CN114335040A - 一种探测、显示一体化的混合光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种探测、显示一体化的混合光电探测器，包括彩色滤光片、阴极光纤光窗、真空阴极、环形高压电源模块、一体化阳极以及外壳，其中彩色滤光片设于阴极光纤光窗前，阴极光纤光窗位于真空阴极和彩色滤光片之间，环形高压电源模块设于混合光电探测器外围，真空阴极和一体化阳极的光敏面一起密封在真空腔体中。优点：本发明针对传统直视型微光探测器件体积大、成像颜色单一、无法数字化等缺陷提出一种新型的结合真空器件的高增益、高灵敏度和固体器件小体积、数字化的优点为一体的混合探测器，形成探测、显示功能一体化的新型混合光电探测器件。可以广泛应用于微光夜视领域。
Description
技术领域
本发明是一种探测、显示一体化的混合光电探测器，属于光电探测成像技术领域。
背景技术
目前常规的直视型探测器，特别是在微光夜视领域一般采用真空器件——微光像增强器，它具有一般真空器件的特点，比如探测灵敏度高、快速响应、功耗低等特点。但是作为真空直视型探测器件，其缺点也很明显，无法实现图像数字化，进而无法加入数字图像处理算法，对目标图像进行优化更不能实现图像信息共享等功能。而一般固体探测器在低照度成像性能上往往满足不了照度低于10-4lux的应用环境，其最短曝光时间一般都是几微秒到几十微妙，也无法满足快速响应的成像领域应用需求。同时集成探测、显示功能的光电设备在探测和显示等功能模块基本都是分立的，体积和功耗也大。
发明内容
本发明提出的是一种探测、显示一体化的混合光电探测器，其目的在于针对传统直视型微光探测器件体积大、成像颜色单一、无法数字化等缺陷，公开了一种通过SIP技术将新型混合光电探测器件（电子轰击有源像素）和一体化阳极封装在一个小型结构体中，利用真空阴极对光信号进行转化，完成电子倍增过程，再通过固体CMOS对电信号进行数字化，以及处理电路的图像处理和接口转换过程，最终在OLED实现可以直视的图像。可以实现从目标探测、图像处理到可直接观察的图像显示功能。它既有真空器件高灵敏度、快响应低功耗的特点，又有固体器件体积小，紧凑型，数字化优势，即可以应用于便携式夜视设备，又可以集成与车载、机载等探测系统中。
本发明的技术解决方案：一种探测、显示一体化的混合光电探测器，包括彩色滤光片100、阴极光纤光窗200、真空阴极300、环形高压电源模块400、一体化阳极500以及外壳，其中彩色滤光片100设于阴极光纤光窗200前，阴极光纤光窗200位于真空阴极300和彩色滤光片100之间，环形高压电源模块400设于混合光电探测器外围，真空阴极300和一体化阳极500的光敏面一起密封在真空腔体中；所述一体化阳极500包括图像处理器501、储存IC502、无源器件503、显示驱动IC504、OLED505、半导体CMOS传感器506，通过SIP技术将一体化阳极500中所述集成器件和无源器件在封装基板上电气互连，最终封装在外壳中，形成一个多芯片的微系统。
所述彩色滤光片100为红、绿、蓝波段的带通滤光片，以一层微米级厚膜的形式镀在阴极光纤光窗200上，且满足Bayer彩色阵列格式。
所述阴极光纤光窗200的光纤直径为9微米，满足后端接收电子图像的CMOS传感器像素位置与阴极像素位置一一对应。
所述真空阴极300采用GaAs作为阴极材料。
所述环形高压电源模块400用于提供真空光电探测部分光电阴极和真空腔体电子加速所需的高压，环形电源输入范围为2.7V到30V的低压。
所述一体化阳极500中，图像处理器501的驱动信号和图像数据输出端连接OLED505的驱动信号和图像数据输入端，OLED505和半导体CMOS传感器506的配置参数输出端连接存储IC502的配置参数输入端，无源器件503搭建外围电路，显示驱动IC504驱动和调理OLED505的输入信号。
所述图像处理器501支持传感器的图像输出接口，可以实现数字信号接收和图像预处理、自动算法功能，输出帧率不低于25fps。
所述半导体CMOS传感器506选择电子轰击型图像传感器，输出分辨率不低于800*600，通用型输出接口，方便处理电路的接收和处理。
其工作方法，包括如下步骤：
S10，阴极光纤光窗镀膜，在阴极光纤光窗表面镀一层均匀的彩色滤光膜，厚度小于20um；
S20，制备提供光电阴极，真空条件下阴极材料在输入阴极光窗的背面吸附，以备与阳极完成真空封接工艺过程；
S30，配准光纤光窗与CMOS像元阵列，所述配准耦合过程在精密机械调节系统中，实现光纤光窗和CMOS光敏面像元阵列保持一致，并采用耦合工艺对其相对位置进行固定；
