CN109425436B - 一种日盲紫外单光子成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于单光子探测技术领域，尤其涉及一种日盲紫外单光子成像系统及方法，紫外单光子信号入射穿过透紫外玻璃；光电阴极与背照式CMOS位于真空腔室内，光电阴极附着于透紫外玻璃表面且正对背照式CMOS，背照式CMOS位于光电阴极相对侧的真空腔室内壁上；光电阴极设置有高压电极引线，高压电极引线与读出电路连接，通过外部高压电源供电；背照式CMOS设置有电极引脚，所述电极引脚与读出电路连接；读出电路与图像采集与显示单元连接。本发明采用日盲紫外光电阴极与固体互补金属氧化物半导体相结合的方式，具有光电阴极的高灵敏度、电子轰击半导体的高增益低噪声、固体互补金属氧化物半导体的数字化显示和高帧速的特点。
Description
技术领域
本发明属于单光子探测技术领域，具体涉及一种日盲紫外单光子成像系统及方法。
背景技术
日盲紫外波段位于240-280nm的中紫外区，在这个波段，由于大气分子的散射作用和地表臭氧的吸收作用，该谱段太阳辐射几乎无法入射至臭氧层以下的大气层中。因此，当大气背景中出现日盲紫外谱段的辐射源时，由于太阳光等紫外辐射的能量非常有限，可利用目标与背景的高对比度对其进行探测。
导弹尾焰燃烧、火光及电晕电弧放电等现象均能产生日盲紫外辐射，对上述产生的日盲紫外辐射进行探测可以避免很多损失，但由于这类辐射的强度都非常弱，通常在单光子状态，因此对相应的探测器具有苛刻的需求：(1)对可见光不敏感，对紫外光敏感；(2)高的探测量子效率；(3)低的背景噪声；(4)高的分辨率；(5)快的视频传输速度；(6)体积小、重量轻、功耗低等。
现有的几种日盲紫外单光子成像系统有：
(1)基于日盲紫外像增强器的紫外单光子成像系统。日盲紫外像增强器包括光阴极、电子倍增极(或聚焦极)和显示3个部分。其中光电阴极用于产生光电子，电子倍增极用于将光电子信号放大并转移到荧光屏上，荧光屏作为输出器件，将输出图像转移到CCD上实现图像输出。这种系统采用高增益的微通道板将电子信号放大，可探测到单光子，结合日盲型光电阴极就可实现日盲紫外单光子探测。缺点是：结构复杂，成像经过“光子-光电子-倍增电子-光子-电荷”的多次转换过程，导致噪声增加，图像输出质量下降。
(2)基于多阳极阵列微通道探测器的紫外单光子成像系统。多阳极阵列微通道探测器由光电阴极、微通道板和阳极阵列组成。当光电阴极接受到微弱的紫外光信号后会发射出光电子，光电子在电场的作用下进入微通道板进行倍增，从微通道板输出的电荷信号被高密度阵列阳极接收形成微弱的脉冲电子流，该脉冲被送入电荷放大器放大，经译码器进入存储器后通过计算机处理。这种器件不但具有高增益、低噪声等优点，并具有良好的光子计数和成像功能。缺点是：成像分辨率由阳极阵列决定，由于阳极阵列结构制备复杂，成像分辨很低；此外，需要复杂的阳极编码和解码电路，设计难度大，成本高。
(3)基于固体紫外探测器的单光子成像系统。固体紫外探测器有紫外增强型硅光电二极管、紫外雪崩二极管、GaN单晶紫外光电二极管等。固体紫外探测器采用的材料为宽禁带半导体材料，当光子被光电二极管吸收后会产生电子空穴对，电子空穴对在高偏置电压产生的强电场作用下被加速，获得足够的能量与晶格碰撞产生次级电子空穴对，经过多次级联碰撞发生“雪崩”后产生更多的电子空穴对，实现电流的指数增长，从而可以进行紫外单光子探测。固体探测器件在实际应用中有许多优点，如性能稳定，工艺成熟，量子效率高、便于集成等。缺点是：噪声大、增益有限、探测面积小，易受外界环境的影响，对极微弱的目标探测具有局限性。
因此，当前急需一种高性能的日盲紫外单光子成像系统，克服现有日盲紫外单光子成像系统结构复杂、噪声大、分辨率低等缺点，实现高压电线电晕检测、紫外导弹逼近告警、灾害天气预报及火灾预警等诸多领域的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能的日盲紫外单光子成像系统及方法，解决现有日盲紫外单光子成像系统中结构复杂、信噪比低、分辨率不足等问题。该系统采用日盲紫外光电阴极与背照式固体互补金属氧化物半导体(CMOS)相结合的方式，以光电阴极的高灵敏度、电子轰击半导体的高增益低噪声和固体互补金属氧化物半导体的高帧速数字化显示为特点，实现日盲紫外单光子成像。
