CN111952137B - 一种高分辨力高增益倍数的微光像增强器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高分辨力高增益倍数的微光像增强器，涉及微光探测领域，本发明解决了现有像增强器无法同时兼顾高分辨力和高增益的问题。其主要包括微光输入窗口，输入光阴极，单层微通道板，至少一级高分辨力光放大器，输出光阴极，输出光纤束，真空密封腔和供电模块。本发明基于单层微通道板和多级放大技术，既可提供双层MCP微光像增强器的增益倍数，又可维持单层MCP微光像增强器的分辨力，可以同时实现大面阵的高增益倍数和高分辨力探测。本发明在等离子体成像、燃烧和流体力学光学诊断、生物和医学影像、天文观测、遥感遥测、刑事勘查、军用侦查等领域具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于微光探测领域，涉及一种微光像增强器，尤其涉及一种对微光信号进行高分辨力高增益倍数放大的像增强器，既可提供双层MCP微光像增强器的增益倍数，又可维持单层MCP微光像增强器的分辨力，可以同时实现大面阵的高增益倍数和高分辨力探测，可广泛应用于等离子体成像、燃烧和流体力学光学诊断、生物和医学影像、天文观测、遥感遥测、刑事勘查、军用侦查等领域。
背景技术
微光指在光能量低到不能引起人眼或图像传感器响应的光。微光放大技术指的是通过光电转换、电子倍增、电光转换等过程，将人眼或图像传感器不可识别的微光图像放大成人眼或图像传感器可识别的高信噪比图像，以弥补人眼或一般图像传感器在微光环境中灵敏度低、分辨率低和信噪比低等诸多问题，可对紫外光、可见光、近红外光、X射线、γ射线照射下的景物进行探测、增强和成像，从而使它们可广泛应用于等离子体成像、燃烧和流体力学光学诊断、生物和医学影像、天文观测、遥感遥测、刑事勘查、军用侦查等领域。
现有的微光放大设备主要是微光像增强器(又名微光管或像管)，其优点是灵敏度高，可以提供较高信噪比的大面阵，但在有效光信号极其微弱时，需要使用双层微通道板(MCP，Microchannel Plate)对光电子进行两级放大。在双层微通道板两级放大过程中，每层微通道板的电子输出会产生散射，从而使输出图像分辨率大幅下降，典型的单层MCP像增强器分辨力在60lps/mm以上，而双层MCP像增强器分辨力不高于30lps/mm。因此在微光条件下，尚没有一款像增强器既可以提供双层MCP像增强器的增益倍数，又可以维持单层MCP像增强器的分辨力。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和不足，为解决现有微光像增强器无法同时兼顾高分辨力和高增益的问题，本发明提供了一种高分辨力高增益倍数的微光像增强器，基于单层MCP和多级放大技术，既可提供双层MCP微光像增强器的增益倍数，又可维持单层MCP微光像增强器的分辨力，可以同时实现大面阵的高增益倍数和高分辨力探测。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种高分辨力高增益倍数的微光像增强器，包括一真空密封腔，其特征在于，
所述真空密封腔中沿光路方向依次真空封装一微光输入窗口、一输入光阴极、一单层微通道板、至少一级高分辨力光放大器、一输出荧光屏和一输出光纤束，其中，
所述微光输入窗口包括入射表面和出射表面，用以透过微光信号；
所述输入光阴极镀设在所述微光输入窗口的出射表面上，通过所述输入窗口透过的微光信号的光子轰击所述输入光阴极；
所述单层微通道板贴近并有间隙地安装在所述输入光阴极的下游；
每级所述高分辨力光放大器均包括沿光路方向依次布置的一放大荧光屏、一荧光屏-光阴极连接光纤束和一放大光阴极，其中，所述放大荧光屏喷涂设置在所述荧光屏-光阴极连接光纤束的入射表面上，所述放大光阴极镀设在所述荧光屏-光阴极连接光纤束的出射表面上；
