增强复合型固态传感器 【发明领域】
本发明涉及一种增强(intensified)复合型固态传感器。尤其是，本发明涉及到一种使用与微通道片(MCP)非常近地连接在一起的CMOS或CCD传感装置和光电阴极的图像增强器。
【发明背景】
本发明涉及利用固态传感器，例如CMOS或CCD装置，的图像增强装置的领域。图像增强装置用来放大低强度光或者将非可见光转换为可见图像。图像增强装置对从红外线中产生图像尤其有用，并在工业和军事上也有许多的应用。例如，图像增强管用于提高飞行员的微光摄像电视，拍摄天体和为有色素性视网膜炎(夜盲症)的患者提供夜视能力。
在现有技术中有三种类型已知的图像增强装置；用于照相机的图像增强管，全固态CMOS和CCD传感器，复合型EBCCD/CMOS(电子轰击的CCD或CMOS传感器)。
图像增强管是众所周知的，被广泛用于许多行业。图1示出了现有技术的第三代(GEN III)图像增强管10的当前状态。关于这种现有技术的第三代图像增强管应用的例子在授予Naselli等的专利权的名称为REPLACEMENT DEVICE FOR A DRIVER’S VIEWER的美国专利No.5,029,963中，以及授予Phillips专利权的名称为TELESCOPIC SIGHT FOR DAYLIGHT VIEWING地美国专利No.5,084,780中被举例说明。图中所示的，以及在这两篇被引用的参考文献中的GEN III图像增强管10是这里的代理机构ITT公司当前所生产的类型。在图1所示的图像增强管10中，红外线能量射到光电阴极12。该光电阴极12包括一个一面涂有一抗反射层16的玻璃面板14，一个镓铝砷化物(GaAlAs)的窗层17和一个镓砷化物(GaAs)的活性层(active layer)18。红外线能量被GaAs活性层18吸收，因此导致了电子/孔穴对的产生。产生的电子穿过涂在GaAs活性层18上的负电子亲和势(NEA)覆盖层20出射到真空室22里。
微通道片(MCP)24被安置在真空室22里，与光电阴极12的NEA覆盖层20相邻。传统上，MCP 24是用有导性输入面26和导性输出面28的玻璃制成的。一旦电子脱离光电阴极12，电子就会在导性输入面26和光电阴极12间大约300到900伏的电势差作用下，向MCP 24的导性输入面26加速运动。当电子轰击到MCP 24的输入面26时，MCP 24里便会产生二次电子。每个进入输入面26的电子，可能在MCP 24中产生几百个电子。MCP 24受输入面26和输出面28间电势差的影响，该电势差典型地在1100伏特左右，从而该电势差使得使电子数量增加。
当增多的电子脱离MCP 24时，在磷屏30和输出面28之间大约4200伏的电势差作用下，这些电子在真空室22中向磷屏30加速。当这些电子撞击在磷屏30上时，每个电子产生许多光子。这些光子在光学反相器元件31的输出面28上产生了图像增强管10上的图像。
如图1所示的图像增强器比其他形式的图像增强器有更多的优点。首先，增强器有一个对数增益曲线。也就是说，增益随着输入光强的增加而减少。这正好与人眼的反应匹配，尤其是当明亮的光和暗淡的光出现在同样场景时。大多数的固态装置具有线性响应；即，光线越明亮，输出的信号就越明亮。结果是亮光在固态系统的观察器上显现得更加明亮，这可能会使场景一片空白。可以改造固态传感器以产生一个随输入光的增强而减少的增益，然而，这需要利用模板(shuttering)或者利用抗增大(anti-blooming)控制来改变放大器的增益。
图像增强器的另外一个优点是具有在大的输入光强变化范围上工作的能力。电源能控制阴极电压，从而能通过改变图像增强管的增益来适应场景。这样图像增强管能在从有云的星光到白昼的情形下工作。
然而，图像增强器/I2照相机也有许多的缺点。磷屏的电子光学器件产生低对比度的图像。当通过图像增强器观察时，这导致对人类观察者或固态传感器来说，物体看起来会更加模糊。虽然这种不足随着图像增强器的进一步发展得到一些削弱，但是固态成像器通常拥有更好的性能。
