CN219087237U - 一种基于三代像管的小型化数字微光相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于三代像管的小型化数字微光相机，包括相机壳体、设置在相机壳体内的三代像管、环形自动增益高压电源、耦合光锥、CMOS传感器和显示装置；所述环形自动增益高压电源套设在三代像管外侧，耦合光锥和CMOS传感器依次设置在三代像管出光光路上，CMOS传感器与显示装置电连接。该数字微光相机通过环形自动增益高压检测像管光电流强度调节三代像管高低电平占空比，实现低照度环境及照度变化场景的目标获取问题，并实现结构紧凑、整机重量轻。

Description

一种基于三代像管的小型化数字微光相机

技术领域

本实用新型涉及一种数字微光相机，具体涉及一种基于三代像管的小型化数字微光相机。

背景技术

微光指在低照度环境下微弱的光能量低到不能引起人眼或图像传感器响应的光。微光成像技术，通过光-电子信息的转换、增强、处理、显示等物理过程来实现增强图像显示，以满足在夜晚或能见度不良条件下的目标影像获取。

其中，基于第三代像增强器(GaAs光阴极)的微光成像技术可以实现10^-4～10^-5lux照明下的目标探测，极大弥补了人眼或图像传感器在微光环境中灵敏度低、分辨率低和颜色辨识能力差等诸多问题，在生物成像、激光雷达、夜视成像等领域都得到重要应用。在头盔微光夜视领域，微光相机需要实现结构紧凑、重量轻，在低照度环境及照度变化场景的目标获取，同时还需要适应未来与AR、红外等技术进行多数字图像融合。

现有的微光夜视技术大多基于人眼目视探测，难以进行图像的存储。低照度CMOS微光相机，最低工作照度在10^-3lux难以满足无月光/无星光条件下的场景应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有微光相机存在体积大、质量重以及在低照度环境及照度变化场景中获取目标精度不高的技术问题，而提供一种基于三代像管的小型化数字微光相机。

本实用新型基于三代像管的小型化数字微光相机的构思是：通过环形自动增益高压检测像管光电流强度调节三代像管高低电平占空比，实现低照度环境及照度变化场景的目标获取问题；通过紧凑的结构设计，利用三代像管、环形自动增益高压及耦合光锥实现了外形尺寸为46mm×49mm×60.5mm、重量为220g的小型化数字微光相机。

为达到实现上述构思和目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于三代像管的小型化数字微光相机，其特殊之处在于：包括相机壳体、设置在相机壳体内的三代像管、环形自动增益高压电源、耦合光锥、CMOS传感器和显示装置；所述环形自动增益高压电源套设在三代像管外侧，耦合光锥和CMOS传感器依次设置在三代像管出光光路上，CMOS传感器与显示装置电连接；

所述三代像管用于将输入的微光信号增益、放大；

所述环形自动增益高压电源用于向三代像管供电，通过对三代像管脉冲电压的触发占空比调节，实现对不同环境照度下的待测目标进行自动反馈的增益调节；

所述耦合光锥为中继成像系统，用于将经三代像管放大后的光信号耦合至CMOS传感器的感光面上；

所述CMOS传感器用于采集接收到的光信号并转化为电信号，通过其自身的读出电路形成数字化图像；所述读出电路用于将CMOS传感器的电信号转换成8bits数字信号；

所述显示装置用于显示CMOS传感器形成的数字化图像。

进一步地，所述相机壳体包括依次连接的第一壳体和第二壳体；所述第一壳体为圆柱状，第一壳体的端部设置有C口接环；所述第二壳体为四棱柱状，第二壳体的端部设置有固定盖板；

第一壳体内部设置有像管管壳和高压固定环；所述三代像管和环形自动增益高压电源设置在像管管壳内，高压固定环用于固定环形自动增益高压电源；所述耦合光锥、CMOS传感器和显示装置位于第二壳体内。

进一步地，所述三代像管包括依次连接的保护玻璃、光电阴极、微通道板和荧光屏；

所述光电阴极用于作为活性感光材料，在受光辐照后产生光电子；

所述微通道板用于在增益高压作用下对进入其中的光电子产生倍增；

所述荧光屏用于将倍增后的光电子转换为光信号。

进一步地，所述三代像管的光电流自动平衡控制范围40～300nA。

进一步地，所述光电阴极采用GaAs材料，其响应波段400-900nm，光阴极灵敏度≥1800μA/lm，中心极限传递函数≥60lp/mm，最大光学增益≥1000倍；

