劉 濤，邱亞峰

引言

紫外光譜成像檢測技術(shù)是歐美發(fā)達(dá)國家為軍事目的而發(fā)展的新型檢測成像技術(shù)，其作用是觀察和檢測“日盲”（波長范圍240nm～280nm）紫外光信號，先將紫外圖像信號轉(zhuǎn)換為可見光圖像信號，然后進(jìn)行觀察和測量。紫外像增強(qiáng)技術(shù)是紫外成像檢測技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在紫外成像檢測系統(tǒng)中，因?yàn)樽贤廨椛涔舛急容^微弱，若直接用CCD探測較弱的紫外信號是基本探測不到的，因此需要先對紫外信號進(jìn)行增強(qiáng)放大，然后再探測。為實(shí)現(xiàn)紫外信號的增強(qiáng)放大，使用紫外像增強(qiáng)器最為合適。像增強(qiáng)器的輻射增益會直接影響整機(jī)的探測距離，國內(nèi)在這方面的研究很少，因此對紫外像增強(qiáng)器輻射增益測試技術(shù)的研究十分重要。本文設(shè)計(jì)了紫外像增強(qiáng)器輻射增益測試系統(tǒng)，給出了測試原理、實(shí)現(xiàn)裝置并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。

1 測試原理

輻射增益和等效背景輻射照度作為紫外像增強(qiáng)器的主要性能參數(shù)，決定了紫外像增強(qiáng)器的綜合性能，圖1為測試系統(tǒng)的原理框圖。測試過程：氘燈光源發(fā)出的光先經(jīng)過濾光片盒和光闌，然后通過積分球得到不同照度的、單波長的均勻光，均勻光照射在像增強(qiáng)器陰極面上，由光度計(jì)測量像增強(qiáng)器熒光屏亮度轉(zhuǎn)化為輻射出度。利用輻射計(jì)測量輸入輻射照度，將數(shù)據(jù)處理模塊采集的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，測試軟件根據(jù)測試數(shù)據(jù)計(jì)算出輻射增益；無光照時(shí)，可以測得紫外像增強(qiáng)器的等效背景輻射照度。

圖1 測試原理框圖Fig.1 Block diagram of test principle

1.1 輻射增益的測試原理

紫外像增強(qiáng)器的輻射增益是評價(jià)紫外像增強(qiáng)器圖像轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)，描述了紫外像增強(qiáng)器輸出物理量和輸入物理量之間的依從關(guān)系。氘燈光源發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后以一定的輻射照度照射在像增強(qiáng)器光電陰極面上，用光度計(jì)測量此時(shí)熒光屏的亮度L，根據(jù)視場角和P－20屏的光譜功率分布及光譜光視效能函數(shù)轉(zhuǎn)化為峰值發(fā)射波長（560nm）的輻射出度Eo后，測試像增強(qiáng)器陰極面上輻射照度Ei。此時(shí)輻射出度Eo與光陰極面上的輻射照度Ei之比，即是輻射增益G其計(jì)算公式：

式中：G為紫外像增強(qiáng)器輻射增益；Ei為光陰極面的輻射照度；Eo為輻射出度。

1.2 等效背景輻射照度的測試原理

紫外像增強(qiáng)器的光陰極在沒有外來輻射通量的作用下，施加工作電壓時(shí)熒光屏上仍然發(fā)射出一定亮度的光，這種無光照射時(shí)熒光屏的發(fā)光，稱為像增強(qiáng)器的暗背景。像增強(qiáng)器暗背景的存在，使熒光屏像面上疊加了一個(gè)背景照度，甚至使光陰極上微弱照明景物所產(chǎn)生的圖像可能完全被淹沒在此背景中而不能辨別。因此暗背景是影響紫外像增強(qiáng)器成像質(zhì)量的重要因素之一，但是由于實(shí)際測定的暗背景亮度大小，不僅與熱發(fā)射有關(guān)，而且還與放大率和亮度增益特性有關(guān)，因而暗背景的大小不能真實(shí)反映紫外像增強(qiáng)器的質(zhì)量，通常用等效背景輻射照度來反映其背景亮度的程度。

等效背景輻射照度測量原理：首先用光度計(jì)測量出無輻射入射時(shí)，紫外像增強(qiáng)器熒光屏的亮度La，此時(shí)的照度為E；有輻射光入射時(shí)，調(diào)節(jié)照度值為2E，光度計(jì)測得熒光屏的亮度為Lb。等效背景輻射照度為

式中Ebe為等效背景輻射照度。

2 測試裝置

圖2為測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3和圖4分別為系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)樣圖和實(shí)物照片。測試系統(tǒng)由光源、組合濾光片、可調(diào)光闌、積分球、測試暗箱、夾具（整管或者裸管）、PR－880型全自動化濾光片式光度計(jì)、工控機(jī)以及電源和調(diào)節(jié)支撐機(jī)構(gòu)等部分組成，合理的設(shè)計(jì)保證了該測試系統(tǒng)可以方便、快捷地完成測試任務(wù)。

