CN212257341U - 一种内增强型光电成像器件及高速相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光电成像器件技术领域，公开了一种内增强型光电成像器件及高速相机，内增强型光电成像器件包括：真空容器，真空容器上设有光学输入窗，真空容器内设有：光电阴极，加速系统，调制系统，扫描系统，电势等位区，电子倍增器件，用来对自由漂移后的电子束数目进行倍增；还包括半导体成像系统，用于对偏移后的电子束进行收集并成像，并对电子束的图像信息进行一定增益的放大。这种内增强型光电成像器件，能够实现较大倍率的光学图像增强功能以实现微弱光信号甚至是单光子信号的探测功能，还能够提升内增强型光电成像器件的分辨率以及信噪比等关键参数，同时能够进一步减小以此光电成像器件为核心的高速相机的体积以及重量。

Description

一种内增强型光电成像器件及高速相机

技术领域

本实用新型涉及光电成像器件技术领域，特别涉及利用电子轰击半导体器件进行图像采集及处理的一种内增强型光电成像器件及高速相机。

背景技术

光电成像器件是一种电真空成像探测器件，主要由光电转换部件、电子束调制部件、电子束扫描部件、电子束图像显示部件所构成，其中最具代表性的为条纹变像管。变像管类光电成像器件的主要功能是将探测目标发射的光学信号转换为空间电子束信号，电子束信号在电子束调制部件中进行电子束加速、聚焦后，再经过电子束扫描部件对电子束进行扫描，使得不同时刻产生的电子束运动至电子束图像显示部件的不同位置，从而实现光学图像的时空转化，通过采集图像不同位置处的数据可以分析出信号光信号不同时刻不同空间位置处的强度信息等。

变像管类光电成像器件由于具有探测光谱范围宽、光谱响应灵敏度高、时间分辨率高以及空间分辨率高等特点，被广泛应用于生物医学研究、材料学研究、核物理学研究以及地理信息等各个领域。

目前，变像管类光电成像器件主要实现对光学信号的时空转换后再以光学信号的方式进行输出，因此变像管类光电成像器件中电子束图像显示部件一般采用荧光屏，当高能电子束轰击覆盖于荧光屏表面的荧光粉时，荧光粉会发出可见光波段的光线，并持续一段时间(余晖)后泯灭，从而使得后续图像采集系统有足够的时间采集荧光屏显示图像。当探测光信号非常微弱时，通常在荧光屏前方制备电子倍增器件，对电子束电子数目进行倍增以后再利用荧光屏对其进行成像，统称为内增强光电成像器件，如图3所示。

为此，基于目前内增强型光电成像器件的高速相机组成一般为：光电成像器件、高低压供电电源、扫描电控系统、前端输入狭缝光学系统、工控模块、后端光锥耦合CCD记录系统等。在内增强型高速相机中所使用的电子倍增器件目前基本都是使用微通道板(MCP)器件，其主要是利用MCP对电子的高增益实现对电子束图像的强度增强。荧光屏通过光学耦合的方式与CCD等光学成像器件进行耦合，实现CCD对荧光屏显示图像的采集，高低压供电电源对光电成像器的工作电极实施供电保证光电成像器件可以正常工作，扫描电控系统实现光电成像器件的时空转换的功能。目前内增强型高速相机主要组成系统参考图1，其中内增强型光电成像器件与CCD之间的耦合结构参考图2。

内增强型高速相机中由于使用了光学耦合结构，因此存在如下缺点：

其一，在高速相机中荧光屏与CCD器件之间也需要使用一定形式的光学耦合系统，而光学耦合系统的耦合效率并非可以达到100％，因此也势必会使得光学信号产生其强度降低、图像失真等不良影响，从而使得高速相机的整体性能降低。

其二，由于光学耦合系统会占用一定的空间体积，因此不利于高速相机小型化及便携特性，从而限制其在特殊领域的应用。

实用新型内容

本实用新型提供一种内增强型光电成像器件及高速相机，使用半导体成像系统取代荧光屏的电子轰击成像型内增强型光电成像器件，能够实现较大倍率的光学图像增强功能以实现微弱光信号甚至是单光子信号的探测功能，还可以进一步提升内增强型光电成像器件的分辨率以及信噪比参数，同时能够减小高速相机的体积以及重量，最后此内增强型光电成像器件可以为后续数据处理系统提供更为准确的原始电子束图像数据。