图像增强器/I2照相机的另一个缺点是“晕环”。“晕环”是由于电子被MCP或屏幕反射所造成的。被反射的电子被放大，转变成围绕在原图像周围的形成圆环的光。在图像管里，大多数最近生产的成像管将从MCP反射的电子造成的晕环减弱到可忽略的程度。然而，由屏幕部分产生的晕环仍然存在，虽然这部分晕环没有达到阴极晕环的那种程度。不过，当CCD或CMOS阵列偶合到图像增强器时，屏幕晕环仍然是成像系统很明显的缺点。这是因为这些阵列对屏幕晕环的微光比眼更敏感。
另一个缺点是图像增强器没有一个能提供电子读出(electronicread-out)的方法。电子读出是需要的，这可使得从热传导器来的图像能与增强的图像结合，结果可以同时观测到从两种光谱得到的信息。一种解决方案是将CCD或CMOS阵列耦合到图像增强管来制造一种I2照相机。当一个固态装置与一个像管(image tube)耦合时，得到的照相机就有像管的所有性能上的缺点，也就是低对比度，和由于无效耦合造成的较差的极限分辨率以及将像管的成本加到了照相机上。
固态装置通常包括CCD或CMOS传感器。它们的作用是通过直接探测光，用电学方法将信号传送到固态放大器，然后在电视显像管或液晶显示器上显示图像。图2a和图2b展示了一个典型的CCD传感器的流程图和示意图。
CCD和CMOS传感器是固态装置；也就是说，没有真空外壳(vacuum envelope)，输出的是必须在其他地方而不是在传感器里显示的电子信号。该固态装置在5～15伏条件下运行。光被标示为“S”单个的像素探测到，然后被转化为储存在像素里的电子，直到像素被读出到存储寄存器里。从存储寄存器里，包含在多个像素里的电子信息被传输至读出寄存器，然后输出到放大器，最后到视频显示装置，例如阴极射线管。
一个全固态装置的缺点是在微光下性能差，在强光源下有潜在的图象浮散(blooming)，较差的极限分辨率和能耗高。微光下性能差是由导致了低信噪比的暗电流和读取噪声造成的。如果在读出之前能提供一个信号增益机制的话，这个问题就能得到消除，因为会有足够强的信号来克服噪声源。固态装置结构通常不允许在读出前有一放大部分。较差的极限分辨率是由于选择了大尺寸像素以收集大信号，从而提高信噪比而造成的。这些缺点严重地阻止了固态传感器在夜视摄像装置中的应用。固态传感器的优点是相对于图像增强器/I2照相机有更好的图像对比度，具备电子读出和低成本，尤其当固态传感器是一个CMOS阵列的时候。
可以看到，图像增强器和固态传感器的优缺点互补，因此理论上，两个装置的结合会带来更好的性能。作为除图像增强器/I2照相机和固态传感器之外的另一选择，所提出的两装置的结合是电子轰击式CCD/CMOS传感器(EBCCD/CMOS)。该装置由光电阴极和像管外壳(body envelope)以及一个集成在该外壳里的CCD或CMOS传感器组成。图3所示的是用以说明的一个EBCCD/CMOS传感器的例子。在阴极和固态传感器之间加上高压，这样通过电子轰击使得得到的电子在固态传感器中的硅中被放大。
EBCCD/CMOS装置的优点是它能够提供电子读出。但缺点有很多。首先，内景动态范围(intra-scene dynamic range)被压缩了。这意味着当明亮物体紧邻暗淡物体时，相对于图像增强器/I2照相机和全固态装置，场景内总体的对比度降低了。其次，由于固态传感器的电子反射，使得传感器受到了亮光周围的晕环导致的成像质量下降的影响。这种晕环存在于常规的像管之中；但是，技术的进步已将晕环降低到不存在的地步。第三，运行该装置能需要的很高的电压(2～10kv)会破坏硅的表面，时间长了就会造成性能的衰减。
因此，本发明的一个目标就是提供一种增强复合型固态传感器，能将图像增强器的功能，良好的信噪比，高对数增益与互补金属氧化物半导体(CMOS)或电荷耦合装置(CCD)的电子读出功能结合在一起。
发明概述
本发明提供了一个增强复合型固态传感器。根据本发明的固态传感器包括一个成像装置，一个微通道片(MCP)和外壳，该成像装置包含与一个图像增强阴极组装在一起的固态传感器。这一装置将图像增强器的最佳功能，良好的信噪比和高对数增益与互补金属氧化物半导体(CMOS)或电荷耦合装置(CCD)的电子读出功能结合在一起。这项发明主要应用于需要良好的微光灵敏度和高增益的夜视系统。
【附图说明】
为了使本发明更清晰易懂，下面结合附图进行更详细的介绍，其中：
图1是一个典型的图像增强管的示意图；
图2A是一个典型的CCD传感器的流程图；
