CN101404237B - 一种常温下提高微光成像系统探测性能的像增强器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种常温下提高微光成像系统探测性能的像增强器，包括相对设置的光电阴极和微通道板，光电阴极和微通道板之间、由光电阴极向微通道板依次设置有前置静电聚焦电子光学系统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，前置静电聚焦电子光学系统与后置静电聚焦电子光学系统之间设置有一磁镜阵列装置。本发明的像增强器扩大了对微光电子的有效利用，降低了光电阴极出射电子在磁镜中的逃逸概率，常温下对光电子信号进行更加有效的积累，实现对极微弱光信号的增强，达到在10-8lx照度下的清晰成像。

Description

一种常温下提高微光成像系统探测性能的像增强器

技术领域

本发明属于微光成像探测技术领域，涉及一种常温下提高微光成像系统探测性能的像增强器。

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，已研制出探测极限为10^-9lx照度的CCD(chargecoupled 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，导致应用领域十分有限，因此，提高常温下微光成像系统的探测极限更为切合实际。

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。

但是，常温下，要达到更高的微光照度探测极限，必须解决低照度下如何进行长时间光子信号积累的问题。目前，所应用的各种微光探测装置，如像增强型ICCD(Intensified Charge Coupled Devices)和电子倍增型EMCCD(Electron Multiplying CCD)等，虽然各自采用不同的光信号增强方式，但对光信号的积累却都是通过CCD的长时间积分来完成，在此过程中，产生的热噪声和边角亮光等诸多因素严重影响成像质量，因此，CCD的性能直接限制了微光探测极限的提高。

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，在很大程度上限制了微光探测极限由10^-6lx提高到10^-8lx。

发明内容

本发明的目的是提供一种常温下提高微光成像系统探测性能的像增强器，对光电阴极逸出的电子进行约束，取代使用CCD长时间积分的方式，突破CCD对微光探测性能的限制，常温下，经过几个小时的积累时间，能实现微光10^-8lx照度的微光成像探测能力。

本发明所采用的技术方案是，一种常温下提高微光成像系统探测性能的像增强器，包括相对设置的光电阴极和微通道板，光电阴极和微通道板之间、由光电阴极向微通道板依次设置有前置静电聚焦电子光学系统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，前置静电聚焦电子光学系统与后置静电聚焦电子光学系统之间设置有一磁镜阵列装置。

本发明的特征还在于，

磁镜阵列装置为二维栅状面阵，包括环形支架，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，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。

电极为渗透电极，或为金属制成的栅电极。

栅状永磁体选用永磁材料铷铁硼制成。

垫圈选用陶瓷制成。

支架选用铜或陶瓷制成。

本发明像增强器的有益效果是：

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，从而在一定程度上减小了对CCD的依赖性，构成了一种新型的微光成像探测器件。

2.扩大了对微光像增强器所产生的电子的有效利用，提出一种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。

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，从而达到在10^-8lx照度下的清晰成像。

附图说明

图1是本发明像增强器的结构示意图；

图2是本发明像增强器中磁镜阵列装置的侧视图；

图3是本发明像增强器中磁镜阵列装置的主视图；

图4是本发明像增强器中磁镜阵列装置的内部结构视图；

图5是本发明像增强器的磁镜阵列装置中单个微磁镜单元产生磁镜场的原理图；

图6是本发明像增强器中磁镜阵列装置的调制传递函数与空间频率的关系曲线；其中，a是分辨率沿X轴方向与空间频率的关系曲线，b是分辨率沿Y轴方向与空间频率的关系曲线。

图中，1.微磁镜阵列，2.栅状永磁体，3.支架，4.电极，5.垫圈，6.光电阴极，7.微通道板，8.前置静电聚焦电子光学系统，9.荧光屏，10.磁镜阵列装置，11.后置静电聚焦电子光学系统。

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。

本发明像增强器的结构，如图1所示。包括光电阴极6和微通道板7，光电阴极6和微通道板7之间、由光电阴极6向微通道板7依次设置有前置静电聚焦电子光学系统8、磁镜阵列装置10和后置静电聚焦电子光学系统11，微通道板7的外侧设置有荧光屏9。

