CN117790264A - 一种探测系统及像增强器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种探测系统，包括：光阴极、荧光屏和雪崩型探测器；入射光光子进入光阴极激发出光电子，向荧光屏发射，激发出特定波长的光子；特定波长的光子经雪崩型探测器探测，输出电信号；该电信号经一读出电路读取后通过简单计算即可获得光信号信息。本申请通过雪崩型探测器的引入，优化了探测系统的整体结构，无需采用较大的荧光屏像元和探测器像元。本发明还提供一种像增强器，采用优化后的探测系统结构，单个像元尺寸可以做到3um，像元面积小，成像分辨率高。

Description

一种探测系统及像增强器

技术领域

本申请涉及半导体器件，尤其涉及一种探测系统及像增强器。

背景技术

CCD、CMOS相机常被用来拍摄影像。然而受到效率、噪声的限制，在微弱光环境下，普通相机很难实现有效的成像，这些场景包括：微光夜视，即环境光照很低的场合；微弱发光，如单颗粒发光，单粒子探测、生物自荧光等；高速成像，因为曝光时间很短而导致信号微弱。

像增强器是由探测器组成的光信号探测阵列，可以实现光信号的识别与成像，可提供高达10³-10⁷的光增益，实现微光环境成像、高速成像、单个粒子探测等微弱信号探测的功能；结合闪烁体用于探测X-Ray、带电粒子以及中性粒子等。目前应用最广泛的是紫外像增强器，通过其中的探测器探测紫外光信号，通过电路输出形成图像信号，具有高清晰度、高灵敏度的优点。

但是目前常用的像增强器也存在以下缺点：

1)功率高。为了将入射光转化而成的电子在微通道板进行倍增，并将电子在荧光屏上再次转化为光子，需要在荧光屏上加5kV-6kV的高压。为像增强器配套的专用高压电源是一种能将低压直流输入转换为像增强器正常工作所需要的高压直流输出的电压变换器。但是现在倍压电路也面临着功耗大、功率大、体积大的问题，高压倍压电路占电源体积的1/4。

2)系统灵敏度低，由于光子从被吸收到转换成电信号，需要先由光电阴极吸收，再在微通道板的作用下高速轰击荧光屏，荧光屏再将电信号转换成光信号，导致信号利用率仅有1％，也使得CCD成像距离较近。

3)时间分辨率低。由于CCD的光电转换、读取电路等问题，导致CCD的响应速度较慢，时间分辨率通常为几十毫秒。

4)成本高。由于探测效率低，因此像增强器需要采用复杂的光学系统，提高了整个探测器的成本。

5)体积庞大。由于微通道板需要在真空条件下工作，因此器件制备的时间和复杂程度较高。

6)分辨率低。由于电子在微通道板中倍增的过程中会发生多次反射从而获得能量，因此最终达到荧光屏时会形成一定面积大小的分布。因此从荧光屏向探测器发射的电子也存在一定分布，这就意味着探测器的像素点需要有一定大小才能接收所有倍增的光子。因此采用这种倍增方案的分辨率比较低。

发明内容

本申请的目的在于针对现有技术的不足，提供一种探测系统，可实现光信号探测。基于该探测系统，本发明还提供一种高分辨率的像增强器。

本申请采用如下技术方案，一种探测系统，包括：光阴极、荧光屏和雪崩型探测器；入射光光子进入光阴极激发出光电子，向荧光屏发射，激发出特定波长的光子；特定波长的光子经雪崩型探测器探测，输出电信号；该电信号经一读出电路读取后通过简单计算即可获得图像信息。本发明中，由于雪崩型探测器的增益作用，无需微通道板在高压下对电子进行加速和倍增，光阴极的电子直接进入荧光屏，完全规避了因通道板加工精度和多次电子碰撞反射带来的分辨率问题。可见，本申请通过雪崩型探测器的引入，优化了探测系统的整体结构，无需采用面积较大的荧光屏像元和探测器像元；而光阴极和荧光屏的高精度加工已经较为成熟(单个像元可以做到3um)，系统的分辨率只受限于雪崩型探测器的加工精度，而雪崩型探测器的尺寸可以做到5um，甚至也可以达到3um，以形成像元尺寸为3um的高精度探测器。

另外，由于CCD/CMOS对信号的放大依赖于ADC的放大，这个过程会引入噪声，而本申请中，雪崩型探测器可以通过内增益实现信号放大，尤其是单光子雪崩二极管的内增益可以实现10⁶的信号放大，可以在保证分辨率的前提下，显著降低噪声。

