光电探测器表面损伤状态偏振成像式探测系统
摘 要：针对在外场实现探测器损伤状态实时探测的需求，研发了光电探测器表面损伤状态偏振成像式探测系统。理论推导了 “猫眼”目标回波偏振特性参数 DP 和回波偏振度 DOP 的表达式，利用 MATLAB 软件仿真绘制了表面粗糙度、回波偏振度以及偏振特性的关系曲线;设计了一套同时偏振成像光学系统，开展了 671nm 连续激光对电荷耦合器件(CCD)表面损伤状态的实时探测外场实验，编制了基于 MATLAB GUI 的回波图像可视化实时采集系统，得到了回波图像强度、偏振特性以及光斑尺寸等信息;通过光学显微镜和白光干涉仪对探测器表面损伤处和未损伤处形貌图像分析，发现探测器损伤表面可见硅基底且粗糙度参数 Sq 值较大;结果表明，仿真结果与实验测试结果具有良好一致性。光电探测器被损伤后，其表面粗糙度增大，回波偏振特性参数 DP 减小，退偏特性明显，偏振度 DOP 减小。偏振成像技术可有效对光电探测器表面损伤状态进行实时探测，该研究提供了一种外场条件下实时探测的好方法。
关键词：偏振成像;损伤探测;偏振特性;电荷耦合器件;粗糙度
胡玮娜; 吕勇; 耿蕊; 李宇海; 牛春晖， 红外与激光工程 发表时间：2021-11-08
0 引 言
随着高新技术的飞速涌现，电荷耦合器件 (Charge Coupled Devices，简称 CCD) 凭借其线性度好、灵敏度高、光谱响应范围宽等特点在各领域均有广泛应用[1-3]。目前在光电对抗中，激光武器能够对光学设备精确打击，使光电探测器表面结构发生改变，造成探测器损伤，而且武器的严重打击如激光热作用会导致探测器丧失成像能力以至无法使用[4,5]。由于光电探测器是光学成像系统中的关键组成部分，非合作目标的光电探测器是否损伤决定了实际应用效果的好坏，因此，实时准确评估光电探测器表面损伤状态至关重要。
鉴于光电探测器的重要地位，研究者们对 CCD 损伤机理开展了大量研究。2011 年邱冬冬等[6]利用测量驱动电极与衬底之间的电阻值、观察 CCD 不同分层的形貌及破坏程度和检测其输出波形的方法对 CCD 的破坏机理进行研究。2021 年，欧渊等人[7]开展了 416 nm 纳秒脉冲激光对 CCD 的损伤实验，观察到不同损伤状态的 CCD 表面，得出不同损伤状态主要由 SiO2 绝缘层材料相变引起电阻值不同改变量所产生的。近年来，本课题组主要针对 CCD 的损伤机理进行了研究，开展了激光光热效应以及脉冲激光对 CCD 的破坏机理实验[8]，结合有限元模型进行了固体传热仿真模拟[9]，以及“猫眼” 目标表面粗糙度对其回波散射偏振度的影响[10]和 CCD 损伤进程中猫眼回波特性研究[11]。
上述研究主要集中在 CCD 损伤机理以及在实验室环境下利用光功率计探测计算得到回波偏振度实现对探测器损伤状态的评估，针对外场环境下探测器损伤状态的实时探测技术尚不成熟，仍需开展深入研究，其中，偏振成像技术在光电探测器表面损伤状态探测中具有独特优势。不同于传统光电成像技术对二维空间光强分布信息的收集，偏振成像技术能够对同一被测物的不同状态下偏振特性信息和强度信息进行获取[12]。同时偏振成像技术的测量方式可分为[13]:分振幅、分孔径和分焦平面 3 种，采用一次曝光来获取同一目标的多幅不同偏振方向的偏振图像，其具有实时性好、空间分辨率高、精度高等优点，在动目标实时探测上有较好应用。
因此，本文设计了一套同时偏振成像系统实现对探测器表面损伤状态的外场实时探测。理论推导了“猫眼” 目标回波偏振特性参数 DP 和回波偏振度 DOP 的表达式，利用 MATLAB 软件仿真绘制曲线得到了探测器表面粗糙度与回波偏振度以及偏振特性之间的规律。结合“猫眼”目标探测优势，基于偏振成像技术在外场开展了 671nm 连续激光对 CCD 表面损伤状态实时探测研究，根据实验及仿真结果建立起光电探测器表面粗糙度、回波偏振特性以及回波偏振度之间的联系。
1 猫眼回波偏振特性理论及仿真分析
1.1 猫眼回波偏振特性
在夜晚，猫的眼睛被光照射后犹如宝石般明亮，是因为猫眼中有十几层的特殊细胞，可形成一个反射层，光线能够从反射层按原路返回并发出亮光，这就是“猫眼”效应。如同猫眼一样，当激光束照射在高灵敏度的光电传感器上时，也会发生“猫眼” 效应，回波光束将原路返回且反射光强度比漫反射强度高 2~4 个数量级，这就是光学系统中的“猫眼”效应 [14]。利用目标的“猫眼”效应进行主动探测已在光电对抗领域得到广泛应用 [15]，目前对光电探测器表面损伤状态探测的评估依据是猫眼回波的偏振特性，需进一步分析其偏振特性，找寻与偏振度之间的有机联系。
偏振度(Degree of Polarization，缩写为 DOP)是描述光波偏振化程度的物理量，其严格定义为部分偏振光的总光强中完全偏振光所占的百分比，可用表达式(1)表示[16]： DOP =