前近贴脉冲电压对三代微光像增强器halo效应的影响*

任玲 石峰 郭晖 崔东旭 史继芳钱芸生 王洪刚 常本康†

1)(微光夜视技术重点实验室，西安 710065)

2)(南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京 210094)

3)(西安应用光学研究所，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

微光像增强器是一种光电成像器件，由光电阴极、微通道板和荧光屏组成，能够把微弱的光学图像增强到足够的亮度以便人们用肉眼进行观察[1-4].微光像增强器按代划分，已经发展到了第四代，其中应用最多的是采用GaAs光电阴极的第三代[5-7].表征微光像增强器的性能参数有分辨率、信噪比、等效背景照度、调制传递函数和halo效应等.关于前面几个参数，国内外学者已经进行了大量的研究，对于微光像增强器halo效应研究较少[8-10].为了探讨微光像增强器halo效应，国内研制了halo效应测试仪，并对直流条件下超二代和三代微光像增强器halo效应分别进行了测试[11].因为光电子轰击防离子反馈膜将发生电子散射现象，所以三代微光像增强器的halo效应较大.针对这一问题，国外提出了无膜三代管，采用自动脉冲门控电源，虽然光晕现象得到了改善，但是离子反馈得不到控制.由于国外的技术封锁，所以自动脉冲门控电源的公开报道较少.防离子反馈膜镀在微通道板(MCP)输入面上，因此前近贴电压和距离对三代微光像增强器halo效应的影响很大.当三代微光像增强器工作时，前近贴直流电压一般为300 V.本文将原来的直流电压改变为高压脉冲电压，利用高分辨率CCD采集halo图像，从直观图和光子计数两方面，研究了前近贴脉冲电压对三代微光像增强器halo效应的影响.

将高压脉冲信号加在光电阴极和MCP之间，前近贴电压由直流信号改变为脉冲信号.通过调节高低电平的电压幅值和占空比，在halo测试仪器上，分别测试了三代微光像增强器的halo效应，利用CCD采集了halo效应的测试结果图，并给出了光子计数分布.此研究有利于探讨三代微光像增强器的最佳工作状态和从阴极面出射光电子的能量范围，为以后微光夜视技术的发展进步提供了实验支撑.

2 测试原理与过程

2.1 halo效应[12]

通过光学系统将一个有一定直径的小光点投影在微光像增强器的阴极面上，在荧光屏上将出现一个小光点的像.由于像增强器成像过程中噪声的影响，所以荧光屏上的光点像有光晕现象，即halo效应.

2.2 高压脉冲电源

定制的高压脉冲电源型号为DWPN801/P302/103-1/5FF1，输入电压为直流24±2 V.此电源有三个输出端，分别输出一个脉冲信号和两个直流信号.脉冲信号的高低电平电压幅值的变化范围分别为-10—-800 V和-12—12 V.两个直流信号的电压变化范围分别为0—3000 V和0—10000 V.三个输出端的接地方式为共地.图1为高压脉冲电源输出的脉冲信号.

图1 脉冲信号高低电平的电压幅值

2.3 测试装置及原理[11]

微光像增强器halo测试装置主要由光源、滤光片、带有小孔的光板、积分球、微孔、光电探测器、测试暗箱、放大镜头、高分辨率CCD和机械结构组成.

光源、滤光片、积分球和微孔等部件产生一定照度的均匀小光点.当测试微光像增强器的halo效应时，首先要在像增强器阴极面上形成小光点.光点直径一般取为0.1—0.4 mm之间.小光点成像可以通过物镜投影，也可以用微孔光阑.微光像增强器放置在测试暗盒内，当小光点照射微光像增强器的阴极面后，在其荧光屏上将出现小光点的像，该图像通过高分辨率CCD和放大镜头进行采集.最后，将采集得到的halo图像传输给计算机并保存为bmp格式.

3 测试结果与分析

以某三代微光像增强器作为研究对象，将图1所示的脉冲信号加在微光像增强器光电阴极上，其他两个直流信号分别接MCP输出端和荧光屏电极.通过调节脉冲信号的高低电平电压幅值和占空比，分别测试并采集了三代微光像增强器的halo效应直观图.将过halo图像中心的直线上各像素点的灰度值分布作为研究对象，对比分析了不同条件下采集的halo图像的光子计数.halo图像像素点的灰度值范围为0—255.在测试过程中，照射在三代微光像增强器光电阴极面上的光斑直径为0.3 mm，MCP输入端接地，MCP输出端电压为+800 V，荧光屏电压为+4500 V.

