四讲微光像增强器课件.pptx
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1、第四章第四章 微光像增强器微光像增强器微光像增强器应用举例1 微光夜视技术和像增强器的发展2 多碱阴极和GaAs光电阴极的制备3 微通道板与离子阻挡膜4 荧光屏5 像增强器的性能参数及测试原理6 目前研究的内容 1 微光夜视技术和像增强器的发展 夜视技术是研究在夜间低照度条件下,用开拓观察者视力的方法以实现夜间隐蔽观察的一种技术。它采用光电子成像的方法来缓和或克服人眼在低照度下以及有限光谱响应下的限制,以开拓人眼的视觉。夜视技术始于二十世纪三十年代。1934年第一个红外变像管在德国问世,开创了夜视技术的新纪元。微光像增强器是一种光电器件,是微光夜视技术的核心器件,它是微光夜视器材的性能和价格的
2、决定性因素。微弱的光学图像自然景物微弱的电子图像增强的电子图像增强的光学图像物镜光阴极微通道板荧光屏目镜像增强器 像增强器和夜视系统的结构和工作原理 2 微光夜视技术和像增强器的发展 微光夜视的发展始于1936年,它是研究微弱图像信号的增强、转换、传输、存储、处理的一项专门技术。它分为直视系统和间视系统两种,直视系统称为微光夜视仪,它是利用目标反射的星光、月光和大气辉光通过像增强器增强达到人眼能进行观察的一种夜视仪器。a 第一代微光夜视 1962年美国制成第一代微光夜视仪,以纤维光学面板作为输入、输出窗三级级联耦合的像增强器为核心器件。l一代像增强器 结构示意图b.第二代微光夜视 1970年研
3、制成第二代微光夜视仪,以利用微通道板的像增强器为核心器件l二代、超二代和三代像增强器 结构示意图光阴极光阴极 光电转换光电转换微道板微道板 电子倍增电子倍增荧光屏荧光屏 电光转换电光转换微光夜视技术特点和作用微光夜视技术特点和作用 -微光核心器件工作原理微光核心器件工作原理(m)n 倍增次数倍增次数二次电子二次电子倍增系数倍增系数微光夜视技术特点和作用微光夜视技术特点和作用 微光核心器件工作原理微光核心器件工作原理l工作时加三个电压,光电阴极通道板输入端l通道板两端,通道板输出端荧光屏c.第三代微光夜视 1979年美国ITT公司研制出第三代微光夜视仪,是在二代薄片管的基础上,将多碱光电阴极置换
4、为GaAs负电子亲和势光电阴极。微光像增强器系列d.超二代微光夜视 1989年,Jacques Dupuy等人研制成了超二代像增强器。超二代管是在二代管的基础上,通过提高光阴极的灵敏度(灵敏度由300-400A/lm提高到600A/lm以上),减小微通道板噪声因数,提高输出信噪比(改进微通道板的性能)和改善整管的MTF,使鉴别率和输出信噪比提高到接近三代管的水平。微光像增强器系列E 第四代微光夜视 1998年美国Litton公司和ITT公司研制出无离子阻挡膜或薄离子阻挡膜微通道板,具有自动门控电源的新一代像增强器,以它为核心部件的夜间观瞄器材称为第四代微光夜视仪。微光夜视技术特点及作用微光夜视
5、技术特点及作用 微光夜视技术核心器件微光夜视技术核心器件1 Thin ion-barrier film/高性能,薄的离子阻挡膜2 Low noise figure MCP/低噪声因子微通道板3 Gated power supply/门控电源典型应用系统结构世界各国的发展概况需求牵引,微光夜视发展规划、计划需求牵引,微光夜视发展规划、计划(例例Omnibus三代微光计划)三代微光计划)美国国防部美国国防部美陆军实验室美陆军实验室斯坦福、亚里桑拉、佛吉尼亚等大学斯坦福、亚里桑拉、佛吉尼亚等大学ITT公司公司/EOIntervac 公司公司Litton 公司公司EO国家级实验室:微光新原理、新技术前
