微光夜視技術(shù)

1、微光夜視儀技術(shù)1夜視儀效果圖2 一、簡介 微光夜視技術(shù)致力于探索夜間和其它低光照度 時目標(biāo)圖像信息的獲取、轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)、記錄和 顯示。它的成就集中表現(xiàn)為使人眼視覺在時域、 空間和頻域的有效擴(kuò)展。 在軍事上，微光夜視技術(shù)已實用于夜間偵查、 瞄準(zhǔn)、車輛駕駛、光電火控和其它戰(zhàn)場作業(yè)， 并可與紅外、激光、雷達(dá)等技術(shù)結(jié)合，組成完 整的光電偵查、測量和警告系統(tǒng)。 3 微光夜視技術(shù)的發(fā)展以1936年P(guān).Grlich發(fā)明 銻銫(Sb-Cs)光電陰極為標(biāo)志。A.H.Sommer1955 年發(fā)明了銻鉀鈉銫(Sb-K-Na-Cs)多堿光電陰極 (S-20)，使微光夜視技術(shù)進(jìn)入實質(zhì)性發(fā)展階段。 1958年光纖面板問世，

2、加之當(dāng)時熒光粉性能的 提高，為光纖面板耦合的像增強(qiáng)器奠定了基礎(chǔ)。 62年美國研制出這種三級及聯(lián)式像增強(qiáng)器，并 以次為核心部件制成第一代微光夜視儀，即所 謂的“星光鏡”AN/PVS-2,并用于越戰(zhàn)。 4 62年出現(xiàn)了微通道電子倍增器，70年研制出 了實用電子倍增器件MCP-微通道板像增強(qiáng)器， 并在此基礎(chǔ)上研制了第二代微光夜視儀。 70年代發(fā)展起來的高靈敏度攝像管與MCP像增 強(qiáng)器耦合，制成了性能更好的微光攝像管和 微光電視。82年英軍在馬島戰(zhàn)爭中使用，取 得了預(yù)期的夜戰(zhàn)效果。 65年J.Van Laar 和J.J.Scheer制成了世界上第 一個砷化鎵(GaAs)光電陰極。79年美國ITT 公司

3、研制出利用GaAs負(fù)電子親和勢光電陰極5 與MCP技術(shù)的成像器件（薄片管），把微光夜視儀 推進(jìn)到第三代，工作波段也向長波延伸。 60年代研制出的電子轟擊硅靶(EBS)攝像管和 二次電子電導(dǎo)(SEC)攝像管與像增強(qiáng)器耦合產(chǎn)生 第一代微光攝像管。 80年代以來，由于電荷耦合器件(CCD)的發(fā)展， 不斷涌現(xiàn)新的微光攝像器件。像增強(qiáng)器通過光纖 面板與CCD耦合，做成了固態(tài)自掃描微光攝像 組件，和以它為核心的新型微光電視。6 二、黑天輻射基礎(chǔ) 黑天輻射來自于太陽、地球、月亮、星球、 云層、大氣等自然輻射源。 1、自然輻射 太陽 直徑：1391200公里 輻射類似于色溫為5900K的黑體輻射 輻射之地表的

4、光波范圍0.33m 可見光區(qū)0.38 0.76m更為突出 78 月亮 輻射有兩部分:反射太陽的輻射;自身輻射. 月亮自身輻射與色溫為400K的黑體輻射相似 910 地球 輻射有兩部分:反射的太陽輻射，峰值在 0.5m 附近;自身的輻射,峰值約波長為10m。夜間以后者為主。 11顯然，地球自身的輻射大部分在814m的遠(yuǎn)紅外，正好是大氣的第三個窗口。 12 星球 貢獻(xiàn)較小，照度為2.210-4 lx，約為無月夜空光 量的1/4。 大氣輝光 大氣輝光產(chǎn)生于地球上空約70100km高度的大 氣層中，是夜天輻射的重要組成部分，約占無 月夜天光的40%。 陽光中的紫外輻射在高層大氣中激發(fā)原子，并 與分子發(fā)

