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CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波特性研究

陈世杰 牛春晖 李晓英 吕勇

陈世杰, 牛春晖, 李晓英, 吕勇. CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波特性研究[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(9): 20200425. doi: 10.3788/IRLA20200425
引用本文: 陈世杰, 牛春晖, 李晓英, 吕勇. CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波特性研究[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(9): 20200425. doi: 10.3788/IRLA20200425
Chen Shijie, Niu Chunhui, Li Xiaoying, Lv Yong. Cat eye echo characteristics of optical imaging system in CCD damage process[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(9): 20200425. doi: 10.3788/IRLA20200425
Citation: Chen Shijie, Niu Chunhui, Li Xiaoying, Lv Yong. Cat eye echo characteristics of optical imaging system in CCD damage process[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(9): 20200425. doi: 10.3788/IRLA20200425

CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波特性研究

doi: 10.3788/IRLA20200425
详细信息
    作者简介:

    陈世杰,男,硕士生,主要研究方向为光电对抗技术

    牛春晖,男,教授,博士,主演研究方向为光电对抗及光电功能材料

  • 中图分类号: TN201; O436.3

Cat eye echo characteristics of optical imaging system in CCD damage process

  • 摘要: 建立了CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波探测系统,记录了CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波功率与猫眼回波偏振度数据并绘制了变化曲线,分析了猫眼回波特性的变化机理、CCD损伤状态与猫眼回波功率、偏振度变化之间的联系,研究得出:光学成像系统CCD探测器件受脉冲激光辐照产生点损伤、线损伤至全靶面损伤进程中,猫眼回波功率、偏振度变化与CCD损伤状态变化没有良好的相关性,提高损伤激光能量使CCD受到首个脉冲辐照时完全损伤,在0~8个脉冲损伤进程中,猫眼回波功率与偏振度先增大后减小,再增大最后不断减小,可以此规律对CCD是否完全损伤进行判断。
  • 图  1  CCD点损伤、线损伤及全靶面损伤成像图片

    Figure  1.  CCD point damage, line damage, full target damage imaging images

    图  2  CCD不同损伤状态下猫眼回波功率与偏振度变化曲线

    Figure  2.  Change curve of cat eye echo power and degree of polarization under different CCD damage states

    图  3  不同损伤状态损伤处显微图像(a)~(c)与轮廓图(d)~(e)

    Figure  3.  Microscopic images (a)-(c) and contour images (d)-(e) of damage sites under different damage states

    图  4  不同材料“猫眼”目标回波散射偏振度与目标表面粗糙度的关系曲线

    Figure  4.  Relation curves between the polarization degree of echo scattering and the surface roughness of target for cat’s eye of different materials

    图  5  猫眼回波功率(a)与偏振度(b)随脉冲数变化

    Figure  5.  Cat eye echo power (a) and degree of polarization (b) vary with the number of pulses

    图  6  不同损伤处表面形貌

    Figure  6.  Surface morphology of different damage sites

    表  1  材料表面均方根高度测量结果

    Table  1.   RMS height measurement results of material surface

    RMS height Sq/μmPoint damageLine damageFull target damage
    The first group4.1323.9194.006
    The second group3.8954.0363.940
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    表  2  材料表面均方根高度测量结果

    Table  2.   Root mean square height measurement results of material surface

    Item Pulse number
    01234 5 6 7 8
    RMS height Sq/μm 4.135 0.012 0.007 0.491 0.440 0.370 0.352 0.516 0.650
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-17
  • 修回日期:  2021-02-19
  • 刊出日期:  2021-09-23

CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波特性研究

doi: 10.3788/IRLA20200425
    作者简介:

