一種電子轟擊固態(tài)光電倍增管式微光數(shù)字圖像傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及光電器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電子轟擊固態(tài)光電倍增管式微光數(shù)字圖像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]微光圖像傳感器在活體生物熒光成像、激光雷達(dá)技術(shù)、頭盔夜視系統(tǒng)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。不管是在科學(xué)研究領(lǐng)域還是在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，理想的圖像傳感器需要在大的光照度范圍內(nèi)具有高的成像質(zhì)量和高的時(shí)空分辨率，同時(shí)應(yīng)該具有能耗低、體積小、重量輕、便于攜帶、可靠性高和壽命長等特點(diǎn)。
[0003]傳統(tǒng)的CCD或CMOS器件本身的靈敏度有限，不能在微弱光條件下使用。隨后發(fā)展起來的微光圖像傳感器包括增強(qiáng)型CCD( ICCD)，電子轟擊式CCD(EBCCD)，電子轟擊式CMOS(EBCMOS)以及電子倍增式CCD (EMCCD)。
[0004]美國專利，專利號為:US4604519，披露了一種CXD，該CXD是將傳統(tǒng)的像增強(qiáng)器與普通的CCD結(jié)合，主要組成包括光電陰極，微通道板，熒光屏，光纖耦合系統(tǒng)和CCD。這種相機(jī)在成像過程中經(jīng)歷了從光子到光電子，再從光電子到光子的多次光譜轉(zhuǎn)換過程，且微通道板本身具有很大的噪聲，因此噪聲很大，成像質(zhì)量不高。此外，這種傳感器的體積也較大，不方便攜帶。
[0005]另外一篇美國專利，專利號為:(US7391000B2)披露了一種EBCCD，該EBCCD是采用真空光電陰極，并利用背面減薄的CCD將入射光經(jīng)光電陰極產(chǎn)生的光電子從CCD背面入射，在CCD內(nèi)部產(chǎn)生電子空穴對實(shí)現(xiàn)電子倍增進(jìn)而成像。與ICXD相比，背照式CXD自身的量子效率可達(dá)到90%以上，該圖像傳感器不需要MCP、熒光屏以及光纖耦合系統(tǒng)，且只有一次光譜轉(zhuǎn)換過程，因此噪聲低，成像質(zhì)量高。由于采用了固體器件，因此體積減小，可靠性增強(qiáng)。但是這種圖像傳感器的增益有限，約為1000，不能進(jìn)行極弱光信號的探測。另一方面，由于需要對信號進(jìn)行寄存，使得相機(jī)的讀出速度受到限制，其幀速率大約為30fps，不能在如時(shí)間分辨活體細(xì)胞的熒光光譜測量等領(lǐng)域應(yīng)用。
[0006]專利號為:EP1306906A1公開一種EBCM0S，是新近出現(xiàn)的一類微光圖像傳感器，與EBCCD不同的是將CCD換為CMOS，可利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，具有較快的讀出速度和單光子成像的能力，其幀速率也可達(dá)10fps以上，有很大的應(yīng)用前景。然而這種圖像傳感器的增益仍然有限，約2000，在極微弱目標(biāo)的實(shí)時(shí)成像方面還有待提高。
[0007]另一類目前比較熱門的微光圖像傳感器為EMCCD，這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是在幀傳輸信號和讀出電路之間增加了一個(gè)倍增電路，電荷信號在電路中倍增后輸出，具有極高的信噪比和大的動(dòng)態(tài)范圍，摒棄了真空光電陰極，具有更好的工作壽命，是一種能實(shí)現(xiàn)單光子探測的全固態(tài)微光圖像傳感器。但這種傳感器的功耗較大，且沒有電子快門功能，不能實(shí)現(xiàn)選通工作模式。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本實(shí)用新型的目的是將真空光電陰極與固態(tài)光電倍增管結(jié)合，提供一種成像質(zhì)量高、分辨率高、體積小的電子轟擊固態(tài)光電倍增管式微光圖像傳感器，
