CN111785601A - 一种可见光条纹管及电子光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种可见光条纹管及电子光学成像系统。该可见光条纹管包括：球面阴极、聚焦极组件、阳极光阑以及平面荧光屏；其中，聚焦极组件包括至少两个聚焦极，用于调节电子束的像面位置；聚焦极组件以及阳极光阑均为筒状结构，球面阴极、聚焦极组件以及阳极光阑依次间隔设置，用于拟合类同心球静电聚焦结构；平面荧光屏通过金属套筒与阳极光阑远离聚焦极组件的一端连接，用于接收电子束成像。本发明实施例所提供的技术方案，实现了将条纹管内电场分布的等势面形状保持为球面，从而降低了受场曲等像差的影响，可以直接利用平面荧光屏成像，进而降低了对结构的精度要求，也就降低了条纹管的装配难度。

Description

一种可见光条纹管及电子光学成像系统

技术领域

本发明实施例涉及电子束成像技术领域，尤其涉及一种可见光条纹管及电子光学成像系统。

背景技术

激光三维成像技术近年来是激光应用技术中非常活跃的一个分支，激光的距离选通特性使激光三维成像方法具有其他二维成像方法所不具备的优势，但是传统激光成像的局限性也显而易见，即激光成像的视场小且成像帧率低。为了克服这些缺点，近年来提出了条纹管成像激光雷达(Streak tube imaging lidar，STIL)技术。应用于STIL中的条纹管应满足阴极有效工作面积尽可能大及可靠性高等要求，尤其是应用于空间激光成像雷达的条纹管更应满足体积小、重量轻、可靠性高及抗干扰能力强等要求。

现有技术中设计出了一种长度仅为100毫米，采用球面阴极以及球面荧光屏的超小型条纹管，其成像面积直径理论设计值大于28毫米，是目前较优的设计，但由于采用球面荧光屏，使得条纹管在装配过程中对电极同轴度的要求非常高，受场曲的影响也比较大，从而影响了应用该条纹管的电子光学成像系统的成像性能。

发明内容

本发明实施例提供一种可见光条纹管及电子光学成像系统，以降低条纹管的装配难度以及成像过程中受场曲的影响。

第一方面，本发明实施例提供了一种可见光条纹管，包括：球面阴极、聚焦极组件、阳极光阑以及平面荧光屏；其中，

所述聚焦极组件包括至少两个聚焦极，用于调节电子束的像面位置；

所述聚焦极组件以及所述阳极光阑均为筒状结构，所述球面阴极、所述聚焦极组件以及所述阳极光阑依次间隔设置，用于拟合类同心球静电聚焦结构；

所述平面荧光屏通过金属套筒与所述阳极光阑远离所述聚焦极组件的一端连接，用于接收电子束成像。

可选的，所述可见光条纹管还包括：栅极，所述栅极间隔设置于所述球面阴极与所述聚焦极组件之间，用于控制电子束运动的速度与方向。

可选的，所述栅极远离所述球面阴极的一端向所述类同心球静电聚焦结构的中心轴延伸第一预设距离。

可选的，所述栅极延伸后的末端向所述球面阴极延伸第二预设距离。

可选的，所述聚焦极组件包括：间隔设置的第一聚焦极和第二聚焦极，所述第一聚焦极与所述栅极相互插设，所述第二聚焦极与所述第一聚焦极以及所述阳极光阑相互插设。

可选的，所述栅极远离所述球面阴极的一端的内径大于所述第一聚焦极的外径，所述第一聚焦极的内径大于所述第二聚焦极的外径，所述第二聚焦极的内径大于所述阳极光阑远离所述平面荧光屏的一端的外径。

可选的，所述阳极光阑包括：相互连接的圆筒段和锥筒段，其中，所述锥筒段更靠近所述平面荧光屏，且所述锥筒段的内径随着远离所述圆筒段逐渐增加。

可选的，所述阳极光阑包括：金属栅网，所述金属栅网位于所述圆筒段与所述锥筒段的连接处，用于隔离出聚焦区与漂移区。

可选的，所述可见光条纹管还包括：绝缘外壳，所述绝缘外壳包裹所述球面阴极、所述聚焦极组件以及所述阳极光阑，用于将所述绝缘外壳内部与外部的电场相互屏蔽。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电子光学成像系统，包括本发明任意实施例所提供的可见光条纹管。

