紫外成像检测技术靳贵平1庞其昌2(1中科院西安光学精密机械研究所,西安710068)(2暨南大学物理系,广州510632)摘 要 提出一种新型的紫外成像检测系统.此系统利用紫外增强技术和紫外滤光技术观察和检测紫外光信号.详细介绍了系统的关键技术:紫外镜头、紫外 日盲 滤光技术、紫外增强技术和光谱转换技术,给出了紫外成像检测系统的研制实例,以及用该系统得到的实验结果.此系统在公安、电力、森林火灾等领域有远大的应用前景.关键词 紫外成像;紫外检测;紫外光滤光片;像增强器中图分类号 TN247 文献标识码 ATel:029-******* Email:ji nguiping1012@si 收稿日期:200210300 引言紫外(UV)光谱成像检测技术是欧美国家为军事目的发展起来的新型检测成像技术.它的特点是用于观察和检测 日盲 [1,2](240~280nm)紫外光信号,并将紫外图像信号转换成可见光图像信号,进行观察和测量.利用该技术可以观察到许多用传统光学仪器观察不到的物理、化学、生物现象;又因为其工作在 日盲 波段,所以它的工作不受日光的干扰[1],即采用该技术的仪器可以在日光下工作,图像清晰、工作可靠、使用方便.欧美发达国家和俄罗斯均已有这类仪器投入使用[3].这类仪器可用于电力系统检测、太空科学和环境保护研究等领域.而国内对紫外成像检测系统的研究工作起步较晚,国产化产品几乎是空白,所以急需开展这方面的工作.文中详细地介绍了紫外成像检测系统研制中的几个关键的技术问题,同时给出了相应的解决方案.最后还给出了具体的研制实例.1 检测系统的工作原理紫外成像检测系统主要包括:紫外成像物镜、紫外光滤光镜、紫外像增强系统、CC D 、图像显示等[4].紫外成像检测系统工作原理如图1.紫外信号源被背景光(包括可见光、紫外光和红外光等)照射,从信号源传输到成像镜头的有信号源自身辐射的紫外光,也有信号源反射的背景光.成像光束经过紫外成像镜头后,有一部分背景光被滤除,有一部分背景光仍然存在.其后光束再通过 日盲 滤光片,照到紫外像增强器的光电阴极上,经过紫外增强器后,信号被增强放大并被转化为可见光信号输出,然后,成像光束经CCD 相机,最后,经信号处理后输出到观察记录设备.图1 紫外成像检测系统的工作原理Fig.1 Skeleton drawing of UV imag i ng and detecting system2 检测系统的关键技术问题2.1 紫外镜头根据工作原理知,从信号源传输到成像镜头的除了信号源自身的紫外辐射,还有被信号源反射的背景光(包括可见光、紫外光和红外光等).而实验中需要的是信号源自身辐射的紫外光图像.为此,选用紫外光成像镜头能减少背景噪音.研制紫外光谱波段的透镜主要的问题是寻找合适的材料,在0.2 m~0.4 m 的光谱范围,最重要的材料为尚矽石和氟化钙.虽然开发了几种玻璃来降低0.4 m 以下的吸收,但其使用仍受限.因为在0.3 m 都还有吸收.两种此类的玻璃为UBK -7及UK -5.紫外成像镜头如F 4.5f =105mm 的尼康紫外镜头,可以工作在全光圈.镜头上可装 日盲 紫外光滤光片.其性能指标如表1.表1光学镜头性能指标视场角焦距 mm 最大光圈后像距 m m 尺寸 mm 2重量 g 23 20105f 4.55268.5 1085152.2 紫外光滤光技术为了实现紫外滤光,比较了国产的三种紫外光滤光片.发现若选择宽带滤光片,则背景噪音太大,第32卷第3期2003年3月光 子 学 报ACTA P HOTONICA SINICAVol 32No 3 March 2003不能满足要求.而且,一般的镜头总是对应于一定的单色光设计的.因此,系统选用紫外窄带滤光片.要得到信号源自身辐射的紫外光图像,必须滤除背景光.用宽带紫外光滤光片可滤除背景光中的可见光和红外光.背景光中的紫外光主要来自太阳的辐射,在紫外的240nm~280nm波段,太阳辐射完全被大气层中的臭氧吸收了,即在这个波段,大气层中的背景辐射为零,亦称 日盲 .