6、瞻性、基础性和演示验证国家级实验室:微光新原理、新技术前瞻性、基础性和演示验证微光器件和整机承包商,通过投标竞标承揽合同,提供装备微光器件和整机承包商,通过投标竞标承揽合同,提供装备俄罗斯欧洲 法国:PHOTONICS(超二代)荷兰:DELFT 以色列中国 如:像管能在暗环境中,把人眼不能观察到的物体转换成可见光图像,如:摄像管能把各种图像信号转化成电信号,记录、贮存传输给很远的距离观察,能随时供人们观赏。光电成像器件极大地扩大了人的视野,扩展了人眼的视力范围,丰富了人们的生活。光电成像器件在光电技术中占有非常重要的地位。4.1 像管的基本原理和结构像管结构示意图 1物镜;2光电阴极;3电子透
7、镜;4荧光屏;5目镜 结构有三部分组成:光电阴极、电子光学系统、荧光屏 像管本身应能起到光谱变换、增强亮度和成像作用。1.光谱变换之一:光电阴极完成 光-电子图象;2.电子成像:电子光学系统类似于光学透镜,能使电子成像,将光电阴极发出的电子图像呈现在荧光屏上;3.增强亮度:由于电子光学系统上加有高电压,能使电子加速,电子能获得能量,以高速轰击荧光屏,使之发射出比入射光强得多的光能量。光谱变换之二:荧光屏 完成 电子-光.这样像管就完成了光谱变换、成像和增强亮度的功能。1物镜;2光电阴极;3电子透镜;4荧光屏;5目镜 4.1.1 光电阴极光电阴极光谱响应曲线 4.1.2 电子光学系统 像管中电子
8、光学系统的任务有两个:加速光电子;使光电子成像在像面上。它具有与光学透镜相似的性质,能运用几何光学中类似的方法进行物象处理。因此把能使电子流聚焦成像的电子光学系统称为电子透镜。电子透镜分为静电透镜和磁透镜两类。静电透镜按是否聚焦可分为:聚焦型和非聚焦型。静电电子光学系统,靠静电场来使光电子加速,聚焦成像。磁透镜即电磁复合系统,靠静电场的加速和磁场来完成聚焦成像。1非聚焦型电子光学系统 即近贴型 C阴极,A阳极;电子落点高度的计算 设从物点O发出的任意电子,其初发射角为 ,分别表示电子初能及其在r和z方面上的能量的分量(eV)。则该电子的轨迹就是抛物线:在该电子到达阳极时,其落点的径向高度为:在
9、近贴聚焦像管中一般U ,则得 因为zzrzVulzr)(2)(zzruulr2urlr220sinrsin20ulr z所以zr,0全色电子束的最大弥散圆半径的计算 考虑到电子的初角度分布,可得单能电子束的最大弥散圆斑的半径 因为光电子不仅有角度分布,还有初能量分布,若最大初电能为 ,则得全色电子束的最大弥散圆半径为 从此式可以看出,阴极与阳极之间的电位差U越大,弥散圆斑越小,最大初电位及极间距离l越小,弥散圆斑也越小。ulRm2msin20ulr ulRm2 通常,极间距离l总是很小,如小于1mm,而U却很大,如3-7KV,极间距离越小,电位差越高,图像越清晰,近贴型在像管中仍得到广泛应用。
10、2静电聚焦电子光学系统(1)等径双圆筒结构 等径双圆筒透镜成像原理:静电聚焦电子光学系统,即静电透镜,通常由轴对称静电场所形成,在几个具有轴对称几何形状的金属导体电极上加以不同的电位,就可以形成轴对称电场。会聚大于发散:形成凸透镜 由于会聚部分处在轴向速度相对较慢的低电位空间,电子受到径向电场会聚作用时间较长,因而会聚作用较强。而在发散空间的电子轴向速度较大,发散作用弱,故总的透镜作用仍然是会聚的。经过透镜区,到达等位区,以直线运动打在荧光屏上,由于电子透镜成像作用,使阴极面上的物在屏上成一倒像。在电位变化空间,透镜相当于一个凸透镜。(2)不等径的双圆筒由于有孔兰,可有效地控制系统的发散作用,
