CN101393052B - 基于二代倒像式像增强器在常温下局部选通的微光探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于二代倒像式像增强器在常温下局部选通的微光探测器，包括探测器壳体，探测器壳体分为上下两腔体，上腔体内依次设置有测光CCD、视频采集模块、现场可编程门阵列、液晶驱动模块、电源和显示屏，上腔体外部与测光CCD相接的一端设置有镜头A，上腔体的另一端设置有按钮，下腔体内依次设置有液晶板、磁镜阵列像增强器、光纤光锥和成像CCD，下腔体外部与液晶板相连接的一端设置有镜头B，镜头A与镜头B并排设置。本发明探测器改变了现有CCD对光信号积累的方式，同时采用HTPS液晶板，对光强进行自动局部选通控制，具有较大的动态使用范围，可在10^-8lx到10⁵lx光强范围内正常工作并清晰成像。

Description

基于二代倒像式像增强器在常温下局部选通的微光探测器

技术领域

本发明属于光电成像探测技术领域，涉及一种微光探测器，具体涉及一种基于二代倒像式像增强器在常温下局部选通的微光探测器。

背景技术

微光夜视技术广泛应用于交通、电视、通讯、医药卫生、军事等领域。经过近30年的高速发展，如何改善微光成像系统探测的动态范围已成为该领域的一项重要课题，而解决这一课题的关键在于如何提高微光探测极限以及如何在强光下正常成像而不损害探测器。

在提高微光探测极限方面，国外已研制出探测极限为10^-9lx照度的CCD(Charge Coupled Device)摄像机，德国B&M光谱公司在-150℃温度下，将CCD摄像机的探测极限提高至10^-11lx。低温微光探测器件具有很高的信噪比，但其体积笨重、技术难度高、造价昂贵，应用领域十分有限。我国已在微光(10^-6lx)领域展开了广泛的研究，中科院西安光学精密机械研究所和长春光学精密机械研究所对超二代像增强器进行了深入的研究，北京理工大学、南京理工大学在提高夜视仪成像质量方面也已进行了多年的研究探讨，西安应用光学研究所及北方夜视技术股份有限公司在三代像增强器的研究中也已进入了实验室阶段。

在如何适应强光方面，国外现有的第四代像增强器，在光电阴极上施加脉冲式自动通断电压，使得光照极强时减少进入微通道板的电子流，避免其饱和，产生的图像始终均匀一致；另外，自动门控作为另一种实现选通的方法，允许像管在照明区域和白天仍产生对比度良好的高分辨率影像，而不产生模糊的影像，扩大了微光像增强器的动态使用范围，但是该技术的细节对我国实行封锁。中国科学院西安光机所的黄林涛等人针对二代像增强器的缺点，设计了自动门控电源取代直流高压电源为第二代像增强器供电的方案，一定程度上提高了二代像增强器的动态使用范围。西安北方光电公司的孙亚芬等人利用光学系统进行自动光强控制来保护强光条件下工作的像增强器。

但是，在提高探测极限方面，上述研究开发的各种装置虽然对像增强器所产生的电子有加强和倍增的作用，但并没有能够将电子进行有效的积累，而仅仅是通过CCD对光子信号进行长时间的积累，因此，CCD的性能在很大程度上限制了微光探测极限由10^-6lx提高到10^-8lx；而在实现强光探测方面，现有的探测器皆为整体选通，对某个区域等于或大于10^-5lx的过强光无法进行局部控制，影响了成像质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于二代倒像式像增强器在常温下局部选通的微光探测器，不仅将微光探测极限由10^-6lx提高到10^-8lx，而且可对10^-5lx的过强光进行局部选通，并保证成像质量。

本发明所采用的技术方案是，一种基于二代倒像式像增强器在常温下局部选通的微光探测器，包括探测器壳体，探测器壳体分为上下两腔体，上腔体内依次设置有测光CCD、视频采集模块、现场可编程门阵列、液晶驱动模块、电源和显示屏，上腔体外部与测光CCD相接的一端设置有镜头A，上腔体的另一端设置有按钮，下腔体内依次设置有液晶板、磁镜阵列像增强器、光纤光锥和成像CCD，下腔体外部与液晶板相连接的一端设置有镜头B，镜头A与镜头B并排设置。

