CN108760049B - 基于紫外电子轰击有源像素传感器的紫外成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于紫外电子轰击有源像素传感器的紫外成像仪，解决了现有紫外成像仪灵敏度低、噪声大、成本高、结构复杂、体积重量较大等问题。该紫外成像仪包括光机系统、紫外电子轰击有源像素传感器、高压选通脉冲模块、读出电子学系统、图像处理与控制系统；光机系统包括成像镜头和滤波片；高压选通脉冲模块分别与紫外电子轰击有源像素传感器、图像处理与控制系统连接；读出电子学系统分别与紫外电子轰击有源像素传感器、图像处理与控制系统连接；紫外电子轰击有源像素传感器包括阴极窗口、紫外光电阴极、管壳和背照式CMOS芯片；紫外光电阴极设置在阴极窗口的内表面；背照式CMOS芯片设置在管壳内部。
Description
技术领域
本发明涉及紫外微光探测领域，具体涉及一种基于紫外电子轰击有源像素传感器的紫外成像仪，可应用于空间探测、电晕检测、紫外告警等领域。
背景技术
波长小于285nm的太阳光在穿透大气层到达海平面的过程中几乎被臭氧层完全吸收，该波段被称为日盲紫外波段。由于此波段背景辐射微弱，位于此波段的紫外辐射目标信号能够被有效的分辨出来。因此，工作于日盲紫外波段的紫外成像仪及紫外微光探测技术在紫外告警、紫外制导、紫外光通信、火灾告警、电晕放电探测与定位、大气及臭氧监测、刑事侦查、生物学及医学等领域得到了广泛的应用。
紫外成像仪和紫外微光探测技术的核心在于提高探测器的灵敏度，以实现对远距离极微弱紫外信号的探测。现有的紫外成像仪存在以下问题：
1.紫外成像仪为定位紫外目标的空间位置信息，需要同时获得紫外光图像和可见光图像，现有的紫外成像仪需分别搭建紫外光和可见光两套成像系统，采用紫外探测器和可见光探测器分别探测紫外图像和可见光图像，并采用图像处理手段获得紫外/可见光融合图像。因现有的紫外成像仪需设置两套成像系统，所以难以实现小型化、轻量化和便携化；
2.现有紫外成像仪所用的紫外探测器为紫外增强CCD，其采用紫外像增强器+光锥+CCD成像耦合的结构，此种结构存在体积大、寿命短、结构复杂、成本高等缺陷；
3.现有紫外成像仪受紫外像增强器中增益部件微通道板(MCP)增益噪声大及动态范围小等性能的限制，导致其灵敏度较低；
4.现有紫外成像仪由于像增强器无法实现直接数字读出，需与光锥和CCD耦合，图像在各组件间多次耦合产生像质损失。
综上所述，现有的紫外成像仪灵敏度低、噪声大、成本高、结构复杂、体积和重量较大，难以实现小型化、轻量化和便携化，以应用于野外环境和无人载具等搭载平台。
发明内容
为解决现有紫外成像仪需要分别搭建紫外光和可见光两套成像系统，导致紫外成像仪难以实现小型化、轻量化和便携化的问题以及现有紫外成像仪存在灵敏度低、噪声大、成本高、结构复杂的问题，本发明提供了一种基于紫外电子轰击有源像素传感器的紫外成像仪，该紫外成像仪采用单一光路和单个探测器件即可获得紫外增强和可见光融合图像，具有高灵敏、低噪声、大动态范围、体积小、重量轻、功耗低、寿命长等优点。
本发明的技术方案是：
一种基于紫外电子轰击有源像素传感器的紫外成像仪，包括光机系统、紫外电子轰击有源像素传感器、高压选通脉冲模块、读出电子学系统、图像处理与控制系统；所述光机系统包括成像镜头和滤波片，图像处理与控制系统控制完成成像镜头的变焦和滤波片的切换；所述高压选通脉冲模块分别与紫外电子轰击有源像素传感器、图像处理与控制系统连接，实现紫外电子轰击有源像素传感器对紫外增强探测和可见光探测工作模式的切换；所述读出电子学系统分别与紫外电子轰击有源像素传感器、图像处理与控制系统连接；所述紫外电子轰击有源像素传感器包括阴极窗口、紫外光电阴极、管壳和背照式CMOS芯片；所述阴极窗口设置在管壳的一端，并与管壳形成真空腔体；所述紫外光电阴极设置在阴极窗口的内表面；所述滤波片位于成像镜头和阴极窗口之间，使经过成像镜头的光线均能经过滤波片；所述背照式CMOS芯片设置在管壳内部，并与紫外光电阴极平行设置；所述背照式CMOS芯片包括由上至下依次设置的表面钝化层、扩散层、读出电路层和衬底层；所述管壳底部设有电信号通路，电信号通路分别与背照式CMOS芯片、读出电子学系统连接。
