CN114112038A - 一种高速、高灵敏度紫外成像组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速、高灵敏度紫外成像组件，包括紫外成像物镜、紫外滤光片、高速门控紫外像增强管、环形高压电源、中继镜、高频CMOS相机、高速门控模块以及同步控制模块。本发明以高速门控紫外像增强管为核心器件，针对高速微弱紫外光探测与成像应用，具有高速电子快门、高帧频、高灵敏度的特点，能够对高速光信号进行捕捉成像，同时具有模块化、可实现快速装配的特点。
Description
技术领域
本发明属于光电探测与成像领域，特别涉及了一种紫外成像组件。
背景技术
目前，高速相机常用于燃烧诊断、同步辐射、粒子成像测速、风洞研究、激光诱导击穿研究、高速成像等；传统固体高速CMOS相机最短电子快门时间一般在微秒量级，用于高速微弱光成像时由于积分时间短，相机工作时灵敏度不够，尤其对于这些应用场景中发射的极微弱紫外光信号捕捉需求来讲，普通高速相机无法满足实际应用要求。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种高速、高灵敏度紫外成像组件，以高速门控紫外像增强管为核心器件，实现对高速微弱光信号捕捉成像。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种高速、高灵敏度紫外成像组件，包括：
紫外成像物镜，用于摄取目标发出的紫外光信号，并将目标成像于高速门控紫外像增管的探测面上；
紫外滤光片，置于紫外成像物镜与高速门控紫外像增强管之间，用于滤除紫外信号波段外的背景干扰光，
高速门控紫外像增强管，用于探测高速紫外光信号，并增强转换为高频CMOS相机能够拍摄到的可见光图像信号；该高速门控紫外像增强管采用阴极门控技术，被电子快门选通的紫外光透过输入光窗照射到光窗内表面的阴极时产生光电子，光电子经过聚焦加速、多次碰撞而增强能量，能量增强的光电子由荧光屏或阳极收集并输出；
高频CMOS相机，用于采集高速门控紫外像增强管输出的图像，并成像于计算机；
中继镜，用于将经高速门控紫外像增管增强后的图像信号耦合到高频CMOS相机的感光面上；
高速门控模块，用于向高速门控紫外像增强管提供高速高压电子快门信号；
环形高压电源，位于高速门控紫外像增管的外围，用于向高速门控紫外像增管提供驱动电压；
同步控制模块，用于接收外部触发信号，并提供两路外触发信号分别给高速门控模块和高频CMOS相机，使得高速门控紫外像增强管和高频CMOS相机与外部事件同步并进行图像采集。
进一步地，所述紫外成像物镜为独立的超消色差摄像物镜，紫外信号透过率不小于80％。
进一步地，所述紫外滤光片为吸收型紫外滤光片或者干涉型紫外滤光片，根据使用环境和高速门控紫外像增强管的光谱设计紫外滤光片的带外截止要求。
进一步地，所述高速门控紫外像增强管同时具有高速和放大的特征，表征高速性能的阴极衬底采用能够使高速高压脉冲信号完全导通的金属网，阴极的有效面积为
或者
响应波段范围为200～400nm；表征放大性能的辐射增益不小于5×1E7(Cd/m2)/(W/m2)。
进一步地，所述高速门控紫外像增强管采用双块微通道板，通过提供电子增益，使得在短曝光下仍能获得接近于单光子级别灵敏度的信号探测能力；所述高速门控紫外像增强管采用高速荧光粉，使得在拍摄高速信号时图像不产生拖尾。
进一步地，所述高频CMOS相机的帧频不小于1000fps，分辨率不小于1024×1024。
进一步地，所述中继镜的工作距离不大于100mm，F数不高于2.8。
进一步地，所述高速门控模块采用推拉场效应管产生高速高压电子快门，驱动高速门控像增强管阴极，其中负高压负责阴极“开门”，正高压负责阴极“关门”，通过设定负高压时间控制门控宽度，产生的高速高压电子快门最短可达3ns。
进一步地，所述环形高压电源的输入范围为2.7V～30V。
进一步地，所述同步控制模块的延时范围从0ns～100ms可调。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明利用了高速门控紫外像增强管的高速、高灵敏度的特点，结合高速门控模块及同步控制模块，实现高速微弱紫外光图像捕捉并通过短工作距离的中继镜传递到高频CMOS相机光敏面上。本发明按照模块化设计，特别是中继镜耦合方式的设计相比于传统光锥耦合更有利于高端相机的模块化装配。本发明在燃烧诊断、同步辐射、粒子成像测速、风洞研究、高速成像等领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1为核心部件高速门控紫外像增强管的工作原理示意图；
图2为高速、高灵敏度紫外成像组件的结构示意图；图中的标号说明：100、高速门控紫外像增强管；200、环形高压电源；300、紫外滤光片；400、紫外成像物镜；500、中继镜；600、高频CMOS相机；700、高速门控模块；800、同步控制模块；
图3为高速门控紫外像增强管光阴极金属网衬底显微镜图，右侧为局部放大图；
图4为高速门控模块输出阴极高速选通最短脉冲波形图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计的高速、高灵敏度紫外成像组件，其核心部件高速门控紫外像增强管工作于图1中(a)的开通模式时，阴极处于开通状态，电子可从阴极发射到MCP，MCP倍增功能继而实现放大激发荧光屏发光成像；其工作于图1中(b)的关断模式实，则阴极无电子发射到MCP,最终也无荧光屏图像输出。