S30，制备环形高压电源模块，将柔性电路板装配在环形外壳中，并用硅胶对壳体进行灌封，并将电源装配在一体化真空阴极外围，实现阴极负高压供电；
S40，制作一体化阳极，将实现各个功能的裸芯片通过SIP技术进行互连和封装，互连方式包括键合、倒装、贴装、垂直穿孔，最终留出阳极感光面和数字化图像输出接口，方便与阴极完成真空封接系统级封装；
S50，一体化阳极与阴极真空封接，真空封接要保证一体化阳极中CMOS传感器感光面的洁净，将阴极盖在阳极光敏面上，通过铟封工艺，实现阳极和阴极对接封口；
S60，环形高压电源模块与探测器灌封，环形高压电源套在阴极外周围；完成阴极负高压供电，再将阴极和环形电源放置在灌封模具中，用双组份硅橡胶灌封。
本发明的有益效果：
1）利用了系统级封装（SIP）技术将基于EBCMOS架构的光电探测系统与读出、显示一体化阳极电路系统整合在一个小型封装结构中，既有真空器件高灵敏度、快响应、低功耗特点，又有固体CMOS器件小型化、高空间分辨率、数字化的特点，实现对低照度环境下对目标的探测和实现彩色夜视功能；
2）不仅在低照度探测上具有真空器件的优良性能，同时在图像处理和图像信息共享上具有固体器件容易数字化的特点，在微光夜视、夜间辅助驾驶、激光雷达等领域具有重要的应用价值。
附图说明
附图1是一种探测、显示一体化的混合光电探测器实施流程图。
附图2是本发明的系统组成图。
附图3是一体化阳极构成。
图中100是彩色滤光片；200是光纤光窗；300是真空阴极；400是环形高压电源模块；500是一体化阳极。501是图像处理器；502是存储IC；503是无源器件；504是显示驱动IC；505是OLED。
具体实施方式
一种以SIP技术为基础，结合新型混合光电探测器件和小型化图像处理、微型OLED显示架构的探测、显示一体化探测器。该器件采用电子轰击型有源像素（EBAPS）传感器架构，由微型探测显示一体化阳极和真空探测器部分组成，成像原理是目标光学图像通过彩色滤光片后形成电子图像发射到电子感应CMOS传感器上产生数字化彩色图像，最终由微型OLED显示。其特点是比传统直视型微光器件体积更小，且同时具有彩色和直视型功能。
一种探测、显示一体化的混合光电探测器主要包括彩色滤光片、阴极输入光纤光窗、环形高压电源模块、真空光电阴极、电子轰击型去输入光窗的固体CMOS器件、读出显示一体化阳极、以及外壳封装结构，其中所述的彩色滤光片用于滤除红、绿、蓝可见波段外的背景干扰光，特别是近红外波段，提高信噪比，同时将输入光按照Bayer图像阵列进行排列；其中所述的光纤光窗，其作用是保证经过彩色滤光片后的输入光以Bayer阵列的格式对应在CMOS器件的像元阵列上，以符合后续电路的彩色插值算法处理；其中高压环形电源模块用于给一体化真空阴极施加驱动电压，包括阴极负压和电子加速场电压；其中所述的真空光电阴极，其作用是完成光电转换和电子加速的过程，将光信号转换成电子后高能电子轰击后端的CMOS器件；其中所述电子轰击型去输入光窗的固体CMOS器件，其作用一是接收加速后的高能电子，完成电子轰击增益过程，二是实现电信号的数字化输出，以便于读出和处理；其中所述的读出显示一体化阳极，其作用是完成数字图像信号读出、处理和OLED屏显示驱动以及目标图像显示的功能。
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明
参考图1，一种探测、显示一体化的混合光电探测器其各个模块实施步骤为：
S10，阴极输入光窗镀膜，所述过程需要在光线光窗表面镀一层均匀的彩色滤光膜，厚度在20um以下；
S20，制备提供光电阴极，所述光电阴极制备需要在真空条件下完成阴极材料在输入阴极光窗的背面的吸附过程，以备与阳极完成真空封接工艺过程；
S30，配准光纤光窗与CMOS像元阵列，所述配准耦合过程，需要在精密机械调节系统中，实现光纤光窗和CMOS光敏面像元阵列保持一致，并采用耦合工艺对其相对位置进行固定。
S30，制备环形高压电源模块，所述高压电源制备，是将柔性电路板装配在环形外壳中，并用硅胶对壳体进行灌封，并将电源装配在一体化真空阴极外围，实现阴极负高压供电。
S40，制作一体化阳极，所述一体化阳极制作，是将实现各个功能的裸芯片通过SIP技术进行互连和封装，有键合、倒装、贴装、垂直穿孔等互连方式，最终留出阳极感光面和数字化图像输出接口，方便与阴极完成真空封接系统级封装。
S50，一体化阳极与阴极真空封接，真空封接需要在保证一体化阳极中CMOS感光面的洁净，将阴极盖在阳极光敏面上，通过铟封工艺，实现阳极和阴极对接封口。
S60，环形高压电源模块与探测器灌封，环形高压电源套在阴极外周围，完成阴极负高压供电，再将阴极和环形电源放置在灌封模具中，用双组份硅橡胶进行灌封。
