CN111584331A - 一种降低像增强器点亮光源图像周围亮环亮度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于真空光电器件领域，公开了一种降低像增强器点亮光源图像周围亮环亮度的方法，该方法在MCP输入端镀制金属膜层，镀制时的浸入深度为输入端通道直径的一半，镀膜层的厚度为20nm‑150nm，镀制材料采用低二次电子发射系数的Pt/Pd/Ni/Ag/Au和/或Ir金属材料。本发明通过在输入端通道壁的上面再镀制一层二次电子发射系数较低的金属材料膜并覆盖原有的镍‑铬电极镀膜的办法，降低了MCP输入端产生二次电子的数量，大大降低亮环对亮斑周边目标的干扰。本发明能够大大降低像增强器点光源图像周围亮环的亮度，使微光夜视仪能够在存在点光源的视场中观察目标，而少受到点光源亮点周围亮环的干扰。

Description

一种降低像增强器点亮光源图像周围亮环亮度的方法
技术领域
本发明属于真空光电器件领域，涉及一种改善点亮光源图像的方法，具体涉及一种降低像增强器点亮光源图像周围亮环亮度的方法。
技术背景
微光夜视仪拓展了人眼的视觉功能，使得人们能够在黑暗中看到目标。微光夜视仪之所以能使人眼在黑暗中看到目标，是因为在微光夜视仪中采用了像增强器对微弱光图像进行增强。
随着微光夜视技术的发展，技术日臻成熟，成本不断降低，应用范围越来越广。早期的微光夜视仪主要应用在丛林、山地以及旷野中，然而现在的微光夜视仪不仅在丛林、山地以及旷野中使用，而且还在城市、乡村以及农场中使用。在城市、乡村以及农场与丛林、山地以及旷野有一个根本的区别，那就是丛林、山地以及旷野是一片均匀漆黑的背景，而城市、乡村以及农场不仅是一片均匀漆黑的背景，而且在这一漆黑的背景中还存在一个或几个点亮光源(如路灯、信号灯等)。假如使用微光夜视仪在远处对黑暗中的农场进行观察，但农场中的某一根电杆上还亮着一盏路灯，这一盏灯相当于点亮光源，其在微光夜视仪视场中的图像为一个亮点。但在亮点的周围，还会有一个围绕灯泡图像亮点的亮环，该亮环的直径一般是亮点的2倍以上。由于亮环的存在，会干扰像增强器视场中的目标。例如，在电杆下的目标就会被亮环所干扰。微光夜视仪的这一特点限制了微光夜视仪的应用范围。
亮环产生于像增强器微通道板的电子倍增过程。尽管人们采取了一些措施或技术来试图克服像增强器的这一缺点，例如采用自动门控电源技术、选通技术等，但所取得的实际观察效果均不理想。
发明内容
针对目前像增强器所存在的这一问题，本发明的目的在于提出一种方法，该方法可以大大降低像增强器点光源图像周围亮环的亮度，使微光夜视仪能够在存在点光源的视场中观察目标，而少受到点光源亮点周围亮环的干扰。
点亮光源图像周围产生亮环的原因是像增强器中的微通道板(MicrochannelPlate，MCP) 输入端通道壁产生的二次电子发射。像增强器通常由输入窗、光电阴极、MCP、荧光屏以及输出窗所组成。输入窗为玻璃窗，起支撑光电阴极的作用；光电阴极起光电转换的作用；MCP 起电子倍增的作用；荧光屏起电光转换的作用；输出窗为光纤面板，起支撑荧光屏的作用。当微光夜视仪观察点亮光源时，物镜将点亮光源的像投射在像增强器的输入窗形成入射光斑，该入射光斑投射在光电阴极上并经过光电阴极转换为入射电子束斑，入射电子束斑经过 MCP的倍增，从MCP产生输出电子束斑并激发荧光屏发光，荧光屏发出的光从输出窗输出。输出的图像包括点亮光源的图像A，也包括亮环的图像A’。亮环产生的原因是来自光电阴极的入射电子中的一部分与MCP输入端的通道壁发生碰撞，由于碰撞产生的二次电子发射所致。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
在MCP输入端镀制金属膜层，镀制时的浸入深度为输入端通道直径的一半，镀制材料采用低二次电子发射系数金属材料。
进一步地，所述的金属材料为Pt/Pd/Ni/Ag/Au和/或Ir。
进一步地，所镀膜层的厚度为20nm-150nm。
本发明的镀制步骤包括：
S1准备，将真空烘箱的温度设定在150℃备用；
