微光像增强器荧光屏测试系统的研究

第34卷第3期2008年5月

光学技术

OP T ICA L T ECHN IQ U E

V ol.34No.3

M ay 2008

文章编号:1002-1582(2008)03-0473-03

微光像增强器荧光屏测试系统的研究

邱亚峰,常本康,富容国,张俊举,孙恋君,高有堂

(南京理工大学,南京 210094)

摘 要:为了评价微光像增强器在封装前各组成部分的性能,设计并研制了微光像增强器荧光屏测试系统。阐明测试系统的构成以及设计的关键技术,采用数学建模的方法确定热电子发射源的形状。研究了亮度均匀性校正,给出荧光屏发光均匀性、亮度、发光效率和余辉的测试方法。该仪器可以广泛应用到各种型号的荧光屏的研究和生产领域。

关键词:测试系统;数学模型;亮度均匀性校正法

中图分类号:T N223-34 文献标识码:A

Research on testing system of fluorescence screen

for low light image intensifier

QIU Ya-feng,CH AN G Ben-kan g,FU Rong-guo,ZH AN G Jun-ju,SUN Lian-jun,GAO You-tang

(Nanjing U niversity o f Science and T echnology,Nanjing 210094,China)

Abstract:To evaluate the quality of each component of an image intensifier,a testing system for low light image intensifier fluo-rescence screen is designed and developed.T he construction of the testing system and the key technology of design are ex tensively ex-plained.T he shape of thermion emitting source is identified by the method of math model.T he br ightness uniformity is studied. M ethods of test ing the luminous uniformit y,br ightness,luminous efficiency and after glow of the fluor escence screen are given. T his testing instrument can be widely used in research and production fields of var ious models o f fluorescence screen.

Key words:testing system;math model;brig htness uniformity corr ection method

0 引 言

我国各种型号的荧光屏的科研和生产企、事业在生产荧光屏时,对生产出的荧光屏的质量缺乏准确的定标,这就造成生产相关器件的单位在生产相关产品时合格率低下,同时造成产品的价格居高不下。微光像增强器就是广泛用于军事领域的核心器件,光电阴极、微通道板及荧光屏等三个光电元件是决定微光及紫外像增强器成像性能的重要组成部分[1]。随着三代像增强器研究工作的不断深入,光电阴极及微通道板性能大幅度地提高,荧光屏的参数测试就显的尤为重要。由于外国的技术封锁,荧光屏的参数测试系统只能自主研制。

我们设计并研制了微光像增强器荧光屏测试系统。我们采用数学建模的方法确定热电子发射源;研究了亮度均匀性校正,给出合理测试方法;实现了荧光屏最重要的4个参数(荧光屏发光均匀性、荧光屏发光亮度和余辉)的测试。采用电场拒斥电子,再利用光敏电池作为探测器,测试荧光屏发光亮度信号的变化,当亮度下降到10%所需要的时间就是荧光屏的余辉;采用可调电压改变电场分布,可以得出均匀电子发射源,利用百万级CCD测试荧光屏的均匀性;调节电子发射源电压改变电场分布使得电子汇聚,利用光敏电池可以测试荧光屏发光亮度和发光效率。

1 荧光屏综合参数测试系统

测试系统是在高真空条件下能够高效检测与研究荧光屏发光特性的光、机、电、计算与显示相结合的复杂的大型设备。其由立式超净工作台、真空测试室、高均匀性面电子发射源、真空测试仪表、增强型光谱分析系统、荧光屏专用亮度计、专业CCD成像亮度计和计算机系统等组成[2]。如图1

所示。

图1 测试系统组成图

1 工作台;

2 灯箱;

3 空气净化装置;

4 支架。

其中工作

台是整体装置

的主要组成部

分,能完成荧

光屏的全部检

测项目,体现

出荧光屏综合

测试台的功能

和先进性。该

工作台由如下四部分组成(图1):

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收稿日期:2007-10-08;收到修改稿日期:2008-01-17 E-mail:njlghcn@ 作者简介:邱亚峰(1966-),男,江苏人,南京理工大学博士研究生,从事物理电子学和光电技术研究。