首级高分辨力光放大器的放大荧光屏贴近并有间隙地安装在所述单层微通道板的下游，末级高分辨力光放大器的放大光阴极贴近并有间隙地安装在所述输出荧光屏的上游，相邻各级高分辨力光放大器之间均贴近并有间隙地安装；
所述输出荧光屏喷涂设置在所述输出光纤束的入射表面上，
所述输出光纤束用以导出输出光。
优选地，所述微光输入窗口根据所需探测微光的波长选用硼硅酸盐玻璃、熔融石英玻璃或光纤束，其中，熔融石英玻璃适合紫外波长微光到近红外波长微光的探测，硼硅酸盐玻璃和光纤束适合可见光的探测。
优选地，所述输入窗口的整体厚度在2mm左右。
优选地，所述输入窗口的入射表面镀设有增透膜，以增加微光透过率。
优选地，所述输入窗口的出射表面镀设一层用以导电的细密金属网，所述输入光阴极以所述细密金属网为基底镀设在所述微光输入窗口的出射表面上。
进一步地，所述细密金属网为一层由极细金属丝编织成的金属网，所述极细金属丝的直径优选为1微米左右，所述金属网由所述极细金属丝间隔10微米左右编织而成。
优选地，所述输入光阴极的材料根据所需探测微光的波长选取。
进一步地，针对紫外到近红外波长微光的探测，所述输入光阴极采用Na-K-Sb-Cs多碱光阴极(S20)。
优选地，所述微通道板为具有大量直径为5-20μm通孔的薄玻璃板，所述薄玻璃板的入射表面和出射表面上均镀有导电金属薄膜。光电子在微通道板中实现雪崩式增益，实现信号第一次放大。
优选地，所述输入光阴极与单层微通道板之间的间隙小于200μm，以保证分辨力。
优选地，所述放大荧光屏的荧光粉采用P20、P22、P43、P46或P47，或者上述荧光粉中的两种至多种混合物，以满足不同输出波长、荧光效率和余辉时间的需求。
进一步地，当需对低频现象进行观测时，所述放大荧光屏的荧光粉采用P20、P22或P43；当需对高频现象进行观测时，所述放大荧光屏的荧光粉采用P46或P47。
优选地，所述放大荧光屏采用干喷法把荧光粉附着于所述荧光屏-光阴极连接光纤束的入射表面上，所述放大光阴极使用蒸发镀膜法将光阴极材料镀设在所述荧光屏-光阴极连接光纤束的出射表面上。
优选地，所述放大荧光屏与微通道板之间的间隙一般小于1mm。
优选地，所述荧光屏-光阴极连接光纤束由大量平行排列的光学纤维经熔压烧结形成，所述光学纤维的直径为2.5-25μm。
优选地，所述放大光阴极采用量子效率较高的GaNaP材料。
优选地，所述输出光纤束的下游设置有与所述微光像增强器耦合的传感器，所述传感器例如可以是CCD等。
优选地，所述荧光屏-光阴极连接光纤束、输出光纤束的分辨力均高于100lps/mm。
优选地，所述微光像增强器还设有一供电模块，所述供电模块的电路结构设置为所述输入光阴极的出射表面与单层微通道板的入射表面之间、所述单层微通道板的入射表面与出射表面之间、所述单层微通道板的出射表面与首级高分辨力光放大器的放大荧光屏之间、相邻各级高分辨力光放大器之间、末级高分辨力光放大器的放大光阴极的出射表面与输出荧光屏之间分别提供加速电压VCM、VMCP、VMP、VCP。
进一步地，各所述加速电压VCM、VMCP、VMP、VCP分别为约200V、约1000V、约6000V、约6000V。
进一步地，所述输入光阴极的出射表面与单层微通道板的入射表面之间的加速电压VCM可调，通过调节加速电压VCM可实现所述供电模块的门控功能，当VCM为正时，则电子从所述输入光阴极流向所述单层微通道板，此时门控为开；当VCM为负时，电子从所述单层微通道板流向所述输入光阴极，从而隔绝所述输入光阴极产生的电子流向所述单层微通道板，此时门控为关，达到门控目的。
进一步地，所述加速电压VMCP的电压可调以调节增益倍数。
本发明的上述高分辨力高增益倍数的微光像增强器，其主要包括微光输入窗口，输入光阴极，单层微通道板，高分辨力光放大器，输出荧光屏，输出光纤束，真空封装腔，供电模块等。
其中，微光输入窗口用来透过微光信号，使微光信号的光子轰击输入光阴极；输入光阴极在微光信号的光子轰击下，产生光电子；光电子在电压的作用下进入单层微通道板；在单层微通道板中，光电子被放大倍增；倍增光电子离开单层微通道板后，在电压的作用下，加速并轰击高分辨力光放大器中的放大荧光屏，这些光电子在荧光屏上转换成光子；放大荧光屏喷涂在荧光屏-光阴极连接光纤束的一端，荧光屏转换出的光子进入连接光纤束上，并传输到连接光纤束的另一端；连接光纤束的另一端镀有放大光阴极，上述光子直接轰击放大光阴极，产生新的光电子，新的光电子在电压的作用下被加速并轰击下一级的放大荧光屏被上述过程进一步加速放大；或者新的光电子直接轰击输出荧光屏，产生输出光，并被输出光纤束导入像增强器耦合的传感器，例如CCD等。上述器件由真空封装腔进行真空封装，供电模块为上述过程提供电压。必要时，供电模块可增加门控电路。
同现有技术相比，本发明的高分辨力高增益倍数的微光像增强器具有的有益效果为：本发明基于单层MCP和多级光放大技术，仅使用单层MCP即可实现接近双层MCP的增益倍数，并克服了双层MCP带来的分辨力损失，既可提供双层MCP微光像增强器的增益倍数，又可维持单层MCP微光像增强器的分辨力，可以同时实现大面阵的高增益倍数和高分辨力探测。本发明的高分辨力高增益倍数的微光像增强器在等离子体成像、燃烧和流体力学光学诊断、生物和医学影像、天文观测、遥感遥测、刑事勘查、军用侦查等领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1是本发明的高分辨力高增益倍数的微光像增强器结构示意图。
图中，1-微光输入窗口，2-输入光阴极，3-单层微通道板，4-放大荧光屏，5-荧光屏-光阴极连接光纤束，6-放大光阴极，7-输出荧光屏，8-输出光纤束，9-真空密封腔，10-供电模块。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。
如图1所示，本发明的高分辨力高增益倍数的微光像增强器，包括微光输入窗口1，输入光阴极2，单层微通道板3，至少一级高分辨力光放大器，输出荧光屏7，输出光纤束8，真空封装腔9，供电模块10。每级高分辨力光放大器均包括放大荧光屏4，荧光屏-光阴极连接光纤束5，放大光阴极6。
其中：
微光输入窗口1包括入射表面和出射表面，用来透过微光信号，使微光信号的光子轰击输入光阴极2；
输入光阴极2镀设在微光输入窗口的出射表面上，输入光阴极2在通过微光输入窗口1透过的微光信号的光子轰击下，产生光电子；
单层微通道3板贴近并有间隙地安装在输入光阴极2的下游，光电子在电压VCM的作用下进入单层微通道板3；
在单层微通道板3中，光电子在电压VMCP作用下被放大倍增；
倍增光电子离开单层微通道板3后，在电压VMP的作用下，加速并轰击放大荧光屏4，这些光电子在荧光屏4上转换成光子；
放大荧光屏4喷涂在荧光屏-光阴极连接光纤束5的一端，荧光屏4转换出的光子进入连接光纤束5上，并传输到连接光纤束的另一端。
连接光纤束5的另一端镀有放大光阴极6，上述光子直接轰击放大光阴极6，产生新的光电子，新的光电子在电压VCP的作用下被加速并轰击下一级的放大荧光屏4，并被上述过程进一步加速放大；
最后一级放大光阴极6输出的电子，经过VCP的作用下，轰击输出荧光屏7，产生输出光，并被输出光纤束8导入像增强器耦合的传感器，例如CCD等。
上述器件由真空封装腔9进行真空封装，供电模块10为上述过程提供电压。必要时，供电模块可增加门控功能。
本发明的微光输入窗口1可根据所需探测波长采用硼硅酸盐玻璃或者熔融石英玻璃，也可直接使用光纤束。其中熔融石英玻璃适合紫外到近红外的探测，硼硅酸盐玻璃和光纤束适合可见光探测。微光输入窗口1的厚度在2微米左右，根据所需侦测不同波长不同，入射表面可镀有增透膜，以增加微光透过率。出射表面镀有一层由极细的金属丝编织成的金属网用来导电，例如可采用1微米粗细的铝金属丝间隔10微米编织成铝金属网。