S2清洗，将MCP放入MCP清洗架中，然后将MCP清洗架再放入烧杯中，并在烧杯中放入乙丙醇，将烧杯放入超声波清洗机中，清洗5-8分钟；然后取出MCP清洗架并放入真空烘箱中，并对烘箱进行抽真空，烘箱的真空度应优于5×10-1Pa，使MCP清洗架以及MCP在真空烘箱中烘烤至少1小时；烘烤完成以后，停止抽真空，向真空烘箱充入氮气，当烘箱内外的气压达到平衡时，打开真空烘箱，取出MCP，放入包装盒中。
S3镀膜，将MCP从包装盒中取出并装入MCP镀膜夹具中,之后再将MCP镀膜夹具放入镀膜机中；控制MCP输入端的原有金属电极的浸入深度为通道直径的一半；关闭镀膜机门，开始抽真空，当镀膜机的真空度优于5×10-3Pa时，打开蒸发器，开始镀膜；控制蒸镀速率不大于2nm/s，控制镀膜机的公转速率为10转/分～15转/分；镀膜完成以后，停止抽真空，并向镀膜机腔体中充入氮气。
S4结束镀膜，当镀膜机真空室内外压力达到平衡时，打开镀膜机门，取出MCP镀膜夹具，然后再从夹具上取出MCP并立即装入MCP的包装盒中。
本发明的原理及有益效果是：
对于普通的MCP，通道壁上的材料为镍-铬电极，为了减小通道壁上镍-铬电极的二次电子发射系数，在该通道壁的上面再镀制一层二次电子发射系数较低的金属材料膜，以覆盖原有的镍-铬电极镀膜。
本发明在MCP的输入端镀制一层低二次电子发射系数金属材料以后，产生二次电子的数量就会较少，因此因二次电子在荧光屏上产生的亮环的亮度会大大降低，这样就会大大降低亮环对亮斑周边目标的干扰。
本发明能够大大降低像增强器点光源图像周围亮环的亮度，使微光夜视仪能够在存在点光源的视场中观察目标，而少受到点光源亮点周围亮环的干扰。
附图说明
图1、像增强器成像原理图。
图2、MCP单根通道电子倍增示意图。
图3、入射电子及MCP。
图4、亮环产生的原理示意图。
图5、MCP镀膜原理示意图。
图6、MCP镀膜夹具转动示意图。
图7、MCP输入端所镀金属膜层示意图。
其中：
1、输入窗；2、光电阴极；3、MCP；3-1、通道孔；3-2、通道壁；3-3、通道内壁；3-4、 MCP输入端；3-5、MCP输出端；3-6、MCP输入电极；3-7、MCP镀制电极；4、荧光屏；5、输出窗；6、输入光；7、入射电子；7-1、对准MCP通道孔的电子；7-2、对准MCP通道壁的电子；7-3、MCP通道壁发射的二次电子；8、输出电子；8-1、对应点亮光源光电子束的输出电子；8-2、对应通道壁所发射的二次电子的输出电子；9、亮斑；10、亮环；11、MCP镀膜夹具；12、镀膜机内转盘；13、外环；14、公转轴；15、自转轴；16、蒸发源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理、具体实施以及技术效果等做进一步说明。
现有技术中，点亮光源图像周围产生亮环的原因是像增强器中的微通道板(Microchannel Plate，MCP)输入端通道壁产生的二次电子发射。像增强器由输入窗1、光电阴极2、MCP、荧光屏4以及输出窗5所组成，见图1。输入窗1为玻璃窗，起支撑光电阴极的作用，光电阴极起光电转换的作用，MCP起电子倍增的作用，荧光屏起电光转换的作用，输出窗为光纤面板，起支撑荧光屏的作用。当微光夜视仪观察点亮光源时，物镜将点亮光源的像投射在像增强器的输入窗1以及光电阴极2上，入射光斑6经过光电阴极2转换为电子束斑7，经过MCP的倍增，从MCP输出电子束斑8，激发荧光屏4发光，并从输出窗5 输出，见图1。输出的图像包括点亮光源的图像9，也包括亮环的图像10。亮环产生的原因是来自光电阴极的入射电子中的一部分与MCP输入端通道壁碰撞，产生二次电子发射所致。
