微光像增強器與大尺寸CMOS的直接耦合

高天陽，曹峰梅，王 霞，崔志剛

〈微光技術〉

微光像增強器與大尺寸CMOS的直接耦合

高天陽1，曹峰梅1，王 霞1，崔志剛2

（1. 北京理工大學 光電成像技術與系統教育部重點實驗室，北京 100081；2. 中國通用技術研究院，北京 100091）

通過將直徑為40mm的像增強器與全畫幅尺寸CMOS直接耦合，對大尺寸直耦工藝進行了研究。針對使用透鏡耦合制成的大尺寸ICCD/ICMOS體積大、光能損失大以及光錐耦合的器件莫爾條紋較多等問題提出采用直接耦合的工藝制作ICCD/ICMOS。文中研制的大尺寸ICMOS可獲取更大視場內的信息，整機分辨率可達3800×1900 LW/PH，畫面清晰，無明顯莫爾條紋，結構緊湊，整機僅為手持數碼相機大小，隱蔽性強，有利于在復雜環境中更準確、快速地獲取目標信息。

直接耦合；ICMOS；光錐耦合；微光增強

0 引言

ICCD/ICMOS（intensified CCD/CMOS）是由像增強器與CCD/CMOS耦合組成的，集成了微光直視成像器件的高靈敏度和電視成像器件的攝像功能的微光夜視攝像器件，具有體積小、重量輕、成像速度快等特點[1]。根據Liouville理論，任何縮小的光學系統在從大端面向小端面傳輸的過程中都會伴隨著能量的損失[2]，通過將像增強器與大尺寸CCD/CMOS耦合獲得的ICCD/ICMOS可以獲取更多的能量。

CCD/CMOS雖然在讀取信號的方式上有所不同，但是兩者在像敏元陣列結構上比較接近，文中僅涉及像元排列方式，因此ICMOS制作工藝及流程同樣適用于ICCD，文中將40mm口徑高清晰度的像增強器與大尺寸CMOS直接耦合，研究了實現系統的工藝流程，制作并完成了大尺寸微光攝像系統。

1 像增強器與CMOS耦合方式

隨著模擬/數字視頻CCD和CMOS成像技術的發展，像增強器與CCD/CMOS結合的ICCD/ICMOS是目前發展迅速、應用廣泛、工作照度最低的微光視頻器件模式，是當前微光視頻器件的主流模式，特別是高速電子快門選通成像模式更是目前固體微光視頻器件難以匹敵的領域[3]。像增強器與CCD/CMOS耦合通常有兩種形式：①采用中繼透鏡將像增強器輸出畫面成像到CCD/CMOS上，這種方法的優點是容易對焦，但光能利用率一般小于10%，且儀器體積大，成像質量不佳[4]；②通過光纖光錐或者光纖面板將像增強器輸出窗與CCD/CMOS感光面連接，將像增強器的信號無畸變的傳輸至CCD/CMOS感光面，其光能傳輸效率達到70%，且圖像信噪比高，形成的設備集成度高、體積小、重量輕[5]，是目前最常見的耦合方式。

像增強器輸出窗的尺寸往往大于普通的CCD/CMOS芯片的感光面，故而光錐耦合過程中，使用光錐的小端與CCD/CMOS芯片除窗后的感光面貼合，大端則貼合像增強器的輸出窗，這種耦合方式是3個分布頻率不同的離散型器件直接貼合，每一個貼合面，在一定頻率下均會導致莫爾條紋的產生，形成固定的圖像紋理，同時在器件貼合時也容易產生干涉條紋，這些都會影響畫面成像質量[6]（如圖1所示）。目前CCD/CMOS向著大面陣的方向發展，使得直接耦合成為了可能。本文所用的方法為舍去光錐或光纖面板，將像增強器的輸出窗直接與CMOS芯片的感光面耦合。目前，國外僅有德國的ProxVision GmbH公司宣布可以提供像增強器直耦CCD/CMOS芯片的感光面的ICCD/ICMOS技術[7]，而事實上目前在國內外市場上仍無法得到直耦的ICCD/ICMOS實際產品和相關技術。圖2為3種耦合方式示意圖。

直接耦合作為一種新的耦合方式，直耦工藝因減少了光纖面板（或光錐）的使用，相當于減少了一次光能的損耗，并且減少了一個耦合面，因此，直耦可以減少莫爾條紋的出現。同時，直接耦合可以獲得更高的增益，也減輕了系統的體積與質量，使其攜帶更加輕便。

