《光电子成像技术》-4

4.1引言与传统的光学成像器件(例如人眼视神经和感光胶片化学反应)的机制不同，所谓“光电子成像器件”，是特指那些能够把输入光子图像首先变为电信号(电流、电压)、然后再经倍增、处理和显示为图像的成像器件，它可进而划分为基于光阴极外光电效应的真空光电子(VPF)成像器件和基于半导体探测器内光电效应的固体光电子(SPF)成像器件。真空光电子成像(VPE)器件包括直视器件和视频器件两大类：前者通常由光阴极、MCP、荧光屏、电子透镜和集成高压电源组成，它们的功能及工作机理分别是：下一页返回4.1引言(1)光阴极——半导体外光电效应，变输入光子图像为光电子图像(包括X光、紫外光、可见光和红外光等波段)；(2)MCP——微通道电子倍增器，使输入光电子图像倍增100~1000以上；(3)荧光屏——基于电致发光机理，使高能电子转换为可见光荧光图像；(4)电子透镜——基于电磁场理论，可控制电子束的偏转和聚焦；(5)集成高压电源——提供器件各级工作电压。上一页下一页返回4.1引言真空光电子成像器件的另一种类型是微光视频器件，如真空摄像管、像增强ICCD或电子轰击EBCCD等。它们除了微光像增强作用外，还可以通过扫描电子输出(摄像管)或CCD输出视频图像。上述电子光学系统起着控制电子偏转、聚焦和获得高能量的重要作用，它又分为近贴聚焦、静电聚焦和电磁聚焦三大系统。目前，常见的真空光电子成像器件有近20种不同类别的产品，如果以光电子信息载体为主线、以三种电子光学系统为框架，以光阴极、倍增器、荧光屏及信号读出器等为构件，则可勾问出一幅真空光电子成系像列产品的辐射分布图(图4-1)。概括起来，光电子成像器件可分成以下8大类：上一页下一页返回4.1引言①主流产品是具有强烈军事需求背景的第0代、第I代、第II代、第III代和第代IV代微光像增强器及其视频器件；②ICCD——像增强型CCD(ICCD)；③EBCCD——电子轰击型CCD(EBCCD)；④SSA固体阵列成像器件；⑤MAMA管——多阳极阵列位敏器件；⑥条纹管——高速摄影器件(第15章)；⑦MCP——微通道板电子倍增器；⑧PMT——光电倍增管。上一页下一页返回4.1引言本章在简要回顾真空光电子成像器件的发展动态和趋势后，重点阐述它们的工作原理、特性参数、典型结构及其应用背景，最后对当前最先进的第四代微光像增强器的灵敏度、分辨率和信噪比的极限性能，进行必要的分析和预期。本章要点：VPF成像器件分类特点和发展动态VPF成像器件原理、功能和结构双近贴聚焦像像增强器极限性能估算VPF成像器件及部件物理基拙VPF成像器件特性参数上一页返回4.2真空光电子成像器件

技术发展动态强烈的军事需求始终是各类微光像增强器技术更新换代的主要推动力，也是引领整个光电子成像器件产业不断发展的技术源泉。人们知道，作为各类军事装备的眼睛，先进的夜视器材是部队取得夜战胜利的必不可少的技术手段，它的灵敏度、分辨率、信噪比等性能直接关系到作战双方是谁能在更远的距离上，或在更高一层的图像分辨档次(探测、识别、辨认)上提前发现对方和歼灭对方的大问题。因此，先进夜视装备的研发一直受到各发达国家的高度重视和支持，发展异常迅速，从20世纪30年代的第零代夜视器件(Ag-O-Cs红外线变像管十红外探照灯)开始，先后经过微光第一代、二代、超二代、三代、高性能三代、超三代和四代微光等7个发展阶段。下一页返回4.2真空光电子成像器件