本实用新型提供了一种内增强型光电成像器件，包括：真空容器，真空容器上设有光学输入窗，真空容器内设有：

光电阴极，用来接收光子并将光子转换为电子，形成电子束；

加速系统，用来对电子束进行加速；

调制系统，用来改变加速后电子束的运动轨迹，实现电子束的聚焦；

扫描系统，用来实现对聚焦后的电子束的空间位置进行调整，扫描系统利用变电场或者变磁场对经过聚焦后的电子束进行垂直于轴向方向的偏移运动；

电势等位区，为等电压区域，用来实现电子在垂直于轴向方向具有足够漂移量的电子漂移区域，用于实现偏移运动的电子束图像信息的自由漂移；

电子倍增器件，用来对自由漂移后的电子束数目进行倍增；

还包括半导体成像系统，用于对偏移后的电子束进行收集并成像，并对电子束的图像信息进行一定增益的放大。

上述半导体成像系统包括：半导体器件、过真空电传输部件和信号处理电子学部件，半导体器件和过真空电传输部件设置在真空容器内，信号处理电子学部件设置在真空容器外，经过空间位置调制后的电子束轰击半导体器件使半导体器件的内部产生一定强度的载流子，载流子的数目大于光电阴极将光子转换为电子的数目，电子束轰击半导体器件后输出各个成像单元对应的电子信号，过真空电传输部件用来将半导体器件输出的各个成像单元对应的电子信号进行输出至信号处理电子学部件进一步进行信号处理。

上述半导体器件为CCD(charge coupled device，电荷藕合器件图像传感器)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)、APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)或能够实现光电成像和探测功能的器件，过真空电传输部件由陶瓷材料、玻璃材料或者金属材料制备而成，过真空电传输部件包含用于输出半导体器件信号的传输线。

上述真空容器由玻璃、陶瓷和金属材料共同构成，光学输入窗由玻璃材料制成，陶瓷材料和金属材料共同构成真空容器的周向壁；

光学输入窗的形状为平面结构或曲面结构，光学输入窗采用高频封接、高温热封接或铟封封接的方式与真空容器连接。

上所述加速系统与所述光电阴极施加不同的电压值，利用两者之间的电压差对光电阴极发射的电子束进行加速，使得电子束的运动速度在皮秒或者纳秒量级的时间内达到接近光速的数量级，所述加速系统具有较大的占空比，所述加速系统为单个电极或多个电极的组合体。

上述半导体器件通过电极过真空部件设置在真空容器内，电极过真空部件包括：电极转换极阵列和基底，电极转换极阵列固定设置在基底上，电极转换极阵列包括多个电极转换极，所述电极转换极为公母头结构，与半导体器件相连接的部分为母头结构，其尺寸以及形状视半导体器件输出电极的形状以及尺寸而进行精密配合设计，电极转换极阵列也根据半导体器件输出电极的具体排列而进行精密分布设计。

上述电子倍增器件位于半导体器件的前面，距离半导体器件0.1～5mm。

一种高速相机，包括上述的内增强型光电成像器件。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型能够实现较大倍率的光学图像增强功能以实现微弱光信号甚至是单光子信号的探测功能，还能够进一步提升内增强型光电成像器件的分辨率以及信噪比，同时能够进一步减小高速相机的体积以及重量，最后此内增强型光电成像器件能够为后续数据处理系统提供更为准确的原始电子束图像数据，本实用新型由于取消了荧光屏，因此能够减小高速相机的体积以及重量。

附图说明

图1为本实用新型背景技术提供的通用内增强型高速相机的系统组成框图。

图2为本实用新型背景技术提供的通用高速相机中内增强型光电成像器件与CCD的耦合结构示意图。

图3为本实用新型背景技术提供的通用高速相机中内增强型光电成像器件结构原理示意图。

图4为本实用新型提供的内增强型光电成像器件结构框图。

图5为本实用新型提供的内增强型光电成像器件半导体器件的真空馈出结构图。

图6为本实用新型提供的内增强型光电成像器件半导体器件电极过真空部件结构图。

图7为本实用新型提供的内增强型光电成像器件半导体器件电极过真空部件与内增强型光电成像器件真空壁耦合剖面图。

图8为本实用新型提供的内增强型光电成像器件半导体器件过真空结构剖面图。

附图标记说明：

1-内增强型光电成像器件真空壁，2-半导体器件，2-1-半导体器件主体部分，2-2-半导体器件的信号输出线阵列，3-电子倍增器件微通道板，4-电极过真空部件，4-1-电极转换极阵列，4-2-基底。

