CN109547718B - 一种小型化高增益低照度夜视成像器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化高增益低照度夜视成像器件，主要用于军用头盔夜视仪和相关行业用的类似夜视产品。其主要技术方案：管壳输入端与输入窗密封焊接，管壳末端与CMOS图像传感器输出端密封焊接；光电阴极镀制在输入窗内表面有效区内；微通道板安装在管壳的第二金属环与第三金属环之间；CMOS图像传感器与陶瓷基板焊接，CMOS图像传感器输出端与读出电路板连接。本发明通过试用证明：从根本上克服了原器件增益低的现象，达到有效地提高器件增益，实现小型化，适应军用头盔夜视仪等单人用夜视产品的需求。

Description

一种小型化高增益低照度夜视成像器件

技术领域

本发明涉及一种光电成像器件，具体是一种小型化高增益电子轰击CMOS图像传感器的低照度夜视成像器件，主要用于军用头盔夜视仪和相关行业用的类似夜视产品。

背景技术

随着CMOS图像传感器技术的发展，电子轰击CMOS图像传感器(以下称电子轰击CMOS低照度夜视成像器件)作为一种新型低照度成像器件，在安监、医药、科学研究等领域发挥了重要的应用。在以头盔夜视产品为代表的军用夜视仪器中，为满足单兵夜间作战、行进及观察的需求，需要在低照度条件下具备较好的成像性能，还要体积小、重量轻、使用寿命长等特点的成像器件。现有的微光像增强器所装备的头盔夜视系统等军用单兵夜视仪，虽然已供给部队和有关单位使用多年，基本能够满足一般的使用要求，但它只能在照度为10^-3lx以上工作，照度再低效果就较差了，如作用距离、分辨率等达不到要求，同时在体积和重量上也不理想，不便单兵等个人的夜间携带，不能满足实战和实际条件的需求。

现有的电子轰击CMOS低照度夜视成像器件(见图1)成像原理：在管壳3内，入射光通过输入端1照射光电阴极2表面产生光电子，光电子在高压电场作用下加速，打到CMOS图像传感器4上，产生电子空穴对，并在内部偏置电场作用下产生更多的倍增电子，电子轰击半导体实现增益，这些电子被半导体内部的势阱收集，并由后端的读出电路5读出，得到所需的视频图像。该器件重57克，体积小，重量轻，但增益只有200～500倍左右，显然不能用于低照度10^-3lx以下工作的军用头盔夜视系统中，只能用于一般的民用夜视仪器和生物荧光成像，这是CMOS图像传感器的性能所决定的。

另一种电子轰击CMOS低照度夜视成像器件(见图2)由输入端1、光电阴极2、管壳3、CMOS图像传感器4、读出电路5、金属环(电极)6、磁场产生器7组成，采用静电及磁场复合聚集，利用多个电极加速光电子，且利用磁场产生器7将光电子聚焦到CMOS图像传感器4表面，可在光电子能量较低的情况下，获得高的图像分辨率，延长了成像器件的工作寿命。但增益只有200倍左右，由于多个电极及磁场产生器的使用，导致体积大、重量重，所配备的整机难以实现小型化，因此也不适用于军用头盔夜视系统，只能用于一般微弱光信号的检测。

发明内容

本发明的主要任务和目的是，针对目前电子轰击CMOS低照度夜视成像器件存在的缺陷，设计一种小型化高增益低照度夜视成像器件，从根本上克服原器件增益低的现象，达到有效地提高器件增益，实现小型化，延长使用寿命，适应军用头盔夜视仪等单人用夜视产品的需求。

本发明的主要技术方案：包含输入窗、光电阴极、管壳、CMOS图像传感器、读出电路、微通道板、消气剂、法兰盘、Ni、Cr金属膜层、陶瓷基板，具体结构为，A、管壳输入端的第一金属环与输入窗通过低温铟锡合金焊料密封焊接，管壳末端的第五金属环与CMOS图像传感器信号输出端组件的法兰盘激光密封焊接，从而输入窗、管壳、信号输出端三者构成一个封闭的管状体；B、其中光电阴极镀制在输入窗内表面中心有效区内，光电阴极与输入窗边缘的Ni、Cr金属膜层相连；C、微通道板通过弹簧压圈安装在管壳的第二金属环与第三金属环之间；D、第四金属环内壁焊接消气剂；E、微通道板到光电阴极的距离为0.08mm～0.2mm，微通道板到CMOS图像传感器的距离为0.3mm～0.8mm；F、CMOS图像传感器与陶瓷基板焊接连接，陶瓷基板与法兰盘通过玻璃粉焊接连接；G、CMOS图像传感器输出端与读出电路连接。