所以,滤除背景光中的紫外光而又不影响信号源的紫外光图像,应选用 日盲 紫外窄带滤光片.2.3 紫外光像增强技术在紫外成像检测系统中,由于紫外辐射一般比较微弱,若直接用对UV灵敏的CCD探测较弱的紫外信号,由于其强度太小,而探测不到.为解决这个问题,先对紫外信号进行增强放大,然后再探测.为了实现紫外光信号的增强放大,使用紫外像增强器比较合适.在紫外成像检测系统中,由于紫外光的特点,要研制成紫外光像增强器有两条途径.1)研制合适的紫外光电阴极,直接研制紫外像增强器;2)通过光谱转换技术,利用微光像增强器实现.研制紫外像增强器的关键是研制合适的紫外光电阴极.紫外辐射和可见辐射在本质上是没有差别的,但由于紫外辐射的光子能量高,于是在研制紫外光电阴极时,产生了一些特殊的问题.首先,要解决的是光窗的材料问题.由于高能光子会使一般玻璃内的电子发生跃迁,造成大几率的光子吸收,因而一般玻璃不透紫外辐射,要透过长于180nm的紫外线,光窗必须用石英或蓝宝石;要透过短于180nm 的紫外线,光窗一般用氟化锂.其次,是紫外应用的光电阴极材料通常还要满足一个重要的条件,即必须是 日盲 的.所谓 日盲 就是对太阳辐射没有响应,即用于大气层时,对350nm以上不灵敏;用于空间时,对200nm以上不灵敏[5].在400nm以下的紫外光区有光电响应的材料为数很多,但在200nm~400nm的 日盲 阴极中,实际应用最成功的是碲化铯(Cs2Te).Cs2Te的禁带宽度为3.5e V,电子亲合势小于1eV,其峰值量子产额为10%左右[6].对Cs2Te所进行的工作主要围绕两个方面,即如何形成能运用于光电倍增管和图像管的半透明阴极,以及如何使它的长波响应下降到最小.因为Cs2Te薄膜的电阻很大,所以解决第一个问题的先决条件就是透明导电基底的获得.不能采用在可见光区常用的导电的氧化锡基底,因为当波长低于400 nm时,它的吸收系数迅速上升.实验发现,采用对入射光的透过率为85%左右的蒸发钨膜即可.在实际应用中,用Cs2Te作阴极的管子要维持于高真空,为此制造过程中必须进行300~400 烘烤去气.如用碲作为蒸发源,则由于碲的蒸汽压较高,烘烤温度只能用得很低.采用碲化铟作为碲膜蒸发源可以克服这个困难,因为碲化铟在真空中的分解温度超过500 ,而在此温度下,铟的蒸汽压仍然低于10~8 mmHg,因此实际上只有碲才被蒸发出来[6].有了合适的紫外光电阴极,就可以研制紫外光像增强器.利用光谱转换技术加微光像增强器同样可实现增强紫外光的目的.由于光谱转换技术及微光像增强器的制造技术都已较成熟,所以实现起来较容易,过程也简单.两种途径各有优缺,前者的优点是分辨率高,而后者实现起来简单.2.4 光谱转换技术现有的光谱转换技术有两种:通过光电阴极进行光谱转换;用转换屏实现光谱转换.前者要研制合适的光电阴极;而后者须研制适当的转换屏.在紫外成像检测系统中,光谱转换可通过紫外光电阴极或紫外光转换屏来实现.若系统采用光谱转换加微光像增强器结构,则用转换屏比较好.紫外光作用于转换屏的入射面,经转换屏转化后,出来的光为我们所需的可见光.转换屏性能的好坏,直接影响着整个紫外光成像检测系统的性能.而转换屏的主要性能有:分辨率、发光效率即光谱转换率、光谱特性、余辉时间、稳定性和寿命.对于紫外成像检测技术来说,最主要的是它的分辨率和光谱转换效率.其次,光谱特性、余辉时间、稳定性和寿命也很重要[7].分辨率是它分辨图像细节的能力.影响它的因素有:发光粉层的厚度、粉的颗粒度、粉与基地表面的接触状态、屏表面结构的均匀性等[7].粉层较厚时,光谱转换效率固然能提高,但同时,由于粉颗粒对光线的散射作用增强,分辨率反而降低.反之,粉层较薄时,屏的分辨率虽然能提高,可是光谱转换效率则会下降.因此在即要保证足够的光谱转换效率的同时又要保证高的分辨率的情况下,选择最佳的粉层厚度是很重要的.发光粉的颗粒愈细小且均匀,转换屏的分辨率就愈高.但是,粉的颗粒度的减小会使粉的光谱转换效率下降.因此选取粉的颗粒时,必须综合考虑效率和分辨率两个矛盾着的因素.发光粉颗粒与基地表面接触紧密时,屏面就显得细密,而且,粉粒的分布也就均匀,这样,转换屏对于光线的散射作用会小些,分辨率也可提高.