具体实施方式

下面结合附图4-8，对本实用新型的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图4所示，本实用新型实施例提供的一种内增强型光电成像器件，包括：由玻璃、陶瓷以及金属材料所构成的真空容器，玻璃材料作为光学输入窗，陶瓷材料以及金属材料共同构成真空容器壁；在玻璃内表面制备用来接收光子并将其转换为电子的光电阴极；用来实现对电子束加速的加速系统；用来实现对电子束运动轨迹调制的调制系统；用来实现对调制后的电子束空间位置调制的扫描系统；用于实现对电子束进行倍增的电子倍增器件，用于对电子束进行收集并成像的半导体成像系统；用于实现电子束自由漂移的电势等位区；所述加速系统、调制系统、扫描系统置于所述真空容器内；所述半导体成像系统包含半导体电子束收集部分以及相应的图像输出部分，其中半导体电子束收集部分也置于所述真空容器内。

所述光学输入窗材料视探测光信号波长特性以及阴极响应波长范围可以是石英材料、氟化镁材料、硼硅酸盐玻璃等材料，或者是相关材料所制备光纤面板等衍生的光学部件。光学输入窗形状可以为平面结构，也可以为曲面结构等。输入窗与真空管体采用高频封接、高温热封接以及铟封封接等方式。

所述光电阴极可以为紫外光响应光电阴极、可见光响应光电阴极、红外光响应光电阴极等多种类型。

所述加速系统与所述光电阴极施加不同电压值，利用两者之间的电压差对所述光电阴极发射电子束进行加速，使得电子束的运动速度可以在较短时间内 (皮秒或者纳秒量级)达到接近光速的数量级。所述加速系统要求具有较大的占空比,以便较多信号电子可以通过此系统，从而保证内增强型光电成像器件的成像质量。所述加速系统可以为单个电极，也可以为多个电极的组合体。所述调制系统用来改变电子束的运动轨迹，实现电子束的聚焦，以实现内增强型光电成像器件较高的时空分辨率。所述扫描系统主要利用变电场或者变磁场对经过调制后的电子束进行垂直于轴向方向的偏移运动，实现内增强型光电成像器件的时空转化，体现器件的高时间分辨率。所谓电势等位区是用来实现电子在垂直于轴向方向具有足够漂移量的电子漂移区域，此区域内为等电压区域，经过偏转后的电子束经过次区域后，电子束可以运动至成像系统的边缘处。

所述电子束倍增器件对聚焦以及偏转后的电子束数目进行倍增，从而使得电子束图像的强度大大增加。此部件一般选用既具有较高电子增益又具有较高空间分辨率的微通道板器件，为了保证MCP输出图像具有较高分辨率，MCP 位于半导体器件的前面，距离半导体器件0.1～5mm。

所述半导体成像系统主要用来收集电子束图像信息，并对此图像进行一定增益的放大后进行输出。此成像系统主要由三部分组成：半导体器件、过真空电传输部件、信号处理电子学部件，其中高能量电子束轰击半导体器件使得其内部产生相应强度的载流子，由于半导体器件自身的特性使得其体内产生载流子数目大于光电阴极产生光电数目，从而实现了对原始光电子信号的放大功能，然后继续实现半导体器件功能输出相应的电子信号。由于光电子只能存在于真空环境中，因此此半导体器件也放置于所述真空环境中。过真空电传输部件用来将半导体器件各个成像单元产生的电子信号进行输出至信号处理电子学部件，而且此部件也作为真空腔体的一部分，保证内增强型光电成像器件内的真空环境。信号处理电子学部件根据选择半导体器件的不同进行定制，属于通用技术。

上述半导体器件可以为CCD、CMOS、APD等可实现光电成像或者探测功能的器件。

上述过真空电传输部件由陶瓷材料或者玻璃材料与金属材料工作制备，其包含用于输出半导体器件信号的传输线结构。

上述半导体器件可以独立固定于条纹相关管内专用固定部件，也可以固定于所述过真空电传输部件。无论哪一种固定方式都要保证半导体器件与过真空电传输部件信号输出线结构的紧密链接。