所述光电阴极的阴极关闭电压为0V，开启电压为-400V。

进一步地，所述微通道板的板间增益调节电压范围为500～1100V；

所述荧光屏的屏压为6400V。

进一步地，所述耦合光锥的单丝直径为6μm，图像缩放比例为1:1。

进一步地，所述CMOS传感器为锐芯微P2160型号，其像元尺寸9.7μm，分辨率为1280×1024。

进一步地，所述微光相机的外形尺寸为46mm×49mm×60.5mm，重量为220g。

本实用新型相比现有技术的有益效果是：

1、本实用新型提供的基于三代像管的小型化数字微光相机，采用三代像管作为微光相机的弱信号放大核心，并通过环形自动增益高压电源和光锥耦合方式实现了小型化数字微光相机；通过环形自动增益高压调节三代像管光电阴极的占空比，可实现环境快速变化后的响应，自动适应不同环境照度下的目标获取，尤其是低照度环境及照度变化场景的目标获取。

2、本实用新型提供的基于三代像管的小型化数字微光相机，具有灵敏度高，能够进行低至10^-5lux照度下的目标检测的优点。

3、本实用新型提供的基于三代像管的小型化数字微光相机，结构紧凑、整机重量轻。

附图说明

图1为本实用新型基于三代像管的小型化数字微光相机实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的工作原理图；

图3为本实用新型实施例的外形尺寸图；其中，(a)为数字微光相机纵深尺寸标注图；(b)为其长宽尺寸标注图；(c)为其上端圆孔尺寸标注图；(d)为其立体结构图；

附图标记：

1-三代像管，2-环形自动增益高压电源，3-耦合光锥，4-CMOS传感器，5-显示装置，6-C口接环，7-像管管壳，8-高压固定环，9-相机壳体，10-固定盖板；11-保护玻璃，12-光电阴极，13-微通道板，14-荧光屏。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种基于三代像管的小型化数字微光相机作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本实用新型的技术原理，目的并不是用来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实施例提供的基于三代像管的小型化数字微光相机，包括相机壳体9、设置在相机壳体9内的三代像管1，环形自动增益高压电源2，耦合光锥3，CMOS机芯4以及显示装置5。所述环形自动增益高压电源2套设在三代像管1外侧，耦合光锥3和CMOS传感器4依次设置在三代像管1出光光路上，CMOS传感器4与显示装置5电连接。

该微光相机是以三代像管1作为弱光信号的光放大器，并通过光锥耦合3光信号到CMOS传感器4上形成数字信号。根据环境照度情况，环形自动增益高压电源2通过检测光电流幅值调节三代像管1光阴极12的占空比实现对环境的自适应。

还包括C口接环6、像管管壳7、高压固定环8和固定盖板10对三代像管1，环形自动增益高压电源2，耦合光锥3，CMOS机芯4以及显示装置5进行封装。

其中，三代像管1是一种实现“光-电-光”转换和光信号增强的真空光电子学器件，用于将输入的弱光信号进行增益放大。三代像管1主要由保护玻璃11、光电阴极12、微通道板13和荧光屏14组成；其中光电阴极12作为活性感光材料，受弱光辐照后产生光电子，光电阴极12采用GaAs材料，其响应波段400-900nm，光阴极灵敏度≥1800μA/lm，中心极限传递函数≥60lp/mm，最大光学增益≥1000倍，光电阴极12的阴极供电0V(关闭)或-400V(开启)。微通道板13在增益高压作用下对进入其中的光电子产生倍增，通过调节微通道板13输入端与输出端的高压幅值可以实现电子增益能力的调节，微通道板13间(即MCP输入与MCP输出)增益调节电压范围为500～1100V。荧光屏14是将倍增后的光电子再次转换为光信号，荧光屏14的屏压为6400V，开门频率为～400Hz。

环形自动增益高压电源2用于向三代像管1供电，通过检测三代像管1光电流强度，根据预设值，对三代像管1的光电阴极12脉冲电压高低电平(0V和-400V)的触发占空比进行占空比调节，对不同环境照度下的待测目标进行自动反馈的增益调节，实现三代像管有效光学增益的调节以适应不同照度环境目标及环境对比度变化较强目标的探测。

耦合光锥3是光学中继成像系统，用于将三代像管1的荧光屏13的光学信号传输到CMOS传感器4的感光面上，耦合光锥3的单丝直径为6μm，图像缩放比例为1:1。

CMOS传感器4用于将接收的光信号转换为电信号，并通过读出电路将CMOS传感器(4)微弱的电流变化转换成8bits数字信号，形成具有拍摄、录像功能的数字化图像，通过显示装置5显示、摄像、存储、图像融合等。CMOS传感器4采用锐芯微P2160型号，像元尺寸9.7μm，分辨率为1280×1024。如图2所示，本实施例的基于三代像管的小型化数字微光相机的工作原理是：入射弱光信号到达三代像管1的光电阴极12后产生光电子，在-400V的高压作用下，光电子进入微通道板13，并在轰击微通道板13的板壁的过程中形成增益电子(微通道板两级电压为500～1100V)，增益电子在6400V高压下轰击荧光屏14产生增益光信号，增益光信号经耦合光锥3形成中继光信号，并在CMOS传感器4的光敏面上再次转换为数字电信号，数字电信号在显示器等显示装置5上进行摄像、存储、图像融合等。

