CCD光敏面上规则点阵的产生机理

王彦斌，张德锋，周旋风，肖文健，任广森

（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）具有体积小、功耗低、灵敏度高和动态范围大等优点［1-2］，因此被广泛应用于工业、农业、科研和军事等领域［3-5］。然而，极高的光探测灵敏度也使得CCD极容易受到强激光的干扰和损伤［6-8］。近年来，人们在激光辐照CCD方面已经开展了大量的研究工作，大致可以分为以下4个方面：第一、实验测量和推算CCD的软破坏阈值（包括饱和阈值、过饱和阈值、串扰阈值等）［6，9-10］和硬破坏阈值（包括热熔融阈值、光学击穿阈值和直接破坏阈值等）［11］；第二、观察发现激光辐照CCD产生的新现象（包括像元饱和、过饱和、过饱和串扰、黑 白 屏 现 象 和 黑 白 十 字 交 叉 线 等）［6-7，12］；第三、结合半导体、激光传输和激光与物质相互作用等理论，研究解释新现象产生的潜在机理和主要导致因素［3，8］；第四、考核评估激光辐照CCD后的干扰/损伤效果，提出评估干扰/损伤效果的算法与方法［9，13-14］。

本项目组在开展波长1 064 nm激光辐照可见光面阵CCD的实验时，发现随着入射激光能量的增大，在CCD光敏面上产生了以激光主光斑为中心、周围分布规则点阵的现象。本文重点研究激光光斑周围规则点阵的产生机理，从激光入射参数、CCD光敏面参数和前置光学系统参数3个方面入手，开展了几十次的激光干扰效应测试，最终根据实验数据和精准的理论计算，揭示了规则点阵的产生机理。

2 实 验

图1 是1 064 nm激光辐照可见光面阵CCD的实验简图。为避免外界杂散光（阳光、灯光等）的干扰，实验在光学暗室内进行。激光器是波长为1 064 nm的纳秒Nd∶YAG激光器，由北京镭宝激光技术有限公司研制，光束发散角为0.5 mrad，单脉冲能量为180 mJ，脉冲重频在1~100 Hz可调。衰减片组用来调节入射激光能量。CCD探测器是光敏面对角线1/3″的可见光面阵CCD，由北京联合赛仪科技有限公司代理生产，型号为DMK23G445，采用索尼公司的感光元件ICX445AQA，像元规模为960（水平）×1 280（垂直），像元大小为3.75μm，输出图像灰度值为1~4 096。3514MM是与CCD配套使用的前置光学系统（俗称镜头），视场为7.85°，焦距为35 mm。带箭头的虚线是激光束的传输方向，激光器与CCD的作用距离为30 m，实验时将3514MM镜头和CCD均放在高度可调的升降架上，方便调节，实现激光束正入射3514MM镜头。

图1 激光辐照CCD的实验布局图Fig.1 Layout of laser irradiating CCD experiment

为避免CCD被强激光照射而损坏，从高衰减倍率η为100 dB开始实验。脉冲重频调至10 Hz，CCD积分时间设置为40 ms，3514MM镜头F数调节为16。逐渐减小衰减倍率，增大入射激光能量，过程如图2所示。当η减小到80 d B时，CCD光敏面上出现了较弱的激光光斑，如图2（a）所示。当η为60 d B时，激光主光斑增大，在其周围隐约可见排列规则的格点阵列，如图2（b）所示；当η=50 dB时，激光中心主光斑继续增大，周围格点增多，排布非常规则，如图2（c）所示；当η=45 dB时，激光中心主光斑持续增大，在主光斑周围出现了发散的光芒，这是前置光学系统光阑的衍射效应［15-16］引起的，规则点阵分布范围继续增大，并且点阵左上方出现了圆环条纹［17-18］，这是不同光成分的干涉效应产生的。

图2 规则点阵的产生Fig.2 Formation of regular lattices

为定量研究规则点阵的分布情况，以图2（c）为例，首先读出该图像的灰度分布，确定激光主光斑的中心在像元（487，702）上。然后，分别做出穿过主光斑中心的第487行和第702列灰度值随行/列像元位置的变化曲线，如图3（a）和3（b）所示，第487行灰度极大值（对应图2（c）第487行的格点分布）分别出现在像元571，600，628，653，679，702，727，752，778，806，836处，相邻灰度极大值/格点的平均间距为26.5个像元，像元大小为3.75μm，因此，行相邻极大值/格点的平均间距约为99.38μm。第702列灰度极大值（对应图2（c）第702列的格点分布）分别出现在像元354，384，411，437，462，487，511，536，562，589，619，相邻极大值/格点的平均间距也为26.5个像元，因此，列相邻极大值/格点的平均间距也约为99.38μm。继而统计图2（d）中的格点间距，与图2（c）相同，点阵分布并未受到入射能量增大的影响。