11、阻止电子射到屏上,也可以减小荧光屏发光对阴极的光反馈,从而降低背景干扰和噪声。在平面阴极象管中,几何象差比较严重,边缘象质较差。(3)双球面系统 特点:电场分布,尤其是阴极附近电场的分布,球面性很好,因此,每一条主轨迹都是轴对称,其邻近轨迹是旋转对称的,因而像散较小。所谓像散,指电子透镜随射线方向不同而产生的像差。采用曲面荧光屏后,场曲的影响大为减小,因而像质在整个像面上比较均匀。所谓场曲:由于轴外场折射率与近轴场折射率不同而引起的像差。采用曲面屏,也使畸变大大下降,但有可能出现桶形畸变,但是考虑到图像亮度的均匀性,宁肯采用较大的屏面曲率半径,保留较小的枕形畸变。阴极面上的电场强度,从轴上到轴
12、外基本上保持不变,且略有提高,这样使得色差的影响在像面上比较均匀。3复合聚焦电子光学系统 利用静电场和静磁场形成的复合磁场使电子聚焦 电子在复合场中的运动 电磁复合电子光学系统原理 电子在与磁场相垂直的平面上作园周运动,旋转周期为T=2m/Be,而与径向速度无关。电子将在管轴方向作加速运动。在与磁力线垂直的平面上,电子仍做周期旋转运动,所以综合运动,电子在空间的运动轨迹为一变节距螺旋线。磁聚焦的优缺点:磁聚焦的优点:聚焦作用强,并且容易调节聚焦能力,只需调节线圈电流即可;轴上点和轴外点有相同的成像质量,因而容易保证边缘像质;像差较小,鉴别率较高。磁聚焦的缺点:由于产生磁场的需要,要附设直流激磁
13、和螺旋管等,使得设备尺寸、重量增大、结构复杂。常用在真空摄像管以及电子显微镜等设备上。4.1.3 荧光屏荧光屏将电子动能转换成光能。高能量电子打在荧光屏上,荧光屏发光。v像管对荧光屏的主要要求是:v荧光屏应该具有高的转换效率;v能产生足够的光亮度;v发射光谱要同眼睛,或与之相耦合的下一级光电阴极的光谱响应相一致;v合适的余辉时间;v当然还必须具有良好的机械强度、化学稳定性和热稳定性等基本要求。荧光屏发光材料主要特性有:光谱特性、发光效率。发光效率的定义 所谓发光效率,指轰击荧光屏的电子流能量引起的荧光屏的发光强度,单位为lm/W。这个数值是表征荧光粉发光的强度的一个重要参量,它与光谱特性对多级
14、像管亮度增益作用很大。荧光屏光谱发射特性 v荧光粉材料有:vZnS:Ag(P11),ZnS:Cu(P31),(Zn,Cd)S:Ag(P20)等等,几种典型的荧光屏光谱效率如图.v像管中常用的荧光粉P20,发光颜色为黄绿光,峰值波长0.56m,余辉时间0.05-2ms,粉的粒度控制在3.5m,以保证屏的分辨率。荧光粉材料的电阻率很高,通常在10101014cm,介于绝缘体和半导体之间.当它受到光电子轰击时,会积累负电荷,电压下降,影响阳极及屏的电位。为此,在屏上蒸铝,能引走积累的负电荷;同时铝还有反射光作用,使光出射强度增加。不过蒸铝后,电子通过铝膜后能量有损失。铝膜越厚,电子能量损失越大;电子
15、能量越小,损失能量越大。因此,在满足引走电荷作用下,尽量减少膜厚度,4.1.4 光学纤维面板简称为光纤板,它是由许多单根纤维组合而成的,其传光原理是利用材料界面的全反射。cossin1210nn临界入射角 2211sinsinnn222121100cos1sinsinnnnnn2光学纤维面板及性能 对于像管中用的光纤板主要有以下性能要求:1)数值孔径要大如芯料n1=1.76,皮料n2=1.50,则N.A=0.8476,从空气中或真空入射,全反射临界角是57.9,而实测为53左右。2)光透过率要高;3)分辨率要高;4)气密性、化学稳定性、机械加工性能以及热稳定性要好。22210sinnnAN数值