输入光阴极2材料根据所需波长选取，例如，针对紫外到近红外的应用场合，采用Na-K-Sb-Cs多碱光阴极(S20)。
输入光阴极2和单层微通道板3之间采用贴近安装，间隙小于200μm，以保证分辨力。
单层微通道板3为具有大量直径为5-20微米通孔的薄玻璃板，两面镀有导电金属薄膜。光电子在微通道板中实现雪崩式增益，实现信号第一次放大。
放大荧光屏4采用干喷法把荧光粉附着于荧光屏-光阴极连接光纤束5上，荧光粉可采用P20、P22、P43、P46和P47，其中P20、P22和P43由较高的荧光效率，但是余辉时间长，适用于对低频现象的观测，P46和P47荧光效率较低，但是余辉时间短，适用于对高频现象进行观测。
放大荧光屏也可采用上述五种荧光粉两种或者多种混合物，以满足不同输出波长，荧光效率和余辉时间的需求。
放大荧光屏4和单层微通道板3采用贴近安装，间隙一般小于1mm。
荧光屏-光阴极连接光纤束5由大量平行排列的光学纤维，经熔压烧结形成，光纤直径为2.5-25μm。一个典型的6μm直径光纤熔压出的光纤束分辨力在100lp/mm以上。
放大光阴极6使用蒸发镀膜法将量子效率较高的光阴极镀材料在荧光屏-光阴极连接光纤束5，放大光阴极6采用GaNaP材料。
放大光阴极6将荧光屏的光再次转化成光子，并在电压VCP的作用下加速并轰击下一级放大荧光屏，实现信号第二步步放大。
根据需求，可串联多级高分辨力光放大器，实现多次第二步放大过程。
最后一级放大光阴极输出的光电子被最后一组VCP电压加速，轰击输出荧光屏7，并由输出光纤束8输出。
整个系统中，光阴极的输出分辨力大于100lp/mm，MCP输出分辨力在60lp/mm左右，荧光屏输出分辨力大于100lp/mm，光纤束输出分辨力大于100lp/mm。故系统总分辨力由MCP决定，为60lp/mm左右。
上述各部件1、2、3、4、5、6、7、8使用真空封装腔9封装在真空内；一方面保证光阴极材料可以长期稳定存在，另一方面，避免电子轰击空气分子而产生损耗和噪音。
上述所有的电压由供电模块提供，VMCP电压可调以调节增益倍数。根据需求，本系统可实现通过调节VCM实现门控功能。当VCM为正时，例如200V，则电子从光阴极2流向MCP 3，此时门控为开，当VCM为负时，电子从MCP3流向光阴极2，从而隔绝光阴极产生的电子流向MCP，此时门控为关，达到门控目的。
上述电压当中VCM大约200V，VMCP大约1000V，VMP大约6000V，VCP大约6000V。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (13)
1.一种高分辨力高增益倍数的微光像增强器，包括一真空密封腔，其特征在于，
所述真空密封腔中沿光路方向依次真空封装一微光输入窗口、一输入光阴极、一单层微通道板、至少一级高分辨力光放大器、一输出荧光屏和一输出光纤束，其中，
所述微光输入窗口包括入射表面和出射表面，用以透过微光信号，其中，所述微光输入窗口的入射表面镀设有用以增加微光透过率的增透膜，所述微光输入窗口的出射表面镀设一层用以导电的细密金属网，所述细密金属网为一层由极细金属丝编织成的金属网，所述极细金属丝的直径为1微米左右，所述金属网由所述极细金属丝间隔10微米左右编织而成；
所述输入光阴极以所述细密金属网为基底镀设在所述微光输入窗口的出射表面上，通过所述微光输入窗口透过的微光信号的光子轰击所述输入光阴极；
所述单层微通道板贴近并有间隙地安装在所述输入光阴极的下游，且所述输入光阴极与单层微通道板之间的间隙小于200μm以保证分辨力，所述微通道板为具有大量直径为5-20微米通孔的薄玻璃板，所述薄玻璃板的入射表面和出射表面上均镀有导电金属薄膜，光电子在微通道板中进行雪崩式增益以实现信号第一次放大；
每级所述高分辨力光放大器均包括沿光路方向依次布置的一放大荧光屏、一荧光屏-光阴极连接光纤束和一放大光阴极，其中，所述放大荧光屏喷涂设置在所述荧光屏-光阴极连接光纤束的入射表面上，所述放大光阴极镀设在所述荧光屏-光阴极连接光纤束的出射表面上；
