專利名稱：一種常溫下提高微光成像系統(tǒng)探測性能的像增強器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微光成像探測技術領域，涉及一種常溫下提高微光成像系統(tǒng)探測性能的像增強器。

背景技術：
微光夜視技術廣泛應用于交通、電視、通訊、醫(yī)藥衛(wèi)生、軍事等領域。經過近30年的高速發(fā)展，已研制出探測極限為10-9lx照度的CCD(chargecoupled device)攝像機，德國B&M光譜公司在-150℃溫度下，將CCD攝像機的探測極限提高至10-11lx。低溫微光探測器件具有很高的信噪比，但其體積笨重、技術難度高、造價昂貴，導致應用領域十分有限，因此，提高常溫下微光成像系統(tǒng)的探測極限更為切合實際。
我國已在微光(10-6lx)領域展開了廣泛的研究，中科院西安光學精密機械研究所和長春光學精密機械研究所對超二代像增強器進行了深入的研究，北京理工大學、南京理工大學在提高夜視儀成像質量方面也已進行了多年的研究探討，西安應用光學研究所及北方夜視技術股份有限公司在三代像增強器的研究中也已進入了實驗室階段。
但是，常溫下，要達到更高的微光照度探測極限，必須解決低照度下如何進行長時間光子信號積累的問題。目前，所應用的各種微光探測裝置，如像增強型ICCD(Intensified Charge Coupled Devices)和電子倍增型EMCCD(Electron Multiplying CCD)等，雖然各自采用不同的光信號增強方式，但對光信號的積累卻都是通過CCD的長時間積分來完成，在此過程中，產生的熱噪聲和邊角亮光等諸多因素嚴重影響成像質量，因此，CCD的性能直接限制了微光探測極限的提高。
上述研究開發(fā)的各種裝置雖然對像增強器所產生的電子有加強和倍增的作用，但并沒有能夠將電子進行有效的積累，而僅僅是通過CCD對光子信號進行長時間的積累，因此，在很大程度上限制了微光探測極限由10-6lx提高到10-8lx。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種常溫下提高微光成像系統(tǒng)探測性能的像增強器，對光電陰極逸出的電子進行約束，取代使用CCD長時間積分的方式，突破CCD對微光探測性能的限制，常溫下，經過幾個小時的積累時間，能實現(xiàn)微光10-8lx照度的微光成像探測能力。
本發(fā)明所采用的技術方案是，一種常溫下提高微光成像系統(tǒng)探測性能的像增強器，包括相對設置的光電陰極和微通道板，光電陰極和微通道板之間、由光電陰極向微通道板依次設置有前置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)和后置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)，微通道板的外側設置有熒光屏，前置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)與后置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)之間設置有一磁鏡陣列裝置。
本發(fā)明的特征還在于， 磁鏡陣列裝置為二維柵狀面陣，包括環(huán)形支架，支架的環(huán)內設置有柵狀永磁體，柵狀永磁體橫向并排設置有多個通孔，通孔穿過柵狀永磁體的每道柵，每道柵上相對應的通孔位于同一條軸線，構成柵狀且整齊排列的多個微磁鏡陣列，柵狀永磁體沿支架軸線方向的兩側分別設置有電極，電極與柵狀永磁體之間設置有墊圈。
電極為滲透電極，或為金屬制成的柵電極。
柵狀永磁體選用永磁材料銣鐵硼制成。
墊圈選用陶瓷制成。
支架選用銅或陶瓷制成。
本發(fā)明像增強器的有益效果是 1.在像管內部對光電子進行積累，取代了通常采用的CCD積累光信號方式，從而在一定程度上減小了對CCD的依賴性，構成了一種新型的微光成像探測器件。
2.擴大了對微光像增強器所產生的電子的有效利用，提出一種二維面陣磁鏡陣列裝置，降低了光電陰極出射電子在磁鏡中的逃逸概率，對光電子信號進行更加有效的積累。
3.不需要低溫裝置，在常溫下將微光成像探測極限增至10-8lx的照度。
4.由于磁鏡采用剩磁較大的銣鐵硼永磁材料，居里溫度為312℃，可以在常溫下很好地對光電子進行積累，并可以通過較長時間的積累實現(xiàn)對極微弱光信號的增強，從而達到在10-8lx照度下的清晰成像。



圖1是本發(fā)明像增強器的結構示意圖； 圖2是本發(fā)明像增強器中磁鏡陣列裝置的側視圖； 圖3是本發(fā)明像增強器中磁鏡陣列裝置的主視圖； 圖4是本發(fā)明像增強器中磁鏡陣列裝置的內部結構視圖； 圖5是本發(fā)明像增強器的磁鏡陣列裝置中單個微磁鏡單元產生磁鏡場的原理圖； 圖6是本發(fā)明像增強器中磁鏡陣列裝置的調制傳遞函數(shù)與空間頻率的關系曲線；其中，a是分辨率沿X軸方向與空間頻率的關系曲線，b是分辨率沿Y軸方向與空間頻率的關系曲線。
圖中，1.微磁鏡陣列，2.柵狀永磁體，3.支架，4.電極，5.墊圈，6.光電陰極，7.微通道板，8.前置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)，9.熒光屏，10.磁鏡陣列裝置，11.后置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)。

具體實施例方式 下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。
本發(fā)明像增強器的結構，如圖1所示。包括光電陰極6和微通道板7，光電陰極6和微通道板7之間、由光電陰極6向微通道板7依次設置有前置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)8、磁鏡陣列裝置10和后置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)11，微通道板7的外側設置有熒光屏9。
本發(fā)明像增強器中磁鏡陣列裝置的結構，如圖2、圖3、圖4所示。包括采用銅或陶瓷制成的外圓內方的環(huán)形支架3，支架3的內側壁為卡口，支架3的方形環(huán)內設置有由永磁材料銣鐵硼制成的柵狀永磁體2，柵狀永磁體2通過支架3內側壁的卡口與支架3固接，柵狀永磁體2在垂直于柵狀磁片的方向(橫向)充磁并設置有多個通孔，柵狀永磁體2沿支架3軸線方向的兩側各設置有一層電極4，該電極4為柵狀永磁體2兩側分別鍍的一層滲透電極，或由金屬制成的柵電極，電極4與柵狀永磁體2之間設置有陶瓷制成的墊圈5，柵狀永磁體2的每道柵上相對應的通孔位于同一條軸線，構成柵狀且整齊排列的多個微磁鏡陣列1。
本發(fā)明像增強器中的微通道板7和CCD的像素單元排列呈二維面陣分布，為與微通道板7及CCD相匹配，并降低對成像系統(tǒng)空間分辨率的影響，將磁鏡陣列裝置10設計為二維柵狀面陣結構，磁鏡陣列裝置10中的每一微磁鏡陣列1的限度由小孔孔徑及相鄰孔間距的大小控制，并通過前置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)8和后置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)11將磁鏡陣列裝置10與微通道板7的微通道進行耦合，以達到每個微磁鏡陣列1與微通道板7的各個微通道一一對應。該磁鏡陣列裝置10通過每個微磁鏡陣列1收集光電陰極6射出的電子，并對電子進行長時間的磁約束，構成一種新的光電子接收器。
核聚變中的磁鏡裝置采用線圈通強電流產生磁場，若將該線圈引入本發(fā)明像增強器中，線圈產生的熱輻射將給系統(tǒng)帶來很大的噪聲，因此，本發(fā)明像增強器中的磁鏡陣列裝置10采用不受溫度影響的永磁材料制成。為了盡可能降低微磁鏡陣列1的結構對系統(tǒng)空間分辨率的影響，在光電陰極6與磁鏡陣列裝置10之間設置了前置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)8，在磁鏡陣列裝置10與微通道板7之間設置了后置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)11。
本發(fā)明像增強器的工作原理 拍攝圖像開始，開啟光電陰極6及靜電聚焦電子光學系統(tǒng)，后續(xù)部件電位保持與前置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)8相同，此時只通過微磁鏡陣列1對光電陰極6出射的光電子進行積累；當光電子積累到正常成像所需的條件，調高后置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)11和微通道板7的電位，并在兩個柵電極4增加電壓，產生電場力，通過電場力的作用將磁鏡中的電子引出，經靜電聚焦系統(tǒng)進入微通道板7。由于每個微磁鏡陣列1對應微通道板7的一個通道，所以，電子在各磁鏡場中磁力線的躍遷不會對圖像信息產生影響，圖像信息保持完整，完成二維電子圖像的傳遞。
磁鏡陣列裝置10為柵狀，在磁鏡兩端增加電壓后，從磁鏡射出的電子流也為柵狀，因此經過微通道板7及CCD成像后的圖形是不完整的柵狀圖像，在像增強器內部設置一個機械裝置或壓電陶瓷裝置，將磁鏡陣列沿z軸方向進行微小距離的往返移動，每次移動的距離根據(jù)柵狀永磁體2每道柵之間的縫隙與每道柵的厚度決定。例如，縫隙為15μm，每道柵厚度為30μm，第一次拍攝結束后需將磁鏡陣列移動兩次15μm的距離，即對目標進行三次曝光拍攝，得到三幅柵狀圖片，然后，通過圖像處理技術將該三幅柵狀圖片整合為一幅完整的圖像，完成一次完整的微光圖像拍攝。若像增強器內部不設置機械裝置，則在鏡頭處設置一個能夠往返移動的微型馬達，用于拍攝靜物時進行微小距離的往返移動，效果與磁鏡陣列中的移動裝置相同，可彌補無法一次完成整幅圖像拍攝的缺點。
磁鏡應用于成像系統(tǒng)提高探測極限的原理 1.磁鏡約束電子的原理 磁鏡是一種中間弱(設為B1)、兩端強(設為B2)的特殊磁場位形。圖5所示的是兩個磁場方向相同且間隔一段距離平行放置的永磁環(huán)所構成的簡單磁鏡場，磁鏡中的緩變磁場約束電子是通過電子產生的磁矩守恒效應來實現(xiàn)。當磁場B隨時間和空間緩變時，磁場中電子的磁矩大小為一常數(shù)，電子磁矩可用以下公式表示 式中，v⊥是垂直于磁場方向電子的橫向速度；m為電子質量；B為磁感應強度。
由于洛倫茲力對電子不作功，因此從磁鏡中部入射的電子，其總能量守恒，即橫向動能和平行于磁場方向的縱向動能之和不變。當電子在磁鏡場中運動時，磁場B的變化導致橫向動能不斷變化，從而導致橫向動能與縱向動能互相轉化，電子運動軌跡也就形成了類似“反射”現(xiàn)象的運動。
磁鏡場對電子的束縛能力越強越好，但總有一部分電子穿過磁鏡兩端(也叫磁喉)的最大磁場B2處逃出磁鏡。電子逃出磁鏡束縛的條件是在磁鏡中心最弱磁場B1處的電子速度分量V和V⊥需滿足如下關系 其中，γ＝B2/B1為磁鏡比；V0為電子進入磁鏡的初始速度。制備完成的磁鏡陣列裝置10，其磁鏡比γ為固定值。從(2)式可知，如果V⊥/V0足夠大，且大于

時，電子就不能從磁鏡中逃出；而且磁鏡比γ越大，從磁喉處跑出來的電子就越少，磁鏡的約束效果就越好。
2.磁鏡陣列裝置的工作原理 磁鏡陣列裝置10中的一個微磁鏡單元，利用矩形永磁環(huán)所產生的單個磁鏡場的示意圖，圖5所示。從光電陰極6和磁鏡陣列裝置10之間設置的靜電聚焦電子光學系統(tǒng)8出射的光電子流正入射至磁鏡場的中部，即從垂直于z軸方向射入兩個永磁環(huán)之間的任意位置，且當光電子流的入射能量與磁場強度相匹配時，光電子被磁鏡場所束縛。采用該正入射方式，光電子的逃逸概率降至最低。對于入射到永磁體表面，沒有入射到縫隙中的光電子，由于永磁材料具有較強的導電能力，該光電子通過永磁體兩側的柵電極4導出像增強器。
3.磁鏡陣列裝置的噪聲 將磁鏡陣列裝置引入像增強器后，作為中間部件，它本身的結構和性能將對整個成像系統(tǒng)產生一定的影響，包括由于碰撞導致電子在磁力線間的躍遷，以及磁鏡本身所固有的逃逸錐等因素。在像素尺寸內的磁力線躍遷不會對圖像的完整傳遞產生影響，因此，逃逸錐給系統(tǒng)帶來的噪聲才是在微光成像過程中需要關心的問題。
根據(jù)上述磁鏡原理，電子入射到軸線附近某一位置時，該點的磁場強度與磁喉處最大磁場的比值B(z)/Bmax決定了該位置逃逸錐角θ(z)的大小，通過推導得出軸線上任意位置逃逸錐角的表達式為
只有入射方向與軸線夾角大于逃逸錐角的電子才能被磁場束縛，否則，電子將從磁鏡裝置中逃逸，影響微光信號的長時間積累和成像效果。
控制磁鏡內部磁場分布的參量永磁材料的剩磁Br、永磁環(huán)的長a、永磁環(huán)的寬b、永磁環(huán)的厚度h、永磁環(huán)的間距d、單圓孔半徑R和磁鏡軸線上的任一坐標值z。可得出電子的入射方向與軸線之間的最小夾角，同時電子的入射能量和磁鏡的最小磁場也滿足相應的要求，入射的電子就被磁鏡束縛，而不能逃逸，因此，磁鏡陣列裝置10帶來的逃逸噪聲很小。
本發(fā)明像增強器中的磁鏡陣列裝置10，配合性能較好的光電陰極6，可以在2～3小時的積累時間內，實現(xiàn)10-8lx照度下的清晰成像。
4.磁鏡陣列裝置的分辨率分析 調制傳遞函數(shù)(MTF)能夠綜合反映成像器件的分辨率特性。