本发明的特征还在于，

磁镜阵列像增强器包括平行设置的多碱光阴极和微通道板，由多碱光阴极至微通道板之间依次设置有前置静电聚焦电子光学系统、磁镜阵列装置和后置静电聚焦电子光学系统，微通道板的外侧设置有荧光屏。

磁镜阵列装置为二维栅状面阵，包括环形的支架，支架的环内设置有栅状永磁体，栅状永磁体横向并排设置有多个通孔，该通孔穿过栅状永磁体的每道栅，每道栅上相对应的通孔位于同一条轴线，构成栅状且整齐排列的多个微磁镜阵列，栅状永磁体沿支架轴线方向的两侧分别设置有电极，电极与栅状永磁体之间设置有垫圈。

液晶板安装于磁镜阵列像增强器前的光学系统中，通过光纤面板耦合于多碱光阴极前，并位于该光学系统的成像面。

本发明探测器的有益效果是，

1.在像管内部对光电子进行积累，取代了通常采用的CCD积累光信号方式，一定程度上减小了对CCD的依赖性。

2.采用二维面阵磁镜阵列装置，降低了光电阴极出射电子在磁镜中的逃逸概率，对光电子信号进行更加有效的积累，扩大了对微光像增强器所产生的电子的有效利用。

3.不需要低温装置，在常温下将微光成像探测极限增至10^-8lx的照度。

4.由于磁镜采用剩磁较大的铷铁硼永磁材料，居里温度为312℃，可以在常温下很好地对光电子进行积累，并可以通过较长时间的积累实现对极微弱光信号的增强，达到10^-8lx照度下的清晰成像。

5.采用液晶板对目标景物的光强进行局部透光控制，在强光条件下保护光阴极及微通道板。

6.可根据要求适当调节液晶板的电压与透过率的关系，实现微光探测器在10⁵lx照度环境下的正常工作。

7.单个像素点可以独立控制，实现局部光强选通。

附图说明

图1是本发明探测器的结构示意图；

图2是本发明探测器中磁镜阵列像增强器的结构示意；

图3是本发明探测器中磁镜阵列装置的结构示意图；其中，a是主视图，b是内部结构展开图；

图4是本发明探测器的工作原理图；

图5是本发明探测器的磁镜阵列装置中单个微磁镜单元产生的磁镜场对电子的约束原理图；

图6是本发明探测器中采用的液晶的响应时间与电压幅值的关系曲线图。

图中，1.镜头A，2.镜头B，3.测光CCD，4.视频采集模块，5.现场可编程门阵列，6.液晶驱动模块，7.电源，8.探测器壳体，9.空腔A，10.显示屏，11.按钮，12.隔板，13.成像CCD，14.空腔B，15.光纤光锥，16.磁镜阵列像增强器，17.液晶板，18.多碱光阴极，19.磁镜阵列装置，20.微通道板，21.荧光屏，22.后置静电聚焦电子光学系统，23.前置静电聚焦电子光学系统，24.微磁镜阵列，25.栅状永磁体，26.支架，27.电极，28.垫圈。

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。

本发明探测器的结构，如图1所示。包括中空的探测器壳体8，探测器壳体8内部通过隔板12分为空腔A9和空腔B14，空腔A9内依次设置有测光CCD3、视频采集模块4、现场可编程门阵列5、液晶驱动模块6、电源7和显示屏10，空腔A9的外部与测光CCD3相接的一端设置有镜头A1；空腔B14内依次设置有液晶板17、磁镜阵列像增强器16、光纤光锥15和成像CCD 13，空腔A9的另一端设置有按钮11，空腔B14的外部与液晶板17相连接的一端设置有镜头B2，镜头A1与镜头B2并排设置。

本发明探测器中磁镜阵列像增强器16的结构，如图2所示。包括平行设置的多碱光阴极18和微通道板20，由多碱光阴极18至微通道板20之间依次设置有前置静电聚焦电子光学系统23、磁镜阵列装置19和后置静电聚焦电子光学系统22，微通道板20的外侧设置有荧光屏21。