所述电子轰击半导体器件成像内增强型光电成像器件用于探测较短持续时间的光信号，并对此光信号进行强度增强后输出探测图像。此内增强型光电成像器件中直接使用半导体器件实现电子束图像的采集与倍增输出，在保证光学增益的情况下大大简化了高速相机的结构，降低高速相机在装配过程中的性能损失，从而使得高速相机可以极大限度地体现内增强型光电成像器件的性能。

本实用新型专利所述电子轰击半导体器件成像内增强型光电成像器件具有传统光电成像器件的基本功能：光子信号的光电转化；电子束信号的加速、聚焦以及偏转、电子束倍增以及电子束图形显示等功能，因此本实用新型专利所述电子轰击半导体器件成像内增强型光电成像器件的结构框图入图4所示，其中包含了光电转换部件、电子束调制系统、电子束扫描系统、电子束倍增系统、半导体器件和信号采集及处理系统。其中，光电转换部件实现了目标光信号线性转换为电子束信号；电子束调试系统实现对电子束信号的加速、聚焦等调制功能；电子束扫描系统实现对电子束的垂直于器件轴向方向的位置调控功能，从而实现内增强型光电成像器件时空转换的功能；电子束倍增系统实现对经过调制后电子束的数量倍增，增强电子束图像强度；半导体器件实现对电子束图像进行收集、再次电子倍增、输出等功能；最终半导体器件所成图像经过信号采集及处理系统进行信号采集与处理，最终呈现内增强型高速相机探测成像的结果。

为满足内增强型光电成像器件内部必须为高真空环境的要求，半导体器件也必须置于内增强型光电成像器件内部的高真空度环境中，但同时也需要将半导体器件的成像信号传输至内增强型条纹变相管外进行图像采集以及处理，就必须使用相应的过真空结构实现对半导体器件的固定以及信号输出。由于半导体器件具有多级信号输出线的特性，因此本实用新型所述内增强型光电成像器件半导体器件的过真空结构如图5所示。内增强型光电成像器件真空壁1与电极过真空部件4进行精密封接，保证内增强型光电成像器件内的高真空环境，电子倍增器件微通道板3置于半导体器件2前方0.1～5mm处，半导体器件2 自身的多信号电极与电极过真空部件基底4预制电极转换极阵列相连，实现对半导体器件的固定以及对半导体器件成像信号的传输，图像采集以及处理部件 5实现对半导体器件图像的数据进行采集以及处理，最终呈现成此内增强型光电成像器件的探测图像。

电极过真空部件4的结构如图6所示，主要有基底4-2以及电极转换极阵列4-1所组成，电极转换极为公母头结构，与半导体器件相连接部分为母头结构，其尺寸以及形状视半导体器件输出电极的形状以及尺寸而进行精密配合设计。电极转换极阵列也视半导体器件输出电极具体排列而进行精密分布设计与制备。

电极过真空部件4与内增强型光电成像器件真空壁焊接后的剖面图如图7 所示，电极过真空部件以及两者之间的焊接处均可以实现小于1e^-12Pa●m³/s的漏率，从而保证内增强型光电成像器件的真空环境

半导体器件与电极过真空部件4的装配结构剖面图如图8所示，其中半导体器件的信号输出线阵列2-2与电极过真空部件4的电极转换极阵列4-1精密配合，从而实现半导体器件主体部分2-1半导体器件在内增强型光电成像器件中的精确定位。

针对目前内增强型光电成像器件荧光屏输出的光学图像时，内增强型高速相机使用了相关的光学耦合系统会降低高速相机的整体性能、增加高速相机的整体体积等问题，本发明提供一种使用CMOS等半导体成像器件取代荧光屏的电子轰击成像型内增强型光电成像器件。此电子轰击成像内增强型光电成像器件能够实现较大倍率的光学图像增强功能以实现微弱光信号甚至是单光子信号的探测功能，还可以进一步提升内增强型光电成像器件的分辨率以及信噪比等关键参数，同时可以进一步减小内增强型高速相机的体积以及重量，最后此内增强型光电成像器件可以为后续数据处理系统提供更为准确的原始电子束图像数据。

