激光辐照行间转移型CCD的串扰效应

周旋风，张德锋，王彦斌，肖文健，任广森，李 华

（电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳471003）

1 引 言

电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）图像传感器具有体积小、灵敏度高、动态范围大等优点，已经被广泛应用于生产、科研和安全等领域［1-3］。CCD图像传感器通常是各种光电成像装备的核心器件。按照电荷转移方式，CCD可以分为帧转移型、行间转移型和帧行间转移型3种，其中行间转移型CCD（Interline Transfer CCD，IT-CCD）的应用最多［4］。CCD图像传感器在激光辐照下极易受到干扰进而影响其正常工作，干扰形式主要包括饱和现象和串扰现象［5-6］。饱和现象主要表现为受辐照区域的像元灰度值不再随着激光功率的增加而增加，而串扰现象则表现为随着激光功率的增加而在图像中穿越主光斑中心沿CCD传输沟道方向出现亮线。基于上述特性，利用激光直接对光电装备实施干扰的大功率激光压制干扰方式，是光电对抗最重要的手段之一。针对激光压制干扰试验，要采用内外场结合的办法，通过外场典型试验和内场仿真试验，对干扰效果及干扰效能进行综合评估。因此，开展激光对CCD干扰机理的研究并获得激光干扰效应图像具有十分重要的意义。

目前，针对激光辐照CCD的串扰现象已经进行了大量的实验研究，主要集中在串扰阈值的实验测量、机理分析和干扰效应图像的获取［7-14］。这些研究不仅涉及到普通面阵CCD、TDI-CCD和彩色CCD等多种类型，还包含了双光束辐照和准平行光干涉等多种干扰条件。在CCD光电转换效应分析方面，Kawai等人提出光电二极管在饱和之后会出现Knee效应，并给出了近似计算公式［7］，Djité等人基于像元响应函数推导了光电二极管的量子效率和串扰分布［9］。在串扰效应形成机理方面，早期研究人员认为串扰是光生电荷从光辐照像素沿着传输沟道由近及远依次溢出至两侧像素而形成的。张震等根据实验结果和原理分析进一步将串扰分为第一类串扰和第二类串扰，并指出串扰线的形成主要是由第一类串扰引起的［15］。在实验测量的基础上，通过计算机仿真手段获取激光干扰CCD的图像数据，不仅可以提高实验灵活性，还可以大大降低实验成本。因此，研究人员基于成像机理开展了激光干扰CCD的仿真研究，并获得了干扰效应图像［16-19］。但在这些仿真研究中，对串扰产生的机理和电荷溢出的具体过程还缺乏深入的分析，因此模型比较简单，并且仿真结果中没有体现出两个串扰过程的差异。

本文针对IT-CCD的串扰现象开展了实验和仿真研究。在实验结果中，对两个串扰过程形成的串扰效应图像进行了比较。结合CCD的工作原理，对串扰现象的产生过程进行了深入的理论分析，并开展了激光辐照IT-CCD的串扰效应图像仿真，可有效支撑激光压制干扰的内场仿真试验。

2 实 验

2.1 实验装置及方法

采用532 nm激光辐照IT-CCD的实验装置布局如图1所示。激光器的输出激光为准直激光，光斑尺寸约为5 mm。在激光光路上采用一系列可调固定衰减片实现激光能量衰减，在此之后激光经过一个50∶50的分束镜，其中反射激光进入功率计进行功率监测，透射激光直接辐照CCD相机。实验数据通过相机自带的图像采集软件实时显示记录，可通过读取图像灰度值观察激光对CCD的辐照效应。

图1 激光辐照IT-CCD实验布局示意图Fig.1 Experimental setup for laser irradiation on ITCCD

本实验中所采用的相机型号为DMK33G618，为行间转移型CCD，其成像芯片为Sony ICX618ALA。CCD的分辨率为640×480，有效像素尺寸为5.6μm×5.6μm，图像灰度量化等级为12 bit。CCD的垂直转移周期约为30μs，帧频为60 frame/s，积分时间在10~30 s之间调节。实验中相机增益设定为0 d B，积分时间为10μs。

