CN112378625B - 用于电子轰击cmos研究中电子图像分辨力的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电子轰击CMOS研究中电子图像分辨力的测试装置及方法，装置是在带抽真空排气泵的腔体内，从上到下依次安装第一反射镜、第二反射镜、Au阴极、背照CMOS图像传感器组件的靶面部分，腔体外部设置紫外光源、高压电源、CMOS的电路部分及抽真空泵。由光源发出的紫外平行光经第一反射镜、第二反射镜的反射和会聚作用，亮度增强并形成特定的斜入射角，照射在Au阴极表面，照射范围为整个Au阴极的有效区域，Au阴极吸收紫外光产生的光电子，在腔体外部加速高压的驱动下，轰击CMOS的靶面，产生增强的电子图像，未被Au阴极吸收的紫外光透射至CMOS的靶面产生的光学图像与电子图像完全分离，通过对分辨力图案的判读，可以获得电子轰击CMOS的分辨力指标。

Description

用于电子轰击CMOS研究中电子图像分辨力的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于电子轰击CMOS研究中电子图像分辨力的测试装置及方法，主要用于解决电子轰击CMOS研究中电子图像与光学图像相互重叠干扰，使电子轰击CMOS电子图像分辨力指标下降或无法判读，难以达到研制要求的问题。

背景技术

电子轰击CMOS作为一种新型的夜视成像器件，具有全天候、体积小、重量轻、动态范围大等优点，国外已广泛应用于夜视头盔观察镜、直升机观瞄夜视***、单光子探测研究等领域。

电子轰击CMOS是采用背照CMOS成像器件替代像增强器中的荧光屏，在超高真空状态下，借助光阴极产生的光电子，从外置高压电源获取高能量轰击CMOS，获得几乎没有噪声的高分辨力目标图像。

目前，对电子轰击CMOS的研究、特别是分辨力等关键性能的研究成果报道较少，由于电子轰击CMOS所具有的高分辨力特征，因此由光电子轰击CMOS产生的电子图像分辨力是表征电子轰击CMOS性能高低的核心参数之一，也是电子轰击CMOS研究中的重要内容，研究中一般都采用搭建电子轰击CMOS分辨力测试装置的方法进行测试和分析。

测试电子轰击CMOS分辨力装置测试工作原理为：在真空状态下，平行紫外光垂直照射在镀制有分辨力图案的Au阴极，被Au阴极吸收的紫外光激发产生光电子，在加速高压作用下，轰击背照CMOS靶面，产生与Au阴极分辨力图案对应的分辨力图案图像，该图像实际上由两部分图像重叠构成，一部分是上述光电子轰击CMOS产生的电子图像；另一部分是没有被Au阴极吸收的紫外光，直接从Au阴极熔石英玻璃基底透射到CMOS靶面而产生的光学图像，此时如果直接对该图像进行分辨力组数进行判读，受图像重叠干扰的影响，图像亮度低，清晰度差，是很难获得CMOS电子图像分辨力的准确数值，即使能勉强判读，也无法满足设计要求，因此必须使CMOS产生的电子图像与光学图像完全分离，互不干扰，才能准确测试CMOS产生的电子图像的分辨力，真实反映出电子轰击CMOS的研制水平。

目前已有的分离电子轰击CMOS电子图像和光学图像的方法有两类，第一类为遮挡分离采集法，具体方案如图1所示。首先改变紫外光照射Au阴极的入射角度，变垂直入射为斜入射，同时在Au阴极表面部分区域粘贴遮挡物，只允许部分紫外光作用于CMOS靶面，被遮挡的Au阴极部分不会在CMOS靶面成像，形成暗区，CMOS靶面有紫外光照射的区域都会产生光学图像，透射至CMOS靶面的紫外光同时Au阴极未被遮挡的区域测试的光电子，形成重叠的光学图像和电子图像区域，只有没有达到CMOS靶面而被Au阴极吸收的紫外光区域，形成了光电子发射的电子图像，这部分图像可以用来进行电子轰击CMOS电子图像研究及分辨力分析和测试，该方法的不足之处在于：电子图像有效区域非常有限，电子图像、光学图像之间间隔小没有完全分离，影响判读效果，另外，为保证所产生的电子图像达到研究分析的图像亮度，需要加大紫外光源照射Au阴极的光强，获得合适的图像亮度，存在紫外辐射过强的安全隐患等问题。