图3 激光主光斑中心线上的灰度分布Fig.3 Gray-level distribution in central line of laser main spot

3 规则点阵的产生机理

为揭示激光主光斑周围规则点阵的产生机理，这里采用实验测量和理论分析相结合的方法。首先从激光入射参数、CCD光敏面参数及前置光学系统参数3个方面展开大量的实验研究，然后有针对性地进行理论分析。

3.1 激光入射参数

激光器的入射参数包括中心波长、重复频率、单脉冲能量、束散角和入射角。其中，重复频率和单脉冲能量的变化影响的是入射能量，然而随着入射能量的增大，格点间距并没有受到影响，如图2所示。因此，本文主要改变入射激光的中心波长、束散角和入射角等其他参数。

3.1.1 更换不同波长的激光器

为研究规则点阵与激光波长λ的关系，采用不同波长的激光器开展辐照实验，结果如图4所示。图4（a）是532 nm激光的干扰效应，532 nm激光器的发射参数为：重频10 Hz，单脉冲能量50 mJ，脉宽10 ns，衰减倍率60 dB，作用距离30 m；光学系统F数为16，CCD积分时间为40 ms。增大入射能量的过程中，没有观察到规则点阵。图4（b）是632 nm激光的干扰效应，632 nm激光器输出准连续光，输出功率约为1 mW，光束发散角为0.6 mrad，作用距离为30 m。光学系统F数为16；CCD积分时间为40 ms，实验中也没有观察到规则点阵。图4（c）是670 nm激光的干扰效应，670 nm激光器的发射参数包括：重频率30 kHz，平均输出功率约3 mW，脉宽20 ns，衰减倍率20 dB；光学系统F数为16，CCD积分时间为40 ms，也没有观察到规则点阵。图4（d）是780 nm激光的干扰效应，780 nm激光器的发射参数包括：重复频率30 k Hz，平均输出功率约5 mW，脉宽20 ns，衰减倍率20 dB；光学系统F数为16，CCD积分时间为40 ms，也没有观察到规则点阵。因此，可见光波段激光辐照时没有规则点阵产生。

图4 不同波长下的激光干扰效应Fig.4 Laser disturbing effect under different wavelengths

3.1.2 改变激光束的束散角

为研究规则点阵与激光束散角的关系，在1 064 nm激光器出光口添加不同倍率的扩束系统，改变入射激光束的束散角α，开展了激光辐照实验，结果如图5所示。1 064 nm激光器的发射参数为：重复频率1 Hz，单脉冲能量50 mJ，衰减倍率55 d B；光学系统F数为1.4，CCD积分时间为40 ms。从扩束系统输出的束散角α为20 mrad时，输出图像是一个理想的圆光斑，光斑周围隐约可见点阵的出现，如图5（a）所示束散角α为15 mrad时，规则点阵清晰起来，如图5（b）所示；束散角α分别为10，5 mrad时，主光斑均有所增大，周围的规则点阵更加清晰，分别如图5（c）和5（d）所示，这是由于激光束散角减小以后，光学系统入口处的功率密度增大，入射到CCD光敏面上的功率密度增大的缘故。统计图5（c）和5（d）中相邻格点的间距，均为99.38μm，可见激光束散角的变化对格点间距没有影响。

图5 不同激光束散角下的激光干扰效应Fig.5 Laser disturbing effect under different divergence angles

3.1.3 改变激光束的入射角

通常将激光束的入射方向与光学系统光轴指向的夹角定义为入射角φ。将3514MM镜头和CCD放置在二维精密转台上，通过改变光轴的指向进而改变入射角φ。图2是φ=0°的激光干扰效应，相邻格点的间距为99.38μm。图6给出了不同入射角下的激光干扰效应和图像第487行的灰度分布。如图6（a）所示，φ=1°时激光光斑向左平移，第487行灰度极大值分别出现在像元413，442，469，495，521，547，569，595，621，647，677，相邻格点的间距为26.4个像元，即为99.0μm；如图6（b）所示，φ=2°时激光光斑继续向左平移，第487行灰度极大值分别出现在像元248，276，302，329，353，378，403，428，455，481，511，相邻格点的间距为26.3个像元，即为98.6 μm；如图6（c）所示，φ=3°时激光光斑继续向左平移，第487行灰度极大值分别出现在像元106，136，162，186，214，236，260，288，314，343，相邻格点的间距为26.3个像元，即为98.6μm。由此可见，随着入射角的增大，激光光斑只发生了平移，规则点阵的形状和相邻格点间距几乎没有影响。