[0009]本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:
[0010]本實(shí)用新型提供了一種電子轟擊固態(tài)光電倍增管式微光數(shù)字圖像傳感器，其特征在于:包括輸入端、管殼，光電陰極、固態(tài)光電倍增管以及讀出電路板；
[0011 ]所述輸入端包括入射窗與金屬盤;所述金屬盤為環(huán)形薄片結(jié)構(gòu)，所述入射窗與金屬盤的內(nèi)環(huán)壁高頻封接；
[0012]所述管殼為一端開放，一端封閉的管狀結(jié)構(gòu);管殼封閉端固定讀出電路板;管殼開放端通過銦封結(jié)構(gòu)與金屬盤的外環(huán)壁密封連接，從而輸入端與管殼構(gòu)成一個(gè)封閉的管狀體;所述光電陰極、固態(tài)光電倍增管以及讀出電路板位于管狀體的內(nèi)部；
[0013]所述入射窗與讀出電路板之間設(shè)置有固態(tài)光電倍增管，固態(tài)光電倍增管背部朝上，固態(tài)光電倍增管中每個(gè)雪崩光電二極管微元與讀出電路板通過倒裝壓焊的方式連接；固態(tài)光電倍增管為背部減薄的結(jié)構(gòu)，入射光或入射電子從固態(tài)光電倍增管的背部入射至固態(tài)光電倍增管；
[00?4]所述入射窗正對固態(tài)光電倍增管背部的表面上沉積有光電陰極。
[0015]上述讀出電路板主要包括快速觸發(fā)單元、時(shí)序控制單元、慢控制單元、電壓轉(zhuǎn)換單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)寄存單元、甄別器、時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換單元組成;快速觸發(fā)單元提供觸發(fā)信號，為輸入信號、信號控制及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備;時(shí)序控制單元提供時(shí)鐘信號，按預(yù)定的時(shí)間順序完成信號的讀取、運(yùn)算和存儲(chǔ);慢控制單元實(shí)現(xiàn)對電路的復(fù)位以及溫度、電壓等的監(jiān)測；電壓轉(zhuǎn)換單元為固態(tài)光電倍增管提供偏置電壓，并為電路中的各元器件提供輸入電壓;模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;數(shù)據(jù)寄存單元實(shí)現(xiàn)對電荷信號的讀出；甄別器用來實(shí)現(xiàn)對信號幅度的選擇;時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換單元將被測量的時(shí)間信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并讀出。
[0016]上述銦封結(jié)構(gòu)包括上銦封結(jié)構(gòu)、下銦封結(jié)構(gòu)以及填充在上銦封結(jié)構(gòu)和下銦封結(jié)構(gòu)之間的銦封材料;所述上銦封結(jié)構(gòu)設(shè)置在管殼的開放端，所述下銦封結(jié)構(gòu)設(shè)置在金屬盤的外環(huán)壁上，所述上銦封結(jié)構(gòu)與下銦封結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸相適配;所述銦封材料為銦錫合金。
[0017]上述固態(tài)光電倍增管中每個(gè)雪崩光電二極管微元之間都設(shè)置有溝槽。
[0018]上述上銦封結(jié)構(gòu)呈倒錐形，上述下銦封結(jié)構(gòu)呈倒梯形。
[0019]上述入射窗的材料為硼硅玻璃或紫外玻璃或石英玻璃或氟化鎂;上述金屬盤的材料為可伐合金。
[0020]上述光電陰極為對紫外光敏感的日盲型光電陰極或者是對可見光敏感的堿金屬光電陰極或者是可對紅外光敏感的負(fù)電子親和勢光電陰極。
[0021]上述管殼的封閉端底面為平板玻璃，側(cè)面為玻璃或陶瓷。
[0022]上述光電陰極與固態(tài)光電倍增管背部之間的距離小于2mm，在光電陰極上施加大于-2kV的高壓。
[0023]上述輸入端與管殼構(gòu)成一個(gè)封閉的管狀體的真空漏率小于10—1()Pa/L.S。
