四讲_微光像增强器

第四章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。一代像增强器结构示意图b.第二代微光夜视1970年研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二代、超二代和三代像增强器结构示意图光阴极光电转换微道板电子倍增荧光屏电光转换微光夜视技术特点和作用--微光核心器件工作原理（m)n倍增次数二次电子倍增系数微光夜视技术特点和作用微光核心器件工作原理工作时加三个电压，光电阴极~通道板输入端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，JacquesDupuy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300-400μA/lm提高到600μA/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技术核心器件1Thinion-barrierfilm/高性能，薄的离子阻挡膜2LownoisefigureMCP/低噪声因子微通道板3Gatedpowersupply/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（例Omnibus三代微光计划）美国国防部美陆军实验室斯坦福、亚里桑拉、佛吉尼亚等大学ITT公司/EOIntervac公司Litton公司EO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，提供装备俄罗斯俄罗斯科工委电子局俄罗斯微光产研联合体莫斯科电子器件研究所（超二代、三代微光器件工程化研究）彼得堡电子器件公司倍增管、微光管生产地球物理公司三代微光器件整机生产新西北利亚凯道特公司超二代、三代生产新西北利亚艾克兰公司一代、二代生产俄科学院新西北利亚半导体物理研究所（超三代、四代基础研究欧洲法国：PHOTONICS(超二代）荷兰：DELFT以色列中国军事需求兵器205所长春理工大北京理工大南京理工大北方夜视公司其他单位微光夜视重点实验室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；ElCA0zα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：在近贴聚焦像管中一般U,则得因为zzrzVulzr)(2)(zzruulr2urlr220sinrsin20ulrz所以zr,,0ElCA0zα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。ElCA0zαulRm2msin20ulrulRm2ElCA0zα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。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AC0位由于有孔兰，可有效地控制系统的发散作用，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。RcRa3．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EB12z线圈αOO’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=2πm/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。EB12z线圈αOO’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。像管对荧光屏的主要要求是：荧光屏应该具有高的转换效率；能产生足够的光亮度；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；合适的余辉时间；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像管亮度增益作用很大。2400500600700P-20P-31P-114683001×10-51×10-41×10-34×10-3波长(nm)光谱效率(W/nm-W)荧光屏光谱发射特性荧光粉材料有：ZnS: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.像管中常用的荧光粉P20，发光颜色为黄绿光，峰值波长0.56μm，余辉时间0.05-2ms，粉的粒度控制在3.5μm，以保证屏的分辨率。荧光粉材料的电阻率很高，通常在1010~1014Ωcm，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00n1'22n1n2211sinsinnn222121100cos1sinsinnnnnn又因为入射光端面处满足折射定律222121100cos1sinsinnnnnn满足上式条件的入射光，刚好在玻璃丝中芯料皮料界面发生全反射。如0，则1,更能发生全反射，对于入射角小于0的光都能发生全反射，即能够在玻璃芯料中传播。仿照光学透镜，称n0sin0为数值孔径，记为N·A，它表示纤维丝收集各个方向光的能力。00n1'22n1n2．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57.9º，而实测为53º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