5、生低頻率的碰撞，是產(chǎn)生大氣輝光的 主要原因。表現(xiàn)為原子鈉、原子氫、分子氧、 氫氧根離子等成分的發(fā)射。 13其中波長為0.752.5m的紅外輻射則主要來自氫氧根離子的氣輝，它比其它已知的氣輝發(fā)射約強(qiáng)1000倍。 1415 2、黑天輻射的特點(diǎn)特點(diǎn)： 夜天輻射除可見光外，還包含豐富的近 紅外輻射。且無月星空天近紅外輻射為 主要成分。故偉光也是技術(shù)必須充分考 慮這一點(diǎn)，有效利用波長延伸至1.3m 的近紅外輻射。 有月和無月夜天輻射的光譜分布相差較 大，滿月月光的強(qiáng)度比星光高出約 100倍。 16 無月時各輻射的比例為： 星光及其散射光 30% 大氣輝光 40% 黃道光 15% 銀河光 5% 后三項的散

6、射光 10% 3、夜天輻射產(chǎn)生的景物亮度 1718 三、微光夜視儀概論 以像增強(qiáng)器為核心部件的微光夜視器材稱 之為微光夜視儀。它使人類能在極低照度 (10-5 lx)條件下有效地獲取景物圖像的信 息。 1、組成與原理 主要部件：強(qiáng)光力物鏡、像增強(qiáng)器、 目鏡和電源。 從原理上看，微光夜視儀是帶有像增強(qiáng) 器的特殊望遠(yuǎn)鏡。19 微弱自然光由目標(biāo)表面反射進(jìn)入夜視儀； 在強(qiáng)光力物鏡作用下聚焦于像增強(qiáng)器的光 陰極面（與物鏡后焦面重合），即發(fā)出電 子；光電子在像增強(qiáng)器內(nèi)部電子光學(xué)系統(tǒng) 的作用下被加速、聚焦、成像，以及高速 度轟擊像增強(qiáng)器的熒光屏，激發(fā)出足夠強(qiáng) 的可見光，從而把一個被微弱自然光照明 的遠(yuǎn)方目標(biāo)

7、變成適于人眼觀察的可見光圖 像，經(jīng)目鏡的進(jìn)一步放大，實現(xiàn)有效地目 視觀察。20 2、對各部件的技術(shù)要求物鏡： 為使像面有足夠的照度，物鏡應(yīng)有盡可 能大的像對孔徑(D/f)。 為了像增強(qiáng)器陰極上目標(biāo)圖像照度均勻， 軸外物點(diǎn)的光線應(yīng)盡量多地參與成像， 從而要求物鏡的漸暈系數(shù)盡可能大。 E = kE0(cos )4 E -軸外像點(diǎn)照度 k-漸暈系數(shù) 由于一般像增強(qiáng)器極限空間分辨力不高，21 為3040lp/mm,故要求物鏡具有很好的低 通濾波性能。22 調(diào)制傳遞函數(shù) 調(diào)制度可見度 M = (Imax-Imin)/Itol 調(diào)制度傳遞因子與空間頻率的函數(shù)關(guān)系 稱為調(diào)制傳遞函數(shù)。 MTFModulati

8、on Transfer Function 如希望其在12.5及25lp/mm頻率上分別有 MTF0.75及MTF0.55的對比傳遞特性. 像增強(qiáng)器: 要求像增強(qiáng)器具有足夠高的亮度增益GL.23 相關(guān)最小光增益 Gm 4.33103/2 -人眼暗適應(yīng)時量子效率 -目鏡倍率 像增強(qiáng)器響應(yīng)度應(yīng)盡量高。 良好的光譜匹配是像增強(qiáng)器能有效工 作的必要條件。這是指：光陰極光譜 響應(yīng)與自然微光輻射光譜的匹配、熒 光屏輻射光譜與人眼光譜響應(yīng)的匹配、 前級熒光屏與后級光陰極的光譜匹配 等。 由于自然熱發(fā)射等因素，像增強(qiáng)器總24 會產(chǎn)生噪聲。噪聲在熒光屏上產(chǎn)生與之 相對應(yīng)的背景亮度，從而限制了像增強(qiáng) 器可探測的最小

