微光夜视技术剖析课件

微光夜视仪技术微光夜视仪技术1

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。

一、简介2

微光夜视技术的发展以1936年P.Görlich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，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。

微光夜视技术的发展以1936年P.Görlich发明3

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.VanLaar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公司研制出利用GaAs负电子亲和势光电阴极62年出现了微通道电子倍增器，70年研制出4

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。与MCP技术的成像器件（薄片管），把微光夜视仪5

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光波范围0.3~3m

可见光区0.38

~0.76m更为突出

二、黑天辐射基础6微光夜视技术剖析课件7

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

月亮8

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。

地球9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。

显然，地球自身的辐射大部分在814m的远红10

星球贡献较小，照度为2.210-4lx，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。星球11其中波长为0.75~2.5m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。

其中波长为12微光夜视技术剖析课件13

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。2、黑天辐射的特点14

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%后三项的散射光10%

3、夜天辐射产生的景物亮度

无月时各辐射的比例为：15微光夜视技术剖析课件16三、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(10-5lx)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。三、微光夜视仪概论17

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。微弱自然光由目标表面反射进入夜视仪；18

2、对各部件的技术要求物镜：⑴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)。⑵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´)4E--轴外像点照度k---渐晕系数⑶由于一般像增强器极限空间分辨力不高，2、对各部件的技术要求19为3040lp/mm,故要求物镜具有很好的低通滤波性能。为3040lp/mm,故要求物镜具有很好的低20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。MTF—ModulationTransferFunction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:

⑴要求像增强器具有足够高的亮度增益GL.调制传递函数21

相关最小光增益Gm4.33103/2--人眼暗适应时量子效率--目镜倍率⑵像增强器响应度应尽量高。⑶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。⑷由于自然热发射等因素，像增强器总相关最小光增益Gm4.33103/222

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照度值。此值叫等效背景照度(EBI).通常为10-7lx数量级。⑸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<min{MTFi}频率传递性能也包含了对光阴极中央区域空间分辨力的要求。会产生噪声。噪声在荧光屏上产生与之23

电源：带有自控荧光屏亮度的功能，反应时间为0.1秒。

目镜：除具有放大作用外，其目镜出瞳直径与人眼微光下的瞳孔直径(57.6mm)一致。

4、第一代微光夜视仪

电源：24微光夜视技术剖析课件25微光夜视技术剖析课件26

单级像增强器的亮度增益通常只有50-100，太低不能用于军事。故采用多级串联的方式。以满足几万倍的光增益要求。

光纤面板耦合结构：入射、出射窗口均用光纤面板做成单级像增强器，将它首尾相接耦合，构成现常用的光纤面板耦合三级级联式像增强器，即第一代像增强器。在此，光纤面板可将球面像转换为平面像而完成级间耦合。

单级像增强器的亮度增益通常只有50-100，27

此外，它可将目标倒像正立过来，并实现104量级的亮度增益，最高分辨可达35lp/mm。

光纤面板：有效传光效率总是小于1。约为50%-60%.根据需要，光纤面板端面可制成平面或凹球面。其平-凹球面型面板可用于准球对称电子光学系统。光纤面板可分为普通的、变放大率的锥形光纤面板及其转像作用的扭像光纤面板。此外，它可将目标倒像正立过来，并实现28以光纤面板之间的光学接触直接耦合传像，可提高传递图像的导光效率；提供了采用准球对称电子光学系统的可能性，有利于改善像质。若采用锥形光纤面板，则可改变传像的倍率（放大或缩小）；采用扭像光纤面板可实现转像。

多碱光电阴极：化学组分：(Na2KSb)Cs主体：Na2KSbNa和K的比例为2:1,含少量的铯，多晶薄膜。以光纤面板之间的光学接触直接耦合传像，29在制成透射式光电阴极时，其厚度约为0.1m,表面吸附着单原子铯层。实验表明，光电阴极(Na2KSb)Cs中的铯含量高于单原子铯层的需要量，这表明铯的作用不仅局限于表面效应，而且有体效应特征。铯的引入使晶格常数由原来Na2KSb的7.7270.003Å变为(Na2KSb)Cs的7.7450.004Å。有利于在晶格中引入更多的锑，使p型参杂浓度增加，导致表面能带进一步下弯，降低电子亲和势。由光电发射的长波阈可推算出电子亲和势约为0.55eV.在制成透射式光电阴极时，其厚度约为0.1m,30

