李曉龍，高 山，康華超，張雷雷，張 雷

(1．中國洛陽電子裝備試驗中心，河南洛陽471003;2．光電對抗測試評估技術(shù)重點實驗室，河南洛陽471003;3．西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安710003)

1 引言

電荷耦合器件(CCD)是一種固體成像器件，具有體積小、重量輕、靈敏度高、分辨率高、功耗成本低等特點，廣泛應(yīng)用在民用和軍用領(lǐng)域［1］。由于CCD受強(qiáng)光特別是強(qiáng)激光輻照極易被干擾和破壞，以致于整個光電探測系統(tǒng)無法正常工作甚至被破壞，因此開展各波段強(qiáng)激光輻照對CCD干擾損傷效應(yīng)研究具有十分重要的意義［2］。國內(nèi)外在這一領(lǐng)域已開展過大量工作，但由于CCD型號種類眾多，其實驗結(jié)果無法涵蓋所有類型的CCD，因此本文開展了0．53μm脈沖激光輻照 MTV－12V6H－EX黑白面陣CCD相機(jī)的實驗研究，測得了干擾損傷閾值，豐富了激光對CCD的干擾損傷閾值數(shù)據(jù)庫。

2 實驗系統(tǒng)簡介

本實驗利用可見光面陣CCD作為被干擾對象;0．53μm脈沖YAG激光器作為干擾激光源，進(jìn)行飽和干擾及損傷干擾;光闌與窄帶濾光片組合用于去除激光器雜散光干擾;衰減片組合用于衰減激光能量;激光功率/能量計用于實時監(jiān)測激光能量;利用圖像采集系統(tǒng)存儲和分析CCD輸出圖像。激光器距離CCD相機(jī)90 m，相機(jī)參數(shù)設(shè)置為焦距30 mm，光圈值64。實驗框圖如圖1所示。

圖1 激光輻照CCD實驗研究原理圖

主要實驗設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 主要實驗設(shè)備參數(shù)

3 實驗及結(jié)果分析

實驗時，激光器距離CCD相機(jī)90 m，設(shè)置相機(jī)能夠清晰成像時的焦距30 mm，光圈值64，CCD自動增益(AGC)為關(guān)閉(off)狀態(tài)。調(diào)整激光束與CCD相機(jī)光軸對準(zhǔn)，在CCD相機(jī)上方放置激光能量計探頭監(jiān)測入瞳激光能量。

實驗過程中，首先將激光能量衰減至CCD線性工作區(qū)(未出現(xiàn)像元飽和時的狀態(tài))，然后不斷減小衰減倍數(shù)，觀察CCD出現(xiàn)飽和直至點損傷的實驗現(xiàn)象，記錄CCD受到激光干擾與損傷時的圖像和激光能量，計算相應(yīng)的激光能量閾值。在點損傷實驗后，用顯微鏡觀察CCD靶面和傳輸電路，分析CCD受損的原因。

激光輻照CCD各階段的典型實驗圖像與平均激光能量密度如圖2所示。

圖2 典型實驗現(xiàn)象圖像

為得到激光能量密度，除了監(jiān)測靶面光斑能量外，還需確定光斑面積。為此，選擇CCD剛出現(xiàn)像元飽和時的圖像作為源圖像。首先通過計算機(jī)程序處理灰度圖像，截取CCD像元飽和灰度圖像中的光斑區(qū)域圖像以及相同區(qū)域的干擾前圖像，將像元飽和灰度圖像中灰度為255的像素作為飽和像素，將背景圖像的最大灰度級作為光斑區(qū)域邊緣像素值，統(tǒng)計像元飽和圖像的光斑區(qū)域像素數(shù)量，然后根據(jù)CCD 尺寸參數(shù)(0．5 in(1．27 cm)，長寬比 4∶3，面積0．77 cm2)，折算靶面光斑面積，最后結(jié)合監(jiān)測的靶面光斑能量，計算出CCD處于不同干擾階段的激光能量密度。

按上述方法計算得靶面光斑面積為1．95×10－5cm2。根據(jù)能量計監(jiān)測的鏡頭后的光斑能量，計算激光對CCD的干擾損傷閾值如表2所示。

表2 CCD干擾損傷閾值統(tǒng)計表

通過計算機(jī)程序統(tǒng)計圖1(b)中光斑區(qū)域的飽和像素數(shù)與光斑大小如表3所示。

表3 CCD靶面光斑面積統(tǒng)計表

由表3可得，隨著激光衰減倍率的減小，CCD像元飽和區(qū)域的飽和像素數(shù)起伏很小。

當(dāng)衰減倍率降為28 dB時，CCD已呈現(xiàn)較多的溢出電荷，CCD的飽和程度逐漸加深，已過渡到飽和串音階段。

通過計算機(jī)程序統(tǒng)計圖1(c)中飽和串音圖像中的飽和像素數(shù)如表4所示。

表4 CCD飽和像素數(shù)

由圖1(c)和表4可得，當(dāng)衰減倍率為24 dB時，CCD已呈現(xiàn)明顯的光束亮線和彌散亮斑，即飽和串音現(xiàn)象。隨著衰減倍率繼續(xù)減小，激光輻照CCD區(qū)域的飽和像素明顯增多，并且光束亮線逐漸變粗，彌散光斑逐漸擴(kuò)大，直至覆蓋整個目標(biāo)區(qū)域。