本发明的技术解决方案是提供一种日盲紫外单光子成像系统，其特殊之处在于：包括真空腔室、光电阴极、背照式CMOS、读出电路及图像采集与显示单元；
还包括透紫外玻璃，紫外单光子信号入射穿过透紫外玻璃；
上述光电阴极与背照式CMOS位于真空腔室内，上述光电阴极附着于透紫外玻璃表面且正对背照式CMOS，所述背照式CMOS位于光电阴极相对侧的真空腔室内壁上；
上述光电阴极设置有高压电极引线，高压电极引线与读出电路连接，通过外部高压电源供电；
上述背照式CMOS设置有电极引脚，上述电极引脚与读出电路连接；
上述读出电路与图像采集与显示单元连接。
优选地，上述真空腔室由透紫外玻璃、管壳及铟封环构成，上述背照式CMOS位于管壳内壁上，所述管壳通过铟封环与透紫外玻璃铟封；上述管壳的材料为陶瓷或玻璃。
优选地，该成像系统还包括陶瓷封接芯柱，上述高压电极引线及电极引脚均通过陶瓷封接芯柱引出真空腔室，上述陶瓷封接芯柱与读出电路板连接。
优选地，上述光电阴极为Cs-Te、Rb-Te光电阴极。
优选地，上述透紫外玻璃设置于真空腔室内，上述真空腔室包括透紫外玻璃窗、电极引线法兰与真空闸板阀，通过真空泵组对真空腔室抽真空实现真空环境，上述透紫外玻璃正对真空腔室的紫外玻璃窗，上述高压电极引线及电极引脚均通过电极引线法兰引出真空腔室，上述电极引线法兰与读出电路板连接。
优选地，上述透紫外玻璃设置于真空腔室内，上述真空腔室包括紫外玻璃窗、电极引线法兰与铟封环，上述透紫外玻璃正对真空腔室的紫外玻璃窗，设置有透紫外玻璃窗的真空腔室部分与设置有电极引线法兰的真空腔室部分通过铟封环铟封。
优选地，上述光电阴极的材料为金或CsI、KBr。
优选地，上述光电阴极与背照式CMOS之间的距离为0.5mm-5mm；所述光电阴极的厚度为20nm-100nm。
优选地，上述图像采集与显示单元设置有无线传输单元，可实现视频图像的远距离传输，满足某些特定环境的应用。
本发明还提供一种上述的日盲紫外单光子成像系统的成像方法，包括以下步骤：
步骤一：通过光电阴极将入射的紫外光转化为光电子；
步骤二：给光电阴极施加高压，使光电子到达背照式CMOS半导体材料表面轰击半导体材料，产生电子增益；
步骤三：背照式CMOS将电子增益的电信号放大和收集，再经过图像采集与显示单元采集信号，实现紫外单光子成像。
本发明的有益效果是：
本发明采用日盲紫外光电阴极与固体互补金属氧化物半导体相结合的方式，具有光电阴极的高灵敏度、电子轰击半导体的高增益低噪声、固体互补金属氧化物半导体的数字化显示和高帧速的特点；
该系统同时具有结构简单、体积小、重量轻、能耗低等特点，可实现在高压电线电晕检测、紫外导弹逼近告警、紫外通信、灾害天气预报及火灾预警等诸多领域的应用。比如，在高压输电中的电晕放电现象不仅可以造成电力系统的能量损失，还可对广播、通讯等造成严重干扰，甚至还可以因高压电路的短路而引起火灾，因此非常有必要对输电线路的电晕放电进行检测，确定其辐射强度和位置。具有高的分辨率和快的图像传输功能将有助于快速确定电晕放电的具体位置和细节。
附图说明
图1转移铟封式紫外单光子成像系统结构示意图；
图2真空闸板密封式紫外单光子成像系统结构示意图；
图3铟密封式紫外单光子成像系统结构示意图；
图4背照式CMOS结构示意图；
图5图像采集与显示结构示意图；
图6系统的电子灰度增益与阴极电压之间的关系；
图7 40mlx紫外光照下系统的图像分辨率结果；
图中附图标记为：
100-紫外单光子信号，101-透紫外玻璃，102-光电阴极，103-光电子，104-背照式CMOS，105-电极引脚，106-读出电路板，107-图像采集与显示单元，108-高压电极引线，109-管壳，110-铟封环；
200-紫外单光子信号，201-真空腔室，202-透紫外玻璃，203-光电阴极，204-背照式CMOS，205-电极引脚，206-读出电路板，207-图像采集与显示单元，208-透紫外玻璃窗，209-闸板阀，210-电极引线法兰，211-光电子，212-高压电极引线；
300-紫外单光子信号，301-真空腔室，302-透紫外玻璃，303-光电阴极，304-背照式CMOS，305-电极引线，306-读出电路板，307-图像采集与显示单元，308-透紫外玻璃窗，309-铟封环，310-电极引线法兰，311-光电子；
