引言

互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）图像传感器，因其高集成度、低功耗、小体积和快速传输能力，在各领域得到了广泛应用。这些传感器能够捕捉到可见光和近红外波段的图像，为关键决策提供重要信息。

作为光电系统的薄弱环节，CMOS图像传感器极易受到激光的干扰，严重情况下则导致传感器内部结构损坏，造成永久性损伤。开展激光对CMOS图像传感器干扰和损伤研究，对激光防护研究具有重要意义。对于干扰效应研究，研究人员通过饱和像元数、干扰有效面积、干扰图像相关度等来评估干扰效果^[1]，并开展了连续激光和脉冲激光^[2]、不同波长^[3]、不同探测器^[4]的干扰效果对比性研究；文献[5-6]对干扰过程中的像素翻转效和图像间断现象进行了解释。对于损伤效应研究，林均仰对比了真空和常压条件对损伤阈值的影响^[7]。国防科技大学利用光学显微镜和扫描电镜等检测手段，结合损伤阈值分析了不同参数激光对CMOS图像传感器的损伤机理^[8-10]。文献[11-12]中，研究人员结合了猫眼回波图像的变化，来分辨器件微观结构的损伤状况。此外，在目前的损伤研究当中，也考虑了复合激光造成的影响^[13]。

随着生产工艺和微处理技术的发展，背照式CMOS图像传感器应运而生，然而，前期研究主要针对前照式CMOS图像传感器，目前鲜有针对背照式CMOS图像传感器的激光干扰和损伤研究^[14]。为了研究激光对背照式CMOS图像传感器的干扰和损伤机制，本文采用1064 nm连续激光作为光源，初步开展激光干扰和损伤背照式CMOS图像传感器研究。

1   理论研究

在1975~1977年间，BARTOLI F建立了红外探测器的激光加载热力学模型，其能对连续/长脉冲激光对探测器的热力学效应进行较为准确的计算^[15-17]。基于该模型理念结合CMOS内部的热传导过程，采用热传导微分方程求解连续激光加载CMOS图像传感器的温度场。根据能量守恒定律，三维非稳态热传导微分方程的一般形式为

式中：k为材料的导热系数；ρ为密度；c为热容；T为温度。方程左边是单位时间内微元的热力学增量（非稳态项），右侧前3项之和是单位时间微元通过界面热传导增加的能量（扩散项），最后热源项Q可表示为

式中：I为脉冲激光的峰值功率密度；R为激光半径；$\alpha $为材料的吸收系数。

由于构成CMOS各层的材料具有不同的热膨胀系数，因此当温度升高时，各层会发生不同程度的变形，并会产生热应力。应力场与温度场的关系如式（3）所示：

式中：${\sigma _r}$、${\sigma _\theta }$和${\sigma _{\textit{z}}}$为材料的径向、环向和轴向热应力；$\beta $为材料的热膨胀系数；E为材料的杨氏模量；$\gamma $为材料的泊松比；R₀为圆柱坐标系的半径；$T$为材料的温度；$r$为所求位置半径。通过求解式（1）～式（3），可以得到CMOS模型的温度和应力。对于多晶硅等材料，一般认为，当辐照时间大于10⁻⁷ s时，损伤形式主要是热现象，如熔化、气化、裂纹和热应力引起的热解。由于硅基材料的电光耦合时间较短，在激光的作用下材料表面温度会迅速上升，直到材料的某一局部温度超过熔点，从而形成材料热熔损伤。

2   实验研究

2.1   实验设备及原理

图1（a）为CMOS图像传感器的正照式结构，在此基础上将金属线路层与硅基底调转方向得到图1（b）背照式结构。背照式CMOS图像传感器将感光层调转方向，让光能从背面直射进去，这样就避免了传统正照式图像传感器结构中，光线会受到微透镜和光电二极管之间的金属线路层的影响，这样的结构创新，使得CMOS图像传感器具有更高的灵敏度和更优秀的低光照性能。

图  1  CMOS图像传感器结构

Figure  1.  Structure diagram of CMOS image sensor

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受试设备采用面阵工业探测器，其中采用的传感器为背照式CMOS，具体参数见表1。