本发明所述的雪崩型探测器是由单个或者多个雪崩二极管组成，雪崩二极管构成了该雪崩型探测器的一个探测单元。所述多个探测单元形成线阵或者面阵。如前所述，由于不需要考虑微通道板的电子反射问题，单个探测单元的尺寸在1000um以下，甚至以最小尺寸3um存在。

本发明所述的雪崩二极管可以为线性雪崩二极管或单光子雪崩二极管，优选为单光子雪崩二极管。

本发明所述的雪崩二极管采用硅基雪崩二极管、Ⅲ-Ⅴ族材料雪崩二极管或者锗基雪崩二极管，用于检测紫外线、可见光或者红外线。

在本发明优选的方案中，荧光屏和雪崩型探测器之间通过光纤光锥传输光子。所述光纤光锥为一端经过拉伸的光纤面板，其中经过拉伸的一端连接荧光屏，另一端连接雪崩型探测器。光纤相对透镜耦合方式，其体积与重量更小，耦合可靠性也较高。

在本发明优选的方案中，光阴极的长度为10cm。

本发明所述的光电阴极为多碱光阴极或者Ⅲ-Ⅴ族材料制成的光阴极。

本发明还提供一种像增强器，采用前述探测系统，所述雪崩型探测器由多个探测单元(雪崩二极管)组成，所述多个探测单元形成线阵或者面阵。也就是说，本发明的像增强器，包括：光阴极、荧光屏和雪崩型探测器；光阴极、荧光屏和雪崩型探测器具有相同的线阵或者面阵结构。如前所示，基于本申请优化后的系统结构，单个像元尺寸可以做到3um，像元面积小，成像分辨率高。

附图说明

图1为微通道板倍增电子示意图，从图中可以看出，电子在微通道板中需要多次反射以发生倍增，在微通道板出射端会形成一定的面积分布，因此后端的探测器像素点需要一定大小才能接受所有光子。由于微通道板的直径限制在数十微米级别，由此将导致系统分辨率降低。

图2为实施例1器件A～C的光束/电子束分布图；图3～5分别为实施例1器件A～C的器件结构示意图。

具体实施方式

本发明所述的探测系统是一种能够将微弱的光信号进行转换并输出光强数据的传感器件，包括光阴极、荧光屏、雪崩型探测器；雪崩型探测器输出可以通过读出电路读取的电信号，以获得光强信息。

本发明所述的像增强器是一种能够将微弱的光信号进行转换并增强的图像传感器件，其主要组成部分包括光阴极、荧光屏像元阵列、雪崩型探测器阵列。探测单元输出的电信号经读出电路读取并结合像元位置完成成像的功能。下面对这些部分进行展开说明：

光阴极：光阴极是整个系统的第一级光电转换元件，光电阴极主要可以分为碱金属光电阴极、碱土金属光电阴极、半导体光电阴极和复合光电阴极四类。碱金属光电阴极和碱土金属光电阴极的工作原理基于光电效应，主要用于低频光电探测。半导体光电阴极的工作原理基于光生电子效应，主要用于高频光电探测。复合光电阴极结合了以上两种阴极的优点，具有较高的量子效率和较宽的响应频率范围。常见的光阴极材料有RbTe、CsTe、多碱光阴极或者Ⅲ-碱族材料光阴极等。

荧光屏：荧光屏的作用是将光阴极产生的光电子再转换为特定波长的光子。这种转换使得输出的光信号具有特定的波长，有利于后续的探测。荧光屏的发光原理是基于电子激发和电子跃迁的过程。当荧光屏被外加电压激活时，电子会从低能级跃迁到高能级。在电子跃迁的过程中，电子会释放出能量，这部分能量被转化为光能量，从而产生特定波长的光。这种光的波长取决于荧光物质的特性。常用的荧光材料有ZnS(Ag)、CaF₂(Eu)等，它们可以吸收电子的能量，并重新发射出特定波长的光子。

雪崩型探测器，由雪崩二极管组成。雪崩二极管是一种光电二极管，通过引入雪崩过程，使得光电二极管具有内部信号放大的能力，从而提高了光电转换的效率。当光子入射到光电二极管的PN结时，会激发出电子-空穴对。在高电场的作用下，这些电子会获得足够的能量，与晶格发生碰撞，产生更多的电子-空穴对，形成雪崩放大效应。其中，SPAD(单光子雪崩二极管)是一种工作在盖革模式(反向偏置电压大于其雪崩击穿电压)利用雪崩击穿实现单光子探测能力的光电二极管。SPAD通常具有高光子探测效率、宽光谱响应范围、极高灵敏度以及低功耗等特性。

读出电路：读出电路负责将雪崩二极管输出的电信号进一步放大并处理成数字信号。这个过程可能包括信号滤波、放大、模数转换等步骤。读出电路的设计需要考虑系统的工作频率、动态范围以及功耗等因素。

