前近貼脈沖電壓對三代微光像增強器halo效應的影響*

任玲 石峰 郭暉 崔東旭 史繼芳錢蕓生 王洪剛 常本康?

1)(微光夜視技術重點實驗室，西安 710065)

2)(南京理工大學電子工程與光電技術學院，南京 210094)

3)(西安應用光學研究所，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，能夠把微弱的光學圖像增強到足夠的亮度以便人們用肉眼進行觀察[1-4].微光像增強器按代劃分，已經發(fā)展到了第四代，其中應用最多的是采用GaAs光電陰極的第三代[5-7].表征微光像增強器的性能參數(shù)有分辨率、信噪比、等效背景照度、調制傳遞函數(shù)和halo效應等.關于前面幾個參數(shù)，國內外學者已經進行了大量的研究，對于微光像增強器halo效應研究較少[8-10].為了探討微光像增強器halo效應，國內研制了halo效應測試儀，并對直流條件下超二代和三代微光像增強器halo效應分別進行了測試[11].因為光電子轟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器的halo效應較大.針對這一問題，國外提出了無膜三代管，采用自動脈沖門控電源，雖然光暈現(xiàn)象得到了改善，但是離子反饋得不到控制.由于國外的技術封鎖，所以自動脈沖門控電源的公開報道較少.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器halo效應的影響很大.當三代微光像增強器工作時，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，從直觀圖和光子計數(shù)兩方面，研究了前近貼脈沖電壓對三代微光像增強器halo效應的影響.

將高壓脈沖信號加在光電陰極和MCP之間，前近貼電壓由直流信號改變?yōu)槊}沖信號.通過調節(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器的halo效應，利用CCD采集了halo效應的測試結果圖，并給出了光子計數(shù)分布.此研究有利于探討三代微光像增強器的最佳工作狀態(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的發(fā)展進步提供了實驗支撐.

2 測試原理與過程

2.1 halo效應[12]

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

2.2 高壓脈沖電源

定制的高壓脈沖電源型號為DWPN801/P302/103-1/5FF1，輸入電壓為直流24±2 V.此電源有三個輸出端，分別輸出一個脈沖信號和兩個直流信號.脈沖信號的高低電平電壓幅值的變化范圍分別為-10—-800 V和-12—12 V.兩個直流信號的電壓變化范圍分別為0—3000 V和0—10000 V.三個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.

圖1 脈沖信號高低電平的電壓幅值

2.3 測試裝置及原理[11]

微光像增強器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和機械結構組成.

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

3 測試結果與分析

以某三代微光像增強器作為研究對象，將圖1所示的脈沖信號加在微光像增強器光電陰極上，其他兩個直流信號分別接MCP輸出端和熒光屏電極.通過調節(jié)脈沖信號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器的halo效應直觀圖.將過halo圖像中心的直線上各像素點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圖像的光子計數(shù).halo圖像像素點的灰度值范圍為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器halo效應的影響

固定脈沖信號的占空比為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器的halo效應，如圖2所示.

圖2 高電平的電壓幅值對三代微光像增強器halo效應的影響

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的邊界越來越清晰.對圖2中每個halo圖像中心線上各像素點的灰度值進行提取，統(tǒng)計了不同灰度值對應的像素點個數(shù)，如圖3所示.像素點個數(shù)極少，且灰度值為255的像素點個數(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的像素點數(shù)目變多.當高電平電壓幅值大于-200 V時，高電平電壓幅值對halo圖像中心線上各像素點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器halo效應的影響

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

當光電陰極面電壓為負值時，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器的halo效應，如圖4所示.

