CN111579068A - 一种光电成像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电成像传感器，包括滤光层和成像单元，滤光层由若干个滤光单元组成，每个滤光单元包括四个滤光区，四个滤光区分别允许通过红光、绿光、蓝光和宽光谱光；成像单元用于接收穿过滤光层的光线并进行成像，包括可见光成像单元和单光子成像单元，允许通过红光、绿光和蓝光的滤光区与可见光成像单元对应，允许通过宽光谱光线的滤光区与单光子成像单元对应，单光子成像单元用于接收透过宽光谱滤光区的弱光信号并将弱光信号高倍数放大处理生成图像。本发明基于被测场景环境，可以生成彩色图像或黑白夜视图像；单光子成像单元接收弱光信号并将信号高倍数放大达到光电探测灵敏范围生成图像，有效提高了传感器的灵敏度、信噪比和清晰度。

Description

一种光电成像传感器

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，特别涉及一种光电成像传感器。

背景技术

随着社会对安防领域的重视程度不断加大，其所涉及的应用范围逐步增大，同时不同用户也对其相关设备与技术提出了更多更高的要求。图像传感器作为相机和监控设备的核心部件，对获取被摄场景的图像品质有着决定性的影响。用户对安防监控应用的需求往往要求监控相机能够24小时不间断工作，即使是在夜晚或极微弱光环境下，也必须能够获取到清晰、直观、准确的图像。

图像传感器是利用光电器件的光电转换功能。将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。与光敏二极管，光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比，图像传感器是将其受光面上的光像，分成许多小单元，将其转换成可用的电信号的一种功能器件。图像传感器具有体积小、重量轻、集成度高、分辨率高、功耗低、寿命长、价格低等特点，得到了广泛应用。随着用户应用的升级，市场需要更高灵敏度的成像传感器，解决低照度、大动态、宽光谱等新型应用。

单光子探测技术是一种弱光探测技术，将单个或少量光子激发的光电子信号放大，通过脉冲甄别和累计等技术识别提取极弱光电子信号，达到光电探测的超灵敏极限。单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、 精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。用于单光子探测的探测器主要有光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）、单光子雪崩二极管（SPAD）、硅光电倍增管（SIPM）、增强型光电极管（IPD）、电子倍增CCD（EMCCD）和科学级sCMOS等。但是目前现有的单光子探测器多存在一定的局限性，如PMT在红外波段的量子效率较低、体积较大、易受外磁场干扰；APD具有增益低、噪声大，外围控制电路及热电制冷电路较复杂等缺点。

发明内容

本发明的目的提供一种光电成像传感器，兼容可见光和微光夜视成像，具有动态范围大、分辨率高、高灵敏、探测光谱范围宽等性能，具体技术方案如下：

一种光电成像传感器，包括滤光层和成像单元，滤光层由若干个滤光单元组成，每个滤光单元包括四个滤光区，四个所述滤光区分别允许通过红光、绿光、蓝光和宽光谱光；所述成像单元用于接收穿过滤光层的光线并进行成像，包括可见光成像单元和单光子成像单元，允许通过红光、绿光和蓝光的滤光区与可见光成像单元对应，允许通过宽光谱光线的滤光区与单光子成像单元对应，所述单光子成像单元用于接收透过宽光谱滤光区的弱光信号并将弱光信号高倍数放大处理生成图像。

进一步地，单光子成像单元包括封装管壳和光学窗口，所述封装管壳与光学窗口结合形成真空密封腔体，所述真空密封腔体内设置感光阴极和单光子成像电路，所述感光阴极生长在光学窗口的下表面，所述单光子成像电路设置在感光阴极的相对面，感光阴极释放的光电子在外加高压的作用下移动到单光子成像电路。

进一步地，单光子成像电路包括高压保护电路、采集电路、放大电路、ADC电路和接口电路，采用标准的CMOS工艺制备而成。

优选地，感光阴极采用Si、Ge、GaAs、InGaAsP、InGaAs或InAs/GaAsSb II类超晶格中的一种或多种材料并以MEMS工艺制备而成。

优选地，感光阴极与单光子成像电路的垂直距离大于1mm。

优选地，单光子成像单元采用晶圆级、陶瓷或金属高真空封装，真空密封腔体的真空度为1x10^-3Pa 以上。

进一步地，单光子成像电路上采用MEMS工艺加工生长光子反射墙和电子吸收阱。

进一步地，真空密封腔体内还设置吸气剂，用于维持腔体内的真空度。

进一步地，光电成像传感器还包括偏振层，所述偏振层由若干个偏振单元组成，所述偏振单元由四个偏振角度互不相同的偏振片排成二行二列的矩阵，每个偏振片与一个滤光单元相对应，所述滤光层位于偏振层和成像单元之间或所述偏振层位于滤光层和成像单元之间。

优选地，四个偏振片的偏振轴的角度分别为0度、45度、90度和135度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

