前近貼脈沖電壓對三代微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)的影響*

任玲 石峰 郭暉 崔東旭 史繼芳錢蕓生 王洪剛 常本康?

1)(微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065)

2)(南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京 210094)

3)(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065)

(2012年7月2日收到;2012年7月26日收到修改稿)

1 引言

微光像增強(qiáng)器是一種光電成像器件，由光電陰極、微通道板和熒光屏組成，能夠把微弱的光學(xué)圖像增強(qiáng)到足夠的亮度以便人們用肉眼進(jìn)行觀察[1-4].微光像增強(qiáng)器按代劃分，已經(jīng)發(fā)展到了第四代，其中應(yīng)用最多的是采用GaAs光電陰極的第三代[5-7].表征微光像增強(qiáng)器的性能參數(shù)有分辨率、信噪比、等效背景照度、調(diào)制傳遞函數(shù)和halo效應(yīng)等.關(guān)于前面幾個(gè)參數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，對于微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)研究較少[8-10].為了探討微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)，國內(nèi)研制了halo效應(yīng)測試儀，并對直流條件下超二代和三代微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)分別進(jìn)行了測試[11].因?yàn)楣怆娮愚Z擊防離子反饋膜將發(fā)生電子散射現(xiàn)象，所以三代微光像增強(qiáng)器的halo效應(yīng)較大.針對這一問題，國外提出了無膜三代管，采用自動(dòng)脈沖門控電源，雖然光暈現(xiàn)象得到了改善，但是離子反饋得不到控制.由于國外的技術(shù)封鎖，所以自動(dòng)脈沖門控電源的公開報(bào)道較少.防離子反饋膜鍍在微通道板(MCP)輸入面上，因此前近貼電壓和距離對三代微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)的影響很大.當(dāng)三代微光像增強(qiáng)器工作時(shí)，前近貼直流電壓一般為300 V.本文將原來的直流電壓改變?yōu)楦邏好}沖電壓，利用高分辨率CCD采集halo圖像，從直觀圖和光子計(jì)數(shù)兩方面，研究了前近貼脈沖電壓對三代微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)的影響.

將高壓脈沖信號(hào)加在光電陰極和MCP之間，前近貼電壓由直流信號(hào)改變?yōu)槊}沖信號(hào).通過調(diào)節(jié)高低電平的電壓幅值和占空比，在halo測試儀器上，分別測試了三代微光像增強(qiáng)器的halo效應(yīng)，利用CCD采集了halo效應(yīng)的測試結(jié)果圖，并給出了光子計(jì)數(shù)分布.此研究有利于探討三代微光像增強(qiáng)器的最佳工作狀態(tài)和從陰極面出射光電子的能量范圍，為以后微光夜視技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步提供了實(shí)驗(yàn)支撐.

2 測試原理與過程

2.1 halo效應(yīng)[12]

通過光學(xué)系統(tǒng)將一個(gè)有一定直徑的小光點(diǎn)投影在微光像增強(qiáng)器的陰極面上，在熒光屏上將出現(xiàn)一個(gè)小光點(diǎn)的像.由于像增強(qiáng)器成像過程中噪聲的影響，所以熒光屏上的光點(diǎn)像有光暈現(xiàn)象，即halo效應(yīng).

2.2 高壓脈沖電源

定制的高壓脈沖電源型號(hào)為DWPN801/P302/103-1/5FF1，輸入電壓為直流24±2 V.此電源有三個(gè)輸出端，分別輸出一個(gè)脈沖信號(hào)和兩個(gè)直流信號(hào).脈沖信號(hào)的高低電平電壓幅值的變化范圍分別為-10—-800 V和-12—12 V.兩個(gè)直流信號(hào)的電壓變化范圍分別為0—3000 V和0—10000 V.三個(gè)輸出端的接地方式為共地.圖1為高壓脈沖電源輸出的脈沖信號(hào).

圖1 脈沖信號(hào)高低電平的電壓幅值

2.3 測試裝置及原理[11]

微光像增強(qiáng)器halo測試裝置主要由光源、濾光片、帶有小孔的光板、積分球、微孔、光電探測器、測試暗箱、放大鏡頭、高分辨率CCD和機(jī)械結(jié)構(gòu)組成.

光源、濾光片、積分球和微孔等部件產(chǎn)生一定照度的均勻小光點(diǎn).當(dāng)測試微光像增強(qiáng)器的halo效應(yīng)時(shí)，首先要在像增強(qiáng)器陰極面上形成小光點(diǎn).光點(diǎn)直徑一般取為0.1—0.4 mm之間.小光點(diǎn)成像可以通過物鏡投影，也可以用微孔光闌.微光像增強(qiáng)器放置在測試暗盒內(nèi)，當(dāng)小光點(diǎn)照射微光像增強(qiáng)器的陰極面后，在其熒光屏上將出現(xiàn)小光點(diǎn)的像，該圖像通過高分辨率CCD和放大鏡頭進(jìn)行采集.最后，將采集得到的halo圖像傳輸給計(jì)算機(jī)并保存為bmp格式.

