張亞男，牛春暉，趙 爽，呂 勇

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100192）

引 言

電荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）是由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首次研發(fā)出來(lái)的新型光電器件，金屬氧化物半導(dǎo)體（metal oxide semiconductor，MOS）電容是其基本像元。CCD圖像傳感器具有以下幾項(xiàng)突出優(yōu)點(diǎn)：小質(zhì)量、小體積、較長(zhǎng)的使用壽命、高靈敏度、較大的動(dòng)態(tài)范圍、低功耗以及高準(zhǔn)確度、高分辨率?；谒耐怀鰞?yōu)點(diǎn)，CCD在國(guó)防、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)界和其它科學(xué)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛?，F(xiàn)代光電對(duì)抗領(lǐng)域，CCD受限于其抗干擾性能較低而極易被激光干擾，高強(qiáng)度激光甚至能夠燒毀探測(cè)器的傳感器部件，造成CCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料的永久性損壞，使其無(wú)法成像。紅外波段的激光由于具有很強(qiáng)的大氣穿透能力，主要被用于軍事中的激光制導(dǎo)以及激光雷達(dá)技術(shù)［1-10］。自21世紀(jì)開(kāi)始，出現(xiàn)大量有關(guān)激光干擾及損傷CCD的現(xiàn)象及原理研究，但大部分集中在干擾閾值的測(cè)量和干擾機(jī)理的分析。參考文獻(xiàn)［10］～參考文獻(xiàn)［15］中研究了激光對(duì)CCD及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）探測(cè)器的干擾及損傷閾值，但是沒(méi)有進(jìn)行數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證。參考文獻(xiàn)［15］～參考文獻(xiàn)［20］中研究了1064nm激光干擾CCD時(shí)激光的干擾機(jī)理，但是卻缺乏仿真分析來(lái)具體說(shuō)明。本文中通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)光路，模擬近紅外激光輻照CCD探測(cè)器的干擾過(guò)程，進(jìn)一步完善了1064nm激光對(duì)CCD的干擾機(jī)理，并對(duì)干擾情況作了定量計(jì)算和仿真，得出激光干擾過(guò)程中激光功率同CCD飽和像元的關(guān)系曲線和CCD受干擾時(shí)內(nèi)部載流子擴(kuò)散的仿真模型，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，豐富了利用紅外激光對(duì)CCD干擾的研究。

1 CCD工作原理和干擾機(jī)理

CCD的基本像元MOS結(jié)構(gòu)主要包括：金屬、氧化物和半導(dǎo)體。MOS電容以陣列方式排布在硅襯底上，通過(guò)MOS電容器的非穩(wěn)態(tài)CCD得以正常工作。CCD的工作原理主要有：電荷產(chǎn)生、存儲(chǔ)以及轉(zhuǎn)移。

在硅襯底上生長(zhǎng)一層厚度為d的SiO2，其上再鍍一層薄鋁作為柵電極即構(gòu)成MOS電容的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。給柵極施加合適的偏置電壓Ug，利用p-Si襯底較高的電子遷移率，MOS電容器的電壓特性隨之改變。若柵極不施加電壓，MOS表面因?yàn)闆](méi)有電場(chǎng)的作用，其表面載流子濃度同體內(nèi)相等，MOS本身無(wú)電性，各個(gè)能帶呈平坦?fàn)顟B(tài)，如圖2a所示，其中Ep為p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)，Em為金屬的費(fèi)米能級(jí)，Ei為半導(dǎo)體材料的中心能級(jí)，Ev為價(jià)帶頂。當(dāng)給柵極施加Ug＞0小電壓時(shí)，從界面到主柵極末端的電場(chǎng)排斥了襯底上的空隙，即達(dá)到多數(shù)載流子的“耗盡狀態(tài)”，此時(shí)表面勢(shì)Us＞0，如圖2b所示，多子體從地表耗盡形成耗盡層。

Fig.1 Basic structure of CCD unit MOS

Fig.2 Changes of energy band structure at the surface of p-type semiconductora—energy band diagram at U g＝0 b—energy band diagram at U g＞0

當(dāng)外加電壓Ug達(dá)到某個(gè)閾值Uth時(shí)，表面處形成電子勢(shì)阱，在這一點(diǎn)上，MOS電容器可以存儲(chǔ)電荷。若再以光照作用CCD表面，MOS電容將產(chǎn)生光生載流子為勢(shì)阱注入電子-空穴對(duì)，電荷包的不斷注入使得電勢(shì)升高，勢(shì)阱深度則會(huì)相應(yīng)變淺。