实验表明，(Na2KSb)Cs光电阴极属p型半导体材料。在具有正电子亲和势的光电阴极中，多碱光电阴极是光电灵敏度最高的一种（最高已达700A⋅lm-1)。(Na2KSb)Cs光阴极有多种类型。改进的多碱光电阴极其厚度略有增加，故可有效地利用光吸收特性。由于其光吸收系数随波长增大而变小，故可借厚度的调整来改善其光谱响应特性。

实验表明，(Na2KSb)Cs光电阴极属p型半31

例如：在有效逸出深度允许的范围内增加光电阴极的厚度，可以提高其对长波段的光谱响应，把光电阴极的长波阈延伸至0.9m以上，且积分灵敏度显著提高，电子亲和势降至0.3eV.这类阴极在常温下热发射电流很小，约10-16A⋅cm-2,电阻率较低，故可允许较大的发射电流密度。

电子透镜：光电阴极将目标图像变为电子图像。构成电子图像的电子在刚离开阴极时形成低速电流。在

例如：在有效逸出深度允许的范围内增加光电32

外加的静电场或电磁复合场的作用下，电子流被强烈的加速和聚焦，以很大的能量撞击荧光屏，形成可见光图像。由于这些电磁场对于电子束的作用与光学透镜对可见光的作用一样，故称产生电磁场的装置叫电子光学系统，也称电子透镜。电子透镜分为双平面近贴型、电磁复合聚焦型和准球对称型三种。

双平面近贴型：光电阴极为物面，荧光屏为像面，其间距小且为平面。两者间加有均匀静电场。外加的静电场或电磁复合场的作用下，电33电磁复合聚焦型：与相同，只是在电场方向又加以均匀磁场。准球对称型：理想的球对称型静电电子透镜系由球面光阴极和球形阳极组成，二者为同心球面，形成中心对称型电场。一般采用开孔阳极，使聚焦电子得以通过。故称准球对称型电子透镜。在电子束中，电子受到电子间的相互排斥力Fe,及电子束产生的磁场的“会聚力”Fm的作用。电磁复合聚焦型：与相同，只是在电34

显然，二者都与电子流的密度密切相关。二者的比为：Fe/Fm=(c/v)2由此式可知，因总有c>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。显然，二者都与电子流的密度密切相关。35

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ZnS•CdS:Ag荧光屏的底层是以这类晶态磷光体微细颗粒(直径为1～５m)沉积而得到的薄层，其厚度稍大于颗粒直径，为1～8m。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，荧光屏：36

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。

但有碍于荧光的有效射出。37

ZnS•CdS: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。

ZnS•CdS:Ag为黄绿光荧光屏，其光谱分布38例：800m距离处的穿甲弹爆炸，可在夜视仪荧光屏上产生约500W·mm-2的功率密度，屏温可达500-1000°C。一般荧光屏可承受的电子流为10-200W·mm-2。

荧光屏的保护动态散焦法：R=100M光照度<0.1lxI<0.1AVR<10V例：800m距离处的穿甲弹爆炸，可在夜视仪39光照度10lxI1AVR100V

可使电子光学系统散焦。若有强光，I可达5-10A，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，从而保护荧屏。

电阻降压法：R--几百兆光电流增大，光照度10lxI1AVR40

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。

R上压降增大，供给像增强器的工作电压随41

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：5、第二代微光夜视仪42

微通道板MCP：电子倍增器微通道板MCP：43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103～104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6～45m;孔间距应尽量的小，以减小微通道板能对二维空间分布的电子束实现44

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。非通孔端面。当孔径为10～12m时，空中心45

二次电子发射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。二次电子发射46

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。为使通道内壁具有良好的二次电子发射特性，47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

电流增益48

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。Vm、m分别为最佳工作电压和最佳长径比。49

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。？？

自饱和效应50

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。自饱和现象不会破坏MCP的性能，其从饱和状51

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10-18～10-17A•cm-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。离子反馈破坏了MCP的线性工作特性，还影52