这一点与涂屏的工艺有很大的关系.2953期靳贵平等.紫外成像检测技术3 检测系统的研制实例实验中给出一个实例 紫外指纹检测仪来说明这些技术在实际系统中的应用.紫外指纹检测仪的主要技术指标如表2、3.表2 滤光片的性能指标中心波长 m m 半宽度 m m 透过率背景透过率直径 mm 有效直径 mm2543090%5 10-43530表3UVICCD 的性能指标亮度增益/(cd m -2Lx -1)最小照度 L x分辨率 (L p m m -1)阴极灵敏度 ( A lm -1)104<0.230250 紫外指纹检测仪的外形如图2.实验中利用紫外指纹检测仪对一年多前留下的轻微的肉眼看不见得指纹进行了检测,结果较理想.检测结果如图3.这是未作任何处理的指纹的原图,若加上滤波、去噪,效果会更好.图3 检测到的陈旧指纹图样Fig.3 Stale fingerprint pattern examined4 结论分析了紫外成像检测系统的关键技术问题,给出了相应的解决方案.并用实例说明:利用紫外滤光技术、紫外像增强技术和光谱转换技术可以成功探测到微弱的紫外光信号.这对于紫外成像检测系统的发展和广泛应用具有指导意义.参考文献1 Lindner M,Elstein S,Lindner P.Solar blind and b-i spectralimaging with ICCD,BCCD,and EBCCD cameras.SPIE ,1998,3434:22~312 Lindner M,Els tein S,Wallace J.Solar blind band -pass filters for UV imag i ng devices.SPIE ,1997,3434A:176~1833Lindner M,Elstei n S,Lindner P.et al.Daylight corona discharge imager.H igh voltage enginee rin g sym posium ,1999,8:22~274 腾鹤松.紫外成像技术及其应用.光电子技术,2001,21(4):294~297Ten H S.The Technology of Photoelectron .2001,21(4):294~2975 江剑平,翁甲辉,杨泮棠.阴极电子学与气体放电原理.北京:国防工业出版社,1980.197~199Jiang J P,Wen J H,Yang P T.Electronics of Cathode and Principle of Gas Discharge.Beijing:National Defence Indus try Press,1980.197~1996 [美]A.H.萨默.光电发射材料制备、特性与应用.北京:科学出版社,1979.192~198[America ]Somer 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security,elec tric power,fire of forest and so on.Keyword UV ima ging;UV detect;UV filter;Image intensified deviceJin Guiping was born in 1977.She got her Bac helor from Northwest University in 1999.She is aPh.D.candidate on physics electronics in Xi an Institute of Optics &Precision Mechanics,Chinese Acade my of Science.Her current research interest is devices of photoelectron imaging and photoelectron detecting.2973期靳贵平等.紫外成像检测技术。
