《光电子技术》第五章工程案例

1、光电子技术第五章工程案例第一代微光夜视仪20世纪40年代研制成功的主动式红外夜视仪是夜视器材的鼻祖，它的出现 使人类第一次看到黑暗中的目标。主动式红外夜视仪成像清晰，对比度好，但由 于需要红外光源照射，存在着能耗大，易暴露的缺点。1962年，美国人研制成功像增强器，使得夜视器材的发展产生了一个飞跃。我们平时所谓的黑夜，很少是绝对黑暗的，因为自然界总是存在着微弱的光 线，例如星月光，大气的辉光和黄道光。即使肉眼不容易察觉的星星，对地面的 照度仍然可以达到2x10负4次方勒克司。能够利用如此微弱的光线进行观测， 是因为两个技术上的重大突破。首先，研制成功了灵敏度极髙的光电阴极，既S20多碱光电阴极

2、。比以前 的光电阴极灵敏度提高了一个数量级，使得夜视仪的光电增益大大提高。另一个突破是采用了光学纤维面板。既一种由大量光导纤维组成的薄板阵列, 每根纤维传导一个像素减少了光的散射，传导效果好，由于可以将纤维的末端排 列成曲面，天然的避免了像差，大大提高了成像质量。将多个上述结构的像增强管串联起来，将光线逐级放大，使得极其微弱光线 下的图象放大到了人眼可以清晰观看的程度，便实现了无须红外照明的微光观测。越南战争时期，美国将利用级联像增强技术投入实战应用，研制成功了第一 带微光夜视仪，主要有AN/PVS-2星光镜,AN/TVS-2班组武器瞄准镜和AN/WS- 4微光观察镜。微光夜视仪的工作原理可以

3、归纳为：目标反射的微弱光线经物镜会聚后在像 增强器的阴极面上成像，逐级放大并将红外光转变为可见光，在最后一级的荧光 屏上形成有足够亮度和清晰度的图像，供使用者观察。第二代微光夜视仪微光夜视仪能耗小，但是体积仍然嫌大，越战期间，美国人又研制成了微通 道板像增强器，于是第二代微光夜视仪应运而生。有些材料具有在电子的撞击下能够发射出更多的电子的特性，60年代，材 料研究获得突破，导致了微通道板像增强器的诞生。连续型通道像增强器的原理是一根内壁涂有电子发射材料的细管子，在管子 两端的电极上加上直流电压，当电子从管子一头射入时，便在管内来回碰撞，激 发出越来越多的电子，这些电子被管壁的电压加速，并且碰撞

4、出的几何级数增加 的电子，使得管子末端出射的电子获得很髙的增益。通道电子倍增器的电子增益与管壁内的电子发射材料有关，与通道的长径比 有关，与电压有关，但与通道的大小无关，所以可以做的极小，将其并列起来组 成阵列，就可以用来传递显示图象了。单根通道的直径一般为1012微米，长500 微米，一块通道板包含数百万根通道管，既数百万像素，可以使图象的亮度增加 几千乃至上万倍。微通道的制作对工艺的要求很高。微通道板的制作方法有多种，一般采用实 芯拉制法。所制成的夜视仪像增强器有两种，一种叫做近贴式，一种叫做倒像式。近贴式微通道板像增强器将通道板放置在光电阴极和荧光屏之间。阴极发射 的电子束在电场作用下打

5、到微通道板上，经过倍增后，投射到荧光屏上成像。由 于结构的关系，这种夜视仪尺寸小，但鉴别率较低，光学增益相对小些，需附加 正像装置，又称为薄片管。倒像式微通道板像增强器，是在荧光屏前面放置微通道板，能达到几万倍以 上的光学增益，而且不用再次倒像。第二代产品比第一代有如下优点：总长度是第一代的1/3甚至更短，质量轻，使制成的夜视仪整机尺寸大大降 低。例如1970年美国步枪用AN/PVS-3微光瞄准镜比第一代长度缩短2/3,质量 减轻一半，价格降低一半，灵敏度却大幅度提高了。微通道出射的电子达到一定数量后便会饱和，所以突然出现的强光不会烧坏 夜视仪，先天具备防强光功能。中国于20世纪80年代研制成

