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2.79 μm中红外激光对CMOS图像传感器的辐照效应研究

王玺 赵楠翔 张永宁 王毕艺 董骁 邹岩 雷武虎 胡以华

王玺, 赵楠翔, 张永宁, 王毕艺, 董骁, 邹岩, 雷武虎, 胡以华. 2.79 μm中红外激光对CMOS图像传感器的辐照效应研究[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(6): 20230168. doi: 10.3788/IRLA20230168
引用本文: 王玺, 赵楠翔, 张永宁, 王毕艺, 董骁, 邹岩, 雷武虎, 胡以华. 2.79 μm中红外激光对CMOS图像传感器的辐照效应研究[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(6): 20230168. doi: 10.3788/IRLA20230168
Wang Xi, Zhao Nanxiang, Zhang Yongning, Wang Biyi, Dong Xiao, Zou Yan, Lei Wuhu, Hu Yihua. Irradiation effect of 2.79 μm mid-infrared laser on CMOS image sensor[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(6): 20230168. doi: 10.3788/IRLA20230168
Citation: Wang Xi, Zhao Nanxiang, Zhang Yongning, Wang Biyi, Dong Xiao, Zou Yan, Lei Wuhu, Hu Yihua. Irradiation effect of 2.79 μm mid-infrared laser on CMOS image sensor[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(6): 20230168. doi: 10.3788/IRLA20230168

2.79 μm中红外激光对CMOS图像传感器的辐照效应研究

doi: 10.3788/IRLA20230168
基金项目: 国防科技创新特区项目(22TQ2307ZD01001);国防基础科研计划(JCKY2023230C010);国防科技大学自主创新科学基金(22-ZZCX-007);脉冲功率激光技术国家重点实验室基金(SKL2022ZR10);先进激光技术安徽省实验室基金(AHL2021ZR04)
详细信息
    作者简介:

    王玺,男,副研究员,博士,主要从事光电对抗技术方面的研究

    通讯作者: 胡以华,男,教授,博士,主要从事空间信息获取与处理技术方面的研究
  • 中图分类号: TN249

Irradiation effect of 2.79 μm mid-infrared laser on CMOS image sensor

Funds: National Defense Science and Technology Innovation Special Zone Project (22TQ2307ZD01001); National Defense Basic Scientific Research Program of China (JCKY2023230C010); Independent Scientific Research Project of National University of Defense Technology (22-ZZCX-007); Foundation of the State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology (SKL2022ZR10); Foundation of Anhui Advanced Laser Technology Laboratory (AHL2021ZR04)
  • 摘要: 研究中红外波段激光对CMOS图像传感器的辐照效应,对探索空间态势感知系统光学成像器件的激光干扰和损伤条件具有重要军事意义。开展了不同重频下2.79 μm中红外激光对CMOS图像传感器的干扰与损伤实验。观察到CMOS图像传感器的饱和、过饱和以及损伤产生的绿屏、彩色条纹、黑屏、亮线等一系列干扰损伤现象。同时测量了传感器各种辐照现象相对应的2.79 μm中红外激光干扰损伤阈值,研究了图像传感器辐照效应与激光重频之间的内在关系,分析了2.79 μm中红外激光对CMOS图像传感器的干扰损伤机理。研究表明,CMOS图像传感器的激光损伤主要以材料的热熔融为主,热效应明显。在激光重频10 Hz的辐照下,饱和干扰阈值为0.44 J/cm2、过饱和阈值为0.97 J/cm2、损伤阈值为203.71 J/cm2。研究表明CMOS图像传感器具有很好的抗干扰和抗损伤能力,实验测得的相关阈值数据在空间激光攻防领域具有重要的参考价值。
  • 图  1  激光辐照效应实验系统示意图

    Figure  1.  Experimental system of laser irradiation effect

    图  2  CMOS图像传感器

    Figure  2.  CMOS image sensor

    图  3  干扰现象随激光能量的变化情况(重频5 Hz)

    Figure  3.  Time of irradiation effect vs laser energy (Repetition frequency 5 Hz)

    图  4  传感器的过饱和黑屏画面

    Figure  4.  Phenomenon of oversaturation

    图  5  干扰现象随激光能量的变化情况(重频10 Hz)

    Figure  5.  Time of irradiation effect vs. laser energy (Repetition frequency 10 Hz)

    图  6  传感器的干扰画面

    Figure  6.  Phenomenon of green screen

    图  7  传感器的损伤画面

    Figure  7.  Damage phenomenon of CMOS

    图  8  传感器激光能量与作用时间的关系(重频5 Hz) ①饱和/过饱和,②绿屏,③过饱和,④绿屏,⑤损坏

    Figure  8.  Time of irradiation effect vs. sensor laser energy (5 Hz) ① saturated/oversaturated, ② green screen, ③ oversaturated, ④ green screen, ⑤ damage

    图  9  传感器激光能量与作用时间的关系(重频10 Hz) ①饱和,②过饱和,③画面停滞,④过饱和,⑤绿屏,⑥损坏

    Figure  9.  Time of irradiation effect vs. sensor laser energy (10 Hz) ① saturated, ② oversaturated, ③ stagnation of picture, ④ oversaturated, ⑤ green screen, ⑥ damage

    图  10  传感器的损伤形貌(203.71 J/cm2,10 Hz)

    Figure  10.  Damage morphology of CMOS image sensor (203.71 J/cm2, 10 Hz)

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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-24
  • 修回日期:  2023-05-05
  • 刊出日期:  2023-06-25

2.79 μm中红外激光对CMOS图像传感器的辐照效应研究

doi: 10.3788/IRLA20230168
    作者简介:

    王玺,男,副研究员,博士,主要从事光电对抗技术方面的研究

    通讯作者: 胡以华,男,教授,博士,主要从事空间信息获取与处理技术方面的研究
基金项目:  国防科技创新特区项目(22TQ2307ZD01001);国防基础科研计划(JCKY2023230C010);国防科技大学自主创新科学基金(22-ZZCX-007);脉冲功率激光技术国家重点实验室基金(SKL2022ZR10);先进激光技术安徽省实验室基金(AHL2021ZR04)
  • 中图分类号: TN249

摘要: 研究中红外波段激光对CMOS图像传感器的辐照效应,对探索空间态势感知系统光学成像器件的激光干扰和损伤条件具有重要军事意义。开展了不同重频下2.79 μm中红外激光对CMOS图像传感器的干扰与损伤实验。观察到CMOS图像传感器的饱和、过饱和以及损伤产生的绿屏、彩色条纹、黑屏、亮线等一系列干扰损伤现象。同时测量了传感器各种辐照现象相对应的2.79 μm中红外激光干扰损伤阈值,研究了图像传感器辐照效应与激光重频之间的内在关系,分析了2.79 μm中红外激光对CMOS图像传感器的干扰损伤机理。研究表明,CMOS图像传感器的激光损伤主要以材料的热熔融为主,热效应明显。在激光重频10 Hz的辐照下,饱和干扰阈值为0.44 J/cm2、过饱和阈值为0.97 J/cm2、损伤阈值为203.71 J/cm2。研究表明CMOS图像传感器具有很好的抗干扰和抗损伤能力,实验测得的相关阈值数据在空间激光攻防领域具有重要的参考价值。

English Abstract

    • 自从20世纪60年代末期,美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后,固体图像传感器便得到了迅速发展。互补金属氧化物半导体CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)图像传感器与电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)图像传感器的研究几乎同时起步。近年来,随着CMOS制造工艺水平的提高,它的画质日益趋近于CCD,同时又具有价格便宜、体积小和集成度高等优点。因而被广泛应用于航空航天、安防监控工业控制、导航制导和图像识别系统等领域[1-7]。随着新型激光武器的发展,用于军事上的各类光电探测器几乎都面临着高功率激光武器的严重威胁。当探测器受到强激光辐照时,光敏元件会吸收激光能量使其温度升高,当温度达到一定值,便会发生损伤。目前,对可见光探测器的辐照效应研究主要集中在可见光、近红外波段1.06 μm等激光干扰毁伤CCD及CMOS图像传感器上[8-16],这些都属于波段内研究,即用探测器工作波段内的激光对探测器进行辐照效应研究。而对于CMOS传感器工作波段外的中红外激光对其的干扰损伤研究,相关报道较少。随着越来越多的不同波段高能激光器的应用,这就造成了波段外激光对光学系统的损伤风险,有必要对这种波段外激光与光学元件的相互作用进行系统的实验研究。特别是在光电对抗中,当干扰和损伤用的是波段外激光时,是否还能对相关探测器产生有效的干扰和损伤,其作用机制如何,这具有重要的研究意义。2.79 μm中红外激光处于大气窗口,拥有空气散射小、传播距离远等特点[17-20],而且这一波段也是大多数天基侦察、监视、预警卫星等系统的工作波段,在未来空间应用上,高功率2.79 μm中红外激光有着广阔的应用前景。

      因此,研究中红外波段激光对CMOS图像传感器的辐照效应,探索对天基空间态势感知系统光学成像器件的激光干扰和损伤条件,在激光攻防领域有着重要的应用参考价值。文中开展了2.79 μm中红外激光对CMOS图像传感器的干扰损伤实验,获取了相关阈值数据,主要讨论了激光干扰损伤机理,并分析比较了不同重频下的激光干扰损伤效果。