    陈世杰,男,硕士生,主要研究方向为光电对抗技术

    牛春晖,男,教授,博士,主演研究方向为光电对抗及光电功能材料

  • 中图分类号: TN201; O436.3

摘要: 建立了CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波探测系统,记录了CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波功率与猫眼回波偏振度数据并绘制了变化曲线,分析了猫眼回波特性的变化机理、CCD损伤状态与猫眼回波功率、偏振度变化之间的联系,研究得出:光学成像系统CCD探测器件受脉冲激光辐照产生点损伤、线损伤至全靶面损伤进程中,猫眼回波功率、偏振度变化与CCD损伤状态变化没有良好的相关性,提高损伤激光能量使CCD受到首个脉冲辐照时完全损伤,在0~8个脉冲损伤进程中,猫眼回波功率与偏振度先增大后减小,再增大最后不断减小,可以此规律对CCD是否完全损伤进行判断。

English Abstract

    • 利用光电目标的“猫眼效应”进行主动光电探测已在光电对抗领域得到广泛应用[1]。当激光照射光电系统时,由于“猫眼效应”的存在使得猫眼目标反射的回波强度要明显高于普通漫反射物体,因此,可以利用该效应对光电目标进行扫描侦察和识别,以获得目标的位置、速度等信息[2]。张明鑫等人在2019年研究得出使用连续激光对CCD进行损伤,光学成像系统猫眼回波峰值功率随CCD损伤程度的加深呈现先显著上升再迅速下降的规律[3]。随着CCD技术和探测技术的发展,针对目标与背景的光学散射特性的研究被广泛地应用到目标识别和计算机图形学等领域[4]。偏振是光的固有属性,当光与物质发生相互作用后,通过解构偏振态变化,可以获取材料组成和结构的重要信息[5],而激光具有良好的偏振性,由于探测器损伤前后材料表面粗糙度不同引起猫眼回波偏振度变化,因此,可通过被探测目标回波信号偏振度判断其探测器表面的损伤程度。

      文中通过建立CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波探测实验系统,通过电脑端输出的CCD接收的图像判断CCD损伤状态;记录CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波功率、偏振度等数据并绘制分析数据变化曲线;采集CCD不同损伤状态下损伤处表面形貌的显微图像与轮廓图,以光学成像系统猫眼回波功率表达式与偏振双向反射分布函数为理论基础分析猫眼回波特性的变化机理,验证了实验结果与理论分析一致;通过电脑端输出图像与光学成像系统猫眼回波功率与偏振度数据分析了CCD损伤状态与猫眼回波功率、偏振度变化之间的联系。

    • 实验使用1064 nm脉冲激光器为损伤光源,设置脉冲激光脉宽为10 ns,频率为1 Hz,实验时激光通过各透镜后对CCD进行损伤,使用电脑连接CCD观察成像情况,判断CCD的损伤状态;然后使用CNI公司型号为MRL-III-671的连续激光器输出探测激光,其最大输出功率为200 mW,光束发散角小于1.5 mrad,其出射激光的偏振度为0.996,可视为线偏振光,探测激光经各透镜后辐照至CCD损伤处(为使探测激光和损伤激光能够落在猫眼目标表面同一点,搭建光路时通过调节近处与远处损伤激光与探测激光光斑中心位置重合的方法使两光束共轴),基于猫眼效应,辐照至CCD损伤处的部分探测激光会发生反射产生猫眼回波,猫眼回波经过各透镜后入射至光电探头,通过光功率计测得猫眼回波功率的数值,采用旋转波片法测量偏振度,详细步骤参考文献[6]。探测光信号强度使用的光电探头采用Thorlabs公司的S121C型号探头,可探测波长范围400~1100 nm,功率计选择PM100D系列功率计,功率范围从皮瓦到几百瓦。

      实验采用型号为ICX633BKAA的CCD芯片,结构分为微透镜层、遮光铝膜层、多晶硅电极、SiO2绝缘层与硅基底等。当1064 nm脉冲激光损伤CCD时,CCD结构的损伤顺序依次为微透镜层、遮光铝膜层、SiO2绝缘层、硅基底层。为了达到更好的实验效果,实验时去除了CCD芯片的封装玻璃。