第二类为图像处理分离法，具体方案如下：分别抓取不加高压时的光学图像和加高压时的光学图像和电子图像重叠在一起的图像，通过专业软件将两幅图像用布尔运算做减法(或其他的图像处理方法)得到电子图像，用于电子轰击CMOS电子图像研究，该方法的不足之处在于：经过算法处理的电子图像细节信息会有所损失，图像分辨力不能反映电子轰击CMOS的实际水平，另外，为保证处理后的电子图像获得合适图像灰度增益，需要解决照射Au阴极紫外光过强，光学图像可能完全掩盖电子图像，紫外光强度不够电子图像暗淡的矛盾。

因此迫切需要一种使电子轰击CMOS电子图像与光学图像完全分离、非常适合电子轰击CMOS电子图像研究，准确进行分辨力测试的方法或装置，为研究指导、提升电子轰击CMOS图像的性能水平提供必要的技术手段。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何解决电子图像和光学图像重叠干扰严重、无法直接准确分析和测试电子图像分辨力的问题，通过一种装置及方法，使CMOS产生的电子图像与光学图像完全分离，互不干扰，从而能够直接获得完全分离的电子图像与光学图像，并直接准确测试出真空状态下电子轰击CMOS电子图像分辨力。

本发明的目的之一在于利用光学成像原理，提供一种专门的用于电子轰击CMOS研究中电子图像分辨力的测试装置，通过该装置可直接获得完全分离的电子图像与光学图像，并能够直接准确测试出真空状态下电子轰击CMOS电子图像分辨力，为研究和提升电子轰击CMOS图像的分辨力水平提供依据，从根本上克服了电子轰击CMOS研究中电子图像与光学图像重叠或部分重叠干扰，使电子图像分辨力指标下降或无法判读难以达到研制要求的现象，有效提升了电子轰击CMOS器件的研制水平。本发明的另一个目的是提供一种基于本发明的测试装置的具体的测试方法。

本发明的测试装置及方法的基本构思是：

本发明的测试装置一部分设置在带抽真空排气泵的腔体内，从上到下，依次安装第一反射镜、第二反射镜、Au阴极、背照CMOS图像传感器组件，其中CMOS的靶面部分置于腔体内，放大及读出电路部分置于腔体外部，腔体外部上方用支架安装紫外光源，腔体外部配置可调高压电源和计算机。经腔体抽真空排气处于真空状态时，由紫外光源发出的紫外平行光经第一反射镜、第二反射镜的反射和会聚作用，亮度增强并形成特定的斜入射角，照射在Au阴极表面，照射范围覆盖整个Au阴极的有效区域，Au阴极吸收紫外光产生的光电子，在腔体外部加速高压的驱动下，轰击CMOS的靶面，产生了亮度增强的电子图像，与此同时未被Au阴极吸收的紫外光，直接透射至CMOS的靶面产生的光学图像，与电子图像完全分离，互不干涉，通过对电子图像分辨力图案的判读，可以准确的获得电子轰击CMOS的分辨力指标。

具体的，一种用于电子轰击CMOS研究中的电子图像分辨力的测试装置，包括紫外光源、腔体、第一反射镜、第二反射镜、Au阴极、背照CMOS图像传感器组件及高压电源，所述背照CMOS图像传感器组件由靶面部分和电路部分组成；所述第一反射镜、第二反射镜、Au阴极及背照CMOS图像传感器组件的靶面部分沿设置在腔体内并沿腔体的轴线构成的光轴方向依次排列，所述紫外光源、抽真空排气泵、背照CMOS图像传感器组件的电路部分及高压电源设置在腔体外；所述高压电源与分别与CMOS图像传感器组件读出电路部分高压接口及和Au阴极连接；所述抽真空排气泵用于对腔体抽真空；所述第一反射镜位于紫外光源的正下方，遮挡紫外光源直射Au阴极，其反射面与光轴呈一角度，能够将紫外光源沿所述光轴方向出射的紫外平行光完全反射至腔体的侧壁上之处，所述第二反射镜位于腔体的侧壁上并能够将紫外平行光完全反射并照射在Au阴极表面；所述紫外光源出射的紫外平行光经第一反射镜反射到第二反射镜上，再经第二反射镜反射和会聚亮度增强后，形成特定的斜入射角，照射在Au阴极表面，照射范围覆盖整个Au阴极区域；所述Au阴极还包括在熔石英玻璃的基底上制作了分辨力线对的图案；所述Au阴极吸收紫外光产生的光电子，在腔体外部加速高压的驱动下，轰击背照CMOS图像传感器组件的靶面致使产生电子空穴对，经EBS过程、放大、模数转换后，形成了亮度增强的电子图像，与此同时未被Au阴极吸收的紫外光将直接透射至CMOS的靶面产生的光学图像，与电子图像完全分离，互不干涉。

