微光夜视技术

1、微光夜视仪技术1夜视仪效果图2 一、简介 微光夜视技术致力于探索夜间和其它低光照度 时目标图像信息的获取、转换、增强、记录和 显示。它的成就集中表现为使人眼视觉在时域、 空间和频域的有效扩展。 在军事上，微光夜视技术已实用于夜间侦查、 瞄准、车辆驾驶、光电火控和其它战场作业， 并可与红外、激光、雷达等技术结合，组成完 整的光电侦查、测量和警告系统。 3 微光夜视技术的发展以1936年P.Grlich发明 锑铯(Sb-Cs)光电阴极为标志。A.H.Sommer1955 年发明了锑钾钠铯(Sb-K-Na-Cs)多碱光电阴极 (S-20)，使微光夜视技术进入实质性发展阶段。 1958年光纤面板问世，

2、加之当时荧光粉性能的 提高，为光纤面板耦合的像增强器奠定了基础。 62年美国研制出这种三级及联式像增强器，并 以次为核心部件制成第一代微光夜视仪，即所 谓的“星光镜”AN/PVS-2,并用于越战。 4 62年出现了微通道电子倍增器，70年研制出 了实用电子倍增器件MCP-微通道板像增强器， 并在此基础上研制了第二代微光夜视仪。 70年代发展起来的高灵敏度摄像管与MCP像增 强器耦合，制成了性能更好的微光摄像管和 微光电视。82年英军在马岛战争中使用，取 得了预期的夜战效果。 65年J.Van Laar 和J.J.Scheer制成了世界上第 一个砷化镓(GaAs)光电阴极。79年美国ITT 公司

3、研制出利用GaAs负电子亲和势光电阴极5 与MCP技术的成像器件（薄片管），把微光夜视仪 推进到第三代，工作波段也向长波延伸。 60年代研制出的电子轰击硅靶(EBS)摄像管和 二次电子电导(SEC)摄像管与像增强器耦合产生 第一代微光摄像管。 80年代以来，由于电荷耦合器件(CCD)的发展， 不断涌现新的微光摄像器件。像增强器通过光纤 面板与CCD耦合，做成了固态自扫描微光摄像 组件，和以它为核心的新型微光电视。6 二、黑天辐射基础 黑天辐射来自于太阳、地球、月亮、星球、 云层、大气等自然辐射源。 1、自然辐射 太阳 直径：1391200公里 辐射类似于色温为5900K的黑体辐射 辐射之地表的

4、光波范围0.33m 可见光区0.38 0.76m更为突出 78 月亮 辐射有两部分:反射太阳的辐射;自身辐射. 月亮自身辐射与色温为400K的黑体辐射相似 910 地球 辐射有两部分:反射的太阳辐射，峰值在 0.5m 附近;自身的辐射,峰值约波长为10m。夜间以后者为主。 11显然，地球自身的辐射大部分在814m的远红外，正好是大气的第三个窗口。 12 星球 贡献较小，照度为2.210-4 lx，约为无月夜空光 量的1/4。 大气辉光 大气辉光产生于地球上空约70100km高度的大 气层中，是夜天辐射的重要组成部分，约占无 月夜天光的40%。 阳光中的紫外辐射在高层大气中激发原子，并 与分子发

5、生低频率的碰撞，是产生大气辉光的 主要原因。表现为原子钠、原子氢、分子氧、 氢氧根离子等成分的发射。 13其中波长为0.752.5m的红外辐射则主要来自氢氧根离子的气辉，它比其它已知的气辉发射约强1000倍。 1415 2、黑天辐射的特点特点： 夜天辐射除可见光外，还包含丰富的近 红外辐射。且无月星空天近红外辐射为 主要成分。故伟光也是技术必须充分考 虑这一点，有效利用波长延伸至1.3m 的近红外辐射。 有月和无月夜天辐射的光谱分布相差较 大，满月月光的强度比星光高出约 100倍。 16 无月时各辐射的比例为： 星光及其散射光 30% 大气辉光 40% 黄道光 15% 银河光 5% 后三项的散

6、射光 10% 3、夜天辐射产生的景物亮度 1718 三、微光夜视仪概论 以像增强器为核心部件的微光夜视器材称 之为微光夜视仪。它使人类能在极低照度 (10-5 lx)条件下有效地获取景物图像的信 息。 1、组成与原理 主要部件：强光力物镜、像增强器、 目镜和电源。 从原理上看，微光夜视仪是带有像增强 器的特殊望远镜。19 微弱自然光由目标表面反射进入夜视仪； 在强光力物镜作用下聚焦于像增强器的光 阴极面（与物镜后焦面重合），即发出电 子；光电子在像增强器内部电子光学系统 的作用下被加速、聚焦、成像，以及高速 度轰击像增强器的荧光屏，激发出足够强 的可见光，从而把一个被微弱自然光照明 的远方目标