    • 实验中通过调节1064 nm脉冲激光器电压与衰减片对损伤激光能量进行控制,使损伤激光能量密度为41.355 mJ/cm2,通过电脑端输出的CCD接收的图像观察CCD成像情况,以CCD成像情况判断CCD损伤状态,CCD点损伤、线损伤及全靶面损伤时成像图片如图1所示。

      图  1  CCD点损伤、线损伤及全靶面损伤成像图片

      Figure 1.  CCD point damage, line damage, full target damage imaging images

      做了多组实验,对CCD不同损伤状态下光学成像系统猫眼回波功率与偏振度的数据进行记录,绘制变化曲线,如图2所示。

      图  2  CCD不同损伤状态下猫眼回波功率与偏振度变化曲线

      Figure 2.  Change curve of cat eye echo power and degree of polarization under different CCD damage states

      图2(a)、(b)可以看出四组实验对应CCD损伤状态变化规律相同,但相对应的猫眼回波功率与偏振度变化趋势有所差异,呈现不同的变化趋势,因此,猫眼回波功率、偏振度的变化趋势与CCD未损伤至全靶面损伤状态变化规律没有良好的相关性;由图2分析可得CCD受脉冲激光辐照未损伤至全靶面损伤进程中不能以猫眼回波功率与偏振度变化规律作为损伤状态的判断依据。

    • 光线照射漫反射目标时反射光较弱,然而当光线照射目标发生“猫眼”效应时,反射光会按照原路返回[7]。设激光器发射功率为P0, 经过距离为z的大气传输后照射目标,只考虑大气衰减对激光传输的影响,“猫眼”回波由一个探测器接收,探测器所接收的光功率可表示为[8]

      $$ P = \frac{16{A}_{m}{{{{{A}_{d}\tau }_{m}}^{2}{{\tau }_{a}}^{2}P}_{0}\tau }_{d}\rho }{{\pi }^{2}{{\theta }_{t}}^{2}{{\theta }_{r}}^{2}{{\textit{z}}}^{4}} $$ (1)

      式中:${A}_{m} $ 为目标的接收面积;$ {A}_{d} $为接收系统的孔径面积;$ {\tau }_{m} $为目标系统的透过率;$ {\tau }_{a} $为空气透过率;$ {\tau }_{d} $为探测系统的透过率;$\; \rho $为光敏面反射率;$ {\theta }_{t} $为激光发散角;$ {\theta }_{r} $为反射光发散角;z为激光器与猫眼目标间的距离。结合文中光学成像系统猫眼回波探测实验系统,实验过程中猫眼目标受激光辐照后损伤处材料与材料表面形貌发生变化,材料不同,其表面反射率不同,材料表面形貌发生变化,其粗糙度改变,由参考文献[9]可知材料表面粗糙度(目标表面粗糙度参数为面均方根高度,均方根(root mean square, RMS)高度与粗糙度成正比关系)越大,材料对入射光的吸收率越高,其反射率越低[10],而其他参数不变,所以由公式(1)可知文中实验中探测目标的猫眼回波功率P仅与光敏面的反射率$\; \rho $有关,且二者之间成正比关系。

      为进一步研究CCD未损伤至全靶面损伤损伤进程中猫眼回波功率变化趋势不同的原因,使用Olympus公司生产的型号为DSX110光学数码显微镜,以600倍放大率采集各损伤状态下损伤处显微图像,CCD像元大小为10 μm×6 μm,如图3(a)~(c)所示,CCD在产生点损伤、线损伤与全靶面损伤时损伤处微透镜层颜色发生改变,表面形貌无明显变化,使用ZYGO公司型号为ZGPH3X02-1Z-03V,垂直精度为0.15 nm的白光干涉仪采集两组CCD产生点损伤至全靶面损伤进程中CCD损伤处的表面轮廓图,其中一组图像如图3(d)~(f)所示,其损伤处材料表面均方根高度如表1所示。由图3(a)~(c)可知:CCD产生点损伤至全靶面损伤进程中损伤至微透镜层,所以损伤处材料不变,由表1可得两组实验CCD损伤处粗糙度变化趋势不同,由此可得CCD在未损伤至全靶面损伤的损伤进程中,猫眼回波功率变化趋势是由微透镜粗糙度变化无固定规律造成的。