本发明像增强器中磁镜阵列装置的结构，如图2、图3、图4所示。包括采用铜或陶瓷制成的外圆内方的环形支架3，支架3的内侧壁为卡口，支架3的方形环内设置有由永磁材料铷铁硼制成的栅状永磁体2，栅状永磁体2通过支架3内侧壁的卡口与支架3固接，栅状永磁体2在垂直于栅状磁片的方向(横向)充磁并设置有多个通孔，栅状永磁体2沿支架3轴线方向的两侧各设置有一层电极4，该电极4为栅状永磁体2两侧分别镀的一层渗透电极，或由金属制成的栅电极，电极4与栅状永磁体2之间设置有陶瓷制成的垫圈5，栅状永磁体2的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1。

本发明像增强器中的微通道板7和CCD的像素单元排列呈二维面阵分布，为与微通道板7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10设计为二维栅状面阵结构，磁镜阵列装置10中的每一微磁镜阵列1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8和后置静电聚焦电子光学系统11将磁镜阵列装置10与微通道板7的微通道进行耦合，以达到每个微磁镜阵列1与微通道板7的各个微通道一一对应。该磁镜阵列装置10通过每个微磁镜阵列1收集光电阴极6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。

核聚变中的磁镜装置采用线圈通强电流产生磁场，若将该线圈引入本发明像增强器中，线圈产生的热辐射将给系统带来很大的噪声，因此，本发明像增强器中的磁镜阵列装置10采用不受温度影响的永磁材料制成。为了尽可能降低微磁镜阵列1的结构对系统空间分辨率的影响，在光电阴极6与磁镜阵列装置10之间设置了前置静电聚焦电子光学系统8，在磁镜阵列装置10与微通道板7之间设置了后置静电聚焦电子光学系统11。

本发明像增强器的工作原理：

拍摄图像开始，开启光电阴极6及静电聚焦电子光学系统，后续部件电位保持与前置静电聚焦电子光学系统8相同，此时只通过微磁镜阵列1对光电阴极6出射的光电子进行积累；当光电子积累到正常成像所需的条件，调高后置静电聚焦电子光学系统11和微通道板7的电位，并在两个栅电极4增加电压，产生电场力，通过电场力的作用将磁镜中的电子引出，经静电聚焦系统进入微通道板7。由于每个微磁镜阵列1对应微通道板7的一个通道，所以，电子在各磁镜场中磁力线的跃迁不会对图像信息产生影响，图像信息保持完整，完成二维电子图像的传递。

磁镜阵列装置10为栅状，在磁镜两端增加电压后，从磁镜射出的电子流也为栅状，因此经过微通道板7及CCD成像后的图形是不完整的栅状图像，在像增强器内部设置一个机械装置或压电陶瓷装置，将磁镜阵列沿z轴方向进行微小距离的往返移动，每次移动的距离根据栅状永磁体2每道栅之间的缝隙与每道栅的厚度决定。例如，缝隙为15μm，每道栅厚度为30μm，第一次拍摄结束后需将磁镜阵列移动两次15μm的距离，即对目标进行三次曝光拍摄，得到三幅栅状图片，然后，通过图像处理技术将该三幅栅状图片整合为一幅完整的图像，完成一次完整的微光图像拍摄。若像增强器内部不设置机械装置，则在镜头处设置一个能够往返移动的微型马达，用于拍摄静物时进行微小距离的往返移动，效果与磁镜阵列中的移动装置相同，可弥补无法一次完成整幅图像拍摄的缺点。

磁镜应用于成像系统提高探测极限的原理

1.磁镜约束电子的原理

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：

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

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：

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

其中，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10，其磁镜比γ为固定值。从(2)式可知，如果V₁/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。

2.磁镜阵列装置的工作原理

磁镜阵列装置10中的一个微磁镜单元，利用矩形永磁环所产生的单个磁镜场的示意图，图5所示。从光电阴极6和磁镜阵列装置10之间设置的静电聚焦电子光学系统8出射的光电子流正入射至磁镜场的中部，即从垂直于z轴方向射入两个永磁环之间的任意位置，且当光电子流的入射能量与磁场强度相匹配时，光电子被磁镜场所束缚。采用该正入射方式，光电子的逃逸概率降至最低。对于入射到永磁体表面，没有入射到缝隙中的光电子，由于永磁材料具有较强的导电能力，该光电子通过永磁体两侧的栅电极4导出像增强器。