400-保护层，401-像素单元，402-内部电路。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例一
从图1可以看出，本实施例成像系统包括真空腔室、光电阴极102、背照式CMOS104、读出电路板106及图像采集与显示单元107，图像采集与显示单元107为图像采集卡和显示屏，真空腔室由透紫外玻璃101、铟封环110及管壳109组成；透紫外玻璃101与管壳通过铟封环110采用转移阴极铟封的工艺实现真空密封。
光电阴极102与背照式CMOS104均置于一真空腔室内且相对设置，光电阴极与所述背照式CMOS之间的距离为0.5mm-5mm，光电阴极为Cs-Te、Rb-Te等工作在紫外波段的光电阴极材料，厚度为20nm-100nm，通过分子束外延或加热蒸发的方式附着在透紫外玻璃101上，背照式CMOS固定于管壳109的内表面。管壳的材料为陶瓷或玻璃，较佳地，选择陶瓷材料可靠性更高。管壳边缘分布有背照式CMOS的电极引脚105，电极引脚贯穿管壳底部，与读出电路板106连接实现电路的内外联通。光电阴极表面设置高压电极引线108，高压电极引线108贯穿管壳与读出电路板106连接，通过外部高压电源产生高压电场，读出电路板同时与图像采集卡和显示屏连接。
紫外单光子信号100照射附着于紫外玻璃101内表面的日盲紫外光电阴极102，产生光电子103，光电子103在高压电场的作用下轰击背照式CMOS104表面，产生电子增益，电子信号在CMOS偏置电压的作用下到达CMOS像素单元，信号被收集后通过电极引脚105到达读出电路板106，进一步被图像采集卡和显示屏输出。
本实施例的优点是阴极量子效率高，高真空度可维持数年时间，寿命长，工作稳定，缺点是阴极制备相对困难，转移铟封需要的系统昂贵。
实施例二
从图2可以看出，本实施例成像系统由真空腔室201、透紫外玻璃202、日盲光电阴极203、背照式CMOS204、电极引线205、读出电路206、图像采集与显示单元207等组成。与实施例一不同的是真空腔室201上安装透紫外玻璃窗208、闸板阀209及电极引线法兰210，通过真空泵组对真空腔室抽真空实现真空环境。透紫外玻璃202、日盲光电阴极203及背照式CMOS204均位于真空腔室201内部，光电阴极203的高压电极引线212和背照式CMOS的电极引脚205通过电极引线法兰210引出。
本实施例光电阴极材料选择金或CsI、KBr等，对紫外光敏感，在空气中较稳定。
首先在透紫外玻璃上形成光电阴极，然后将光电阴极与背照式CMOS固定在真空腔室内，将所有的电极引脚及高压电极引线连接在电极引线法兰上。其中紫外玻璃正对真空腔室的紫外玻璃窗，保证入射的紫外信号200可以照射到光电阴极上。光电阴极发射的光电子211轰击背照式CMOS产生电荷增益，电荷信号被背照式CMOS像元收集后通过电极引脚205到达读出电路，读出电路再通过图像采集和显示输出视频图像。
本实施例的优点是结构简单，阴极制作容易，系统性能稳定，组件易于拆卸，可灵活更换。缺点是采用不锈钢或铝等金属材料作为真空腔室，重量较大。
实施例三
从图3可以看出，与实施例二不同的是采用铟封的方式将光电阴极和背照式CMOS置于真空环境，较佳地，采用冷铟封工艺。真空腔室分为三部分，具有透紫外玻璃窗308的真空腔室部分、铟封环309部分和具有电极引线法兰310的真空腔室部分，具有透紫外玻璃窗308的真空腔室部分与具有电极引线法兰310的真空腔室部分通过铟封环309铟封密封，达到较好的真空密封效果。具体工作过程是：首先在透紫外玻璃302上形成光电阴极303，光电阴极的材料为金或CsI、KBr等对紫外光敏感的材料；将透紫外玻璃与背照式CMOS304置于真空腔体301内；真空腔体上安装铟封环309和电极引线法兰310；将所有的电极引脚305及高压电极引线312连接到电极引线法兰310上；将安装有紫外玻璃窗308的真空法兰与真空腔体在高真空环境下铟封；保证紫外玻璃窗与透紫外玻璃平行放置；紫外入射信号300照射光电阴极产生的光电子311被加速后入射至CMOS表面，电荷信号被放大和收集，通过电极引线法兰到达读出电路板306，最终通过图像采集和显示将图像输出。
本实施例的优点是可较长时间内维持高真空，采用玻璃或陶瓷作为真空腔室，系统重量轻。