进一步地，还包括：

所述第一反射镜为平面反射镜，所述第一反射镜的镜面与光轴呈25°～40°

所述第二反射镜倾斜安装于第一反射镜的反射光线全孔径处，由紫外光源出射的紫外光经第一反射镜反射、第二反射镜再次反射和会聚增强后，形成特定的斜入射角，照射在Au阴极表面。

所述第二反射镜为凹柱面反射镜，其柱面半径为77mm～78mm，焦距为145.5mm～150.5mm。

所述Au阴极和CMOS图像传感器组件的靶面部分之间的距离为0.5mm～2mm。

所述Au阴极分辨力线对图案呈双行平行排列，按数值从小到大、首尾相接分布，成像后能够同时读出电子轰击CMOS电子图像中心、边缘的分辨力数值。

还包括计算机，计算机通过USB接口与背照CMOS图像传感器组件的电路部分相连接，用于接收电子轰击CMOS产生的电子图像和光学图像。

所述第一反射镜和第二反射镜的反射面镀制厚度为

纯度为99.999％以上的铝膜。

本发明的一种用于电子轰击CMOS研究中电子图像分辨力的测试方法，包括以下步骤：

A、计算机通过USB接口与背照CMOS图像传感器组件读出电路部分相连接，用于接收电子轰击CMOS产生的电子图像和光学图像；

B、高压电源正负极分别与CMOS图像传感器组件读出电路部分高压接口及和Au阴极连接；

C、开启抽真空泵的机械泵和分子泵，打开紫外光源；

D、当腔体真空度优于1×10^-5mbar时，开始测试，通过调整高压电源加速高压值3000Vdc～6000Vdc、Au阴极图像输入面至背照CMOS图像传感器组件靶面距离0.5mm～2mm两个环节，可获得完全分离的电子轰击图像和光学图像；

E、通过对电子图像分辨力图案的判读，可以准确的获得电子轰击CMOS电子图像的分辨力指标。

本发明的有益效果：

本发明的测试装置能够直接获得真空状态下电子轰击CMOS产生的完全分离的光学图像和电子图像，电子图像的亮度明显提升，两种图像区别明显，对电子图像分辨力图案进行判读，可以准确的获得电子轰击CMOS的分辨力指标，通过分析、研究，优化设计，进一步提升电子轰击CMOS的研制水平。目前已经应用于电子轰击CMOS两种型号产品的研发和试制，与原来不使用本装置相比，电子图像分辨力提高了2.3倍以上。

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的描述。

图1是已有的电子轰击CMOS电子图像和光学图像电子图像和光学图像遮挡分离采集法方案示意图(本图中：a代表纯光学图像区域，b代表纯电子图像区域，c代表不成像区域,d代表电子图像与光学图像重叠区域，A1代表紫外光源，A2代表遮挡物，A31代表阴极基底，A32代表阴极，A4代表CMOS图像传感器)。

图2是本发明的测试装置的结构示意图(本图中：A代表纯光学图像区域，B代表纯电子图像区域，C代表不成像区域)。

图3是本发明的Au阴极结构示意图(此图由上中下三个图组成，其中上图为主视图，中图为俯视图，下图为金阴极分辨力图案放大图,图中：D1代表导电金属层，D2代表中心Au阴极图案区域)。

图4是未采用本发明前电子轰击CMOS电子图像和光学图像叠加在一起的图像。

图5是采用本发明后电子轰击CMOS电子图像和光学图像完全分离的图像(此图中：E1代表光学图像，E2代表电子图像)。

图2中：1-紫外光源、2-带抽真空排气泵的腔体、3-第一反射镜、4-第二反射镜、5-Au阴极、6-背照CMOS图像传感器组件、7-高压电源、8-计算机、9-抽真空排气泵。