6、功了第二代微光夜视仪，可以用做班组武器的 瞄准具，也可以单独作为观察仪器使用，具有排除强光干扰的功能。第三代和第四代微光夜视仪20世纪70年代中期，美国人在研制新的高性能光电阴极方面取得了突破, 于80年代研制出采用负电子亲和势碑化铢光电阴极的第三代像增强器，并以此 为基础研制出飞行员用夜视眼镜。第二代和第三代夜视器材目前仍是西方军队装 备的主流Q电子亲和势指的是半导体导带底部到真空能级间的能量值，它表征材料在发 生光电效应时，电子逸出材料的难易程度。电子亲和势越小，就越容易逸出。如 果电子亲和势为零或负值，则意味着电子处于随时可以脱离的状态，用电子亲和 势为负值的材料制作的光电阴极，由光子激

7、发出的电子只要能扩散到表面就能逸 出，因此灵敏度极高。神化稼正是科学家们寻找的合适材料。由于髙灵敏度负电子亲和势光电阴极制作难度大，所以目前该技术掌握在少 数发达国家手中，一些国家只能依赖进口。自从20世纪80年代以来，美国的厂商就按照美国陆军的要求，生产用于夜 视眼镜的第三代像增强管，在1998年美国陆军与利顿公司和ITT公司签订合同 之既，第三代管的性能似乎已经达到了极限，但是利顿公司在投标中抛出了杀手 铜一无膜微通道板像增强器。第三代管为了防止离子反馈损坏精致的光电阴极，都镀有一层离子障膜。利 顿公司找到了不用离子障膜而保护光电阴极的方法，在不降低夜视仪寿命的前提 下，探测距离和分辨率显

8、著提高，在非常黑的环境下更是如此。新式的夜视仪还采用了自动门控电源和无晕成像技术。可以自动控制光电阴 极电压，改善在环境光线过强或有照明的情况下的夜视效果。无晕成像可以极大 的减少由电子在像增强管的光电阴极到板的空隙中散射而引起的光晕。以上新技术的出现使得夜视仪的性能得到又一次飞跃，所以被称做第四代微 光夜视仪。CCD (Charge Coupled Device),电荷耦合器件，是一种金属一氧化物一半导 体结构的新型器件，其基本结构是一种密排的MOS电容器，能够存储由入射光 在CCD像敏单元激发出的光信息电荷，并能在适当相序的时钟脉冲驱动下，把 存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，实现自扫

9、描，完成从光信号到电信号 的转换。这种电信号通常是符合电视标准的视频信号，可在电视屏幕上复原成物 体的可见光像，也可以将信号存储在磁带机內，或输入计算机，进行图像增强、 识别、存储等处理。因此，CCD器件是一种理想的摄像器件。CCD的主要特性与真空摄像管相比，固体摄像器件有如下特点：(1) 体积小、重量轻、耗电少、启动快、寿命长和可靠性髙。（2）光谱响应范围宽。一般的CCD器件可工作在400mn-1100imi波长范 围内。最大响应约在9001UH.在紫外区，由于硅片自身的吸收，量子效率下降， 但采用背部照射减薄的CCD,工作波长极限可达lOOmiio（3）灵敏度髙。CCD具有很高的单元光量子