本发明通过试用证明：完全达到研制目的，本发明获得较高亮度增益，增益可达10⁵倍，是原器件增益的10³倍；所装备的军用头盔夜视仪可在照度为10^-4lx以下的条件下工作，比原照度要低一个数量级以下；使用寿命超过5000小时；在体积和重量方面，比微光像增强器更小更轻，使军用头盔夜视仪及类似夜视产品更易实现小型化。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细地描述。

图1，是现有的一种电子轰击CMOS低照度夜视成像器件的示意图。

图2，是现有的另一种电子轰击CMOS低照度夜视成像器件的示意图。

图3，是本发明的结构示意图。

图4，是本发明的管壳3结构剖视图。

图5，是本发明的工作原理图。

图6，是本发明用于军用头盔夜视仪的工作原理示意图。

具体实施方式

参照图3，对本发明的主要技术方案进行说明：本发明包含输入窗1、光电阴极2、管壳3、CMOS图像传感器4、读出电路5、微通道板8、消气剂9、法兰盘10、Ni、Cr金属膜层11、陶瓷基板12，具体结构为，A、管壳3输入端的第一金属环3a与输入窗1通过低温铟锡合金焊料密封焊接，管壳3末端的第五金属环3i与CMOS图像传感器4信号输出端组件的法兰盘10激光密封焊接，从而输入窗1、管壳3、信号输出端三者构成一个封闭的管状体；B、其中光电阴极2镀制在输入窗内表面中心有效区内，光电阴极2与输入窗边缘的Ni、Cr金属膜层11相连；C、微通道板8通过弹簧压圈安装在管壳3的第二金属环(3c)与第三金属环(3e)之间；D、第四金属环3g内壁焊接消气剂9；E、微通道板8到光电阴极2的距离为0.08mm～0.2mm，微通道板8到CMOS图像传感器4的距离为0.3mm～0.8mm；F、CMOS图像传感器4与陶瓷基板12焊接连接，陶瓷基板与法兰盘10通过玻璃粉焊接连接；G、CMOS图像传感器4输出端与读出电路5连接。

参照图3，所述的输入窗1为带有消光层的K9玻璃，输入窗1内表面边缘镀有厚为2000埃的Ni、Cr金属膜层11；所述的管壳3是由第一陶瓷环3b、第二陶瓷环3d、第三陶瓷环3f、第四陶瓷环3h与第一金属环3a、第二金属环3c、第三金属环3e、第四金属环3g、第五金属环3i钎焊而成的筒状外壳(见图4)，其中五个金属环为器件的电极，所用金属材料为可阀合金；所述的光电阴极2镀制在输入窗内表面中心有效区(输入窗直径的85％区域内)；所述的光电阴极2为钾、钠、铯、锑的多碱光电阴极或者更高量子效率的负电子亲和势光电阴极；所述的CMOS图像传感器4，是购置的标准件，为被减薄的背照CMOS图像传感器，如牌号为SONYIMX178LQJ；所述的微通道板8，输入端镀制有Al₂O₃或SiO₂等降低微通道板噪声的薄膜材料，微通道板是标准件，规格为6μ0.33，如BB板等；所述的消气剂9为铌或钛等带状材料；所述的陶瓷基板12，为购置的标准件；所述的读出电路5，为购置的标准件；所述CMOS图像传感器4信号输出端组件，包括CMOS图像传感器、陶瓷基板、法兰盘。

参照图3，工作时，光电阴极2对微通道板8输入端所加电压不高于-200V，微通道板输出端对微通道板输入端的电压为800V，CMOS图像传感器4对微通道板输出端之间施加电压为+2kV～3kV。以上输入窗、管壳、信号输出端三者构成的封闭管状体的外形，根据需要可以是方形。