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。实验表明，可以通过提高探测效率、二次电53

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。与之相配套的光学系统也发生了变化，如54

电子亲和势EA：电子由导带低逸出所需的最低能量。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。

电子亲和势EA：电子由导带低逸出所需的55

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。有一类半导体在经特殊的表面处理，异质结56

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：NEA光电阴极57

其一是元素周期表中Ⅲ、Ⅴ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。

其一是元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合58

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,逸出功约为4.7eV.其中为光电发射体；为生成良好的单晶59微光夜视技术剖析课件60

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。在接触前，左侧GaAs+Cs与右侧Cs2O真空能61

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。第三代像增强器62微光夜视技术剖析课件63

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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。量子效率高、光谱响应宽是这种像增强器65

过热电子的寿命为10-14～10-12s，此时受激电子以107-108cm·s-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10-8s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。过热电子的寿命为10-14～10-12s，此时受激电66

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）。

此外，它所形成光电发射的电子大多处于导带67

除上述GaAs:Cs2O这种二元Ⅲ、Ⅴ族元素负电子亲和势光电阴极外，还有多元（如三元、四元）

Ⅲ、Ⅴ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1.58～1.65m，可充分利用夜光天的辐射能，提高仪器的作用距离；还可与1.06m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。

除上述GaAs:Cs2O这种二元Ⅲ、Ⅴ族元素负电子68

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要参数：亮度增益、等效背景照度、响应度、像增强器的放大倍率、分辨率、极限分辨率及光阴极的有效直径。

7、微光夜视仪的静态性能69微光夜视技术剖析课件70微光夜视技术剖析课件71微光夜视仪的光学性能实际上夜视仪就是带有像增强器的望远镜，故它具有与普通望远镜相应的主要光学性能。这包括：视放大率、极限分辨角、视场角、物镜相对孔径D0/f0´、目镜、出瞳直径D´、出瞳距离lz´。

微光夜视技术剖析课件72

8、微光夜视仪的总体设计与视距估算

微光夜视仪的助视作用其原因可归纳如下：ⅰ其物镜如瞳孔径比人眼瞳孔大得多，而系统所捕获的光子数按二者比值的平方规律迅速增加，从而有力的增大了信息量。ⅱ光电阴极的量子效率远高于人眼暗适应条件下的量子效率。

8、微光夜视仪的总体设计与视距估算73ⅲ系统将目标图像增强至适于人眼观察的程度，避免了人眼在弱光条件下的一系列视觉缺陷（如分辨力的急剧下降，对比度灵敏阈的增大、部分动态信息的丢失）。ⅳ利用了望远镜的助视功能，使视距增大，分辨力增强。ⅴ借助光电阴极向长波段延伸的光谱响应特性，把裸眼不能感知的部分近红外辐射信息利用起来。ⅲ系统将目标图像增强至适于人眼观察的程74总体设计设计步骤：

ⅰ、按仪器用途、视距要求及成本造价等选择像增强器。ⅱ、以据初步选定的像增强器技术指标、系统要求的观察等级及视距等条件，初步拟定物镜、目镜等光学系统参数，如焦距、相对孔径、系统视场角等。ⅲ、全系统外形尺寸计算及整体布局设计。ⅴ、修改设计，使总体性能达到预期状态。

总体设计75视距估算视距—最远观察距离或极限观察距离。由于观察距离与观察等级密切相关，故视距估计应按指定的观察等级进行。

ⅰ、基本公式d=f´HNc/nd估算的距离f´物镜的焦距

H目标的高度Nc阴极极限分辨力

n观察等级所要求的线对数视距估算76

ⅱ、不计大气影响时的视距估算ⅲ、大气的影响ⅴ、考虑大气影响时的视距估算

ⅱ、不计大气影响时的视距估算77微光夜视仪技术微光夜视仪技术78

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。

一、简介79

微光夜视技术的发展以1936年P.Görlich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，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。

微光夜视技术的发展以1936年P.Görlich发明80

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.VanLaar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公司研制出利用GaAs负电子亲和势光电阴极62年出现了微通道电子倍增器，70年研制出81

