图像增强器的介绍

图像增强器的介绍

介绍

图像增强是一个真空管装置，直径为一般18-25毫米。增压器包括一个光电阴极和荧光屏，光电阴极是输入窗的内侧，和多碱图层或半导体层的荧光屏，这是对的内侧上的荧光磷光体涂层输出窗口。还包括无论是简单的网格状电极（即，早期增强技术）通过管或加速电子，在以后的增强器，一个复杂的电子倍增的微通道板（MCP）（图1）。MCP技术在本附注后面讨论。

入射的光子撞击光阴极的引起光电效应释放电子。然后，这些电子被加速（再乘以在更近的增强器）到荧光屏，电子撞击涂层，引起的光。这释放的光由每次射入光子撞击的光电阴极的表面产生的光子构成。

影像增强器的发展由在军事上使用的夜视镜为主要动机。各种类型的图像已经用于近红外（NIR），晚上的主要形式优化照度的战斗环境。这种军事影响力导致了图像的类型和增强器正式的命名惯例。类型被称为？代？目前包括（以技术开发）一代，第二代，超第二代的（或第二代+），和第三代。后来在本附注进行讨论增压式代之间的区别。

影像增强器的掺入高性能的充电耦合器件（CCD）摄像机已经产生增强型CCD（ICCD）系统成像和光谱学是拥有超低照度高灵敏度条件，并允许极短的现象，时间分辨率（小于2毫微秒）。这些ICCD系统被广泛用于此类国家的最先进的中应用激光诱导荧光（LIF），激光诱导击穿光谱（LIBS），燃烧研究，等离子体研究，非破坏性的检测（NDT），和单分

子荧光成像。

图像增强的组件

光电阴极

光电阴极是在一个图像增强器的第一个主要部件。光电阴极涂层将入射的光的光子的一部分插入电子。并非由光电捕获光子被从输由增压器产生的最终信号。因此，量子效率（QE），定义为入射光子的比例转换为电子费用，是增强器非常重要。

早期的增压器使用多碱涂料组成的化合物与在可见光公平光转化性能（VIS）和紫外（UV）的区域，但在近红外波长相对有限的反应。这些涂料普遍类似物钠，钾，锑，铯，或银。砷化镓（GaAs）是一个较新的半导体，低带隙涂层具有高量子效率在可见光和近红外区域。相较于军事需要为增强器具有较高的近红外灵敏度，科学ICCD通常的用法着重于在光谱的蓝色/绿色区域。这导致了光阴涂料与QE改善ICCD使用的开发在蓝色/绿色区域。例如，罗珀科学?，领先高性能ICCD相机系统制造商，提供专有第二代红蓝？平衡反应？和超蓝光电阴极（图3）。第三代高清蓝光阴也发现了一些实用的军事飞机的应用程序（图4）。

GaAs作为光电阴极涂层在化学上是脆弱的，对敏感电离气体少量存在于图像增强器。这些离子是由电子领域被迫回到了光阴，在那里他们迅速破坏砷化镓涂层。为了减少这种恶化，薄的离子阻挡膜的金属氧化物被施加到MCP的表面以阻止迁移离子向阴极。胶片

只是部分透明的传入光电子，也减少了二次电子的俘获在输入表面上产生。这两个因素的净光学效应是该离子阻挡膜减少QE高达30％，但与设备电影仍然大大高于可见光第二代设备更敏感频谱的一部分。

在增强的噪声的成分来自热生成从光电阴极的电子，被称为等效背景照明（EBI）。这些电子是不可区分的从这些光的光子产生的，因此污染图像信号。EBI可通过冷却所述图像增强器可以减少，并且通常可以忽略不计的门控应用。

MCP

该MCP是一个图像的第二个和最精密的部件增强。它是一种稍微导电的玻璃基板（2

厘米直径0.5毫米厚），与数以百万计的平行穿越通道含有一个二次电子发射体（例如，碘化铯，碘化铜）其内壁。早期的MCP一般有渠道10-12微米直径，布置成六边形图案的12？15微米，中心至中心的间距。更近的MCP，已经制定了6微米的通道，从而提高图像的空间分辨率（>64 line-pairs/mm）。

由光电阴极产生的电子通过该通道由驱动从电压（600 - 900V ）的恒定场施加到MCP 。的一部分电子穿过撞击壁，造成更多的形成电子。多次冲突继续，用一个电子进入生产数以千计的电子终于退出板（图2）。向所有通道提供电接触，所述MCP输入卷筒纸表面是通常涂有镍铬合金，其还具有低的二次电子发射系数。因为这后一特征的，电子的缺少通道和醒目的输入表面（其包含高达55％的其中一些MCP ）建立二次电子，然后被拉到附近渠道通过静电引力。这允许对某些电子电荷，否则将被电子丢失信道丢失的恢复开口。在本质上，每个MCP通道类似地作用于标准光电倍增器。

荧光屏

图像增强器的第三个主要组分是荧光屏。电子离开MCP都通过一个恒定的电压（5-8

千伏）加速并敲击屏幕，在那里它们被转换回光的光子检测由CCD 。荧光屏通常发出绿色的光，并由稀土氧化物或卤化物（例如，钆，镧，钇）的，用几百纳秒到几毫秒的衰减时间。图5显示了在不同的一些典型的磷光体的发射光谱波长。表1示出了各种荧光衰减时间磷光体中常用的ICCDs 。

