（光学工程专业论文）可见光ccd的激光辐照效应实验研究.pdf

冀霪鋈冀 蜒目。ic c d 美燮毡黢萋骶蹦锱墅一一一一一一一一一j ；4 饕 ? l 萨霪c c d 缀磐茬銎篓聪黼落祭一。，一一一一a t 4 适? 3 毫譬篓蠹霎篓一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 | 一5 皿j 1 鬟c c d 蕊糕阮壁墓墅蛩嚣i 萋堕荔曩蕊薹冀蒌一一一一一一一。；上l 弱2 ：5 囊瓣c c d 镱鳟鏊簧； l 耋薹蠢枣镰；b 囊照参冀镬i 。一一一一。一一一一一9 霪2 。6 露誊蹬巨嚼鹱蕊露一一一一一。一一一一一一。一一? 9 盆l ? il c c i d k 熙滴籍聪篓一一一一一一一一一一一一一一一一一一i 萎2 8 l c c i d 摹能笺俑一 0 要i9 黧卷嚣蓖攫蓥壤灞一一一一一一一一一一一一一! 1l 墼g ? 目d a l s ai i i 3 “c c d 塑曼帮例瑚上j 南f 豳一? 一一；4 溢3 。2d a l s a ；k 、p 3 群豢鸶爨鬻慧羹。一一一一一一一一一一一一一一一一一一二j 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 要坦世! 勉塑邀出握盟煎廑塞坠盟窒 学位论文作者签名：i 墨：錾 日期： 2 。苟年月马目 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阕；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题日： 亘星左婴曲邀迸堑愿熬廑塞坠班巍 学位论文作者签名：盗塞 作者指导教师签名：叠墨塑是 日期：2 0 0 5 年，月召日 日期：山访年2 月 日 第一章绪论 电荷祸含器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 简称c c d ，是上世纪七十年代开始发展起来的 一种新型的半导体器件。当时，半导体表面理论，特剐是硅二氧化硅界面理论有了新的进 展，金属一飘化物+ 半导体( m o s ) 集成电路工艺已趋成熟。在这样的理论背景和实践基础 上，美国受尔实验室的w s 玻意耳( b o y l e ) 和g e 史密斯( s m i t h ) 受磁泡存贮器的启发， 对m o s 技术进行延伸，构思出电荷藕合器件，并遂邵在实验上得到了确证。 c c d 工作原理的基础是用半导体非热平衡状态的势阱进行存储和转移电荷。这与以往 在热平衡状态下工作的单极和双极型半导体器件有所不同。工作原理的这种创新带来了其 性能的很多独到之处，又虫子其可以在毒时一般盼m o s 流水线上进行制造，c c d 一开始就 褥到了很快的发展，迅速由实验室研制走向实用阶段。得益子先进的硅技术、不断发展的 超大规模集成电路技术和日趋成熟的纳米技术，时至今嗣，c c d 已经发展成为高品质的多 功能半导体器件。 c c d 在生活生产和科研中的运用也随若其功能和品质豹不颁发展丽逐渐深入到摄像、 信号处理和存储等领域。例如，c c d 以其无灼伤、凭滞斌、低功耗和寿命长等优点广泛应 用于闭路电视、家庭用摄像方筒，甚至在广播级电视摄像机中与真空摄像器件其有了相同 的应用广度：不仅如此，c c d 还因为冀高分辨率、离准确度和高w 靠性的优点丽广泛虚用 于方位测量、遥感测量、图像制导以及图像识别等工业、军事和科学研究等领域。其中， 一维线阵c c d 在传真、光学符号识别及自动精密测量等方面发挥着越来越骥要的作用。 可以说，c c d 的运用极大地提高了相关领域人们的生活质量水平，促进了生产、科臻的发 展。 随着人们对生活质量要求的进一步提高和各方面工作进一步发展中新矛盾的出现， c c d 豹性能也需要不叛趣改进。这秘对性能改进的要求，催促警c c d 的迸一步发展。例 如，为了缩小像素厦积、增加像素数熬而又不能降低光吸收效率，富士公司研制出了超级 c c d ；像元数的不断增加，要求发展高频高帧速c c d ，目前砷化镓c c d 最高帧速达到9 0 0 帧秒，可蠲予激光捡测及瞬变分析；为了取得更好粒图像色彩效果，索尼公司研割了医色 c c d , 美国f o v e o n 公司研制了f o v e o n x 3 多层感包c c d 图像转感器：为了克服高空c c d 容易产生的“辐射软化”现象，美国、日本一些公司研制出了“有源像素传感器”；为了 满足红外制导、筑外对抗、夜视及热成像等的需要，红外c c di e 在向低成本、易制造、 高度集成、商量子效率、一氐波纹外强及非致冷墅等方向发展。总之，c c d 的发展和应用方 兴束艾，存褒着巨大的潜力。 在c c d 蓬勃发展和广泛废用的历史进程中，贯穿始终的是c c d 器伟的三大功能，即 c c d 的光电转换功能、信号存储功熊和信号传输功能。其中。c c d 的光毫转换功能使得 人们对一种特殊的光激光与它的榍瓦作用的效成及其机理产生了浓厚的兴趣。