具体实施方式

参照图2，对本发明的技术方案进行说明：本发明主要包括紫外光源1、带抽真空排气泵的腔体2、第一反射镜3、第二反射镜4、Au阴极5、背照CMOS图像传感器组件6、高压电源7及计算机8。其中第一反射镜3、Au阴极5和背照CMOS图像传感器组件6沿光轴依次排列，第一反射镜3、第二反射镜4、金阴极5和背照CMOS图像传感器组件6的靶面安装在带抽真空排气泵的腔体2内部，背照CMOS图像传感器组件6的电路部分、高压电源7、计算机8安装在带抽真空排气泵的腔体2外部，腔体外部上方用支架安装紫外光源1，紫外光源1为电子轰击CMOS提供输入光信号，高压电源7为光电子轰击背照CMOS图像传感器组件6的靶面提供加速高压，其正负极分别连接背照CMOS图像传感器组件6的读出电路和Au阴极5，计算机8通过USB3.0接口和读出电路相连，Au阴极5和CMOS图像传感器组件6的靶面之间的距离为0.5mm～2mm。

所述的高压电源7具有可调节输出电压的功能。

所述计算机8可以是笔记本电脑、便携式计算机或工控机等。

参照图2，所述紫外光源1为德国HERAEUS(贺利氏公司)氘灯，型号XD5665-10J。

参照图2，所述带抽真空排气泵的腔体2为自制专用件，由若干个结构件集成连接而成，腔体材料为1Cr18Ni9或可伐合金或铝合金，主要功能为：实现并保持真空状态，以及安装第一反射镜1、第二反射镜2和背照CMOS图像传感器组件6的靶面，所述抽真空排气泵采用德国PFEIFFER(普发公司)的MVP 070-3机械泵和HiPace 400分子泵组合。

参照图2，所述第一反射镜3、第二反射镜4为自制专用件，材料为光学玻璃K9，安装于真空壳体内相应反射镜座上，安装时应分别适当调整安装位置和倾斜角度，紫外光源1发出的紫外光线经第一反射镜3的反射，再经第二反射镜4的反射及会聚后，与Au阴极5表面形成35°～60°的斜入射角度，第一反射镜3为平面反射镜，第二反射镜4为凹柱面反射镜，第二反射镜4柱面半径为77mm～78mm焦距为145.5mm～150.5mm，第一反射镜3、第二反射镜4的反射面镀制厚度为

纯度为99.999％以上的铝膜。

参照图3，所述Au阴极5是在熔石英玻璃的基底上制作了分辨力线对图案，双行排列，按数值从小到大，首尾相接分布的专用阴极，成像后能够同时读出电子轰击CMOS电子图像中心、边缘的分辨力数据，分辨力线对图案为矩形条纹，蒸镀于Au阴极窗口内表面中心区域，熔石英玻璃的基底内表面蒸镀Ni、Cr金属层起电导通高压的作用。

参照图2，所述背照式CMOS图像传感器组件6为外购件，芯片是索尼IMX178LQJ，放大、读出电路为苏州振旺ZWO178电路模组。

参照图2，所述高压电源7为自制直流高压电源，0～15000Vdc可调。

参照图2、3、4、5，本发明工作条件为准暗室条件下，其测试操作流程：

A、将第一反射镜3、第二反射镜4安装在带抽真空排气泵的腔体2内相应位置；

B、安装Au阴极5、背照CMOS图像传感器组件6的靶面及电路到带抽真空排气泵的腔体2的相应位置，Au阴极5图像输入面至背照CMOS图像传感器组件6的靶面距离为0.5mm～2mm，使紫外光源1出射的紫外平行光经第一反射镜3、第二反射镜4反射和会聚亮度增强后，斜入射覆盖整个Au阴极5图像输入面区域，必要时可分别适当调整第一反射镜3、第二反射镜4的安装位置和倾斜角度，调整完毕后固定；

C、计算机8与背照CMOS图像传感器组件6读出电路部分图像输出接口连接，准备接收电子轰击CMOS产生的电子图像和光学图像，高压电源7正负极分别与CMOS图像传感器组件6读出电路部分高压接口、Au阴极5连接，按先后顺序开启带抽真空排气泵的腔体2的机械泵和分子泵，打开紫外光源1；

D、当带抽真空排气泵的腔体2真空度优于1×10^-5mbar时，开始测试，通过调整高压电源7加速高压值(3000Vdc～6000Vdc)、Au阴极5图像输入面至背照CMOS图像传感器组件6靶面距离(0.5mm～2mm)两个环节，可获得完全分离的电子轰击图像和光学图像，通过对电子图像分辨力图案的判读，可以准确的获得电子轰击CMOS的分辨力指标。

Claims (9)