（1）本发明通过设置红绿蓝和宽光谱四个滤光区，并将红绿蓝滤光区与可见光成像单元对应，宽光谱滤光区与单光子成像单元对应，生成彩色图像或黑白夜视图像，基于被测场景环境和用户选择模式，支持彩色或微光夜视成像；

（2）本发明中的单光子成像单元接收透过宽光谱光滤光区的弱光信号，并将弱光信号高倍数放大处理达到光电探测灵敏范围生成图像，有效提高了传感器的灵敏度、信噪比和清晰度；

（3）本发明基于MEMS技术将感光阴极、单光子成像电路高真空封装，高集成度，显著缩小了传感器的体积；感光阴极可采用多种材料制作，通过换不同的材料实现300nm-14um波段电磁波的接收，因此光谱响应范围宽。

附图说明

图1是本发明一个实施例的分解示意图；

图2是本发明中滤光单元的结构示意图；

图3是本发明中单光子成像单元的结构示意图；

图4是本发明中单光子成像电路的原理图；

图5a和图5b是本发明另一个实施例的分解示意图；

图6是本发明中偏振单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图6 ，对本发明的实施方式和具体的操作过程作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明公开了一种光电成像传感器，包括滤光层1和成像单元2，如图1所示，滤光层1由若干个滤光单元11组成，每个滤光单元11包括四个滤光区111，四个滤光区111分别允许通过红光、绿光、蓝光和宽光谱光，分别命名为R、G、B、BR滤光区，如图2所示。成像单元2用于接收穿过滤光层1的光线并进行成像，包括可见光成像单元21和单光子成像单元22（图1中的填充部分）。允许通过红光、绿光和蓝光的滤光区与可见光成像单元21对应，即可见光成像单元接收通过红、绿、蓝滤光区过滤的光线生成彩色图像，此种成像方式常用于白天强光场景。允许通过宽光谱光线的滤光区与单光子成像单元22对应，这里宽光谱包含可见光波段和不可见光波段，允许通过宽光谱光线的滤光区也可以为通过某一特定波段的滤光区，如允许通过红外波段的滤光区，宽光谱滤光区和单光子成像单元用于微光夜视场景，单光子成像单元22接收透过宽光谱光滤光区的弱光信号，并将弱光信号高倍数放大处理以达到光电探测灵敏范围生成黑白图像。这里四个滤光区可以一体成型，也可以通过胶合等方式将四个滤光区组合在一起形成一个滤光单元，在本实施例中，优选一体成型方式，以提高四个滤光区之间的紧密性。

本发明基于用户使用场景，可以选择白天模式或夜视模式，白天模式和夜视模式的实现方式可为在可见光成像单元和单光子成像单元上分别设置开关，根据用户使用场景选择开关的闭合与断开，实现不同模式的选择。不同的场景模式下，可见光成像单元21或单光子成像单元22生成相应的图像。当使用场景为白天强光时，可见光成像单元上的开关闭合，单光子成像单元上的开关断开，可见光成像单元接收通过红、绿、蓝滤光区的光线生成彩色图像，此种模式下的成像原理已普遍应用，如可见光相机，本发明不做赘述。当使用场景为微光夜视时，可见光成像单元上的开关断开，单光子成像单元上的开关闭合，单光子成像单元接收透过宽光谱光滤光区的弱光信号，并将弱光信号放大处理以达到光电探测灵敏范围生成黑白图像，当然在微光夜视场景下，用户也可以选择将可见光成像单元上的开关闭合，可见光成像单元和单光子成像单元同时工作，通过图像融合生成彩色夜视图像。需要注意的是，在微光夜视场景下，可见光成像单元是否工作，需要根据现场实际情况选择，当打开可见光成像单元引入的噪声较大时，则只选择单光子成像单元工作生成黑白图像。

具体地，单光子成像单元包括封装管壳221和光学窗口222，如图3所示，封装管壳221与光学窗口222结合形成真空密封腔体，光学窗口222用于投射光信号。真空密封腔体内设置感光阴极223和单光子成像电路224，感光阴极223生长在光学窗口222的下表面，单光子成像电路224设置在感光阴极223的相对面，感光阴极223释放的光电子在外加高压的作用下移动到单光子成像电路224。感光阴极223采用Si、Ge、GaAs、InGaAsP、InGaAs或InAs/GaAsSb II类超晶格中的一种或多种材料并以MEMS工艺制备而成。通过更换不同的材料，感光阴极223可实现300nm-14um波段电磁波的接收，因此本发明的光谱响应范围很宽。感光阴极223与单光子成像电路224的垂直距离大于1mm，根据偏置电压的不同，感光阴极223与单光子成像电路224的设置距离也不同。