[0024]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:
[0025]1、本實(shí)用新型采用該微光圖像傳感器與現(xiàn)有ICXD相比去除了微通道板、熒光屏、光纖耦合系統(tǒng)等，降低了光電轉(zhuǎn)換過程中的噪聲，提高了成像質(zhì)量。
[0026]2、本實(shí)用新型采用背照式固態(tài)光電倍增管代替普通的CCD或CMOS器件，具有極大的增益和非常高的時(shí)間分辨能力，并可增大探測效率，提高動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)可進(jìn)行單光子成像和極弱目標(biāo)跟蹤與探測，實(shí)現(xiàn)了對低光通量目標(biāo)的實(shí)時(shí)成像。
[0027]3、本實(shí)用新型采用讀出電路板對信號進(jìn)行數(shù)字化，對每個(gè)像素單元的信號分別讀出，可提高空間分辨率;采用讀出電路板對信號進(jìn)行采集與存儲(chǔ)，使該傳感器的具有更快的幀傳輸速率。
[0028]4、該傳感器體積小，重量輕，能耗低，可用于活體生物熒光成像、激光雷達(dá)技術(shù)以及頭盔夜視等特殊領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0029]圖1為微光數(shù)字圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為微光數(shù)字圖像傳感器的工作原理圖；
[0031]圖3為讀出電路板的結(jié)構(gòu)及功能示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]近來，一類新型的光電探測器件，固態(tài)光電倍增管，逐漸受到關(guān)注，具體技術(shù)可參考如Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 567(2006)48-56等文獻(xiàn)。固態(tài)光電倍增管由成百上千個(gè)工作在蓋革模式下的雪崩二極管陣列組成，每個(gè)雪崩二極管微元都與一個(gè)淬滅電阻串聯(lián)。在反向電壓偏置的情況下，每個(gè)微元的耗盡層都有很高的電場，當(dāng)入射光子打到微元區(qū)后，在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電子空穴對，這些電子和空穴在電場作用下會(huì)產(chǎn)生更多的二次電子和空穴，從而發(fā)生雪崩效應(yīng)。此時(shí)，每個(gè)微元電路中的電流增大，在淬滅電阻上形成一個(gè)大的壓降，輸出一個(gè)可被探測到的瞬時(shí)電流脈沖。固體光電倍增管具有高增益、快響應(yīng)、單光子探測、高量子效率、大的線性范圍、高的動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)。與普通的CCD或CMOS相比，增益可達(dá)106，與傳統(tǒng)像增強(qiáng)器的增益在一個(gè)量級，動(dòng)態(tài)范圍104，時(shí)間響應(yīng)可達(dá)10ps以下，如果與真空光電陰極相結(jié)合，并設(shè)計(jì)合適的數(shù)字電路，可得到高靈敏度和高時(shí)空分辨的高性能微光圖像傳感器。
[0033]根據(jù)上述固態(tài)光電倍增管技術(shù)的啟發(fā)，本實(shí)用新型提出了一種電子轟擊固態(tài)光電倍增管式微光數(shù)字圖像傳感器，下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明。
[0034]如圖1所示，該電子轟擊固態(tài)光電倍增管式的微光圖像傳感器包括輸入端1、管殼2，光電陰極3、固態(tài)光電倍增管4以及讀出電路板5;
[0035]輸入端I包括入射窗6與金屬盤7；金屬盤7為環(huán)形薄片結(jié)構(gòu)，入射窗6與金屬盤7的內(nèi)環(huán)壁高頻封接；
[0036]管殼2為一端開放，一端封閉的管狀結(jié)構(gòu);管殼2封閉端固定讀出電路板5；管殼2開放端通過銦封結(jié)構(gòu)8