宗方轲，杨勤劳，顾 礼，李 翔，温龙燕

深圳大学光电工程学院光电子器件与系统教育部重点实验室广东省光电子器件与系统重点实验室，深圳518060

图像增强技术在微光夜视、天文观测、X 射线(γ 射线)探测、医疗诊断和超快过程诊断等领域应用广泛［1］. 在超快过程研究领域，由于所研究的辐射持续时间极短［2］，图像信号很弱，为达到探测灵敏度的要求，图像增强技术是不可缺少的.

为满足惯性约束核聚变 (inertial confinement fusion，ICF)研究中的特殊需求(如在冲击波速度测量中要求扫描相机具有高时间分辨和大扫程)，本课题组研制了一种宽量程高时间分辨扫描相机，在保证一定偏转灵敏度的前提下，解决了扩大扫程的难题，使扫描相机性能指标满足在时间分辨率为5 ps 时，扫描量程达5 ns，即扫程与时间分辨率比值为1 000 ∶1. 由于在扫描方向上变像管的动态空间分辨能力为100 μm，即100 μm 代表单元时间分辨元5 ps，扫程为时间分辨的1 000 倍，则输出荧光屏直径应为100 mm. 为此，与宽量程高时间分辨扫描相机相匹配的像增强器必须拥有大工作面积，即像增强器的阴极直径Φ ≥100 mm. 目前，大多数扫描变像管的输出图像与读出系统的匹配一般都采用光纤光锥. 这种耦合方式能满足普通相机的应用需求，但存在光能损失大等缺点，如变像管的输出屏直径与CCD 直径之比为3.3∶1，若采用光纤光锥耦合，根据光能传输效能的经验公式η = M2×60% 可知，光能传输效率仅为6%［3］. 光纤光锥耦合方式的光能损耗严重，不能满足宽量程高时间分辨扫描相机应用需求.

本研究设计研制了一种大工作面积、高空间分辨的像增强器，阴极直径为100 mm，输出荧光屏直径为30 mm，可实现对大面积扫描输出图像的增强，同时便于和后续图像记录设备CCD 的直接耦合，解决了宽量程扫描相机与CCD 的耦合难题.

1 结构及工作原理

在像增强器的常用结构［4-6］中，近贴式结构不能产生缩小输出像，电磁聚焦复合式管子体积大、结构复杂. 因此，本研究所设计的大工作面积像增强器采用第一代静电聚焦倒像式结构，利用球面阴极和旋转对称静电场组成同心球系统，对大物面的阴极像进行锐聚焦，形成倒立实像. 这种结构在电子光学中属静电阴极透镜，适用于大物面成像，它可获得放大或缩小的倍率，图像鉴别率高，容易实现定焦、调焦、快门及变倍等功能，且结构简单，成像性能优良.

像增强器是一种光电真空器件，由光电阴极、电子光学成像系统和荧光屏组成，其基本结构如图1［7］. 在像增强器工作时，由景物反射的微弱可见光和近红外光经物镜聚焦形成输入图像，经输入窗传送至光电阴极上，光电阴极在输入光子的激发下向外发射光电子，发射的光电子数与输入光子数对应成比例，在此过程中，实现把景物的光强分布图像变成与之对应的电子数密度分布图像;在电子光学成像系统中，电子在高压电场中获得能量，在电场中加速运动，并偏转聚焦成像于荧光屏上，光电阴极的电子数密度分布图像就能被成千上万倍地增强;经过倍增的高能电子轰击荧光屏，实现电子图像到光子图像的转变，得到增强的光子图像，此图像经输出窗向外传送以供人眼观察或与CCD 耦合读出以便后期处理.

图1 像增强器原理图Fig.1 Schematic diagram of image intensifier

2 像增强器设计与研制

首先创建像增强器的三维几何模型，管壳、阳极和聚焦极都用柱形旋转体表示，阳极与荧光屏之间的等位区用一个柱面封闭. 为保持球面阴极边缘电场与中心电场一致，在阴极边缘设置一环状电极. 由于阴极电势为负值，为保证阴极出射电子不被反向加速，就需要降低左边场强分布，使管壳左边适当延长，以便左边零电位等势线远离球面阴极，从而改变场强分布，保证电子出射后能按预设方向射向聚焦电场. 每个电极电压设置分别为:管壳0 V、阴极-0.4 kV、聚焦极5.5 kV、阳极和阳极后的等位柱面15 kV.

在电子光学成像系统中，静电场属于无源场，在不考虑空间电荷的情况下，轴对称电场的电位分布满足拉普拉斯方程. 求解拉普拉斯方程就可以确定电场的空间分布.

当给定封闭边界Г 上的数值以后，在封闭边界包围的区域G 内，可通过求解方程(2)来确定空间电位分布φ(r，z).

把由封闭边界Г 所确定的区域剖分成若干个三角形，然后利用有限元素法求解电场分布. 利用计算出的模型电场分布的数据，追踪从球面阴极出射的电子的运动轨迹.

试验结果数据以平均数±标准差（±s）的形式给出，采用SPSS 13.0统计软件进行试验的数据统计分析。其中小鼠骨髓细胞微核试验采用双侧t检验、小鼠骨髓细胞微核试验采用Wilcoxon秩和检验、90 d喂养试验采用单因素方差分析进行统计处理。

在圆柱坐标系(r，θ，z)中，静电场中电子的运动方程的形式为

利用五阶龙格-库塔法求解运动方程，设置电子的初始能量和初始发射角，求解电子运动方程，绘制电子运动轨迹.