      图  3  不同损伤状态损伤处显微图像(a)~(c)与轮廓图(d)~(e)

      Figure 3.  Microscopic images (a)-(c) and contour images (d)-(e) of damage sites under different damage states

      表 1  材料表面均方根高度测量结果

      Table 1.  RMS height measurement results of material surface

      RMS height Sq/μmPoint damageLine damageFull target damage
      The first group4.1323.9194.006
      The second group3.8954.0363.940
    • 材料目标表面散射偏振特性与入射角、探测角、折射率、表面粗糙度等参数有关[9]。实验系统一样,影响猫眼目标猫眼回波偏振度的因素为材料折射率与表面粗糙度。基于微面元理论,结合Jones矩阵与Mueller矩阵相互转换,可得偏振双向反射分布函数的表达式为:

      $$ \begin{split} {f}_{j,k}\left({\theta }_{i},{\phi }_{i},{\theta }_{r},{\phi }_{r},\lambda \right)=&\frac{1}{2\pi }\frac{1}{4{\sigma }^{2}}\frac{1}{{{\rm{cos}}}^{4}\theta }\frac{{\rm{exp}}(-({{\rm{tan}}}^{2}\theta /2{\sigma }^{2}\left)\right)}{{\rm{cos}}\left({\theta }_{i}\right){\rm{cos}}\left({\theta }_{r}\right)}\times\\ &{M}_{j,k}({\theta }_{i},{{\phi }_{i},\theta }_{r},{\phi }_{r}) \end{split}$$ (2)

      式中:$ \sigma $为目标表面的粗糙度参数;由半球定向反射理论可得,光波入射到猫眼目标表面后按照原路返回的光波积分运算为:

      $$ {\rho }_{HDR}^{\tau }\left({\theta }_{i}\right)={\int }_{0}^{2\pi }{\int }_{-\tau /2}^{\tau /2}f\left({\theta }_{i},{\theta }_{r},\Delta \varphi \right){{\rm{cos}}}\left({\theta }_{r}\right){{\rm{sin}}}\left({\theta }_{r}\right){\rm{d}}\left({\theta }_{r}\right){\rm{d}}\left(\Delta \varphi \right) $$ (3)

      以Mueller矩阵建立入射光Stokes向量与目标表面散射光Stokes向量之间的数学关系,当线偏振光入射目标表面时,线偏振光在目标表面散射回波的Stokes向量为:

      $$ {S}^{r}={\rho }_{HDR}^{\tau }\cdot {S}^{i} $$ (4)

      式中:$ {S}^{i} $为线偏振光的Stokes向量;因此得到线偏振光入射目标表面其回波散射的偏振度表达式为:

      $$ DOP=\frac{\sqrt{\left({\left({S}_{1}^{r}\right)}^{2}+{\left({S}_{2}^{r}\right)}^{2}+{\left({S}_{3}^{r}\right)}^{2}\right)}}{{S}_{0}^{r}} $$ (5)

      使用matlab仿真可得不同材料猫眼目标回波偏振度与目标表面粗糙度的关系曲线如图4所示,猫眼目标材料表面粗糙度越大,猫眼回波偏振度越小,且相同粗糙度时,猫眼回波偏振度由高到底为Al、树脂(Resin)、Si。

      图  4  不同材料“猫眼”目标回波散射偏振度与目标表面粗糙度的关系曲线

      Figure 4.  Relation curves between the polarization degree of echo scattering and the surface roughness of target for cat’s eye of different materials