进一步地，所述管壳为上端开放、底端封闭的筒状结构，包括由上向下依次设置的铟封环、绝缘陶瓷环、金属环和芯片座管。
进一步地，所述铟封环上设置有铟封槽并填充有铟封材料，用于和阴极窗口铟封构成真空密封。
进一步地，所述阴极窗口内表面外缘设置有金属化层，金属化层为Cr、Au、Ni或Cu中的两层或多层金属单质膜层叠加构成，金属化层的作用主要是提高与金属铟封材料的浸润，同时实现与阴极材料的电连接。
进一步地，所述背照式CMOS芯片的扩散层厚度需要优化至＜10μm，以保证电子同时具有较高的倍增系数和收集效率；钝化层厚度需要优化至＜50nm，以保证在降低表面电子符合损失的同时降低电子能量损耗。
进一步地，所述紫外光电阴极和背照式CMOS芯片相互平行近贴，近贴距离＜2mm，此距离以确保紫外电子轰击有源像素传感器具有较高的空间分辨率。
进一步地，所述阴极窗口采用熔融石英、蓝宝石、氟化镁或氟化钡制作。
进一步地，所述成像镜头采用熔融石英、氟化钙光学制作。
进一步地，所述紫外光电阴极为碱卤化物阴极、碲碱阴极或宽禁带半导体阴极。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.单一光路和单个探测器件同时探测紫外光与可见光；
本发明中所使用的光学镜头采用紫外和可见光波段高透过的光学材料，可实现对紫外和可见光成像。采用紫外电子轰击有源像素传感器作为核心探测器件，在无高压脉冲时，CMOS对可见光直接成像；在紫外光电阴极与CMOS间加高压脉冲时，背照式CMOS可响应紫外光电阴极产生的光电子，实现对紫外信号的增强探测成像。相较于现有紫外和可见光采用分光光路，且需紫外增强CCD和可见光探测器配合使用才能获得紫外和可见光的紫外成像仪，本发明提供的紫外成像仪采用使用单一光路和单个探测器件即可获得紫外和可见光融合图像，不仅降低了系统复杂度，更有利于紫外目标的识别和定位。
2.高灵敏、低噪声、直接数字读出无耦合损失；
本发明紫外电子轰击有源像素传感器的增益由电子轰击半导体增益效应产生，过剩噪声因子远小于目前基于增强型CCD、EMCCD的紫外微光探测器件；紫外电子轰击有源像素传感器的图像可以直接数字读出，避免了紫外增强CCD中图像在像增强器、光锥、CCD间多次耦合带来的像质损失，因此紫外电子轰击有源像素传感器具有高灵敏度，甚至可以实现单光子探测。
3.结构紧凑、功耗小、重量轻，适用于各类环境和平台；
本发明提供的紫外成像仪采用单一光路和单个探测器件，具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低等优势，适合在野外环境下作业；可搭载在无人机、无人巡检车等各类载具上，实现无人化、智能化工作。
附图说明
图1为本发明紫外成像仪系统构成图；
图2为本发明紫外电子轰击有源像素传感器结构图；
图3为本发明紫外电子轰击有源像素传感器的管壳结构图；
图4为本发明紫外电子轰击有源像素传感器的背照式CMOS芯片结构图。
附图标记：1-光机系统，2-紫外电子轰击有源像素传感器，3-高压选通脉冲模块，4-读出电子学系统，5-图像处理与控制系统；11-成像镜头，12-滤波片；21-阴极窗口，22-紫外光电阴极，23-管壳，24-背照式CMOS芯片，25-电信号通路；211-金属化层；231-铟封环，232-绝缘陶瓷环，233-金属环，234-芯片座管，235-铟封槽；241-表面钝化层，242-扩散层，243-读出电路层，244-衬底层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：
