基于紫外电子轰击有源像素传感器的紫外成像仪制造技术

本发明专利技术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。

Ultraviolet imaging instrument based on ultraviolet electron bombardment of active pixel sensor

The invention relates to an ultraviolet imager based on ultraviolet electron bombardment active pixel sensor, which solves the problems of low sensitivity, high noise, high cost, complex structure and large volume and weight of the existing ultraviolet imager. The ultraviolet imager includes optical and mechanical system, ultraviolet electron bombardment active pixel sensor, high voltage gated pulse module, readout electronics system, image processing and control system; optical and mechanical system includes imaging lens and filter; high voltage gated pulse module and ultraviolet electron bombardment active pixel sensor, image processing and control system, respectively. The readout electronics system is connected with the active pixel sensor, image processing and control system of ultraviolet electron bombardment, the active pixel sensor of ultraviolet electron bombardment includes cathode window, ultraviolet photocathode, tube shell and back-illuminated CMOS chip, and the ultraviolet photocathode is located on the inner surface of the cathode window. The illuminated CMOS chip is arranged inside the shell.

【技术实现步骤摘要】
基于紫外电子轰击有源像素传感器的紫外成像仪
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术的技术方案是：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。本专利技术与现有技术相比，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；本专利技术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，本专利技术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；本专利技术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；本专利技术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为本专利技术紫外成像仪系统构成图；图2为本专利技术紫外电子轰击有源像素传感器结构图；图3为本专利技术紫外电子轰击有源像素传感器的管壳结构图；图4为本专利技术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专利技术的内容作进一步详细描述：本专利技术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，本专利技术所提供的基于紫外电子轰击有本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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。2.根据权利要求1所述的基于紫外电子轰击有源...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨阳，曹伟伟，王博，白永林，秦文强，陈震，徐鹏，朱炳林，缑永胜，高佳瑞，白晓红，秦君军，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61