圖2 測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of test device

下面對系統(tǒng)進(jìn)行闡述：

1）光源系統(tǒng)包括氘燈、濾光器、可調(diào)光闌和積分球，圖5為光源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。測試系統(tǒng)的氘燈光源配有穩(wěn)流電源，提供穩(wěn)定的光照條件。濾光器可插入不同的中性濾光片和單波濾光片，用于調(diào)節(jié)光強(qiáng)和光譜成分。選擇所需的波長和光照，也可插入擋片，遮住光線，進(jìn)行等效背景輻射照度測試過程中陰極面無照射的熒光屏亮度測試?？烧{(diào)光闌裝置通過調(diào)節(jié)光孔大小，控制光束通過的多少，達(dá)到調(diào)節(jié)通過光的強(qiáng)弱的目的，獲得不同照度的光。入射光進(jìn)入積分球內(nèi)，經(jīng)過內(nèi)壁涂層（硫酸鋇和膠質(zhì)粘合劑混合）多次反射，在內(nèi)壁上形成均勻照度，在出光孔處得到均勻的光。

圖3 三維設(shè)計(jì)樣圖Fig.3 3D design drawings

圖4 測試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.4 Physical photo of test system

圖5 光源系統(tǒng)Fig.5 System of light source

2）暗箱和夾具。暗箱提供封閉黑暗的測試環(huán)境，測試系統(tǒng)兼顧整管和裸管的測試，有可更換的整管和裸管專用夾具。

3）為了測試精確，需要對入射紫外單色光強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定，由于紫外增益測試時(shí)，紫外單色光的輻射功率極其微弱，一般的光功率計(jì)和Si探頭不能滿足需要，本裝置采用紫外光電倍增管，專門研制配備能測試極微弱紫外輻射的紫外探測儀（輻射計(jì)），探測靈敏度可達(dá)10－11W／cm2。

4）光度計(jì)在本系統(tǒng)中主要是用來測量紫外像增強(qiáng)器熒光屏亮度，是一種用來測光度量的計(jì)量儀器。本系統(tǒng)使用光度計(jì)為PR－880型全自動化濾光片式光度計(jì)，可與計(jì)算機(jī)相連，由數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，然后輸入計(jì)算機(jī)。

5）工控機(jī)及測試軟件控制整個(gè)測試過程的進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試、自動化測試、數(shù)據(jù)采集與存儲和數(shù)據(jù)分析等功能。

6）其他調(diào)節(jié)和支撐的機(jī)械機(jī)構(gòu)，如導(dǎo)軌、光度計(jì)和暗箱二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等，為測試系統(tǒng)提供方便，靈活的調(diào)節(jié)方式，保證光路在一條直線上，為測量結(jié)果的準(zhǔn)確性提供保障。

3 測試與討論

紫外像增強(qiáng)器輻射增益測試軟件由輻射增益與等效背景輻射照度測試模塊和數(shù)據(jù)庫模塊2部分組成，本軟件可以方便地實(shí)現(xiàn)紫外像增強(qiáng)器熒光屏亮度的測量、陰極面入射輻射照度的測量、光度計(jì)的控制等功能，并且可以將測試信息保存到數(shù)據(jù)庫中。圖6為系統(tǒng)軟件的工作界面。

圖6 工作界面Fig.6 Working interface

紫外像增強(qiáng)器輻射增益的影響因素有：微通道板增益疲勞、光電陰極的穩(wěn)定性、熒光屏發(fā)光效率等，可分別通過改變微通道板電壓、陰極電壓和熒光屏電壓，完成對一只紫外像增強(qiáng)器的輻射增益測試并進(jìn)行結(jié)果分析。測試條件：測試溫度20℃，波長254nm，輻射照度調(diào)節(jié)為9.7×10－8W／cm2。

下面通過3個(gè)測試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)的分析：

1）改變微通道板電壓，調(diào)節(jié)范圍600V～1 100V，陰極電壓400V和熒光屏電壓4 500V固定不變。紫外像增強(qiáng)器輻射增益變化曲線如圖7所示。隨著微通道板電壓的增加，紫外像增強(qiáng)器的輻射增益也不斷增加。微通道板電壓較小時(shí)輻射增益變化較小，當(dāng)電壓值增加到一定值后，輻射增益增加速度變快。

圖7 輻射增益隨微通道板電壓變化曲線圖Fig.7 Radiation gain versus micro channel plate voltage

2）改變陰極電壓，調(diào)節(jié)范圍150V～500V，微通道板電壓900V和熒光屏電壓4 500V固定不變。紫外像增強(qiáng)器輻射增益變化曲線如圖8所示。當(dāng)陰極電壓增大時(shí)，紫外像增強(qiáng)器輻射增益也不斷增大，紫外像增強(qiáng)器的陰極電壓與輻射增益存在線性關(guān)系。