10、产率，正面照射的CCD的量 子产率可达20%,若采用背部照射减薄的CCD,其单元量子产率高达90%以上。 另外，CCD的暗电流很小，检测噪音也很低。因此，即使在低照度下（10-21X）, CCD也能顺利完成光电转换和信号输出。（4）动态响应范围宽。CCD的动态响应范围在4个数量级以上最高可达8 个数量级。（5）可达很髙的分辨率，线阵器件已有7000像元，可分辨最小尺寸7pm； 面阵器件己达4096像元4096像元，CCD摄像机分辨率已超过1000线以上。（6）易与微光像增强器级联耦合，能在低光条件下采集信号。（7）抗过度曝光性能。过强的光会使光敏元饱和，但不会导致芯片毁坏。基于以上特性，将CC

11、D用于微光电视系统中，不仅可以提髙系统终端显示 图象的质量，而且可以利用计算机对图像进行增强、识别、存储等操作。像增强器与CCD的耦合现在，单独的CCD器件的灵敏度虽然可以在低照度环境下工作，但要将CCD 单独应用于微光电视系统还不可能，因此，可以将微光像增强器与CCD进行耦 合，让光子在到达CCD器件之前使光子先得到增益。微光像增强器与CCD耦合 方式有三种：（1）光纤光锥耦合方式光纤光锥也是一种光纤传像器件，它一头大，另一头小，利用纤维光学传像 原理，可将微光管光纤面板荧光屏（通常，有效为18、25或30mm）输出的 经增强的图像，耦合到CCD光敏面（对角线尺寸通常是12.7mm和16.9

12、mm）上， 从而可达到微光摄像的目的。这种耦合方式的优点是荧光屏光能的利用率较高，理想情况下，仅受限于光 纤光锥的漫射透过率（60%）,缺点是：需要带光纤面板输入窗的CCD；对背照 明模式CCD的光纤耦合，有离焦和MTF下降问题；此外，光纤面板、光锥和 CCD均为若干个像素单元阵列的离散式成像元件，因而，三阵列间的几何对准 损失和光纤元件本身的疵病对最终成像质量的影响等都是值得认真考虑并予严 格对待的问题。（2）中继透镜耦合方式采用中继透镜也可将微光管的输出图像耦合到CCD输入面上，其优点是调 焦容易，成像清晰，对正面照明和背面照明的CCD均可适用；缺点是光能利用 率低区10%）,仪器尺寸稍大

13、，系统杂光干扰问题需特殊考虑和处理。（3）电子轰击式CCD,即EBCCD方式以上前两种耦合方式的共同缺点是微光摄像的总体光量子探测效率及亮度 增益损失较大，加之荧光屏发光过程中的附加噪声，使系统的信噪比特性不甚理 想。为此，人们发明了电子轰击CCD（EBCCD）,即把CCD做在微光管中，代替 原有的荧光屏，在额定工作电压下，来自光阴极的（光）电子直接轰击CCDo实验 表明，每3.5eV的电子即可在CCD势阱中产生一个电子一空穴对；10kv工作电 压下，增益达2857倍。如果采用缩小倍率电子光学倒像管（例如倍率m=0.33）, 则可进一步获得10倍的附加增益.即EBCCD的光子一电荷增益可达10

14、4以上； 而且，精心设计、加工、装调的电子光学系统，可以获得较前两种耦合方式更高 的MTF和分辨率特性，无荧光屏附加噪声。因此如果选用噪声较低的DFGA- CCD并入m=0.33的缩小倍率倒像管中，可望实现景物照度W2 10-71X光量子噪 声受限条件下的微光电视摄像。微光电视系统的核心部件是像增强器与CCD器件的耦合。中继透镜耦合方 式的耦合效率低，较少采用。光纤光锥耦合方式适用于小成像面CCD。耦合CCD器件的性能由像增强器和CCD两者决定，光谱响应和信噪比取 决于前者，暗电流、惰性、分辨力取决于后者，灵敏度则与两者有关。从微光成像的要求考虑，最主要的是要提高器件的信/噪比。为此应降低器 件噪声（即减少噪声电子数）和提高信号处理能力（即增加信号电子的数量）。可以 采用致冷CCD和电子轰击CCD两种方法。其主要目的是在输出