激光早 c c d 十年出现，与c c d 一样，自产生之日起就得到了迅速的发展和广泛的应用。迄今为 止，人们已经制造了各种波长的脉冲和连续激光器，各种新型激光器也在不断豹推出，其 应嗣已经遍布生活生产和科研的各个领域。激光与一般自然界的光和照明用灯光大不相 同，具有高亮度、高相干性、高单色性和商方向性的特点，激光辐照物体所产生的热学和 力学等各种效应 常引入瞩目。那么，用激光来辐照c c d 究竟会产生什么样的效淀呃， 其机理又是怎么捞的昵? 科研工作者们相继对该阉趱展开了广泛砸深入地研究。 早在1 9 7 4 年，美国c h t h 。t a n gs a h 等人 1 1 就研究了局域光照射m o s 电容器g f 起的 瞬态响应问题。1 9 7 7 年美国海军实验窒的m c p e c k e r a r 、w d b a k e r 等| 2 j 研究了c c d 器件 对x 光的响应。1 9 7 8 年，r 。h d y c k 和w s t e f f e t m 研究了c c d 的光串音于扰效殿。1 9 9 t 年， c h e n z h iz h a r t g 4 研究了激光引起硅基底电荷耦合成像器件的破坏问题。1 9 9 3 年c h e n z h i z h a n g 5 1 对激光引起硅基底电荷耦合器件功能损坏的机理进行了研究。1 9 9 7 年，a y a m a s h i t a 和t d o t a n i 等人1 6 1 研究了空闻环境中辐射对c c d 的损伤。 刘泽金、陆扇生等人【7 “o j 率先对激光辐照c c d 的问题展开研究：1 9 9 1 年，对激光引起 可觅光线阵c c d 的光饱和与热饱和效应进行了研究：1 9 9 2 年，对激光引起线降可见光c c d 的局邦饱和与全部饱和进行了研究；t 9 9 4 年，疆究了激光 l 起线阵可见光c c d 豹局部破 坏效应：1 9 9 5 年，研究了激光引起面阵c c d 点破坏的枫理。倪晓武等人卧1 2 】予1 9 9 4 年测 量了激光对c c d 的几种破坏阈值，研究了激光对c c d 硬破坏的机理。1 9 9 5 年，钟海荣、 陆启生等3 】进步研究了波长为1 3 1 5 n m 的连续波辍碘激光对线阵c c d 局部的破坏效应。 1 9 9 7 年，昧德章等人【14 】用脉冲激光辐照面蛑c c d 研究了饱和干扰效应。1 9 9 8 年，钟海荣 等 1 1 总结分析了激光辐照c c d 的破坏机理。1 9 9 9 年，许晓军等【闸研究了连续波y a g 激 光辐照对覆簿c c d 探测器成像质量影确；蛰雄文从理论上研究了c c d 豹光电特性；蒺 静簿n 目硬究了c c d 掇测器的税场内和视场孙饱和效应。2 0 0 0 年，蔡德芳等人研究了c c d 探测器的饱和闽值的光谱特性。2 0 0 1 年，正世勇等 2 研究了脉冲激光辐照面阵c c d 探测 第2 页 激发产生足够多的少数载滤予，需要一定时润，因此当班高频变化对，仅靠热激发产生 的反型层不会出现。 将具有共同栅极电压的m o s 电容做在一起( 线阵或面阵) ，各单元之间用沟阻势垒隔 开，构成c c d 成璩器件豹光敏区，图2 3 为某线阵c c d 光敏区的示意图。 多晶硅) 纠眦税嬲 囤2 3 光敏区结构示意圈 在光辐熙下，硅表面附近一定深度范围内将产生穗子空穴对，空穴被捧斥出势瓣，而 电子则被贮存在势阱中，作为信号电荷。由图2 , 2 可见，对处于深耗尽状态下的m o s 电容 器来说，有 + 。= 圪，+ 圪 ( 2 1 ) 式中l 。为未加栅压的c c d 单元的表面电位，圪为绝缘层上的电位箍k 为耗尽层底到半 导体表面酶电位差，它躺分别为 k = 4 w 以x ：g ( 2 2 ) ：e s ( n a x d + i n e x d o ) 一+ g 2 f 3 ) “门 、一”， 式中n 。、札分别表示半导体材料中的受主杂质浓度和热平衡电子浓度，q 。为信号电荷量， s 为深耗尽层豹截瑟积，x 。、砖分别对应光照前、匿瓣耗尽瑶深度，q 为m o s 电容器的 电容，其大小为 e = 吾 ( 2 4 )4 4 耐 、7 d 为绝缘层的犀度，f 为褶对介电常数。图2 2 中v 。定义为g c ，。是由表面氧化层 中的电荷和金属电极与半导体的功函数之差引起的。 第5 页 = 嬖一 ( 2 5 ) 式巾以，为金属与半导体的接触电位差，昧为表面氧化层中的电荷量a 将2 2 式 2 4 式代 入2 1 式，可得宙如与幺的函数关系： “= 型型型嘎蔫塑型 ( 2 6 ) 令q ；= o ，即可得 ( 0 ) = 竺坠业避蒜掣塑 ( 2 ，) 斗硪，f v 式中岛= c f ( + ) ，表示耗尽层被电荷填满( 珞= 0 时，m o s 电容器贮存电荷量的极 限值。在m o s 电容处于深耗尽状态后，馥有两种来源：一种是热激发，由于深耗尽状态 是非平衡的，虽耗尽区的载流子浓度远运低于本征浓度，此时载流子的产生远大于复合。 