紫外像增强器辐射增益测试系统设计

刘 涛，邱亚峰

引言

紫外光谱成像检测技术是欧美发达国家为军事目的而发展的新型检测成像技术，其作用是观察和检测“日盲”（波长范围240nm～280nm）紫外光信号，先将紫外图像信号转换为可见光图像信号，然后进行观察和测量。紫外像增强技术是紫外成像检测技术的关键技术之一。在紫外成像检测系统中，因为紫外辐射光都比较微弱，若直接用CCD探测较弱的紫外信号是基本探测不到的，因此需要先对紫外信号进行增强放大，然后再探测。为实现紫外信号的增强放大，使用紫外像增强器最为合适。像增强器的辐射增益会直接影响整机的探测距离，国内在这方面的研究很少，因此对紫外像增强器辐射增益测试技术的研究十分重要。本文设计了紫外像增强器辐射增益测试系统，给出了测试原理、实现装置并进行了实验测试。

1 测试原理

辐射增益和等效背景辐射照度作为紫外像增强器的主要性能参数，决定了紫外像增强器的综合性能，图1为测试系统的原理框图。测试过程：氘灯光源发出的光先经过滤光片盒和光阑，然后通过积分球得到不同照度的、单波长的均匀光，均匀光照射在像增强器阴极面上，由光度计测量像增强器荧光屏亮度转化为辐射出度。利用辐射计测量输入辐射照度，将数据处理模块采集的数据输入计算机，测试软件根据测试数据计算出辐射增益；无光照时，可以测得紫外像增强器的等效背景辐射照度。

图1 测试原理框图Fig.1 Block diagram of test principle

1.1 辐射增益的测试原理

紫外像增强器的辐射增益是评价紫外像增强器图像转换效率的参数，描述了紫外像增强器输出物理量和输入物理量之间的依从关系。氘灯光源发出的光经光学系统后以一定的辐射照度照射在像增强器光电阴极面上，用光度计测量此时荧光屏的亮度L，根据视场角和P－20屏的光谱功率分布及光谱光视效能函数转化为峰值发射波长（560nm）的辐射出度Eo后，测试像增强器阴极面上辐射照度Ei。此时辐射出度Eo与光阴极面上的辐射照度Ei之比，即是辐射增益G其计算公式：

式中：G为紫外像增强器辐射增益；Ei为光阴极面的辐射照度；Eo为辐射出度。

1.2 等效背景辐射照度的测试原理

紫外像增强器的光阴极在没有外来辐射通量的作用下，施加工作电压时荧光屏上仍然发射出一定亮度的光，这种无光照射时荧光屏的发光，称为像增强器的暗背景。像增强器暗背景的存在，使荧光屏像面上叠加了一个背景照度，甚至使光阴极上微弱照明景物所产生的图像可能完全被淹没在此背景中而不能辨别。因此暗背景是影响紫外像增强器成像质量的重要因素之一，但是由于实际测定的暗背景亮度大小，不仅与热发射有关，而且还与放大率和亮度增益特性有关，因而暗背景的大小不能真实反映紫外像增强器的质量，通常用等效背景辐射照度来反映其背景亮度的程度。

等效背景辐射照度测量原理：首先用光度计测量出无辐射入射时，紫外像增强器荧光屏的亮度La，此时的照度为E；有辐射光入射时，调节照度值为2E，光度计测得荧光屏的亮度为Lb。等效背景辐射照度为

式中Ebe为等效背景辐射照度。

2 测试装置

图2为测试系统的结构示意图，图3和图4分别为系统的三维设计样图和实物照片。测试系统由光源、组合滤光片、可调光阑、积分球、测试暗箱、夹具（整管或者裸管）、PR－880型全自动化滤光片式光度计、工控机以及电源和调节支撑机构等部分组成，合理的设计保证了该测试系统可以方便、快捷地完成测试任务。

图2 测试装置结构示意图Fig.2 Structural diagram of test device

下面对系统进行阐述：

1）光源系统包括氘灯、滤光器、可调光阑和积分球，图5为光源系统的结构示意图。测试系统的氘灯光源配有稳流电源，提供稳定的光照条件。滤光器可插入不同的中性滤光片和单波滤光片，用于调节光强和光谱成分。选择所需的波长和光照，也可插入挡片，遮住光线，进行等效背景辐射照度测试过程中阴极面无照射的荧光屏亮度测试。可调光阑装置通过调节光孔大小，控制光束通过的多少，达到调节通过光的强弱的目的，获得不同照度的光。入射光进入积分球内，经过内壁涂层（硫酸钡和胶质粘合剂混合）多次反射，在内壁上形成均匀照度，在出光孔处得到均匀的光。