如图2-3所示，一种探测、显示一体化的混合光电探测器，其包括： 彩色滤光片100、 光纤光窗200、真空阴极300、环形高压电源模块400、一体化阳极500。
其中的彩色滤光片100采用带通滤光片，可滤除除红、绿、蓝波段外的其他干扰光，用于增加信噪比和伪彩色成像。
其中的光纤光窗200用于光传输，光纤直径与像元直径大小一致，其光纤与半导体CMOS器件506的光敏面像元阵列的像元相对应，实现阴极输入光以彩色Bayer阵列的格式成像在一体化阳极感光阵列上，便于彩色图像插值算法实现。
其中的真空阴极300用于探测可见光信号，实现光电转换和电子加速，采用三代像增强器所用的GaAs阴极。通过阴极制作工艺使得阴极材料均匀制备在阴极光纤光窗上，阴极灵敏度在1500uA/lm以上。
其中的环形高压电源模块400位于一体化真空阴极腔体外围，用于给所述真空阴极300提供一路用于电子加速的负压，阴极与一体化阳极压差在-2000V以上；其高度在3-5mm范围内。
其中的一体化阳极500中的半导体CMOS器件506用于接收高速电子并与其相互作用实现光电转换的高倍增益过程，同时实现探测信息的数字化输出。
其中的一体化阳极500中的图像处理器501，支持通用型数字图像接口输入，用于对半导体CMOS器件506的图像数据的读出，并对其进行一系列数字图像处理过程，包括彩色插值、图像增强、去噪、自动曝光调节等，同时实现OLED驱动和显示功能。
Claims (9)
1.一种探测、显示一体化的混合光电探测器，其特征是包括彩色滤光片100、阴极光纤光窗200、真空阴极300、环形高压电源模块400、一体化阳极500以及外壳，其中彩色滤光片100设于阴极光纤光窗200前，阴极光纤光窗200位于真空阴极300和彩色滤光片100之间，环形高压电源模块400设于混合光电探测器外围，真空阴极300和一体化阳极500的光敏面一起密封在真空腔体中；所述一体化阳极500包括图像处理器501、储存IC502、无源器件503、显示驱动IC504、OLED505、半导体CMOS传感器506，通过SIP技术将一体化阳极500中所述集成器件和无源器件在封装基板上电气互连，最终封装在外壳中，形成一个多芯片的微系统。
2.根据权利要求1所述的一种探测、显示一体化的混合光电探测器，其特征是所述彩色滤光片100为红、绿、蓝波段的带通滤光片，以一层微米级厚膜的形式镀在阴极光纤光窗200上，且满足Bayer彩色阵列格式。
3.根据权利要求1所述的一种探测、显示一体化的混合光电探测器，其特征是所述阴极光纤光窗200的光纤直径为9微米，满足后端接收电子图像的CMOS传感器像素位置与阴极像素位置一一对应。
4.根据权利要求1所述的一种探测、显示一体化的混合光电探测器，其特征是所述真空阴极300采用GaAs作为阴极材料。
5.根据权利要求1所述的一种探测、显示一体化的混合光电探测器，其特征是所述环形高压电源模块400用于提供真空光电探测部分光电阴极和真空腔体电子加速所需的高压，环形电源输入范围为2.7V到30V的低压。
6.根据权利要求1所述的一种探测、显示一体化的混合光电探测器，其特征是所述一体化阳极500中，图像处理器501的驱动信号和图像数据输出端连接OLED505的驱动信号和图像数据输入端，OLED505和半导体CMOS传感器506的配置参数输出端连接存储IC502的配置参数输入端，无源器件503搭建外围电路，显示驱动IC504用于驱动和调理OLED505的输入信号。
7.根据权利要求1所述的一种探测、显示一体化的混合光电探测器，其特征是所述半导体CMOS传感器506选择电子轰击型图像传感器，输出分辨率不低于800*600，通用型输出接口，方便处理电路的接收和处理。
8.根据权利要求1所述的一种探测、显示一体化的混合光电探测器，其特征是所述图像处理器501支持传感器的图像输出接口，可以实现数字信号接收和图像预处理、自动算法功能，输出帧率不低于25fps。
9.如权利要求1所述的一种探测、显示一体化的混合光电探测器的工作方法，其特征是包括如下步骤：
S10，阴极光纤光窗镀膜，在阴极光纤光窗表面镀一层均匀的彩色滤光膜，厚度小于20um；
S20，制备提供光电阴极，真空条件下阴极材料在输入阴极光窗的背面吸附，以备与阳极完成真空封接工艺过程；
S30，配准光纤光窗与半导体CMOS传感器像元阵列，所述配准耦合过程在精密机械调节系统中，实现光纤光窗和半导体CMOS传感器光敏面像元阵列保持一致，并采用耦合工艺对其相对位置进行固定；
S30，制备环形高压电源模块，将柔性电路板装配在环形外壳中，并用硅橡胶对壳体进行灌封，并将电源装配在一体化真空阴极外围，实现阴极负高压供电；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |