CN100543916C - 一种提高成像系统微光探测性能的像增强器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的提高成像系统微光探测性能的像增强器，包括光阴极、电子透镜、微通道板和荧光屏，其特点是在贴近光阴极和电子透镜之间设置磁镜，磁镜可以采用微通电子瓶板结构或简单磁镜外加电子聚焦透镜结构。将磁镜装置应用在微光探测成像系统中，规整了光阴极逸出电子速度，降低了系统噪声；起到电子透镜的作用，聚焦电子；有效提高光信号积累时间，可以使其在常温下探测到更低照度的微弱图像信号，达到增进微光成像系统探测极限的目的。

Description

一种提高成像系统微光探测性能的像增强器

技术领域

本发明属于光电成像技术领域，涉及一种成像系统像增强器，尤其涉及一种可提高成像系统微光探测性能的像增强器。

背景技术

微光探测CCD(Charge Coupled Devices)在民用、航天、军事等方面均有着重要的应用，目前已推出了探测照度为10^-9lx、分辨力大于700TV线、动态范围4000:1的CCD摄像机。德国B&M光谱公司出售的制冷CCD摄像机，在-150℃下灵敏度达10^-11lx，动态范围16000:1。探测照度要达到10^-11lx的水平，目前是靠特殊的低温条件下才能获得。

目前微光(10^-6lx)成像CCD的结构有4种：像增强型IICCD(ImageIntensified Charge Coupled Devices)、电子轰击型EBCCD(Electron BombardedCharge Coupled Devices)、积分延迟型TDICCD(Time Delay IntegrationCharge Coupled Devices)、电子倍增型EMCCD(Electron Multiplying CCD)，其工作原理如白廷柱，金伟其编著的《光电成像原理与技术》所述。这4种结构采用不同的光信号增强方式，对信号的积累由CCD完成，而且均采用光阴极来实现光电转换，系统中光阴极直接与电子透镜耦合，这样就存在着探测噪声大、使用寿命短、信号积累时间常温下短暂的共同缺点，使进一步提高微光成像系统探测的极限受到限制。

为提高微光成像系统的探测极限，很多研究放在了如何降低系统噪声和延长CCD信号积累时间方面，这些措施都不能从根本上解决问题。虽然用控制温度的方法可以实现低照度探测，但是其存在着三个缺点：低温下，微小温度的变化将会影响本征载流子浓度的巨大变化，间接影响信号电子的稳定性，不利于成像要求；其他诸如散粒噪声、转移噪声和热噪声等因素也将在低温下显得更加突出，限制CCD存储时间更进一步提高；实现低温的设备相对复杂，不利于成像系统的集成要求。

发明内容

为了解决现有采用低温条件实现低照度探测存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种提高微光探测性能的像增强器，常温下可得到更高信噪比和更低照度的微光探测目的，照度可达10^-11x，甚至更高，拓展了成像探测的应用领域。

本发明所采用的技术方案是，一种提高成像系统微光探测性能的像增强器，包括光阴极、电子透镜、微通道板和荧光屏，其特点是在贴近光阴极和电子透镜之间设置一磁镜。

磁镜可采用微通电子瓶板结构，包括三个半径相等、平行放置的线圈，从贴近光阴极处依次作为第一励磁线圈、电子能量释放线圈和第二励磁线圈，第一励磁线圈和电子能量释放线圈靠近放置，第一励磁线圈和第二励磁线圈的间距大于或等于线圈半径，第一励磁线圈和第二励磁线圈的轴向端面内且与轴向端面平齐分别设置有永磁质板，两块永磁质板之间连接一抗磁质板，两块永磁质板和抗磁质板上开有与线圈轴向一致的通孔，作为单通道磁镜端口，且永磁质板和抗磁质板上的通孔相通，励磁电流和两个励磁线圈间距可以调节，用来产生不同大小的镜比。

永磁质板的厚度与线圈横截面的宽度相等。

微通电子瓶板结构还可采用以下结构，包括两块永磁质板，两块永磁质板之间连接一抗磁质板，两块永磁质板和抗磁质板上开有与线圈轴向一致的通孔，作为单通道磁镜端口，且永磁质板和抗磁质板上的通孔相通，调节两块永磁质板之间的间距，可以获得不同镜比的阵列永磁磁镜场。

单通道磁镜端口的直径为6～50μm。

磁镜也可采用简单磁镜外加电子聚焦透镜结构，包括四个半径相等的线圈，从贴近光阴极处依次作为第一励磁线圈、电子能量释放线圈、第二励磁线圈和第三励磁线圈，第一励磁线圈为电子入口端，第三励磁线圈为电子出口端，电子能量释放线圈与第一励磁线圈紧靠放置，第一励磁线圈和第二励磁线圈的间距大于线圈的半径，用以形成磁镜场，第二励磁线圈和第三励磁线圈的间距小于或等于线圈的半径，用以形成磁聚焦场。

简单磁镜外加电子聚焦透镜结构还可采用以下结构，包括三个半径相等的线圈，从贴近光阴极处依次作为第一励磁线圈、电子能量释放线圈和第二励磁线圈，电子能量释放线圈与第一励磁线圈紧靠放置，第一励磁线圈和第二励磁线圈的间距大于线圈的半径，用以形成磁镜场，第二励磁线圈的后面还设置有用以形成电聚焦场的电极板。

本发明通过设计的微通电子瓶板或简单磁镜外加电子聚焦透镜两种结构，对现有成像系统的像增强器做出改进，规整光阴极逸出电子时速度和时间的分散，降低成像系统噪声；使成像系统具有足够的光电子积累时间，提高有用信号积累能力，也就是把光信号积累的任务由不受温度限制的磁镜装置完成，从而得到更高信噪比和更低照度的微光常温探测目的，实现常温下照度为10^-11lx的探测，甚至更高探测水平，拓展了成像探测的应用领域。

附图说明

图1是本发明中微通电子瓶板结构的侧视图；

图2是本发明中微通电子瓶板结构的主视图；

图3是图1的内部结构视图；

图4是带孔永磁体产生的永磁场原理示意图；

图5是微通电子瓶板内部的一端磁镜场原理示意图；

图6是简单磁镜外加电子聚焦透镜结构；

图7是单通道磁镜结构和电子约束原理示意图；

图8是电子被约束在磁感应线上的原理示意图。

图中，1.电子能量释放线圈，2.抗磁质板，3.光阴极，4.第一励磁线圈，5.紧固圈，6.电子引出电极层，7.单通道磁镜端口，8.永磁质板，9.光电子，10.第二励磁线圈，11.第三励磁线圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

为提高微光系统探测能力，本发明的像增强器在近贴光阴极与电子透镜之间设置一个磁镜，磁镜可采用两种结构：微通电子瓶板或简单磁镜外加电子聚焦透镜结构。

微通电子瓶板结构可应用于小型集成化成像系统，如图1、图2、图3所示，包括三个半径相等、平行放置的线圈，从贴近光阴极处依次作为第一励磁线圈4、电子能量释放线圈1和第二励磁线圈10，整个结构用紧固圈5进行定位，第一励磁线圈4和电子能量释放线圈1靠近放置，第一励磁线圈4和第二励磁线圈10的间距大于或等于线圈半径，第一励磁线圈4和第二励磁线圈10的轴向端面内且与轴向端面平齐分别设置有永磁质板8，永磁质板8的厚度与线圈横截面的宽度相等，两块永磁质板8之间连接一抗磁质板2，抗磁质板2可做成圆柱形或矩形，两块永磁质板8和抗磁质板2上开有与线圈轴向一致的通孔，作为单通道磁镜端口7，且永磁质板8和抗磁质板2上的通孔相通，其直径为6～50μm。

微通电子瓶板结构还可采用以下结构，包括两块永磁质板8，两块永磁质板8之间连接一抗磁质板2，两块永磁质板8和抗磁质板2上开有与线圈轴向一致的通孔，作为单通道磁镜端口7，且永磁质板8和抗磁质板2上的通孔相通，调节两块永磁质板8之间的间距，可以获得不同镜比的阵列永磁磁镜场。

其工作原理如下：拍摄图像开始，光阴极和微通电子瓶板同时通入电流，成像系统后续部件不开启，微通电子瓶板两端的第一励磁线圈4和第二励磁线圈10通有相同的电流强度，进行光学图像信息光电子积累。光阴极每产生一个电子，磁镜场就捕获一个。图3中所示的第一励磁线圈4和第二励磁线圈10的间距大于或等于线圈半径，使磁镜端口处的磁感应强度B1>磁镜轴心处的磁感应强度B2，而磁镜比定义为B1与B2的比值，形成一定的磁镜比。依据磁现象的安培分子环流理论，永磁质板8磁体内部电子在分子内环流方向整齐排列，内表面分子形成表面等效反向环流，从而，在磁体和圆柱孔形成了磁极方向相反的磁场分布，如图4所示，也就得到了微通电子瓶板中所设置的永磁材料结构产生的磁场分布。永磁材料产生的磁场与励磁线圈产生的励磁场矢量叠加，如图5所示，形成由大量微通磁镜场组成的阵列磁镜场。调节第一励磁线圈与第二励磁线圈之间的间距和励磁电流大小，可以获得不同镜比大小的阵列迭加磁镜场，而大磁镜比有利于电子的积累，考虑功耗和结构体积等因素，根据需要探测的不同波长的光波信号来选择镜比。

结构1以热能形式释放光电子能量，防止光电子轰击光阴极。抗磁质材料抗磁质板2在第一励磁线圈4和第二励磁线圈10之间，起到磁屏蔽的效果，其内部的单通道磁镜端口7与永磁质板8的微通道相对应，且通道内表面具有较低二次电子发射性能，不利于光电子的增益，这样的结构便可产生高度集成的大量微细磁镜场，每一个磁镜场用于对应微通道板的一个微电子倍增通道(IICCD技术方案中)或经过加速电场和电子透镜直接对应CCD的一个感光单元(其它三种技术方案中)，而且每一个磁镜场也可以起到透镜的作用，使进入电子横向位置与引出电子横向位置对应。当积累电子完成时，开启微通道板或加速电场和电子透镜和CCD，在光阴极3和电子引出电极层6间加上加速电压，使光电子从大量的微磁镜场在CCD积累时间内引出，而不用考虑电子在每个磁镜场中的磁力线跃迁，总会保持图像信息的完整。

微通电子瓶板的作用之一将对光阴极逸出电子的不确定性进行改进。光阴极光电转换时，磁镜场开启，保持光阴极不同时间出射的电子都在其内，使逸出电子的时间分散性得到规整，作用之二是微通电子瓶板保持足够的积累时间，装置在CCD的积累时间内释放所有电子，完成一次成像。通过引出电场将积累的电子引出去，不同速度的电子将经历相同的磁场梯度障碍而对速度进行规整。

简单磁镜外加电子聚焦透镜结构应用于大型成像系统。

图6所示是我们设计的应用于大型成像系统中的简单磁镜外加磁场透镜结构，四个线圈尺寸相同。从贴近光阴极处依次作为第一励磁线圈4、电子能量释放线圈1、第二励磁线圈10和第三励磁线圈11，第一励磁线圈4为电子入口端，第三励磁线圈11为电子出口端，电子能量释放线圈1与第一励磁线圈4紧靠放置，第一励磁线圈4和第二励磁线圈10的间距大于线圈的半径，用以形成磁镜场，第二励磁线圈10和第三励磁线圈11的间距小于或等于线圈的半径，用以形成磁聚焦场，线圈间不加任何结构，是一个大的真空腔，电子能量释放线圈的作用在于防止光电子轰击光阴极3。

简单磁镜外加电子聚焦透镜结构中，第三励磁线圈11的作用在于形成磁聚焦场，也可采用可形成电聚焦场的电极板结构替换第三励磁线圈11，只要可形成磁聚焦场或电聚焦场，不论采取何种结构，都在本发明的保护范围之内。

其基本原理如下：磁镜场完成光电子积累后，第三励磁线圈11通入与第一励磁线圈4相等大小的电流。开启微通道板或加速电场和电子透镜和CCD，这时，减小第二励磁线圈10中的电流强度，使靠近第二励磁线圈10的磁感应强度减弱，这样使磁镜场出口端磁场梯度减小，使电子能够带有一定的轴向速度离开磁镜场，进入向出口端有一定锥角的磁场，电子横向分散得到聚拢，达到聚焦的目的。

磁镜应用于成像系统提高探测极限的原理

1.制约微光探测能力的噪声因素

由于光子的相干性和时间分散性，加上光阴极的光电转换，目前公认有3个步骤的理论模型认为逸出电子具有不确定性：光电发射体内的电子被入射光子激发到高能态；受激电子向表面运动，在运动的过程中因碰撞而损失部分能量；到达表面的受激电子克服表面电子亲和势而溢出，都将使得逸出电子的速度和时刻不能确定，只得借助于数理统计的方法予以描述。由于逸出电子的这些不确定性，将对后续部件的噪声起着关键的作用，制约着微光探测系统探测能力的提高。通过分析我们发现：

1)时间分散性将会影响像增强级、CCD的输入信号的有效信号采集率和采集速度。

2)出射电子方向的分散性首先是产生电子透镜相差的主要原因，其次，对IICCD而言，也将直接影响二次电子增益的次数和首次电子碰撞几率的不确定性，造成微通道板输出电子增益的不确定，使噪声因子加大；另外，对EBCCD而言，将造成电子着靶方向的不确定，影响CCD倍增电子率和信号电子在硅体中的迁移过程，使得CCD信号的大小噪声和探测单元之间的信号串扰加大。

3)出射电子速度大小的分散性，不论对IICCD，还是EBCCD，都将对电子的增益系数产生很大影响，特别是IICCD像增强器的增益相关性使得电子数增益呈指数增长，而造成更大的噪声。

本发明对光阴极的逸出电子进行规整，从而改进了噪声。

2.有用光信号的积累增强

为得到更高的微光探测本领，对微光成像系统而言，最根本的问题需解决低照度下如何进行长时间的光子信号积累，这种方法不易直接办到，只有对光生电子进行积累。目前的微光成像系统中，除了光谱公司10^-1¹lx的技术原理未公开外，其它的研究均只是在CCD探测器如何能够长时间的积累信号，基于优质的硅单晶，最高的光生电子的积累时间也只有几十秒。本发明设计的微通电子瓶板和简单磁镜外加磁场透镜的两种结构，耦合在光阴极和电子光学透镜之间，因其采用磁镜原理，对电子的约束性存储可以长达几个星期，从而平衡了微光探测所需时间长而CCD的信号积累时间短的矛盾，这样便会有足够的微弱图像信号的积累时间，提高光电成像系统照度探测极限。

下面用光信号积累时间与照度的关系来论证本发明的效果：

由照度的定义可得，探测器光敏元在积累时间内接受的光信号总能量QL为：

$Q_l=\frac{1}{683}\∫\∫E_V\mathrm{dadt}---\left(1\right)$

其中E_v为光阴极表面接受的光照度，当E_v随时间及空间分布不变时，所得电子数为：

$N=\mathrm{\η}\frac{Q_L}{E}=\frac{1}{683}\mathrm{\η}\frac{E_V\mathrm{A\λ}}{\mathrm{hc}}t---\left(2\right)$

其中E为单光子能量，A为探测器(光阴极)光敏元面积，t为积累时间，N为光电子数，η为光阴极量子效率。从(2)式可见，EV∝1/t，所以，更低照度需要更长的光照积累时间。

如果我们代入微光成像系统典型的参数，取η＝0.1，A＝10^-10m²＝100μm2＝10×10μm，光波长为600nm，当只有1个电子产生，即N＝1时，则得：

$t=\frac{2.263\×{10}^{-5}}{E_V}---\left(3\right)$

如果E_v＝10^-6lx时，则积累时间t＝22.63s，这是现有微光成像系统能够实现的积累时间，但需要相当好的噪声处理和技术规范，才能实现这样的照度要求。如果照度E_v10^-11lx时，按(3)式则积累时间需要26.2天。当增加探测单元的面积，例如A＝25×10^-10m2＝50×50μm，E_v＝10^-11lx时，需要积累时间1.048天，可见改变探测器的单元面积是提高积累时间的途径之一，但是将不利于成像系统集成和分辨力等因素而受到限制，不是提高微光探测的有效途径。

3.应用磁镜的原理

按照经典磁镜理论，由于电子在磁场中运动时，其回旋半径R与磁感应强度B的关系为：

$R=\frac{{\mathrm{mv}}_0}{\mathrm{eB}}---\left(4\right)$

其中e和m分别为电子的电量和质量。由于R∝1/B，磁场B愈强，半径R愈小，所以，在很强磁场中，每个电子的活动被约束在一根磁感应线附近的很小范围内，亦即，电子回旋轨道的中心只能沿磁感应线作纵向移动，如图8所示。

当电子在磁场中运动时，其所受磁矩M与电子动能、磁感应强度B有如下关系：

$M=\frac{\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2}{B}---\left(5\right)$

在梯度不太大的非均匀磁场中，M不变，因此，当电子进入强磁场时，横向动能增加，纵向动能减少，以至减为0，被返回。而最终电子分布只能是速度大的离出口端近一些，但不能逃出。

