CN105450948B - 一种电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器。该传感器包括输入端、管壳、光电阴极、固态光电倍增管以及读出电路板；所述输入端上设置有入射窗，入射窗上设置有光电阴极，所述光电阴极将入射的光子转换为光电子，光电子在高压加速作用下直接轰击所述固态光电倍增管将光信号转化为电信号并放大，输出信号数字化后形成图像。该电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器具有高增益，高灵敏度，高时空分辨率，大动态范围，低噪声，体积小，重量轻，寿命长，可靠性高等一系列优点，可进行单光子成像和极弱目标跟踪与探测，在活体生物荧光成像、激光雷达技术、头盔夜视系统等领域有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件技术领域，尤其涉及一种电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器。
背景技术
微光图像传感器在活体生物荧光成像、激光雷达技术、头盔夜视系统等领域都有重要的应用。不管是在科学研究领域还是在军事应用领域，理想的图像传感器需要在大的光照度范围内具有高的成像质量和高的时空分辨率，同时应该具有能耗低、体积小、重量轻、便于携带、可靠性高和寿命长等特点。
传统的CCD或CMOS器件本身的灵敏度有限，不能在微弱光条件下使用。随后发展起来的微光图像传感器包括增强型CCD(I CCD)，电子轰击式CCD(EBCCD)，电子轰击式CMOS(EBCMOS)以及电子倍增式CCD(EMCCD)。
美国专利，专利号为：US4604519，披露了一种CCD，该CCD是将传统的像增强器与普通的CCD结合，主要组成包括光电阴极，微通道板，荧光屏，光纤耦合系统和CCD。这种相机在成像过程中经历了从光子到光电子，再从光电子到光子的多次光谱转换过程，且微通道板本身具有很大的噪声，因此噪声很大，成像质量不高。此外，这种传感器的体积也较大，不方便携带。
另外一篇美国专利，专利号为：(US7391000B2)披露了一种
EBCCD，该EBCCD是采用真空光电阴极，并利用背面减薄的CCD将入射光经光电阴极产生的光电子从CCD背面入射，在CCD内部产生电子空穴对实现电子倍增进而成像。与I CCD相比，背照式CCD自身的量子效率可达到90％以上，该图像传感器不需要MCP、荧光屏以及光纤耦合系统，且只有一次光谱转换过程，因此噪声低，成像质量高。由于采用了固体器件，因此体积减小，可靠性增强。但是这种图像传感器的增益有限，约为1000，不能进行极弱光信号的探测。另一方面，由于需要对信号进行寄存，使得相机的读出速度受到限制，其帧速率大约为30fps，不能在如时间分辨活体细胞的荧光光谱测量等领域应用。
专利号为：EP1306906A1公开一种EBCMOS，是新近出现的一类微光图像传感器，与EBCCD不同的是将CCD换为CMOS，可利用标准的CMOS工艺实现，具有较快的读出速度和单光子成像的能力，其帧速率也可达100fps以上，有很大的应用前景。然而这种图像传感器的增益仍然有限，约2000，在极微弱目标的实时成像方面还有待提高。
另一类目前比较热门的微光图像传感器为EMCCD，这种传感器的优点是在帧传输信号和读出电路之间增加了一个倍增电路，电荷信号在电路中倍增后输出，具有极高的信噪比和大的动态范围，摒弃了真空光电阴极，具有更好的工作寿命，是一种能实现单光子探测的全固态微光图像传感器。但这种传感器的功耗较大，且没有电子快门功能，不能实现选通工作模式。
发明内容
针对以上现有技术中存在的不足，本发明的目的是将真空光电阴极与固态光电倍增管结合，提供一种成像质量高、分辨率高、体积小的电子轰击固态光电倍增管式微光图像传感器，
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器，其特征在于：包括输入端、管壳、光电阴极、固态光电倍增管以及读出电路板；
所述输入端包括入射窗与金属盘；所述金属盘为环形薄片结构，所述入射窗与金属盘的内环壁高频封接；
所述管壳为一端开放，一端封闭的管状结构；管壳封闭端固定读出电路板；管壳开放端通过铟封结构与金属盘的外环壁密封连接，从而输入端与管壳构成一个封闭的管状体；所述光电阴极、固态光电倍增管以及读出电路板位于管状体的内部；