3 測試結(jié)果與分析

以某三代微光像增強(qiáng)器作為研究對象，將圖1所示的脈沖信號(hào)加在微光像增強(qiáng)器光電陰極上，其他兩個(gè)直流信號(hào)分別接MCP輸出端和熒光屏電極.通過調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的高低電平電壓幅值和占空比，分別測試并采集了三代微光像增強(qiáng)器的halo效應(yīng)直觀圖.將過halo圖像中心的直線上各像素點(diǎn)的灰度值分布作為研究對象，對比分析了不同條件下采集的halo圖像的光子計(jì)數(shù).halo圖像像素點(diǎn)的灰度值范圍為0—255.在測試過程中，照射在三代微光像增強(qiáng)器光電陰極面上的光斑直徑為0.3 mm，MCP輸入端接地，MCP輸出端電壓為+800 V，熒光屏電壓為+4500 V.

3.1 高電平的電壓幅值對三代微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)的影響

固定脈沖信號(hào)的占空比為100%，高電平的電壓幅值從-50 V變化到-300 V，每隔-50 V變化一次，分別測試了三代微光像增強(qiáng)器的halo效應(yīng)，如圖2所示.

圖2 高電平的電壓幅值對三代微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)的影響

圖3 高電平電壓幅值對halo圖像中心線上灰度值分布的影響

由圖2可見，隨著陰極所加電壓的增加，轟擊熒光屏的電子所帶能量變大，因此光斑圖像中心的亮度變亮.陰極所加電壓越大，光斑圖像中背景和信號(hào)的邊界越來越清晰.對圖2中每個(gè)halo圖像中心線上各像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行提取，統(tǒng)計(jì)了不同灰度值對應(yīng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，如圖3所示.像素點(diǎn)個(gè)數(shù)極少，且灰度值為255的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)基本相同.可以得出，隨著高電平電壓幅值的增加，前近貼管中的光電子獲得的能量越大，從而灰度值為255的像素點(diǎn)數(shù)目變多.當(dāng)高電平電壓幅值大于-200 V時(shí)，高電平電壓幅值對halo圖像中心線上各像素點(diǎn)灰度值分布的影響不大.在脈沖電壓的占空比為100%的條件下，高電平電壓幅值的參考范圍為-200—-300 V.

3.2 低電平的電壓幅值對三代微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)的影響

由圖3可以看出，當(dāng)高電平電壓幅值為-50 V時(shí)，對應(yīng)的halo圖像中心線上各像素點(diǎn)的灰度值在100—255之間基本平均分布，且灰度值為150時(shí)的像素點(diǎn)略多.當(dāng)高電平電壓幅值從-50 V變化到-200 V時(shí)，光電子到達(dá)MCP輸入面時(shí)的能量變大，對應(yīng)的halo圖像中心線上各像素點(diǎn)的灰度值變大，即高灰度值的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)變多.當(dāng)電壓幅值在-200—-300 V之間時(shí)，灰度值小于255的

當(dāng)光電陰極面電壓為負(fù)值時(shí)，表示陰極到MCP之間為加速場，否則為阻滯場.光電子從光電陰極出射時(shí)的初始能量不清楚，通過改變低端電壓值，觀察采集得到的halo和分辨率靶的圖片是否發(fā)生變化.固定脈沖信號(hào)的占空比為10%，陰極所加脈沖電源的高電平電壓幅值為-300 V.改變低電平電壓幅值大小，分別測試了三代微光像增強(qiáng)器的halo效應(yīng)，如圖4所示.

圖4 低電平電壓幅值對三代微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)的影響

當(dāng)占空比為10%時(shí)，微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)主要受低電平電壓幅值的影響.因?yàn)榈碗娖诫妷菏钦?，所以光電子在低電平階段為減速運(yùn)動(dòng).高電平電壓為負(fù)值，因此光電子在高電平階段為加速運(yùn)動(dòng).隨著低電平電壓幅值的升高，即阻滯場的增強(qiáng)，從圖4所示的直觀圖上看，對三代微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)的影響不是很明顯.下面取halo圖像中心線上各像素點(diǎn)的灰度值分布作為研究對象，統(tǒng)計(jì)不同灰度值對應(yīng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，如圖5所示.