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。与MCP技术的成像器件（薄片管），把微光夜视仪82

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光波范围0.3~3m

可见光区0.38

~0.76m更为突出

二、黑天辐射基础83微光夜视技术剖析课件84

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

月亮85

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。

地球86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。

显然，地球自身的辐射大部分在814m的远红87

星球贡献较小，照度为2.210-4lx，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。星球88其中波长为0.75~2.5m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。

其中波长为89微光夜视技术剖析课件90

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。2、黑天辐射的特点91

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%后三项的散射光10%

3、夜天辐射产生的景物亮度

无月时各辐射的比例为：92微光夜视技术剖析课件93三、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(10-5lx)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。三、微光夜视仪概论94

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。微弱自然光由目标表面反射进入夜视仪；95

2、对各部件的技术要求物镜：⑴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)。⑵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´)4E--轴外像点照度k---渐晕系数⑶由于一般像增强器极限空间分辨力不高，2、对各部件的技术要求96为3040lp/mm,故要求物镜具有很好的低通滤波性能。为3040lp/mm,故要求物镜具有很好的低97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。MTF—ModulationTransferFunction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:

⑴要求像增强器具有足够高的亮度增益GL.调制传递函数98

相关最小光增益Gm4.33103/2--人眼暗适应时量子效率--目镜倍率⑵像增强器响应度应尽量高。⑶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。⑷由于自然热发射等因素，像增强器总相关最小光增益Gm4.33103/299

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照度值。此值叫等效背景照度(EBI).通常为10-7lx数量级。⑸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<min{MTFi}频率传递性能也包含了对光阴极中央区域空间分辨力的要求。会产生噪声。噪声在荧光屏上产生与之100

电源：带有自控荧光屏亮度的功能，反应时间为0.1秒。

目镜：除具有放大作用外，其目镜出瞳直径与人眼微光下的瞳孔直径(57.6mm)一致。

4、第一代微光夜视仪

电源：101微光夜视技术剖析课件102微光夜视技术剖析课件103

单级像增强器的亮度增益通常只有50-100，太低不能用于军事。故采用多级串联的方式。以满足几万倍的光增益要求。

光纤面板耦合结构：入射、出射窗口均用光纤面板做成单级像增强器，将它首尾相接耦合，构成现常用的光纤面板耦合三级级联式像增强器，即第一代像增强器。在此，光纤面板可将球面像转换为平面像而完成级间耦合。

单级像增强器的亮度增益通常只有50-100，104

此外，它可将目标倒像正立过来，并实现104量级的亮度增益，最高分辨可达35lp/mm。

光纤面板：有效传光效率总是小于1。约为50%-60%.根据需要，光纤面板端面可制成平面或凹球面。其平-凹球面型面板可用于准球对称电子光学系统。光纤面板可分为普通的、变放大率的锥形光纤面板及其转像作用的扭像光纤面板。此外，它可将目标倒像正立过来，并实现105以光纤面板之间的光学接触直接耦合传像，可提高传递图像的导光效率；提供了采用准球对称电子光学系统的可能性，有利于改善像质。若采用锥形光纤面板，则可改变传像的倍率（放大或缩小）；采用扭像光纤面板可实现转像。

多碱光电阴极：化学组分：(Na2KSb)Cs主体：Na2KSbNa和K的比例为2:1,含少量的铯，多晶薄膜。以光纤面板之间的光学接触直接耦合传像，106在制成透射式光电阴极时，其厚度约为0.1m,表面吸附着单原子铯层。实验表明，光电阴极(Na2KSb)Cs中的铯含量高于单原子铯层的需要量，这表明铯的作用不仅局限于表面效应，而且有体效应特征。铯的引入使晶格常数由原来Na2KSb的7.7270.003Å变为(Na2KSb)Cs的7.7450.004Å。有利于在晶格中引入更多的锑，使p型参杂浓度增加，导致表面能带进一步下弯，降低电子亲和势。由光电发射的长波阈可推算出电子亲和势约为0.55eV.在制成透射式光电阴极时，其厚度约为0.1m,107