所述入射窗与读出电路板之间设置有固态光电倍增管，固态光电倍增管背部朝上，固态光电倍增管中每个雪崩光电二极管微元与读出电路板通过倒装压焊的方式连接；固态光电倍增管为背部减薄的结构，入射光或入射电子从固态光电倍增管的背部入射至固态光电倍增管；
所述入射窗正对固态光电倍增管背部的表面上沉积有光电阴极。
上述读出电路板包括快速触发单元、时序控制单元、慢控制单元、电压转换单元、模数转换器、数据寄存单元、甄别器、时数转换单元；快速触发单元提供触发信号，为输入信号、信号控制及存储数据做准备；时序控制单元提供时钟信号，按预定的时间顺序完成信号的读取、运算和存储；慢控制单元实现对电路的复位以及温度、电压等的监测；电压转换单元为固态光电倍增管提供偏置电压，并为电路中的各元器件提供输入电压；模数转换器将模拟信号转换为数字信号；数据寄存单元实现对电荷信号的读出；甄别器用来实现对信号幅度的选择；时数转换单元将被测量的时间信号转换为数字信号并读出。
上述铟封结构包括上铟封结构、下铟封结构以及填充在上铟封结构和下铟封结构之间的铟封材料；所述上铟封结构设置在管壳的开放端，所述下铟封结构设置在金属盘的外环壁上，所述上铟封结构与下铟封结构的形状、尺寸相适配；所述铟封材料为铟锡合金。
上述固态光电倍增管中每个雪崩光电二极管微元之间都设置有沟槽。
上述上铟封结构呈倒锥形，上述下铟封结构呈倒梯形。
上述入射窗的材料为硼硅玻璃或紫外玻璃或石英玻璃或氟化镁；上述金属盘的材料为可伐合金。
上述光电阴极为对紫外光敏感的日盲型光电阴极或者是对可见光敏感的碱金属光电阴极或者是可对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极。
上述管壳的封闭端底面为平板玻璃，侧面为玻璃或陶瓷。
上述光电阴极与固态光电倍增管背部之间的距离小于2mm，在光电阴极上施加大于-2kV的高压。
上述输入端与管壳构成一个封闭的管状体的真空漏率小于10-10Pa/L.S。
本发明的优点是：
1、本发明采用该微光图像传感器与现有I CCD相比去除了微通道板、荧光屏、光纤耦合系统等，降低了光电转换过程中的噪声，提高了成像质量。
2、本发明采用背照式固态光电倍增管代替普通的CCD或CMOS器件，具有极大的增益和非常高的时间分辨能力，并可增大探测效率，提高动态范围，同时可进行单光子成像和极弱目标跟踪与探测，实现了对低光通量目标的实时成像。
3、本发明采用读出电路板对信号进行数字化，对每个像素单元的信号分别读出，可提高空间分辨率；采用读出电路板对信号进行采集与存储，使该传感器的具有更快的帧传输速率。
4、该传感器体积小，重量轻，能耗低，可用于活体生物荧光成像、激光雷达技术以及头盔夜视等特殊领域。
附图说明
图1为微光数字图像传感器结构示意图；
图2为微光数字图像传感器的工作原理图；
图3为读出电路板的结构及功能示意图。
具体实施方式
近来，一类新型的光电探测器件，固态光电倍增管，逐渐受到关注，具体技术可参考如Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 567(2006)48-56等文献。固态光电倍增管由成百上千个工作在盖革模式下的雪崩二极管阵列组成，每个雪崩二极管微元都与一个淬灭电阻串联。在反向电压偏置的情况下，每个微元的耗尽层都有很高的电场，当入射光子打到微元区后，在半导体内部产生电子空穴对，这些电子和空穴在电场作用下会产生更多的二次电子和空穴，从而发生雪崩效应。此时，每个微元电路中的电流增大，在淬灭电阻上形成一个大的压降，输出一个可被探测到的瞬时电流脉冲。固体光电倍增管具有高增益、快响应、单光子探测、高量子效率、大的线性范围、高的动态范围等优点。与普通的CCD或CMOS相比，增益可达106，与传统像增强器的增益在一个量级，动态范围104，时间响应可达100ps以下，如果与真空光电阴极相结合，并设计合适的数字电路，可得到高灵敏度和高时空分辨的高性能微光图像传感器。
根据上述固态光电倍增管技术的启发，本发明提出了一种电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器，下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，该电子轰击固态光电倍增管式的微光图像传感器包括输入端1、管壳2、光电阴极3、固态光电倍增管4以及读出电路板5；