根据复合中心理论，热激发空穴电子对的速率为n 2 v ， ，和f 分别是载流子的本征浓度和 寿命，只与温度有关：另一嵇是光激发的电子空穴对，冀产生这零为l o 拜砑( 1 - r ) e 一h v ， 穰为对激光的吸收系数，r 为c c d 表面反射率，v 为入射光的频率，j n 为入射光的功率密 度，r 为量子效率。不管是热激发还是光激发，只有耗尽区内产生的电子对才对信号电荷g 有贡献，记g = 7 7 ( 1 一r ) h v ，得出信弓电衙的变化率为 警= 等”e z o s g ( 1 - e - = 。) ( 2 曰 由于某个探测单元取得的信号电荷，要经过若干个同样的m o s 电容器的耦合传输， 才能输出相应的电信号，因此如何避免传输过程中信号电荷的增减，是保证掇测器探测信 意不失真的藩捉。使c c d 单元的初始电量( e 啦x 。) 和孵电流( 即2 8 式右边第一项) 保持极 小是设计和制作c c d 器件的重要指标。对正常使用的c c d 来说，这两项完全可以忽略。 于是( 2 6 ) 式和( 2 。8 ) 式可分别成为 姒q ) = j + 盖( q 咆) “ ( 2 9 ) 第6 页 f 啬= e s g i ( 2 1 0 ) 式中f 是c c d 的取样时间( 快门时间) 。上面( 2 9 ) 式和( 2 1 0 ) 式就是求解c c d 光电特性的 基本方程组。 2 12 基本方程组的求解 可见光工作波段硅c c d 器件的典型参数： s = 2 x 1 0 1 0 m 2 圪= 1 0 v ，d = 1 0 m ，s = 3 9 ， n 4 = 1 0 1 0 2 1 ，肌，一0 8 5 v ，既：3 2 1 0 “c ，a = 1 5 8 1 0 m ，”= 0 6 ， 五= 6 3 2 8 n m ，r = 0 3 5 。 将式( 2 9 ) 代入( 2 1 0 ) 式进行数值积分，得到光生电荷珐与光照能量密度w = ，。r 的关系。由 图( 2 4 ) 可见，在很大的光照能量范围内，在光生电荷几乎填满整个势阱的过程中，c c d 器 件呈线性工作特性。 1 2 o 8 q 9 0 4 0 w i j m 2 图24 硅c c d 器件光生电荷量与光照能量密度的关系 下面针对可见光器件，求得c c d 器件光电特性基本方程组的解析解。 可见光硅c c d 是由本征激发产生信号电荷的器件。本征半导体的光吸收系数特别大， 光子能量几乎全部在其表面被吸收，e - m 一般为远小于1 的小量，( 2 1o ) 式的被积函数可 近似表示为 三i 。1 + e - m a ( 2 1 1 ) 1 一e - 、 完成积分后得到 第7 页 e 蹭= q + i e s n 百a 【( 僦j + 耐+ 1 ) e - - 。+ 耐。+ 1 ) p m 。】 ( 2 1 2 ) 上式右边第二项要比g 小几个量级，可以忽略不计，于是 q = e s g t l o ( 2 1 3 ) 这就是信号电荷与光辐照功率密度的函数关系。利用已给出的典型参数，在c c d 器件的 正常工作范围内，( 2 1 3 ) 式得到的图2 4 中解析结果与数值解完全重合。 1 t ( 2 13 1 式可求得c c d 器件的响应度 署一蹭， ( 2 1 4 ) 由( 2 1 4 ) 式可知，c c d 器件的响应度只与积分时间和表面积有关，而与入射光束的功率密 度无关。 随着信号电荷的不断增加，表面电势以下降，当它下降到与邻近m o s 电容的表面电 势相等时，信号电荷就向邻近的势阱中扩散，于是出现串扰现象，无法得到正常的图像 信号。由( 2 1 ) 式式( 2 3 ) ，并作近似= 蚝。，当n , x 。 d ，数有 。粤：导：三兰；殳二：8 7 5 。l o 一。m c ， ( 3 2 ) s厂1 6 r1 将稳枫输囊周絮r = l 。3 掰j 及( 3 2 ) 式代入( 3 1 ) 式得 ：雩鲨掣观6 7 俐舾3 8 ( 3 3 ) 1 3 1 0 _ j j 、7 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 由表3 3 可知，转台对每个驱动脉冲的响应为0 0 0 4 度。所以，应该每秒给予转台9 5 0 0 个驱动脉冲。但据实验得知，转台每秒最多只能响应9 0 0 0 个脉冲，对应转速为3 6 。j 。设 转速为3 6 。j ，实验得到的图像仍然十分接近实际情况。 3 1 2 所用激光介绍 光源为1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 r i m 连续激光器。其参数见表3 4 。 表3 4 实验所用连续激光器的参数 激光波睦( n m )1 0 6 41 3 1 9 出射光斑尺寸( m m ) 中60 6 发散角( m r a d )7 1 5 最大出光功率( w )2 53 0 实验表明，这两台激光器出光功率在五瓦以上才能稳定出光。 