本发明探测器中磁镜阵列装置19的结构，如图3a、3b所示。包括采用铜或陶瓷制成的外圆内方的环形支架26，支架26的内侧壁为卡口，支架26的方形环内设置有由永磁材料铷铁硼制成的栅状永磁体25，栅状永磁体25通过支架26内侧壁的卡口与支架26固接，将栅状永磁体25横向充磁且并排打多个通孔，同时沿支架26轴线方向的两侧各设置一层电极27，该电极27栅状永磁体25两侧分别镀的一层渗透电极，或采用由金属制成的栅电极，电极27与永磁体之间用陶瓷制成的垫圈28隔离，每道栅上相对应的通孔位于同一条轴线，构成栅状且整齐排列的多个微磁镜阵列24。

磁镜阵列像增强器16中的微通道板20和CCD的像素单元排列呈二维面阵分布，为与微通道板20及CCD相匹配，并降低对成像系统空间分辨率的影响，将磁镜阵列装置19设计为二维栅状面阵结构，磁镜阵列装置19中的每一微磁镜阵列24的限度由小孔孔径及相邻孔间距的大小控制，并通过前置静电聚焦电子光学系统23和后置静电聚焦电子光学系统22将磁镜阵列装置19与微通道板20的微通道进行耦合，以达到每个微磁镜阵列24与微通道板20的各个微通道一一对应。该磁镜阵列装置19通过每个微磁镜阵列24收集多碱光阴极18射出的电子，并对电子进行长时间的磁约束，构成一种新的光电子接收器。

本发明探测器中的液晶板17选用高温多晶硅薄膜晶体管液晶显示板HTPS TFT-LCD。该液晶显示板为有源矩阵驱动方式的透过型LCD，具有小型、高精细、高对比度、驱动器可内置等特点。外形尺寸3.3cm(对角线)，内置源矩阵驱动电路，逐点寻址，点阵数1024(H)×768(V)＝786,432；其内部的液晶采用扭曲向列型液晶材料制作，内置无串扰电路和无鬼线电路，提高显示质量，在光波长为630nm时，透过率为30％。高温多晶硅薄膜晶体管液晶显示板具有快速响应的特性，适合光学信息处理，输入信号电压为1024×768的8位位图，即灰度为2⁸＝256阶的灰度图，不加电压时，显示图像为255灰度，施加到单像素的电压与输入图像的灰度值成非线性关系。液晶板17安装于像增强器前的光学系统中，通过光纤面板耦合于多碱光阴极18前，并位于光学系统的成像面。

本发明探测器的工作原理，如图4所示。工作时探测器中的磁镜阵列像增强器16与液晶板17相互配合，根据不同光强的光照，该探测器的工作情况为：

1.对弱光的选通探测：

仅开启镜头A1、测光CCD3、视频采集模块4、现场可编程门阵列5、液晶控制模块6和液晶板17。通过镜头A1采集图像信息，并将该图像信息传输给测光CCD3，测光CCD3接收镜头A1采集到的图像信息，形成视频信号，将该视频信号输送至视频采集模块4，视频采集模块4将接收到的视频信号转换为数字信号，然后将该数字信号传输给现场可编程门阵列5，现场可编程门阵列5对接收的数字信号进行扫描。如果所有像素光强值均小于磁镜阵列像增强器16正常工作的最大阈值，则现场可编程门阵列5不对数字信号进行处理，将全透信号传至液晶板17，使液晶板17各像素点的透过率为最大。此时，开启镜头B2、磁镜阵列像增强器16和成像CCD13，通过现场可编程门阵列5对磁镜阵列像增强器16进行控制，磁镜阵列像增强器16中的磁镜阵列装置19开始对弱光信号进行积累，并人为控制积累时间，弱光信号积累达到成像CCD13的成像阈值时，通过磁镜阵列装置19两端的电极施加电压，将磁镜阵列装置19中积累的电子引入微通道板20，并轰击荧光屏21，使成像CCD13接受经过增强后的图像信息，达到探测弱光的目的。