图2B是一个典型的CCD成像表面示意图；
图3是一个典型的电子轰击CCD装置的截面图；
图4A是根据本发明的增强复合型固态传感器的截面图；
图4B是根据本发明的增强复合型固态传感器的示意性表示；
图5A是用于本发明的微通道片(MCP)和薄型背照式CCD的示意图；
图5B是用于本发明的微通道片(MCP)和标准CCD的示意图；
图5C是用于本发明的CMOS型图像传感器的透视图；
图6A是具有圆形剖面的MCP通道和CMOS势阱的透视图；
图6B是具有方形剖面的MCP通道和CMOS势阱的透视图；
图7A是根据本发明的传感器表面每单位面积上大像素/小MCP通道间距的俯视示意图；
图7B是根据本发明的传感器表面上每单位面积上的一对一的像素和MCP通道的俯视示意图；
图7C是根据本发明的传感器表面每单位面积上的小CMOS像素间距/大MCP通道的俯视示意图；
优选实施方式介绍
图4B是对根据本发明的增强复合型固态传感器41的示意性描述。传感器41包括一个标准像管光电阴极54，一个微通道片(MCP)53和一个固态成像传感器56。固态成像传感器56可以是任何一种固态成像传感器。固态成像传感器56优选地是一个CCD装置。固态成像传感器56更佳的选择是一个CMOS成像传感器。图5A中将薄型背照式CCD显示为成像传感器56’。在本实施例中，MCP 53与一个薄型背照式的CCD传感器56’相连。薄型背照式CCD 56’包括一个电子接收面，例如扩散聚集区56a’和一个读出区62。图5B显示了另一种标准的CCD成像装置，该装置包括与标准CCD 56”相连的MCP35。CCD 56”包括一个氧化物盖(cover)63和多个收集势阱(collectionwell)64。图5C示出了一个CMOS传感器作为传感器56，包括一个CMOS基底56和多个收集势阱65。
由于各种原因，基于CCD的图像传感器在许多应用领域里的运用是有限的或不实用的。首先，CCD需要至少两层插入了埋入沟道的多晶硅层以达到其高性能，这意味着它们不能用标准CMOS制作工序来制作。其次，以CCD为基底的成像器达到的集成度很低，因为在应用中它们不能包含能将其与其他装置集成在一起的装置。最后，用来将图像阵列的数据转移到系统板上的其他装置的电路，例如数字信号处理器(DSP)和其他图像处理电路，拥有大电容，同时需要比其他电路高的电压。因为对这些电容的充、放电的电流通常都很强，所以一个CCD成像器不是很适合便携式或用电池供电的应用。
因此，需要一种利用标准CMOS工序的由集成电路制造的不那么昂贵的图像传感器。在本质上，和CMOS类型的图像传感器一起，光电二极管，光电晶体管或者其他类似装置被用作光探测元件。这种光探测元件输出的是模拟信号，其振幅大约正比于元件所接收光的总量。因为CMOS成像器消耗更少的能量，生产成本更低，以及，与用CCD步骤制成的成像器相比，具有更高的系统集成度，所以在一些应用中CMOS成像器更受欢迎。而且，CMOS成像器还具有额外的优点，即可以用类似于制造逻辑晶体管的通常的工序来制造CMOS成像器。尽管本发明优选实施例引入CMOS传感器作为成像传感器56，任何一种固态成像传感器都可适用而且也在本专利范围之内。
再一次参照图4B，光电阴极54可以是用在任何已知类型的图像增强装置中的标准光电阴极。光电阴极54的材料可以是，例如GaAs，Bialkali，InGaAs，或类似材料，但不仅仅限于这些材料。光电阴极54包含一个输入面54a和输出面54b。MCP 53的材料可以是硅和玻璃，但也不仅仅限于这些材料，而且最好是10～25mm厚。MCP 53有在输入面49和输出面50之间形成的多个通道52。通道52可以有任意类型的剖面，例如圆形剖面52’(图6A)和方形剖面52”(图6A)。MCP 53与成像传感器56的电子接收面56a相连接。
MCP 53的输出面50优选地与成像传感器56的电子接收面56a存在物理连接。然而，在MCP 53和成像传感器56之间是须要绝缘的。从而，可以将绝缘薄片55嵌入MCP 53的输出面50和成像传感器56的电子接收面56a之间。绝缘薄片55可以用任何一种电绝缘材料来制造，并且最好形成沉积于成像传感器56的电子接收面56a上的不超过几微米厚的薄层。例如，绝缘薄片可以是但又不限于约10um厚的薄膜。或者，绝缘薄层55可以是形成于MCP 53的输出面50上的一层薄膜(未示出)。