    • 整个辐照效应实验系统布局如图1所示。

      图  1  激光辐照效应实验系统示意图

      Figure 1.  Experimental system of laser irradiation effect

      图中,1为2.79 μm中红外激光器,2为控制作用时间的定时器,3为衰减片组,4为激光能量计,5为分束镜,6为蓝宝石聚焦透镜,7为CMOS图像传感器,8为显示传感器图像的电脑。激光在CMOS图像传感器上的辐照时间由定时器控制。入射激光被分束镜分为两束:一束用于测量激光能量;另一束对CMOS图像传感器进行辐照。通过测定分光镜的分束比,就可以得到辐照在镜头前的激光能量的大小。

      为研究激光辐照对CMOS图像传感器的干扰损伤效果,实验分为两个阶段:第一阶段,激光器的输出能量直接辐照到传感器上,即不放置图1中蓝宝石聚焦透镜,研究中红外激光对CMOS图像传感器的干扰效果;第二阶段,将蓝宝石聚焦透镜置于光路中,传感器位于透镜焦点处,研究中红外激光对CMOS图像传感器的损伤效果。采用Nomarski型的微分干涉相衬显微镜观察传感器样品的损伤形貌。

      CMOS图像传感器靶面像素阵列为640 (水平)×480 (垂直),靶面尺寸为2.4 mm×1.8 mm,像素面积3.75 μm × 3.75 μm,如图2所示。信号处理电脑连接CMOS相机,用来观察并记录激光辐照对相机成像的作用效果。

      图  2  CMOS图像传感器

      Figure 2.  CMOS image sensor

      2.79 μm中红外激光器增益介质为Cr: Er: YSGG晶体;泵浦源为脉冲氙灯,泵浦源发射的泵浦光由紧包型玻璃聚光腔会聚到增益介质棒,激光器输出脉宽300 μs,其单脉冲能量输出范围为10~820 mJ,重复频率5 Hz和10 Hz。

    • 激光能量不经聚焦直接辐照到CMOS图像传感器上,传感器处光斑直径为8 mm。在激光重频5 Hz辐照下,随着激光能量的提高,图像传感器出现了激光干扰:饱和现象和过饱和现象,两种激光干扰现象出现的时间随入射能量的变化情况如图3所示。当激光能量为390 mJ时,对应的激光能量密度为0.76 J/cm2,经过122 s的辐照,传感器出现全屏饱和现象,即全屏白色。当激光能量提高到580 mJ时,对应的能量密度为1.15 J/cm2,经过30 s的辐照出现饱和现象,42 s时出现过饱和现象,即全屏黑色现象,如图4所示。当激光能量为820 mJ时,经过11 s的辐照出现饱和现象,14 s出现过饱和现象。在停止激光辐照一段时间后,图像传感器可以自动恢复至正常的工作状态。

      图  3  干扰现象随激光能量的变化情况(重频5 Hz)

      Figure 3.  Time of irradiation effect vs laser energy (Repetition frequency 5 Hz)

      图  4  传感器的过饱和黑屏画面

      Figure 4.  Phenomenon of oversaturation

      图  5  干扰现象随激光能量的变化情况(重频10 Hz)

      Figure 5.  Time of irradiation effect vs. laser energy (Repetition frequency 10 Hz)

      在激光重频10 Hz辐照下,随着重频的升高,饱和现象和过饱和现象出现的时间如图5所示。当激光能量为220 mJ时,对应的能量密度为0.44 J/cm2,经过108 s的辐照传感器出现饱和现象全屏白色。当激光能量为490 mJ时,对应的能量密度为0.97 J/cm2,经过11 s的辐照出现饱和现象,16 s出现过饱和现象全屏黑色。当激光能量为0.72 J时,对应能量密度为1.43 J/cm2,传感器经过5 s的辐照出现饱和现象,经过7 s的辐照出现过饱和现象。

      图  6  传感器的干扰画面

      Figure 6.  Phenomenon of green screen

      全屏白色这种饱和现象的产生是由于像元受到激光辐照后,CMOS的光电二极管产生大量的光生电荷,使得势阱被逐渐填满,CMOS输出的电压信号饱和,从而出现视频画面逐渐变白,从而出现饱和现象,此时的激光能量密度即为饱和阈值。当入射激光强度高于饱和阈值、但未使得传感器发生不可逆的损坏时,传感器出现过饱和现象。CMOS图像传感器集成了列级相关双采样CDS(Correlated Double Sampling)输出电路,当入射激光强度高于饱和阈值时,将影响CDS中参考信号(res)的采集,参考信号电压Vres升高,信号电压Vsig与参考电压Vres差值减小,输出视频信号受到干扰,从而导致强光辐照下器件出现过饱和现象,表现为从白色转变为全屏黑色,此时的激光能量密度为过饱和阈值。