表  1  背照式CMOS探测器参数表

Table  1.  Parameters table of back-illuminated CMOS detector

指标	参数
传感器型号	Sony IMX178
像元尺寸	2.4 µm×2.4 µm
靶面尺寸	1/1.8′′
分辨率	3 072×2 048像素
黑白/彩色	黑白

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实验原理如图2所示。采用1 064 nm连续光纤激光器作为光源，最大功率3 000 W，功率不稳定性小2%，光束质量M²小于1.3。激光出射后，经楔形镜进行分束，反射光到达功率计实现激光功率的实时监测，透射光经过衰减片组进行激光功率的调节，衰减片和初始系统的透过率提前标定，用于到靶功率的计算。最终激光到达受试探测器，计算机对干扰和损伤图像进行采集。

图  2  激光照射CMOS图像传感器实验原理图

Figure  2.  Experimental schematic diagram of laser illumination on CMOS image sensor

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激光端由光源、分光及衰减系统组成，探测器端由受试相机及计算机组成，具体实验现场如图3所示。

图  3  激光照射CMOS图像传感器实验现场图

Figure  3.  Experimental site of laser illumination on CMOS image sensor

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2.2   到靶光斑计算

根据能量密度公式，阈值与光斑半径的平方成反比关系。光斑直径试验采用受试对象和光学系统直接测量的方法进行，统计方法是基于激光传输特性的二阶矩理论^[18]。根据二阶矩定义，在$4\sigma $直径范围内的光斑能量为总激光能量的86.5%。因此，光斑直径定义为能量分布标准偏差的4倍（在X和Y方向独立计算）。

式中：${d_\sigma }$为光斑直径尺寸；${\sigma _i}(i = x,y)$分别为x、y方向光斑能量分布的标准差。激光能量分布标准差计算公式为

式中$Z(x,y)$为像元尺寸。而x，y是光斑中心坐标，其计算公式为

根据以上原理，通过计算得到激光到靶光斑大小。

3   实验结果

3.1   干扰实验

在像元未达到饱和状态下，利用成像软件获得到靶光斑图（见图4），用于激光功率密度计算。根据1.2原理，通过计算得到第1次干扰实验的激光到靶光斑半径大小为14.4 μm。

图  4  第1次干扰实验激光到靶光斑

Figure  4.  Light spot of the first interference experiment

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通过调节激光器功率和衰减片的组合来调节到靶功率，激光功率由小到大下进行干扰实验，辐照时间为1 s，计算机监测探测器不同激光功率密度下的干扰效果并进行图像采集，计算实验不同阶段的到靶激光功率密度，实验现象如图5所示，激光功率密度单位为W/cm²。

图  5  干扰实验1

Figure  5.  Interference experiment 1

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为确保实验准确性，开展第2次干扰实验。到靶材光斑半径大小为12.0 μm，如图6所示。实验现象及对应的激光功率密度大小如图7所示，激光功率密度单位为W/cm²。

图  6  第2次干扰试验激光到靶光斑

Figure  6.  Light spot of the second interference experiment

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提取2次干扰实验图像饱和像元数，将饱和像元数与入瞳功率进行拟合，激光到靶功率密度与有效干扰像元数的拟合关系式为

图  7  干扰实验2

Figure  7.  Interference experiment 2

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图8为2次实验得到的功率密度和饱和像元数的拟合曲线。

图  8  功率密度和饱和像元数的拟合曲线

Figure  8.  Fitting curves of power density and saturated pixel number

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观察发现，2组实验得到的干扰拟合数据较为吻合，由于光源的衍射效应和散射效应，随着入射激光功率密度增大，器件饱和干扰面积也随之增大。在激光到靶功率密度为10⁻² W/cm²量级时，探测器成像开始出现饱和；随着激光到靶功率密度的提高，饱和像元数增加，干扰面积变大，当功率密度达到10³ W/cm²量级时，图像大面积饱和，此时严重影响探测器成像效果；功率密度为10⁴ W/cm²量级时开始出现反饱和现象，这是因为CMOS图像传感器读取电路中采用相关双采样（correlated double sample，CDS）输出电路，入射到传感器的功率过大导致相关双采样的采样信号受到了影响，参考电压和信号电压之间的差值发生变化，最终产生反饱和现象，且随着激光功率的增大，反饱和面积也增大，激光停止后，画面恢复正常。

