陰極直徑100 mm 像增強(qiáng)器設(shè)計與研制

宗方軻，楊勤勞，顧 禮，李 翔，溫龍燕

深圳大學(xué)光電工程學(xué)院光電子器件與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實驗室廣東省光電子器件與系統(tǒng)重點(diǎn)實驗室，深圳518060

圖像增強(qiáng)技術(shù)在微光夜視、天文觀測、X 射線(γ 射線)探測、醫(yī)療診斷和超快過程診斷等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1］. 在超快過程研究領(lǐng)域，由于所研究的輻射持續(xù)時間極短［2］，圖像信號很弱，為達(dá)到探測靈敏度的要求，圖像增強(qiáng)技術(shù)是不可缺少的.

為滿足慣性約束核聚變 (inertial confinement fusion，ICF)研究中的特殊需求(如在沖擊波速度測量中要求掃描相機(jī)具有高時間分辨和大掃程)，本課題組研制了一種寬量程高時間分辨掃描相機(jī)，在保證一定偏轉(zhuǎn)靈敏度的前提下，解決了擴(kuò)大掃程的難題，使掃描相機(jī)性能指標(biāo)滿足在時間分辨率為5 ps 時，掃描量程達(dá)5 ns，即掃程與時間分辨率比值為1 000 ∶1. 由于在掃描方向上變像管的動態(tài)空間分辨能力為100 μm，即100 μm 代表單元時間分辨元5 ps，掃程為時間分辨的1 000 倍，則輸出熒光屏直徑應(yīng)為100 mm. 為此，與寬量程高時間分辨掃描相機(jī)相匹配的像增強(qiáng)器必須擁有大工作面積，即像增強(qiáng)器的陰極直徑Φ ≥100 mm. 目前，大多數(shù)掃描變像管的輸出圖像與讀出系統(tǒng)的匹配一般都采用光纖光錐. 這種耦合方式能滿足普通相機(jī)的應(yīng)用需求，但存在光能損失大等缺點(diǎn)，如變像管的輸出屏直徑與CCD 直徑之比為3.3∶1，若采用光纖光錐耦合，根據(jù)光能傳輸效能的經(jīng)驗公式η = M2×60% 可知，光能傳輸效率僅為6%［3］. 光纖光錐耦合方式的光能損耗嚴(yán)重，不能滿足寬量程高時間分辨掃描相機(jī)應(yīng)用需求.

本研究設(shè)計研制了一種大工作面積、高空間分辨的像增強(qiáng)器，陰極直徑為100 mm，輸出熒光屏直徑為30 mm，可實現(xiàn)對大面積掃描輸出圖像的增強(qiáng)，同時便于和后續(xù)圖像記錄設(shè)備CCD 的直接耦合，解決了寬量程掃描相機(jī)與CCD 的耦合難題.

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

在像增強(qiáng)器的常用結(jié)構(gòu)［4-6］中，近貼式結(jié)構(gòu)不能產(chǎn)生縮小輸出像，電磁聚焦復(fù)合式管子體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜. 因此，本研究所設(shè)計的大工作面積像增強(qiáng)器采用第一代靜電聚焦倒像式結(jié)構(gòu)，利用球面陰極和旋轉(zhuǎn)對稱靜電場組成同心球系統(tǒng)，對大物面的陰極像進(jìn)行銳聚焦，形成倒立實像. 這種結(jié)構(gòu)在電子光學(xué)中屬靜電陰極透鏡，適用于大物面成像，它可獲得放大或縮小的倍率，圖像鑒別率高，容易實現(xiàn)定焦、調(diào)焦、快門及變倍等功能，且結(jié)構(gòu)簡單，成像性能優(yōu)良.

像增強(qiáng)器是一種光電真空器件，由光電陰極、電子光學(xué)成像系統(tǒng)和熒光屏組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1［7］. 在像增強(qiáng)器工作時，由景物反射的微弱可見光和近紅外光經(jīng)物鏡聚焦形成輸入圖像，經(jīng)輸入窗傳送至光電陰極上，光電陰極在輸入光子的激發(fā)下向外發(fā)射光電子，發(fā)射的光電子數(shù)與輸入光子數(shù)對應(yīng)成比例，在此過程中，實現(xiàn)把景物的光強(qiáng)分布圖像變成與之對應(yīng)的電子數(shù)密度分布圖像;在電子光學(xué)成像系統(tǒng)中，電子在高壓電場中獲得能量，在電場中加速運(yùn)動，并偏轉(zhuǎn)聚焦成像于熒光屏上，光電陰極的電子數(shù)密度分布圖像就能被成千上萬倍地增強(qiáng);經(jīng)過倍增的高能電子轟擊熒光屏，實現(xiàn)電子圖像到光子圖像的轉(zhuǎn)變，得到增強(qiáng)的光子圖像，此圖像經(jīng)輸出窗向外傳送以供人眼觀察或與CCD 耦合讀出以便后期處理.