真空室,含大盖、样品转盘、底盘及接线电极等。当大盖合上后,就构成了检测所要求的真空环境。真空室能提供所要求的真空度;抽空6h,极限真空度优于8 10-5Pa;抽空40m in,可达工作真空度5 10-4Pa 。

液晶显示器,显示操作内容及样品的测试数据。

电子柜,由高压电源、信号处理、真空计、通信电路、工控机及其接口电路等部分组成。

台下装置,在台板下设置有电子发射源、无油分子泵、干泵、真空规管、转轴系统及液压系统等。

图2 工作台的结构详图

1 底盘;

2 转盘;

3 大盖;

4 弯臂;

5 升降液压装置;

6 电子发射源;

7 抽空、传动装置。

工作台的结构如图2所示,大盖,上面有口径为 90mm 的石英玻璃观察窗,通过该窗口可用放大镜进行目视观察,更主要地是用专用

CCD 成像亮度计及光功率计获得测试数据。大盘的下沿嵌有密封橡胶圈。转盘能在安装荧光屏被测组件的同时自动接电;转盘上置有编号盘,可测 18mm 和 25mm 两个规格的荧光屏,一次可装24片,可满足生产和分析研究的双重需要,能以对应的编号区分被测样品;转盘下有接电(零电位)的电极触头,能实现被测样品的自动切换及保证操作者的安全。底盘,它是主体装置最关键的部件,与大盖的接触部位有真空密封要求。上表面嵌有绝缘的弹性电极及限位器,能与转盘的各电极触头在切换时实现良好的电接触;下表面分别与分子泵、电子发射源、真空规及转轴系统通过发兰盘密封连接。

2 荧光屏参数的定义及测试方法

荧光屏参数测试的原理示意图如图3所示,它

的定义及测试方法如下:

(1)荧光屏发光效率(Lm/W)

表征入射电子束转化为亮度的能力。它由光功率计测出由荧光屏每秒发出的光能量,同时用静电计测出入射到荧光屏的束流并转换为电子束功率,两者之比即为屏发光效率。

(2)发光亮度(cd/m 2)

荧光屏在其法线方向上单位面积单位立体角内发出的光通量。它由专业CCD 成像亮度计在屏上分别测出若干个测试点的灰度并转换成亮度,再由计算机算出平均值来表征发光亮度。

(3)发光亮度的均匀性

在检测出的若干个发光亮度的数值中,用最大

亮度和最小亮度之比值来表示发光亮度的不均匀性。

(4)荧光屏余辉(ms)

当发射源的电子被拒斥从而停止对荧光屏的轰击后,由专业CCD 成像亮度计可看出亮点不能立即消失,而要持续一段时间,规定将亮点的亮度值下降到初始值的10%所经历的时间称作余辉时间,简称余辉。荧光屏的余辉通常要延续若干毫秒,属中余辉范围,

利用光敏电池测试余辉。

图3 荧光屏参数动态综合测试台原理示意图

3 热电子发射源的数学建模

由热电子发射源发射的电子束轰击待测荧光

屏,使它发光,然后用专业CCD 成像亮度计采集它的图像,并由计算机判断它是否发光均匀;所以热电子发射源发射的电子是否均匀是本测试的基础和前提条件。

图4 三种灯丝的热量增量变化曲线

a 平面螺旋灯丝;

b 30 角锥形螺旋

灯丝;c 45 角锥形螺旋灯丝;d 60

角锥形螺旋灯丝;e 半球形灯丝。电子发射源是位于10-5

Pa 的超真空系统中。钽在和钨具有同等电子发射率的条件下,钽具有相对低的电子逸

出功、很好的机械性能(延伸率高、硬度小、屈服极限低,容易成型)、点焊性能好、稳定性好。所以电子枪灯丝选用钽丝。钽丝在1600K~2000K 的温度下,全法向平均有效发射率为 =0.213,全波长

吸收平均系数为 =0.438[3]。辐射能量为E a ,吸收能量为E b 。L 为灯丝的长度,H 为灯丝的间距。

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