紫外分辨力测试的设计方法探究

紫外像增强器分辨率测试仪的工作原理主要是由一个发光装置产生光线,光源的光线通过滤光片过滤掉其余的光线,仅让紫外线通过,从靶盘上的光栅透出,经过反射后由观测孔中发射出去,待检测的设备放置于观测孔外,观察所看到的光栅形状。光栅可以分为不同的精度等级,根据所能看清光栅条纹的级别,来判断待检测设备是否满足合格指标要求,光栅条纹采用不同倾斜角度,可以检测紫外像增强器感光面各方向的分辨力能力是否符合要求,保证测试结果的正确性。

1.成像原理

紫外探测系统的成像原理和组成部分示意如图5.12所示。

像增强器分别通过两个环节实现图像的光-电-光转换和亮度增强,分别为由光阴极将通过紫外滤光片的微弱光图像转换成电子图像,通过电子光学系统将电子图像聚焦成像,使能量增强和数量增多;通过微通道板将增强后的电子图像转换为可见的光学图像并在荧光屏上显示出来。其中由光阴极进行的图像转换过程具体为:当具有一定能量hv的辐射光子入射到光电发射体内时,会与体内的电子之间产生非弹性的碰撞从而达到交换能量的目的。所以产生的自由电子受到散射的概率也就很小,因而只能在迁移过程中与晶格互相作用产生声子。

图5.12　紫外成像系统的工作原理示意

紫外成像系统一般在天文和军事探测技术上有所应用,由于探测目标如火箭、飞机等的尾焰紫外辐射强度大于太阳的紫外辐射,所以就可以利用该紫外辐射对目标进行探测。由于紫外线传播过程中会不断地衰弱,所以实际情况下不可能达到真空传播条件。由于对探测精度有所要求,所以需要考虑紫外线在大气中传播的衰弱系数。

裸管、整管紫外分辨率测试仪的作用就是测试裸管或整管使入射光线中紫外光部分形成的微弱的光学图像增强成高亮度的可见光图像能力的强弱,以判断被测试的裸管或整管是否符合指标要求。

紫外分辨率测试仪的光路传播过程:发光装置(光源)产生光线,该光线进入光阑调节圈后从光路连接管中通过,然后滤光片对光线进行滤光,滤光后只留下特定波长的紫外线从紫外靶导管透出,光线再进入共轭物镜,然后平行光线到达像增强器的阴极面,发射光光子在像增强器内部的通道内发生碰撞,每一次碰撞光子数都会翻倍,在连续撞击多次后,数量就能够大大增多,从而就有足够的光电子撞击像增强器中荧光屏的荧光粉,达到形成清晰图像的目的。

根据对仪器的设计要求,以及要实现的功能等,可将测试仪器分为5大功能部分,如图5.13所示。

图5.13　测试仪5大功能部分示意

其中在成像物镜系统中,物镜将收集到的反射出的微弱光汇集在像增强器的阴极面上,产生光电子,再经过MCP产生更多的光电子,就可在荧光屏上形成光像。在目测系统中,可通过调节反射镜的位置进行直接目测,或输入视频系统,再进行观测。

测试光路传播示意如图5.14所示,平行光线从光路传播管中传播至紫外靶,然后被滤光片滤去不需要的波长的光,再通过共轭物镜缩短光路传播路线,减少紫外光在传播过程中的衰减,光线从共轭物镜中传播出来时仍为平行的光束,再到达像增强器的阴极面,然后在像增强器中的通道内与通道壁撞击后光子的数量即加倍,如此反复,最后到达荧光屏的光子数量就是到达光阴极面时光子数量的好多倍,就有足够的光子撞击荧光屏上的荧光粉以形成图像。像增强器阴极面与荧光屏间需加上高压,以使光子能量达到可撞击荧光粉的程度。

图5.14　测试光路传播示意

1—紫外靶;2—滤光片;3—共轭物镜;4—像增强器阴极面;5—MCP通道;6—荧光屏;7—目镜。

2.设计原理

光路设计原理如图5.15、图5.16、图5.17所示。

图5.15　光路原理图一

图5.16　光路原理图二

1—平面镜1;2—球面镜1;3—平面镜2;4—球面镜2;5—紫外光射入;6—目测观察点。(www.xing528.com)

图5.17　平面镜反射镜架中间部分

1—镂空部分;2—平面镜。

该紫外像增强器分辨率测试仪的实验原理即光路传播原理是由光源发出光经滤光片后剩下特定波长的紫外光,紫外线经过靶盘形成靶标的形状。靶标形状的紫外光经平面镜1反射射向球面镜1,在球面镜1镜面反射后从平面镜1和平面镜2的镂空部分穿过并在球面镜2镜面发生反射,反射光在平面镜2表面发生反射并射向目镜成像供观察。

