0．53μm脉冲激光辐照可见光面阵CCD的实验研究

李晓龙，高 山，康华超，张雷雷，张 雷

(1．中国洛阳电子装备试验中心，河南洛阳471003;2．光电对抗测试评估技术重点实验室，河南洛阳471003;3．西安卫星测控中心，陕西 西安710003)

1 引言

电荷耦合器件(CCD)是一种固体成像器件，具有体积小、重量轻、灵敏度高、分辨率高、功耗成本低等特点，广泛应用在民用和军用领域［1］。由于CCD受强光特别是强激光辐照极易被干扰和破坏，以致于整个光电探测系统无法正常工作甚至被破坏，因此开展各波段强激光辐照对CCD干扰损伤效应研究具有十分重要的意义［2］。国内外在这一领域已开展过大量工作，但由于CCD型号种类众多，其实验结果无法涵盖所有类型的CCD，因此本文开展了0．53μm脉冲激光辐照 MTV－12V6H－EX黑白面阵CCD相机的实验研究，测得了干扰损伤阈值，丰富了激光对CCD的干扰损伤阈值数据库。

2 实验系统简介

本实验利用可见光面阵CCD作为被干扰对象;0．53μm脉冲YAG激光器作为干扰激光源，进行饱和干扰及损伤干扰;光阑与窄带滤光片组合用于去除激光器杂散光干扰;衰减片组合用于衰减激光能量;激光功率/能量计用于实时监测激光能量;利用图像采集系统存储和分析CCD输出图像。激光器距离CCD相机90 m，相机参数设置为焦距30 mm，光圈值64。实验框图如图1所示。

图1 激光辐照CCD实验研究原理图

主要实验设备参数如表1所示。

表1 主要实验设备参数

3 实验及结果分析

实验时，激光器距离CCD相机90 m，设置相机能够清晰成像时的焦距30 mm，光圈值64，CCD自动增益(AGC)为关闭(off)状态。调整激光束与CCD相机光轴对准，在CCD相机上方放置激光能量计探头监测入瞳激光能量。

实验过程中，首先将激光能量衰减至CCD线性工作区(未出现像元饱和时的状态)，然后不断减小衰减倍数，观察CCD出现饱和直至点损伤的实验现象，记录CCD受到激光干扰与损伤时的图像和激光能量，计算相应的激光能量阈值。在点损伤实验后，用显微镜观察CCD靶面和传输电路，分析CCD受损的原因。

激光辐照CCD各阶段的典型实验图像与平均激光能量密度如图2所示。

图2 典型实验现象图像

为得到激光能量密度，除了监测靶面光斑能量外，还需确定光斑面积。为此，选择CCD刚出现像元饱和时的图像作为源图像。首先通过计算机程序处理灰度图像，截取CCD像元饱和灰度图像中的光斑区域图像以及相同区域的干扰前图像，将像元饱和灰度图像中灰度为255的像素作为饱和像素，将背景图像的最大灰度级作为光斑区域边缘像素值，统计像元饱和图像的光斑区域像素数量，然后根据CCD 尺寸参数(0．5 in(1．27 cm)，长宽比 4∶3，面积0．77 cm2)，折算靶面光斑面积，最后结合监测的靶面光斑能量，计算出CCD处于不同干扰阶段的激光能量密度。

按上述方法计算得靶面光斑面积为1．95×10－5cm2。根据能量计监测的镜头后的光斑能量，计算激光对CCD的干扰损伤阈值如表2所示。

表2 CCD干扰损伤阈值统计表

通过计算机程序统计图1(b)中光斑区域的饱和像素数与光斑大小如表3所示。

表3 CCD靶面光斑面积统计表

由表3可得，随着激光衰减倍率的减小，CCD像元饱和区域的饱和像素数起伏很小。

当衰减倍率降为28 dB时，CCD已呈现较多的溢出电荷，CCD的饱和程度逐渐加深，已过渡到饱和串音阶段。

通过计算机程序统计图1(c)中饱和串音图像中的饱和像素数如表4所示。

表4 CCD饱和像素数

由图1(c)和表4可得，当衰减倍率为24 dB时，CCD已呈现明显的光束亮线和弥散亮斑，即饱和串音现象。随着衰减倍率继续减小，激光辐照CCD区域的饱和像素明显增多，并且光束亮线逐渐变粗，弥散光斑逐渐扩大，直至覆盖整个目标区域。

当设置衰减倍率为1 dB时，一个激光脉冲即可造成CCD点损伤，在关闭激光器后，CCD损伤部位的像素点已经不能正常成像，在图像上呈现出永久亮点，即“坏点”。点损伤区域不影响CCD上未受损伤区域的成像，CCD在整体上仍然可以正常成像。

通过计算机程序统计图1(d)点损伤区域像素数和面积大小如表5所示。

表5 CCD点损伤区域像素数

表5数据表明，当衰减为1 dB时，一个激光脉冲造成的点损伤区域的面积大小起伏不大，激光能量阈值稳定，激光对CCD的破坏程度相近。

以上实验结果表明:CCD探测器的饱和阈值与辐照面积、辐照时间、激光波长及靶面像素数有关。CCD从像元饱和达到点损伤的阈值范围很宽。CCD刚达到像元饱和时的阈值为2．88μJ/cm2，达到CCD点损伤的阈值为5．18×104μJ/cm2，二者相差约104量级。CCD像元饱和与饱和串音属于激光对CCD的软损伤［3］，会干扰CCD正常成像，但不会损伤CCD靶面材料，在停止激光辐照后，CCD仍然能够正常成像。CCD点损伤属于激光对CCD的硬损伤［4］，会造成CCD靶面局部损伤，损伤部位形成永久亮点，不能正常成像。但由于点损伤仅仅破坏了CCD少量像素点，不影响未被损伤区域的像素点成像，因此在停止激光辐照后，CCD在整体上仍保持成像能力。