在本发明中，单光子成像电路224用于接收光电信号，并对信号进行处理和输出，如图4所示，具体地由高压保护电路、采集电路、放大电路、ADC电路和接口电路组成，且采用标准的CMOS工艺制备而成。单个或多个光子通过光学窗口222进入感光阴极223后，触发光电效应产生光电子，光电子在高压电场的作用下被加速飞至采集电路上的像元结构阳极（即采集阳极）, 在高能电子轰击下内部产生大量电子-空穴对从而将光电子信号实现高倍数放大,再经过放大电路和ADC电路处理，整体有效提高了信噪比、灵敏度和清晰度，接口电路用于实现信号的输出。整个单光子成像电路都处于超高真空工作状态。

为了保持腔体内的真空度，真空密封腔体内还设置一个或多个吸气剂225，优选吸气剂225为薄膜型吸气剂，可以粘附在光学窗口222的下表面。

单光子成像单元采用晶圆级、陶瓷或金属高真空封装，真空密封腔体的真空度为1x10^-3Pa 以上。感光阴极采用MEMS工艺制备，单光子成像电路采用标准的CMOS工艺制备，整体采用晶圆级、陶瓷或金属高真空封装，集成度高，其体积较传统产品明显减小。

光是一种横波，在与光的传播方向垂直的二维空间中光矢量可能有各种振动状态，为了增强伪装/隐形目标与背景的差异性以及提高光电传感器的目标探测和识别能力，光电成像传感器还设置偏振层3，如图5a和图5b所示，偏振层3由若干个偏振单元31组成，所述偏振单元31由四个偏振角度互不相同的偏振片311排成二行二列的矩阵，如四个偏振片的偏振轴的角度分别为0度、45度、90度和135度，排成二行二列的矩阵，如图6所示。每个偏振片311与一个滤光单元11相对应，滤光层1位于偏振层3和成像单元2之间或偏振层3位于滤光层1和成像单元2之间，在实际使用过程中，可以根据需要灵活设置滤光层1和偏振层3的位置。另外，当滤光层1位于成像单元2和偏振层3之间时，由于偏振层1常采用间隔排列的金属光栅，偏振层3位于成像单元2和滤光层1之间会导致滤光层1的放置不平坦，因此优选选择将滤光层1设置在偏振层3和成像单元2之间，滤光效果较好。成像单元2接收经过对应的滤光区111且偏振角度不同的偏振光，能够获取被摄场景中四个不同偏振角度的偏振光，提高被摄场景利用范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光电成像传感器，其特征在于，包括滤光层和成像单元，所述滤光层由若干个滤光单元组成，每个滤光单元包括四个滤光区，四个所述滤光区分别允许通过红光、绿光、蓝光和宽光谱光；所述成像单元用于接收穿过滤光层的光线并进行成像，包括可见光成像单元和单光子成像单元，允许通过红光、绿光和蓝光的滤光区与可见光成像单元对应，允许通过宽光谱光线的滤光区与单光子成像单元对应，所述单光子成像单元用于接收透过宽光谱滤光区的弱光信号并将弱光信号高倍数放大处理生成图像。

2.根据权利要求1所述的光电成像传感器，其特征在于，所述单光子成像单元包括封装管壳和光学窗口，所述封装管壳与光学窗口结合形成真空密封腔体，所述真空密封腔体内设置感光阴极和单光子成像电路，所述感光阴极生长在光学窗口的下表面，所述单光子成像电路设置在感光阴极的相对面，感光阴极释放的光电子在外加高压的作用下移动到单光子成像电路。

3.根据权利要求2所述的光电成像传感器，其特征在于，所述单光子成像电路包括高压保护电路、采集电路、放大电路、ADC电路和接口电路，采用标准的CMOS工艺制备而成。

4.根据权利要求2所述的光电成像传感器，其特征在于，所述感光阴极采用Si、Ge、GaAs、InGaAsP、InGaAs或InAs/GaAsSb II类超晶格中的一种或多种材料并以MEMS工艺制备而成。

5.根据权利要求2所述的光电成像传感器，其特征在于，所述感光阴极与单光子成像电路的垂直距离大于1mm。

6.根据权利要求2所述的光电成像传感器，其特征在于，所述单光子成像单元采用晶圆级、陶瓷或金属高真空封装，真空密封腔体的真空度为1x10^-3Pa 以上。

7.根据权利要求2所述的光电成像传感器，其特征在于，所述单光子成像电路上采用MEMS工艺加工生长光子反射墙和电子吸收阱。

8.根据权利要求2所述的光电成像传感器，其特征在于，所述真空密封腔体内还设置吸气剂，用于维持腔体内的真空度。

9.根据权利要求1至8任一项所述的光电成像传感器，其特征在于，所述光电成像传感器还包括偏振层，所述偏振层由若干个偏振单元组成，所述偏振单元由四个偏振角度互不相同的偏振片排成二行二列的矩阵，每个偏振片与一个滤光单元相对应，所述滤光层位于偏振层和成像单元之间或所述偏振层位于滤光层和成像单元之间。

10.根据权利要求9所述的光电成像传感器，其特征在于，四个所述偏振片的偏振轴的角度分别为0度、45度、90度和135度。

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