输入端1包括入射窗6与金属盘7；金属盘7为环形薄片结构，入射窗6与金属盘7的内环壁高频封接；
管壳2为一端开放，一端封闭的管状结构；管壳2封闭端固定读出电路板5；管壳2开放端通过铟封结构8与金属盘7的外环壁密封连接，从而输入端1与管壳2构成一个封闭的管状体；光电阴极3、固态光电倍增管4以及读出电路板5位于管状体的内部；
入射窗6与读出电路板5之间设置有固态光电倍增管4，固态光电倍增管4背部朝上，固态光电倍增管4中每个雪崩光电二极管微元与读出电路板5通过倒装压焊的方式连接；固态光电倍增管4为背部减薄的结构，入射光或入射电子从固态光电倍增管4的背部入射至固态光电倍增管4；
入射窗6正对固态光电倍增管4背部的表面上沉积有光电阴极3。
由此可以看出，本发明的传感器实际为一个管状结构，该管状结构体积小于80mm(长)×80mm(宽)×20mm(高)，重量小于100克，功耗小于1瓦，可使用在一些特殊的场合，比如夜视头盔等。
如图3所示，读出电路板5的作用是对固态光电倍增管4提供偏置电压，将固态光电倍增管4输出的电流信号通过一定的逻辑控制以及模/数和时/数转换，实现对探测目标的图像信息和时间信息的采集与存储。具体地讲，上述读出电路板包括快速触发单元、时序控制单元、慢控制单元、电压转换单元、模数转换器、数据寄存单元、甄别器、时数转换单元。具体功能描述为快速触发单元提供触发信号，为输入信号、信号控制及存储数据做准备；时序控制单元提供时钟信号，按预定的时间顺序完成信号的读取、运算和存储；慢控制单元实现对电路的复位以及温度、电压的监测；电压转换单元为固态光电倍增管提供偏置电压，并为电路中的各元器件提供输入电压；模数转换器将模拟信号转换为数字信号；数据寄存单元实现对电荷信号的读出；甄别器用来实现对信号幅度的选择和；时数转换单元将被测量的时间信号转换为数字信号并读出。
固态光电倍增管中每个雪崩光电二极管微元之间都设置有沟槽，可有效避免两个微元结构之间的信号串扰。
为了保证良好的密封效果，铟封结构8包括上铟封结构9、下铟封结构10以及填充在上铟封结构9和下铟封结构10之间的铟封材料11；本发明的上铟封结构9呈倒锥形，下铟封结构10呈倒梯形，上铟封结构9设置为锥形，可以使输入端更好地浸入下铟封结构10内的铟封材料11中，实现可靠密封。也可以是其他形式，比如上铟封结构9为倒梯形、矩形或椭圆形等，下铟封结构10为矩形或者圆形等。
进一步的说，该装置中，入射窗6的材料为硼硅玻璃或紫外玻璃或石英玻璃或氟化镁；金属盘的材料为可伐合金。
进一步的说，该装置中，光电阴极为对紫外光敏感的日盲型光电阴极(如铯-碲光电阴极)或者是对可见光敏感的碱金属光电阴极(如金属锑与碱金属锂、钠、钾、铯、铷中一种或几种组成的混合物)或者是可对近红外光敏感的负电子亲和势光电阴极(如铟镓砷光电阴极)。上面这几种材料是目前常用的几种光电阴极材料。他们对光波长的响应不同，如文中所述，铯-碲光电阴极对紫外光较敏感，碱金属光电阴极对可见光敏感，负电子亲和势光电阴极对近红外光敏感。
进一步的说，该装置中，铟封材料为铟锡合金，也可以是其他材料，比如纯的铟，铟铋合金等。但是铟锡合金熔点低，延展性好，流散性好，铟封过程对光电阴极性能的影响较小，铟封成功的几率大。
为了保证有足够高的能量轰击固态光电倍增管，产生大的增益，光电阴极与固态光电倍增管背部之间的距离小于2mm，在光电阴极上施加大于-2kV的高压，
另外，为保证该电子轰击固态光电倍增管式的微光图像传感器能够安全可靠地工作，输入端与管壳构成的管状件真空漏率小于10-10Pa/L.S。
电子轰击固态光电倍增管式的微光图像传感器的原理如图2所示，入射光子轰击光电阴极表面产生光电子，光电子在高压加速下由固态光电倍增管背部进入半导体内部产生电子空穴对并在电场作用下产生更多的二次电子，实现电子倍增。同时，通过读出电路板为固态光电倍增管提供偏置电压，这些电子在电场的作用下会进一步倍增，最终每个微元产生的倍增电子将产生一个很大的电流信号，这个电流信号通过模数转换器转换为数字信号。每个微元产生的模拟信号都经过模数转换器下转换为数字信号，在一定的逻辑控制程序下，最终可通过采集所有微元的图像信号得到极微弱目标的图像。同时，利用甄别器去除幅度低于设定电平以下的信号，并通过时数转换器得到目标的时间信息，结合一定的数据采集系统可实现目标的实时成像。固态光电倍增管的高增益和高时间分辨特性以及可分辨每个微元的高空间分辨特性，可实现对极弱目标的实时成像。