CCD相机镜头的有效焦距为35 mm，光阑尺寸为25 mm。实验中为了得到较大的干扰光斑，通过调节镜头的位置，使得CCD探测靶面偏离焦点位置。为了降低背景光的影响，整个实验都在黑暗环境下进行。

2.2 实验结果

实验开始后，通过改变固定衰减片来调节激光功率，得到不同条件下的辐照效应图像。当进入CCD相机的功率为0.1μW时，实验结果如图2（a）所示。图中所有像素均未达到饱和，图像的灰度峰值为2 722。从图2（b）可以看出，激光光斑基本呈高斯分布，计算可得光斑腰斑尺寸为30 pixel，约为0.2 mm（考虑像素尺寸为7μm）。为了消除噪声的影响，将灰度值小于17的像素点置0，统计所有像素的灰度值总和为Gall=2 638 554，据此可以估计线性响应区域内单位灰度值对应的激光功率约为3.8×10-14W，对应的激光功率密度为7.7×10-5mW/cm2，灰度饱和时的激光功率密度为0.32 mW/cm2。图2（c）给出的是灰度调整为［0，25］时的图像，可以隐约看到穿越主光斑的串扰线。串扰线的存在可以从图2（d）中得到证实，图中的灰度值是对远离光斑的各行灰度求平均值得到的，从图中可以看出串扰线的平均灰度值小于1。

图2 功率为0.1μW时的串扰效应图像Fig.2 Images of crosstalk effect with laser power of 0.1 μW

进一步提高激光功率，得到典型的串扰效应图像，如图3所示。图3（a）~3（c）的 灰 度 为［0，4 096］，插图为远离主光斑的各行的灰度平均值；图3（d）~3（f）的灰度为［0，500］，插图为光斑中心所在列的灰度值。从图中可以清晰看出，随着激光功率的增大，串扰线强度逐渐增强，光斑饱和区域变大，并且不再呈现高斯分布特性，出现了沿传输方向的串扰。

图3 不同功率条件下的串扰效应图像Fig.3 Images of crosstalk effect with different laser powers

综上所述，串扰效应主要包含两种形式：一种是串扰线，其特点是贯穿整个传输列，在图像未饱和时也会出现，灰度值一般未饱和，对应文献［15］中的第一类串扰；另一种是串扰光斑，其特点是出现在主光斑附近，只有在主光斑饱和后才会出现，灰度值一般都已经饱和，对应文献［15］中的第二类串扰。值得注意的是，串扰线的强度随光强线性增加［20］。

3 IT-CCD的工作原理及串扰效应的产生机理分析

3.1 IT-CCD的结构和工作原理

IT-CCD的像素结构如图4所示，其基本结构由感光二极管（Photo Diode，PD）、转移控制栅、垂直CCD寄存器、水平CCD寄存器以及读出放大器等组成。它们分别完成信号的产生与积分、读出转移、垂直转移、水平转移和检测等功能。一个感光二极管和其对应的垂直CCD周期单元构成图像传感器的一个像素。各行感光二极管之间，以及垂直CCD和相邻列感光二极管之间都是由沟阻隔开的，但垂直CCD和本列感光二极管之间则是由转移控制栅隔开的。

图4 IT-CCD的像素结构示意图Fig.4 Structure of pixels for IT-CCD

IT-CCD的读出转移、垂直转移及水平转移和输出信号之间的时序关系示意图如图5所示（彩图见期刊电子版）。假设CCD的像元规模为m×n，即探测面上有m行和n列有效像素。从图5中可以看出，当感光二极管完成对入射光的积分后，读出脉冲驱动转移控制栅打开，信号电荷被同时转移到对应列的垂直CCD中。在经历读出垂直转移时间差（trvd）后，垂直脉冲驱动垂直CCD发生一次转移，在此之后水平脉冲驱动水平CCD发生一次转移，最后检测放大电路将电荷信号转化为水平电压信号并输出。当水平CCD在水平图像时间（thii）内完成n次转移后，再经历水平图像消隐时间（thbi），垂直脉冲驱动垂直CCD发生第2次转移。重复上述动作，当垂直CCD经历垂直图像时间（tvii）完成m次转移后，进入垂直图像消隐时间（tvbi），完成一帧图像的输出。其中，垂直扫描周期（Tvsp）由一个垂直图像时间和一个垂直消隐时间构成，水平扫描周期（Thsp）由一个水平图像时间和一个水平消隐时间构成。当不考虑快门的作用时间时，帧周期（Tf）即是相机的积分时间（Tint），并且和垂直扫描周期（Tvsp）相等。当考虑快门作用时（快门脉冲如图5中红色短虚线所示），有效积分时间为最后一个快门脉冲和下一个读出转移之间的时间。