本发明提供一种基于紫外电子轰击有源像素传感器的紫外成像仪，该成像仪采用单一光路和单个探测器件，即可实现对紫外光信号和可见光信号的探测。采用的紫外电子轰击有源像素传感器是一种新的微光探测器件，具有直接数字读出、高灵敏、低噪声、大动态范围、体积小、重量轻、功耗低、寿命长等优点。
如图1所示，本发明所提供的基于紫外电子轰击有源像素传感器的紫外成像仪，除核心器件紫外电子轰击有源像素传感器2外，还包括光机系统1、高压选通脉冲模块3、读出电子学系统4、图像处理与控制系统5。光机系统1能够同时对紫外信号和可见光信号成像；紫外电子轰击有源像素传感器2在加载高压脉冲时能够对紫外图像实现增强探测，在不加载高压脉冲时能够探测可见光图像，其采用单一光路和单个探测器件同时探测紫外光与可见光，具有高灵敏、低噪声、直接数字读出的优势，结构紧凑功耗小适用于各种环境和平台。
光机系统1由成像镜头11和紫外带通滤波片12组成，光机系统1所使用的光学镜头采用熔融石英、氟化钙等对紫外和可见光均有良好透过率的光学材料，可使用单一镜头组件实现对紫外光和可见光的长焦深、高分辨率成像。(光学镜头在紫外和可见光波段的调质传递函数不同；对物距相同的紫外目标和可见光目标，其成像相距也不同。)紫外带通滤波片12位于成像镜头11和紫外电子轰击有源像素传感器2的阴极窗口21之间，其大小和位置设置能保证经过成像镜头11的光线均能经过滤波片12，从而现实对目标像中可见光成分的过滤去除。光机系统1配有可实现光学变焦和滤波片切换的电控机械部件，电控机械部件具体可为步进电机，步进电机能够在图像处理与控制系统5输出的控制信号指挥下，完成镜头变焦和滤波片12的切换。
高压选通脉冲模块3分别与紫外电子轰击有源像素传感器2、图像处理与控制系统5连接。高压选通脉冲模块3能够在图像处理与控制系统5的控制下，输出幅值＞2000V、脉冲宽度100ps～直流模式可调的高压选通脉冲，用于实现紫外电子轰击有源像素传感器2对于紫外增强探测和可见光探测这两种工作模式的切换。
读出电子学系统4，由印制电路板和电子元器件构成，可实现图像信号低噪声数字读出、芯片工作状态监测等功能，可向上位的图像处理与控制系统5提供图像数字信号、芯片状态信息等数据和参数。
图像处理与控制系统5由图像处理模块、人机交互界面、系统组件控制模块及控制电路等组成。其主要功能为：处理紫外电子轰击有源像素传感器2获得的图像数据，获得紫外增强和可见光融合图像；实现人机交互，完成操作者对紫外成像仪的动作指令；控制高压选通脉冲模块3产生高压脉冲的通断，完成传感器紫外增强探测和可见光探测的模式切换，根据工作模式的不同控制紫外带通滤波片的切换；根据探测器采集到图像数据的清晰度，控制光机系统1完成镜头组件变焦，在紫外、可见光波段获得清晰图像；通过合理设计配置，实现紫外探测过程的远程化、无人化、智能化。
如图2、图3、图4所示，本发明所提供的紫外成像仪其核心部件为紫外电子轰击有源像素传感器2，该传感器由阴极窗口21、紫外光电阴极22、作为阳级的背照式CMOS芯片24、陶瓷可伐合金焊接管壳23等部分组成，阴极窗口21设置在管壳23的一端，并与管壳23形成真空腔体。
阴极窗口21的形状主要为具有多层台阶的圆锥结构，其上部直径较大的环形面和斜面用于制备金属化层211，其下部直径较小的平面用于制备阴极。阴极窗口21根据响应波段的不同，材料可选择熔融石英、蓝宝石、氟化镁、氟化钡等对紫外光和可见光均有高透过率的窗口材料，阴极窗口21外缘采用镀膜的方法制备一圈金属化层211。金属化层211为Cr、Au、Ni、Cu等两层或多层金属单质膜层层叠构成，厚度约为几十纳米。金属化层211的作用主要是提高与金属铟封材料的浸润，同时实现与阴极材料的电连接。金属化层211与管壳23顶端的铟封环231相封接，以实现与管壳23的铟封。
紫外光电阴极22制作在阴极窗口21内表面，根据响应波段的不同，紫外光电阴极22材料可为碱卤化物阴极(如碘化铯等)、碲碱阴极(如碲化铯、碲化铷等)或宽禁带半导体阴极(如金刚石、氮化镓、氧化锌等)。
背照式CMOS芯片24由上至下依次为表面钝化层241(氧化硅、氮化硅等材料的多层纳米薄膜)、扩散层242(均匀掺杂或梯度掺杂的硅或砷化镓等半导体材料)、读出电路层243(由半导体材料和金属电路层构成)、衬底层244(硅或砷化镓等半导体材料基底)。芯片经过扩散层242减薄和表面钝化处理，其扩散层242厚度＜10μm，钝化层厚度＜50nm。扩散层242厚度需要优化至＜10μm，以保证电子同时具有较高的倍增系数和收集效率；钝化层厚度需要优化至＜50nm，以保证在降低表面电子符合损失的同时降低电子能量损耗。
紫外光电阴极22和背照式CMOS芯片24相互平行近贴，近贴距离＜2mm，以确保紫外电子轰击有源像素传感器2具有较高的空间分辨率。
管壳23为多层陶瓷、可伐合金焊接构成，具体为上部敞开、底部封闭的管状结构。由上到下依次为：可伐合金材质具有槽状铟封结构的铟封环231，陶瓷材质环状的绝缘陶瓷环232，可伐合金材质的金属环233，管壳23底部为电真空陶瓷或玻璃材质的芯片座管234。座管上制备有芯片贴片区和引线区，可与背照式CMOS芯片24以焊接、键合等方式固定，为芯片提供支持和电连接，座管设有穿过真空且密封的电信号通路25，与背照式CMOS芯片24连接用于输出其图像信号。铟封环231上的铟封槽235内填充有铟封材料(如纯铟或银锡合金)，用于和阴极窗口21铟封构成真空密封结构。整个器件在超高高真空系统中经铟封工艺，封装在真空度高于10-7Pa的超高真空环境下。
紫外光电阴极22和背照式CMOS芯片24之间加有高压脉冲，脉冲高压由高压选通脉冲模块3产生，电压幅值＞2000V、脉冲宽度100ps～直流模式可调。当紫外光电阴极22和背照式CMOS芯片24间不加高压脉冲时，CMOS芯片可直接探测可见光图像；当紫外光电阴极22和CMOS芯片间加有高压脉冲时，阴极吸收紫外光产生的光电子被高压加速后轰击背照式CMOS芯片24，根据电子轰击半导体增益机制在芯片内产生电子倍增并被读出电路输出，从而实现对紫外光的增强探测。
本发明提供的基于紫外电子轰击有源像素传感器的紫外成像仪，入射光信号(包括紫外光和可见光)通过光机系统1，在紫外电子轰击有源像素传感器2的探测面成像。当传感器不加载高压脉冲时，背照式CMOS芯片24可直接探测可见光图像；当传感器加载有高压脉冲时，阴极吸收紫外光产生的光电子被高压加速后轰击背照式CMOS芯片24，根据电子轰击半导体增益机制在芯片内产生电子倍增并被读出电路输出。通过图像处理与控制系统5对读出电子学系统4、高压选通脉冲模块3和光机系统1的控制，控制高压脉冲的通断和紫外带通滤波片12的切换，完成紫外电子轰击有源像素传感器2的紫外增强探测和可见光探测模式切换，本系统使用单一光路和单个探测器件，即可获得紫外增强和可见光融合图像。
本发明系统在应用过程中包括以下两种情况：
模式一：入射光信号(包括紫外光信号和可见光信号)通过光机系统1，在紫外电子轰击有源像素传感器2处成像。其中，紫外光图像在紫外光阴极表面成像，而可见光图像在背照式CMOS芯片24表面成像。紫外电子轰击有源像素传感器2加载有高压脉冲，阴极吸收紫外光产生的光电子被高压加速轰击背照式CMOS芯片24产生电子倍增并被读数电路输出，实现对紫外光图像的增强探测；同时，背照式CMOS芯片24可直接对可见光图像进行探测。基于上述工作工程，本发明所提供的紫外成像仪可直接获得紫外增强和可见光融合图像。