技术发展动态使微光器件的光阴极灵敏度(μA/lm)和分辨力(lp/mm)等性能，从标准三代微光(800~1000；32)，迅速提高到高性能三代微光(l200~1500；22)、超三代微光(1500~1800；60)和四代微光水平(2000~3000；60~90)。此外，微光成像器件的光谱响应范围已向蓝绿光、紫外光及近红外波段打展，红外热像增强器、微光光子图像计数器和GaAs光阴极高速摄影条纹像管等特种微光成像器件已研制成功并得到应用。各代微光成像器件的技术特点、主要性能和发明等数据见表4-1。微光视频器件，又名微光摄像器件，是一种能一并实现微光图像光电转换、电荷存储和扫描读取三个物理过程的器件，由于它与现代电视技术兼容，易于图像处理、存储和传送等优点，受到人们普遍青睐，发展也异常迅速。上一页下一页返回先后出现的能微光摄像的真空摄像器件有视像管(Vidicon、Plumbicon、Newvicon和Saticon)、超正摄像管(ImageOrthicon、返束视像管(RBV)、硅靶摄像管(Si-Vidicon)和像增强硅靶摄像管(SIT或SEM)；近20年来，由于大规模和超大规模集成电路技术的成熟和工业化，使CCD的性能提高，成本下降，加上其体积小、质量轻、易操作、启动快和寿命长等优点，使得目前在微光摄像技术领域占主流的产品是像增强CCD(或叫ICCD)、电子轰击CCD(或叫EBCCD)，目前还出现了全固态的微光摄像器件叫半导体雪崩电子倍增CCD，简称FMCCD。不过其最小可工作照度和响应速度目前还不及ICCD，更不及EBCCD。EBCCD是用背照明CCD代替像增强器中的荧光屏而做成的微光摄像器件，它兼顾了亮度增益高和固有噪声小的双重优点，是目前灵敏度最高、读出噪声最小的微光视频器件，不过其工艺较复杂、成品率不高，其生产效费比较低等问题还有待解决和提高。上一页返回4.2真空光电子成像器件