图5 IT-CCD的时序示意图Fig.5 Sketch map of time sequences for IT-CCD

3.2 IT-CCD的串扰效应产生机理

结合实验结果和IT-CCD的工作原理，可以将电荷溢出分为两个溢出过程：第一个溢出过程为积分周期内的溢出，第二个溢出过程为读出转移时的溢出。前者发生在光电二极管和对应垂直CCD之间，形成串扰线；后者发生在垂直CCD之间，形成串扰光斑。

串扰效应的具体形成过程如图6所示（彩图见期刊电子版）。图6给出了5个典型时刻的电荷分布情况，每个时刻中的左边列代表感光二极管，右边列代表垂直传输CCD，灰色方块代表着背景光产生的电荷，红色圆点代表的是激光产生的电荷。图6（a）给出的是读出转移完成时刻的电荷溢出情况，对应着第二个溢出过程，如图中白色箭头所示。图6（b）给出的是积分周期内光生电荷量不满足溢出条件时的电荷分布情况。图6（c）~6（e）给出的是积分周期内光生电荷量满足溢出条件时的电荷分布情况，对应着第一个溢出过程，如图中黑色箭头所示。由于激光随时间均匀照射，而垂直CCD也是周期性地向下移动，因此每个单元得到的电荷数相等，为一个水平扫描周期内所产生的电荷量。当考虑快门作用时，快门脉冲时刻感光二极管的电荷会清空，但已经溢出到垂直CCD中的电荷却无法清空。

图6 IT-CCD的电荷溢出过程示意图（（a）读出转移完成时刻；（b）积分周期内的第1次垂直转移；（c）积分周期内的第s次垂直转移；（d）积分周期内的第m-1次垂直转移；（e）积分周期内的第m次垂直转移）Fig.6 Sketch map of charge overflowing process for ITCCD（（a）Read-out transfer completion time；（b）The first vertical transfer in the integration cycle；（c）The s-th vertical transfer in the integration cy⁃cle；（d）The m-1st vertical transfer in the integra⁃tion cycle；（e）The m-th vertical transfer in the in⁃tegration cycle）

4 IT-CCD的串扰效应图像仿真

在前文对IT-CCD串扰图像产生机理进行详细分析的基础上，结合具体的辐照激光信息和成像CCD参数，就可以对串扰图像进行仿真。具体而言，需要分别完成探测靶面激光能量分布、光生电荷分布、串扰电荷分布、以及检测电压分布和灰度量化分布的仿真。

4.1 探测靶面激光能量分布仿真

激光在探测靶面上的能量分布特性与入射激光空间特性以及传输光学系统都有着密切的关系。由于实验中采用的准直激光光斑尺寸远小于光阑尺寸，因此光阑衍射效应可以忽略。根据实验结果，激光光斑呈现高斯分布特性，因此采用基模高斯光束模型来分析靶面激光能量分布。准直激光的腰斑半径为ω1=2.5 mm，则对应的q参数为假设从激光腰斑到镜头的距离为l，镜头到探测靶面的距离为l'，镜头的有效焦距为F，则从干扰激光腰斑到探测靶面的变换矩阵为：

根据式（1）计算得到探测靶面的激光的q参数为：

从式（2）可以看出，经过镜头变换后的激光在任意传输位置仍然保持高斯分布特性，因此只需要确定光斑半径即可确定激光能量分布。实验测量得到探测靶面激光的光斑尺寸为0.2 mm，因此在仿真中定义探测靶面上的激光能量分布为光斑半径为ω2=0.1 mm的高斯光斑。

