盛 良，張 震，張檢民，徐作冬

（1.四川大學物理科學與技術(shù)學院，成都610064；2.西北核技術(shù)研究所，西安710024；3.激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，西安710024）

632.8nm連續(xù)激光輻照可見光CMOS相機實驗研究

盛 良1，2，3，張 震2，3，張檢民2，3，徐作冬2，3

（1.四川大學物理科學與技術(shù)學院，成都610064；2.西北核技術(shù)研究所，西安710024；3.激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，西安710024）

開展了632.8nm連續(xù)激光輻照可見光JHSM36Bf CMOS相機實驗研究，獲得了632.8nm連續(xù)激光使CMOS相機單像元飽和及全屏飽和的功率密度閾值。實驗證實了CMOS比CCD抗激光干擾能力更強；連續(xù)激光比脈沖激光更容易實現(xiàn)對CMOS相機的干擾；分析了CMOS串擾現(xiàn)象與CCD的不同。用飽和面積法、相關(guān)度法和均方差法3種激光干擾圖像質(zhì)量評價方法，定量分析了CMOS成像受激光干擾的程度。

CMOS；激光輻照；功率密度閾值；激光干擾

CMOS（complementary metal oxide semiconductor）圖像傳感器，作為與CCD并駕齊驅(qū)的一種固體成像器件，以其高集成度、小體積、低功耗、成像質(zhì)量好等特點，廣泛應用于航天航空、安防監(jiān)控、工業(yè)控制、交通、醫(yī)療、偵察、導航制導、圖像識別系統(tǒng)等領域［1 4］。

隨著CMOS圖像傳感器和激光應用日益廣泛，CMOS容易受激光影響的問題也引起了人們的高度重視。特別是在光電對抗領域，激光輻照對CMOS圖像傳感器成像的影響是重要的研究課題之一，具有迫切的現(xiàn)實需要和重要的研究意義。目前，激光輻照CMOS的效應研究工作開展較少，主要集中在1 064nm脈沖激光對CMOS干擾損傷的實驗研究［5-11］。本文用632.8nm連續(xù)激光輻照可見光面陣黑白CMOS相機，獲得了不同干擾階段CMOS相機的功率密度閾值。

1 CMOS圖像傳感器工作原理

CMOS圖像傳感器包括像素單元陣列、模擬信號處理器、A／D轉(zhuǎn)換器、偏置電壓生成單元、時鐘生成單元、數(shù)字邏輯單元和存儲器等部件。圖1為CMOS圖像傳感器的二維結(jié)構(gòu)示意圖［12］，不同類型器件的區(qū)別主要體現(xiàn)在像素單元上。典型CMOS圖像傳感器的每個像元，包括1個用于光電采集與轉(zhuǎn)換的光敏二極管和數(shù)個控制MOS管。

當外界光照射到像素陣列上時，發(fā)生光電效應，像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應的光生電荷，光積分開始。在行選邏輯控制下，選通相應的行像素單元。在列選邏輯的控制下，選通行像素單元內(nèi)的每個像元的信號，依次通過各自所在的列總線，將信號傳輸?shù)较鄳哪M信號處理單元。經(jīng)過處理的模擬信號，通過A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。

2 實驗方法

實驗所用相機為可見光面陣黑白CMOS相機，型號為JHSM36Bf，芯片為Micron MT9V032，工作波段為350～1 100nm。激光光源為632.8nm He－Ne連續(xù)激光，發(fā)散角為1.06mrad（約0.061°），可認為是準平行光，出光穩(wěn)定。實驗布局如圖2所示。

起偏器和檢偏器與中性密度衰減片相結(jié)合，調(diào)節(jié)入射激光功率。分光鏡把激光按比例分為2束：一束輻照CMOS相機；另一束進入激光功率計。激光功率計用來測量CMOS鏡頭后的初始功率，并在實驗過程中提供實時監(jiān)測。變焦鏡頭將激光聚焦到CMOS相機光敏面上。實驗中，入射到CMOS相機光敏面上的激光功率密度變化范圍為0～95.1W·cm－2。

調(diào)整激光束，使其與CMOS相機光軸對準。利用CMOS相機自帶的圖像采集軟件實時觀察CMOS輸出的圖像，通過讀取圖像灰度值判斷入射到CMOS的激光是否使CMOS飽和。首先，將激光衰減到使CMOS功率處于線性工作范圍，然后，逐漸減小衰減，使CMOS處于飽和狀態(tài)，并最終達到過飽和狀態(tài)。獲得的典型實驗現(xiàn)象如圖3所示。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 功率密度閾值計算