技术发展动态真空光电子成像器件的工作原理涉及以下四个基本物理机制：即光阴极的半导体外光电效应、微通道板的二次电子发射机理、荧光屏的电光转换特性、光纤传像元件的光全反射原理和电子光学系统的成像规律等。4.3.1半导体外光电效应和光阴极光阴极是各类像管(变像管、像增强器、条纹像管和EBCCD)的前级传感器，承担着将输入光子图像变换为相应时空分布的光电子图像的关键任务。光阴极的工作原理主要基于半导体的外光电效应，主要特性参数有光谱响应范围及其长波限和短波限、积分灵敏度、光谱灵敏度和暗发射等。下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础1.光阴极分类光阴极的类别，若按其材料的物理特征，可分为多晶型(如Ag-O-Cs、Sb-K-Na-Cs和CsTe)光阴极和单晶型(如GaAsIII-V族半导体晶体)光阴极；若按其光谱响应范围，可分为紫外、可见、近红外及X线光阴极；若按光电发射机理，可分为正电子亲和势PFA(如多碱)光阴极和负电子亲和势NFA(如GaAs等)光阴极；若按其工作模式分，可分为透射式光阴极和反射式光阴极。2.光阴极光电发射机理光阴极的光电发射基于半导体的外光电效应，图4-2(a)和图4-2(b)分别是多碱正电子亲和势(PFA)光阴极和GaAs负电子亲和势(NFA)光阴极的能带模型图。它们的光电子发射机理可用有名的Spice3步过程及5个环节子以描述。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础(1)光子吸收和电子受激过程。光子被光阴极材料部分吸收(环节l)，使其满带中的电子受到激发，跃迁到高于真空能级的高能态上(环节2)。显然，吸收光子数愈多，受激的电子数愈多，进一步产生光电子数就愈多，这一步是光阴极实现线性光电转换的基础。(2)电子输运过程(环节3)。受激电子在半导体内受载流子浓度梯度扩散场及在外加漂移场的作用，向真空界面(前向)运动。参与这一过程的有三股电子流：前向输运电流、经后界面反射而返回的前向输运电流和漂移电流。由于材料中存在缺陷、后界面存在应力，以及缺乏适当漂移场等原因，都会使最后参与实际光电子发射的效率减小。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础(3)电子逸出过程。当输运至真空界面的受激电子所剩余的能量足以克服半导体的表面位皇(图中的EA电子亲和势，环节4)，或者存在极强收集电场、形成部分场致发射时(环节5)，这些受激电子就会逸入真空，形成正比于输入光子流强度的光电子流。这里，正电子亲和势(PEA)指的是光电子发射的真空能级高于光阴极表面导带能级，“门槛”一电子亲和势EA为正，多碱光阴极等正属于此列；相反，对于类似GaAs等负电子亲和势(NEA)光阴极，其光电子发射的真空能级低于光阴极表面导带能级，“门槛”一电子亲和势EA为负，这样，有助于光电子逸出，这是，NEA光阴极比PEA光阴极量子效率高的重要原因之一。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础以珍惜每一个光子和光电子为指导思想，以尽可能提高上述三个过程、五个环节的量子效率为技术途径，是构成各类宽光谱、高灵敏度光阴极创新性研究和开发活动的主要特色。3.典型实用光阴极性能简表一些常见光阴极的材料特征、光谱响应范围、量子效率、积分灵敏度等参数见表4-2。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础4.3.2光电倍增管和微通道板电子倍增原理1.真空光电子图像倍增器分类用于真空光电子图像倍增的元器件主要有微通道板(MCP)电子倍增器和带雪崩式内电子倍增的固体列阵器件等；在旱期的天文自适应光学波前传感器应用中，常把多个光电倍增管PMT捆绑起来成为一个面阵探测器；在现代医学CT诊断仪器中，常把一些高档的PMT沿与多个辐射源(X线、Y线)对称位置上，一一对应配置，通过计算机处理构建三维可视化图像。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础2.固体二次电子发射机理当一束具有足够能量的电子、正离子、紫外光子、X线光子轰击固体表面、与其中的原子相互作用时，会发生弹性碰撞和非弹性碰撞两种物理过程，从而诱生弹性反射电子、特征反射电子、俄歇电子和二次发射电子。人们正是利用了某些二次发射系数远大于1的固体材料，研制成光电倍增管和微通道板，来实现真空电子倍增的功能，表4-3给出了一些材料的二次发射系数δ值。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础3.微通道板电子倍增器工作原理图4-3和图4-4分别是光电倍增管(PMT)和微通道板(MCP)电子倍增器的结构原理示意图。PMT由光阴极、多级分离式的δ≥1的打拿极和阳极收集极组成，靠外加直流高压电源分压供电。输入光子通过光阴极光电转换为光电子，被电子光学电极聚焦，轰击处于附近的第一个打拿极，非弹性碰撞出更多的二次电子(δ≥1)，在外界逐渐升高的分压电场驱使下，逐级倍增，图中显示1~10级倍增，最后通过阳极(图中第11级)输出，获得放大了δ倍的光电流，这是PMT工作的基本原理。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础图4-4所示的MCP的电子倍增过程与上述PMT机理完全相同，只是单通道被数以几十万至百万根空毖的微通道所代替；外加的高压分压电源的分压功能靠各微通道自身的连续欧姆电阻分段提供。这样，就构成了一个小巧的二维成像电子倍增器件，它在真空光电子成像器件技术发展中起到了里程碑式的作用，同时在宇航等领域应用中，可把高能离子、X线光子或紫外光子直接转换为光电子图像，表4-4列出了MCP对各类辐射的量子探测效率的实测数据。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础4.3.3光纤光学成像元件1.光纤光学成像元件分类用于真空光电子成像器件中的光纤光学成像元件包括1：1传像的光纤面板、1：1/m，缩小像(m缩小倍率)的光纤光锥和能使图像旋转180°的光纤扭像器。2.光纤元件光学全反射成像原理纤维光学(光纤)成像元件是由单钟直径为3~10μm、数以百万计的光导纤维制成的大面积阵列式无源传像元件。每根光导纤维由高折射率(n1)的芯料玻璃，外面包上一层低折射率的皮料玻璃，为了防止光纤丝芯之间的串光降低传像的衬度，玻璃皮皮料外表面涂有吸光层。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础纤维光学传像元件基于光学的全反射原理，如图4-5所示。光导纤维的芯料折射率(n1)高于皮料的折射率(n2)，即，n1>n2，根据光学全反射原理，当入射角向小于全反射临界角时，全部光线只能在芯料中1独立地传递，相互之间无串光。每根光导纤维就是一个传光像元，大量光导纤维排列压制在一起，然后经过选钟、排钟、压棒、切片、磨抛等工艺，最终制成的光学元件，构成可传递二维图像的光学元件。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础3.光纤元件的应用(1)用于各类微光像增强器上的光纤面板有：双平面面板(双近贴管)和一面为平面、另一面为球面的面板(倒像管中，以适应球面电子光学的要求)；(2)光纤扭像器用来把双近贴微光管荧光屏的输出图像扭转180°；(3)在像增强ICCD中，光纤光锥用来把荧光屏的图像按照一定比例缩小耦合到CCD上；(4)把很多根光纤两头一对一排列捆绑起来，加上前端物镜和末端放大镜，做成各种医用内窥镜。