16、孔径 像管不仅是辐射探测器件,而且还是成像器件。作为辐射探测器件,它必须具有高的量子效率和信息放大能力,以便给出足够的亮度,其特性通常采用光电阴极灵敏度和整管亮度增益来描述;作为成像器件,它必须具有小的图像几何失真,合适的几何放大率,尽可能小的亮度扩散能力,以提供足够的视角和对比,对这些特性通常用畸变、放大率、调制传递函数、分辨率、对比损失来描述。作为两者综合性能则用观察灵敏阈以及信噪比等参量来描述。4.2 像管主要特性分析4.2.1 像管的光谱响应特性 像管的光谱响应特性实际上就是第一光电阴极的光谱响应特性,研究像管的光谱响应特性有两大作用:决定光电阴极光电流:光电流影响着灵敏度,提高光电流
17、有利于减小背景噪声,提高像管的亮度,提高探测率,提高像管可探测的最小辐射能力。提供目标与背景之间的光电子图像的对比:初始对比决定了输出信噪比,是影响像管极限鉴别能力的关键。4.2.2 像管的增益特性 足够的亮度是观察图像的必要条件,要有足够的亮度,使输出的亮度足够亮,眼睛不会因亮度而影响探测能力。而输出亮度的大小,在入射照度一定时,由亮度增益所决定。1增益的定义 1)亮度增益定义为:像管输出亮度L与阴极入射照度Ev之比的 倍 vLELG2)辐射亮度增益 eLeELG由于Ev=EeK KGEKLGLvLevLEMG对朗伯光源增益式中M为光出射度lm/m23)光通量增益 inouG/inou,分别
18、为输出和输入光通量。又因为 2sLvcMAGG mEAm像管几何放大率 As,Ac分别为荧光屏和阴极有效面积。所以,光通量增益为亮度增益的m2倍 对于二级像管,第一级出射的光通量就是第二级的入射光通量,则第二级的输出光通量。221222222222uRuIP22212121211212212mmuuRRAEEMGsL22212112212mmAAAAAAmcscscs4.2.4 像管的背景特性 像管的背景指它的背景亮度,即指除信号以外的附加亮度,根据背景的来源又分为暗背景亮度和信号感生背景亮度。1暗背景 把象管置于完全黑暗的环境中,当加上工作电压后,荧光屏上仍然会发出一定亮度的光,这种无照射时
19、荧光屏的发光称为象管的暗背景。主要来源:光电阴极的热发射电流;局部场强产生的场致发射;电极上的二次电子发射等等.这些电子也在电场的加速下轰击荧光屏使之发光。暗背景影响:由于暗背景的存在,在荧光屏上的目标图象上都叠加了一个背景亮度,使图像的对比下降,甚至在微弱照明下产生的图像有可能淹没在背景中而不能辨别。2信号感生背景Lsb当管子受到辐照时还要引起一种与入射信号无关的附加背景亮度,主要来源有:光反馈和离子反馈。背景等效照度Eb定义为与暗背景亮度相当的阴极入射照度 LdBbeGLELdB暗背景亮度GL亮度增益。LdB一般为10-310-2(cd/m2),通过增益可得Ebe,而通常变像管的Ebe为1
20、0-3lx数量级,而微光管Ebe为10-7lx数量级 光反馈来源:入射光有一部分要透过半透明阴极,这部分透过光在管内电极和管壁的散射下又反馈到光电阴极上,另外荧光屏的光也有一部分经过阳极孔或管壁和电极的散射反馈到光电阴极上。所有这些反馈都将引起光电阴极产生不希望有的电子发射,并在荧光屏上激发一个附加的背景亮度,这就是光反馈。减少光反馈的办法:在像管中,黑化电极、荧光屏上蒸铝以及合理地减小阳极孔径尺寸,都是减少光反馈的措施。4.2.5 像管的传像特性 指像管传递图象时,对图像几何形状和亮度分布的影响 放大率:像管出射端图象的线性尺寸l 与入射端图像相应的线性尺寸l之比 llM变像管和像增强器是一