首级高分辨力光放大器的放大荧光屏贴近并有间隙地安装在所述单层微通道板的下游，二者之间的间隙小于1mm，末级高分辨力光放大器的放大光阴极贴近并有间隙地安装在所述输出荧光屏的上游，相邻各级高分辨力光放大器之间均贴近并有间隙地安装；
所述输出荧光屏喷涂设置在所述输出光纤束的入射表面上，
所述输出光纤束用以导出输出光；
所述微光像增强器还设有一供电模块，所述供电模块的电路结构设置为所述输入光阴极的出射表面与单层微通道板的入射表面之间、所述单层微通道板的入射表面与出射表面之间、所述单层微通道板的出射表面与首级高分辨力光放大器的放大荧光屏之间、相邻各级高分辨力光放大器之间、末级高分辨力光放大器的放大光阴极的出射表面与输出荧光屏之间分别提供加速电压VCM、VMCP、VMP、VCP；
所述加速电压VMCP的电压可调，以调节增益倍数；
所述输入光阴极的出射表面与单层微通道板的入射表面之间的加速电压VCM可调，通过调节加速电压VCM实现所述供电模块的门控功能：
当VCM为正时，则电子从所述输入光阴极流向所述单层微通道板，此时门控为开；
当VCM为负时，电子从所述单层微通道板流向所述输入光阴极，从而隔绝所述输入光阴极产生的电子流向所述单层微通道板，此时门控为关，达到门控目的。
2.根据权利要求1所述的高分辨力高增益倍数的微光像增强器，其特征在于，所述微光输入窗口根据所需探测微光的波长选用硼硅酸盐玻璃或熔融石英玻璃制成光纤束或者玻璃片，其中，熔融石英玻璃适合紫外波长微光到近红外波长微光的探测，硼硅酸盐玻璃和光纤束适合可见光的探测。
3.根据权利要求1所述的高分辨力高增益倍数的微光像增强器，其特征在于，所述微光输入窗口的整体厚度在2mm左右。
4.根据权利要求1所述的高分辨力高增益倍数的微光像增强器，其特征在于，所述输入光阴极的材料根据所需探测微光的波长选取。
5.根据权利要求4所述的高分辨力高增益倍数的微光像增强器，其特征在于，针对紫外到近红外波长微光的探测，所述输入光阴极采用Na-K-Sb-Cs多碱光阴极(S20)。
6.根据权利要求1所述的高分辨力高增益倍数的微光像增强器，其特征在于，所述放大荧光屏的荧光粉采用P20、P22、P43、P46或P47，或者上述荧光粉中的两种至多种混合物，以满足不同输出波长、荧光效率和余辉时间的需求。
7.根据权利要求6所述的高分辨力高增益倍数的微光像增强器，其特征在于，当需对低频现象进行观测时，所述放大荧光屏的荧光粉采用P20、P22或P43；当需对高频现象进行观测时，所述放大荧光屏的荧光粉采用P46或P47。
8.根据权利要求1所述的高分辨力高增益倍数的微光像增强器，其特征在于，所述放大荧光屏采用干喷法把荧光粉附着于所述荧光屏-光阴极连接光纤束的入射表面上，所述放大光阴极使用蒸发镀膜法将光阴极材料镀设在所述荧光屏-光阴极连接光纤束的出射表面上。
9.根据权利要求1所述的高分辨力高增益倍数的微光像增强器，其特征在于，所述荧光屏-光阴极连接光纤束由大量平行排列的光学纤维经熔压烧结形成，所述光学纤维的直径为2.5-25μm。
10.根据权利要求1所述的高分辨力高增益倍数的微光像增强器，其特征在于，所述放大光阴极采用量子效率较高的GaNaP材料。
11.根据权利要求1所述的高分辨力高增益倍数的微光像增强器，其特征在于，所述输出光纤束的下游设置有与所述微光像增强器耦合的传感器，所述传感器为CCD。
12.根据权利要求1所述的高分辨力高增益倍数的微光像增强器，其特征在于，所述荧光屏-光阴极连接光纤束、输出光纤束的分辨力均高于100lps/mm。
13.根据权利要求1所述的高分辨力高增益倍数的微光像增强器，其特征在于，各所述加速电压VCM、VMCP、VMP、VCP分别为约200V、约1000V、约6000V、约6000V。
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