如图2所示，本发明设计的高速、高灵敏度紫外成像组件，包括：高速门控紫外像增强管100、环形高压电源200、紫外滤光片300、紫外成像物镜400、中继镜500、高频CMOS相机600、高速门控模块700以及同步控制模块800。
紫外成像物镜400用于将目标成像于高速门控紫外像增强管的阴极面上，采用独立的超消色差摄像物镜，工作距离0.5m～∞，紫外信号200～400nm的透过率不低于80％。
紫外滤光片300采用吸收型紫外滤光片或者干涉型紫外滤光片，其带外截止深度可达OD12，用于滤除紫外信号波段外的背景干扰光。
高速门控紫外像增强管100用于探测高速紫外光信号，并增强图像信号，采用的网衬底示意图如图3所示，线条宽度为2.5um，线间距为20.44um，具有能够让最短3ns高压脉冲完全导通传输的能力，配合吸收型日盲滤光片可实现日盲。同时具有1E8(Cd/m2)/(W/m2)的辐射增益以满足高频CMOS相机600在高速成像时的最低亮度要求，荧光粉采用P46型，其余辉时间不长于1us，以保证高频CMOS相机600在高速成像时不出现拖尾效应。
环形高压电源200位于高速门控紫外像增强管100的外围，用于给所述高速门控紫外像增强管100提供微通道板和荧光屏两路工作电压。
中继镜500用于将高速门控紫外像增强管100增强后的图像信号光学耦合到高频CMOS相机600的感光面，F数为1.2，调制传递函数可达70lp/mm，工作距离为50mm。
高频CMOS相机600，采用的传感器芯片靶面有效面积为20.48mm×20.48mm、帧频1000fps@1024×1024。
高速门控模块700用于提供给高速门控紫外像增强管100阴极高速高压电子快门信号，其波形如图4所示，关断电压为﹢30到﹢50V，开启电压峰值为-200V左右，0V以下宽度达到了4.2ns，全宽(0V以下宽度)4.2ns,半宽为3ns左右。此外，高速门控模块700产生的阴极选通脉冲宽度可从3ns～DC调节，调节精度不高于5ns。
同步控制模块800可接收一路TTL脉冲触发输入信号，用于接收外部事件触发信号，并可分别提供两路延时可设定的TTL脉冲触发输出信号给高速门控模块700及高频CMOS相机600工作，两路延时时间均可调，可调范围从0～100ms，调节精度不高于1ns。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高速、高灵敏度紫外成像组件，其特征在于，包括：
紫外成像物镜，用于摄取目标发出的紫外光信号，并将目标成像于高速门控紫外像增管的探测面上；
紫外滤光片，置于紫外成像物镜与高速门控紫外像增强管之间，用于滤除紫外信号波段外的背景干扰光，
高速门控紫外像增强管，用于探测高速紫外光信号，并增强转换为高频CMOS相机能够拍摄到的可见光图像信号；该高速门控紫外像增强管采用阴极门控技术，被电子快门选通的紫外光透过输入光窗照射到光窗内表面的阴极时产生光电子，光电子经过聚焦加速、多次碰撞而增强能量，能量增强的光电子由荧光屏或阳极收集并输出；
高频CMOS相机，用于采集高速门控紫外像增强管输出的图像，并成像于计算机；
中继镜，用于将经高速门控紫外像增管增强后的图像信号耦合到高频CMOS相机的感光面上；
高速门控模块，用于向高速门控紫外像增强管提供高速高压电子快门信号；
环形高压电源，位于高速门控紫外像增管的外围，用于向高速门控紫外像增管提供驱动电压；
同步控制模块，用于接收外部触发信号，并提供两路外触发信号分别给高速门控模块和高频CMOS相机，使得高速门控紫外像增强管和高频CMOS相机与外部事件同步并进行图像采集。
2.根据权利要求1所述高速、高灵敏度紫外成像组件，其特征在于，所述紫外成像物镜为独立的超消色差摄像物镜，紫外信号透过率不小于80％。
3.根据权利要求1所述高速、高灵敏度紫外成像组件，其特征在于，所述紫外滤光片为吸收型紫外滤光片或者干涉型紫外滤光片，根据使用环境和高速门控紫外像增强管的光谱设计紫外滤光片的带外截止要求。
4.根据权利要求1所述高速、高灵敏度紫外成像组件，其特征在于，所述高速门控紫外像增强管同时具有高速和放大的特征，表征高速性能的阴极衬底采用能够使高速高压脉冲信号完全导通的金属网，阴极的有效面积为
或者
响应波段范围为200～400nm；表征放大性能的辐射增益不小于5×1E7(Cd/m2)/(W/m2)。
5.根据权利要求1所述高速、高灵敏度紫外成像组件，其特征在于，所述高速门控紫外像增强管采用双块微通道板，通过提供电子增益，使得在短曝光下仍能获得接近于单光子级别灵敏度的信号探测能力；所述高速门控紫外像增强管采用高速荧光粉，使得在拍摄高速信号时图像不产生拖尾。
6.根据权利要求1所述高速、高灵敏度紫外成像组件，其特征在于，所述高频CMOS相机的帧频不小于1000fps，分辨率不小于1024×1024。
7.根据权利要求1所述高速、高灵敏度紫外成像组件，其特征在于，所述中继镜的工作距离不大于100mm，F数不高于2.8。
8.根据权利要求1所述高速、高灵敏度紫外成像组件，其特征在于，所述高速门控模块采用推拉场效应管产生高速高压电子快门，驱动高速门控像增强管阴极，其中负高压负责阴极“开门”，正高压负责阴极“关门”，通过设定负高压时间控制门控宽度，产生的高速高压电子快门最短可达3ns。
9.根据权利要求1所述高速、高灵敏度紫外成像组件，其特征在于，所述环形高压电源的输入范围为2.7V～30V。
10.根据权利要求1所述高速、高灵敏度紫外成像组件，其特征在于，所述同步控制模块的延时范围从0ns～100ms可调。
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