3.分辨力测试设计

相对于红外线和激光探测,紫外探测不会受到自然或人为的电磁的干扰,所以紫外探测技术的应用越来越广,且主要应用在军事和天文上,如紫外光制导、紫外光通讯、紫外告警等。由于探测到的紫外光图像都比较微弱,需通过成像器件来达到使图像增强成可见图像的目的,成像器件是微光夜视器材性能和价格的决定性因素,而分辨率是成像器件成像效果的重要综合指标之一,所以对其分辨率的测试尤为重要。光学仪器的分辨率是指其屏幕上形成图像的精密度,也即显示器的像素的数量。显示器能够显示的像素越多,说明其性能越好。像增强器的分辨率则是指将一定对比度的标准测试图案在成像器件的光电阴极面上聚焦时,从荧光屏上的每毫米单位区间内可以分辨得到的等宽度的黑白相间的矩形条纹的对数,即lp/mm,lp表示条纹对数,每一对条纹包括一条亮线与一条暗线。

紫外成像光电系统分辨力测试装置,包括控制柜(与信噪比测试共用)、工控机(与信噪比测试共用)、光学平台(与信噪比测试共用)、X型导轨、观察目镜、测试暗箱、平行光管、靶板盒、滤光片调节盒和紫外光源(氘灯),具体布局如图5.18所示,整台设备放置在光学平台信噪比测试对面的一侧。

目镜也是显微镜的主要组成部分,它的主要作用是将由物镜放大所得的实像再次放大,从而在明视距离处形成一个清晰的虚像;因此它的质量将最后影响到物像的质量。在显微照相时,在毛玻璃处形成的是实像。某些目镜(如补偿目镜)除了有放大作用外,还能将物镜造像过程中产生的残余像差予以校正。目镜的构造比物镜简单得多。因为通过目镜的光束接近平行状态,所以球面像差及纵向(轴向)色差不严重,设计时只考虑横向色差(放大色差)。目镜由两部分组成,位于上端的透镜称目透镜,起放大作用;下端透镜称会聚透镜或场透镜,使映像亮度均匀。在上下透镜的中间或下透镜下端,设有一光阑,测微计、十字玻璃、指针等附件均安装于此。目镜的孔径角很小,故其本身的分辨率甚低,但对物镜的初步映像进行放大已经足够。常用的目镜放大倍数有8×、10×、12.5×、16×等多种。目镜装在镜筒的上端,通常备有2～3个,上面刻有5×、10×或15×符号以表示其放大倍数,一般装的是10×的目镜。观察目镜如图5.19所示。

图5.18　分辨力测试系统布局图

1—观察目镜;2—三维调节器;3—测试暗箱;4—成像物镜;5—平行光管支撑架;6—平行光管;7—靶板盒;8—滤光片调节盒;9—紫外光源;10—X型导轨及托板;11—光学平台。

物镜是显微镜最重要的光学部件,利用光线使被检物体第一次成像,因而直接关系和影响成像的质量和各项光学技术参数,是衡量一台显微镜质量的首要标准。物镜的结构复杂,制作精密,通常都由透镜组组合而成,各镜片间彼此相隔一定的距离,以减少像差。每组透镜都由不同材料、不同参数的一块或数块透镜胶合而成。物镜有许多具体的要求,如合轴、齐焦。物镜如图5.20所示。

图5.19　观察目镜

图5.20　物镜

现代显微物镜已达到高度完善,其数值孔径已接近极限,视场中心的分辨率与理论值的区别已微乎其微。但继续增大显微物镜视场与提高视场边缘成像质量的可能性仍然存在,这种研究工作,至今仍在进行。

齐焦即是在镜检时,当用某一倍率的物镜观察图像清晰后,在转换另一倍率的物镜时,其成像亦应基本清晰,而且像的中心偏离也应该在一定的范围内,也就是合轴程度。齐焦性能的优劣和合轴程度的高低是显微镜质量的一个重要标志,它是与物镜的本身质量和物镜转换器的精度有关。

与宽光束有关的像差是球差、彗差以及位置色差;与视场有关的像差是像散、场曲、畸变以及倍率包差。

显微物镜与目镜在参与成像这点上是有区别的。物镜是显微镜最复杂和最重要的部分,在宽光束中工作(孔径大),但这些光束与光轴的倾角较小(视场小);目镜在窄光束中工作,但其倾角大(视场大),物镜与目镜在消除像差上有很大差别。

显微物镜是消球差系统,这意味着:就轴上的一对共轭点而言,消除了球差并且实现了正弦条件时,每一物镜仅有两个这种消球差点。因此,物体与像的计算位置的任何改变均导致像差变大。

设计的紫外像增强器分辨力测试仪实物如图5.21所示。

图5.21　紫外像增强器分辨力测试仪实物