2.对光从弱到强的选通探测：

仅开启镜头A1、测光CCD3、视频采集模块4、现场可编程门阵列5、液晶控制模块6和液晶板17。通过镜头A1采集图像信息，并将该图像信息送至测光CCD3，测光CCD3接收图像信息，形成视频信号，然后，将该视频信号输送至视频采集模块4，视频采集模块4将接收的视频信号转换为数字信号，并将该数字信号传至现场可编程门阵列5，现场可编程门阵列5同对接收的数字信号进行扫描。如果该数字信号中的部分像素光强超过磁镜阵列像增强器16正常工作的最大阈值，则通过现场可编程门阵列5找到过曝像素点，在NIOS处理器软件平台下，用C++语言根据基于YUV颜色模式的图像处理算法对该行像素点图像信号进行重新赋值，并将处理过的图像信号逐行写入SRAM中，最后，通过DMA中断传输，将SRAM中的数据写入液晶驱动电路6，对过曝像素点采用较低透过率，其他低于阈值的像素点保持最大透过率，输出满足合适对比度的输出信号，完成对液晶板17各个像素点的控制。开启镜头B2、磁镜阵列像增强器16和成像CCD13，通过现场可编程门阵列5控制磁镜阵列像增强器16中的磁镜阵列装置19对光电子进行积累，并人为控制积累时间，磁镜阵列装置19积累的光电子达到成像CCD13的成像阈值时，在磁镜阵列装置19两端的电极施加电压，将积累的电子引入微通道板20，并轰击荧光屏21，使成像CCD13接受经过增强后的图像信息，实现弱光背景下出现局部强光时的正常工作和清晰成像的功能。

3.对强光的选通探测：

开启镜头A1、测光CCD3、视频采集模块4、FPGA5、液晶控制模块6和液晶板17，通过镜头A1采集图像信息，并将该图像信息传至测光CCD3，测光CCD3接收图像信息，并形成视频信号，然后，将该视频信号输送给视频采集模块4，视频采集模块4将接收的视频信号转换为数字信号，并将该数字信号传给现场可编程门阵列5，现场可编程门阵列5对接收的数字信号进行扫描。如果该数字信号中的全部像素光强均超过磁镜阵列像增强器16正常工作的阈值，则通过现场可编程门阵列5找到光强相对较强的像素点，对所有像素输出较低透光率信号，并对光强大于10⁵lx的过强光输出最小透过率信号。此时，开启镜头B2、磁镜阵列像增强器16和成像CCD13，在磁镜阵列装置19两端的电极施加恒定电压，使得多碱光阴极18出射的电子能够顺利通过磁镜阵列装置19直接进入微通道板20，并轰击荧光屏21，使成像CCD13接受经过增强后的图像信息，实现强光下正常成像的功能。

本发明探测器的磁镜阵列装置19中单个微磁镜单元产生的磁镜场对电子的约束原理图，如图5所示。磁镜是一种中间弱(设为B₁)、两端强(设为B₂)的特殊磁场位形。图5所示的是两个磁场方向相同且间隔一段距离平行放置的永磁环所构成的简单磁镜场，磁镜中的缓变磁场约束电子是通过电子产生的磁矩守恒效应来实现。当磁场B随时间和空间缓变时，磁场中电子的磁矩大小为一常数，电子磁矩可用以下公式表示：

$\mathrm{\μ}=\frac{\frac{1}{2}m{v}_{\⊥}^2}{B}---\left(1\right)$

式中，v_⊥是垂直于磁场方向电子的横向速度；m为电子质量；B为磁感应强度。

由于洛伦兹力对电子不作功，因此从磁镜中部入射的电子，其总能量守恒，即横向动能和平行于磁场方向的纵向动能之和不变。当电子在磁镜场中运动时，磁场B的变化导致横向动能不断变化，从而导致横向动能与纵向动能互相转化，电子运动轨迹也就形成了类似“反射”现象的运动。

磁镜场对电子的束缚能力越强越好，但总有一部分电子穿过磁镜两端(也叫磁喉)的最大磁场B₂处逃出磁镜。电子逃出磁镜束缚的条件是在磁镜中心最弱磁场B₁处的电子速度分量V和V_⊥需满足如下关系：

$\frac{V_{\&perp;}}{V_0}<\sqrt{\frac{B_1}{B_2}}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\&gamma;}}}---\left(2\right)$

式中，γ＝B₂/B₁为磁镜比；V₀为电子进入磁镜的初始速度。

制备完成的磁镜阵列装置19，其磁镜比γ为固定值。从(2)式可知，如果V_⊥/V₀足够大，且大于

时，电子就不能从磁镜中逃出；而且磁镜比γ越大，从磁喉处跑出来的电子就越少，磁镜的约束效果就越好。

本发明探测器中磁镜阵列装置19的噪声分析，

磁镜阵列装置19作为中间部件引入像增强器，其本身的结构和性能对整个成像系统产生一定的影响，包括由于碰撞导致电子在磁力线间的跃迁，以及磁镜本身所固有的逃逸锥等因素。在像素尺寸内的磁力线跃迁不会对图像的完整传递产生影响，因此，逃逸锥给成像系统带来的噪声才是在微光成像过程中需要关心的问题。