文献[19]开展了1 064 nm连续激光干扰前照式CMOS图像传感器实验，表2为文献[19]和本实验的结果，对比发现，在1 064 nm连续激光作用下，背照式CMOS图像传感器的激光饱和阈值及过饱和阈值均比前照式结构高。从阈值对比上看出，背照式结构有更好的抗干扰能力。本实验未出现饱和串扰现象，目前的研究结果表明，通过修改背照式CMOS成像阵列结构，可以显著提高串扰抑制能力，并且随着像元的逐渐缩小，单像元的进光量有所减少，同样可以提高器件的串扰抑制能力。

表  2  干扰阈值对比

Table  2.  Interference threshold comparison W/cm²

型号	结构	饱和阈值	过饱和阈值	饱和串扰
Micron MT9V022	前照式	5.87×10−3	6.0×102	2.0×103
Sony IMX178	背照式	1.39×10−2	1.49×104	—

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3.2   损伤实验

在干扰实验1的基础上继续增加激光功率开展损伤实验，研究背照式CMOS图像传感器抗损伤能力。辐照时间为1 s，记录损伤视频和图像数据，确定传感器点、线、面损伤阈值，各阶段实验现象如图9所示。

图  9  实验1

Figure  9.  Experiment 1

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随着激光功率密度的增加，逐渐出现点损伤、十字线损伤、面损伤以及致盲现象。当激光功率密度大于1.35×10⁶ W/cm²时开始出点损伤，当功率密度大于1.74×10⁶ W/cm²时，传感器出现十字线损伤，随着功率密度的提高，相机画面变得模糊，成像质量逐渐降低。当功率密度为2.27×10⁷ W/cm²时，传感器完全失效。

表3为文献[8]和本实验的损伤实验结果。文献[8]中1080 nm连续激光辐照1 s的点损伤阈值为1.12×10⁵ W/cm²，与本实验相比，低了一个数量级。辐照时间400 ms的点损伤阈值及十字线损伤阈值也同样低了一个数量级，背照式结构探测器需要更大的功率才能对其造成损伤。

表  3  损伤阈值对比

Table  3.  Damage threshold comparison W/cm²

型号	结构	辐照 时间	点损伤	十字线 损伤	面损伤	致盲
Micron MT9V022	前照式	1 s	1.12×105	−	−	−
		400 ms	1.62×105	1.93×105	−	−
Sony IMX178	背照式	1 s	1.35×106	1.74×106	1.65×107	2.27×107

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结合图10损伤形貌，当CMOS图像传感器表面被破坏的深度达到一定大小时，才完全失去成像的能力，否则，破坏只能发生在局部，造成点损伤，而整体上还具有成像功能。随着激光功率提高，感光层被击穿，局部电路短路或断路导致的信号传输中断，出现十字线损伤。造成CMOS图像传感器大面积损伤的关键是内部电路层的严重损伤，但随着单像元的进光量有所减少，且背照式结构将电路层深埋，则需要更大功率的激光才能使其失效。

图  10  各阶段损伤形貌

Figure  10.  Damage morphology of different stages

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4   结论

本研究开展了1 064 nm连续激光干扰和损伤背照式CMOS图像传感器实验研究。干扰实验中分别观察到了饱和与反饱和现象，在激光功率密度为10⁻² W/cm²量级时达到饱和，10⁴ W/cm²量级时出现反饱和现象。对比前照式CMOS图像传感器干扰阈值，背照式结构的干扰阈值更高，激光更难对其造成干扰。损伤实验中观察到典型的点损伤、十字线损伤、面损伤和致盲现象。激光功率密度为10⁶ W/cm²量级时开始出点损伤，随着功率密度的提高，传感器出现十字线损伤，相机画面变得模糊，成像质量逐渐降低。当功率密度达到10⁷ W/cm²量级时，出现面损伤，进而造成探测器完全失效。对于背照式，电路层深埋在芯片深处，使损伤的难度增加，因此抗损伤能力更强，实验数据对后续的相关研究具有参考价值。

目前，众多CMOS图像传感器采用背照式和堆栈式相结合技术，以提高受光面积。因激光参数和照射结构不同造成的损伤机制差异仍不清晰，后续将继续开展不同参数光源对不同结构CMOS图像传感器实验，并进行对比研究。对于损伤实验过程中出现的左半部分先失效现象，还需进一步对探测器电路进行深入分析研究。