[发明专利]低温CCD微光夜视仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温CCD微光夜视仪，可用于在微弱光照条件下观察景物和图像采集，应用领域包括军事、天文、航天、海洋考察、核物理实验以及需要暗室操作的科研活动领域等，属于夜视技术领域。

背景技术

现有微光夜视仪的核心部件是微光图像增强器，它是一种由砷化镓负电子亲和势光电阴极、电子光学部件、显示装置组成的光电真空器件，景物反射的微弱光汇聚到光电阴极上，光电阴极受激向外发射电子，经放大并形成图像，再由成像装置呈现出来。

CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)能够储存由入射光在其像敏单元激发出的光信号电荷，并将其以电荷包的形式定向传输，实现自扫描，完成从光信号到电信号的转换，并经过前置放大器的放大。这种电信号是一种符合电视标准的视频信号，可在电视屏幕上复原物体的可见光像；也可以将这种电信号输入计算机，运行成像软件，通过中控电路进行图像增强、识别、存储等项处理。由于CCD体积小、光谱响应范围宽、灵敏度高、抗过度曝光性能高，因此，CCD成为现在广泛应用的理想固体成像器件，用于照度在10lux以上的景物摄取。

发明内容

现有微光图像增强器需要高真空和高电压技术，技术复杂，因此，其光电阴极制作困难、价格昂贵、寿命低、微光阈值低，并非一种理想的微光夜视部件。而现有CCD在常温下暗电流较大，表现为热噪声较大，并且，在图像信号的放大过程中，热噪声同样被放大，当景物照度较低，则需要提高放大倍数，必将导致最终显像噪点增大，成像质量下降。为了实现CCD在微光夜视领域的应用，取得高质量的图像，我们发明了一种低温CCD微光夜视仪。

本发明之低温CCD微光夜视仪由CCD、前置放大器组成，由前置放大器将从CCD输出的电荷信号转化为电压信号并放大，其特征在于，CCD由制冷器制冷至-5～15℃的低温，制冷器升温一侧与散热器接触；在CCD和前置放大器之间加入电荷放大器，放大自CCD输出的电荷信号并传输给前置放大器。

上述技术方案的效果在于，与现有微光夜视技术单纯放大像点不同，采用制冷的方式减小CCD暗电流，从而降低热噪声，最终减小噪点，提高信噪比，避免热噪声随信号一同被放大。CCD经过制冷，每降低10℃，其暗电流减小0.7(eles/pix/sec)，或者说温度每降低8℃，暗电流减小一半。当CCD表面温度从30℃降低至-10℃时，相当于只有12～15个电子噪声，信噪比提高了近100倍。当被摄景物照度较低，如低于1lux，尽管经过电荷放大器、前置放大器双重高倍数放大，成像质量依然符合要求。

附图说明

附图是本发明低温CCD微光夜视仪的结构示意图。

具体实施方式

本发明之低温CCD微光夜视仪的一个具体实例见附图所示，由CCD1、制冷器2、散热器3、温度传感器、温度控制器以及电荷放大器、前置放大器、中控电路、计算机、显示器组成。

制冷器2采用薄膜制冷器，属于一种热电制冷器(TEC)，厚度为5～20μm，尺寸与CCD1相匹配，贴在CCD1后面。所采用的薄膜制冷器吸收热量速率为50～100W/cm²，这一制冷速率已达到毫秒量级的响应速度，被吸收的热量与注入制冷器2的电功率之比COP为0.25，表明其两侧平均温差达到50～60℃，能够将CCD1制冷到-10～-20℃。制冷器2与CCD1接触的一侧降温，另一侧升温，因此，在升温一侧安装散热器3，以强制风冷的方式通过散热器(4)降低制冷器2的升温一侧的温度，减小两侧温差，使制冷器2保持对CCD1制冷。为了将CCD1的温度控制在-5～-15℃范围内的一个预设温度值上，在CCD1的附近安放一个温度传感器，实时地把CCD1的温度值传递给与制冷器2连接着的预设制冷温度值的温度控制器，从而控制CCD1的温度。

CCD1将微弱的光信号转换为微弱的电信号。经电荷放大器进行电荷放大，通过前置放大器转换为电压信号并放大，经由中控电路输入计算机，运行成像软件，通过中控电路进行图像增强、识别、存储等项处理，由显示器显示。电荷放大器是一个带有增益区的电荷运输放大器件，它将CCD1像元上产生的电荷在向外传输过程中进行放大，同时将CCD1的高阻抗输出转换成低阻抗输出，再进入前置放大器。为了在保证足够的信号放大倍数的同时降低对噪声的放大，要求前置放大器噪声水平从现有的几十纳伏数量级降至所要求的纳伏数量级，也就是降低十倍，因此，本发明选用的前置放大器应当具有的技术指标为，上升时间10ns，电荷灵敏度44mV/MeV，等效噪声1.9个电子噪声。为此，该前置放大器应当具有带通滤波部分。

上述方案在获得清晰图像的同时，结构简单、成本低。