通常的，还包括输入窗，从输入窗、光阴极到荧光屏，均被封装在真空密闭外壳中，输入窗(可以选用MgF₂或者CaF₂)的内表面有一层可以透过所需波长光线并且可以导电的导电薄膜，比如铝模或者银膜，光阴极制作于导电薄膜上，光阴极可选用RbTe、CsTe等。荧光屏前通常镀有一层铝模。

通常的，还包括电源，电源分为两个，为雪崩探测器和荧光屏分别提供偏压、为雪崩探测器提供过偏压等。

通过上述各个部件的协同工作，可以实现对微弱光信号的有效检测和放大。这样的系统在天文观测、环境监测、高能物理研究等领域有着广泛的应用前景。

实施例1

构建器件A：依次包括输入窗、光阴极、荧光屏、雪崩二极管和读出电路。

构建器件B：依次包括输入窗、光阴极、微通道板、荧光屏、CCD和读出电路。

构建器件C：依次包括输入窗、光阴极、微通道板、荧光屏、雪崩二极管和读出电路。

器件A～C中，输入窗均采用MgF₂；

器件A～C中，光阴极采用多碱光阴极，尺寸为1cm×10cm，其中像元尺寸为6um，图2中所示的为其中的10个像元。

器件A～C中，荧光屏采用ZnS(Ag)，尺寸为1cm×10cm，其中像元尺寸为6um，图2中所示的为其中的10个像元。

器件A和C中，雪崩二极管采用线性雪崩二极管，尺寸为1cm×10cm，其中单个像元尺寸为6um，图2中所示的为其中的10个像元。器件B中，CCD尺寸为1cm×10cm，其中单个像元尺寸为6um，图中所示的为其中的10个像元；器件B和C中，微通道板采用内壁镀有二次电子发射材料的阵列式微细玻璃管，通道直径为6um，图中所示为10个通道，测试结果表明其电子出射角最大为120°左右。

采用高聚集光束(光斑直径在6um左右，波长为355nm)，调控光强I1＝1uW，I2＝100uW，I3＝1mW，向器件A～C的其中一个像元入射；器件A～C中，在光阴极、荧光屏之间引入50V的电场以对光电子进行加速；器件B和C中，微通道板电压1000V；器件A和C中，雪崩二极管电压20V，荧光屏工作电压为5kV。采用相同的读出电路(读出速率最大为20MHz、14位高分辨率、低功耗二阶Incremental Sigma-DeltaADC)连接对应的CCD、雪崩二极管。

在I0＝0uW、I1＝1uW，I2＝50uW，I3＝200uW下，器件A经读出电路读出的信号分别为2mV、19mV、118mV、420mV；器件B经读出电路读出的信号分别为6mV、6mV、35mV、179mV。器件C经读出电路读出的信号分别为5mV、5mV、82mV、381mV。

在无光输入时(0uW)，器件ABC均存在一定的噪声，器件B和C因为通道板的引入具有更大的噪声。

器件A在1uW光强下即产生响应，而器件B和C在1uW光强下产生的电信号与0uW光强下无异(均为系统噪声)，没有产生响应。对于器件B，器件A中的雪崩二极管体现出其高灵敏的优势；对于器件C而言，器件C中的通道板的出射角引起了电子束偏移，其造成了光子损耗，使其灵敏度降低，使其在1uW下不能如器件A产生光响应，因此，A与器件B和C相比具有更低的检测限，可以扩展探测的动态范围。本实施例中，器件A的最低检测限约为1uW，器件B、C的最低检测限约为50uW。

另外，在高于其最低检测限后，器件A、B、C响应率系数(输出电压与输入功率关系的斜率)约为2.0、0.96、2.0。器件A和C的响应度比器件B具有更好的线性度。

可见，单独的将现有方案(器件B)中的CCD替换为雪崩二极管(器件C)，虽然一定程度上可以获得更加线性的响应，但并不能有效提高灵敏度和分辨率，这主要是因为微通道板的电子出射角引起了电子束偏移，从单个像元看，其造成了光子损耗，降低灵敏度；从多个像元看，其将造成光信号串扰，降低分辨率。本发明的方案中，除了采用雪崩二极管的雪崩功能替代微通道板的倍增功能，采用雪崩二极管的光电转换功能替换CCD的光电转化功能之外，还有效解决了因为微通道板的电子出射角引起的光子损耗/光信号串扰而带来的巨大检测误差；并且SPAD器件具有更好的线性响应度；在相同像元尺寸的情况下，所述采用无微通道板的探测系统检测最低检测限由50uW降低至1uW，性能大幅提升。

