下式所示：

MTFsystem-radiation=

MTFpictureMTFcamera-radiationMTF其他

(4)

2)相机噪点数据处理与分析

为探究剂量与相机噪点数量的关系，通过试验获取辐照后CIS与辐照后主板和未辐照主板分别组合成的相机在不同累积剂量下暗电流噪声的变化情况，如图3所示。图4为相机所采集测试卡图片目标区域的最小灰度值区域和最大灰度值区域噪点数量以及整个目标区域平均噪点数量和累积剂量的关系。

图3 相机与主板的平均噪点数量占比与累积剂量的关系Fig.3 Ratio of noise number of camera and mainboard vs.total ionizing dose

图4 辐照相机整体噪点数量占比与累积剂量的关系Fig.4 Ratio of noise number of irradiated camera vs.total ionizing dose

从图3可看出，两种组合的相机由于辐照产生的噪点数量随累积剂量的增加而增加，同时每个剂量点不同组合相机的噪点数量差值为相机辐照主板所引入的噪声，根据图中折线的斜率可看出辐照主板噪点数量增长率小于辐照相机整体的噪点数量增长率。其中相机主板上具有大量MOS器件，其中MOS器件内部的栅氧层对电离总剂量效应较敏感，在γ射线辐照下氧化物陷阱电荷和Si/SiO2界面陷阱电荷的产生会增大MOS管的1/f噪声，因此辐照后相机主板噪声随累积剂量的增加而增加[19]。此外，相机主板电源辐照后功能变化导致输出电压变化和数字电路噪声(如ΔI噪声)都有可能对相机主板噪声产生一定影响。

从图4可看出，辐照相机成像图片目标区域的最大灰度值区域的噪点数量在累积剂量达到100 krad(Si)时发生明显增加，而辐照相机成像图片目标区域的最小灰度值区域的噪点数量在累积剂量达到150 krad(Si)时发生急剧增加。其中测试卡图片噪声是由光源光子性质、内部图像传感器和放大器引起的热能等物理因素所导致的。相机所采集的图像是可见光有效信号与噪声的叠加，其中噪声主要可分为图像信号噪声和本底噪声。图像信号噪声为外部存在输入信号下入射光子带来的散粒噪声。本底噪声包括CIS相机噪声和γ射线引入的辐射噪声。在固定光强和相机曝光时间前提下，图像信号噪声仅与CIS本身辐照特性相关。因此最大灰度值区域的噪点数量受光子散粒噪声的影响更大。另一方面γ射线辐照导致CIS暗电流增大，产生这部分暗电流的像素单元在整个CIS像素阵列中呈泊松分布，从而形成暗电流噪声。本底噪声随着累积剂量的增加而增大，对像素灰度值产生影响，且多数噪声信号集中在图像的暗部。因此最小灰度值区域的噪点数量受CIS相机噪声和γ射线引入的辐射噪声的影响更大。

3)相机分辨率数据分析处理与分析

本次相机分辨率测试采用分辨率测试卡为ISO 12233:2017标准中推荐的ISO 12233 eSFR新型测试卡，该卡具备的楔形图和SFR斜边图两种分辨率方法。测试卡可对辐照后移位测试的相机的分辨率利用视觉分辨率、极限分辨率与空间频率响应3种方法进行判断。

其中，图5为软件基于楔形图测试得到的混淆的开始频率处的分辨率与累积剂量的关系。其中混淆的开始频率(检测到的条数低于楔形图总条数以下时的空间频率)不受信号处理的影响(锐化、降噪等)，可对不同类型相机的分辨率进行评估。另外可从图5看出，基于楔形图测试得到的混淆的开始频率处的分辨率曲线出现拐点所对应的累积剂量点为150 krad(Si)，与图4中目标区域的最小灰度值区域的噪点数量占图像总像素数量曲线拐点所对应的累积剂量点相同。