Claims (9)
1.一种电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器，其特征在于：包括输入端、管壳、光电阴极、固态光电倍增管以及读出电路板；
所述输入端包括入射窗与金属盘；所述金属盘为环形薄片结构，所述入射窗与金属盘的内环壁高频封接；
所述管壳为一端开放，一端封闭的管状结构；管壳封闭端固定读出电路板；管壳开放端通过铟封结构与金属盘的外环壁密封连接，从而输入端与管壳构成一个封闭的管状体；所述光电阴极、固态光电倍增管以及读出电路板位于管状体的内部；
所述入射窗与读出电路板之间设置有固态光电倍增管，固态光电倍增管背部朝上，固态光电倍增管中每个雪崩光电二极管微元与读出电路板通过倒装压焊的方式连接；固态光电倍增管为背部减薄的结构，入射光或入射电子从固态光电倍增管的背部入射至固态光电倍增管；
所述入射窗正对固态光电倍增管背部的表面上沉积有光电阴极；
所述读出电路板包括快速触发单元、时序控制单元、慢控制单元、电压转换单元、模数转换器、数据寄存单元、甄别器、时数转换单元；
所述快速触发单元提供触发信号，为输入信号、信号控制及存储数据做准备；
时序控制单元提供时钟信号，按预定的时间顺序完成信号的读取、运算和存储；
慢控制单元实现对电路的复位以及温度、电压的监测；
电压转换单元为固态光电倍增管提供偏置电压，并为电路中的各元器件提供输入电压；
模数转换器将模拟信号转换为数字信号；数据寄存单元实现对电荷信号的读出；甄别器用来实现对信号幅度的选择；时数转换单元将被测量的时间信号转换为数字信号并读出。
2.根据权利要求1所述的电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器，其特征在于：所述铟封结构包括上铟封结构、下铟封结构以及填充在上铟封结构和下铟封结构之间的铟封材料；所述上铟封结构设置在管壳的开放端，所述下铟封结构设置在金属盘的外环壁上，所述上铟封结构与下铟封结构的形状、尺寸相适配；所述铟封材料为铟锡合金。
3.根据权利要求2所述的电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器，其特征在于：所述固态光电倍增管中每个雪崩光电二极管微元之间都设置有沟槽。
4.根据权利要求3所述的电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器，其特征在于：所述上铟封结构呈倒锥形，所述下铟封结构呈倒梯形。
5.根据权利要求4所述的电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器，其特征在于：所述入射窗的材料为硼硅玻璃或紫外玻璃或石英玻璃或氟化镁；所述金属盘的材料为可伐合金。
6.根据权利要求5所述的电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器，其特征在于：所述光电阴极为对紫外光敏感的日盲型光电阴极或者是对可见光敏感的碱金属光电阴极或者是可对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极。
7.根据权利要求6所述的电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器，其特征在于：管壳的封闭端底面为平板玻璃，侧面为玻璃或陶瓷。
8.根据权利要求7所述的电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器，其特征在于：所述光电阴极与固态光电倍增管背部之间的距离小于2mm，在光电阴极上施加大于-2kV的高压。
9.根据权利要求8所述的电子轰击固态光电倍增管式微光数字图像传感器，其特征在于：所述输入端与管壳构成一个封闭的管状体的真空漏率小于10-10Pa/L.S。
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