激光辐照CCD产生的CCD饱和现象是由CCD器件结构决定的。CCD探测器的每个像元可等效为一个电容，CCD像元在受到光照时，能够形成电子势阱，在其结构确定后，每个势阱存储和处理的最大电子电荷数是一定的［5］。当照射在CCD光敏面上的激光能量增大到一定程度时，将产生足够多的光生载流子，导致输出电压信号仍然随着激光辐照强度的增大而继续增大，但CCD的像元输出灰度级达到最大值255，不再随着激光辐照强度的增大而继续增大，从而形成了CCD像元饱和。

由于实验系统中的CCD前加有光学镜头，激光光斑在CCD靶面聚焦成像，光斑辐照CCD的像素数量较少。当激光能量继续增大时，饱和区域像素中的信号对相邻区域的未饱和像素会产生耦合影响［6］。由于CCD的光积分时间为几微秒到几百微秒，而光生载流子产生时间仅为10－12s量级，因此将有足够的时间发生电子“溢出”现象。由CCD结构可知，其光敏单元是并行的，而转移传输单元是串行的，各单元之间用沟阻隔开，但基底是相同的，因此短时间内产生的大量光生电荷，在光信号积分时间内，光生载流子将穿越势垒沿着传输沟道由近及远依次向周围邻近势阱中扩散，使得未被辐照的像元区域也有电信号输出，从而出现CCD饱和串音现象。在这一阶段，CCD输出图像中穿越光斑中心沿着CCD传输沟道方向的光束亮线，呈现出连续而且相对光斑对称分布的特点。产生该现象的原因是在同一传输沟道内，只有两侧较近的势阱被填满后，载流子才能向更远的势阱溢出，而且载流子向两侧溢出的概率是相等的。

脉冲激光具有较高的峰值功率，相比连续激光，更容易造成CCD器件的损伤，损伤程度与脉冲宽度及能量密度大小有关［7］。对于纳秒脉冲激光，其脉冲宽度远大于电子和离子的能量交换时间和电子热传导时间，因此极易导致CCD像元表面受到激光热熔融作用而引起CCD像元失效，成像形成永久亮点，出现点损伤。通过显微镜观察CCD点损伤区域，发现CCD损伤区域有明显的热蚀汽化痕迹，而没有热应力撞击裂痕，这就表明是激光对CCD表面的热熔融作用导致了CCD的点损伤。

4 结论

本文通过开展脉宽为10 ns、波长为0．53μm的脉冲激光辐照可见光面阵CCD的实验研究，获取了CCD从饱和到点损伤的激光能量阈值，充实了激光干扰损伤CCD阈值数据库。实验结果表明:当阈值为2．88～65．3 μJ/cm2时，达到像元饱和;当阈值为1．52×102～1．64 ×104μJ/cm2时，达到饱和串音;当阈值为5．18×104μJ/cm2时，一个脉冲即可实现点损伤，损伤原因是激光对CCD表面的热熔融作用。

［1］ SUN CW．The effect of laser Irradiation［M］．Beijing:National Defence Industry Press，2002．(in Chinese)孙承伟．激光辐照效应［M］．北京:国防工业出版社，2002．

［2］ XU X J，ZENG JL，LU Q S，et al．Stugy on influence to the quality of array CCD camera’s image formation under irradiation of CW － YAG laser［J］．Laser ＆ Infrard，1999，28(1):36 －39．(in Chinese)许晓军，曾交龙，陆启生，等．连续波YAG激光辐照对面阵CCD探测器成像质量影响的研究［J］．激光与红外，1999，28(1):36 －39．

［3］ ZHANG Z，CHENG X A，JIANG Z F．Excessive Saturation effect of visible light CCD［J］．High Power Laser and Particle Beams，2008，20(6):917 －920．(in Chinese)张震，程湘爱，姜宗福．可见光CCD的光致过饱和现象［J］．强激光与粒子束，2008，20(6):917 －920．

［4］ JIANG N，ZHANG C，NIU Y X，et al．Numerical simulation of pulsed laser induced damage on CCD arrays［J］．Laser＆ Infrared，2008，38(10):1004 － 1007．(in Chinese)姜楠，张雏，牛燕雄，等．脉冲激光辐照CCD探测器的硬破坏效应数值模拟研究［J］．激光与红外，2008，38(10):1004－1007．

［5］ AnneDurecu，Pierre Bourdon，Olivier Vasseur．Laser －dazzling effects on TV－cameras:analysis of dazzling effects and experimental Parameters weight assessment［C］．Proc．of SPIE，2007，6738:67380L － l～ 67380L－6．

［6］ ZHANG Z．Laser－ indueed dazzling phenomenain visible light CCD and their mechanism［D］．Changsha:National University of Defense Technology，2010．张震．可见光CCD的激光致眩现象与机理研究［D］．长沙:国防科学技术大学，2010．

［7］ ZHONG Hairong，LU Qisheng，WEN Tiefeng，et al．Analysis of destructionmedianism of CCD by Laser［J］．High Power Laser and Partide Beams，1998，10(4):537 －542．钟海荣，陆启生，文铁峰，等．激光辐射CCD的破坏机理分析［J］．强激光与粒子束，1998，10(4):537 －542．