7、变成适于人眼观察的可见光图 像，经目镜的进一步放大，实现有效地目 视观察。20 2、对各部件的技术要求物镜： 为使像面有足够的照度，物镜应有尽可 能大的像对孔径(D/f)。 为了像增强器阴极上目标图像照度均匀， 轴外物点的光线应尽量多地参与成像， 从而要求物镜的渐晕系数尽可能大。 E = kE0(cos )4 E -轴外像点照度 k-渐晕系数 由于一般像增强器极限空间分辨力不高，21 为3040lp/mm,故要求物镜具有很好的低 通滤波性能。22 调制传递函数 调制度可见度 M = (Imax-Imin)/Itol 调制度传递因子与空间频率的函数关系 称为调制传递函数。 MTFModulati

8、on Transfer Function 如希望其在12.5及25lp/mm频率上分别有 MTF0.75及MTF0.55的对比传递特性. 像增强器: 要求像增强器具有足够高的亮度增益GL.23 相关最小光增益 Gm 4.33103/2 -人眼暗适应时量子效率 -目镜倍率 像增强器响应度应尽量高。 良好的光谱匹配是像增强器能有效工 作的必要条件。这是指：光阴极光谱 响应与自然微光辐射光谱的匹配、荧 光屏辐射光谱与人眼光谱响应的匹配、 前级荧光屏与后级光阴极的光谱匹配 等。 由于自然热发射等因素，像增强器总24 会产生噪声。噪声在荧光屏上产生与之 相对应的背景亮度，从而限制了像增强 器可探测的最小

9、照度值。此值叫等效背 景照度(EBI). 通常为 10-7 lx数量级。 频率传递性能应尽量好。作为一种低通 滤波器，像增强器的传递特性可用MTF 曲线来描述。 MTF v,故电子束总是 趋于“发散”，使电子透镜系统不能实现理想 的“聚焦”，即存在所谓的电子透镜的像差。 例：加速电压 104伏，则电子速度为 0.2c, 两力的比为25。 由于电子透镜系统与电子流密度无关，且由 于库伦力本身的性质，使得电子光学系统不 可能消除这种像差。373839 荧光屏： 常用于像增强荧光屏的材料有两种： 以硫化锌为基质参银激活的ZnS:Ag 以硫化锌镉为基质参银激活的ZnSCdS:Ag 荧光屏的底层是以这类

10、晶态磷光体微细颗粒 (直径为 1m)沉积而得到的薄层，其厚 度稍大于颗粒直径，为 18m。显然，颗 粒越细则图像分辨率越高，但发光效率就 越低。一般取颗粒直径与底层厚度相近。 底层厚度大有利于对入射电子的吸收，40 但有碍于荧光的有效射出。 荧光屏的表面附有一层铝膜，厚度为0.1m， 覆盖在荧光粉上。其作用有三： 防止荧光反馈到光电阴极。 把光反射到输出方向上。 保证荧光屏形成等电位面。 在不透光的前提下，铝膜应尽量的薄。在充 有氩气状态下蒸镀的铝膜为黑色膜，有利于 改善输出图像的对比度。 41 ZnSCdS:Ag为黄绿光荧光屏，其光谱分布 与人眼视觉特性匹配较好，故适用于目视。 它具有中短余

11、辉和较高的发光效率(15cd/W)。 ZnS:Ag为蓝光荧光屏，适于摄影， 3cd/W。 强光保护： 强闪光被夜视仪物镜聚焦，会产生很强的光阴 极发射，从而造成光阴极发生疲劳性损伤，或 永久性破坏。此外，光电子密度过大时，荧光 屏会出现过热现象，易烧毁荧光材料。 42 例：800m距离处的穿甲弹爆炸，可在夜视仪 荧光屏上产生约 500Wmm-2 的功率密度， 屏温可达500-1000C。一般荧光屏可承 受的电子流为10-200Wmm-2。 荧光屏的保护 动态散焦法： R = 100M 光照度0.1lx I 0.1A VR 1000V, 破坏成像效果，电子束的广泛弥散使其到达 荧屏时密度下降，

12、从而保护荧屏。 电阻降压法： R -几百兆 光电流增大，44 R上压降增大，供给像增强器的工作电压随 之变小，对光电流的增大趋势产生抑制。 光阴极的保护 电阻降压法实际上也起着保护光阴极的作用。 当R上压降增大，供给像增强器的工作电压 随之变小，使光阴极发射的电子不能被有效 的加速，则它们滞留在阴极区形成一个负电 荷阻挡区，阻碍阴极光电子的发射，从而保 证阴极不会产生疲劳发射和过量发射。 45 5、第二代微光夜视仪 与第一代的根本区别在于微通道板(MCP) 在像增强器中的应用。 微通道板像增强器：46 微通道板MCP： 电子倍增器47 微通道板能对二维空间分布的电子束实现 电子数倍增。其增益为