实验表明，(Na2KSb)Cs光电阴极属p型半导体材料。在具有正电子亲和势的光电阴极中，多碱光电阴极是光电灵敏度最高的一种（最高已达700A⋅lm-1)。(Na2KSb)Cs光阴极有多种类型。改进的多碱光电阴极其厚度略有增加，故可有效地利用光吸收特性。由于其光吸收系数随波长增大而变小，故可借厚度的调整来改善其光谱响应特性。

实验表明，(Na2KSb)Cs光电阴极属p型半108

例如：在有效逸出深度允许的范围内增加光电阴极的厚度，可以提高其对长波段的光谱响应，把光电阴极的长波阈延伸至0.9m以上，且积分灵敏度显著提高，电子亲和势降至0.3eV.这类阴极在常温下热发射电流很小，约10-16A⋅cm-2,电阻率较低，故可允许较大的发射电流密度。

电子透镜：光电阴极将目标图像变为电子图像。构成电子图像的电子在刚离开阴极时形成低速电流。在

例如：在有效逸出深度允许的范围内增加光电109

外加的静电场或电磁复合场的作用下，电子流被强烈的加速和聚焦，以很大的能量撞击荧光屏，形成可见光图像。由于这些电磁场对于电子束的作用与光学透镜对可见光的作用一样，故称产生电磁场的装置叫电子光学系统，也称电子透镜。电子透镜分为双平面近贴型、电磁复合聚焦型和准球对称型三种。

双平面近贴型：光电阴极为物面，荧光屏为像面，其间距小且为平面。两者间加有均匀静电场。外加的静电场或电磁复合场的作用下，电110电磁复合聚焦型：与相同，只是在电场方向又加以均匀磁场。准球对称型：理想的球对称型静电电子透镜系由球面光阴极和球形阳极组成，二者为同心球面，形成中心对称型电场。一般采用开孔阳极，使聚焦电子得以通过。故称准球对称型电子透镜。在电子束中，电子受到电子间的相互排斥力Fe,及电子束产生的磁场的“会聚力”Fm的作用。电磁复合聚焦型：与相同，只是在电111

显然，二者都与电子流的密度密切相关。二者的比为：Fe/Fm=(c/v)2由此式可知，因总有c>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。显然，二者都与电子流的密度密切相关。112

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ZnS•CdS:Ag荧光屏的底层是以这类晶态磷光体微细颗粒(直径为1～５m)沉积而得到的薄层，其厚度稍大于颗粒直径，为1～8m。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，荧光屏：113

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。

但有碍于荧光的有效射出。114

ZnS•CdS: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。

ZnS•CdS:Ag为黄绿光荧光屏，其光谱分布115例：800m距离处的穿甲弹爆炸，可在夜视仪荧光屏上产生约500W·mm-2的功率密度，屏温可达500-1000°C。一般荧光屏可承受的电子流为10-200W·mm-2。

荧光屏的保护动态散焦法：R=100M光照度<0.1lxI<0.1AVR<10V例：800m距离处的穿甲弹爆炸，可在夜视仪116光照度10lxI1AVR100V

可使电子光学系统散焦。若有强光，I可达5-10A，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，从而保护荧屏。

电阻降压法：R--几百兆光电流增大，光照度10lxI1AVR117

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。

R上压降增大，供给像增强器的工作电压随118

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：5、第二代微光夜视仪119

微通道板MCP：电子倍增器微通道板MCP：120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103～104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6～45m;孔间距应尽量的小，以减小微通道板能对二维空间分布的电子束实现121

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。非通孔端面。当孔径为10～12m时，空中心122

二次电子发射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。二次电子发射123

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。为使通道内壁具有良好的二次电子发射特性，124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

电流增益125

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。Vm、m分别为最佳工作电压和最佳长径比。126

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。？？

自饱和效应127

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。自饱和现象不会破坏MCP的性能，其从饱和状128

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10-18～10-17A•cm-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。离子反馈破坏了MCP的线性工作特性，还影129

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。实验表明，可以通过提高探测效率、二次电130

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。与之相配套的光学系统也发生了变化，如131

电子亲和势EA：电子由导带低逸出所需的最低能量。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。

电子亲和势EA：电子由导带低逸出所需的132

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。有一类半导体在经特殊的表面处理，异质结133

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：NEA光电阴极134

其一是元素周期表中Ⅲ、Ⅴ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。

其一是元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合135

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