21、种宽束电子光学系统的电真空器件,它的边缘由于透镜对不同的离轴距离的物点单向放大率不同,而产生图象畸变.成像器件的畸变图形(a)没有畸变的原始图形(b)枕形畸变图形 (c)桶形畸变图如果离轴愈远的物点单向放大率比近轴放大率大,则产生“枕形”畸变,如果离轴愈远的物点单向放大率比近轴放大率小,则产生“桶形”畸变.4.2.6 像管的时间响应特性 像管的时间响应特性主要由荧光屏所决定,因为光电阴极的发射过程很短,约为10-12s量级;光电子在管中的渡越时间也很短,约为10-10s量级;荧光屏的惰性时间由荧光粉的类型和激发电子流密度所决定,通常为ms级。对于特殊需要的像管,应选择短余辉的粉型。4.2.7
22、空间分辨特性 定义:周期量在单位空间(单位长度、面积、体积)上变化的周期数 bf21(1)单位长度上的周期数,记为f,lp线对,每一线对包含一条亮线和一条暗线,单位为每毫米线对 lp/mm。(2)以整个目标上的周期数表示,记为ft,这样ft=f h=h目标总宽度2hb1.空间频率2.空间分辨率 定义为:成像系统能够将两个相隔极近的目标的像刚好能分辨清的能力,它反映了系统的成像和传像能力,单位是“线对/毫米”,例如说某像管的分辨率是30lp/mm,就是指空间频率数小于或等于30lp/mm,对比度为100%的测试图案经过像管后能看清,而大于30lp/mm的测试图案则模糊不清,就是再放大几倍也分辨不
23、出条纹。测试分辨率比较常用图案是栅格状的标准测试板。共有五块?,每一块由25个单元组成,每一单元又由互成45的四个方向的条纹组成,各单元的条纹宽度按一定的排列依次减小,空间频率逐渐增大。所谓分辨出的线对数是指四个方向的条纹能同时分辨出,如果不能同时看清,则认为该单元是不可分辨的。限制人眼分辨能力的因素有三个:物体的亮度;视角;亮度对比度 测试条件:为便于各器件间进行比较,测试图案的亮度对比取规定值,如,测试板的照度足够强,至少大于10-3cd/cm2,像管荧光屏的像应调到适合于人眼的亮度;取最大亮度对比C=1;测试分辨率时,测试者用520倍的放大镜观察屏上的图象。分辨率的局限用分辨率评定器件的
24、传像特性,其优点是方便、简单、直观,但是也有缺点,主要是:(1)受主观因素影响;(2)只给出极限结果,对其它频率的情况一概不知;(3)受人眼视场的限制,与实际情况不尽相同,尤其是对串联系统中中间环节的评价更不合适。(4)极限分辨率模糊不清,难以确认;(5)不能排除伪分辨现象。使用分辨率来表征像管的成像质量时往往出现:两个像管所测的极限分辨率一样,而其成像质量却有很大差异。分辨率这一参数并不能全面反映出影响成像质量的各种因素,这是由于以目测为手段和人眼的差异所致。虽然这种方法简便,但并不是评定像管的理想方法。鉴于用分辨率评价器件成像质量的种种缺点,需要寻求更客观的科学评价方法,传递函数就是其中一
25、种。3光学传递函数的定义与表达式 点扩散函数和线扩散函数:点光源物面上坐标为(x,y),象面上光能分布函数h(x,y),由于系统的影响,像为扩散弥散斑,即称为点扩展函数;物面上一条线光源为函数,在像面上的光能分布h(y),基本为高斯分布,即称为线扩展函数。图 点扩散函数(a)和线扩散函数(b)线性系统(1)线性,即系统满足亮度叠加原理:物面上光的强度为I1(x)、I2(x),相应像面上光的强度为I1(x)、I2(x),简单表示为:物面I1(x)像面I1(x)物面I2(x)像面I2(x)满足线性条件,应有:物面 I1(x)+I2(x)像面 I1(x)+I2(x)反映物象间的线性,如果器件处于亮度
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