图6 不同激光入射角下的激光干扰效应Fig.6 Laser disturbing effect under different incident angles

3.2 CCD像元尺寸

为研究规则点阵与CCD光敏面参数（主要是像元尺寸与规模）的关系，采用型号为DMK23G618的CCD代替型号DMK23G445的CCD开展1 064 nm激光辐照实验。光学系统F数为16，CCD积分时间为1 s，作用距离为12 m。与DMK 23G445相比，该CCD的像元尺寸由3.75μm增大为5.6μm，像元规模由960（水平）×1 280（垂直）变化为480（水平）×640（垂直）。实验结果如图7所示，当重频f=5 Hz、衰减倍率η=10 dB时，CCD输出图像只有一个小光斑；当f=20 Hz，η=10 d B时，相同积分时间内收集的脉冲数增加到4倍，收集能量增加，激光主光斑增大，周围隐约可见小范围的点阵；当f=5 Hz，η=0 dB时，入射激光能量继续增大，规则点阵范围开始增大；当f=20 Hz，η=0 d B时，规则点阵范围进一步增大。对图7（c）和图7（d）中相邻格点的间距进行计算，约为11.4个像素，即63.84μm，间距不随着入射激光能量的增大而变化。由此可见，改变CCD光敏面的像元尺寸能够改变规则点阵的格点间距，并且像元越小，间距越大。

图7 型号DMK 23G618 CCD采集的激光干扰效应Fig.7 Laser disturbing effect captured by DMK 23G618 CCD

3.3 光学系统参数

光学系统的主要参数包括F数（即焦距与孔径的比值）、焦距和光路结构。其中，按光路结构，光学系统可分为透射式光学系统和反射式光学系统，前面采用的3514MM镜头属于透射式光学系统。

3.3.1 改变光学系统的F数3514MM镜头的光圈F数可调节为32，16，8和2.8。激光发射参数和探测器参数与3.2相同，衰 减 倍 率η=60 dB。图8（a）~8（d）是3514MM镜头不同F数下的激光干扰效应。当F=32时，光阑孔径最小，激光入射到CCD光敏面的能量也最小，只是一个较小的激光光斑；F=16时，入射能量增大，主光斑增大，规则点阵开始显现；F=8时，主光斑继续增大，规则点阵范围增大；F=2.8时，主光斑继续增大，规则点阵范围也继续增大，其他各格点处的小光斑也在增大。统计图8（b）~8（d）中CCD输出灰度图像相邻格点的间距，均为99.38μm，可见光学系统F数的变化对相邻格点的间距没有影响。

图8 不同F数下的激光干扰效应Fig.8 Laser disturbing effect under different F-numbers

3.3.2 改变光学系统的焦距

为研究光学系统焦距对规则点阵的影响，采用型号为5018MM镜头开展激光干扰效应测试，实验结果如图9所示。5018MM镜头同样是透射式光学系统，焦距为50 mm，F数为1.8。激光发射参数包括：中心波长为1 064 nm，单脉冲能量为50 mJ，重复频率为10 Hz。CCD参数同3.2小节。衰减倍率η=20 d B时，CCD输出图像只有一个小光斑，如图9（a）所示；η=10 dB时，激光主光斑增大，在其周围出现小范围的格点阵列，如图9（b）所示；η=5 dB时，激光主光斑继续增大，规则点阵范围增大；η=0 dB，即激光能量没有衰减时，规则点阵范围继续增大，如图9（d）所示。统计图9（c）和9（d）中CCD输出灰度图像相邻格点的间距，同样为99.38μm，可见规则点阵的产生与光学系统的焦距无关，与所用光学系统的具体型号无关。

图9 镜头5018MM下不同衰减倍率的激光干扰效应Fig.9 Laser disturbing effect with different attenuation ratios under 5018MM lens

3.3.3 改用折返镜头

为研究光学系统的光路结构对规则点阵的影响，采用折返式肯高镜头开展激光辐照实验，结果如图10所示。3514MM镜头和5018MM镜头均是透射式镜头，光线按照镜片序列依次传输到CCD光敏面；折返式镜头光线有折返，非序列传输到CCD光敏面，光路结构不同。肯高镜头的型号是400 mmF8，焦距为400 mm，F数为8。激光发射参数为：波长1 064 nm，重频100 kHz，输出功率1 W，作用距离增大到3 km。CCD选用型号为DMK23G618，配折返镜头角分辨率优于3″。图10（a）~10（d），衰减倍率从10 d B降到5 dB再降到0 dB，激光主光斑逐渐增大，规则点阵从产生到分布范围逐渐扩大。图10（d）是对图10（c）激光光斑区的放大显示。统计图10（b）~10（d）中相邻格点的间距，约为11.3个像元，即为63.2μm，与图7相邻格点的间距基本相同。另外，还开展了折返镜头配型号为DMK23G445 CCD、作用距离为3 km的激光辐照实验，相邻格点的间距仍为99.38μm。由此可见，规则点阵的产生与光学系统的光路结构无关，也与作用距离无关。另外，实验采用的是1 064 nm高重频激光器，格点间距不变表明它与激光的重频也没有关系，与激光器自身的输出特性无关。