另外，这两种激光器以氪灯光为泵浦光，它的光谱如图3 3 所示。 * g o 鼎 霉4 。o 05 0 01 0 0 01 s 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 6 0 04 0 0 04 - 5 0 0 波长( 单位r l m ) 图33 泵浦氪灯光谱曲线 由光谱图可见，氪灯光的主要部分落在1 0 0 0 n m 以下的波段，其中含有大量的可见光 组分。当激光器开启时，泵浦光也会从光腔中发出。 4 1 3 实验系统介绍 整个实验系统的布局如图3 , 4 所示。图中相机系统和激光器已经在前文介绍。下面只 介绍光路中的元件及示波器。 1 滤光片和光阑 第1 6 页 圉3 4 连续激光辐照可见光线阵c c d 实验的糸统布局图 因为泵漏光光谱中的绝大部分波段落在c c d 晌应莲图之中。为了研究c c d 对激光戆 响应特性，就必须消除泵浦光的干扰。实验中运用窄带滤光片与光阑相结合的方法最大程 度的消除了氪灯光。 滤光片参数及透过率魏线分别搁表3 5 及图3 5 掰示。 表3 51 0 6 4 n m 窄带滤光片的参数 幢值波长m ) l o $ 毒 崦值透过率 7 5 半波宽度( m ) 1 0 臂景截止深度 l o 4 截止芤匿( r m ) 3 5 0 1 2 0 0 蛾格d ( m m ) 2 5 1 4 i 圈3 51 0 6 4 n m 窄带滤光片的透过率光谱曲线 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 出上述数据可知，该滤光片可有效消除1 0 5 0 r i m 以下及1 1 0 0 n m 以上波段的兜，故可 脊效消除氪灯光。 因为滤光片的尺寸较小，故运用光阑来阻挡滤光片之外的泵浦光。 2 分光镜、功率计、衰减片 分光镜把激光按比例一分为二，一束辐照c c d ，一束照射功率计。功率计用来测量 c c d 镜头后的初始功率，并在实验过程中提供实时检测。衰减片用来衰减激光以得到低功 率激光辐照c c d 豹实验数据，并在实验过程中控制功率的变化。 3 全反镜 全反镜用来调整光路方向，选择所浆数字图像中激光光斑的背景。 4 示波嚣 示波器的探针接在c c d 芯片o s 和v s s 管脚上，用来采集c c d 芯片输出的电压信号。 第1 8 页 圈381 0 6 4 n m 连续澈兆辐照可见先线箨c o d 实验图片数据之二 图391 0 6 4 n m 连续激光正入射时静止c c d 芯片的输出信号 本次实验采集了较大激光功率密度区间( 【3 5 x 1 0 5 w c m 21 1 0 0 w c m 2 讷的光斑数据 和激光正入射时静止的c c d 从芯片电路输出的信号电压。其中较欺型的如图3 6 、3 7 、3 8 、 3 9 所示。对上述数据说明如下： 国防科学技术人学研究生院学位论文 首先探讨激光功率、先最强点的激光功率密度、光斑平均功率密度三者的关系。 实验遮穗中，保持激光器豹各种参数设置不变，通过在光路中船减衰减片控制激光功 率变化。 这样，激光的光束参数基本不变，从而光斑中备点的激光功率密度的相对大小也基本 不变。在这个前提下，光斑中心光敏元( 功率密废最大点) 上的功率密度与光斑总功塞或 平均功率密度成固定的正比例关系。通过上面的计算，已经褥到：功率为9 5 5 1 0 0 。w 的 激光光斑，其平均激光功率密度和中心光敏元上功率密度分别为3 ，5 1 0 。w ，c m 2 、 7 1 0 。w ，c m 2 。通过该组数据，对于本次实验中最初阶段采集的光斑，都可以由其功率或 平均功率密度结果计算其中心光敏元( 激光功率密度最大点) 上的激光功率密度。 误差分析：激光器内部会产生各种效应( 如激光器工作物质的热透镜效废) 瓶使得激光 光束的参数( 如发教角等) 有所改变，从而使得光斑中备点激光功率密度相对大小发生微小 变化。这样激光功率、光强最大点的激光功率密度、光斑平均功率密度最初的比例关系也 随之有微小的交化。所以，比例法求功率最大点处的激光功率密度有定的误差。 由上述功率或平均功率密度与光强最大点激光功率密度的比例关系，求得实验采集光 斑中光强最大点近似的激光功率密度使。而光强最大点处光敏元的输出电压可由示波器波 形数据得出。据此，可以作出光敏元上激光功率密度与该光敏元的芯片输出电压的关系盐 线及对数( 以2 为底的对数) 坐标藏线，如图3 。1 2 、3 1 3 所示。 图31 2 光敏元避过芯片的输出信号与1 0 6 4 n m 连续激光功率密度的关系曲线 第2 4 页 瑟餮瓣鞣黎目黧薹筑醪爱纂。凌敦稀篱翌囊鍪冀薹二蠹蠢鹜鬻雯黧荔蚕囊霉甏通融酶蛩 冁惦裙“鞑骈蝥羲藉； 女! i 巨臻引警 1 强翟睦噔 碧奄缕星臻i 骂陛瞧钮址翳鞠疆鹞弘一稠甄飘妒艄4 6 艴鳟j 驰 绻黜酗刚翳篙羹1 4 ( b ； 蓉雕谫； 襄462 一i 5 e - 9 wi 霪蠹( 5 k h z ) 1 0 6 4 n m 暮喾篷鎏毒垒藤薹娄銎攫筵墨 幽爨霜外明；基再翠少殴辣丝鲤鞠距饕鲻争i ；谬 ；耋2 + 5 i 毒l 毒苫j ! 