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础4.3.4电致发光显示器件——荧光屏本书第六章将对各类新型显示技术作全面详细的介绍。本节只对真空光电子成像器件中应用的电致发光荧光屏的若干特殊问题作必要的说明。1.显示器件分类图像显示基于各类电子能级跃迁发光机理。根据发光过程中激励电子跃迁的能源不同，可把发光过程分为光致发光、场致发光、电致发光、等离子体发光、化学发光和磁致发光等。利用这些发光机理做成的显示器件有：上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础(1)电子束显示器件(电致发光原理，如像管、CRT及其他电子束器件中的荧光屏等)；(2)平板显示器件(如场致发光显示板、等离子体发光显示板和液晶显示板等)；(3)大屏幕显示器件(如光阀显示、激光显示和投影管显示等)；(4)立体显示器件(如双目视差再现和全息摄影显示等)。此外，还有专门用来显示数字符号的数字显示器件(如发光二极管数显器、气体放电数显器和荧光数码管等)。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础2.电致发光荧光屏工作原理我们知道，物质由原子组成，原子中的电子受外界能量(这里是高能电子)激发，可以由低能态跃迁到高能态，然后又落回到某一(或原来的)能态上，即会以电磁辐射的形式向外输出能量。若输出的电磁辐射在可见光波段，且与激发源辐射几乎同时存在、同时消失，则此类发光称为“荧光”(fluorescence)；如果受激后发光还能持续很长时间，则称其为“磷光”(phosphorescence)。真空光电子成像器件中用的荧光屏基于前一种发光机理。荧光屏的典型结构图2-6(a)所示，它的衬底是透明玻璃或光纤面板，通过沉淀、电泳、刷涂、蒸发或晶体生长等手段，在衬底上沉积一层电致发光荧光粉层，粉的粒度一般小于或等于10μm，粉层上再蒸镀上有厚为100nm左右的铝膜，起导电膜、反光膜和反离子反馈膜三重作用。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础荧光屏电致发光的物理过程如图4-6(b)能带图所示：在荧光粉原子的禁带中，存在有与所发荧光相关的局部能态(级)，叫“发光中心”。这些局部能态来源于荧光粉物质中的激活剂原子，它们通常是人为加进纯单晶中去的。这种掺杂可以是间隙杂质原子，也可以由某一原子空位而形成。一般讲，有电子占据的发光中心称为基态；末被占据的高能级，称为受激态。受外界能激发源激发，荧光粉原子中的电子由基态跃迁到受激态能级上，然后再落回到基态或较低的能态上，伴随着能量损失而会产生荧光。外界激发源有电子、X光、紫外光或波长较荧光波长短的其他光辐射。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础在不同场合应用的荧光屏有近百种，其主要特性是发光效率(lm/W)，例如，像管中常用的P20荧光屏，在12~15kV工作电压下，其荧光转换效率为700~1000；发光效率为80~100lm/W；荧光屏的另一个重要特性是它们的余晖，分三类：短余晖屏(μs级，例如，用于飞点扫描的P26屏和微光管中的P20屏)、中余晖屏(ms级，例如用于电视机的P53，P55及P56屏)和长余晖屏(≥100ms级，例如低帧索速带光笔显T的屏)。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础4.3.5电子光学透镜成像原理1.电子光学透镜分类电子光学(EO)系统是真空光电子成像器件的骨架和电子导向机构，它可分为三类。(1)近贴聚焦系统，例如，用于二代、三代微光管，以及薄片型的X线、紫外线像管近贴EO系统；(2)倒像管聚焦系统，例如，用于一代、二代微光倒像管、变倍管和高速摄影像管条纹管的EO系统；(3)电磁复合聚焦系统，例如，用于不波管、真空摄像管、高速摄影条纹管的EO系统。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础2.电子光学透镜成像一般原理电子光学成像原理与人们比较熟悉的光学成像原理具有一定可类比性：与光学元件能使输入光线(光子束)发生偏转(反射镜或棱镜)、聚焦(凸透镜)、发散(凹透镜)、滤波(光学薄膜)作用类似，真空中的电子同样可以用电子光学元件来实现对输入电子束的加速、偏转、反射、聚焦成像或选通成像等功能。现在，让我们回顾一下一束光线是如何被一个玻璃介质(凸透镜)改变方向和聚焦成像的。设物面发出的是一束频率为γ、速度为ν且沿x方向传播的平面波：上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础在一个复折射系数的介质(例如光学玻璃)中，光波的传播速度与其在真空中的传播速度将按v=c/nx的关系发生减慢下来(nc>l)的变化，所以将此式代入式(4-l)中，得出上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础值得关注的是，式(4-2)中的三个指数式分别表达了各自不同的物理意义：第1个代表了输入谐波；第三个代表了光波强度在该介质中传递二距离后被吸收的份额；第2个是该光波在入射点的位相，它直接决定了光波的传播方向，而且与n/c，即该介质(例如光学玻璃)的折射率有关。各点位相的空间分布构建了传播光束的波阵面。根据电磁波传播的麦克斯韦方程，可以证明：上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础由式(4-5a)可知nx=ε1/2，又根据光学反射和折射率定律(见图4-7)可知可见，光学玻璃介质的折射率(介电常数)决定了光线偏离原来方向角度的大小。光学系统设计人员根据上述基本公式，利用平面镜(或棱镜)使光线偏转一定角度[式(4-6)]利用曲面(凸透镜或凹透镜)使光线沿着既定的方向发生会聚或发散[式(4-7)]。利用多块光学元件组成的光学系统，实现物一像点点对应的光学成像过程。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础类似地，电子光学透镜构建的电磁场也会形成一层层连续的电子波阵面—等位面，电子沿着垂直于等位面的方向，会聚于像面相应的位置上。事实上，运用电子光学原理可以证明，对一无限薄的电偶极层，若其两侧为等位空间，电位分别为φ1和φ2，则对非垂直入射到偶极层介面的电子，其入射角：.和出射角：也满足与类似于光学成像的电子光学折射定律：上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础十分明显，对静电场√φ起着折射率的作用，叫电子光学折射率。对不均匀静电场，可以看成无穷多个等位面，在整个场区内，折射定律处处都成立。因此，电场的等位面就是静电透镜的折射面。在普遍情况下，即既有电场又有磁场(复合场)的情况下，电子光学折射率μ的表达式为式中：S0——电子运动方向、即电子轨迹切线方向的单位矢量；A——电子所在位置的磁矢量。上一页下一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础该式表明，电磁场电子光学折射率与电子运动方向有关，相当于光学中各向异性介质；而纯电场的折射率与电子运动方向无关，与光线光学中各向同性介质类似，电子轨迹具有可逆性。常见的静电场真空光电子成像器件一微光像增强器有近贴聚焦型(薄片管)和倒像型(倒像管)两种电子光学系统，它们的静电场电位分布和电子运动方向如图4-8所示。上一页返回4.3真空光电子成像功能