圖1 像增強(qiáng)器原理圖Fig.1 Schematic diagram of image intensifier

2 像增強(qiáng)器設(shè)計與研制

首先創(chuàng)建像增強(qiáng)器的三維幾何模型，管殼、陽極和聚焦極都用柱形旋轉(zhuǎn)體表示，陽極與熒光屏之間的等位區(qū)用一個柱面封閉. 為保持球面陰極邊緣電場與中心電場一致，在陰極邊緣設(shè)置一環(huán)狀電極. 由于陰極電勢為負(fù)值，為保證陰極出射電子不被反向加速，就需要降低左邊場強(qiáng)分布，使管殼左邊適當(dāng)延長，以便左邊零電位等勢線遠(yuǎn)離球面陰極，從而改變場強(qiáng)分布，保證電子出射后能按預(yù)設(shè)方向射向聚焦電場. 每個電極電壓設(shè)置分別為:管殼0 V、陰極-0.4 kV、聚焦極5.5 kV、陽極和陽極后的等位柱面15 kV.

在電子光學(xué)成像系統(tǒng)中，靜電場屬于無源場，在不考慮空間電荷的情況下，軸對稱電場的電位分布滿足拉普拉斯方程. 求解拉普拉斯方程就可以確定電場的空間分布.

當(dāng)給定封閉邊界Г 上的數(shù)值以后，在封閉邊界包圍的區(qū)域G 內(nèi)，可通過求解方程(2)來確定空間電位分布φ(r，z).

把由封閉邊界Г 所確定的區(qū)域剖分成若干個三角形，然后利用有限元素法求解電場分布. 利用計算出的模型電場分布的數(shù)據(jù)，追蹤從球面陰極出射的電子的運(yùn)動軌跡.

試驗結(jié)果數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）的形式給出，采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行試驗的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。其中小鼠骨髓細(xì)胞微核試驗采用雙側(cè)t檢驗、小鼠骨髓細(xì)胞微核試驗采用Wilcoxon秩和檢驗、90 d喂養(yǎng)試驗采用單因素方差分析進(jìn)行統(tǒng)計處理。

在圓柱坐標(biāo)系(r，θ，z)中，靜電場中電子的運(yùn)動方程的形式為

利用五階龍格-庫塔法求解運(yùn)動方程，設(shè)置電子的初始能量和初始發(fā)射角，求解電子運(yùn)動方程，繪制電子運(yùn)動軌跡.

因該增強(qiáng)器模型為同心球系統(tǒng)，具有旋轉(zhuǎn)對稱性，沿對稱軸任一截面的場分布都相同. 電子球面陰極與聚焦極形成的準(zhǔn)球形電場中被加速并交匯于軸上一點(diǎn)，整個陰極面上射出的電子束在匯聚點(diǎn)的散射圓半徑很小，這樣電子束就可以穿過陽極孔進(jìn)入后面的等位區(qū)，進(jìn)入等位區(qū)的電子做自由運(yùn)動，運(yùn)動方向不改變地射向熒光屏，在熒光屏上聚焦成像.

由于每個主截面上電子的運(yùn)動軌跡都是等效的，本研究僅考察一個截面上的電子軌跡. 在yoz截面上選取11 個特殊點(diǎn)，追蹤每個點(diǎn)射出的主軌跡和邊緣軌跡，繪制的特征軌跡曲線如圖2.

追蹤這些電子軌跡，可確定每個特征點(diǎn)的聚焦位置. 綜合考慮放大倍率和每個特征點(diǎn)出射電子束的彌散圓半徑，就可確定最佳像面位置，從而分析模型的成像特性.

圖2 特征電子軌跡Fig.2 Characteristics of electron track

在y = 164 mm 的平面上，離軸不同距離的電子束的半徑都小于15 μm，全屏分辨率較均衡，成像較理想，所以確定此平面為最佳像面. 由像面上特征軌跡落點(diǎn)的坐標(biāo)及相差距離就可計算出分辨率和放大倍率. 表1 為像面上特征位置的分辨率和放大倍率.

表1 像面上特征位置的分辨率和放大倍率Table 1 Resolution and magnification of characteristics position on image plane

根據(jù)理論設(shè)計結(jié)果制作光電陰極、聚焦電極、陽極和熒光屏，并嚴(yán)格按照真空器件制作工藝和要求制作并裝配像增強(qiáng)器樣管，如圖3.

圖3 像增強(qiáng)器的裝配示意圖和實物圖Fig.3 Schematic image intensifier assembly and physical map

3 實驗測試平臺

圖4 靜態(tài)分辨率測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of a static resolution test system

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 空間分辨

在陽極電壓為12 kV、陰極電壓為-340 V 的實驗條件下，對像增強(qiáng)器進(jìn)行空間分辨率測試，測試結(jié)果如圖5 和圖6.