3.1.1 單像元飽和功率密度閾值

已知激光功率，求激光功率密度，需要確定光斑大小。通常，激光經(jīng)過透鏡后的光強分布為近高斯分布，故確定光斑大小的方法為：從峰值強度處開始，光強降為峰值的1／e2處作為光斑的邊緣。以圖像像素灰度值對應表示光強的大小，使用MATLAB軟件讀取并計算每幅圖像飽和像素點的數(shù)量，取灰度值≥35的像素為光斑覆蓋區(qū)，如圖4所示。

根據(jù)光強與灰度值的比例關(guān)系，設灰度值為1的光敏元上的激光功率密度為P0，則光斑所覆蓋的256個像素的激光功率密度可分別設為35P0，36P0，38P0，…，40P0，38P0［13］。單個像素面積為3.6 ×10－11m2，光斑對應的激光總功率為1.46×10－9W，可計算得到P0＝1.64×10－3W·m－2，255P0＝0.042mW·cm－2，這就是JHSM36Bf型CMOS相機光敏面單個像元飽和的激光功率密度閾值。

在上述CMOS光敏面單個像元飽和功率密度閾值的計算中，把像素灰度值≥35的光斑覆蓋區(qū)視為輻照光斑的面積，由于其約為實際光斑面積的86.4%，因此，會使計算的激光功率密度比實際值偏大；此外，雖然測量激光功率是在較暗環(huán)境下進行，但不能完全排除背景光的影響，使測得的激光功率偏大，這也會使計算的激光功率密度比實際值偏大。因此，計算結(jié)果僅為功率密度閾值的近似值。

3.1.2 全屏飽和時的功率密度閾值

得到CMOS相機采集光斑圖像全屏飽和時，激光功率密度閾值范圍為11.6～24.3W·cm－2。

3.2 連續(xù)／脈沖激光對CMOS的干擾效果比較

將實驗獲得的數(shù)據(jù)與文獻［5］中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，632.8nm He－Ne連續(xù)激光和1.06μm高重頻激光使CMOS相機達到過飽和狀態(tài)所需的功率密度分別為4.10W·cm－2和4.3×103W·cm－2，二者相差3個量級?？紤]到CMOS相機在632.8 nm處的光吸收量子效率比1.06μm處至少高1個量級，連續(xù)激光產(chǎn)生的大量光生載流子導致CMOS更嚴重的串擾。因此，632.8nm He－Ne連續(xù)激光比1.06μm高重頻激光更容易實現(xiàn)對CMOS相機的干擾。

3.3 激光干擾CMOS與CCD效果的比較

利用532nm連續(xù)激光準平行入射輻照面陣CCD。CCD型號為BC131A1，芯片為SONY ICX405AL黑白圖像傳感器，工作波段為350～1 100nm。當輻照功率密度為1.3×10－3W·cm－2時，面陣CCD圖像中約1／2的像素達到飽和，串擾區(qū)域的中間出現(xiàn)暗線，圖像出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象［14］。

利用632.8nm連續(xù)激光準平行入射輻照面陣CMOS。當輻照功率密度為4.10W·cm－2時，面陣CMOS圖像出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象，但與面陣CCD不同，不是出現(xiàn)暗線，而是暗斑。這是由于CMOS像元結(jié)構(gòu)和工作原理不同于CCD：CMOS的典型信號是以像元為單位的電荷電壓信號，而CCD的信號一般是以行／列為單位的電荷電流信號；CMOS某一像元飽和，其他未飽和像元仍能成像，而CCD某一像元飽和，會導致同行／列輸出圖像飽和。比較面陣CCD過飽和出現(xiàn)暗線與面陣CMOS過飽和出現(xiàn)暗斑時的激光功率密度可知，二者相差3個量級，考慮到不同波長激光對器件量子效率的影響，二者至少還相差1～2個量級，說明CMOS比CCD抗激光干擾能力更強。

3.4 CMOS成像受激光干擾程度的定量評價

為了定量評價激光對CMOS成像的影響程度，探討了基于圖像灰度值的全參考圖像質(zhì)量評價方法，包括飽和面積法、相關(guān)度法和均方差法。

3.4.1 飽和面積法

飽和面積法是用激光造成的CMOS輸出圖像飽和面積的大小，來衡量激光對CMOS成像的影響程度。數(shù)據(jù)處理時，用MATLAB讀取圖像的灰度值，統(tǒng)計激光所造成的飽和像元數(shù)，并結(jié)合對應的激光功率，繪制關(guān)系曲線圖。圖像飽和屬于有效干擾。