9、照度值。此值叫等效背 景照度(EBI). 通常為 10-7 lx數(shù)量級。 頻率傳遞性能應(yīng)盡量好。作為一種低通 濾波器，像增強(qiáng)器的傳遞特性可用MTF 曲線來描述。 MTF v,故電子束總是 趨于“發(fā)散”，使電子透鏡系統(tǒng)不能實現(xiàn)理想 的“聚焦”，即存在所謂的電子透鏡的像差。 例：加速電壓 104伏，則電子速度為 0.2c, 兩力的比為25。 由于電子透鏡系統(tǒng)與電子流密度無關(guān)，且由 于庫倫力本身的性質(zhì)，使得電子光學(xué)系統(tǒng)不 可能消除這種像差。373839 熒光屏： 常用于像增強(qiáng)熒光屏的材料有兩種： 以硫化鋅為基質(zhì)參銀激活的ZnS:Ag 以硫化鋅鎘為基質(zhì)參銀激活的ZnSCdS:Ag 熒光屏的底層是以這類

10、晶態(tài)磷光體微細(xì)顆粒 (直徑為 1m)沉積而得到的薄層，其厚 度稍大于顆粒直徑，為 18m。顯然，顆 粒越細(xì)則圖像分辨率越高，但發(fā)光效率就 越低。一般取顆粒直徑與底層厚度相近。 底層厚度大有利于對入射電子的吸收，40 但有礙于熒光的有效射出。 熒光屏的表面附有一層鋁膜，厚度為0.1m， 覆蓋在熒光粉上。其作用有三： 防止熒光反饋到光電陰極。 把光反射到輸出方向上。 保證熒光屏形成等電位面。 在不透光的前提下，鋁膜應(yīng)盡量的薄。在充 有氬氣狀態(tài)下蒸鍍的鋁膜為黑色膜，有利于 改善輸出圖像的對比度。 41 ZnSCdS:Ag為黃綠光熒光屏，其光譜分布 與人眼視覺特性匹配較好，故適用于目視。 它具有中短余

11、輝和較高的發(fā)光效率(15cd/W)。 ZnS:Ag為藍(lán)光熒光屏，適于攝影， 3cd/W。 強(qiáng)光保護(hù)： 強(qiáng)閃光被夜視儀物鏡聚焦，會產(chǎn)生很強(qiáng)的光陰 極發(fā)射，從而造成光陰極發(fā)生疲勞性損傷，或 永久性破壞。此外，光電子密度過大時，熒光 屏?xí)霈F(xiàn)過熱現(xiàn)象，易燒毀熒光材料。 42 例：800m距離處的穿甲彈爆炸，可在夜視儀 熒光屏上產(chǎn)生約 500Wmm-2 的功率密度， 屏溫可達(dá)500-1000C。一般熒光屏可承 受的電子流為10-200Wmm-2。 熒光屏的保護(hù) 動態(tài)散焦法： R = 100M 光照度0.1lx I 0.1A VR 1000V, 破壞成像效果，電子束的廣泛彌散使其到達(dá) 熒屏?xí)r密度下降，

12、從而保護(hù)熒屏。 電阻降壓法： R -幾百兆 光電流增大，44 R上壓降增大，供給像增強(qiáng)器的工作電壓隨 之變小，對光電流的增大趨勢產(chǎn)生抑制。 光陰極的保護(hù) 電阻降壓法實際上也起著保護(hù)光陰極的作用。 當(dāng)R上壓降增大，供給像增強(qiáng)器的工作電壓 隨之變小，使光陰極發(fā)射的電子不能被有效 的加速，則它們滯留在陰極區(qū)形成一個負(fù)電 荷阻擋區(qū)，阻礙陰極光電子的發(fā)射，從而保 證陰極不會產(chǎn)生疲勞發(fā)射和過量發(fā)射。 45 5、第二代微光夜視儀 與第一代的根本區(qū)別在于微通道板(MCP) 在像增強(qiáng)器中的應(yīng)用。 微通道板像增強(qiáng)器：46 微通道板MCP： 電子倍增器47 微通道板能對二維空間分布的電子束實現(xiàn) 電子數(shù)倍增。其增益為

13、103104數(shù)量級。 它的特點(diǎn)是：增益高、噪聲低、頻帶寬、 功耗小、壽命長、分辨率高且有自飽和效 應(yīng) 。 微通道板由含鉛、鉍等氧化物的硅酸鹽玻 璃制成 ，是厚度為毫米級的薄板。其厚度 取決于微通道直徑與長徑比。其內(nèi)密布著 數(shù)以百萬計的平行微小通道，同孔直徑為 645m;孔間距應(yīng)盡量的小，以減小48 非通孔端面。當(dāng)孔徑為10 12m時，空中心 距約為12 15m。 一般通孔面積應(yīng)占截面積的55% 80%。 長度與孔徑之比的典型值為40 50。 板兩端鍍有鎳層，作為電極。在入端面鍍有 Al2O3薄膜，以防離子反饋轟擊光電陰極。 膜厚為3nm,其允許動能大于120eV的電子穿過。49 二次電子發(fā)射

14、出射電子數(shù)與入射電子數(shù)之比稱為二次電 子發(fā)射系數(shù)，即電子倍增系數(shù)。50 為使通道內(nèi)壁具有良好的二次電子發(fā)射特性， 通常進(jìn)行燒氫處理高溫下被氫還原的鉛原 子分散在玻璃表面，它具有半導(dǎo)電性能和較 高的二次電子發(fā)射系數(shù)。51 電流增益MCP的增益定義為輸出與輸入電流密度之比。電流增益Gn與通道長徑比的關(guān)系：Vm = 22m 52 Vm 、m分別為最佳工作電壓和最佳長徑比。 為提高增益，MCP輸入端應(yīng)具有盡量大的 開口面積比。通孔面積與總截面積之比叫 微通道板的探測效率。有時通道采用喇叭 形入射口，可使比值達(dá)80%。 MCP參數(shù)的設(shè)定：首先依據(jù)空間分辨率要 求確定通道直徑；再按工作電壓確定最佳 長徑比

15、m；然后選定MCP的厚度。這樣不 但可獲得最佳增益，而且可獲得較高的增 益均勻性。53 自飽和效應(yīng) MCP的自飽和效應(yīng)表現(xiàn)為：當(dāng)輸入電流密度增 大到一定程度后，輸出電流密度不再隨輸入 電流增加而增加。此效應(yīng)是第二代像增強(qiáng)器 的突出優(yōu)點(diǎn)。使其具有防強(qiáng)光的特性。 產(chǎn)生自飽和效應(yīng)的主要原因是：通道內(nèi)壁上 維持二次電子發(fā)射的傳導(dǎo)電流與反向的二次 電子所形成的附加電流在輸出端附近處于抗 衡狀態(tài)，結(jié)果是輸出電流密度不再增大。？ 54 自飽和現(xiàn)象不會破壞MCP的性能，其從飽和狀 態(tài)恢復(fù)的時間小于人眼的時間常數(shù)，故不妨 礙觀察。更重要的是保護(hù)熒光屏免受強(qiáng)閃光 的破壞。 MCP中某一通道的飽和不會影響其 它鄰近

16、通道。 離子反饋的防范 特別是在MCP的輸出端，殘留氣體被電離生成 的陽離子，在工作電壓的作用下，撞向光電 陰極，即所謂的離子反饋。由此產(chǎn)生的光電 陰極發(fā)射，在熒光屏上形成所謂的離子斑。55 離子反饋破壞了MCP的線性工作特性，還影 響光電陰極的壽命。 防止措施有：提高真空度、制作斜通道、設(shè) 收集極、鍍膜。 背景噪聲 實驗表明，在典型工作條件下，背景噪聲的 等效電子輸入為10-1810-17Acm-2量值水 平，比通常光電陰極的暗發(fā)射電流密度低約 兩個數(shù)量級。故在討論像增強(qiáng)器的整個背景 噪聲時，不計MCP的背景噪聲。56 實驗表明，可以通過提高探測效率、二次電 子發(fā)射系數(shù)及入射電子碰撞通道內(nèi)壁