為分析CMOS 相機(jī)對實驗結(jié)果的影響，我們對CMOS 相機(jī)的空間調(diào)制傳遞函數(shù)進(jìn)行了測量. 在相同快門時間和圖像增益條件下，用CMOS 相機(jī)直接拍攝微光下分辨率板圖像，確保相機(jī)鏡頭軸線與分辨率板法線重合，調(diào)節(jié)相機(jī)與分辨率板的距離，使鏡頭能良好聚焦，拍攝到的圖像如圖7.

把圖6 和圖7 轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像，分別計算其在各個空間頻率下的調(diào)制度

其中，IM和Im分別為條紋最大光強(qiáng)和最小光強(qiáng). 調(diào)制度的計算結(jié)果見表2 和表3.

圖5 熒光屏各處的靜態(tài)分辨率測試結(jié)果Fig.5 Static resolution throughout the screen

圖6 熒光屏中心的靜態(tài)分辨率測試結(jié)果Fig.6 Static resolution of the screen center

圖7 CMOS 相機(jī)分辨率測試結(jié)果Fig.7 Resolution of the CMOS camera

表2 圖6 中各頻率的調(diào)制度Table 2 Modulation of the frequency in Fig 6

表3 圖7 中各頻率的調(diào)制度Table 3 Modulation of the frequency in Fig 7

由于系統(tǒng)的MTF (調(diào)制傳遞函數(shù))等于各子系統(tǒng)的MTF 的乘積，所以由表2 和表3 可以計算像增強(qiáng)器的MTF，計算結(jié)果見表4.

表4 像增強(qiáng)器的各頻率的調(diào)制度Table 4 Frequency modulation of the image intensifier

由表4 可畫出增強(qiáng)器的子午和弧矢振幅傳函MTFt 和MTFs 曲線. MTF 曲線表示多種不同頻率正弦分布函數(shù)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后其對比度(即振幅)的衰減程度，當(dāng)某一頻率對比度降到0 時，說明該頻率光強(qiáng)分布已無亮度變化，即該頻率被截止. 對于不同對比度目標(biāo)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，光學(xué)系統(tǒng)截止空間頻率就是該系統(tǒng)分辨率極限，用不同接收器接收時達(dá)到的對比度閾值相對應(yīng)的分辨率為實際分辨率. 文獻(xiàn)［8］指出，對于目視系統(tǒng)接收器的對比度閾值為0.05，攝像系統(tǒng)接收器的對比度閾值為0.15. 根據(jù)表4 繪制出增強(qiáng)器的MTF 曲線如圖8. 由圖8 可知，增強(qiáng)器的水平和豎直極限分辨率都可達(dá)30 lp/mm. 用10 倍率的顯微鏡對增強(qiáng)器熒光屏上的圖像直接進(jìn)行觀察時的結(jié)果也證明了這一點(diǎn).

圖8 像增強(qiáng)器的MTF 曲線Fig.8 MTF curve of the image intensifier

4.2 畸變

在圖5 中，增強(qiáng)器各處的分辨測試圖案都是在相同條件下的測試結(jié)果，相機(jī)鏡頭與熒光屏的距離是相同的，所以熒光屏上所成的圖像與相機(jī)記錄的圖像在幾何上成有相同的比例. 我們可以由此來推算增強(qiáng)器的畸變，由圖6 中各處測試結(jié)果測量圖形大小并計算畸變，結(jié)果見表5.

表5 像增強(qiáng)器的畸變測量Table 5 Distortion of image intensifier

由表5 可計算增強(qiáng)器的畸變?yōu)?/p>

其中，βc為圖像中心放大倍率;βr為距離中心r 處的放大倍率;lc和lr分別為中心和距離中心r 處的線長.

計算得到40 mm 處畸變?yōu)?.57%，模擬結(jié)果與測試結(jié)果相仿，可認(rèn)為增強(qiáng)器50 mm 處畸變?yōu)?0%. 在大工作面積像增強(qiáng)器中，10%的畸變尚可接受，且畸變在后續(xù)處理中可用圖形軟件校正.

結(jié) 語

本研究通過對幾種像增強(qiáng)器電子光學(xué)成像系統(tǒng)基本性能特點(diǎn)進(jìn)行分析和比較，以同心球電子光學(xué)系統(tǒng)的一代倒像式像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用電子光學(xué)設(shè)計軟件對像增強(qiáng)器的電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，計算電場分布和電子運(yùn)動軌跡，分析成像特性，優(yōu)化設(shè)計出了一種具有大工作面積、輸出圖像縮小、空間分辨率滿足使用要求的像增強(qiáng)器.

根據(jù)理論設(shè)計結(jié)果，研制出像增強(qiáng)器樣管. 在搭建的測試系統(tǒng)上，對實驗樣管進(jìn)行了性能測試.結(jié)果表明，像增強(qiáng)器輸入工作面積大于100 mm，輸出圖像33 mm，放大倍率為0.33. 中心空間分辨率達(dá)30 lp/mm，邊緣空間分辨率達(dá)25 lp/mm，幾何畸變不大于10%. 試驗結(jié)果與理論設(shè)計結(jié)果符合良好，性能指標(biāo)滿足應(yīng)用需求.

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