本发明实施例提供了一种可见光条纹管，通过选用球面阴极消除了扫描图像的弯曲现象，从而减小了图像的时间畸变，同时将球面阴极、聚焦极组件以及阳极光阑拟合为类同心球静电聚焦结构，并通过调节聚焦极组件上的电极电压以调节条纹管内电场的分布，以使条纹管内电场分布的等势面形状保持为球面，从而降低了受场曲等像差的影响，尤其降低了受场曲的影响，虽然像面形状为非完全平面，但可直接利用平面荧光屏成像，通过使用平面荧光屏替代球面荧光屏进行成像，也大大降低了对结构的精度要求，也就降低了条纹管的装配难度。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的可见光条纹管的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的阳极光阑中金属栅网的结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的可见光条纹管的结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的另一种可见光条纹管的结构示意图；

图5为本发明实施例二提供的另一种可见光条纹管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种方向、动作、步骤或元件等，但这些方向、动作、步骤或元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个方向、动作、步骤或元件与另一个方向、动作、步骤或元件区分。术语“第一”、“第二”等而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的可见光条纹管的结构示意图。如图1所示，该可见光条纹管包括：球面阴极1、聚焦极组件2、阳极光阑3以及平面荧光屏4；其中，聚焦极组件2包括至少两个聚焦极，用于调节电子束的像面位置；聚焦极组件2以及阳极光阑3均为筒状结构，球面阴极1、聚焦极组件2以及阳极光阑3依次间隔设置，用于拟合类同心球静电聚焦结构；平面荧光屏4通过金属套筒5与阳极光阑3远离聚焦极组件2的一端连接，用于接收电子束成像。

具体的，图1示出了本发明实施例中可见光条纹管的剖面结构，其中，球面阴极1可以由双碱或多碱阴极等材质制成，并可在激光及外部电压的作用下产生大量可拉往阳极光阑3的电子。可选的，如图1所示，球面阴极1可在球面结构边缘11延伸出一定距离的平面结构12，并连接至一个金属筒状结构13的内壁上，以便于通过该金属筒状结构更加稳定的固定在其他电极，如聚焦极组件2的相对位置处。

聚焦极组件2包括至少两个聚焦极，如图1所示，可以包括两个间隔设置的聚焦极，即第一聚焦极21和第二聚焦极22，且第一聚焦极21与第二聚焦极22的尺寸可以不同，以实现分别对电子束的像面位置进行粗调整与精调整，可选的，靠近阳极光阑3的第二聚焦极22的尺寸小于第一聚焦极21，以对电子束的像面位置先进行粗调整，再进行精调整后送入阳极光阑3。由于电子束是沿垂直于电场的方向运动的，因此当电场的密集程度发生变化时，可以使得电子束的运动方向发生变化，电场越密集，则电子束方向变化越明显，因此，通过调整聚焦极组件2上的电压即可以调整电场的分布密集程度，从而实现对电子束像面位置的调节。同时，电场越密集，对应的电场的曲率也就越小，通过调整聚焦极组件2上的电压还可以间接的实现调节电场的曲率。在成像系统中，一般探测面积越大，场曲越严重，探测平面上各点所成像的位置更加不在同一个平面上，即场曲的存在会使得像面呈曲面，现有技术中一般通过使用更接近实际像面形状的球面荧光屏来减轻场曲的影响，而在本实施例中，可以通过调节聚焦极组件2上的电压，进而调节条纹管内电场的分布，以实现小场曲的像面，从而可直接使用平面荧光屏4来成像。

聚焦极组件2和阳极光阑3均为筒状结构，球面阴极1、聚焦极组件2以及阳极光阑3依次间隔设置，即相互之间不接触的设置，同时，球面阴极1、聚焦极组件2以及阳极光阑3中的相邻两个的尺寸可以互不相同，以拟合出类同心球静电聚焦结构，从而可以通过各个电极形状的配合，使得条纹管内电场分布的等势面保持弯曲，并接近球面，即可以通过改变各电极的数量和尺寸拟合出类同心球静电聚焦结构，使得成像过程中受场曲等像差的影响比较小，尤其是受场曲的影响比较小，像面虽非完全平面，但可直接用平面荧光屏4来成像。

平面荧光屏4通过金属套筒5与阳极光阑3远离聚焦极组件2的一端连接，具体的，如图1所示，金属套筒5的尺寸可以大于阳极光阑3用于连接的一端的尺寸，则金属套筒5用于与阳极光阑3连接的一端可以向类同心球静电聚焦结构的中心轴延伸一定的距离以与阳极光阑3用于连接的一端进行连接，在金属套筒5的另一端可以与尺寸相匹配的平面荧光屏4进行连接。可选的，金属套筒5分别与阳极光阑3以及平面荧光屏4密闭连接，以便于在金属套筒5内形成真空环境，从而将电子束保持在真空环境中，防止将空气电离。