部件物理基础4.4.1真空光电子成像器件工作原理微光像增强器是真空光电子(VPE)成像器件的典型代表，它通常由光阴极、电子透镜、MCP电子倍增器、荧光屏和高压电源等部件组成，如图4-9所示。光阴极通过其外光电效应把输入光子图像成比例地转换为光电子图像，这些光电子从外加电源获取能量、并受电子光学透镜聚焦(偏转)，以较高能量直接轰击(或先通过MCP电子倍增再轰击)荧光屏，电致发光转换为亮度得到上万倍增强的可见光图像。器件两端的光纤面板借助其光全反射原理传递光学图像，同时，其内壁与金属锥电极(及筒电极)共同组成为同心球电子透镜，完成电子图像(倒立像)成像功能。如果光阴极/MCP/荧光屏彼此近贴配置，则构成为双近贴电子光学(薄片管)系统，所成像为直立像。倒像管和薄片管两种管体构成微光像增强器的主体结构形式。下一页返回4.4真空光电子成像器件原理、

功能和结构微光像增强器的输出图像可以通过目镜(放大镜)直接提供给人眼进行观察，叫微光直视器件；也可以通过中继透镜或光纤光锥耦合到CCD输入面上，构成像增强ICCD；如果把CCD代替像管中的荧光屏，则可以制成一种先进的电子轰击CCD器件，或叫EHCCD。ICCD和EHCCD共同构成为真空光电子(VPE)视频成像器件，或简称为微光电视器件。最近几年出现的全固态微光CCD，利用信号读出前的电子雪崩效应实现微光电视成像，叫内电子倍增式CCD，或叫FMCCD。虽然目前它在灵敏度、读出噪声、分辨率和动态范围诸方面还不如上述VPF微光视频器件，但是其发展异常迅速，前景可观。上一页下一页返回4.4真空光电子成像器件原理、