圖3為三相CCD圖像傳感器的電荷包轉(zhuǎn)移過(guò)程示意圖。通過(guò)改變CCD電極的電壓，電荷包得以傳輸。電勢(shì)差使得電荷由高電勢(shì)流向低電勢(shì)，直到兩極擁有相同數(shù)量的電荷。圖3中，t1時(shí)刻為初始時(shí)間，在電極φ1上加上正偏壓，其余電極電壓為0V，此時(shí)電極φ1下儲(chǔ)存著大量的電荷。一段時(shí)間后，φ1下存儲(chǔ)的電荷轉(zhuǎn)移到φ2，電極φ2電壓升高，φ1相應(yīng)降低，其余不變。在t2時(shí)刻下，電極φ1電壓降到0，電極φ2的電壓上升為φ1的初始值，此時(shí)第一勢(shì)阱內(nèi)的電荷全部流入第二勢(shì)阱，從t2時(shí)刻開(kāi)始，φ2以相同的方式向φ3繼續(xù)輸送電荷，t3時(shí)刻，存儲(chǔ)在φ2電極下的全部都轉(zhuǎn)移到了φ3，因此φ3電極的電勢(shì)最高，φ1和φ2電勢(shì)都為0，以此類(lèi)推，實(shí)現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移，如圖3所示。

Fig.3 Charge packet transfer process of three-phase CCD image sensor a—CCD charge packet transfer potential wavefor—charge capacitance diagram of charge packet transfer

圖3 a為CCD電荷包轉(zhuǎn)移電勢(shì)波形圖。從圖中可以看出三相CCD的時(shí)鐘波形。相差的周期為T(mén)／3，即代表電荷包向右移動(dòng)一個(gè)電極所用的時(shí)間。在該周期中，時(shí)鐘脈沖由t1～t4視為一個(gè)周期T。圖3b為電荷包轉(zhuǎn)移的電荷容量示意圖。對(duì)應(yīng)各個(gè)時(shí)鐘脈沖，勢(shì)阱中的電荷量在電勢(shì)差下進(jìn)行量變，實(shí)現(xiàn)了電荷轉(zhuǎn)移。對(duì)于p型半導(dǎo)體Si材料，產(chǎn)生的信號(hào)電荷Qs為：

式中，t0為 CCD相機(jī)的快門(mén)時(shí)間；g＝η（1-R）／（hν），R為CCD像元表面的反射率，η為量子效率，h為普朗克常數(shù)，ν為入射光的頻率；I為入射光的功率密度；e為單位電荷量；S為受光面積。像元的電勢(shì)會(huì)隨著信號(hào)電荷的增加而逐漸降低，直到表面電勢(shì)下降到與鄰近MOS電容的表面勢(shì)相等時(shí)，信號(hào)電荷便向鄰近勢(shì)阱轉(zhuǎn)移。此時(shí)MOS電容串?dāng)_電荷閾值Qs，0表示為：

式中，Vg為像元的柵極電壓，Ci為MOS電容，ε0為未飽和像元絕緣層的介電常數(shù)，εi為飽和像元絕緣層的介電常數(shù)，Na為半導(dǎo)體材料的受主雜質(zhì)濃度，Vs，0為半導(dǎo)體與地之間的電壓。

此外，光生載流子的產(chǎn)生速率公式如下：

式中，I0是入射激光的能量密度，R0是CCD像元反射率，α是吸收率，x為光照后耗盡層深度，f是激光的頻率。由上式可推導(dǎo)出單個(gè)MOS像元飽和所需時(shí)間為：

式中，w為MOS像元受光區(qū)域的底面積。

因此，如果光積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者光強(qiáng)度過(guò)高，耗盡區(qū)的電荷飽和并出現(xiàn)“溢出”現(xiàn)象，則會(huì)干擾相鄰位置的信號(hào)，使圖像不清晰，甚至無(wú)法區(qū)分。