CMOS成像传感器56包括电子接收面56a和输出面56b。从MCP53出射的增多的电子48撞击到电子接收面56a。电子接收面56a包含一层CMOS基底56和多个收集势阱65(图5c)。聚集在收集势阱65中的电子48(见图4B)通过用于CMOS传感器的标准信号处理仪器来处理，以产生增强图像信号，该图像信号通过输出面56b发送到图像显示装置46。
电子偏压线路44在传感器41中产生一个偏压电流。电偏压线路44包含第一电连接42和第二电连接43。第一电连接42光电阴极54和MCP 53之间产生偏压。第一电连接42产生的偏压，优选地设置为比EBCCD/CMOS传感器阴极到CCD的电压，即2-10kv低。例如，一个优选的偏压与图像管的偏压类似，比如～1400V。第二电连接43在MCP 53和CMOS传感器56之间施加一个偏压。优选地，通过第二电连接43施加的偏压远远小于现有技术装置(如图1)中的图像管-屏幕之间约4200V的电压。例如，通过第二电连接43施加的偏压可以但不限于～100V。图4A示出了传感器41的可能的构造。在该结构中，光电阴极54，MCP 53和图像传感器56安置在真空室或外壳61里，形成独立单元，在物理上紧密连接。
在工作时，参照图4B，从图像57来的光58，59通过光电阴极54的输入面54a进入增强复合型固态传感器41。光电阴极54将入射光转变成电子48，该电子由光电阴极54的输出面54b输出。从光电阴极54射出的电子48通过MCP 53的输入面49进入通道52。当电子48射入MCP 53的输入面49之后，在MCP 53的多个通道52中产生了二次电子。每个通过输入面49进入的电子使MCP 53在每个通道52里产生几百个电子。因此，从通道52出来的电子47的数量远远多于进入通道52的电子48的数量。数量增多了的电子47穿过MCP 53的输出面50而离开通道52，然后撞击CMOS成像装置56的电子接收面56a。
图6示出了数量增多的电子47怎样离开通道52并撞击CMOS成像传感器56的一个特定的收集势阱65’。从图中可以看出，在收集势阱65’与出射电子47的通道52的数量之间存在一种关系。一般来说，MCP 53的相邻通道52以预先确定的通道间隔52a分开。图6展示了一种通道间隔52a，该通道间隔导致了每个收集势阱65’对应多于一个通道52。
图7A-7C示出了跟据本发明的三种不同的CMOS势阱/通道间隔的相互关系。图7A示出了通道间隔52a和CMOS收集势阱65’的一种相互关系。在这种情况下，通道间隔52a相对较小，而CMOS势阱65’的尺寸就相对较大。这使得从两个或更多通道52发出的几个电子可以撞击到CMOS收集势阱65’。图7B示出了另一种CMOS势阱/通道间隔的关系。在这种情况中，通道间隔52a和CMOS势阱65’的尺寸大约是一对一的关系。从而从单个通道52出射的电子47’撞击单个的收集势阱65’。图7C示出了另一种CMOS势阱/通道间隔的关系，其中通道间隔52a相对较大而CMOS势阱的尺寸就相对较小。这样从单个通道52射出的电子47”就撞击多个收集势阱66。虽然每种结构都有各自的优点，但本发明更倾向于采用图7A所示的结构关系。
结果，增强复合型固态传感器可以在与任何其他现有技术的传感器不同的条件下工作。结果是MCP 53能直接安置在CMOS传感器56上，使该复合型装置具有与全固态装置相似的对比度，但伴随有较少的晕环，以及良好的信噪比和图像管的对数增益。由于工作电压更低，该复合型装置可以象图像管一样门控，从有云的星光情景到白昼情景都可以工作。MCP 53和CMOS传感器56之间没有了物理间隙使得复合型传感器有更弱的晕环。这种两部件间物理隔离的缺失也是与EBCCD/CMOS或图像增强照相机相比对比度提高的原因。这种复合型装置也有图像管的对数增益曲线。与EBCCD/CMOS传感器不同，由于低阴极电压，该复合型传感器能被门控。
以上关于本发明的优选实施例的详细描述，阐明了发明者在提出该申请时所考虑的能够实现本发明的最好模型，同时上述描述是示例性的而不是限定。因此，对于本领域中一般技术人员来说，显而易见的各种修改和变化均在下面的权利要求所提出的本发明的精神和范围之内。