模式二：入射光信号(包括紫外光信号和可见光信号)通过光机系统1，在紫外电子轰击有源像素传感器2处成像。通过图像处理与控制系统5给予控制信号，在光路中加入紫外带通滤波片12，调节镜头使紫外图像在紫外电子轰击有源像素传感器2阴极表面成像，并控制高压选通脉冲模块3给紫外电子轰击有源像素传感器2加载高压脉冲，此时传感器通过读出电子学系统4获得紫外光图像。通过图像处理与控制系统5给予控制信号，取消光路中的紫外带通滤波片12，并调节镜头使可见光图像在紫外电子轰击有源像素传感器2中背照式CMOS表面成像，并取消加载的高压脉冲，此时传感器通过读出电子学系统4获得可见光图像。最终通过图像处理与控制系统5进行图像处理，本发明所提供的紫外成像仪可获得紫外增强和可见光融合图像。
Claims (4)
1.一种基于紫外电子轰击有源像素传感器的紫外成像仪，其特征在于：包括光机系统(1)、紫外电子轰击有源像素传感器(2)、高压选通脉冲模块(3)、读出电子学系统(4)、图像处理与控制系统(5)；
所述光机系统(1)包括成像镜头(11)和滤波片(12)，图像处理与控制系统(5)控制完成成像镜头(11)的变焦和滤波片(12)的切换；
所述高压选通脉冲模块(3)分别与紫外电子轰击有源像素传感器(2)、图像处理与控制系统(5)连接，实现紫外电子轰击有源像素传感器(2)对紫外增强探测和可见光探测工作模式的切换；
所述读出电子学系统(4)分别与紫外电子轰击有源像素传感器(2)、图像处理与控制系统(5)连接；
所述紫外电子轰击有源像素传感器(2)包括阴极窗口(21)、紫外光电阴极(22)、管壳(23)和背照式CMOS芯片(24)；所述阴极窗口(21)设置在管壳(23)的一端，并与管壳(23)形成真空腔体；
所述紫外光电阴极(22)设置在阴极窗口(21)的内表面；所述滤波片(12)位于成像镜头(11)和阴极窗口(21)之间，使经过成像镜头(11)的光线均能经过滤波片(12)；所述背照式CMOS芯片(24)设置在管壳(23)内部，并与紫外光电阴极(22)平行设置；所述背照式CMOS芯片(24)包括由上至下依次设置的表面钝化层(241)、扩散层(242)、读出电路层(243)和衬底层(244)；所述管壳(23)底部设有电信号通路(25)，所述电信号通路(25)分别与背照式CMOS芯片(24)、读出电子学系统(4)连接；
所述管壳(23)为上端开放、底端封闭的筒状结构，包括由上向下依次设置的铟封环(231)、绝缘陶瓷环(232)、金属环(233)和芯片座管(234)；
所述铟封环(231)上设置有铟封槽(235)并填充有铟封材料，用于与阴极窗口(21)铟封构成真空密封；
所述阴极窗口(21)内表面外缘设置有金属化层(211)，所述金属化层(211)为Cr、Au、Ni或Cu中的两层或多层金属单质膜层叠加构成；
所述背照式CMOS芯片(24)的扩散层(242)厚度＜10μm，表面钝化层(241)厚度＜50nm；
所述紫外光电阴极(22)和背照式CMOS芯片(24)相互平行近贴，近贴距离＜2mm。
2.根据权利要求1所述的基于紫外电子轰击有源像素传感器的紫外成像仪，其特征在于：所述阴极窗口(21)采用熔融石英、蓝宝石、氟化镁或氟化钡制作。
3.根据权利要求2所述的基于紫外电子轰击有源像素传感器的紫外成像仪，其特征在于：所述成像镜头(11)采用熔融石英、氟化钙制作。
4.根据权利要求3所述的基于紫外电子轰击有源像素传感器的紫外成像仪，其特征在于：所述紫外光电阴极(22)为碱卤化物阴极、碲碱阴极或宽禁带半导体阴极。
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