17、的幾率 來實現(xiàn)。可采用喇叭口的通道入口結(jié)構(gòu)，在 內(nèi)壁蒸鍍氧化鎂層以提高二次電子發(fā)射系數(shù)。 6、第三代微光夜視儀 第三代微光夜視儀的標(biāo)志是其光電陰極采用 了具有負(fù)電子親和勢的光電材料。這一變化 使像增強(qiáng)器及第三代微光夜視儀的性能發(fā)生 了更新?lián)Q代的變化。57 與之相配套的光學(xué)系統(tǒng)也發(fā)生了變化，如 采用了非求綿綿性、引入便于制造和更換 的光學(xué)塑料透鏡組件、應(yīng)用光學(xué)全息透鏡 等。 光電子發(fā)射 mvm2/2 = h - We h入射光子的能量，We材料表面逸出功。 對于半導(dǎo)體材料，We有兩部分組成： 電子由激發(fā)中心到導(dǎo)帶的最低能量；電子 由導(dǎo)帶低逸出所需的最低能量。58 電子親和勢EA：電子由導(dǎo)帶低逸出

18、所需的 最低能量。 顯然，光電子發(fā)射與EA緊密相關(guān)。而不但與 導(dǎo)帶的能級有關(guān)，還與材料表面的狀態(tài)有關(guān)。 若半導(dǎo)體表面吸附著其它元素的分子、原子 或離子，則可能形成束縛能級（稱為表面態(tài)）。 若吸附層有一定的厚度，就在表面形成施主或 受主能級，從而出現(xiàn)異質(zhì)結(jié)。這些情況都會引 起半導(dǎo)體表面區(qū)域能態(tài)的變化，影響電子的逸 出。 59 有一類半導(dǎo)體在經(jīng)特殊的表面處理，異質(zhì)結(jié) 能帶發(fā)生彎曲，可能使其導(dǎo)帶底的能級EC 高于真空能級EO。在這種情況下， 激發(fā)至 導(dǎo)帶的電子如其到達(dá)激活表面前未被復(fù)合， 就可能從材料表面逸出。顯然，這對光發(fā)射 十分有利。在這種構(gòu)思下，研制了負(fù)電子親 和勢（NEA）光電陰極。 定義有

19、效電子親和勢：EAef = EO EC 表示由能帶彎曲所得到的由導(dǎo)帶底到真空能 級之間的能量差值。60 NEA光電陰極 負(fù)電子親和勢光電陰極的理論是Simon 在1963年提出的。 Vanlaar和J.J.scheer 報道其利用砷化鎵 單晶半導(dǎo)體材料的高參雜結(jié)合表面吸附 銫層以降低表面勢壘的研究； Evans等對GaAs表面實施Cs和O2的交 替激活。 現(xiàn)已制成的負(fù)電子親和勢半導(dǎo)體材料有 兩類：61 其一是元素周期表中、族元素的化合 物單晶半導(dǎo)體；其二是硅單晶半導(dǎo)體。 二者都是通過吸附銫氧的表面來形成負(fù)電 子親和勢。 代表性的負(fù)電子親和勢光電陰極是： GaAs:Cs2O/AlGaAs 其透射

20、式工作陰極的組成為： 窗口玻璃/Si3N4/ AlGaAs/ GaAs:Cs2O 由真空界面看去： 單分子Cs2O ， GaAs 外延單晶， AlGaAs單晶層。 62 其中為光電發(fā)射體； 為生成良好的單晶 態(tài)GaAs層設(shè)置基底。 AlGaAs與GaAs之間 有良好的晶格匹配，從而有效地減小了光電 陰極后界面處受激電子的復(fù)合速率。 GaAs通過摻雜構(gòu)成p型半導(dǎo)體，先在其表面 蒸積單原子銫層，再吸附Cs2O層，而Cs2O 是n型半導(dǎo)體，其禁帶寬度為2eV，逸出功約 為0.6eV，電子親和勢約為0.4eV。 GaAs+ Cs與Cs2O接觸形成異質(zhì)結(jié)，其中p型 GaAs的禁帶寬度約為1.4eV,逸出