图5 基于楔形图测试得到的混淆的开始频率处的分辨率与累积剂量的关系Fig.5 Resolution ratio for aliasing onset based on wedge pattern test vs.total ionizing dose

图6为软件基于ISO 12233标准的SFR测试后的MTF50处的分辨率与累积剂量的关系。图中所标注的MTF50是当MTF数值降至最大值的50%时对应的频率，从图中可看出，MTF50的数值未随累积剂量的增加出现明显变化。

图6 基于SFR测试的MTF50处的分辨率与累积剂量的关系Fig.6 Resolution ratio for MTF50 based on SFR test vs.total ionizing dose

图7为分辨率测试卡灰度值与累积剂量的关系。从图5、7可看出，保持CIS不变更换主板后分辨率的变化具有不同趋势，且光场下辐照后相机图像受到光子噪声的影响较弱。

图7 分辨率测试卡灰度值与累积剂量关系Fig.7 Gray value of camera resolution chart vs.total ionizing dose

图8为基于图7中测试卡图片楔形图区域的灰度值，代入式(3)进行计算，从图中可发现，计算出的MTF值均随累积剂量的增加而降低，其中基于楔形图计算的MTF值整体变化趋势与基于楔形图测试得到的混淆的开始频率处的分辨率随累积剂量的变化趋势保持一致。从计算结果和代入数值可看出，对于确定的辐照相机系统，需保证辐照试验条件和测试条件不变，通过对相机测试图片噪声灰度值的分析可得，光场下成像图片最大灰度值区域的噪点灰度值对图像目标区域最大灰度值的影响可忽略。随着最大灰度值的减小，受噪点影响的最小灰度值对MTF的影响相应增大，因此随着累积剂量的增加，最小灰度值区域噪点数量的多少成为影响成像分辨率的主要因素。

图8 基于楔形图的MTF计算值与累积剂量关系Fig.8 Calculated value of MTF based on wedge pattern test vs.total ionizing dose

辐照后相机分别采用视觉分辨率、极限分辨率与空间频率响应3种方法进行分辨率测试。其中视觉分辨率为个人肉眼利用楔形图进行主观判断，可明显发现随着噪点数量的增多，可识别线对数明显下降。极限分辨率为基于楔形图测试得到的混淆的开始频率，空间频率响应为基于SFR测试的MTF50数值。通过对试验结果综合比较，可发现视觉分辨率、极限分辨率的结果具有一致性，但由于基于SFR测试的MTF50并未随累积剂量的增加而减少，与视觉分辨率的结果不相符，因此基于ISO 12233斜边图的SFR测试方法无法对辐照后移位测试的相机的分辨率进行有效评估。这是由于ISO 12233标准中SFR测试采用基于倾斜边缘图像特征分析的方法，属于边缘梯度分析的特殊情况，其对具有明显边缘特征对象的系统响应进行了分析。由于该算法在边缘估计中要对每个扫描行的图像数据进行求导，受噪声的影响较大，因此通过该方法测得的参数无法准确评估辐照后相机分辨率的变化。

3 结论

本文首先通过MTF的理论推导建立了σ与辐照后成像系统MTF的函数关系，并开展了γ射线辐照CIS相机的试验，获得了相机TID>150 krad（Si）后，相机成像图片目标区域的最小灰度值区域σ>2%，相机分辨率严重退化的结论。另外通过楔形图测试法和SFR斜边测试法对辐照后相机分辨率分别测试和比较，可发现利用基于楔形图获取混淆的开始频率测试法评估辐照后相机分辨率更合理。上述研究结果为基于CIS相机辐照后性能退化评估提供了重要的理论指导，有利于抗辐照相机的开发和测试。其次，针对相机整体在γ射线辐照累积剂量大于150 krad（Si）时出现相机分辨率明显下降的情况，后续将深入探讨辐照后相机主板噪声的产生机理以及相机主板噪声和CIS噪声对相机分辨率的影响。