圖4 低電平電壓幅值對三代微光像增強器halo效應的影響

當占空比為10%時，微光像增強器halo效應主要受低電平電壓幅值的影響.因為低電平電壓是正值，所以光電子在低電平階段為減速運動.高電平電壓為負值，因此光電子在高電平階段為加速運動.隨著低電平電壓幅值的升高，即阻滯場的增強，從圖4所示的直觀圖上看，對三代微光像增強器halo效應的影響不是很明顯.下面取halo圖像中心線上各像素點的灰度值分布作為研究對象，統(tǒng)計不同灰度值對應的像素點個數(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.由圖5可以看出，隨著低電平電壓幅值的升高，對應halo圖像中心線上不同灰度值的像素點數(shù)目變化基本一致，且halo圖像中心線上灰度值為255的像素點數(shù)目呈現(xiàn)變少的趨勢.因為三代微光像增強器采用GaAs光電陰極，所以光電子在光電陰極體內到達能帶彎曲區(qū)的能量最大值為2 eV左右[13]，且從光電陰極面出射時的能量為1 eV左右.因此，當?shù)碗娖诫妷盒∮? V時，仍有部分光電子克服阻滯場到達MCP輸入面，最后轟擊熒光屏成像.當電壓大于2 V左右時，在低電平階段，沒有光電子能夠到達熒光屏，只有高電平階段的加速作用才能成像，即灰度值為255的像素點基本都是由10%高電平作用產生的.

3.3 占空比對三代微光像增強器halo效應的影響

當脈沖電壓信號的高低電平電壓幅值分別為-300 V和0.2 V時，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器的halo效應，測試結果如圖6所示.

圖6 占空比對三代微光像增強器halo效應的影響

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.當占空比為2.5%時，halo圖像中信號與背景噪聲的界限較模糊.隨著占空比的升高，信號與背景噪聲的界限越清晰.當占空比在60%—100%之間時，從直觀圖上看，占空比對微光像增強器halo效應沒有很大影響.取過halo圖像中心的直線上各像素點的灰度值作為研究對象，統(tǒng)計了halo圖像中心光斑及其附近位置的各像素點的灰度值分布.不同占空比條件下采集的halo圖像中不同灰度值對應的像素點個數(shù)如圖7所示，小圖為虛線框內的放大圖.

由圖7可以看出，當占空比在2.5%—10%之間時，halo圖像中心線上像素點的灰度值大致平均分布在100—255之間.當占空比大于20%時，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做加速運動，能量大的光電子數(shù)目變多，因此對應的灰度值為255的像素點增加，即halo圖像中心線上各像素點的灰度值變大.隨著占空比從2.5%變化到60%，各halo圖像中灰度值為255對應的像素點越來越多.當占空比在60%—100%之間時，不同占空比條件下的halo圖像中心線上像素點灰度值分布大體一致，且灰度值為255的像素點個數(shù)基本相同.由以上分析可以得出，當高低電平電壓幅值分別為-300 V和0.2 V時，占空比在60%—100%范圍內，占空比對三代微光像增強器halo效應的影響不大.

圖7 占空比對halo圖像中心線上灰度值分布的影響

4 結論

通過調節(jié)前近貼脈沖信號的高低電平電壓幅值和占空比，在西安應用光學研究所的微光像增強器halo測試設備上，分別測量了三代微光像增強器的halo效應，利用高分辨率CCD采集了halo圖像，并統(tǒng)計了halo圖像中心線上不同灰度值對應的像素點個數(shù).研究結果表明，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的像素點數(shù)目變多，從而halo圖像中背景和信號的邊界越來越清晰.當高電平電壓幅值增加到-200 V以上和占空比大于60%左右時，高電平電壓幅值和占空比對halo圖像中心線上各像素點灰度值分布的影響不大.固定高電平電壓幅值和占空比，因為光電子在陰極體內到達能帶彎曲區(qū)時的能量最大值為2 eV左右，所以低電平電壓低于2 V附近時仍有部分光電子能夠轟擊熒光屏成像.當?shù)碗娖诫妷悍荡笥? V左右時，光電子在低電平階段無法克服阻滯場到達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器的最佳工作電壓和光電子從陰極面出射時的能量分布，促進了三代微光像增強器性能的提高.

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