3.磁镜阵列装置的噪声

将磁镜阵列装置引入像增强器后，作为中间部件，它本身的结构和性能将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。

根据上述磁镜原理，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。

控制磁镜内部磁场分布的参量：永磁材料的剩磁B_r、永磁环的长a、永磁环的宽b、永磁环的厚度h、永磁环的间距d、单圆孔半径R和磁镜轴线上的任一坐标值z。可得出电子的入射方向与轴线之间的最小夹角，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10带来的逃逸噪声很小。

本发明像增强器中的磁镜阵列装置10，配合性能较好的光电阴极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。

4.磁镜阵列装置的分辨率分析

调制传递函数(MTF)能够综合反映成像器件的分辨率特性。

磁镜阵列装置10作为线性不变成像系统中的一个部件。磁镜阵列装置的单元为圆形，相邻两单元之间存在一定的间隔，光电子被微磁镜阵列1中相邻两个微磁镜单元之间的矩形空间约束，其MTF的计算可以分解为多个矩形“光敏面”，即一个光敏面代替一个微磁镜单元，其尺寸为a×d，则单个光敏面的脉冲响应函数为

其傅里叶变换为

归一化后得到磁镜阵列装置单个“光敏面”的MTF_m-sin：

${\mathrm{MTF}}_{m-\sin }=\left|p(f_x,f_y)\right|=\left|F\right\{\mathrm{rect}(\frac{x}{d},\frac{y}{a})\left\}\right|=\left|\sin c({\mathrm{df}}_x,{\mathrm{af}}_y)\right|---\left(4\right)$

整个磁镜阵列装置，需要在光阴极像面上采样，两个光敏面在X轴相距m、Y轴相距n，用函数表示为其傅里叶变换为p(u，x)＝F{samp(x，y)}＝mn sin c(mf_x，nf_y)，归一化后得采样传递函数MTF_samp：

MTF_samp＝|p(f_x，f_y)|＝|F{samp(x，y)}|＝|sinc(mf_x，nf_y)|    (5)

则磁镜阵列装置的MTF_m是单个磁镜矩形“光敏面”的MTF_m-sin与采样传递函数MTF_samp的乘积，即：

MTF_m＝MTF_m-sin·MTF_samp＝|sin c(df_x，af_y)|·|sin c(mf_x，nf_y)|    (6)

由此可见，沿X轴方向和Y轴方向的调制传递函数MTF不相同。

本发明像增强器中磁镜阵列装置的调制传递函数与空间频率的关系曲线，如图6a、6b所示。当空间频率处于奈奎斯特(Nyquist Frequency)频率，对应的X轴方向和Y轴方向的调制传递函数的值分别达到0.45和0.44左右。所对应人眼的3％MTF值的极限分辨率分别为58lp/mm和23lp/mm。

Claims (5)

1.一种常温下提高微光成像系统探测性能的像增强器，包括相对设置的光电阴极(6)和微通道板(7)，光电阴极(6)和微通道板(7)之间、由光电阴极(6)向微通道板(7)依次设置有前置静电聚焦电子光学系统(8)和后置静电聚焦电子光学系统(11)，微通道板(7)的外侧设置有荧光屏(9)，其特征在于，所述前置静电聚焦电子光学系统(8)与后置静电聚焦电子光学系统(11)之间设置有一磁镜阵列装置(10)，所述的磁镜阵列装置(10)为二维栅状面阵，包括环形支架(3)，所述支架(3)的环内设置有栅状永磁体(2)，栅状永磁体(2)横向并排设置有多个通孔，所述通孔穿过栅状永磁体(2)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(1)，所述的栅状永磁体(2)沿所述支架(3)轴线方向的两侧分别设置有电极(4)，电极(4)与栅状永磁体(2)之间设置有垫圈(5)。

2.根据权利要求1所述的像增强器，其特征在于，所述的电极(4)为渗透电极，或为金属制成的栅电极。

3.根据权利要求1所述的像增强器，其特征在于，所述的栅状永磁体(2)选用永磁材料铷铁硼制成。

4.根据权利要求1述的像增强器，其特征在于，所述的垫圈(5)选用陶瓷制成。

5.根据权利要求1述的像增强器，其特征在于，所述的支架(3)选用铜或陶瓷制成。

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