参照图5，本发明的工作原理：入射光子照射在光电阴极2表面产生光电子，光电子在电压加速作用下进入微通道板8，进行电子第一次倍增，倍增后的电子在微通道板8与CMOS图像传感器4之间的高压电场作用下，加速进入CMOS图像传感器内部，轰击产生电子空穴对，高能量电子空穴对在电场作用下碰撞产生更多的二次电子后，被势阱收集，通过读出电路5为CMOS图像传感器提供工作电压，每个像元产生的倍增电子将产生一个较大的电流信号，这个电流信号直接输出，在逻辑控制程序下，最终可通过采集所有像元的光电信号得到极微弱目标的图像。

参照6，本发明用于军用头盔夜视仪的实施例，其工作原理：物镜13将目标的微弱光学图像投射到本发明14的光电阴极上，本发明将该光学图像转换增强后，输出视频信号到微型显示屏15上，最后通过目镜16放大，供人眼17观察到增强后的目标图像。军用头盔夜视仪使用效果及各项主要技术指标均优于现有的微光像增强器装备的军用头盔夜视仪。还用于其他的头盔夜视仪，结构和工作原理基本相同，这里不再一一列举。

参照图3，对本发明关键技术分析：本发明利用高增益电子元件微通道板(MCP)8和CMOS图像传感器4进行两次光电子倍增，获得较高亮度的增益，器件增益可达10⁵倍(微通道板增益达10³，CMOS图像传感器增益为10²)，是原器件增益的10³倍；所装备的军用头盔夜视仪可在照度为10^-4lx以下的条件下工作，比原照度要低一个数量级以下，提高了工作质量；轰击CMOS图像传感器表面的光电子能量控制在界面辐射损伤的极限以内，使用寿命超过5000小时；在体积和重量方面，为微光像增强器的70％，比微光像增强器更小更轻，使军用头盔夜视仪等类似夜视产品更易实现小型化。

Claims (5)

1.一种小型化高增益低照度夜视成像器件，其特征在于：包含输入窗(1)、光电阴极(2)、管壳(3)、CMOS图像传感器(4)、读出电路(5)、微通道板(8)、消气剂(9)、法兰盘(10)、Ni、Cr金属膜层(11)、陶瓷基板(12)，具体结构为，A、管壳(3)输入端的第一金属环(3a)与输入窗(1)通过低温铟锡合金焊料密封焊接，管壳(3)末端的第五金属环(3i)与CMOS图像传感器(4)信号输出端组件的法兰盘(10)激光密封焊接，从而输入窗(1)、管壳(3)、信号输出端三者构成一个封闭的管状体；B、其中光电阴极(2)镀制在输入窗(1)内表面中心有效区内，光电阴极(2)与输入窗边缘的Ni、Cr金属膜层(11)相连；C、微通道板(8)通过弹簧压圈安装在管壳(3)的第二金属环(3c)与第三金属环(3e)之间；D、第四金属环(3g)内壁焊接消气剂(9)；E、微通道板(8)到光电阴极(2)的距离为0.08mm～0.2mm，微通道板(8)到CMOS图像传感器(4)的距离为0.3mm～0.8mm；F、CMOS图像传感器(4)与陶瓷基板(12)焊接连接，陶瓷基板与法兰盘(10)通过玻璃粉焊接连接；G、CMOS图像传感器(4)输出端与读出电路(5)连接。

2.根据权利要求1所述的小型化高增益低照度夜视成像器件，其特征在于：管壳(3)是由第一陶瓷环(3b)、第二陶瓷环(3d)、第三陶瓷环(3f)、第四陶瓷环(3h)与第一金属环(3a)、第二金属环(3c)、第三金属环(3e)、第四金属环(3g)、第五金属环(3i)钎焊而成的筒状外壳。

3.根据权利要求1所述的小型化高增益低照度夜视成像器件，其特征在于：光电阴极(2)为钾、钠、铯、锑的多碱光电阴极。

4.根据权利要求1所述的小型化高增益低照度夜视成像器件，其特征在于：微通道板(8)的输入端镀制有Al₂O₃薄膜材料。

5.根据权利要求1所述的小型化高增益低照度夜视成像器件，其特征在于：消气剂(9)为铌带状材料。

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