功能和结构4.4.2真空光电子成像器件四大功能(1)光谱转换功能。采用不同光谱响应的光阴极可分别制成对高能辐射，X线、紫外线、可见光、近红外，甚至中远红外辐射图像敏感的光电子成像器件。例如，X线管、紫外像管和红外变相管等。(2)亮度增强功能。利用多级微光管级联或MCP电子倍增，可以把微光图像增强至50倍(单级一代管)、103~104倍(三级级联一代管、MCP二代管、MCP三代管)和106~107倍(2块~3块MCP级联光子计数像管)。上一页下一页返回4.4真空光电子成像器件原理、

功能和结构(3)高速摄影功能。利用真空光电子易于被电子光学透镜偏转、聚焦和加速的特点，实现对瞬态过程的高速摄影和摄像，时间分辨率可以达到ns级、ps级和fs级，例如，高速摄影条纹管等。(4)电视传像功能。利用上述ICCD、EHCCD等VPF视频器件，可以实现微光图像数字化，进而易于图像处理、存储、远距离传输和控制。例如，当今已问世的微光/红外图像融合夜视仪及数字化、网络化夜视头盔等。上一页下一页返回4.4真空光电子成像器件原理、

功能和结构4.4.3真空光电子成像器件典型结构1.三级级联一代微光倒像管(一代管)如图4-10所示，由三级一代静电聚焦微光管级联而成，其主要技术特点是：(1)多碱(Sb-K-Na-Cs)光阴极，灵敏度)225μA/lm；(2)光阴极/荧光屏双球面组成同心球电子透镜，形成倒像，分辨率)25lp/mm，可加电极对阴极电子束进行选通；(3)单管两端为光纤面板，易于多级级联传像，分管筛选，提高了制管成品率；噪声系数较小；(4)缺点：体积/质量较大，强光光晕现象严重。上一页下一页返回4.4真空光电子成像器件原理、

功能和结构2.二代微光倒像管(二代倒像管)如图4-11所示，其主要技术特点是：(1)MCP引入倒像管中，相当于三级级联一代微光管增益，长度缩小2/3，质量大为减轻同时，MCP的电流饱和特性，有利于抑制强光电晕现象，打大了实战下夜视实用性；(2)光阴极/MCP静电聚焦，倒像；MCP/荧光屏近贴聚焦；(3)多碱光阴极，灵敏度225~250μA/lm；分辨率≥42Ip/mm，亮度增益≥104cd/m2/1x。上一页下一页返回4.4真空光电子成像器件原理、

功能和结构3.二代近贴聚焦微光管(二代MCY薄片管)其结构与后面介绍的三代近贴微光管类似，其主要技术特点是：(1)在以上MCP像管优点基础上，进一步缩小体积和质量；(2)光阴极/MCP/荧光屏双近贴聚焦，阴极/管体热锢封，光纤扭像器荧光屏，改倒立像为正立像；(3)多碱光阴极，灵敏度225~250μA/lm；分辨率≥22Ip/mm，亮度增益≥104cd/m2/lx；(4)超二代管：在以上技术基础上，发明并应用了多碱光阴极准单晶薄膜沉积工艺，灵敏度提高到500~800μA/lm；分辨率提高到60lp/mm以上。上一页下一页返回4.4真空光电子成像器件原理、

功能和结构4.三代微光近贴像管(三代管、四代管等，图4-12)(1)用负电子亲和势(NEA)晶体GaAs光阴极代替正电子亲和势(PEA)多晶Sb-K-Na-C、光阴极，使灵敏度大幅度提升：800(三代)，l800(超三代)和>2000µA/Im(四代)；(2)光阴极/MCP/荧光屏双冷锢封、双近贴聚焦薄片管结构，分辨率：32~60(三代)、>60(超三代)和64~90lp/mm(四代)；(3)为延长器件寿命，MCP前表面蒸镀A12O3防离子反馈膜，但也牺牲了一定器件的信噪比；若采用专用的无膜MCP，达到同样长的器件寿命，有人把这类无膜MCPGaAs光阴极器件也定义为四代管；(4)为延长寿命、抑制强光光晕，需专用门控电源，按照环境照度连续可调脉冲占空比，实现24h智能选通兼容工作。上一页下一页返回4.4真空光电子成像器件原理、

功能和结构5.杂交型微光像增强器(杂交管)(1)将第=代(或第二代)微光近贴管与一级一代微光倒像管级联(杂交)，可以兼顾高光阴极灵敏度、高增益(>105)、低噪声和高输出亮度之需要，从而可使夜视仪工作于更低的输入光照度下。(2)可做成高质量电子快门，响应时间快(<10-9s)，适用于微光(或快速瞬变)现象的高速摄影中。上一页下一页返回4.4真空光电子成像器件原理、