2 激光干擾實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

Fig.4 The schematic diagram of the experimental system

圖4 所示為實(shí)驗(yàn)光路圖。實(shí)驗(yàn)中所用激光器波長(zhǎng)為1064nm，為近紅外半導(dǎo)體連續(xù)激光器，連續(xù)衰減片實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光強(qiáng)的控制。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，衰減片應(yīng)調(diào)節(jié)到最大衰減以保護(hù)實(shí)驗(yàn)器材，防止其因激光太強(qiáng)而損壞；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，衰減片衰減程度由強(qiáng)到弱，用以控制激光輻照CCD的能量強(qiáng)度；分光鏡將光束分為兩束激光，一束用于測(cè)量激光能量，另一束輻照CCD相機(jī)，光路中的分光鏡分光比為1∶1，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為暗室，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)獲取干擾數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中采用Basler CCD工業(yè)相機(jī)，黑白相機(jī)型號(hào)為：acA640-120gm Basler ace GigE，采用 Sony ICX618ALA芯片，CCD相機(jī)像素為659×494，每個(gè)像素尺寸為5.6μm×5.6μm。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5所示為波長(zhǎng)1064nm激光干擾黑白CCD的輸出圖像。由于入射激光功率較高，實(shí)驗(yàn)一開(kāi)始便出現(xiàn)串音現(xiàn)象，可觀察到，當(dāng)激光功率為162μW時(shí)，中心光斑已經(jīng)飽和，以明亮光斑為中心的矩形區(qū)域出現(xiàn)亮度稍弱的規(guī)律性10×15的亮斑矩陣，亮斑呈軸對(duì)稱(chēng)分布，共10行、15列，位置越靠近中心光斑，亮度越高；反之則亮度越低。每列點(diǎn)陣光斑都會(huì)有一條同時(shí)穿過(guò)此列亮斑中心的串?dāng)_線，且同樣距離中心串?dāng)_線越近，亮度越高；當(dāng)激光功率為3.43mW時(shí)，亮斑矩陣仍是原來(lái)的10行、15列，只是光斑中心和相應(yīng)位置亮斑及串?dāng)_線變得更加明亮，中心光斑直徑變大，CCD中心飽和區(qū)域隨之變大，串?dāng)_線寬度變寬，穿過(guò)中心光斑的串?dāng)_線相比其它串?dāng)_線寬度最寬。隨著激光入射功率的增加，CCD圖像探測(cè)器受激光干擾的區(qū)域隨之增加，干擾區(qū)域亮度進(jìn)一步增大，飽和像素點(diǎn)數(shù)隨之增多。當(dāng)激光功率為10.06mW時(shí)，干擾區(qū)域縱向進(jìn)一步增大，干擾區(qū)域亮度增加，干擾區(qū)域背景信息幾乎完全遮蓋，飽和區(qū)域隨之增大，靠近中心光斑的串?dāng)_線同中心串?dāng)_線合并在一起，其它串?dāng)_線仍然繼續(xù)變寬變亮，且原點(diǎn)陣外側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)新的規(guī)律性亮斑和微弱串?dāng)_線。當(dāng)激光功率增大到為45.3mW時(shí)，原矩陣干擾區(qū)域完全被光斑和串?dāng)_線遮蓋，背景信息全無(wú)，干擾區(qū)域像素全部飽和，原矩陣干擾區(qū)域串?dāng)_線合并為更寬更亮的矩形干擾區(qū)域，新出現(xiàn)的點(diǎn)陣和串音線繼續(xù)同上述點(diǎn)陣和串音線的變化規(guī)律隨激光功率的增大而相應(yīng)變化。

Fig.5 Laser interference with CCD crosstalka—162μ—3.43m—10.06m—45.3mW

圖6 所示為1064nm激光功率與干擾光斑面積關(guān)系曲線。可以看出，CCD飽和像元數(shù)隨著激光功率的增大逐漸增多。在激光功率為0.5mW～10mW間，飽和像元數(shù)量隨激光功率的增大增長(zhǎng)速度較快，此階段為CCD的線性工作區(qū)域。當(dāng)激光功率大于10mW，飽和像元數(shù)隨功率的增大緩慢增加，最終趨于平緩，此時(shí)CCD全屏飽和。

Fig.6 Curve of relationship between laser power and interference spot area at 1064nm

綜上所述，1064nm近紅外激光輻照CCD的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下：激光功率較弱時(shí)，干擾區(qū)域?yàn)榫匦我?guī)律性點(diǎn)陣，點(diǎn)陣各個(gè)亮斑距離中心光斑越近，亮度越高并呈軸對(duì)稱(chēng)分布，且出現(xiàn)若干串音干擾線，亮度同亮斑變化規(guī)律一致；隨著激光功率增加，干擾光斑和串音線亮度相應(yīng)變大，飽和區(qū)域隨之增加，光斑和串音線的直徑和寬度變大，串音線甚至?xí)闹行拇艟€向周?chē)灰缓喜?，但是干擾點(diǎn)陣規(guī)模變化較小，只有激光功率相對(duì)較大時(shí)，才會(huì)小范圍拓寬區(qū)域。

