用于天文成像的小倍率静电聚焦电子光学系统

在天文成像探测中,通过各种光电成像探测器、光学望远镜,将天体的光学图像转换成电子图像,使其加速轰击诸如硅二极管阵列、背照式减薄CCD (即: EB-CCD)或各类位敏探测器而完成电子图像检测读出和传输处理.此工作模式有极好的微光及紫外、红外探测性能.

在天文成像探测系统中,电子光学系统起着十分重要的作用,直接影响成像的质量.在当前的天文成像探测系统中,电子光学成像系统普遍偏于体积大,要求CCD光敏面较大,因此在CCD-Digicon探测器系统的实验研究中提出,设计放大率M=-0.3的静电聚焦电子光学系统,使像面范围变小,易与EB-CCD匹配,并要求像面上的分辨力优于70lp/mm,总畸变<2%,整管长120～150mm,外径50～60mm,有效工作直径为30mm,在天文成像探测系统中,对分辨力和畸变都有较高的要求,并要求场曲、像散等也要相应比较小,这对电子光学系统的设计提出了很高的要求.利用北京理工大学光电工程系研制成功的静电像管设计及优化设计软件包ODESI,结合积累的像管设计经验和已有管型[1～3],成功地设计了适用天文探测的静电聚焦优化电子光学系统.

1　结构设计

由于对各种像差的要求很高,为了对各结构参量进行调整,结合以往设计的管型,确定使用如图1所示的电极结构.

图1中,Rc为阴极曲率半径;α1、α2为调焦极锥角;z1、r1为调焦极水平及垂直距离;P为极间距离;r2为阳极孔距;D为像管直径.光阴极为球面电极,电位为Vc=-15kV;中间调焦电极为人形电极,电位为Vg=-14kV;阳极电位为0V.

在像管结构的优化设计中,通常需要以下几个过程:

①像管的初始结构　像管结构特征参量K[2]是反映像管总体布局结构特征的经验统计参量,它与像管的结构细节关系不大,主要取决于系统的放大率M、物距P和像距q(=L-P,L为电子光学系统长度),即K=q/MP.对于M=-0.3,L=140mm的系统,K可取近似值1.6,于是计算得到像管P=95mm,q=45mm;

②像管结构参量之间的关系及其对各类像差的影响　初始结构的试计算表明,系统虽可基本满足放大率和管长的要求,但轴上和轴外像质并不满足要求.实际上,由于各种像差之间可能相互矛盾,某种像差的减小可能会带来其他像差的增大,因此,需要在设计中反复修改电极系统的结构尺寸,电极电位应适当取值,使系统结构成为一个均衡结果,以满足预定的结构形式、外型尺寸和电子光学成像质量的要求;

③优化参量选择及目标函数的确定ODESI软件包的总优化目标函数普遍式为f=∑ni=1wi×f2i(x)其中n为优化目标数,fi(x)为第i个目标函数,wi为对应的权因子,x为由m个优化自变量构成的m维向量.由像管的初始结构计算可知:场曲和畸变较大,可将它们作为优化的重点,加大其权因子,使其在总目标函数中占较大比重.另外,根据电子光学设计原理,Rc、D、P、α1、α2、z1、r1、r2等结构参量对电子光学性能起主要调节作用,计算结果也证明:优化这些参量的效果十分明显.首次优化可选择其中几个变量作为优化参量,在此基础上再优化其它参量或交叉选择参量.这种优化方式使得到的结果更好.