微光像增强器的性能参数分析

像增强器不仅是辐射探测器件,还是成像器件。作为辐射探测器件,它必须有高的量子效率和信息放大能力,以便给出足够的亮度。为了表征像增强器的性能,通常采用积分灵敏度、光谱响应、整管亮度增益、等效背景照度、鉴别率和信噪比等参数。

(1)积分灵敏度。积分灵敏度是指像增强器中的光电阴极在辐射源的连续辐射的作用下,单位光通量所产生的饱和光电流,单位为μA/lm,流明(lm)这个单位是基于人眼视见函数的。测试积分灵敏度时,常采用国际上公认的色温为2 856 K的钨丝白炽灯作为标准光源。

积分灵敏度是像增强器的一个非常重要的指标,它简洁、直观地反映了像增强器中光电阴极的总的光电发射能力。

(2)光谱响应。在入射光的某一波长,辐射功率为1W的单色光照射下,光电阴极所产生的光电流称为光电阴极在该波长下的光电灵敏度[3～4]为

式中:I为光电流,单位为安培(A)或毫安(mA);φ为入射辐射功率,单位为瓦特(W);S的单位为安培/瓦特(A/W)或毫安/瓦特(mA/W),通常采用后者。

将功率由瓦特换算成每秒光子数,光电流由安培换算成每秒电子电量,光电灵敏度化作每个入射光子所产生的光电子数,即量子效率(光电子数/入射光子数)。

光电灵敏度或量子效率随入射波长的变化曲线称为光电阴极的光谱灵敏度或光谱响应。前一种表示法指对入射单位能量的响应,所以称为等能量曲线,其横轴用波长来表示,表示光电阴极的性能多采用这种表示法。后者是对一个光子而言,每个光子能量随波长不同而异,所以叫作等量子曲线,横轴用光子能量表示,在研究光电阴极的性能时多采用这一表示法。

光电灵敏度和量子效率之间也可相互转换[5～7]其转换关系为

式中:λ为入射光波长,单位为nm;Y为在该波长的量子效率;S为在该波长的光电灵敏度,单位为mA/W。

光谱响应也是像增强器的一个重要指标,它直接影响夜视仪器的观察效果。在微光工作条件下,要求像增强器在红外波段响应较好。

测试光谱响应时,先选取一个辐射源,然后用单色仪或干涉滤光片获得单色光。辐射源通常采用钨丝白炽灯或卤钨灯,它们在400～1 000 nm具有足够的辐射功率,单色仪可使用平面光栅式单色仪,也可使用分光棱镜式单色仪,如使用干涉滤光片则会受测试点数的限制,而用单色仪可选取足够多的测试点,从而获得平滑、完整的光谱响应曲线。(www.xing528.com)

(3)亮度增益。足够的亮度是观察图像的必要条件。在入射照度一定时,像增强器荧光屏输出亮度的大小由亮度增益决定。

像增强器的亮度增益定义:在标准光源照明和微光像增强器额定工作电压下,荧光屏上的光出射度M与光电阴极处输入照度E V之比,即

由于荧光屏具有朗伯发光体的特性,发光的亮度分布符合余弦分布律,因此荧光屏上的光出射度M与亮度L之间的关系可表示为

因此

此时亮度增益为像增强器输出亮度L与光电阴极面入射照度E V之比的π倍,L的单位为Cd/m2,E V的单位为lx。

(4)等效背景照度。合适的亮度是人眼观察图像的必要条件,但像增强器的输出亮度并不都是有用的。在输出荧光屏的图像上,除了有用的成像亮度外,还存在一种非成像的附加亮度,称为背景。像增强器的背景包括无光照射情况下的暗背景和因入射信号的影响而产生的信号感生背景。暗背景产生的主要原因是光电阴极的热电子发射和管内颗粒引起的场致发射。

为了与来自目标的照度相比较,通常用等效背景照度来表示暗背景。为了使荧光屏亮度等于暗背景亮度值,而需在光阴极面上输入的照度值,就称为等效背景照度。若像增强器的亮度增益为G L,在像增强器的光阴极面没有受到照射时,测得荧光屏暗背景亮度为L db,则等效背景照度[8]为

式中:等效背景照度E be的单位为lx;亮度增益G L的单位为cd/(m2·lx);荧光屏暗背景亮度L db的单位为cd/m2。

(5)信噪比。像增强器作为成像器件,它必须有小的图像几何失真,合适的几何放大率、畸变、对比损失以及调制传递函数。作为成像器件的综合指标,通常用鉴别率及信噪比等参数来描述其成像性能。

像增强器的鉴别率是指把具有一定对比度的标准测试图案聚焦在像增强器的光阴极面上,用目视方法从荧光屏上能分辨得开的黑白相间等宽矩形条纹的最小组数来表示像增强器的鉴别率,通常用线对数表示,即描述为×××lp/mm。