      由上文可知CCD损伤进程中损伤处材料不变,材料表面粗糙度变化无固定趋势,由图4可得相同材料其表面粗糙度与猫眼回波偏振度成反比,所以CCD在未损伤、点损伤、线损伤与全靶面损伤损伤进程中猫眼回波偏振度变化趋势不同是CCD损伤进程中损伤处微透镜粗糙度变化无固定规律造成的。

    • 实际光电对抗中多采用高于目标损伤阈值的高能量重频脉冲激光对目标进行多脉冲损伤,结合实际应用,实验中调节损伤激光能量使CCD受到首个激光脉冲辐照后达到完全损伤的效果,对CCD不同位置依次进行0~8个脉冲辐照损伤,不断加深CCD器件的损伤状态,分别记录光学成像系统CCD探测器件受0~8个脉冲辐照过程中光学成像系统猫眼回波功率与偏振度数据,进行多组实验,分析实验数据,如图5所示:CCD芯片受激光辐照0~8个脉冲损伤进程中,光学成像系统猫眼回波功率与偏振度呈现先增大后减小,再增大最后不断减小的变化规律。

      图  5  猫眼回波功率(a)与偏振度(b)随脉冲数变化

      Figure 5.  Cat eye echo power (a) and degree of polarization (b) vary with the number of pulses

    • 采集CCD受激光辐射0~8个脉冲损伤进程中部分损伤处表面形貌图像,如图6所示,采集CCD损伤处表面轮廓图像,整理测量所得材料表面均方根高度数据,如表2所示。

      图  6  不同损伤处表面形貌

      Figure 6.  Surface morphology of different damage sites

      表 2  材料表面均方根高度测量结果

      Table 2.  Root mean square height measurement results of material surface

      Item Pulse number
      01234 5 6 7 8
      RMS height Sq/μm 4.135 0.012 0.007 0.491 0.440 0.370 0.352 0.516 0.650

      光学成像系统猫眼回波功率与偏振度受CCD损伤处材料与表面粗糙度影响。在激光辐照0~8个脉冲损伤进程中,如图6(b)所示,CCD首先被损伤至遮光铝膜层,其损伤处显露出被熔融的微透镜所覆盖的金属网状结构,随激光辐照脉冲数增加,熔融的微透镜逐渐消失,裸露出遮光铝膜,且如表2所示,材料表面粗糙度减小,因此,光学成像系统猫眼回波功率、偏振度增加;当激光辐照三个脉冲时,如图6(c)所示,损伤处少部分单一网格处遮光铝膜呈熔融态,材料表面粗糙度显著增加,如表2所示,所以猫眼回波功率、偏振度有所减小;激光辐照脉冲个数继续增加,如图6(d)所示,损伤处熔融态金属铝范围不断扩大,且其表面均方根高度变化不断减小,如表2所示,其粗糙度不断减小,猫眼回波功率、偏振度不断增大;当激光辐照六个脉冲时,如图6(e)所示,CCD损伤处中心位置出现黑洞,此时CCD损伤至硅基底,材料硅对671 nm激光反射率仅为0.3,远小于金属铝,且材料表面均方根高度不断增大,粗糙度不断增大,所以猫眼回波功率、偏振度不断减小。

    • 文中搭建了光学成像系统CCD探测器件受激光辐照损伤进程中猫眼回波探测系统,分析了CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波功率与猫眼回波偏振度的数据变化曲线,总结建立了CCD完全损伤时其损伤程度与光学成像系统猫眼回波功率、偏振度变化之间的联系,验证了实验结果与理论分析结论的一致性。结果表明:CCD受脉冲激光辐照产生点损伤至全靶面损伤进程中,光学成像系统猫眼回波功率及偏振度变化趋势与CCD损伤状态变化没有良好的相关性;提高损伤激光能量使CCD受到首个激光脉冲辐照时完全损伤,随激光辐照脉冲数增加,光学成像系统猫眼回波功率与偏振度呈现先增大后减小,再增大最后不断减小的变化规律,可以此判断CCD是否完全损伤,该结论在光电对抗领域具有重要意义。

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