功能和结构6.像增强CCD(ICCD)微光视频器件(图4-13)(1)两种耦合方式：中继透镜耦合方式(图4-l3(a))和光纤光锥耦合方式(图4-13(b))。(2)中继透镜耦合方式的优点是调焦容易，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(<5%)，仪器尺寸稍大，系统杂光干扰问题需特殊考虑和处理。(3)光纤光锥耦合方式的优点是耦合光能利用率较高，仅受限于光纤光锥的漫射透过率(>60%)，缺点是需带光纤面板输入窗的CCD；对背照明CCD的光锥耦合，存在离焦和MTF下降问题；此外，光纤面板、光锥和CCD均为阵列式离散成像元件，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均有影响，需做令门设计处理。上一页下一页返回4.4真空光电子成像器件原理、

功能和结构7.电子轰击CCD(EBCCD)微光视频器件以上两种耦合方式的共同缺点是对输入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，采用电子轰击CCD(EBCCD)结构，如图4-14所示，即把CCD代替像管中的荧光屏，让来自光阴极的高能光电子直接轰击CCD，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的光子一电荷总增益达104以上；而且，精心设计、加工和装调的电子光学系统，可获得较前两种耦合方式更高的MTF和分辨率特性。上一页下一页返回4.4真空光电子成像器件原理、

功能和结构8.多阳极阵列真空成像器件(MAMA管)(1)制冷型CCD，ICCD和FHCD均可用作光子计数成像器件(详见本书第十四章)。另一类光子计数探测成像器件是多阳极微通道板阵列(MAMA)系统，它已应用于天体和空间技术研究中。(2)如图4-15所示，MAMA管的工作原理是：来自光阴极的微弱光电子图像轰击无膜弯曲MCP，经电子倍增，输入到两层正交排列的结构精细多阳极阵列中，通过一定数量输出电路、放大器、甄别电路和数字逻辑电路，唯一地确定出代表目标走向的光电子百的精确位置坐标。上一页下一页返回4.4真空光电子成像器件原理、

功能和结构9.楔条形阵列阳极近贴管Y线位敏探测器(见图4-16)这是一种目前最为先进的用于深空等离子体、X线分布探测的电荷耦合多阳极位敏光子计数视频器件(简称CCMM管)，其中，用几块MCP(微通道板)直接作为光电子转换器(量子效率10%~60%)和电子倍增器(>100)，制作成图像单光子计数器。图中从左至右依次是目标(Y线或X线)辐射源、双块MCP、楔条形阵列阳极、管外耦合的面阵电荷放大器及信号采集卡和图像处理软件等单元。其工作原理与一般像增强器不同的地方是，用楔条形阵列阳极代替像管荧光屏；与FHCCD和真空多阳极MAMA管不同的是，管外的面阵电荷放大器代替了管内的CCD或多阳极阵列。靠对输出电荷二维空间分布的解算和可视化显示，提供被探测目标的空间动态位置信息。这种器件已用于美国航空航天局(NASA)拍摄地球外层空间等离子体图像。上一页下一页返回4.4真空光电子成像器件原理、

功能和结构这种器件相比于其他位敏器件(电阻阳极、游标阳极、延迟线阳极及交叉线阳极)，其主要技术特点是极短波长响应(Y线、X线)、高空间分辨率(150pm)、极低噪声(<0.4计数s-1cm-2)和快响应速度(<ms级)，而且管外耦合、结构简单，性价比高，是航天星空Y线、X线探测成像及制导武器的先进的核心器件。这种器件用以解算输入电子百的空间(X，Y)位置(见图4-16)依据以下公式：式中：QW，QS和QZ分别是从楔条阵列阳极中的W，S，Z三种电极收集的电荷。上一页返回4.4真空光电子成像器件原理、