13、103104数量级。 它的特点是：增益高、噪声低、频带宽、 功耗小、寿命长、分辨率高且有自饱和效 应 。 微通道板由含铅、铋等氧化物的硅酸盐玻 璃制成 ，是厚度为毫米级的薄板。其厚度 取决于微通道直径与长径比。其内密布着 数以百万计的平行微小通道，同孔直径为 645m;孔间距应尽量的小，以减小48 非通孔端面。当孔径为10 12m时，空中心 距约为12 15m。 一般通孔面积应占截面积的55% 80%。 长度与孔径之比的典型值为40 50。 板两端镀有镍层，作为电极。在入端面镀有 Al2O3薄膜，以防离子反馈轰击光电阴极。 膜厚为3nm,其允许动能大于120eV的电子穿过。49 二次电子发射

14、出射电子数与入射电子数之比称为二次电 子发射系数，即电子倍增系数。50 为使通道内壁具有良好的二次电子发射特性， 通常进行烧氢处理高温下被氢还原的铅原 子分散在玻璃表面，它具有半导电性能和较 高的二次电子发射系数。51 电流增益MCP的增益定义为输出与输入电流密度之比。电流增益Gn与通道长径比的关系：Vm = 22m 52 Vm 、m分别为最佳工作电压和最佳长径比。 为提高增益，MCP输入端应具有尽量大的 开口面积比。通孔面积与总截面积之比叫 微通道板的探测效率。有时通道采用喇叭 形入射口，可使比值达80%。 MCP参数的设定：首先依据空间分辨率要 求确定通道直径；再按工作电压确定最佳 长径比

15、m；然后选定MCP的厚度。这样不 但可获得最佳增益，而且可获得较高的增 益均匀性。53 自饱和效应 MCP的自饱和效应表现为：当输入电流密度增 大到一定程度后，输出电流密度不再随输入 电流增加而增加。此效应是第二代像增强器 的突出优点。使其具有防强光的特性。 产生自饱和效应的主要原因是：通道内壁上 维持二次电子发射的传导电流与反向的二次 电子所形成的附加电流在输出端附近处于抗 衡状态，结果是输出电流密度不再增大。？ 54 自饱和现象不会破坏MCP的性能，其从饱和状 态恢复的时间小于人眼的时间常数，故不妨 碍观察。更重要的是保护荧光屏免受强闪光 的破坏。 MCP中某一通道的饱和不会影响其 它邻近

16、通道。 离子反馈的防范 特别是在MCP的输出端，残留气体被电离生成 的阳离子，在工作电压的作用下，撞向光电 阴极，即所谓的离子反馈。由此产生的光电 阴极发射，在荧光屏上形成所谓的离子斑。55 离子反馈破坏了MCP的线性工作特性，还影 响光电阴极的寿命。 防止措施有：提高真空度、制作斜通道、设 收集极、镀膜。 背景噪声 实验表明，在典型工作条件下，背景噪声的 等效电子输入为10-1810-17Acm-2量值水 平，比通常光电阴极的暗发射电流密度低约 两个数量级。故在讨论像增强器的整个背景 噪声时，不计MCP的背景噪声。56 实验表明，可以通过提高探测效率、二次电 子发射系数及入射电子碰撞通道内壁

17、的几率 来实现。可采用喇叭口的通道入口结构，在 内壁蒸镀氧化镁层以提高二次电子发射系数。 6、第三代微光夜视仪 第三代微光夜视仪的标志是其光电阴极采用 了具有负电子亲和势的光电材料。这一变化 使像增强器及第三代微光夜视仪的性能发生 了更新换代的变化。57 与之相配套的光学系统也发生了变化，如 采用了非求绵绵性、引入便于制造和更换 的光学塑料透镜组件、应用光学全息透镜 等。 光电子发射 mvm2/2 = h - We h入射光子的能量，We材料表面逸出功。 对于半导体材料，We有两部分组成： 电子由激发中心到导带的最低能量；电子 由导带低逸出所需的最低能量。58 电子亲和势EA：电子由导带低逸出

18、所需的 最低能量。 显然，光电子发射与EA紧密相关。而不但与 导带的能级有关，还与材料表面的状态有关。 若半导体表面吸附着其它元素的分子、原子 或离子，则可能形成束缚能级（称为表面态）。 若吸附层有一定的厚度，就在表面形成施主或 受主能级，从而出现异质结。这些情况都会引 起半导体表面区域能态的变化，影响电子的逸 出。 59 有一类半导体在经特殊的表面处理，异质结 能带发生弯曲，可能使其导带底的能级EC 高于真空能级EO。在这种情况下， 激发至 导带的电子如其到达激活表面前未被复合， 就可能从材料表面逸出。显然，这对光发射 十分有利。在这种构思下，研制了负电子亲 和势（NEA）光电阴极。 定义有