因该增强器模型为同心球系统，具有旋转对称性，沿对称轴任一截面的场分布都相同. 电子球面阴极与聚焦极形成的准球形电场中被加速并交汇于轴上一点，整个阴极面上射出的电子束在汇聚点的散射圆半径很小，这样电子束就可以穿过阳极孔进入后面的等位区，进入等位区的电子做自由运动，运动方向不改变地射向荧光屏，在荧光屏上聚焦成像.

由于每个主截面上电子的运动轨迹都是等效的，本研究仅考察一个截面上的电子轨迹. 在yoz截面上选取11 个特殊点，追踪每个点射出的主轨迹和边缘轨迹，绘制的特征轨迹曲线如图2.

追踪这些电子轨迹，可确定每个特征点的聚焦位置. 综合考虑放大倍率和每个特征点出射电子束的弥散圆半径，就可确定最佳像面位置，从而分析模型的成像特性.

图2 特征电子轨迹Fig.2 Characteristics of electron track

在y = 164 mm 的平面上，离轴不同距离的电子束的半径都小于15 μm，全屏分辨率较均衡，成像较理想，所以确定此平面为最佳像面. 由像面上特征轨迹落点的坐标及相差距离就可计算出分辨率和放大倍率. 表1 为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

根据理论设计结果制作光电阴极、聚焦电极、阳极和荧光屏，并严格按照真空器件制作工艺和要求制作并装配像增强器样管，如图3.

图3 像增强器的装配示意图和实物图Fig.3 Schematic image intensifier assembly and physical map

3 实验测试平台

图4 静态分辨率测试系统结构示意图Fig.4 Schematic diagram of a static resolution test system

4 实验结果及分析

4.1 空间分辨

在阳极电压为12 kV、阴极电压为-340 V 的实验条件下，对像增强器进行空间分辨率测试，测试结果如图5 和图6.

为分析CMOS 相机对实验结果的影响，我们对CMOS 相机的空间调制传递函数进行了测量. 在相同快门时间和图像增益条件下，用CMOS 相机直接拍摄微光下分辨率板图像，确保相机镜头轴线与分辨率板法线重合，调节相机与分辨率板的距离，使镜头能良好聚焦，拍摄到的图像如图7.

把图6 和图7 转变为灰度图像，分别计算其在各个空间频率下的调制度

其中，IM和Im分别为条纹最大光强和最小光强. 调制度的计算结果见表2 和表3.

图5 荧光屏各处的静态分辨率测试结果Fig.5 Static resolution throughout the screen

图6 荧光屏中心的静态分辨率测试结果Fig.6 Static resolution of the screen center

图7 CMOS 相机分辨率测试结果Fig.7 Resolution of the CMOS camera

表2 图6 中各频率的调制度Table 2 Modulation of the frequency in Fig 6

表3 图7 中各频率的调制度Table 3 Modulation of the frequency in Fig 7

由于系统的MTF (调制传递函数)等于各子系统的MTF 的乘积，所以由表2 和表3 可以计算像增强器的MTF，计算结果见表4.

表4 像增强器的各频率的调制度Table 4 Frequency modulation of the image intensifier

由表4 可画出增强器的子午和弧矢振幅传函MTFt 和MTFs 曲线. MTF 曲线表示多种不同频率正弦分布函数，经光学系统成像后其对比度(即振幅)的衰减程度，当某一频率对比度降到0 时，说明该频率光强分布已无亮度变化，即该频率被截止. 对于不同对比度目标，经光学系统成像后，光学系统截止空间频率就是该系统分辨率极限，用不同接收器接收时达到的对比度阈值相对应的分辨率为实际分辨率. 文献［8］指出，对于目视系统接收器的对比度阈值为0.05，摄像系统接收器的对比度阈值为0.15. 根据表4 绘制出增强器的MTF 曲线如图8. 由图8 可知，增强器的水平和竖直极限分辨率都可达30 lp/mm. 用10 倍率的显微镜对增强器荧光屏上的图像直接进行观察时的结果也证明了这一点.

图8 像增强器的MTF 曲线Fig.8 MTF curve of the image intensifier

4.2 畸变

在图5 中，增强器各处的分辨测试图案都是在相同条件下的测试结果，相机镜头与荧光屏的距离是相同的，所以荧光屏上所成的图像与相机记录的图像在几何上成有相同的比例. 我们可以由此来推算增强器的畸变，由图6 中各处测试结果测量图形大小并计算畸变，结果见表5.

表5 像增强器的畸变测量Table 5 Distortion of image intensifier

由表5 可计算增强器的畸变为

其中，βc为图像中心放大倍率;βr为距离中心r 处的放大倍率;lc和lr分别为中心和距离中心r 处的线长.

计算得到40 mm 处畸变为5.57%，模拟结果与测试结果相仿，可认为增强器50 mm 处畸变为10%. 在大工作面积像增强器中，10%的畸变尚可接受，且畸变在后续处理中可用图形软件校正.

结 语

本研究通过对几种像增强器电子光学成像系统基本性能特点进行分析和比较，以同心球电子光学系统的一代倒像式像增强器结构为基础，利用电子光学设计软件对像增强器的电子光学系统进行模拟仿真，计算电场分布和电子运动轨迹，分析成像特性，优化设计出了一种具有大工作面积、输出图像缩小、空间分辨率满足使用要求的像增强器.

根据理论设计结果，研制出像增强器样管. 在搭建的测试系统上，对实验样管进行了性能测试.结果表明，像增强器输入工作面积大于100 mm，输出图像33 mm，放大倍率为0.33. 中心空间分辨率达30 lp/mm，边缘空间分辨率达25 lp/mm，几何畸变不大于10%. 试验结果与理论设计结果符合良好，性能指标满足应用需求.

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