本实用新型为了采集内增强型光电成像器件荧光屏输出的光学图像，内增强型高速相机使用了相关的光学耦合系统会降低高速相机的整体性能、增加高速相机的整体体积等。为此，使用CMOS等半导体器件取代荧光屏，使得经过调制以及扫描后的电子束以较高能量(电子能量主要取决于内增强型光电成像器件的电子加速电压)状态轰击CMOS等半导体器件的成像单元，使得成像单元内部产生雪崩效应产生相应较多载流子，从而实现电子倍增功能，而后通过相应的信号读出电路对每个电子倍增后的成像单元进行数据的输出以及后处理后进行图像输出。

此结构可产生如下益处：

其一，CMOS等半导体器件成像单元的电子倍增增益与电子能量息息相关，此结构完全可以实现与像增强器具有相同光学增益的目的。

其二，CMOS等半导体器件成像单元直接输出电子束图像，而并未经过多次的光电转换，因此在对成像单元输出图像进行后处理时可以保证其原始数据的准确性。

其三，CMOS等半导体器件都具有较小的尺寸以及体积，此器件的引入将使得高速相机的体积以及重量都可以得到一定程度的减小。

其四，在使用过程中对CMOS等半导体器件进行相应的制冷降温处理，会使得CMOS等半导体成像器自身的噪声大大降低，从而使得高速相机的整体性能得到提升。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种内增强型光电成像器件，包括：真空容器，真空容器上设有光学输入窗，真空容器内设有：

光电阴极，用来接收光子并将光子转换为电子，形成电子束；

加速系统，用来对电子束进行加速；

调制系统，用来改变加速后电子束的运动轨迹，实现电子束的聚焦；

扫描系统，用来实现对聚焦后的电子束的空间位置进行调整，扫描系统利用变电场或者变磁场对经过聚焦后的电子束进行垂直于轴向方向的偏移运动；

电势等位区，为等电压区域，用来实现电子在垂直于轴向方向具有足够漂移量的电子漂移区域，用于实现偏移运动的电子束图像信息的自由漂移；

电子倍增器件，用来对自由漂移后的电子束数目进行倍增；

其特征在于，还包括半导体成像系统，用于对偏移后的电子束进行收集并成像，并对电子束的图像信息进行一定增益的放大。

2.如权利要求1所述的内增强型光电成像器件，其特征在于，所述半导体成像系统包括：半导体器件(2)、过真空电传输部件和信号处理电子学部件，半导体器件(2)和过真空电传输部件设置在真空容器内，信号处理电子学部件设置在真空容器外，经过空间位置调制后的电子束轰击半导体器件(2)使半导体器件(2)的内部产生一定强度的载流子，载流子的数目大于光电阴极将光子转换为电子的数目，电子束轰击半导体器件(2)后输出各个成像单元对应的电子信号，过真空电传输部件用来将半导体器件(2)输出的各个成像单元对应的电子信号进行输出至信号处理电子学部件进一步进行信号处理。

3.如权利要求2所述的内增强型光电成像器件，其特征在于，所述半导体器件为CCD、CMOS、APD或能够实现光电成像和探测功能的器件，过真空电传输部件由陶瓷材料、玻璃材料或者金属材料制备而成，过真空电传输部件包含用于输出半导体器件信号的传输线。

4.如权利要求1所述的内增强型光电成像器件，其特征在于，所述真空容器由玻璃、陶瓷和金属材料共同构成，光学输入窗由玻璃材料制成，陶瓷材料和金属材料共同构成真空容器的周向壁；

光学输入窗的形状为平面结构或曲面结构，光学输入窗采用高频封接、高温热封接或铟封封接的方式与真空容器连接。

5.如权利要求2所述的内增强型光电成像器件，其特征在于，所述半导体器件(2)通过电极过真空部件(4)设置在真空容器内，电极过真空部件(4)包括：电极转换极阵列(4-1)和基底(4-2)，电极转换极阵列(4-1)固定设置在基底(4-2)上，电极转换极阵列(4-1)包括多个电极转换极，所述电极转换极为公母头结构，与半导体器件(2)相连接的部分为母头结构，其尺寸以及形状视半导体器件输出电极的形状以及尺寸而进行精密配合设计，电极转换极阵列(4-1)也根据半导体器件输出电极的具体排列而进行精密分布设计。

6.如权利要求2所述的内增强型光电成像器件，其特征在于，所述电子倍增器件位于半导体器件的前面，距离半导体器件0.1～5mm。

7.一种高速相机，其特征在于，包括如权利要求1-6任一权利要求所述的内增强型光电成像器件。

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