磁鏡陣列裝置10作為線性不變成像系統(tǒng)中的一個部件。磁鏡陣列裝置的單元為圓形，相鄰兩單元之間存在一定的間隔，光電子被微磁鏡陣列1中相鄰兩個微磁鏡單元之間的矩形空間約束，其MTF的計算可以分解為多個矩形“光敏面”，即一個光敏面代替一個微磁鏡單元，其尺寸為a×d，則單個光敏面的脈沖響應函數(shù)為其傅里葉變換為歸一化后得到磁鏡陣列裝置單個“光敏面”的MTFm-sin 整個磁鏡陣列裝置，需要在光陰極像面上采樣，兩個光敏面在X軸相距m、Y軸相距n，用函數(shù)表示為其傅里葉變換為p(u，x)＝F{samp(x，y)}＝mnsinc(mfx，nfy)，歸一化后得采樣傳遞函數(shù)MTFsamp MTFsamp＝|p(fx，fy)|＝|F{samp(x，y)}|＝|sinc(mfx，nfy)|(5) 則磁鏡陣列裝置的MTFm是單個磁鏡矩形“光敏面”的MTFm-sin與采樣傳遞函數(shù)MTFsamp的乘積，即 MTFm＝MTFm-sin·MTFsamp＝|sinc(dfx，afy)|·|sinc(mfx，nfy)|(6) 由此可見，沿X軸方向和Y軸方向的調制傳遞函數(shù)MTF不相同。
本發(fā)明像增強器中磁鏡陣列裝置的調制傳遞函數(shù)與空間頻率的關系曲線，如圖6a、6b所示。當空間頻率處于奈奎斯特(Nyquist Frequency)頻率，對應的X軸方向和Y軸方向的調制傳遞函數(shù)的值分別達到0.45和0.44左右。所對應人眼的3％MTF值的極限分辨率分別為58lp/mm和23lp/mm。
權利要求
1.一種常溫下提高微光成像系統(tǒng)探測性能的像增強器，包括相對設置的光電陰極(6)和微通道板(7)，光電陰極(6)和微通道板(7)之間、由光電陰極(6)向微通道板(7)依次設置有前置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)(8)和后置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)(11)，微通道板(7)的外側設置有熒光屏(9)，其特征在于，所述前置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)(8)與后置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)(11)之間設置有一磁鏡陣列裝置(10)。
2.根據(jù)權利要求1所述的像增強器，其特征在于，所述的磁鏡陣列裝置(10)為二維柵狀面陣，包括環(huán)形支架(3)，支架(3)的環(huán)內設置有柵狀永磁體(2)，柵狀永磁體(2)橫向并排設置有多個通孔，所述通孔穿過柵狀永磁體(2)的每道柵，每道柵上相對應的通孔位于同一條軸線，構成柵狀且整齊排列的多個微磁鏡陣列(1)，所述的柵狀永磁體(2)沿支架(3)軸線方向的兩側分別設置有電極(4)，電極(4)與柵狀永磁體(2)之間設置有墊圈(5)。
3.根據(jù)權利要求2所述的像增強器，其特征在于，所述的電極(4)為滲透電極，或為金屬制成的柵電極。
4.根據(jù)權利要求2所述的像增強器，其特征在于，所述的柵狀永磁體(2)選用永磁材料銣鐵硼制成。
5.根據(jù)權利要求2所述的像增強器，其特征在于，所述的墊圈(5)選用陶瓷制成。
6.根據(jù)權利要求2所述的像增強器，其特征在于，所述的支架(3)選用銅或陶瓷制成。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種常溫下提高微光成像系統(tǒng)探測性能的像增強器，包括相對設置的光電陰極和微通道板，光電陰極和微通道板之間、由光電陰極向微通道板依次設置有前置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)和后置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)，微通道板的外側設置有熒光屏，前置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)與后置靜電聚焦電子光學系統(tǒng)之間設置有一磁鏡陣列裝置。本發(fā)明的像增強器擴大了對微光電子的有效利用，降低了光電陰極出射電子在磁鏡中的逃逸概率，常溫下對光電子信號進行更加有效的積累，實現(xiàn)對極微弱光信號的增強，達到在10-8lx照度下的清晰成像。
文檔編號H01J31/08GK101404237SQ20081015076
公開日2009年4月8日 申請日期2008年9月1日 優(yōu)先權日2008年9月1日
發(fā)明者郜海陽, 唐遠河, 鍇 劉, 張瑞霞, 楊旭三, 趙高翔, 娜 葉, 元 梁, 卿 李 申請人:西安理工大學