      另外,实验研究表明,重频提高后,由于更多激光脉冲涌入的累积效应,使得CMOS图像传感器达到全屏饱和或过饱和所需的激光能量更小,时间更短。

    • 实验光路放入中红外蓝宝石聚焦透镜,聚焦镜焦距200 mm,双面镀2.79 μm波长增透膜,测得传感器处聚焦光斑直径为0.5 mm。在激光重频5 Hz辐照下,当激光能量为340 mJ时,对应的能量密度为173.16 J/cm2,在辐照开始的1 s内接连出现了全屏白色、全屏黑色画面,经过1 min 29 s辐照后,视频画面出现了绿屏现象,如图6所示,画面停滞。辐照结束后,绿屏消失,视频画面恢复。说明此条件辐照下,传感器未出现损坏。当激光能量为390 mJ时,对应的能量密度为198.63 J/cm2,在辐照开始的1 s内直接出现全屏白色,10 s后,出现绿屏,55 s后,不再呈现视频画面。辐照结束后,视频显示为带有若干红色、绿色、蓝色条纹的黑色亮线画面,如图7所示,且不再对外界光信号产生响应。说明此条件辐照下,传感器已经损坏。两种入射激光能量下的辐照现象与作用时间的关系如图8所示。

      图  7  传感器的损伤画面

      Figure 7.  Damage phenomenon of CMOS

      图  8  传感器激光能量与作用时间的关系(重频5 Hz) ①饱和/过饱和,②绿屏,③过饱和,④绿屏,⑤损坏

      Figure 8.  Time of irradiation effect vs. sensor laser energy (5 Hz) ① saturated/oversaturated, ② green screen, ③ oversaturated, ④ green screen, ⑤ damage

      图  9  传感器激光能量与作用时间的关系(重频10 Hz) ①饱和,②过饱和,③画面停滞,④过饱和,⑤绿屏,⑥损坏

      Figure 9.  Time of irradiation effect vs. sensor laser energy (10 Hz) ① saturated, ② oversaturated, ③ stagnation of picture, ④ oversaturated, ⑤ green screen, ⑥ damage

      在激光重频10 Hz辐照下,随着重频的升高,当激光能量为360 mJ时,对应的能量密度为183.35 J/cm2,激光辐照2 s时出现全屏白色,3 s时出现全屏黑色,12 s时视频画面停滞。辐照结束后,视频画面恢复。说明此条件辐照下,传感器未出现损坏。当激光能量为400 mJ时,对应光斑能量密度为203.71 J/cm2,在辐照开始的1 s内直接出现全屏白色,2 s后出现绿屏画面,9 s后,不再呈现视频画面。辐照结束后,视频显示为带有若干红色、绿色、蓝色条纹的黑色亮线画面,和图7画面相同,且不再对外界光信号产生响应,说明探测器已经损坏。两种入射激光能量下,辐照现象与作用时间的关系如图9所示。

      图  10  传感器的损伤形貌(203.71 J/cm2,10 Hz)

      Figure 10.  Damage morphology of CMOS image sensor (203.71 J/cm2, 10 Hz)

      激光辐照后,CMOS图像传感器在微分干涉显微镜下观察到的损伤形貌如图10所示。可以观察到,激光光斑辐照区域出现了明显的熔融损伤,辐照中心区域激光能量过高导致大片像元材料烧蚀蒸发,区域外围受热明显,但未出现裂纹。说明2.79 μm中红外激光对CMOS传感器的损伤主要以材料的热熔融为主,热效应明显,传感器表面的光敏阵面以及部分信号传输电路遭到高温破坏,使得信号的选通、输出发生障碍,探测能力下降并出现上述“绿屏”、“彩色条纹”画面。

    • 开展了不同重频下2.79 μm中红外激光对CMOS图像传感器的辐照效应实验,观察到全屏饱和、过饱和黑屏以及损伤产生的绿屏、彩色条纹、黑屏亮线等一系列干扰损伤现象,讨论了激光干扰损伤机理。实验研究表明:激光重频对干扰效果影响很大,高重频下CMOS图像传感器达到全屏饱和或全屏黑屏所需的激光能量更小,时间更短。2.79 μm中红外激光对CMOS传感器的损伤主要以材料的热熔融为主,热效应明显。

      研究表明:在激光重频10 Hz的条件下,2.79 μm中红外激光对CMOS图像传感器的干扰损伤阈值分别为:饱和干扰阈值为0.44 J/cm2、过饱和阈值为0.97 J/cm2、损伤阈值为203.71 J/cm2。可见,CMOS图像传感器损伤阈值远高于干扰阈值,说明要想使CMOS损伤需要的激光能量必须很高,这一特征也符合1.06 μm近红外激光损伤CMOS图像传感器的实验特征。在航天设备中,CMOS图像传感器具有很好的抗干扰和抗损伤能力,实验测得相关阈值数据在激光攻防领域具有重要的参考价值。

参考文献 (20)

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