CCD結(jié)構(gòu)中，光敏單元是并行排列的方式，垂直方向間的像元用溝阻隔離，光信號(hào)積分階段，勢(shì)阱中不斷聚集光生載流子，對(duì)應(yīng)干擾圖像上的明亮光斑，光生載流子積滿溢出后干擾到鄰近勢(shì)阱，使得沒(méi)有激光輻照的區(qū)域有載流子的干擾，即干擾光斑直徑變大，由于CCD結(jié)構(gòu)中溝阻的制約，載流子在水平方向的溢出速度遠(yuǎn)小于垂直方向的溢出擴(kuò)散速度，串音線隨之出現(xiàn)，隨著激光強(qiáng)度的增加，光生載流子不斷增多，繼續(xù)擴(kuò)散，漸漸將飽和像元周?chē)南裨顫M，就會(huì)使得原來(lái)干擾區(qū)域飽和像元數(shù)量增多，干擾區(qū)域擴(kuò)大。

對(duì)于1064nm激光干擾實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的除中心光斑外的點(diǎn)陣光斑現(xiàn)象，根據(jù)點(diǎn)陣光斑分布的周期性等間距的特性，可以用阿貝-波特成像原理解釋?zhuān)瑢?shí)驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)如圖7所示。激光視為一束平行光，CCD表面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布可以看作2維光柵，光束經(jīng)過(guò)相機(jī)鏡頭輻照在CCD表面網(wǎng)狀陣列結(jié)構(gòu)上，由于CCD表面覆蓋一層微透鏡，微透鏡作用相當(dāng)于傅氏鏡，能夠在其后方焦平面上將物體的頻率成分顯現(xiàn)出來(lái)，若焦平面內(nèi)置入觀察屏，使其處于焦平面上，則可在觀察屏上看到周期性網(wǎng)格的傅里葉頻譜，即一些衍射斑，而激光光斑則單獨(dú)成像在像平面1上；若CCD成像面剛好與微透鏡的頻譜面重合，則激光在CCD成像的光斑便與頻譜面上的點(diǎn)陣斑一同顯示在像平面2上，最終CCD探測(cè)器上成像得到規(guī)則亮斑干擾圖像，隨著光強(qiáng)的增加，每個(gè)亮斑同中心光斑一樣，當(dāng)載流子填滿勢(shì)阱后，便會(huì)以特定方式溢出，從而產(chǎn)生串音線。

Fig.7 Abbe-Porter imaging optical system

3 仿真分析

Fig.8 Photon carrier diffusion model

對(duì)于CCD像元間電荷的擴(kuò)散過(guò)程，假設(shè)有一片緊密排布的“小桶”方陣，小桶形狀和容量都相同，外界往中心小桶中不斷注入“水滴”，水滿則溢往周?chē)⊥?。將水滴比作光照，?shì)阱中積累電荷，就如同不斷的在“小桶”中聚集“水滴”，電荷在勢(shì)阱中聚集滿后，會(huì)向鄰近勢(shì)阱溢流。CCD基本像元結(jié)構(gòu)以及像元間電子溢出方式如圖8所示。假設(shè)激光輻照在CCD的一個(gè)中心像元上，該像元的光生載流子達(dá)到飽和，接著繼續(xù)產(chǎn)生的載流子向臨近的像元溢出，光生載流子填滿周?chē)南裨?，飽和的像元又?huì)繼續(xù)向周?chē)裨绯鲚d流子，直到產(chǎn)生的載流子全部容納在像元里，由于CCD水平方向溝阻結(jié)構(gòu)的制約，載流子在水平方向的溢出速度遠(yuǎn)小于垂直方向的溢出擴(kuò)散速度，所以光強(qiáng)達(dá)到一定程度后就會(huì)出現(xiàn)穿過(guò)光斑中心的垂直串?dāng)_線。