對JHSM36Bf CMOS相機在632.8nm連續(xù)激光輻照下的干擾圖像進行了處理，得到了不同激光功率輻照下，飽和面積占整個探測器面積的比例，即有效干擾面積，如圖5所示。

從圖5可以看出：隨著入射激光功率的增加，CMOS探測器的有效干擾面積不斷增加，但并不是線性增加。AB段，入射激光功率變化范圍為10－3～10μW，有效干擾面積緩慢增加；BC段，入射激光功率變化范圍為10～103μW，有效干擾面積迅速增加；CD段，入射激光功率變化范圍為103～104μW，CMOS相機達到全屏飽和，有效干擾面積保持不變。

3.4.2 相關(guān)度法

相關(guān)度法利用干擾前后圖像之間的協(xié)方差系數(shù)來表示干擾效果。圖像相關(guān)度r的計算公式為

式中，Amn，Bmn分別表示受到干擾前、后圖像中m行n列的灰度值；分別表示受到干擾前、后圖像的平均灰度值。利用式（1）分別對相機干擾前、后的圖像質(zhì)量進行了計算。

圖6是JHSM36Bf CMOS相機在632.8nm連續(xù)激光準平行正入射情況下，受到輻照干擾后輸出圖像相關(guān)度隨入射激光功率的變化曲線?？梢钥闯觯弘S著入射激光功率的增大，相機干擾前后圖像的相關(guān)度減小，圖像質(zhì)量下降，干擾程度提高。該結(jié)果與實際CMOS采集的圖像數(shù)據(jù)對比，一致性較好。因此，可以用相關(guān)度方法評價激光對CMOS相機的干擾效果。

3.4.3 均方差法

均方差法（mean square error，MSE）是一種較為典型的基于像素誤差統(tǒng)計的模型算法，屬于全參考質(zhì)量評價算法。首先計算失真圖像和原始圖像像素差值的均方差值，然后通過均方差值的大小來確定失真圖像的失真程度。計算公式為

式中，C（i，j）和D（i，j）分別表示參考圖像和測試圖像的像素值。

用MSE對CMOS相機在632.8nm連續(xù)激光輻照下的干擾實驗數(shù)據(jù)進行處理，如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，圖7與圖5中曲線變化趨勢非常相似。

用上述3種定量評價方法可以較好地評價CMOS成像受激光干擾的程度，飽和面積法和均方差法的評價效果比相關(guān)度法與實際情況更為吻合。

4 結(jié)論

以可見光面陣黑白CMOS相機為對象，開展了632.8nm He－Ne連續(xù)激光輻照效應實驗，觀察到隨著入射激光功率不斷增大，CMOS相機出現(xiàn)了未飽和、飽和及全屏飽和等現(xiàn)象，測量了對應的激光功率，計算得到JHSM36Bf CMOS相機光敏面單個像元的飽和激光功率密度閾值為0.042mW·cm－2，CMOS相機采集光斑圖像全屏飽和時的激光功率密度閾值范圍為11.6～24.3W·cm－2。借鑒文獻中CCD和CMOS相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，對比分析了連續(xù)激光與脈沖激光對CMOS的干擾效果及CCD和CMOS的激光干擾閾值差異。用飽和面積法、相關(guān)度法和均方差法，定量分析了CMOS成像受激光的干擾程度。

［1］BUTTGEN B，LUSTENBERGER F，SEITZ P.Demodulation pixel based on static drift fields［J］.IEEE Trans Electron Devices，2006，53（11）：2 741 2 747.

［2］PELE Z，SAMARDZIC T，MALUCKOV N，et al.One application of FPGA integrated circuits CMOS camera and LCD display controller design［C］／／6th International Conference on Telecommunication in Modern Satellite，Cable and BroadcastingService，2003：137 138.

［3］ELGIN M，RUSSELL D，KATULA M.CMOS imager pixel design for space applications［C］／／IEEE Workshop on Microelectronics and Electron Devices，Boise ，2006：1 61.

［4］CLARK A T，GUERRINI N，ALLINSON N，et al.A 54 mm×54mm－1.8Megapixel CMOS image sensor for medical imaging［C］／／Nuclear Science Symposium Conference Record，Dresden，2008：4 540 4 543.