在上述技术方案的基础上，可选的，如图1所示，阳极光阑3包括：相互连接的圆筒段31和锥筒段32，其中，锥筒段32更靠近平面荧光屏4，且锥筒段32的内径随着远离圆筒段31逐渐增加。具体的，即电子束先通过阳极光阑3的圆筒段31，再通过阳极光阑3的锥筒段32，通过将阳极光阑3的尾端设置为具有一定锥度的锥筒，可以进一步保证聚焦极组件2尾端电场分布的等势面不受限而继续保持类似球面的形状。

在上述技术方案的基础上，可选的，如图2所示，阳极光阑3包括：金属栅网33，金属栅网33位于圆筒段31与锥筒段32的连接处，用于隔离出聚焦区与漂移区。具体的，金属栅网33即设置在阳极光阑3中圆筒段31的出口处，一方面可以让电子束通过，另一方面还可以将前后的两个区域隔离，分别形成聚焦区与漂移区，以防止偏转系统的场分布渗透到聚焦区中从而影响动态成像特性。其中，聚焦区起于球面阴极1，终于阳极光阑3的金属栅网33处，而漂移区则可以是在锥筒段32以及金属套筒5内形成的空间。

在上述技术方案的基础上，可选的，可见光条纹管还包括：绝缘外壳，绝缘外壳包裹球面阴极1、聚焦极组件2以及阳极光阑3，用于将绝缘外壳内部与外部的电场相互屏蔽。具体的，绝缘外壳的材料可以是陶瓷，以在实现绝缘的基础上，还能起到很好的抗高温的作用，以避免因条纹管工作时产生的大量热量而损坏，绝缘外壳的形状可以根据内部包裹的球面阴极1、聚焦极组件2以及阳光光阑3的形状及结构进行设置。在本实施例中，绝缘外壳内也为真空环境，以将电子束始终保持在真空环境中，进一步的防止将空气电离。在条纹管实际的使用过程中，各个电极上的电压不同，在装配的过程中，可以将各个电极固定在绝缘外壳上，并通过连接出的各自的引线进行加压，通过设置绝缘外壳，可以实现条纹管内部的电场对外部电场的屏蔽，从而增强了条纹管的抗干扰性。

本发明实施例所提供的可见光条纹管，通过选用球面阴极消除了扫描图像的弯曲现象，从而减小了图像的时间畸变，同时将球面阴极、聚焦极组件以及阳极光阑拟合为类同心球静电聚焦结构，并通过调节聚焦极组件上的电极电压以调节条纹管内电场的分布，以使条纹管内电场分布的等势面形状保持为球面，从而降低了受场曲等像差的影响，尤其降低了受场曲的影响，虽然像面形状为非完全平面，但可直接利用平面荧光屏成像，通过使用平面荧光屏替代球面荧光屏进行成像，也大大降低了对结构的精度要求，也就降低了条纹管的装配难度。

实施例二

图3为本发明实施例二提供的可见光条纹管的结构示意图。本实施例的技术方案在上述实施例技术方案的基础上进一步细化，可选的，如图3所示，可见光条纹管还包括：栅极6，栅极6间隔设置于球面阴极1与聚焦极组件2之间，用于控制电子束运动的速度与方向。

具体的，栅极6可同为筒状结构，并可与球面阴极1、聚焦极组件2以及阳极光阑3一同拟合出类同心球静电聚焦结构，以在装配过程中保证各个电极的同轴度，使得条纹管内电场的分布尽可能的拟合出同心球面的效果。将栅极6设置在球面阴极1与聚焦极组件2之间，在条纹管正常工作的状态下，栅极6电位应大于球面阴极1，两者之间是加速场，此时电子束可以通过，当调整栅极6的电压使得其电位小于球面阴极1时，两者之间为减速场，此时电子束在场内的飞行过程中能量逐渐减小，减少至为0时则停止运动，甚至可以减少至为负则开始反向运动。若电子束无法再向前运动，则将无电子束轰击平面荧光屏4，进而无法产生图像。因此，通过调整栅极6的电压，则可以控制电子束运动的速度和方向等，从而实现条纹管成像选通开关的功能。

可选的，如图4所示，栅极6远离球面阴极1的一端向类同心球静电聚焦结构的中心轴7延伸第一预设距离，具体可以是垂直于该中心轴7进行延伸，以使栅极6末端出口处模拟的电子光学透镜的孔径较小。同时可选的，栅极6延伸后的末端向球面阴极1延伸第二预设距离，可以进一步的调节栅极6出口处电场等势线的曲率，从而实现小焦距，利于条纹管的小型化。

