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微光成像器件制冷结构设计与噪声性能分析研究

作　者: 邵冲
导　师: 李新碗
学　校: 上海交通大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 微光成像器件像增强器噪声热电子发射半导体制冷珀耳贴效应光电倍增管
分类号: TN144
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 115次
引　用: 3次
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内容摘要

微光成像器件——像增强器是一种能够将微弱的光学图像信号进行放大,以达到人眼或者电子观测系统灵敏度要求的电子光学器件。经过半个多世纪的发展,通过不断的改进和完善,目前已经发展到了第四代。其应用领域也越来越广阔,从最初的夜视扩展到国防、医疗、科研等领域。本文的工作背景是像增强器在微光成像领域中的应用,其原理是:通过高速的超短脉冲对光阴极进行选通驱动,获得单幅的图像输出。像增强器作为微光成像系统的核心器件,其性能对于整个系统性能至关重要。通过对形成像增强器噪声的各项因素的深入分析和研究,发现光阴极的热电子发射噪声是引起像增强器荧光屏背景亮度的主要因素。本文工作的重点就围绕如何降低像增强器的热噪声而展开。降低热噪声的工作主要就是如何对像增强器光阴极进行降温。鉴于半导体制冷技术结构简单,制冷时间快,温度控制精度高等诸多优点,采用这种制冷方式并结合水循环可以实现迅速的降温。为了实现像增强器的制冷,并且能让它正常工作,我们设计了一种内置像增强器的腔体。这个腔体在实现制冷、电信号接入基本功能的同时,还具有防水、视窗防冷凝、内部防高压击穿等功能,保证像增强器能稳定、安全、可靠的工作。在使用半导体制冷器并结合冰水混合物水循环的状态下,可以使像增强器光阴极处的温度降到-39℃,当不使有冰水混合物水循环而用室温水循环状态下,可以使像增强器光阴极处的温度降到-20℃为了验证降温对降低像增强器背景噪声的有效性,我们设计了两个实验。一个是测试背景噪声和温度关系的实验,利用具有高灵敏度的光电倍增管来测量像增强器荧光屏的输出亮度。通过实验,发现随着温度的下降,背景噪声有明显的下降,并且呈指数下降趋势。温度从常温23℃下降到-37℃,噪声大小下降了23dB。等效背景噪声两倍常数为5.79℃,与国外文献中的结果十分接近,在一定程度上证明了实验数据的可靠性。第二个实验是比较制冷前(20℃)和制冷后(-15℃)所得分辨率板成像图片的对比度。图像的清晰度也有明显的提高,并且通过剖线分析,发现图像的麦克尔逊对比度提高了10.9%。同时,通过上述工作,我们发现,在使用半导体制冷器+冰水混合物水循环与半导体制冷器+室温水循环两种状态的比较试验下,噪声抑制能力分别达到23dB和16dB,表明即使不具备水制冷外部设备,常温条件下,该系统也能有很好的噪声抑制能力,系统更具实用性。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-19
  1.1 引言  14-15
  1.2 微光成像系统噪声与成像质量  15-17
  1.3 国内外微光成像降噪技术发展现状  17-18
  1.4 本文的主要工作  18-19
第二章微光成像的基本原理及其制冷结构设计与实现  19-54
  2.1 微光成像系统的组成  19-20
  2.2 像增强器基本结构和工作原理  20-25
    2.2.1 基本结构和工作原理  20-21
    2.2.2 光阴极  21-23
    2.2.3 微通道板  23-24
    2.2.4 荧光屏  24-25
  2.3 高速高压脉冲驱动电路  25
  2.4 噪声对成像质量的影响以及降低噪声的思路  25-28
    2.4.1 噪声对成像质量的影响  25-26
    2.4.2 降低噪声的思路  26-27
    2.4.3 光阴极制冷降噪  27-28
  2.5 制冷系统的设计与实现  28-46
    2.5.1 半导体制冷  28-39
    2.5.2 腔体结构设计与实现  39-45
    2.5.3 制冷系统  45-46
  2.6 制冷型像增强器高速电脉冲耦合的设计与分析  46-52
    2.6.1 高速电脉冲耦合的原理  46-48
    2.6.2 高速电脉冲耦合的方法  48-52
  2.7 本章小结  52-54
第三章像增强器噪声理论分析与测试  54-83
  3.1 像增强器噪声的来源与分析  54-63
    3.1.1 入射光量子噪声  54-55
    3.1.2 光阴极噪声  55-59
    3.1.3 MCP 噪声  59-62
    3.1.4 荧光屏噪声  62-63
  3.2 像增强器噪声的评价指标  63-67
    3.2.1 等效背景照度  63
    3.2.2 对比度和对比恶化系数  63-64
    3.2.3 分辨率  64-65
    3.2.4 调制传递函数  65-66
    3.2.5 信噪比  66-67
  3.3 背景噪声测试实验  67-79
    3.3.1 测试平台  67-68
    3.3.2 光电倍增管  68-71
    3.3.3 驱动电路  71-74
    3.3.4 实验步骤  74-75
    3.3.5 实验结果及分析  75-78
    3.3.6 实验误差分析  78-79
  3.4 对比度测试实验  79-82
    3.4.1 实验平台  79-80
    3.4.2 实验步骤  80
    3.4.3 实验结果及分析  80-82
  3.5 本章小结  82-83
第四章总结与展望  83-85
附录  85-88
参考文献  88-91
致谢  91-92
攻读硕士学位期间发表或录用学术论文  92-93
答辩决议书  93

微光成像器件制冷结构设计与噪声性能分析研究

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