根据磁镜原理，电子入射到轴线附近某一位置时，该点的磁场强度与磁喉处最大磁场的比值B(z)/B_max决定了该位置逃逸锥角θ(z)的大小，通过推导得出轴线上任意位置逃逸锥角的表达式为：

只有入射方向与轴线夹角大于逃逸锥角的电子才能被磁场束缚，否则，电子将从磁镜装置中逃逸，影响微光信号的长时间积累和成像效果。

本发明探测器中的磁镜阵列装置19可使电子的入射方向与轴线之间保持较小夹角，同时电子的入射能量和磁镜的最小磁场也满足相应的要求，入射的电子就被磁镜束缚，而不能逃逸，因此，磁镜阵列装置19带来的逃逸噪声很小。

本发明像增强器中的磁镜阵列装置19，配合性能较好的多碱光阴极6，可以在2～3小时的积累时间内，实现10^-8lx照度下的清晰成像。

液晶的响应时间分析，

液晶的响应时间是一个非常重要的参数，反应液晶各像素点对输入信号的反应速度，不同的应用对液晶的响应速度有不同的要求，但是单独讨论某一种液晶材料的响应时间没有实际意义，必须将其加入电路构成液晶模块，对该液晶模块的响应时间进行分析。

采用650nm，4mW的SZ-04激光器、GOS620示波器以及JD-3照度计，通过输入液晶的信号与输出液晶信号之间的相位差对液晶模块的响应时间进行测量。得到如图6所示的液晶响应时间与电压幅值的关系曲线(示波器的时间灵敏度为1ms)。然后，通过计算得到液晶模块的响应时间在22ms左右，处在16.7ms左右即能够实现对于液晶模块响应时间的要求，能够及时、快速地对光强的动态变化做出反应。

本发明探测器通过磁镜阵列像增强器16内部设置的磁镜阵列装置19对多碱光阴极18逸出的光电子进行长时间的积累，取代现有的CCD对光信号积累的方式，同时采用HTPS液晶板，实现对光强的自动局部选通控制。使得探测器具有较大的动态使用范围，可在10^-8lx到10⁵lx光强范围内正常工作并清晰成像。

Claims (3)

1.一种基于二代倒像式像增强器在常温下局部选通的微光探测器，其特征在于，包括探测器壳体(8)，探测器壳体(8)分为上下两腔体，上腔体内依次设置有测光CCD(3)、视频采集模块(4)、现场可编程门阵列(5)、液晶驱动模块(6)、电源(7)和显示屏(10)，上腔体外部与测光CCD(3)相接的一端设置有镜头A(1)，上腔体的另一端设置有按钮(11)，下腔体内依次设置有液晶板(17)、磁镜阵列像增强器(16)、光纤光锥(15)和成像CCD(13)，下腔体外部与液晶板(17)相连接的一端设置有镜头B(2)，镜头A(1)与镜头B(2)并排设置，所述的磁镜阵列像增强器(16)包括平行设置的多碱光阴极(18)和微通道板(20)，由多碱光阴极(18)至微通道板(20)之间依次设置有前置静电聚焦电子光学系统(23)、磁镜阵列装置(19)和后置静电聚焦电子光学系统(22)，微通道板(20)的外侧设置有荧光屏(21)。

2.按照权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述的磁镜阵列装置(19)为二维栅状面阵，包括环形的支架(26)，支架(26)的环内设置有栅状永磁体(25)，栅状永磁体(25)横向并排设置有多个通孔，所述通孔穿过栅状永磁体(25)的每道栅，每道栅上相对应的通孔位于同一条轴线，构成栅状且整齐排列的多个微磁镜阵列(24)，所述的栅状永磁体(25)沿支架(26)轴线方向的两侧分别设置有电极(27)，电极(27)与栅状永磁体(25)之间设置有垫圈(28)。

3.按照权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述的液晶板(17)安装于磁镜阵列像增强器(16)前的光学系统中，通过光纤面板耦合于多碱光阴极(18)前，并位于该光学系统的成像面。

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