當(dāng)強(qiáng)光輻照探測(cè)器后，光子能量超過(guò)帶隙則實(shí)現(xiàn)電子躍遷，產(chǎn)生電荷，電荷可表示為：

式中，q為電子電荷，P為入射光功率，t′為光照時(shí)間?！八巍币暈楣馍姾闪浚阎姾闪空扔诠夤β?，設(shè)定“小桶”盛滿水的電荷閾值是Qth，“小桶”盛滿水后會(huì)向鄰近“小桶”溢流，根據(jù)光生載流子擴(kuò)散規(guī)律，可知飽和像元數(shù)滿足：

式中，i為載流子向外擴(kuò)散的圈數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中CCD相機(jī)的像素?cái)?shù)，i取0～274之間的整數(shù)，wi為i圈時(shí)的串音線上的飽和像元數(shù)。N個(gè)飽和像元的總電荷數(shù)Q為：

則推導(dǎo)出一定時(shí)間、功率和CCD飽和像元數(shù)的關(guān)系為：

基于上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中在功率較低時(shí)，串音線數(shù)量和亮度變化較為穩(wěn)定，通過(guò)MATLAB統(tǒng)計(jì)得到功率小于500μW時(shí)，串音線上平均飽和像素點(diǎn)數(shù)為110pixel。根據(jù)表1中激光器和CCD性能結(jié)構(gòu)參量數(shù)據(jù)，利用MATLAB建立CCD光生載流子的“水滴”擴(kuò)散模型，仿真干擾光斑如圖9所示。

Table 1 Parameters of CCD

Fig.9 Simulation of interference phenomena

根據(jù)圖8中光生載流子擴(kuò)散方式，計(jì)算不同功率下的光斑面積來(lái)設(shè)置初始飽和光斑區(qū)域，進(jìn)而得出不同功率下的干擾情況和飽和像元數(shù)。圖9分別為激光功率194μW和334μW的串音仿真圖?？梢钥闯?，干擾區(qū)域中心飽和光斑近似橢圓形，串音線穿過(guò)光斑中心，距離中心光斑越遠(yuǎn)像元飽和程度越低，飽和光斑集中在靠近中心光斑的區(qū)域，符合CCD結(jié)構(gòu)特性和干擾機(jī)理。計(jì)算并繪制激光輻照CCD表面300s時(shí)飽和像元數(shù)隨激光功率的變化曲線，如圖10所示。

Fig.10 Comparison of the number of saturated pixels with laser power

由圖10可知，利用MATLAB“水滴”模型仿真得出的仿真數(shù)據(jù)同公式擬合數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均吻合得較好。通過(guò)公式擬合、模型仿真以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以將CCD光生載流子的擴(kuò)散過(guò)程的理論分析，定量計(jì)算以及實(shí)際干擾過(guò)程緊密結(jié)合起來(lái)。對(duì)于仿真及擬合數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，分析為：仿真過(guò)程并未考慮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的點(diǎn)陣光斑和旁支串音線對(duì)飽和像素點(diǎn)數(shù)的影響，仿真過(guò)程只針對(duì)一個(gè)干擾光斑和穿過(guò)其中心的一條串?dāng)_線，此外，擬合曲線中飽和像素點(diǎn)數(shù)的計(jì)算中，串音線和光斑重合部分的飽和像元數(shù)沒(méi)有剔除，實(shí)際串音線上的飽和像元數(shù)小于公式中的，這也造成了擬合與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差。整體來(lái)說(shuō)，根據(jù)圖10中飽和像元數(shù)隨激光功率的變化曲線對(duì)比圖中仿真結(jié)果同實(shí)際數(shù)據(jù)的基本吻合可以證明此方法正確，并具有可靠性。

4 結(jié) 論

激光對(duì)CCD的干擾效應(yīng)中，利用波長(zhǎng)為1064nm的近紅外連續(xù)激光輻照黑白CCD相機(jī)，獲得了黑白CCD在不同激光功率下的干擾程度曲線，得出激光功率越高，干擾光斑半徑越大，串音線越寬，相應(yīng)干擾區(qū)域中飽和像元數(shù)越多，干擾程度越嚴(yán)重以及飽和像元數(shù)量正比于激光功率基本呈線性增長(zhǎng)的結(jié)論；針對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的規(guī)律性點(diǎn)陣光斑和旁支串音線，分析是光學(xué)鏡頭的傅里葉頻譜性質(zhì)所致；利用相關(guān)公式推導(dǎo)得出一般干擾過(guò)程的擬合曲線，并最后根據(jù)CCD基本像元MOS電容勢(shì)阱的特點(diǎn)和載流子溢出方式來(lái)對(duì)干擾過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相符。