3.1 高电平的电压幅值对三代微光像增强器halo效应的影响

固定脉冲信号的占空比为100%，高电平的电压幅值从-50 V变化到-300 V，每隔-50 V变化一次，分别测试了三代微光像增强器的halo效应，如图2所示.

图2 高电平的电压幅值对三代微光像增强器halo效应的影响

图3 高电平电压幅值对halo图像中心线上灰度值分布的影响

由图2可见，随着阴极所加电压的增加，轰击荧光屏的电子所带能量变大，因此光斑图像中心的亮度变亮.阴极所加电压越大，光斑图像中背景和信号的边界越来越清晰.对图2中每个halo图像中心线上各像素点的灰度值进行提取，统计了不同灰度值对应的像素点个数，如图3所示.像素点个数极少，且灰度值为255的像素点个数基本相同.可以得出，随着高电平电压幅值的增加，前近贴管中的光电子获得的能量越大，从而灰度值为255的像素点数目变多.当高电平电压幅值大于-200 V时，高电平电压幅值对halo图像中心线上各像素点灰度值分布的影响不大.在脉冲电压的占空比为100%的条件下，高电平电压幅值的参考范围为-200—-300 V.

3.2 低电平的电压幅值对三代微光像增强器halo效应的影响

由图3可以看出，当高电平电压幅值为-50 V时，对应的halo图像中心线上各像素点的灰度值在100—255之间基本平均分布，且灰度值为150时的像素点略多.当高电平电压幅值从-50 V变化到-200 V时，光电子到达MCP输入面时的能量变大，对应的halo图像中心线上各像素点的灰度值变大，即高灰度值的像素点个数变多.当电压幅值在-200—-300 V之间时，灰度值小于255的

当光电阴极面电压为负值时，表示阴极到MCP之间为加速场，否则为阻滞场.光电子从光电阴极出射时的初始能量不清楚，通过改变低端电压值，观察采集得到的halo和分辨率靶的图片是否发生变化.固定脉冲信号的占空比为10%，阴极所加脉冲电源的高电平电压幅值为-300 V.改变低电平电压幅值大小，分别测试了三代微光像增强器的halo效应，如图4所示.

图4 低电平电压幅值对三代微光像增强器halo效应的影响

当占空比为10%时，微光像增强器halo效应主要受低电平电压幅值的影响.因为低电平电压是正值，所以光电子在低电平阶段为减速运动.高电平电压为负值，因此光电子在高电平阶段为加速运动.随着低电平电压幅值的升高，即阻滞场的增强，从图4所示的直观图上看，对三代微光像增强器halo效应的影响不是很明显.下面取halo图像中心线上各像素点的灰度值分布作为研究对象，统计不同灰度值对应的像素点个数，如图5所示.

图5 低电平电压幅值对halo图像中心线上灰度值分布的影响

随着低电平电压幅值的增大，光电阴极与MCP之间的阻滞场越强.由图5可以看出，随着低电平电压幅值的升高，对应halo图像中心线上不同灰度值的像素点数目变化基本一致，且halo图像中心线上灰度值为255的像素点数目呈现变少的趋势.因为三代微光像增强器采用GaAs光电阴极，所以光电子在光电阴极体内到达能带弯曲区的能量最大值为2 eV左右[13]，且从光电阴极面出射时的能量为1 eV左右.因此，当低电平电压小于2 V时，仍有部分光电子克服阻滞场到达MCP输入面，最后轰击荧光屏成像.当电压大于2 V左右时，在低电平阶段，没有光电子能够到达荧光屏，只有高电平阶段的加速作用才能成像，即灰度值为255的像素点基本都是由10%高电平作用产生的.

3.3 占空比对三代微光像增强器halo效应的影响

当脉冲电压信号的高低电平电压幅值分别为-300 V和0.2 V时，将占空比从2.5%变化到100%，分别测试并采集了三代微光像增强器的halo效应，测试结果如图6所示.