當(dāng)設(shè)置衰減倍率為1 dB時，一個激光脈沖即可造成CCD點損傷，在關(guān)閉激光器后，CCD損傷部位的像素點已經(jīng)不能正常成像，在圖像上呈現(xiàn)出永久亮點，即“壞點”。點損傷區(qū)域不影響CCD上未受損傷區(qū)域的成像，CCD在整體上仍然可以正常成像。

通過計算機(jī)程序統(tǒng)計圖1(d)點損傷區(qū)域像素數(shù)和面積大小如表5所示。

表5 CCD點損傷區(qū)域像素數(shù)

表5數(shù)據(jù)表明，當(dāng)衰減為1 dB時，一個激光脈沖造成的點損傷區(qū)域的面積大小起伏不大，激光能量閾值穩(wěn)定，激光對CCD的破壞程度相近。

以上實驗結(jié)果表明:CCD探測器的飽和閾值與輻照面積、輻照時間、激光波長及靶面像素數(shù)有關(guān)。CCD從像元飽和達(dá)到點損傷的閾值范圍很寬。CCD剛達(dá)到像元飽和時的閾值為2．88μJ/cm2，達(dá)到CCD點損傷的閾值為5．18×104μJ/cm2，二者相差約104量級。CCD像元飽和與飽和串音屬于激光對CCD的軟損傷［3］，會干擾CCD正常成像，但不會損傷CCD靶面材料，在停止激光輻照后，CCD仍然能夠正常成像。CCD點損傷屬于激光對CCD的硬損傷［4］，會造成CCD靶面局部損傷，損傷部位形成永久亮點，不能正常成像。但由于點損傷僅僅破壞了CCD少量像素點，不影響未被損傷區(qū)域的像素點成像，因此在停止激光輻照后，CCD在整體上仍保持成像能力。

激光輻照CCD產(chǎn)生的CCD飽和現(xiàn)象是由CCD器件結(jié)構(gòu)決定的。CCD探測器的每個像元可等效為一個電容，CCD像元在受到光照時，能夠形成電子勢阱，在其結(jié)構(gòu)確定后，每個勢阱存儲和處理的最大電子電荷數(shù)是一定的［5］。當(dāng)照射在CCD光敏面上的激光能量增大到一定程度時，將產(chǎn)生足夠多的光生載流子，導(dǎo)致輸出電壓信號仍然隨著激光輻照強(qiáng)度的增大而繼續(xù)增大，但CCD的像元輸出灰度級達(dá)到最大值255，不再隨著激光輻照強(qiáng)度的增大而繼續(xù)增大，從而形成了CCD像元飽和。

由于實驗系統(tǒng)中的CCD前加有光學(xué)鏡頭，激光光斑在CCD靶面聚焦成像，光斑輻照CCD的像素數(shù)量較少。當(dāng)激光能量繼續(xù)增大時，飽和區(qū)域像素中的信號對相鄰區(qū)域的未飽和像素會產(chǎn)生耦合影響［6］。由于CCD的光積分時間為幾微秒到幾百微秒，而光生載流子產(chǎn)生時間僅為10－12s量級，因此將有足夠的時間發(fā)生電子“溢出”現(xiàn)象。由CCD結(jié)構(gòu)可知，其光敏單元是并行的，而轉(zhuǎn)移傳輸單元是串行的，各單元之間用溝阻隔開，但基底是相同的，因此短時間內(nèi)產(chǎn)生的大量光生電荷，在光信號積分時間內(nèi)，光生載流子將穿越勢壘沿著傳輸溝道由近及遠(yuǎn)依次向周圍鄰近勢阱中擴(kuò)散，使得未被輻照的像元區(qū)域也有電信號輸出，從而出現(xiàn)CCD飽和串音現(xiàn)象。在這一階段，CCD輸出圖像中穿越光斑中心沿著CCD傳輸溝道方向的光束亮線，呈現(xiàn)出連續(xù)而且相對光斑對稱分布的特點。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是在同一傳輸溝道內(nèi)，只有兩側(cè)較近的勢阱被填滿后，載流子才能向更遠(yuǎn)的勢阱溢出，而且載流子向兩側(cè)溢出的概率是相等的。

脈沖激光具有較高的峰值功率，相比連續(xù)激光，更容易造成CCD器件的損傷，損傷程度與脈沖寬度及能量密度大小有關(guān)［7］。對于納秒脈沖激光，其脈沖寬度遠(yuǎn)大于電子和離子的能量交換時間和電子熱傳導(dǎo)時間，因此極易導(dǎo)致CCD像元表面受到激光熱熔融作用而引起CCD像元失效，成像形成永久亮點，出現(xiàn)點損傷。通過顯微鏡觀察CCD點損傷區(qū)域，發(fā)現(xiàn)CCD損傷區(qū)域有明顯的熱蝕汽化痕跡，而沒有熱應(yīng)力撞擊裂痕，這就表明是激光對CCD表面的熱熔融作用導(dǎo)致了CCD的點損傷。

4 結(jié)論

本文通過開展脈寬為10 ns、波長為0．53μm的脈沖激光輻照可見光面陣CCD的實驗研究，獲取了CCD從飽和到點損傷的激光能量閾值，充實了激光干擾損傷CCD閾值數(shù)據(jù)庫。實驗結(jié)果表明:當(dāng)閾值為2．88～65．3 μJ/cm2時，達(dá)到像元飽和;當(dāng)閾值為1．52×102～1．64 ×104μJ/cm2時，達(dá)到飽和串音;當(dāng)閾值為5．18×104μJ/cm2時，一個脈沖即可實現(xiàn)點損傷，損傷原因是激光對CCD表面的熱熔融作用。

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