1.一种用于电子轰击CMOS研究中的电子图像分辨力的测试装置，其特征在于：

包括紫外光源（1）、腔体（2）、第一反射镜（3）、第二反射镜（4）、Au阴极（5）、背照CMOS图像传感器组件（6）及高压电源（7），所述背照CMOS图像传感器组件（6）由靶面部分和电路部分组成；

所述第一反射镜（3）、Au阴极（5）及背照CMOS图像传感器组件（6）沿腔体（2）的轴线构成的光轴方向依次排列，所述第一反射镜（3）、第二反射镜（4）、Au阴极（5）、背照CMOS图像传感器组件（6）的靶面部分设置在腔体（2）内，所述紫外光源（1）、抽真空排气泵（9）、背照CMOS图像传感器组件（6）的电路部分及高压电源（7）设置在腔体（2）外；

所述高压电源（7）与分别与CMOS图像传感器组件（6）读出电路部分高压接口及和Au阴极（5）连接；所述抽真空排气泵（9）用于对腔体（2）抽真空；

所述第一反射镜（3）位于紫外光源（1）的正下方，遮挡紫外光源（1）直射Au阴极（5），其反射面光轴呈一角度，能够将紫外光源（1）沿所述光轴方向出射的紫外平行光完全反射至腔体（2）的侧壁上之处，所述第二反射镜（4）位于腔体（2）的侧壁上并能够将紫外平行光完全反射并照射在Au阴极（5）表面；

所述紫外光源（1）出射的紫外平行光经第一反射镜（3）反射到第二反射镜（4）上，再经第二反射镜（4）反射和会聚亮度增强后，形成特定的斜入射角，照射在Au阴极（5）表面，照射范围覆盖整个Au阴极（5）区域；

所述Au阴极（5）还包括在熔石英玻璃的基底上制作了分辨力线对的图案；

所述Au阴极（5）吸收紫外光后产生的光电子，在加速电压的驱动下，轰击背照CMOS图像传感器组件（6）的靶面产生电子空穴对，经EBS过程、放大及模数转换后，形成了亮度增强的电子图像，与此同时未被Au阴极吸收的紫外光将直接透射至CMOS的靶面产生的光学图像，与电子图像完全分离，互不干涉。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：

所述第一反射镜（3）为平面反射镜，其反射面与光轴呈25°～40°。

3.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于：

所述第二反射镜（4）倾斜安装于第一反射镜（3）的反射光线全孔径处，由紫外光源（1）出射的紫外光经第一反射镜（3）反射、第二反射镜（4）再次反射和会聚增强后，形成特定的斜入射角，照射在Au阴极（5）表面。

4.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于：

所述第二反射镜（4）为凹柱面反射镜，其柱面半径为77mm～78mm 、焦距为145.5mm～150.5mm。

5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：

所述Au阴极（5）和CMOS图像传感器组件（6）的靶面部分之间的距离为0.5mm～2mm。

6.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于：

所述Au阴极（5）上制作的分辨力线对图案呈双行平行排列，按数值从小到大、首尾相接分布。

7.根据权利要求1至6任一项所述的测试装置，其特征在于：

还包括计算机（8），计算机（8）通过USB接口与背照CMOS图像传感器组件（6）的电路部分相连接，用于接收电子轰击CMOS产生的电子图像和光学图像。

8.根据权利要求1至6任一项所述的测试装置，其特征在于：

所述第一反射镜（3）和第二反射镜（4）的反射面镀制厚度为500Å～3000 Å，纯度为99.999%以上的铝膜。

9.一种用于电子轰击CMOS研究中的电子图像分辨力的测试方法，其特征在于，该测试方法使用如权利要求1-8任一项所述的用于电子轰击CMOS研究中的电子图像分辨力的测试装置，包括以下步骤：

A、计算机（8）通过USB接口与背照CMOS图像传感器组件（6）读出电路部分相连接，用于接收电子轰击CMOS产生的电子图像和光学图像；

B、高压电源（7）正负极分别与CMOS图像传感器组件（6）读出电路部分高压接口及和Au阴极（5）连接；

C、开启抽真空泵（9）的机械泵和分子泵，打开紫外光源（1）；

D、当腔体（2）真空度优于1×10^-5mbar时，开始测试，通过调整高压电源（7）加速高压值3000Vdc～6000Vdc、Au阴极（5）图像输入面至背照CMOS图像传感器组件(6)靶面距离0.5mm～2mm两个环节，可获得完全分离的电子轰击图像和光学图像；

E、通过对电子图像分辨力图案的判读，可以准确的获得电子轰击CMOS电子图像的分辨力指标。

Images