图4为背照式CMOS的结构示意图，依次由保护层400、像素单元401和内部电路402组成。工作时，电子从CMOS背面入射，穿过保护层到达半导体内部，电子轰击半导体产生大量电子空穴对，实现信号的放大，放大后的信号被像素单元收集并通过前端的电路将信号输出。
图5为读出电路及图像采集的结构图。其中读出电路的核心为FPGA，主要功能是产生时序信号和控制信号实现CMOS像素单元输出的数字信号的读取，将CMOS输出的信号传递到图像采集卡，通过与计算机通信实现图像的显示。
图6为实验得到的日盲紫外单光子成像系统的阴极加速电压与电子图像增益的关系。本发明中电子增益的表达式为：
其中，E为电子能量，Edead为电子穿越死层所需的能量，W为半导体内产生一个电子空穴对所需的能量，CE为CMOS器件对于电子的收集效率。其中Edead、W、CE对确定的CMOS均为固定值。当E>Edead时，EBCMOS的电子增益与入射电子的能量成正比关系，入射电子能量越大，增益越高，对探测单光子信号越有利。其次CMOS对于光学信号探测时，成像灰度与入射光信号强度也呈现较好的线性。因此，由图6可以看出，当E>2500V后，电子图像的增益与入射电子能量也将具有较好的线性关系，Edead约2500V。
图7为采用日盲紫外单光子成像系统获得的图像分辨率结果。将光电阴极与CMOS之间的距离设置为1mm，电子加速电压由0V逐渐增加至5000V，测量得到了不同加速电压情况下系统的分辨率变化。可以看出，随着加速电压的增加，电子图像的分辨率不断提高。当加速电压为3500V时，可以清晰地分辨出第三组图案中的线条，也即分辨率为15lp/mm，当电子加速电压增加至5000V时，可以分辨出第五组图案中的线条，而线条再窄的图案则不能分辨，此时日盲型紫外单光子成像系统的的空间分辨率达到25lp/mm。
Claims (6)
1.一种日盲紫外单光子成像系统，其特征在于：包括真空腔室、光电阴极、背照式CMOS、读出电路及图像采集与显示单元；还包括陶瓷封接芯柱；
还包括透紫外玻璃，紫外单光子信号入射穿过透紫外玻璃；
所述光电阴极与背照式CMOS位于真空腔室内，所述光电阴极附着于透紫外玻璃表面且正对背照式CMOS，所述背照式CMOS位于光电阴极相对侧的真空腔室内壁上；
所述光电阴极设置有高压电极引线，高压电极引线与读出电路连接，通过外部高压电源供电；所述高压电极引线及电极引脚均通过陶瓷封接芯柱引出真空腔室，所述陶瓷封接芯柱与读出电路板连接；
所述背照式CMOS设置有电极引脚，所述电极引脚与读出电路连接；
所述读出电路与图像采集与显示单元连接；
所述真空腔室由透紫外玻璃、管壳及铟封环构成，所述背照式CMOS位于管壳内壁上，所述管壳通过铟封环与透紫外玻璃铟封；所述管壳的材料为陶瓷或玻璃；
或者，所述透紫外玻璃设置于真空腔室内，所述真空腔室包括透紫外玻璃窗、电极引线法兰与真空闸板阀，通过真空泵组对真空腔室抽真空实现真空环境，所述透紫外玻璃正对真空腔室的紫外玻璃窗，所述高压电极引线及电极引脚均通过电极引线法兰引出真空腔室，所述电极引线法兰与读出电路板连接；
或者，所述透紫外玻璃设置于真空腔室内，所述真空腔室包括紫外玻璃窗、电极引线法兰与铟封环，所述透紫外玻璃正对真空腔室的紫外玻璃窗，设置有透紫外玻璃窗的真空腔室部分与设置有电极引线法兰的真空腔室部分通过铟封环铟封。
2.根据权利要求1所述的日盲紫外单光子成像系统，其特征在于：所述光电阴极为Cs-Te、Rb-Te光电阴极。
3.根据权利要求1所述的日盲紫外单光子成像系统，其特征在于：所述光电阴极的材料为金或CsI、KBr。
4.根据权利要求1所述的日盲紫外单光子成像系统，其特征在于：所述光电阴极与背照式CMOS之间的距离为0.5mm-5mm；所述光电阴极的厚度为20nm-100nm。
5.根据权利要求4所述的日盲紫外单光子成像系统，其特征在于：所述图像采集与显示单元设置有无线传输单元。
6.一种基于权利要求1至5任一所述的日盲紫外单光子成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通过光电阴极将入射的紫外光转化为光电子；
步骤二：给光电阴极施加高压，使光电子到达背照式CMOS半导体材料表面轰击半导体材料，产生电子增益；
步骤三：背照式CMOS将电子增益的电信号放大和收集，再经过图像采集与显示单元采集信号，实现紫外单光子成像。
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