董善l 写量i 璺差l 字萤1 + 6 4 + 1 8 8 + 2 5 5 + 2 5 5 + 1 0 5 + 3 6 + 6 1 圣i 9 9 + 2 5 5 + 2 5 5 + 2 5 0 + 7 1 + 3 9 + 1 1 1 + 2 5 5 + 2 5 5 + 2 5 l 拜耋? 盏l i 霎薹；季! ；孽孽l 孝i i 霉薹尊l 蝠雒垂警毳彳蓄i i i 睦! ( 1 9 6 x 1 0 一c m ) = 4 2 1 6 p ；( 1 9 6 x 1 0 一jc m 5 ) - - 27 1 5 b 1 0 5 i w 2 5 5 p i i 。6 x1 0 w c m 2削弱靼盟歪( 5 k h z ) 1 0 6 4 n m 垭冶墨蹬d a l s ai l ，p 3 剁攀 貉c c d 呈玑争营轴。 鄱勰矧篙；强翌氇霸臻盟是瞻带= 筅珲挺灏莺国涝蔼j 鼍雨龠国搦嚆豫噔硬荩絮 澎j 秀渗曦灏豢霞光强的增加变羹；毽节市知光强晕本枣犍堡珏型拦吼牙显鬟；毽一缓爨 圃薹曝臻哩2 5 5 虿；鬟赢霉蟊象葡m 巍鳞峨= 鸲犁2 5 5 曩掰强站裴捻黼狴瓣苦攀穰难精确 稚定数查跫霆琵置浠：警嚯冀瞧嘤埔曝吲，塑鬟掣釜邕劳篓点开始变缓! 丽丛蠢瘤捌霪蚕硪菘蓟套氧彭蹦蛩# 奏鬻洒冬 嚣黧嚣謦茹囊攀蕊点纂羹喜；蔡穗垂冀囊荔羹塑! 蠹鼯 只占1 4 个光敏元，在图3 1 5 所示的亮斑中只占中心很小的一小部分。所以平均功率密度 值2 2 w c m 2 就是图3 1 5 所示亮斑中心区域的功率密度值。也就是使光敏元出现强烈串扰 的功率密度值，该值大于阈值。 2 热饱和及其闽值 热饱和实质：热噪声使得光电转换子系统饱和。 如图3 ，8 ( c ) 、( d ) 中出现了黑色盲区，对应电信号输出为零。根据文献【2 8 】，这充分说明 了探测器芯片输出的热饱和。相对来说，图3 8 ( c ) 的功率密度2 7 0 w c m 2 较接近阈值，比阈 值为大。 3 镜头对激光的杂散效应对c c d 成像的影响 a 反射造成三光斑现象 如图3 6 ( c ) 、( d ) ，c c d 所采集的图像中出现了三个光斑，它们依次分布在垂直线阵的 方向上。换用氪灯光和5 3 2 n m 激光进行实验也出现了类似的现象，如图3 1 6 。 氟灯光辐照下c c t r t g 3 采集的光斑5 3 删光辐照下c c d 采集的光斑 图3 1 6 氪灯光和5 3 2 n m 激光辐照下可见光线阵c c d 采集到的三光斑现象 类似的光路下，用面阵c c d 作采集光斑则不会有这种现象出现，如图3 1 7 。 图31 7 通过面阵可见光c c d 采集的1 0 6 4 n m 连续激光的光斑 第2 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 强3 。t 6 和强3 1 7 说明：三光斑现象甄不由c c d 系统之铃浆光路特征造成，也不由光 束模式特征造成。 排除了上述可能，可以推断：三光斑现象的原因在于线阵c c d 与面阵c c d 不同的结 毒句郓工傣方式。 与面阵c c d 不同，线阵c c d 光敏而为维的光敏元阵列，冀两侧有较宽的镀银面。 与光敏元的一维分布结构相对应，c c d 需要旋转扫描才能够采集刹景物的图像。 如图3 1 8 _ | ；吁示，相机旋转扫攒成像过程中，激光经镜头汇聚豹光点依次季曩过镀银面、 光敏面、另一侧镀银面。在光点经过镀银面时，光被反射回镜头。虽然镜头透镜组虽然整 体为凸透镜，但最内侧靠近c c d 芯片的镜面相对于光敏面是一个凹面镜头。最内侧的凹 面又将光会聚反对到毙敏蘸上，形成- n 的光斑。 同理，经过另一侧的镀银面时就形成了另一侧的光斑。 强3 1 8 三光斑瑗象形成过程示意图 c c d 成像系统的光轴岛激光光轴不严格重合造成了图3 6 中两侧光斑强度及位置的不 完全对称。 涟着激光功率的增期，褥铡光斑也会造成谗和，这属于典型蛉撬场终魄和现象渊。激 光功率增加到一定程度，三个光斑发生黧叠，将会影响到分析图像数据。尤其要注意的是， 三个光斑是同一束激光作用光敏线阵三次的结果，切勿将测得的激光功率同时分配给三个 光褒来处理。 b 镜头对激光的杂散光干涉现象 图3 8 ( a ) 、( b ) 中，主光斑两侧较弱的手指状光斑属于镜头对激光的杂散光干涉现象。 文献 1 8 1 中对北现象的藏匿绘出了一定的说明。这里钟对旋转扫描工作的线阵c c d 给予补 充：线阵c c d 推扫过程中，镜头的光圈边沿先要扫过激光光束，这时，光圈的边沿对激 第2 9 页 国掰科学教零丈掌研冤生院学位论文 光的教射光中有落到光敏元线阵的部分，在视频图豫孛形成亮斑：困炎激光怒狸于光，它 的散射光满足干涉条件，就会产生干涉条纹。 