另外，器件A的响应时间为20us，器件B的响应时间为100us,器件C的响应时间为50us，可见，单独的将CCD替换为雪崩二极管并不能有效提高响应效率。

实施例2

将实施例中三个器件A～C中荧光屏的工作电压降低至400V，并将线性雪崩二极管替换成单光子雪崩二极管。由于单光子雪崩二极管本身具有自增益的效果，单个光子即可以触发雪崩，因此不需要荧光屏工作在高压下也可以获得高达10⁶的增益。在I1＝1uW、I2＝50uW的条件下，器件A经读出电路读出的信号为2V、2V，器件B经读出电路读出的信号为5mV、100mV，器件C经读出电路读出的信号分别为2V、2V。

由此可得，与CCD器件相比，单光子雪崩二极管可以在仅探测到单个光子的条件下获得高达10⁶的饱和增益，因此不需要在荧光屏施加大电压，并且在没有微通道板的条件下也可以实现高增益，并大幅提升灵敏度和信号最低检测限。

实施例3

参见说明书附图3，一种像增强器，依次包括：输入窗、光阴极、荧光屏、雪崩二极管阵列和读出电路；其中光阴极、荧光屏被封装在一壳体内以保证真空环境。本实施例中，输入窗采用MgF₂；光阴极采用多碱光阴极，尺寸为10cm×10cm。荧光屏采用ZnS(Ag)，尺寸为10mm×10mm，其中像元尺寸为10um。雪崩二极管采用单光子雪崩二极管，尺寸为10mm×10mm，其中像元尺寸为10um。单光子雪崩二极管组成320×320的成像阵列。读出电路中包含为SPAD传感器提供最佳偏置电压的基准电路、将工作电压降低/增加到击穿电压以上的淬灭电路、将像元的输出信号进行时间-数字转换(Time-to-digital)的TDC)电路。通过单光子雪崩二极管阵列及阵列读出电路，可以对微弱光环境下的物体进行探测。所述器件可以获得高达10⁶倍的增益、低至20us的响应速度、高达百万级别的像素。

实施例4

参见说明书附图3，一种红外波段像增强器，依次包括：输入窗、光阴极、荧光屏、雪崩二极管阵列和读出电路；其中光阴极、荧光屏被封装在一壳体内以保证真空环境。本实施例中，输入窗采用蓝宝石；光阴极采用GaAs，尺寸为10cm×10cm。荧光屏采用ZnS(Ag)，尺寸为10cm×10cm，其中像元尺寸为10um。雪崩二极管采用单光子雪崩二极管，尺寸为10cm×10cm，其中像元尺寸为10um。单光子雪崩二极管组成成像阵列。读出电路中包含为SPAD传感器提供最佳偏置电压的基准电路、将工作电压降低/增加到击穿电压以上的淬灭电路、将像元的输出信号进行时间-数字转换的TDC电路。通过单光子雪崩二极管阵列及阵列读出电路，可以对微弱光环境下的物体进行探测。所述器件可以获得高达10⁶倍的增益、低至20us的响应速度、高达百万级别的像素，并且可以工作在红外波段，对于夜间条件下激光雷达的成像具有较大的应用价值。

Claims (10)

1.一种探测系统，其特征在于，包括：光阴极、荧光屏和雪崩型探测器；入射光子进入光阴极激发出光生电子，向荧光屏发射，激发出特定波长的光子；特定波长的光子经雪崩型探测器探测，输出电信号。

2.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述雪崩型探测器是由单个或者多个雪崩二极管组成，所述多个雪崩二极管形成线阵或者面阵。

3.根据权利要求2所述的探测系统，其特征在于，所述雪崩二极管尺寸在1000um以下。

4.根据权利要求2所述的探测系统，其特征在于，所述雪崩二极管为线性雪崩二极管或单光子雪崩二极管。

5.如权利要求2所述的探测系统，其特征在于，所述雪崩二极管采用硅基雪崩二极管、Ⅲ-Ⅴ族材料雪崩二极管或者锗基雪崩二极管，用于检测紫外线、可见光或者红外线。

6.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述荧光屏的工作电压为5000V～6000V。

7.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，荧光屏和雪崩型探测器之间通过光纤光锥或光学光锥传输光子。

8.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，光阴极的尺寸在50cm以下。

9.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述光电阴极为多碱光阴极或者Ⅲ-Ⅴ族材料制成的光阴极。

10.一种像增强器，其特征在于，包含权利要求1所述的探测系统，所述雪崩型探测器由多个雪崩二极管组成，所述多个雪崩二极管形成线阵或者面阵。