圖5 低電平電壓幅值對halo圖像中心線上灰度值分布的影響

隨著低電平電壓幅值的增大，光電陰極與MCP之間的阻滯場越強(qiáng).由圖5可以看出，隨著低電平電壓幅值的升高，對應(yīng)halo圖像中心線上不同灰度值的像素點(diǎn)數(shù)目變化基本一致，且halo圖像中心線上灰度值為255的像素點(diǎn)數(shù)目呈現(xiàn)變少的趨勢.因?yàn)槿⒐庀裨鰪?qiáng)器采用GaAs光電陰極，所以光電子在光電陰極體內(nèi)到達(dá)能帶彎曲區(qū)的能量最大值為2 eV左右[13]，且從光電陰極面出射時(shí)的能量為1 eV左右.因此，當(dāng)?shù)碗娖诫妷盒∮? V時(shí)，仍有部分光電子克服阻滯場到達(dá)MCP輸入面，最后轟擊熒光屏成像.當(dāng)電壓大于2 V左右時(shí)，在低電平階段，沒有光電子能夠到達(dá)熒光屏，只有高電平階段的加速作用才能成像，即灰度值為255的像素點(diǎn)基本都是由10%高電平作用產(chǎn)生的.

3.3 占空比對三代微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)的影響

當(dāng)脈沖電壓信號(hào)的高低電平電壓幅值分別為-300 V和0.2 V時(shí)，將占空比從2.5%變化到100%，分別測試并采集了三代微光像增強(qiáng)器的halo效應(yīng)，測試結(jié)果如圖6所示.

圖6 占空比對三代微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)的影響

由圖6可以看出，隨著脈沖電源占空比的升高，光斑圖像中心的亮度越亮.當(dāng)占空比為2.5%時(shí)，halo圖像中信號(hào)與背景噪聲的界限較模糊.隨著占空比的升高，信號(hào)與背景噪聲的界限越清晰.當(dāng)占空比在60%—100%之間時(shí)，從直觀圖上看，占空比對微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)沒有很大影響.取過halo圖像中心的直線上各像素點(diǎn)的灰度值作為研究對象，統(tǒng)計(jì)了halo圖像中心光斑及其附近位置的各像素點(diǎn)的灰度值分布.不同占空比條件下采集的halo圖像中不同灰度值對應(yīng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)如圖7所示，小圖為虛線框內(nèi)的放大圖.

由圖7可以看出，當(dāng)占空比在2.5%—10%之間時(shí)，halo圖像中心線上像素點(diǎn)的灰度值大致平均分布在100—255之間.當(dāng)占空比大于20%時(shí)，灰度值大體分布在150—255之間.隨著占空比的增加，更多的光電子在前近貼管內(nèi)做加速運(yùn)動(dòng)，能量大的光電子數(shù)目變多，因此對應(yīng)的灰度值為255的像素點(diǎn)增加，即halo圖像中心線上各像素點(diǎn)的灰度值變大.隨著占空比從2.5%變化到60%，各halo圖像中灰度值為255對應(yīng)的像素點(diǎn)越來越多.當(dāng)占空比在60%—100%之間時(shí)，不同占空比條件下的halo圖像中心線上像素點(diǎn)灰度值分布大體一致，且灰度值為255的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)基本相同.由以上分析可以得出，當(dāng)高低電平電壓幅值分別為-300 V和0.2 V時(shí)，占空比在60%—100%范圍內(nèi)，占空比對三代微光像增強(qiáng)器halo效應(yīng)的影響不大.

圖7 占空比對halo圖像中心線上灰度值分布的影響

4 結(jié)論

通過調(diào)節(jié)前近貼脈沖信號(hào)的高低電平電壓幅值和占空比，在西安應(yīng)用光學(xué)研究所的微光像增強(qiáng)器halo測試設(shè)備上，分別測量了三代微光像增強(qiáng)器的halo效應(yīng)，利用高分辨率CCD采集了halo圖像，并統(tǒng)計(jì)了halo圖像中心線上不同灰度值對應(yīng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù).研究結(jié)果表明，隨著高電平電壓幅值和占空比的增加，轟擊熒光屏的電子能量變大，光斑圖像中心的亮度變亮，灰度值為255的像素點(diǎn)數(shù)目變多，從而halo圖像中背景和信號(hào)的邊界越來越清晰.當(dāng)高電平電壓幅值增加到-200 V以上和占空比大于60%左右時(shí)，高電平電壓幅值和占空比對halo圖像中心線上各像素點(diǎn)灰度值分布的影響不大.固定高電平電壓幅值和占空比，因?yàn)楣怆娮釉陉帢O體內(nèi)到達(dá)能帶彎曲區(qū)時(shí)的能量最大值為2 eV左右，所以低電平電壓低于2 V附近時(shí)仍有部分光電子能夠轟擊熒光屏成像.當(dāng)?shù)碗娖诫妷悍荡笥? V左右時(shí)，光電子在低電平階段無法克服阻滯場到達(dá)MCP輸入面，而僅在10%的高電平階段加速作用下才能轟擊熒光屏成像.此研究有利于探討微光像增強(qiáng)器的最佳工作電壓和光電子從陰極面出射時(shí)的能量分布，促進(jìn)了三代微光像增強(qiáng)器性能的提高.

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