影像增强器耦合到CCD的

在ICCD相机增压器可以耦合到CCD或者与一个镜头或光导纤维束（图6）。透镜耦合提供的优势柔韧性：（1）增强可以被删除，相机用作标准的CCD成像器，以及（2）一个增强器，可以有效地增加了成本现有的CCD摄像机。透镜耦合的缺点包括低光吞吐量（5 ％-10％），并增加杂散光的摄像系统。

通过光纤光学耦合提供了更好的光量（> 60 ％）之间增强器和CCD镜头比耦合配置。光纤耦合ICCD相机感光度能够接近单光电子检测和有一个更好的信号- 噪声比（SNR）比lenscoupled设备。缺点是，光纤耦合是永久性的和检测器必须在干燥，非真空，惰性环境中进行操作。先进的ICCD相机，例如那些由罗伯科学生产，把这样的工作条件在密封，免维护包。欲了解更多信息，请参阅罗珀科学技术说明比较＃9 （透镜耦合和光纤耦合ICCD 相机）和＃6 （光纤在逐渐变细高分辨率科学成像）。

图像增强器选通

在ICCD时间分辨率成为可能通过切换增强开启和关闭（门）非常迅速。如果光阴极偏压更积极比在MCP中，电子不会进入MCP和增强被选通关闭。如果光阴极施加负偏压时，电子将被加速到在MCP和增强器被选通。典型的快速门增强器有的最小栅极宽度（在半最大栅极脉冲FWHM =全宽）约2纳秒。慢门设备，FWHM约为50纳秒。

克服了光电阴极材料，镍（Ni）的高电阻底层沉积在所述光电阴极，以降低该电阻和能够快速门。然而，镍层可以通过尽可能多的减少有效量化宽松政策为40％。慢门增强器既没有Ni层或其上的量化宽松政策的影响。

增压器的开/关比选通是直接测量的质量门，具有极高的比是必要的，以消除背景和准确地再现瞬态图像。该参数被定义为的光输出比，当所述增压器是在与输出时的增强器是关闭的。在光谱的可见光区域中，107:1门比率可能与标准的增强器。在紫外区，只有104:1的比率传统上，可能会由于精力充沛的紫外线光子达到最佳撞击在MCP输入面和释放二次电子。但是，比率高达在UV波长107:1现在可以与实现先进的门控技术，如罗珀SCIENTIFICA 的MCP支架ulsing? ?。其他创新的门控技术包括罗珀SCIENTIFICA的一个“MCP Gating? ”，其中选通进行跨越MCP代替光阴。用MCP选通，这是有可能实现的10栅极宽度纳秒或更小，而不会牺牲一个慢门管的量化宽松政策。欲了解更多信息，请参阅罗珀科学技术说明＃

1 （ICCD选通）。

代我增强器

在20世纪60年代初开发的，根我增强器采用静电聚焦和电子加速实现信号增益高达150 。我代增强器可以根据环境光线强度低至.01检测图像勒克斯（大致相当于弱光下一个满月的夜晚）。问题包括图像失真，短暂的组件，和大该装置的尺寸。我代增压现在已经过时。

第二代和超第二代增强器

这些都是在ICCD相机中最常用的图像增强器。在60年代末和70年代初介绍，这些增强器结合MCP的。大大提高增益（最高可达20,000 ）由完成加速电子，以及通过在MCP

倍增电子频道。第二代增压是只有三分之二高效为Gen I设备由于电子撞击在MCP输入面的损耗（如上所述）和缺乏传递这些电子的倍增效应通过渠道不醒目内墙。在第二代器件具有高分辨率，是小的，并且不产生图像失真。第二代增强器可以根据环境光强度低至0.001勒克斯（检测图像大致等效于光强度下四分之一月亮在夜间）。

超第二代图像增强器是采用新的第二代设备光阴在一个特定的扩展频谱范围，高量子效率波长范围。为军队，这通常涉及到的响应曲线移在红色方向，这可能会降低蓝色/绿色的

性能。为科学ICCD的应用，另一方面，提高了蓝色/绿色的性能通常是目标，具有减少近红外QE有时作为一个额外的优势。

第三代增强器

第三代图像增强器是第二代技术，砷化镓添加为阴极涂层。砷化镓是极其感光在近红外区域超过800纳米，但相对较差的蓝/绿区。第三代增压器利用高分辨率MCP板（6微米

直径的通道）和离子阻挡膜。第三代的某些版本是蓝色的增强，具有灵敏度在蓝/绿区为军

用战斗机使用适度提高飞机座舱视觉化仪表显示，这一般是蓝色或绿色（图4）。

第三代增强器是2-3个数量级，以环境更加敏感光比第二代增强器。第三代设备可以根据检测到的图像环境光强度低至0.00001勒克斯（大致相当于光下一个沉重阴天，晚上有月亮的强度和所有，但数星星完全被遮挡）。近日，第三代设备都得到了进一步改善与引进更高分辨率管（> 72线对/毫米）的。

结论

影像增强器的发展已经主要受需求大型军用市场，与这些需求常常不一样在科学的领域。其结果是提高了增压器的技术科学ICCD使用一直较慢，转移到更小实验室和增强制造商。别出心裁的这些群体，导致以新颖的光电阴极材料和配置，以满足制造许多科学图像增强器的要求。新的，高性能的来临第三代高清蓝增强剂的承诺

罗珀Scientific提供先进设备，最先进的普林斯顿仪器皮娅·MAXA ?和科学ICCD相机，配备了宽I - PentaMAX? ?线选择的第二代和第三代光阴。这些系统提供透镜或光纤的耦合，以及先进的功能和选项的完整的阵列。高通量，透镜耦合增强器也可用于改装非ICCD相机。