但直接耦合目前沒有成熟的工藝，相比于光錐耦合時可通過觀察光錐大端的傳光結果，來調整光錐落在芯片上的位置，直接耦合時，由于像增強器是非透明器件，無法直接觀察是否與CMOS芯片對正，需要在CCD/CMOS開機的狀態下通過攝像畫面的顯示來判斷像增強器是否對正，這種不直觀的觀察不易判斷耦合面之間是否對正，因此操作難度更大，應用尚不廣泛。

圖1 光錐耦合ICCD/ICMOS成像系統中的莫爾條紋以及干涉條紋

圖2 像增強器與CCD/CMOS耦合方式示意圖

2 直接耦合工藝流程

2.1 耦合器件的主要參數

為實現大尺寸直耦，文中設計的微光成像系統所使用的相機為LUMIX S1，其芯片尺寸為全畫幅；為覆蓋整個感光面，像增強器選用北方夜視公司生產的40mm像增強器，表1為耦合器件的主要參數。

表1 耦合器件的主要參數

2.2 CMOS保護窗的去除

CMOS是一個精密的器件，為保護感光面以及邊緣引線，CMOS表面會有一層保護玻璃。但是在耦合時，像增強器需要與像面緊密接觸，如果存在保護玻璃會導致熒光屏輸出光線在CMOS與保護玻璃之間來回反射，嚴重影響成像質量[8]，因此需要拆除保護玻璃。

目前較為常用的拆除保護玻璃的方法有以下幾種：①加熱法，通過熱吹風加熱光學膠使其融化以取下保護玻璃，這種方法不易產生細小碎屑而損傷像面，但是有時光學膠融化需要較高的溫度，不可避免地會同時加熱CMOS其他部分，而高溫可能導致CMOS的損壞；②機械切除法，即采用工具將保護玻璃拆除，這種方法雖然不會由于溫度過高而損壞CMOS，但是在切割過程中產生的碎屑很容易落在感光面上造成劃傷。本文利用激光高功率的特性，僅照射保護玻璃與CMOS連接部分的光學膠，使光學膠碳化失去粘性，從而取下光學玻璃，圖3為激光拆除保護玻璃的過程圖，這種方法可以避免溫度過高損壞CMOS，在拆除的過程中也不易產生碎屑。但要注意的是，在激光照射時需要保護好像面以及CMOS邊緣電路，只照射膠體；在照射過程中要保證由外向內進行，因為照射過程會導致膠體汽化，汽化膠如果附著在像面上會導致清潔像面時風險變大。

圖3 CMOS的激光開窗

2.3 像增強器處理

由于像增強器的輸出窗是圓形，無法與CMOS表面緊密貼合，因此像增強器的輸出窗需要打磨至合適的尺寸。打磨時應注意熒光屏輸出窗光纖面板中光纖的排列方向，在耦合角度為15°、45°、75°的時候，莫爾條紋對圖像質量影響最小[9]。因為CMOS的像素是矩形排列，而像增強器則是由多個六邊形的單元組合而成，因此在打磨像增強器時可通過控制打磨方向來控制像增強器與CMOS之間的角度。通過在顯微鏡下觀察像增強器的單元排列方式，45°相較于其他角度更容易控制，因此可在像增強器熒光屏表面做一條輔助線，在后期可沿這條線進行打磨，如圖4所示。將圓形的熒光屏打磨成方形，打磨后的大小應保證大于CMOS實際感光面積，但小于CMOS整個感光面，這樣可以保證CMOS感光面被充滿，同時保證CMOS邊緣引線不受像增強器的擠壓而損壞。圖5為像增強器實物圖以及打磨過程圖。

圖4 像增強器熒光屏微觀圖

2.4 像增強器與CMOS耦合

耦合環境要求清潔度優于萬級，無灰塵，防止耦合面進入細小雜物，影響像質。耦合前需要清理CMOS像面與像增強器熒光屏，用脫脂棉蘸取少量酒精輕輕擦拭，防止損傷。因像增強器是非透明器件，因此需要CMOS相機處在開機狀態下耦合，通過觀察輸出視頻畫面調整像增強器的位置。圖6為直耦器件實物圖。