图3 三维设计样图Fig.3 3D design drawings

图4 测试系统实物图Fig.4 Physical photo of test system

图5 光源系统Fig.5 System of light source

2）暗箱和夹具。暗箱提供封闭黑暗的测试环境，测试系统兼顾整管和裸管的测试，有可更换的整管和裸管专用夹具。

3）为了测试精确，需要对入射紫外单色光强度进行标定，由于紫外增益测试时，紫外单色光的辐射功率极其微弱，一般的光功率计和Si探头不能满足需要，本装置采用紫外光电倍增管，专门研制配备能测试极微弱紫外辐射的紫外探测仪（辐射计），探测灵敏度可达10－11W／cm2。

4）光度计在本系统中主要是用来测量紫外像增强器荧光屏亮度，是一种用来测光度量的计量仪器。本系统使用光度计为PR－880型全自动化滤光片式光度计，可与计算机相连，由数据采集卡采集数据，然后输入计算机。

5）工控机及测试软件控制整个测试过程的进行，可实现系统调试、自动化测试、数据采集与存储和数据分析等功能。

6）其他调节和支撑的机械机构，如导轨、光度计和暗箱二维调节机构等，为测试系统提供方便，灵活的调节方式，保证光路在一条直线上，为测量结果的准确性提供保障。

3 测试与讨论

紫外像增强器辐射增益测试软件由辐射增益与等效背景辐射照度测试模块和数据库模块2部分组成，本软件可以方便地实现紫外像增强器荧光屏亮度的测量、阴极面入射辐射照度的测量、光度计的控制等功能，并且可以将测试信息保存到数据库中。图6为系统软件的工作界面。

图6 工作界面Fig.6 Working interface

紫外像增强器辐射增益的影响因素有：微通道板增益疲劳、光电阴极的稳定性、荧光屏发光效率等，可分别通过改变微通道板电压、阴极电压和荧光屏电压，完成对一只紫外像增强器的辐射增益测试并进行结果分析。测试条件：测试温度20℃，波长254nm，辐射照度调节为9.7×10－8W／cm2。

下面通过3个测试实验进行相应的分析：

1）改变微通道板电压，调节范围600V～1 100V，阴极电压400V和荧光屏电压4 500V固定不变。紫外像增强器辐射增益变化曲线如图7所示。随着微通道板电压的增加，紫外像增强器的辐射增益也不断增加。微通道板电压较小时辐射增益变化较小，当电压值增加到一定值后，辐射增益增加速度变快。

图7 辐射增益随微通道板电压变化曲线图Fig.7 Radiation gain versus micro channel plate voltage

2）改变阴极电压，调节范围150V～500V，微通道板电压900V和荧光屏电压4 500V固定不变。紫外像增强器辐射增益变化曲线如图8所示。当阴极电压增大时，紫外像增强器辐射增益也不断增大，紫外像增强器的阴极电压与辐射增益存在线性关系。

图8 辐射增益随阴极电压变化曲线图Fig.8 Radiation gain versus cathode voltage

3）改变荧光屏电压，调节范围4 000V～6 000V，微通道板电压1 000V和阴极电压400V固定不变。紫外像增强器辐射增益变化曲线如图9所示。当荧光屏电压增加时，紫外像增强器辐射增益也不断增加，呈现线性增长趋势。

4 结论

图9 辐射增益随荧光屏电压变化曲线图Fig.9 Radiation gain versus screen voltage

从实验结果得出：测试曲线变化趋势和紫外像增强器的工作特性相吻合，该测试系统可以实现紫外像增强器辐射增益和等效背景照度的测试。此测试系统的波长范围为200nm～400nm，测试波长可选多种单点波长可选，入射紫外辐射强度为10－11W／cm2～10－7W／cm2，微弱紫外辐射探测器（辐射计）最低探测强度为10－11W／cm2；亮度测量视场角可选（1／8）°、（1／4）°、（1／2）°、1°、2°、3°（一次同时配4个视场），最低亮度探测阈值为3×10－4cd／m2，辐射增益测试重复性优于±8%。

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

靳贵平，庞其昌.紫外成像检测技术［J］.光子学报，2003，32（3）：294－297.

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

腾鹤松.紫外成像技术及其应用［J］.光电子技术，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.

吴星琳，邱亚峰，钱芸生，等.紫外像增强器信噪比与MCP电 压 的 关 系 ［J］.应 用 光 学，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.

钱芸生，常本康，邱亚峰，等.微光像增强器亮度增益和等效背景照度测试技术［J］.真空电子技术，2004（2）：35－37.

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

汪贵华.光电子器件［M］.北京：国防工业出版社，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，端木庆铎，石峰，等.双微通道板紫外像增强器工作特性研究［J］.真空科学与技术学报，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.

贺英萍，尹雷，拜晓锋，等.紫外像增强器辐射增益测试方法研究［J］.真空电子技术，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.

史继芳，王生云，孙宇楠，等.三代微光像增强器亮度增 益 测 量 装 置 ［J］.应 用 光 学，2011，32（2）：300－302.

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

贺英萍.紫外像增强器性能测试研究［D］.西安：西安工业大学，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.

邱亚峰，钱芸生，常本康.像增强器亮度增益和等效背景照度测试仪的计算机模拟与研制［J］.光电子技术与信息，2003，16（5）：17－20.