MCP是一种多孔阵列的电子倍增器，其外形为一个圆片。常用的MCP的直径为25mm，厚度为0.3mm。MCP圆片的一个面为输入面，另一个面为输出面。光电阴极产生的电子从输入端入射，在MCP的通道内进行倍增，最后从输出端输出，图2为MCP中一个单一通道的电子倍增示意图。入射电子7进入MCP的通道3-1，与MCP的通道内壁1-3碰撞产生二次电子。多次二次电子倍增，输出电子8的数量大于输入电子7的数量，从而实现了电子的倍增。当入射电子7向MCP输入端方向运动时(参见图3)，入射电子7可以分为两类，一类为运动轨迹对准MCP输入端通道孔3-1的电子7-1，另一类为对准MCP输入端通道壁3-2的电子 7-2。电子7-1进入MCP的通道3-1并顺利进行二次电子倍增，输出电子8-1。电子7-2与通道壁3-2进行碰撞，也会产生二次电子，但产生的二次电子3-3会偏离入射电子7的轨迹，向电子束7的周边扩散，见图4。该电子7-3在反弹离开MCP的输入端3-4以后，还会返回 MCP的输入端3-4，同时电子7-3中的一部分会进入MCP的通道3-1，从而也进行二次电子倍增，最后从MCP的输出端3-5输出电子8-2。需要说明的是，电子7-3是光电子与MCP通道壁碰撞产生的二次电子，而二次电子的发射角为0゜至90゜，因此二次电子会向入射光电子束斑之外的区域扩散，从而形成亮环。对于MCP而言，通道壁3-2的面积小于通道孔3-1 的面积，因此电子7-2的数量较电子7-1的数量少，另外由于碰撞产生的二次电子7-3散开的面积较大，因此输出电子8-2的电流密度远远小于输出电子8-1的电流密度。如果入射电子束7为一个圆斑，那么其输出电子8-1在荧光屏上的图像为一个亮斑9，但输出电子7-2 在荧光屏的图像却为一个亮环10，并且亮环10的亮度较亮斑9的亮度低。另外亮环10的亮度与亮斑9的亮度成正比，亮斑9的亮度越亮，亮环10的亮度也越亮。再有亮环10的直径比亮斑9直径大2倍以上。
目前对于MCP而言，其通道壁3-2总是存在的，因此电子7-3总是存在。然而电子7-3的数量或电子密度除与入射电子7的电流密度相关外，还与通道内壁3-3上的材料密切相关。材料的二次电子发射系数越高，产生的二次电子7-3的数量越多，密度越大，其在荧光屏上显示的亮环亮度越亮。对于普通的MCP，通道壁上的材料为镍-铬电极3-6。为了减小通道壁 3-3上镍-铬电极的二次电子发射系数，可以在该通道壁上3-2上面再镀制一层二次电子发射系数较低的金属材料3-7，以覆盖原有的镍-铬电极3-6。当在MCP的输入端镀制一层低二次电子发射系数金属材料3-7以后，产生二次电子7-3的数量就会较少，因此电子7-3在荧光屏上亮环10的亮度会大大降低，这样就会大大降低亮环10对亮斑9周边目标的干扰。
在本发明中，MCP输入端3-4所镀膜层的厚度为20nm-150nm，材料为Pt、Pd、Ni、Ag、Au以及Ir中的一种或多种。
本发明所述的镀制低二次电子发射系数金属膜层的方法步骤包括：
第一步，准备：
将真空烘箱的温度设定到150℃，关闭真空烘箱的门，对真空烘箱进行升温。当真空烘箱的温度达到150℃时，进行保温，同时开始清洗MCP。
第二步，清洗：
将MCP从包装盒中取出，并放入清洗架中。清洗架采用不锈钢制作，其作用是作为MCP 的一个承载器。将清洗架再放入烧杯中，并在烧杯中放入乙丙醇(分析纯)，使乙丙醇在烧杯中的液面高度淹没MCP清洗架至少30mm。
将MCP放入超声波清洗机中，清洗5分钟。超声波的频率为25KHz至30KHz。
从烧杯中取出MCP清洗架，倒出烧杯中的乙丙醇(分析纯)，用干净的乙丙醇清洗烧杯。再次将MCP清洗架放入烧杯中，然后再在烧杯中导入新的乙丙醇，使乙丙醇在烧杯中的液面高度淹没MCP清洗架至少30mm。
将MCP清洗架放入超声波清洗机中，清洗5分钟。
将MCP清洗架从超声波机的清洗槽中取出，打开真空烘箱门，将MCP清洗架夹具放入烘箱中。关闭真空烘箱门，并对烘箱进行抽真空。烘箱的真空度应优于5×10-1Pa。使MCP清洗架以及MCP在真空烘箱中烘烤1小时。
烘烤完成以后，停止抽真空，向真空烘箱充入氮气，当烘箱内外的气压达到平衡时，打开真空烘箱，取出MCP清洗夹具。
将MCP从清洗架上取出，放入包装盒中。
第三步，镀膜：
将MCP从包装盒中取出并装入MCP镀膜夹具11中。之后再将MCP镀膜夹具放入镀膜机中。MCP的镀膜夹具为不锈钢制造。为了使MCP输入端面上的膜层均匀，镀膜机需要具有公转和自转机构，见图5，图6。该公转和自转机构由旋转轴14带动内转盘12转动，而外环 13固定不动。MCP镀膜夹具11在与内转盘12和外环13的摩擦力作用下既绕公转轴14转动，同时也围绕自传轴15转动。