图6 占空比对三代微光像增强器halo效应的影响

由图6可以看出，随着脉冲电源占空比的升高，光斑图像中心的亮度越亮.当占空比为2.5%时，halo图像中信号与背景噪声的界限较模糊.随着占空比的升高，信号与背景噪声的界限越清晰.当占空比在60%—100%之间时，从直观图上看，占空比对微光像增强器halo效应没有很大影响.取过halo图像中心的直线上各像素点的灰度值作为研究对象，统计了halo图像中心光斑及其附近位置的各像素点的灰度值分布.不同占空比条件下采集的halo图像中不同灰度值对应的像素点个数如图7所示，小图为虚线框内的放大图.

由图7可以看出，当占空比在2.5%—10%之间时，halo图像中心线上像素点的灰度值大致平均分布在100—255之间.当占空比大于20%时，灰度值大体分布在150—255之间.随着占空比的增加，更多的光电子在前近贴管内做加速运动，能量大的光电子数目变多，因此对应的灰度值为255的像素点增加，即halo图像中心线上各像素点的灰度值变大.随着占空比从2.5%变化到60%，各halo图像中灰度值为255对应的像素点越来越多.当占空比在60%—100%之间时，不同占空比条件下的halo图像中心线上像素点灰度值分布大体一致，且灰度值为255的像素点个数基本相同.由以上分析可以得出，当高低电平电压幅值分别为-300 V和0.2 V时，占空比在60%—100%范围内，占空比对三代微光像增强器halo效应的影响不大.

图7 占空比对halo图像中心线上灰度值分布的影响

4 结论

通过调节前近贴脉冲信号的高低电平电压幅值和占空比，在西安应用光学研究所的微光像增强器halo测试设备上，分别测量了三代微光像增强器的halo效应，利用高分辨率CCD采集了halo图像，并统计了halo图像中心线上不同灰度值对应的像素点个数.研究结果表明，随着高电平电压幅值和占空比的增加，轰击荧光屏的电子能量变大，光斑图像中心的亮度变亮，灰度值为255的像素点数目变多，从而halo图像中背景和信号的边界越来越清晰.当高电平电压幅值增加到-200 V以上和占空比大于60%左右时，高电平电压幅值和占空比对halo图像中心线上各像素点灰度值分布的影响不大.固定高电平电压幅值和占空比，因为光电子在阴极体内到达能带弯曲区时的能量最大值为2 eV左右，所以低电平电压低于2 V附近时仍有部分光电子能够轰击荧光屏成像.当低电平电压幅值大于2 V左右时，光电子在低电平阶段无法克服阻滞场到达MCP输入面，而仅在10%的高电平阶段加速作用下才能轰击荧光屏成像.此研究有利于探讨微光像增强器的最佳工作电压和光电子从阴极面出射时的能量分布，促进了三代微光像增强器性能的提高.

[1］Joseph P E 2009Proc.SPIE7326 73260I

[2］John K 2010Military&Aerospace Electronics21 40

[3］Zhu H Q，Wang K L，Xiang S M，Song G Z 2008Rev.Sci.Instrum79 023708

[4］Nittoh K，Konagai C，Noji T，Miyabe K 2009Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA 605 107

[5］Ren L，Chang B K，Hou R L，Wang Y 2011Acta Phys.Sin.60 087202(in Chinese)[任玲，常本康，侯瑞丽，王勇2011物理学报60 087202］

[6］Yoichi A，Makoto S 2011Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA 647 34

[7］Niu J，Zhang Y J，Chang B K，Xiong Y J 2011Acta Phys.Sin.60 044209(in Chinese)[牛军，张益军，常本康，熊雅娟2011物理学报60 044209］

[8］Cheng Y J，Xiang S M，Shi H L 2007Journal of Applied Optics28 578(in Chinese)[程耀进，向世明，师宏立2007应用光学28 578］

[9］Zhu H Q，Wang K L，Xiang S M 2007Acta Photon.Sin.36 1983(in Chinese)[朱宏权，王奎禄，向世明2007光子学报36 1983］

[10］Smith L S，King E P，Cogger L L 1983Appl.Opt.22 1268

[11］Cui D X，Ren L，Shi F，Shi J F，Qian Y S，Wang H G，Chang B K 2012Chin.Opt.Lett.10 060401

[12］Thomas P J，Allison R S，Carr P，Shen E，Jennings S，Macuda T，Craig G，Hornsey R 2005Proc.SPIE5800 21

[13］Ren L，Chang B K，Wang H G 2012Opt.Commun.285 2650