边沿黠激光我散射也是干涉花纹较瞬显地出现在两傻l 的骧嬲之一。教射造成的光斑出 琨在涎樱i 黪原因还宥：激光正入射或近轴入射镜头对，光束主体部分直接照在光敏瑟上， 本来就比较微弱的散射光就被淹没了。两当激光从镜头祝场外斜入瓣镜头对，激光隶主体 部分遴过镜头成的光点迭不割光敏元上，焉方向杂乱豹敬射光则会存一瓤分照到光敏元 上。这时，散射产生的干涉条纹和一般鼢激光散辩造成的光斑就呈缆出来。 c 横囱饱和扩震原因 随着激光功率增强，镜头内两次发射联选成的主光斑两铡的“光斑”、激光散射光的 干涉兹纹及一般的散射光斑( 可统称之为杂数光斑) 也逐渐增强，使图像相应位麓达到饱 和、串扰，造成了横向撼和区的扩展。 第3 0 页 3 4 总结 1 对于实验所用的c c d 成像系统，随着激光功率密度的增加，先后使其图像采集系统、光 电转换系统出现饱和现象，进而使光敏元出现串扰效应，乃至造成系统零压输出现象( 图 3 8 c 、d 中光斑中间为黑色现象) 。上述现象对应的闽值见表3 6 。 表361 0 6 4 n m 连续激光使c c d 产生各类饱和的阈值 图像采集系统光电转换系统 串扰闽值热饱和闽值 饱和阈值饱和闽值 o 2 4 m w c 一 o 0 7 0 m w c m 2 2 w 化m 22 7 0 w e r a 2 0 5 7 m w c m z 2 1 0 6 4 r i m 连续激光容易使可见光线阵c c d 饱和，但不容易使其破坏：激光功率密度达 到1 1 0 0 w c m 2 的主光斑，辐照其5 6 m s 后，c c d 仍能恢复正常工作。 3 分析了镜头对1 0 6 4 r i m 激光的杂散光对可见光线阵c c d 成像的影响，如三光斑现象、激 光散射光干涉现象、饱和区横向拉长等。 4 实验初步证明d a l s a i l p 3 型c c d 对1 3 1 9 n m 激光不响应( 光响应) 。 第3 2 页 涸域面积得到近似的平均激光功率密度。 由蕊4 2 国) 可知，商霞额( 5 娥砷5 3 2 n m 赫冲激光使激l s a l l - p 3 型线阵c c d 惚和的 功率密度溯馕小于5 2 1 0 。w 危m 2 。 2 、三光斑嚣象 圈4 2 ( b ) 中出现了三光斑现象，形成履露冤第四章第= 节；冀实质是剃一乘激光作用 了光敏线髀三次：计算激光功率密度时不可将测褥豹镜头后激光功枣同时分配给三个光 斑。中间光斑为激光礞入射所形成， 乍为激光的主光斑。所计算的激光功率密度仪逶合于 主光斑。 3 、串扰闽值 匿4 2 ( c ) 中出现了较明显的串找现象，说瞬高鲞频( 5 k h z ) s 3 2 n m 脉冲激光使d a l s a i l p 3 型线阵c c d 串抗的功率密度阏值小于o 1 1 w c m 2 。 4 、“坏点”出现 由图4 2 ( d ) 及其髓面的图片可以绶蕊。农4 1 w c m 2 的激光辐照之后，光敏元线阵中有 鹾个光敏元无法俊复正常工作；丽是_ 无论光照与否，总输出最大值信号，使褥这两个光敏 元对应的像素壤始终为2 5 5 。 5 、热饱和阏僚 图4 2 ( e ) 中开始出现盲区。对应电信母输出为零，根据文献【2 8 】知，这是热饱和效应。 离鬟频( 5 k h z ) 5 3 2 n m 脉、砖激光列d a l s ai l p 3 型线阵c c d 的热锪和溺值约为6 ，9 w ，c 0 。 匿4 2 国说明了文献【7 j 、f 8 】所滋豹“热锶祁的不w 瞬间恢复程”，这一点与党魄和是有 区别的。光饱和在脱离光照后，瞬间恢复。 另夕卜，横贯图4 。2 ( 玲的岛线说龋：“坏点”却健在热饱那时，也输出最大慎雨使对应的 像素灰菠僮为最大值2 5 5 。 6 、破坏闽值 豳4 2 葑说稿c c d 被破坏，弗通过隔4 2 q ) 得蜀确证。嵩鬟频( 5 妊翰s 3 2 n m 脉弹激光 使d a 王j s ai l p 3 型线薄c c d 破坏豹功率密度阕慎终为1 3 0 w 妇n 2 。辐照薅闯约为1 4 难s 。 第3 5 页 4 。2 离重频1 0 6 4 n m 脉冲激光辐照可见光线阵c 的实验研究 4 | 2 1 实验系统简介 实验系统如图4 3 所示。 圈4 3 高重频5 k h z ) o 甜n m 稼冲激光辐照可凳光线阵c c d 实验豹系统布局 该实验系统与第三童豳3 4 所示的系统基本稚同。不同之处如下： ( 1 ) 光源改用高重频( 5 k h z ) 1 0 6 4 凇脉冲激光器，光来发散全角约为8 m 翔d 。 ( 2 ) 光路中运用了扩束装置，使得光束截面扩大，截面内激光能量密度分布比较均匀，同时 使得光束得到准直； ( 3 ) 没有运用示波器采集芯片输出信号电蘧； ( 4 ) 以窗外景物背景。 4 2 2 实验典型数据 实验取得了较大激光功率密度区闯内( 3 1 l g 。w 撇23 0 7 w 托m 2 】) 的数据，较典型的 如图4 4 、4 5 所示。 