另外由于MCP是一种微孔阵列，因此在MCP的通道壁3-2上镀制膜层时，不可避免的在通道内壁3-3上也会镀制上金属膜层，因此会降低通道内壁3-3的二次电子发射系数。所以通常情况下，MCP输入端原有金属电极3-6的浸入深度为通道直径的一半，所以本发明在镀制低二次电子发射系数金属膜层时，浸入深度也为通道直径的一半。为了控制镀膜时通道内的浸入深度，只需要控制蒸发源与MCP轴线之间的夹角θ，夹角越大，深度越浅，夹角越小，深度越深，对于通道直径一半的浸入深度，蒸发源与MCP轴线之间的夹角θ为63°。调节蒸发源与MCP轴线之间的夹角θ，只需要调节蒸发源与MCP之间的距离即可。
关闭镀膜机门，开始抽真空，当镀膜机的真空度优于5×10-3Pa时，打开蒸发器，开始镀膜。蒸镀速率应不大于2nm/s。镀膜机的公转速率为10转/分-15转/分。镀膜完成以后，停止抽真空，并向镀膜机腔体中充入氮气。
第四步，结束镀膜：
当镀膜机真空室内外压力达到平衡时，打开镀膜机门，取出MCP镀膜夹具，然后再从夹具上取出MCP，并立即装入MCP的包装盒中。经过镀膜的MCP，其输入端具有两层金属膜，第一层金属膜3-6为原有的镍-铬层，第二层为镀制的金属层3-7，见图7。

Claims (6)

1.一种降低像增强器点亮光源图像周围亮环亮度的方法，其特征在于：
在MCP输入端镀制低二次电子发射系数的金属膜层，镀制时的浸入深度为输入端通道直径的一半。
2.根据权利要求1所述的降低像增强器点亮光源图像周围亮环亮度的方法，其特征在于：所述的镀制低二次电子发射系数的金属膜层的金属材料为Pt/Pd/Ni/Ag/Au和/或Ir。
3.根据权利要求1所述的降低像增强器点亮光源图像周围亮环亮度的方法，其特征在于：所制镀金属膜层的厚度为20nm-150nm。
4.根据权利要求1至3任一项所述的降低像增强器点亮光源图像周围亮环亮度的方法，其特征在于，所述的镀制步骤包括：
S1准备
将真空烘箱的温度设定在150℃备用；
S2清洗
2.1先将MCP放入MCP清洗架中，然后将MCP清洗架再放入烧杯中，并在烧杯中放入乙丙醇，使乙丙醇在烧杯中的液面高度淹没MCP清洗架至少30mm，
2.2将烧杯放入超声波清洗机中，清洗5-8分钟，
2.3取出MCP清洗架并放入真空烘箱中，并对烘箱进行抽真空，烘箱的真空度应优于5×10-1Pa，使MCP清洗架以及MCP在真空烘箱中烘烤至少1小时，
2.4烘烤完成以后，停止抽真空，向真空烘箱充入氮气，当烘箱内外的气压达到平衡时，打开真空烘箱，取出MCP，放入包装盒中；
S3镀膜
3.1将MCP从包装盒中取出并装入MCP镀膜夹具中,之后再将MCP镀膜夹具放入镀膜机中,
3.2控制MCP输入端的原有金属电极的浸入深度为通道直径的一半，
3.3关闭镀膜机门，开始抽真空，当镀膜机的真空度优于5×10-3Pa时，打开蒸发器，开始镀膜，
3.4控制蒸镀速率不大于2nm/s，控制镀膜机的公转速率为10～15转/分，镀膜完成以后，停止抽真空，并向镀膜机腔体中充入氮气。
S4结束镀膜
当镀膜机真空室内外压力达到平衡时，打开镀膜机门，取出MCP镀膜夹具，然后再从夹具上取出MCP并立即装入MCP的包装盒中。
5.根据权利要求4所述的降低像增强器点亮光源图像周围亮环亮度的方法，其特征在于：
所述的3.2控制MCP输入端的原有金属电极的浸入深度为通道直径的一半，通过控制蒸发源与MCP轴线之间的夹角θ，具体通过调节蒸发源与MCP之间的距离实现；所述夹角越大、深度越浅，夹角越小、深度越深。
6.根据权利要求5所述的降低像增强器点亮光源图像周围亮环亮度的方法，其特征在于：
所述的控制蒸发源与MCP轴线之间的夹角θ实现控制原有金属电极的浸入深度为通道直径的一半，具体的夹角θ为63°。
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