圖8 輻射增益隨陰極電壓變化曲線圖Fig.8 Radiation gain versus cathode voltage

3）改變熒光屏電壓，調(diào)節(jié)范圍4 000V～6 000V，微通道板電壓1 000V和陰極電壓400V固定不變。紫外像增強(qiáng)器輻射增益變化曲線如圖9所示。當(dāng)熒光屏電壓增加時(shí)，紫外像增強(qiáng)器輻射增益也不斷增加，呈現(xiàn)線性增長趨勢。

4 結(jié)論

圖9 輻射增益隨熒光屏電壓變化曲線圖Fig.9 Radiation gain versus screen voltage

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：測試曲線變化趨勢和紫外像增強(qiáng)器的工作特性相吻合，該測試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)紫外像增強(qiáng)器輻射增益和等效背景照度的測試。此測試系統(tǒng)的波長范圍為200nm～400nm，測試波長可選多種單點(diǎn)波長可選，入射紫外輻射強(qiáng)度為10－11W／cm2～10－7W／cm2，微弱紫外輻射探測器（輻射計(jì)）最低探測強(qiáng)度為10－11W／cm2；亮度測量視場角可選（1／8）°、（1／4）°、（1／2）°、1°、2°、3°（一次同時(shí)配4個(gè)視場），最低亮度探測閾值為3×10－4cd／m2，輻射增益測試重復(fù)性優(yōu)于±8%。

［1］ Jin Guiping，Pang Qichang.The key points of UV imaging and detecting system ［J］.Acta Photonica Sinica，2003，32（3）：294－297.

靳貴平，龐其昌.紫外成像檢測技術(shù)［J］.光子學(xué)報(bào)，2003，32（3）：294－297.

［2］ Teng Hesong.The technology of photoelectron［J］.Optoelectronic Technology，2001，21（4）：294－297.

騰鶴松.紫外成像技術(shù)及其應(yīng)用［J］.光電子技術(shù)，2001，21（4）：294－297.

［3］ Wu Xingling，Qiu Yafeng，Qian Yunsheng，et al.Relationship between voltage of MCP and signal－tonoise ratio of UV image intensifier［J］.Journal of Applied Optics，2013，34（3）：494－497.

吳星琳，邱亞峰，錢蕓生，等.紫外像增強(qiáng)器信噪比與MCP電 壓 的 關(guān) 系 ［J］.應(yīng) 用 光 學(xué)，2013，34（3）：494－497.

［4］ Qian Yunsheng，Chang Benkang，Qiu Yafeng，et al.Measurement of luminance gain and equivalent background input LLL image intensifiers［J］.Vacuum E－lectronics，2004（2）：35－37.

錢蕓生，常本康，邱亞峰，等.微光像增強(qiáng)器亮度增益和等效背景照度測試技術(shù)［J］.真空電子技術(shù)，2004（2）：35－37.

［5］ Wang Guihua.Ptoelectronic decices［M］.Beijing：Nation Defense Industry Press，2014.

汪貴華.光電子器件［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2014.

［6］ Cheng Hongchang，Duanmu Qingduo，Shi Feng，et al.Characterization of solar blind double micro－channel plate ultraviolet image intensifier［J］.Chinese Journal of Vacuum Science and Technology，2013，33（6）：524－527.

程宏昌，端木慶鐸，石峰，等.雙微通道板紫外像增強(qiáng)器工作特性研究［J］.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，33（6）：524－527.

［7］ He Yingping，Yin Lei，Bai Xiaofeng，et al.Testing method of radiation gain about UV image intensifier［J］.Vacuum Electronics，2013（1）：56－58.

賀英萍，尹雷，拜曉鋒，等.紫外像增強(qiáng)器輻射增益測試方法研究［J］.真空電子技術(shù)，2013（1）：56－58.

［8］ Shi Jifang，Wang Shengyun，Sun Yunan，et al.Third generation of image intensifier brightness gain measurement device［J］.Journal of Applied Optics，2011，32（2）：300－302.

史繼芳，王生云，孫宇楠，等.三代微光像增強(qiáng)器亮度增 益 測 量 裝 置 ［J］.應(yīng) 用 光 學(xué)，2011，32（2）：300－302.

［9］ He Yingping.The research of UV image intensifiers’performance test［D］.Xi’an：Xi’an Technological University，2007.

賀英萍.紫外像增強(qiáng)器性能測試研究［D］.西安：西安工業(yè)大學(xué)，2007.

［10］Qiu Yafeng，Qian Yunsheng，Chang Benkang.Research and development of luminance gain and equivalent background input test set for LLL image intensifier［J］.Optoelectronic Technology ＆Information，2003，16（5）：17－20.

邱亞峰，錢蕓生，常本康.像增強(qiáng)器亮度增益和等效背景照度測試儀的計(jì)算機(jī)模擬與研制［J］.光電子技術(shù)與信息，2003，16（5）：17－20.