微光夜视技术

1、微光夜视仪技术,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。,微光夜视技术的发展以,1936,年,P.G?,rlich,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

2、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。,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,(GaA

3、s),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,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。,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：

4、,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,0.33,?,m,可见光区,0.38, 0.76,?,m,更为突出,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,地球,辐射有两部分,:,反射的太阳辐射，,峰值在,0.5,?,m,附近,;,自身的辐射,峰值约波长为,10,?,m,。夜间以,后者为主。,显然，地球自身的辐射大部分在,8,?,14,?,m,的远红,外，正好是大气的第三个窗口。,星球,贡献较小，照度为,2.2,?,10,-4,lx,，约为无月夜空光,量的,1/4,。,大气辉光,大气辉光产

5、生于地球上空约,70,?,100km,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。,其中波长为,0.752.5,?,m,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。,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,1.3,?,m,的近红外辐射。,

6、?,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。,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,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。,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

7、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。,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,?,= kE,0,(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，,

8、为,30,?,40lp/mm,故要求物镜具有很好的低,通滤波性能。,调制传递函数,调制度,可见度,M = (I,max,-I,min,)/I,tol,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,Modulation Transfer Function,如希望其在,12.5,及,25lp/mm,频率上分别有,MTF,?,0.75,及,MTF,?,0.55,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,G,L,.,相关最小光增益,Gm,?,4.33,?,10,3,/,?,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

9、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,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,-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 minMTF,i,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。,电源：,带有自控荧光屏亮度的功能，反应时间为,0.1,秒

10、。,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,(5,?,7.6mm),一致。,4,、第一代微光夜视仪,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。,此外，它可将目标倒像正立过来，并实现,10,4,量级的亮度增益，最高分辨可达,35,lp/mm,。,光纤面板：,有效传光效率总是小于,1,。约为,

11、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。,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：,(Na,2,KSb)Cs,主体：,Na,2,KSb,Na,和,K,的比例为,2:1,含少量的铯，多晶薄,膜,。,在制成透射式光电阴极时，其厚度约为,0.1,?,m,

12、表面吸附着单原子铯层。实验表明,，,光电阴极,(Na,2,KSb)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,Na,2,KSb,的,7.727,?,0.003,?,变为,(Na,2,KSb)Cs,的,7.745,?,0.004,?,。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.,实验表明，,(Na,2,KSb)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

13、的,一种（最高已达,700,?,A,?,lm,-1,),。,(Na,2,KSb)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。,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,0.9,?,m,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,-16,A,?,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

14、子,图像的电子在刚离开阴极时形成低速电流。在,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。,?,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

15、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,F,e,及电子束产生的磁场的“会聚力”,F,m,的作用。,显然，二者都与电子流的密度密切相关。,二,者的比为：,F,e,/F,m,= (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,10,4,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。,荧光屏：,常用于像增强荧光屏的材料有

16、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,?,m),沉积而得到的薄层，其厚,度稍大于颗粒直径，为,1,8,?,m,。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，,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,0.1,?,m,，,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

17、,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。,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。,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

18、可承,受的电子流为,10-200,W,mm,-2,。,?,荧光屏的保护,动态散焦法：,R = 100M,?,光照度,0.1lx,I 0.1,?,A,V,R,10V,光照度,?,10lx I,?,1,?,A V,R,?,100V,可使电子光学系统散焦。,若有强光，,I,可达,5 -,10,?,A,，,V,R,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，,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

19、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。,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：,微通道板,MCP,：,电子倍增器,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,10,3,10,4,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。

20、其内密布着,数以百万计的平行微小通道，同孔直径为,6,45,?,m;,孔间距应尽量的小，以减小,非通孔端面。当孔径为,10,12,?,m,时，空中心,距约为,12,15,?,m,。,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。,?,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。,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

21、，它具有半导电性能和较,高的二次电子发射系数。,?,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：,V,m,= 22,?,m,V,m,、,?,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。,?,自饱和效应,MCP,

22、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

23、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。,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。,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

24、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。,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,mv,m,2,/2 = h,?,-,W,e,h,?,入射光子的能量，,W,e,材料表面逸出功。,对于半导体材料，,W,e,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。,电子亲和势,E,A,：电子由导带低逸出所需的,最低能量。,显然，光电子发射与,E,

25、A,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。,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,E,C,高于真空能级,E,O,。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：,E,Aef,

26、= E,O,E,C,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。,?,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,O,2,的交,替激活。,现已制成的负电子亲和势半导体材料有,两类：,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:Cs,2,O/AlGaAs

27、,其透射式工作阴极的组成为：,窗口玻璃,/Si,3,N,4,/ AlGaAs/ GaAs:Cs,2,O,由真空界面看去：,?,单分子,Cs,2,O,，,?,GaAs,外延单晶，,?,AlGaAs,单晶层。,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,Cs,2,O,层，而,Cs,2,O,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,。

28、,GaAs+ Cs,与,Cs,2,O,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,.,在接触前，左侧,GaAs+ Cs,与右侧,Cs,2,O,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,Cs,2,O,在界面处能带向上弯曲。原,因是,Cs,2,O,的逸出功远小于,GaAs,的。,GaAs:Cs,2,O,的有效电子亲和势,E,Aef,小于零。,?,第三代像增强器,第三代像增强器的特点就是：采用负电子

29、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。,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。,过热电子的寿命为,10,-14,10,-12,s,，此时受激电,子以,10,7,-10,8,cm,s,

30、-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,-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,1,?,m,，故其量子效率显著提高。,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）。,除上述,GaAs:Cs,2,O,这种二元,、