每个不同速度大小的电子处于相同磁场中，要想逃逸，就得历经相同的磁场梯度障碍，因此引出电场能够使距离出口端不同和大小、方向不同的电子以比较集中的速率出射，达到聚拢速度的目的。根据能量守恒，减小的纵向动能全部转化为横向动能，电子再经电子透镜聚焦后能够以靶面法线为轴的锥角入射，但是不论微通道板还是直接轰击CCD，掠射的电子具有更高的二次电子增益，只要相同锥角、相同速率入射，增益更趋于稳定值，就有利于降低探测噪声。

将磁镜装置应用在微光探测成像系统中，规整了光阴极逸出电子速度，降低了系统噪声；起到电子透镜的作用，聚焦电子；有效提高光信号积累时间，所以可以使其探测到更低的微弱图像信号，达到增进微光成像系统探测极限的目的。

Claims (7)

1.一种提高成像系统微光探测性能的像增强器，包括光阴极、电子透镜、微通道板和荧光屏，其特征在于，在光阴极和电子透镜之间设置一磁镜，磁镜贴近光阴极的一侧。

2.按照权利要求1所述的像增强器，其特征在于，所述的磁镜为微通电子瓶板结构，包括三个半径相等、平行放置的线圈，从贴近光阴极处依次作为第一励磁线圈(4)、电子能量释放线圈(1)和第二励磁线圈(10)，第一励磁线圈(4)和电子能量释放线圈(1)靠近放置，第一励磁线圈(4)和第二励磁线圈(10)的间距大于或等于线圈半径，所述第一励磁线圈(4)和第二励磁线圈(10)的轴向端面内且与轴向端面平齐分别设置有永磁质板(8)，两块永磁质板(8)之间连接一抗磁质板(2)，两块永磁质板(8)和抗磁质板(2)上开有与线圈轴向一致的通孔，作为单通道磁镜端口(7)，且永磁质板(8)和抗磁质板(2)上的通孔相通，励磁电流和两个励磁线圈间距可以调节，用来产生不同大小的磁镜比。

3.按照权利要求2所述的像增强器，其特征在于，所述的永磁质板(8)的厚度与线圈横截面的宽度相等。

4.按照权利要求1所述的像增强器，其特征在于，所述的磁镜为微通电子瓶板结构，包括三个半径相等、平行放置的线圈，从贴近光阴极处依次作为第一励磁线圈(4)、电子能量释放线圈(1)和第二励磁线圈(10)，第一励磁线圈(4)和电子能量释放线圈(1)靠近放置，第一励磁线圈(4)和第二励磁线圈(10)的间距大于或等于线圈半径，所述第一励磁线圈(4)和第二励磁线圈(10)的轴向端面内且与轴向端面平齐分别设置有永磁质板(8)，两块永磁质板(8)之间连接一抗磁质板(2)，两块永磁质板(8)和抗磁质板(2)上开有与线圈轴向一致的通孔，作为单通道磁镜端口(7)，且永磁质板(8)和抗磁质板(2)上的通孔相通，调节两块永磁质板(8)之间的间距，可以获得不同镜比的阵列永磁磁镜场。

5.按照权利要求2或4所述的像增强器，其特征在于，所述的单通道磁镜端口(7)的直径为6～50μm。

6.按照权利要求1所述的像增强器，其特征在于，所述的磁镜为简单磁镜外加电子聚焦透镜结构，包括四个半径相等的线圈，从贴近光阴极处依次作为第一励磁线圈(4)、电子能量释放线圈(1)、第二励磁线圈(10)和第三励磁线圈(11)，第一励磁线圈(4)为电子入口端，第三励磁线圈(11)为电子出口端，所述的电子能量释放线圈(1)与第一励磁线圈(4)紧靠放置，第一励磁线圈(4)和第二励磁线圈(10)的间距大于线圈的半径，用以形成磁镜场，第二励磁线圈(10)和第三励磁线圈(11)的间距小于或等于线圈的半径，用以形成磁聚焦场。

7.按照权利要求1所述的像增强器，其特征在于，所述的磁镜为简单磁镜外加电子聚焦透镜结构，包括三个半径相等的线圈，从贴近光阴极处依次作为第一励磁线圈(4)、电子能量释放线圈(1)和第二励磁线圈(10)，所述的电子能量释放线圈(1)与第一励磁线圈(4)紧靠放置，第一励磁线圈(4)和第二励磁线圈(10)的间距大于线圈的半径，用以形成磁镜场，第二励磁线圈(10)的后面还设置有用以形成电聚焦场的电极板。

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