21、功約為 4.7eV.6364 在接觸前，左側(cè)GaAs+ Cs與右側(cè)Cs2O真空能 級應(yīng)處于相同高度。接觸后，在界面處由于 隧道效應(yīng)而發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，達(dá)到新的平衡。 平衡后，兩邊的費(fèi)米能級高度一致。由于空 間電荷的存在， p型GaAs在界面處能帶向下 彎曲，而n型Cs2O在界面處能帶向上彎曲。原 因是Cs2O的逸出功遠(yuǎn)小于GaAs的。 GaAs:Cs2O的有效電子親和勢EAef小于零。65 第三代像增強(qiáng)器 第三代像增強(qiáng)器的特點(diǎn)就是：采用負(fù)電子親 和勢光電陰極，同時利用MCP對像信號放大。 但由于砷化鎵光電陰極結(jié)構(gòu)的限制，入射端 玻璃窗必須是平板形式，故第三代像增強(qiáng)器 目前只能取雙近貼結(jié)構(gòu)。 666

22、768 量子效率高、光譜響應(yīng)寬是這種像增強(qiáng)器 的特殊優(yōu)點(diǎn)。由圖可看出，透射式砷化鎵 光電陰極比銻鉀鈉銫光電陰極靈敏度高三 倍多，且使用壽命長，光譜響應(yīng)波段明顯 向長波區(qū)延伸，同時在響應(yīng)區(qū)內(nèi)響應(yīng)值變 化很小。 負(fù)電子親和勢光電陰極的受激電子向表面 遷移的過程與一般光電陰極不同。 一般正 電子親和勢光電陰極中只有過熱電子遷移 至表面才能形成光電發(fā)射。69 過熱電子的壽命為10-1410-12s，此時受激電 子以107-108cms-1的平均速度做隨機(jī)遷移運(yùn)動， 并產(chǎn)生晶格散射，前進(jìn)的有效距離為10-20nm。 而負(fù)電子親和勢光電陰極中全部受激電子都可 參與光電發(fā)射，哪怕是處于導(dǎo)帶底部的電子， 只有

23、在沒被復(fù)合前能擴(kuò)散到表面，就可能逸出。 受激電子的壽命長達(dá)10-8 s量級，在壽命時限 內(nèi)其擴(kuò)散至表面的有效逸出深度可達(dá)1m，故 其量子效率顯著提高。70 此外，它所形成光電發(fā)射的電子大多處于導(dǎo)帶 底部，故其逸出光電子的動能分布比較集中； 另外，由于其逸出深度較大，故光電子出射角 散布也較小，其大都集中于光電陰極的法線方 向；再加上其暗電流小，所有這些都有利于降 低電子光學(xué)系統(tǒng)的像差。從而，有效地提高了 像曾強(qiáng)器的分辨力和系統(tǒng)的視距（觀察距離比 第二代提高1.5倍以上）。 71 除上述GaAs:Cs2O這種二元、族元素負(fù)電子 親和勢光電陰極外，還有多元（如三元、四元） 、族元素光電陰極（如銦鎵砷、銦砷磷等）， 它們對紅外光敏感，其長波閾值可延伸至 1.58 1.65 m，可充分利用夜光天的輻射能， 提高儀器的作用距離；還可與1.06 m波長工作 的激光器配合，制成主動-被動合一的夜視儀。 第三代夜視儀盡管其性能優(yōu)越，但它工藝復(fù)雜， 造價昂貴，能否大量使用，取決于其性能價格比。 72 7、微光夜視儀的靜態(tài)性能 像增強(qiáng)器的主要特性及性能水平 影響夜視儀整體性能的主