［5］邵銘，張雷雷，趙威，等.高重頻脈沖激光對CMOS相機飽和干擾效果研究［J］.激光雜志，2013，34（6）：16 17.（SHAO Ming，ZHANG Lei－lei，ZHAO Wei，et al.Experiment study on saturation effect of high－repetition－rate laser jamming CMOS camera［J］.Laser Journal，2013，34（6）：16 17.）

［6］邵銘，張樂，張雷雷，等.1.06μm激光對CCD、CMOS相機飽和干擾效果對比研究［J］.應用光學，2014，35（1）：163 167.（SHAO Ming，ZHANG Le，ZHANG Lei－lei，et al.Comparative study on saturation effect of 1.06μm laser jamming CCD and CMOS cameras［J］.Journal of Applied Optics， 2014，35（1）：163 167.）

［7］常國龍.CMOS像傳感器光飽和效應研究［J］.福建分析測試，2011，20（3）：60 62.（CHANG Guo－long.Study on the light saturation effect of the CMOS image sensor［J］.Fujian Analysis ＆Testing，2011，20（3）：60 62.）

［8］朱辰，李堯，王雄飛，等.超連續(xù)譜光源對CMOS圖像傳感器的干擾實驗研究［J］.激光與紅外，2014，44（4）：374 377.（ZHU Chen，LI Yao，WANG Xiong－fei，et al.Experiment study of interference of super－contiuum light source on CMOS photodetectors［J］.Laser ＆Infrared，2014，44（4）：374 377.）

［9］林均仰，舒嶸，黃庚華，等.激光對CCD及CMOS圖像傳感器的損傷閾值研究［J］.紅外與毫米波學報，2008，27（6）：475 478.（LIN Jun－yang，SHU Rong，HUANG Geng－h(huán)ua，et al.Study on threshold of laser damage to CCD and CMOS image sensors［J］.J Infrared Millime Waves，2008，27（6）：475 478.）

［10］郭鋒，朱志武，朱榮臻，等.1 064nm納秒單脈沖激光對互補金屬氧化物半導體探測器的損傷效應實驗研究［J］.光學學報，2013，33（增刊）：192 197.（GUO Feng，ZHU Zhi－wu，ZHU Rong－zhen，et al.Experimental study of damage effect on complementary metal oxide semiconductor detector irradiated by 1 064nm nanosecond single－pulse laser［J］.Acta Optica Sinica，2013，33（S1）：192 197.）

［11］王昂，郭鋒，朱志武，等.連續(xù)激光與單脈沖納秒激光對CMOS的損傷效應［J］.強激光與粒子束，2014，26（9）：091007.（WANG Ang，GUO Feng，ZHU Zhi－wu，et al.Comparative study of hard CMOS damage irradiated by CW laser and single－pulse ns laser［J］.High Power Laser and Particle Beams，2014，26（9）：091007.）

［12］THEUWISSEN A J P.CMOS image sensors：state－of－the－art［J］.Solid－State Electron，2008，52（9）：1 401 1 406.

［13］張震.可見光CCD的激光輻照效應實驗研究［D］.長沙：國防科學技術(shù)大學，2005.（ZHANG Zhen.Experimental study of laser induced effect on visible light CCD［D］.Changsha：National University of Defense Technology，2005.）

［14］羅群.寬光譜光源對可見光CCD的干擾效應研究［D］.長沙：國防科學技術(shù)大學，2008.（LUO Qun.Study of disturb effect to array CCD detectors irradiated by broad－band source［D］.Changsha：National University of Defense Technology，2008.）

Experimental Study on a Visible Light CMOS Camera Irradiated by 632.8nm CW Laser

SHENG Liang1，2，3，ZHANG Zhen2，3，ZHANG Jian－min2，3，XU Zuo－dong2，3
（1.College of Physical Science and Technology，Sichuan University，Chengdu 610064，China；2.Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，China；3.State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter，Xi'an 710024，China）

The JHSM36Bf CMOS camera was irradiated by a 632.8nm CW laser，and the laser power density thresholds which cause the single pixel saturation and full screen saturation of the CMOS camera were obtained.It was demonstrated that CCD cameras are more vulnerable to laser jamming than CMOS cameras，and CW laser is more likely to induce laser jamming than pulsed laser.The cross－talk phenomena in both CMOS and CCD cameras irradiated by CW laser were analyzed.The laser jamming effects on the images of CMOS cameras were evaluated quantitatively by three commonly used methods for image evaluation.

CMOS；laser irradiation；power density threshold；laser jamming

TN249

A

2095 6223（2015）03 181 05

2015 04 16；

2015 07 08

盛良（1982－），男，浙江金華人，工程師，碩士研究生，主要從事激光光學研究。

E－mail：shengliang11＠nint.ac.cn