第3 6 页 整4 8 3 9 n m 激光增媸且氟灯先渐弱懿震c c 0 豹成像对比 上豳中，在反射镜中心出现了一个光点，其放大隧如图4 。9 ( 匐联示。 圈4 91 3 1 9 n m 激光增强最氪灯光变弱蔚瑟c c 0 袋集的光斑对钝鞠 谯上述实验系统的纂础上，激光器参数设置不变，丽在光路中又放赞一片阉样的滤光 片，对1 3 1 9 n m 激光煞透过率为9 0 丽截止绝大部分氮灯光，同对减少一片对1 3 1 9 n m 光 透避率为6 2 的滤光片。这样徽的缝累是1 3 1 9 n m 激光增强了1 4 5 撂。两氮灯光i 口大大减 弱。 重复试验，得翻48 ( b ) 。骧光斑位置及甜运的放大如图4 + 9 ( 轴。 考虑实验豹操作，再对比黼4 1 8 和圈4 9 的( a ) 、( b ) 可知：1 3 i 9 瓣激光增强1 4 5 倍， 两氮灯光极大衰减黯情况下，光斑消失。 攥此可知：可见毙c c d 对1 3 1 9 越l 激光不响戍。 第4 i 蟊 4 4 总结 本章研究了商重频( 5 k 埘5 3 2 脚、1 0 6 4 n m 、1 3 1 9 n m 脉冲激光对d a l s ai i 。p 3 型可见 光线阵c c d 的辐照效应。实验现象姆连续激光辐照可见光线阵c c d 的实验现象基本相同。 所不鞫的蹙，脉冲激光能使c c d 硬破坏。实验测壹了商熏频( 5 蹦z ) 5 3 2 n m 、1 0 6 4 n m 脉冲 激光对c c d 的饱和阑值，见表4 1 。 表4 离重频( s k 卜f z ) 5 3 2 n m 、1 0 6 4 n m 羲频脉冲激光对可凳光线阵c e d 的各娄闷值 系统饱和阈值 串扰闽髓 热饱和闽值破坏阏值 ( w c m 。) w 代m 。w 托m 。 w ，c m 5 3 2 n m ( 5 ，2 xl o 一5 o 1 l 9 1 3 0 l d 5 4 6 6 l o o o 3 53 6 【1 7 53 0 7 】 弼外，安验中发现：经4 1 w ，c m 2 的高重频( 5 k 王娩) 5 3 2 n m 脉狰激光辐照乏后，可见光线 眸c c d 中有两个光敏元无法恢复援常工馆，即无论光照与否，这两个光敏元总竣出最大 值信号，使怨这两个光敏元对应的像素获度傻为2 5 5 。堡这两个光敏元之外的光敏元仍能 正常工作，线阵c c d 整体仍能成像。我们称不能正常工作的这两个光皴元为“坏点”。 实验进一步验汪了可见光c c d 对1 3 1 9 n m 激光豹不响应特性。 第4 2 耍 的成像状况；开扁激光器，触发泵漓氪灯光，重复数次。发现c c d 没有受到破坏。这说 明点燃激光器给c c d 成像电路系统带来的影响很小，电扰动不& 破坏c c d ，甚至也不能 给c c d 实时强示图像带来明显的暂时性干扰。 b 验证是荫为氮灯光扰动破坏 图5 1 所示系统中，改用高精度稳压源给c c d 供电，以消除电挠动的影瞬：焉粗糙的 由纸片挡住激光腚的厥腔镜，贝激光器圊失去谐振腔而不能发琏j 激光。这样，激光器点燃 时对c c d 作用的光抗动只筵氰灯光。实验发现，该氪灯光扰动只熊使c c d 受到暂眩的饱 和干扰而不能使之破坏。曼然，氪灯光也不是c c d 受到破坏的原因。 c 验证是否为电扰动与氟灯光扰动共同作用导致破坏 仍用粗糙的囱纸片挡住激光器的后验镜：再让c c d 和激光嚣共用同一惫繇供龟。点 燃激光器时，氪灯光扰动和电扰动共同作用c c d 。实验发现，c c d 仍只受至4 暂时的饱和 影响。说明c c d 不是受氪灯光和电扰动共同作用而破坏。 d 验证是否为激光破坏 将滤光片和光阑置于图5 ，l 系统的光路中。滤光片的透过搴曲线如图4 7 所示，它对波 长小于1 0 0 0 n m 的光几乎完全截止，简对1 3 1 9 n m 的光透过率达到9 0 ：而由图3 3 可知， 氪灯光的主要韶分落在小于l o 。0 r l i i l 的波段上，这样就会被滤光片滤除。则点燃激光器， 作用c c d 的光扰动主要为激光。同样用高精度稳压源给c c d 成像系统供电，消除电扰动 的影响。实验发现，激光器点燃的瞬间，计算机c c d 成像的实时显示窗口变黑，没有任 何输出，c c d 受刘破坏。说明正是1 3 1 9 n m 激光破坏了c c d 。 5 4 激光扰动检测 5 - 3 d 的实验证明了c c d 由1 3 1 9 n m 激光所破坏。但是我们知道：连续1 3 1 9 i 吼激光器 被点燃羼，其工作电流为7 a 左右。这时，它发出的连续激光极其微弱，不可能使得c c d 破坏。暇为实验证明，即使该激光嚣工作毫流上调至十几安培，它发出的光也不能将面阵 c c d 破坏。由此可以断定，激光器在点燃瞬间的发光与萁正常工作时有所不同。 下面的实验检测了激光器在这一时刻的发出的光信号。 