4.2 串扰效应产生过程仿真

激光作用于CCD探测靶面时，感光二极管通过光电转换将入射光子转换为光生电荷。在CCD正常成像的过程中，感光二极管的光生电荷随着景物的光强线性增加，但在激光辐照情况下，光生电荷量不但不再随光强线性增加，甚至会停止变化［1］。本文采用简化模型描述光电转换过程，如图7所示。当入射激光功率较低时，光生电荷随着入射激光功率线性增加，对应的量子效率为η1。当输入激光功率超过线性阈值Pvth时，光电转换的量子效率降低为η2，此时的光生电荷量为Qvth。正常成像时为了保证工作在线性区，灰度饱和阈值Pgth一般小于线性阈值，对应的光生电荷量为Qgth。而当入射激光能量足够强时，单像素中的光生电荷量也可能超过势阱容量Qqth，此时会发生电荷溢出，对应的入射激光功率为Pqth。

图7 感光二极管的光电转换效率曲线Fig.7 Photoelectric conversion efficiency curve of photo⁃diode

根据探测靶面的激光能量分布信息，结合感光二极管的光电转换规律，就可以得到光生电荷的分布情况。在此基础上考虑串扰的两个溢出过程，可以得到调整后的串扰电荷分布。电压检测过程和灰度量化过程都采用简单的线性模型，只是在灰度量化过程中需要考虑灰度饱和阈值的影响，因此对两者的仿真可以合并为对灰度量化分布的仿真。

4.3 串扰效应图像仿真

为了与实验结果进行比较，在串扰仿真中IT-CCD的像元规模、像素尺寸等参数的设定均与实验保持一致。感光二极管的量子转换效率分别为η1=0.6和η2=0.01，对应光电转换饱和点的电荷量Qvth=8 250e-。感光二极管和传输CCD的饱和电荷量均设定为Qqth=9 000e-。检测电压灵敏度为Rqv=1×10-4V/e-，灰度量化的饱和电压设定为0.75 V，对应的饱和电荷量Qvth=7 500 e-。光电二极管到垂直CCD单元的溢出效率为0.065%，垂直CCD单元之间的溢出效率为99.9%。根据上述参数，对功率为0.1 μW时的情况进行了仿真，得到的串扰效应图像如图8所示。图像没有出现饱和，灰度峰值为2 741。图中没有观察到串扰线，因为计算得到的串扰线灰度值小于0.5，因此在量化过程中被置为0而无法体现。

图8 功率为0.1μW时串扰效应的仿真图像Fig.8 Simulated image of crosstalk effect with laser pow⁃er of 0.1μW

进一步对不同功率下的情况进行了仿真，得到的串扰效应图像如图9所示，数据处理方式与图3相同。从仿真图像中可以清晰地看出串扰线和串扰光斑的差异。比较图9和图3可以发现，无论是串扰线的强度还是串扰光斑的强度，仿真图像与实验获得的图像都非常接近。对饱和像元数和串扰线强度进行统计计算，结果如表1所示，在不同功率条件下的仿真相对误差均小于40%，说明仿真模型具有很高的精度。分析结果还可以发现，当干扰激光功率较低时，饱和像元数和串扰线强度受干扰激光本身的靶面能量分布特性的影响更大，而实验中的激光特性与高斯光束有较大偏差，这使得在低功率条件下的相对误差更大。而当干扰激光功率较高时，饱和像元数和串扰线强度受饱和串扰效应的影响更大，因此对应的仿真误差变小。

表1 仿真数据与实验数据对比结果Tab.1 Comparison results of simulation data and experi⁃ment data

图9 不同激光功率下的串扰效应仿真图像Fig.9 Simulated images of crosstalk effect with different laser powers

5 结 论

本文开展了激光辐照IT-CCD的串扰效应实验研究，测量了CCD的响应特性，并计算得到CCD的饱和阈值为0.32 mW/cm2，比较分析了不同激光功率下的串扰效应图像特性。在此基础上，对IT-CCD串扰现象的产生机理进行了深入分析。针对IT-CCD读出转移、垂直转移及水平转移和输出信号之间的时序关系，将串扰溢出分为积分周期内的溢出和读出转移时的溢出两个过程。按照探测靶面的激光能量分布仿真、光生电荷分布仿真、串扰电荷分布仿真，以及检测电压分布和灰度量化分布仿真等各个阶段建立了串扰图像的仿真模型。利用模型对实验进行仿真，得到了不同功率下的串扰效应图像，统计计算表明，仿真的相对误差均小于40%，仿真结果与实验结果吻合得很好。