图10 折返镜头下不同衰减倍率的激光干扰效应Fig.10 Laser disturbing effect with different attenuation ratios under catadioptric lens

上述实验结果表明：（1）规则点阵的产生与入射波长有关，与其他发射参数（能量、束散角、入射角、重频和作用距离）无关，只有1 064 nm激光能够产生规则点阵，原因是532，632，670和780 nm激光均是可见光镜头和硅基CCD的中心波段响应，绝大部分光能量被吸收，1 064 nm激光距离中心波段较远，激光入射到CCD光敏面后，还有相当一部分能量反射进前置光学系统，并再次反射到CCD光敏面上形成杂散光；（2）规则点阵相邻格点的间距与CCD的像元尺寸有关，像元越小，间距却越大；（3）规则点阵的产生与光学系统参数无关，F数、焦距和光路结构均对相邻格点的间距都没有影响。

3.4 理论分析

点阵的分布非常规整、稳定，通过改变激光器及其发射参数，格点间距不变，证明不是激光器自身输出的；另外，CCD的像元越小，格点间距越大，呈反比关系，二者排除了几何光学中光直线传输产生的可能性，所以判定点阵的起因是波动光学引起的。波动光学中有干涉效应和衍射效应，通过改变光学系统的型号（焦距）、F数和光路结构，相邻格点的间距均不受影响，表明不是两光束或者多光束的干涉效应，因为光学系统的改变必然引起光束之间相位差的改变，进而改变规则点阵和格点间距，所以点阵也不是干涉效应产生的，这样就将起因锁定在激光传输的衍射效应上。

图10 通过采用小视场（约0.6°）、高分辨率（角分辨率为3″）的折返镜头，可以更清楚地观察到激光光斑的细节。图10（d）是对激光光斑的放大显示，可以清楚看到每个亮格点都处于一个个正方形的中心，与正方形一一对应。CCD光敏面是由像元构成，每个像元都是3.75μm×3.75 μm或者5.6μm×5.6μm的正方形，因此，CCD光敏面可以看作是一个排布规则的二维平面光栅，光栅常数即是像元大小。一个亮格点对应一个正方形像元，可以推测规则点阵是CCD光敏面的二维光栅衍射效应引起的。据北京联合赛仪科技有限公司技术人员介绍，CCD探测器有两层保护窗，如图11所示，从外到内首先是一层芯片保护窗，然后是一层光敏面保护窗，二者距离H通常在几个mm。光敏面保护窗紧贴芯片光敏面，二者距离h在150~200μm内。

图11 规则点阵的形成机理Fig.11 Formation mechanism of regular lattices

激光入射到CCD光敏面后产生衍射效应，衍射光传输至CCD的光敏面保护窗后再反射到光敏面上，形成规则点阵。由光栅的衍射效应方程：

式中：θ是光栅衍射角；j是衍射光的级数；d是像元尺寸，对于型号为DMK23G445的CCD，d=3.75μm，对于型号为DMK23G618的CCD，d=5.6μm。由式（1）可知，衍射效应产生的能量分布是等间距的，而我们观察到的点阵也是等间距的。相邻格点的间距l由衍射光到光敏面保护窗再到光敏面的一次反射而形成的简单几何关系（如图11所示）计算得到，即：

当光敏面保护窗与光敏面距离h=168μm，衍射级次j=1时，对于型号为DMK 23G445的CCD，相邻格点的间距为99.42μm，与实验结果99.38μm相比误差为0.04μm；对于型号为DMK 23G618的CCD，相邻格点的间距为65.02 μm，与实验结果63.84μm相比误差为1.18μm。二维衍射理论计算的格点间距与两款CCD的实验结果相一致，由此证明了CCD光敏面的二维光栅衍射是规则点阵产生的原因。

4 结 论

本文报道了1 064 nm激光辐照可见光面阵CCD时产生的规则点阵现象，点阵的分布非常规则、稳定。通过大量实验，从规则点阵产生可能相关的每一个条件因素（激光器及激光入射参数、CCD像元参数、光学系统参数）入手，揭示了规则点阵的产生机理。最后，采用高分辨率（角分辨率3″）的折返镜头开展实验，清晰观察到激光光斑的细节。理论计算的格点间距与两款CCD的实验结果相一致，最大偏差仅为1.18 μm，从而证明了CCD光敏面的二维光栅衍射是规则点阵产生的诱因，衍射光经过入射窗的一次反射形成了规则点阵。另一方面，规则点阵也为二维光栅衍射的理论研究和实际应用提供了有力支撑。