实验系统如图5 ，2 所示：将粗糙的铁扳斜置于连续1 3 1 9 m 激光器的光路中，用红外 光电探头( 响应波段为9 0 0 n m _ 1 4 0 0 n m ) 接收铁板对激光的漫反射光，用t d s 7 2 5 4 型示波 嚣来显示探头输出信母。 实验得到的激光器点燃瓣闯输出激光信号豹波形如圈5 。3 鼹示。 第4 4 页 图5 2 检测激光器点燃时发出的1 3 1 9 n m 激光脉冲的装置图 图5 3 激光器点燃瞬m i 输出的激光脉冲 该激光脉冲宽度为1 m s ，利用能量计测得其能量为2 4 0 l j 。体算得其蝰值功溢可达二 百多瓦，经过c c d 镜头将光聚焦到光敏西上，功率密度可达万税每平方蓬米的量级，完 全可以造成c c d 的热学破坏。 5 5 结论 连续1 3 1 9 n m 激光器点燃的瞬间，电扰动和氪灯光扰动都不能使c c d 破坏；破坏c c d 的是激光器点燃瞬间所产生的长脉冲激光。 第4 5 页 匿6 3 分别受不同强度激光辐照蚋c c d 成像 由j 逝，可用相关度建采，衡量激光对图像的影响程度。 但同时，由以上结果我们也可以蓿到，相关度随饱和程度的变化并不十分明显，对饱 帮程度的鬃优教巢仍不理想。 霹于激光干扰c c d 成像豹定量评估方法，本章只是一个初步的尝试。对该翊题的探 索有待于进一步深入。 第4 3 页 总结 本文重点研究了连续激光( 1 0 6 4 r i m 、1 3 1 9 r i m ) 和高重频脉冲激光( 5 3 2 n m 、1 0 6 4 n m 、 1 3 1 9 1 i r a ) 对工作中的d a l s a i l - p 3 登可见光线阵c c d 的辐照效应。分析了c c d 在激光辐 照下出现的各种饱和，并测量了相应阈值。在比较精确的计算c c d 图像采集子系统饱和 阉值的基础上，运用比例法求得了一组光斑的中心光敏元上的激光功率密度，结合通过示 波器得出的芯片输出，做出了光电转换予系统输窭信号与连续t 0 6 4 n m 激光功率密度的关 系曲线，由此分析了光电转换子系统饱和的激光功率密度阈值。在研究脉冲激光对c c d 的辐照效应时，还测量了激光使c c d 硬破坏的功率密度阈值。发现一定强度的5 3 2 n m 高 薰频脉冲激光可以造成c c d 部分光敏元的功能损伤，丽不致破辐。 将所得的备种闽值列表如下： 裹8 1d a l s a i l - p 3 型c c d 的鲁类阏埴 破坏闽值 系统( 采集卡) 光电转换予系 串扰阀徨热饱和阈值 w c m 2 饱和闽值统饱和闽德 w c m 2断0 ，n i 出现完全 m w ，c m m w c m 2 坏点破坏 5 3 2 n m 重频 0 0 5 2无 0 1 1 1 1 0 0 出现 研究了镜头对激光的杂散效应引起的线阵c c d 所采图像中的三光斑、激光散射光干 涉及一般的散射光斑现象，以此为基础，分析了杂散光造成的线阵c c d 采集图像中饱和 区大揠横向扩张现象。 实验证实了d a l s a i l p 3 型c c d 对1 3 1 9 n r n 激光的不响应性质。 研究了1 3 1 9 r a n 连续激光器点燃时对面阵可见光c c d 的破坏效应。证实了连续1 3 1 9 n m 激光器点燃瞬避将会发出个很强的1 3 1 9 r t m 激光脉冲，正是这个激光脉冲造成了光路中 工作的可见光面阵c c d 的破坏。 初步尝试了几种定量衡量激光对c c d 成像影响大小的方法饱和面积法、灰度突 第4 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 【2 6 】孙承伟，陆启生等，激光辐照效应，北京，匿防工她出版社。2 0 0 2 年 2 7 】邹异松，刘玉风，自廷桂，光电成像原理，j b 京理正大学崮版社，2 3 年 【2 8 】程湘爱等，光电成像系统零压输出问题研究，g f _ a 0 0 8 4 1 2 l z ，2 0 0 5 【2 9 】向世明，倪国强，光电子成像器件原理，北京，国防工业出版社，1 9 9 9 年 f 3 0 】王金絮，激光辐照可觅光面阵s i c c d 探凋器实验研究，硕士论文，2 0 0 3 年1 l 秀 【3 1 】孙即榉，数字图像处理，石家庄，河北教育出版社。1 9 9 3 年 第5 2 页 致谢 本论文是在我的导口希稚湘爱副教授的指导下突戒的。从课题 嚣篷鞋嚣鞫蠹翌襄鳢瑟鲤鬟囊露蠢；饕赋篓襄霏鎏斓j 鲮辩攀塞萎霎萎羹蠡冀囊嚣謦 霎羹萋囊i 篓鬟萋蓑羹翁疆嚣翼；蘩型薹羹鹁嫠。鋈馥i 黎噬萎疆鼹器鬟蒿型浆萃黧鬈冀 弱赣辩鹚簇薹赣是j 滴魏蕾襄篓鬻霎霾弹藕剥莛萄溪羹蓬；蠢鐾鞫型荔蟊垂翳羹霞善崩 豁篓娶! 羹蘸魏冀魏攀室划薅添 3 ，m a r c h1 9 7 4 ：2 0 2 “j 2 0 9 【2 】m cp e c k e r a r ，w d b a k e r ，a n dd ，j n a g e l x - r a ys e n s i t i v i t yo fac h a 端e - c o u p l e d q e v i c