如图3(a)～(d)所示，本实施例的基于三代像管的小型化数字微光相机的外形尺寸为46mm×49mm×60.5mm，重量为220g。

综上所述，本实用新型采用三代像管作为微光相机的弱信号放大核心，并通过环形自动增益高压电源和光锥耦合方式实现了小型化数字微光相机，可以自动适应不太照度下的微光成像，具有体积小、重量轻、自动调节增益的特点，可以用于夜间或黑暗环境下的目标探测、搜寻和救援等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于三代像管的小型化数字微光相机，其特征在于：包括相机壳体(9)、设置在相机壳体(9)内的三代像管(1)、环形自动增益高压电源(2)、耦合光锥(3)、CMOS传感器(4)和显示装置(5)；所述环形自动增益高压电源(2)套设在三代像管(1)外侧，耦合光锥(3)和CMOS传感器(4)依次设置在三代像管(1)出光光路上，CMOS传感器(4)与显示装置(5)电连接；

所述三代像管(1)用于将输入的微光信号增益、放大；

所述环形自动增益高压电源(2)用于向三代像管(1)供电，通过对三代像管(1)脉冲电压的触发占空比调节，实现对不同环境照度下的待测目标进行自动反馈的增益调节；

所述耦合光锥(3)为中继成像系统，用于将经三代像管(1)放大后的光信号耦合至CMOS传感器(4)的感光面上；

所述CMOS传感器(4)用于采集接收到的光信号并转化为电信号，通过其自身的读出电路形成数字化图像；所述读出电路用于将CMOS传感器(4)的电信号转换成8bits数字信号；

所述显示装置(5)用于显示CMOS传感器(4)形成的数字化图像。

2.根据权利要求1所述的基于三代像管的小型化数字微光相机，其特征在于：所述相机壳体(9)包括依次连接的第一壳体和第二壳体；所述第一壳体为圆柱状，第一壳体的端部设置有C口接环(6)；所述第二壳体为四棱柱状，第二壳体的端部设置有固定盖板(10)；

第一壳体内部设置有像管管壳(7)和高压固定环(8)；所述三代像管(1)和环形自动增益高压电源(2)设置在像管管壳(7)内，高压固定环(8)用于固定环形自动增益高压电源(2)；所述耦合光锥(3)、CMOS传感器(4)和显示装置(5)位于第二壳体内。

3.根据权利要求2所述的基于三代像管的小型化数字微光相机，其特征在于：

所述三代像管(1)包括依次连接的保护玻璃(11)、光电阴极(12)、微通道板(13)和荧光屏(14)；

所述光电阴极(12)用于作为活性感光材料，在受光辐照后产生光电子；

所述微通道板(13)用于在增益高压作用下对进入其中的光电子产生倍增；

所述荧光屏(14)用于将倍增后的光电子转换为光信号。

4.根据权利要求3所述的基于三代像管的小型化数字微光相机，其特征在于：所述三代像管(1)的光电流自动平衡控制范围40～300nA。

5.根据权利要求4所述的基于三代像管的小型化数字微光相机，其特征在于：所述光电阴极(12)采用GaAs材料，其响应波段400-900nm，光阴极灵敏度≥1800μA/lm，中心极限传递函数≥60lp/mm，最大光学增益≥1000倍；

所述光电阴极(12)的阴极关闭电压为0V，开启电压为-400V。

6.根据权利要求5所述的基于三代像管的小型化数字微光相机，其特征在于：所述微通道板(13)的板间增益调节电压范围为500～1100V；

所述荧光屏(14)的屏压为6400V。

7.根据权利要求1-6任一所述的基于三代像管的小型化数字微光相机，其特征在于：所述耦合光锥(3)的单丝直径为6μm，图像缩放比例为1:1。

8.根据权利要求7所述的基于三代像管的小型化数字微光相机，其特征在于：所述CMOS传感器(4)为锐芯微P2160型号，其像元尺寸9.7μm，分辨率为1280×1024。

9.根据权利要求8所述的基于三代像管的小型化数字微光相机，其特征在于：所述微光相机的外形尺寸为46mm×49mm×60.5mm，重量为220g。

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