在上述技术方案的基础上，可选的，如图5所示，聚焦极组件2包括：间隔设置的第一聚焦极21和第二聚焦极22，第一聚焦极21与栅极6相互插设，第二聚焦极22与第一聚焦极21以及阳极光阑3的圆筒段31相互插设。具体的，第一聚焦极21、第二聚焦极22、栅极6以及阳极光阑3的圆筒段31的尺寸可互不相同，以使其中相邻两个之间可以相互插设，即利用口径较大的电极涵盖口径较小的电极，使得结构更加紧凑，有效的缩小了各个电极之间的间距，从而使得各个电极之间相互屏蔽，提高抗干扰性，并更加利于条纹管的小型化。其中，第二聚焦极22可以较多的插入第一聚焦极21，以使电场的分布更为密集，从而实现对曲率的进一步调节。

可选的，如图5所示，栅极6远离球面阴极1的一端的内径大于第一聚焦极21的外径，第一聚焦极21的内径大于第二聚焦极22的外径，第二聚焦极22的内径大于阳极光阑3远离平面荧光屏4的一端的外径，从而使得孔径呈递减趋势，不断调节各个电极出口处电场等势线的曲率，缩小焦距，进一步的利于条纹管的小型化。

本实施例所提供的可见光条纹管，通过在球面阴极与聚焦极组件之间增加设置了栅极，实现了条纹管成像选通开关的功能。同时通过将各个电极相互插设，缩小了各个电极之间的间距，使得各个电极之间相互屏蔽，提高了条纹管的抗干扰性，并且更加利于条纹管的小型化。

实施例三

本发明实施例三提供了一种电子光学成像系统，包括上述本发明任意实施例所提供的可见光条纹管，具备可见光条纹管相应的功能结构和有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种可见光条纹管，其特征在于，包括：球面阴极、聚焦极组件、阳极光阑以及平面荧光屏；其中，

所述聚焦极组件包括至少两个聚焦极，用于调节电子束的像面位置；

所述聚焦极组件以及所述阳极光阑均为筒状结构，所述球面阴极、所述聚焦极组件以及所述阳极光阑依次间隔设置，用于拟合类同心球静电聚焦结构；

所述平面荧光屏通过金属套筒与所述阳极光阑远离所述聚焦极组件的一端连接，用于接收电子束成像。

2.根据权利要求1所述的可见光条纹管，其特征在于，所述可见光条纹管还包括：栅极，所述栅极间隔设置于所述球面阴极与所述聚焦极组件之间，用于控制电子束运动的速度与方向。

3.根据权利要求2所述的可见光条纹管，其特征在于，所述栅极远离所述球面阴极的一端向所述类同心球静电聚焦结构的中心轴延伸第一预设距离。

4.根据权利要求3所述的可见光条纹管，其特征在于，所述栅极延伸后的末端向所述球面阴极延伸第二预设距离。

5.根据权利要求2所述的可见光条纹管，其特征在于，所述聚焦极组件包括：间隔设置的第一聚焦极和第二聚焦极，所述第一聚焦极与所述栅极相互插设，所述第二聚焦极与所述第一聚焦极以及所述阳极光阑相互插设。

6.根据权利要求5所述的可见光条纹管，其特征在于，所述栅极远离所述球面阴极的一端的内径大于所述第一聚焦极的外径，所述第一聚焦极的内径大于所述第二聚焦极的外径，所述第二聚焦极的内径大于所述阳极光阑远离所述平面荧光屏的一端的外径。

7.根据权利要求1-6任一所述的可见光条纹管，其特征在于，所述阳极光阑包括：相互连接的圆筒段和锥筒段，其中，所述锥筒段更靠近所述平面荧光屏，且所述锥筒段的内径随着远离所述圆筒段逐渐增加。

8.根据权利要求7所述的可见光条纹管，其特征在于，所述阳极光阑包括：金属栅网，所述金属栅网位于所述圆筒段与所述锥筒段的连接处，用于隔离出聚焦区与漂移区。

9.根据权利要求1-6任一所述的可见光条纹管，其特征在于，所述可见光条纹管还包括：绝缘外壳，所述绝缘外壳包裹所述球面阴极、所述聚焦极组件以及所述阳极光阑，用于将所述绝缘外壳内部与外部的电场相互屏蔽。

10.一种电子光学成像系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的可见光条纹管。

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