圖5 像增強器實物圖與打磨過程圖

圖6 直耦器件實物圖

耦合時采用盲貼合對準的方式，耦合角度為45°，確保耦合的準確性。在耦合面之間添加耦合液可以進一步提高成像質量。

3 微光夜視相機

由于增加了像增強器，因此需要對相機結構進行改動。考慮相機的法蘭距等因素重新設計鏡頭卡口截圈，該截圈同時可以支撐像增強器，防止耦合面開裂。截圈如圖7所示，整機如圖8所示，如圖可見，直耦工藝極大地減小了整機的體積。

3.1 微光夜視系統的性能測試與分析

分辨力是成像器件的重要參數之一，指成像器件或系統對物像中明暗細節的分辨能力。像增強器的分辨力用每毫米內可分辨的最多線對數表示，ICMOS成像系統的分辨力用電視線（TV line，TVL）表示，電視線通常用每幀圖像高度內的電視線數表示[10]。TVL可由線寬每圖像高度（LW/PH）表征。實驗在暗室中進行，在10－3lx的環境中，通過拍攝ISO 12233分辨率測試標準板測試ICMOS整機的分辨力，如圖9所示。圖10為幀圖像平均后所得，減小了隨機噪聲的干擾，圖中刻線的空間分辨率分別是1500，1600，1700，1800，1900，2000LW/PH，可以觀察出1900LW/PH刻線的方向，因此整機分辨率為3800×1900LW/PH。圖10(b)為圖10(a)的平均灰度曲線。

圖7 鏡頭卡口截圈示意圖

圖8 微光夜視相機整機圖

3.2 直耦微光攝像系統的優勢

通過直耦全畫幅尺寸CMOS與大尺寸像增強器，攝像系統具有更大的視場以及更高的清晰度。在同樣的條件下，本文制作的微光夜視設備可獲取更多的圖像信息，如圖11所示，由圖可見，畫面清晰，莫爾條紋少。

圖9 微光夜視器件的分辨力測試圖像

圖11 全畫幅與半畫幅拍攝畫面對比

4 結論

本文通過直接耦合像增強器與全畫幅尺寸CMOS，獲得了大尺寸的微光攝像系統，實驗結果表明：

1）通過運用直接耦合的方式可以有效減少莫爾條紋以及干涉條紋對圖像質量的影響；

2）采用全畫幅尺寸CMOS與40mm像增強器研制的ICMOS相比于小畫幅尺寸制成的器件具有更大視場，可獲取更多信息；

3）文中研制的微光夜視系統分辨率可達3800×1900 LW/HP，可以在復雜環境中更準確地獲取信息。

進一步可在本系統中增加5ns門控電源，實現手持選通相機，在水下探測、透窗透霧識別等領域有著更多應用。直接耦合不同的像增強器所獲得的ICCD/ICMOS可以應用在不同場所，例如通過耦合X射線像增強器可以應用于醫學成像和無損鑒定等領域，耦合紫外像增強器則可用于高壓電路檢測以及雪地偽裝識別等。直接耦合可以耦合不同的器件以實現不同的功能，例如將偏振片陣列與CCD/CMOS實現像素級對準從而獲取像素偏振CCD/CMOS，將微透鏡與CCD/CMOS實現像素級對準則可獲得光場相機等。

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Direct Coupling of Low Light Image Intensifier with Large Size CMOS

GAO Tianyang1，CAO Fengmei1，WANG Xia1，CUI Zhigang2

(1.,,,100081,; 2.,100091,)

The large size direct coupling technology was studied by coupling a 40mm diameter image intensifier with a full-frame CMOS. To solve the problems of large-size ICCD/ICMOS made by lens coupling, such as large volume, large light energy loss, and large number of moiré fringes in optical cone coupling devices, a direct coupling process is proposed to make ICCD/ICMOS. The large-size ICMOS developed in this study can obtain more information in the field of view. The resolution of the entire device is up to 3600′1800, the picture is clear, there is no obvious moiré fringe, and the structure is compact. The entire device has the size of a handheld digital camera and has strong concealability, which is conducive to obtaining target information more accurately and quickly in a complex environment.

direct coupling, ICMOS, light cone coupling, low light level enhancement

TN223，TN206

A

1001-8891(2021)06-0537-06

2020-09-14；

2020-10-25.

高天陽（1996-），男，河北廊坊人，碩士，主要從事微光夜視、圖像處理方面的研究工作。E-mail：xiuchuan1115@foxmail.com。

崔志剛（1967-），男，河北石家莊人，研究員，博士，主要從事微光夜視光錐耦合等方面的研究工作。E-mail：forest508@163.com。

國家重點研發計劃項目（2019QY0902）。