19、效电子亲和势：EAef = EO EC 表示由能带弯曲所得到的由导带底到真空能 级之间的能量差值。60 NEA光电阴极 负电子亲和势光电阴极的理论是Simon 在1963年提出的。 Vanlaar和J.J.scheer 报道其利用砷化镓 单晶半导体材料的高参杂结合表面吸附 铯层以降低表面势垒的研究； Evans等对GaAs表面实施Cs和O2的交 替激活。 现已制成的负电子亲和势半导体材料有 两类：61 其一是元素周期表中、族元素的化合 物单晶半导体；其二是硅单晶半导体。 二者都是通过吸附铯氧的表面来形成负电 子亲和势。 代表性的负电子亲和势光电阴极是： GaAs:Cs2O/AlGaAs 其透射

20、式工作阴极的组成为： 窗口玻璃/Si3N4/ AlGaAs/ GaAs:Cs2O 由真空界面看去： 单分子Cs2O ， GaAs 外延单晶， AlGaAs单晶层。 62 其中为光电发射体； 为生成良好的单晶 态GaAs层设置基底。 AlGaAs与GaAs之间 有良好的晶格匹配，从而有效地减小了光电 阴极后界面处受激电子的复合速率。 GaAs通过掺杂构成p型半导体，先在其表面 蒸积单原子铯层，再吸附Cs2O层，而Cs2O 是n型半导体，其禁带宽度为2eV，逸出功约 为0.6eV，电子亲和势约为0.4eV。 GaAs+ Cs与Cs2O接触形成异质结，其中p型 GaAs的禁带宽度约为1.4eV,逸出

21、功约为 4.7eV.6364 在接触前，左侧GaAs+ Cs与右侧Cs2O真空能 级应处于相同高度。接触后，在界面处由于 隧道效应而发生电荷转移，达到新的平衡。 平衡后，两边的费米能级高度一致。由于空 间电荷的存在， p型GaAs在界面处能带向下 弯曲，而n型Cs2O在界面处能带向上弯曲。原 因是Cs2O的逸出功远小于GaAs的。 GaAs:Cs2O的有效电子亲和势EAef小于零。65 第三代像增强器 第三代像增强器的特点就是：采用负电子亲 和势光电阴极，同时利用MCP对像信号放大。 但由于砷化镓光电阴极结构的限制，入射端 玻璃窗必须是平板形式，故第三代像增强器 目前只能取双近贴结构。 666

22、768 量子效率高、光谱响应宽是这种像增强器 的特殊优点。由图可看出，透射式砷化镓 光电阴极比锑钾钠铯光电阴极灵敏度高三 倍多，且使用寿命长，光谱响应波段明显 向长波区延伸，同时在响应区内响应值变 化很小。 负电子亲和势光电阴极的受激电子向表面 迁移的过程与一般光电阴极不同。 一般正 电子亲和势光电阴极中只有过热电子迁移 至表面才能形成光电发射。69 过热电子的寿命为10-1410-12s，此时受激电 子以107-108cms-1的平均速度做随机迁移运动， 并产生晶格散射，前进的有效距离为10-20nm。 而负电子亲和势光电阴极中全部受激电子都可 参与光电发射，哪怕是处于导带底部的电子， 只有

23、在没被复合前能扩散到表面，就可能逸出。 受激电子的寿命长达10-8 s量级，在寿命时限 内其扩散至表面的有效逸出深度可达1m，故 其量子效率显著提高。70 此外，它所形成光电发射的电子大多处于导带 底部，故其逸出光电子的动能分布比较集中； 另外，由于其逸出深度较大，故光电子出射角 散布也较小，其大都集中于光电阴极的法线方 向；再加上其暗电流小，所有这些都有利于降 低电子光学系统的像差。从而，有效地提高了 像曾强器的分辨力和系统的视距（观察距离比 第二代提高1.5倍以上）。 71 除上述GaAs:Cs2O这种二元、族元素负电子 亲和势光电阴极外，还有多元（如三元、四元） 、族元素光电阴极（如铟镓砷、铟砷磷等）， 它们对红外光敏感，其长波阈值可延伸至 1.58 1.65 m，可充分利用夜光天的辐射能， 提高仪器的作用距离；还可与1.06 m波长工作 的激光器配合，制成主动-被动合一的夜视仪。 第三代夜视仪尽管其性能优越，但它工艺复杂， 造价昂贵，能否大量使用，取决于其性能价格比。 72 7、微光夜视仪的静态性能 像增强器的主要特性及性能水平 影响夜视仪整体性能的主