功能和结构4.5.1真空光电子成像器件特性参数分类真空光电子成像器件有30余项特性参数，可归纳为四大类：(1)几何尺寸：光阴极有效直径、荧光屏有效直径、器件外形尺寸等。(2)光电转换增益特性：光阴极积分灵敏度、辐射(光谱)灵敏度、亮度增益、最大输出亮度和亮度自动增益控制(ABC)范围等。(3)对比度传递特性(空间及时间频谱)：鉴别率、MTF、低照度、低对比度鉴别率、TTF(时间传递函数)、荧光屏余晖和等效空间频率带宽等。(4)信噪比传递特性：信噪比、等效背景输入照度、固定图案噪声、噪声因子和暗计数以下，仅就器件的灵敏度、分辨率和信噪比等主要特性，分别给子说明。下一页返回4.5真空光电子成像器件特性参数4.5.2真空光电子成像器件特性参数(1)光阴极量子效率(%)式中：η(λ)是波长的函数，它又叫光阴极量子效率光谱分布。在光阴极光谱响应范围内，光子波长愈长，吸收率愈小，光子注入深度愈长；反之，短波光子多被吸收于光阴极后界面附近。上一页下一页返回4.5真空光电子成像器件特性参数(2)光阴极长波限λf和短波限λs(μm)。由图4-2可知，光阴极的长波限按以下公式由其禁带宽度Eg和表面电子亲和势EA，予以估算光阴极的短波限决定于其衬底材料(包括透射窗材料及阴极体材料)的短波吸收限。长波限与短波限之差λf-λs，决定了该光阴极的光谱响应范围。上一页下一页返回4.5真空光电子成像器件特性参数(3)光阴极积分灵敏度S(μA/lm)。在色温为2856K的标准光源照射和收集阳极处于饱和工作电压条件下，光阴极每接收单位光通量(1lm)所产生的光电流，被定义为该光阴极的积分灵敏度，单位为μA/lm。它与η(λ)、λf和λs间的关系由下式给出式中：ω(λ)——2856K标准光源辐射通量光谱分布；V(λ)——人眼明视觉视见函数光谱分布，683lm/W为其峰值波长处(0.555μm)辐射通量一光通量转换系数。上一页下一页返回4.5真空光电子成像器件特性参数(4)光阴极暗电流密度id(A/cm2)及像管等效背景输入照度Ed(lx)。光阴极暗电流密度：被定义为无光照时从处于饱和工作电压下收集极测得的光阴极电流、除以光阴极面积(A/cm2)。像管的等效背景输入照度Ed被定义为无光照时测得的荧光屏输出亮度除以器件亮度增益(lx)。(5)荧光屏发光效率ηρ(%或lm/W)。定义方法1：单位输入电子功率产生的荧光输出光通量，叫“发光效率”(lm/W)；定义方法2：荧光输出强度(光子数)与输入辐射强度(电子或光子)数之比，叫“荧光转换效率”(%)。上一页下一页返回4.5真空光电子成像器件特性参数(6)荧光屏余晖τ(s)。余晖是指激发源中断后，荧光强度由I0降至10%I0时的时间间隔。(7)荧光屏荧光光谱。通常用峰值波长和CIE色度坐标给出，或者用其辐射光谱分布来表征一种荧光粉的光谱特性。(8)亮度增益以GB(cd/m2/lx)。在标准光源照明和额定器件工作电压下，荧光屏输出亮度(cd/m2)与光阴极输入照度之比，被定义为该器件的亮度增益。(9)调制传递函数MTF(%)。数学上，把成像器件的OTF(光学传递函数)定义为其点打展函数的傅里叶变换，经归一化后，它的振幅及位相与频率之间的关系，分别称为振幅调制传递函数(MTF)和位相传递函数(PTF)。上一页下一页返回4.5真空光电子成像器件特性参数物理上，成像器件的MTF等于其输出调制度与输入调制度之比，对于由i(i=1，2，…，i)级线性级联的光电子成像器件，有MTF是VPF成像器件的重要特性之一，有三种取值方法：①通过VPF成像器件MTF仪测量获取MTF的实测数据；②通过经验公式，估算VPF成像器件、部件的MTF，即上一页下一页返回4.5真空光电子成像器件特性参数式中：从代表M(N)为e-1时的空间频率(lp/mm)，n代表器(部)件指数，其值在1.1~2.1之间，视具体的器(部)件类型而定，图4-17给出了若干VPF成像器件和荧光屏NC和n值分布范围。例如，三级级联一代微光管，由图查得，n=1.6，NC=18lp/mm，则其MTF的经验公式为上一页下一页返回4.5真空光电子成像器件特性参数③通过电子光学理论公式子以计算。例如，对近贴聚焦电子光学系统和MCP的MTF可分别表示为式中：N——空间频率(lp/mm)；L，V——分别为近贴距离(mm)和工作电压(V)；J1(2πNd)——关于自变量2πNd的一阶贝塞尔函数；D——MCP单丝直径(10-3mm)；P——MCP距(μm)。上一页下一页返回4.5真空光电子成像器件特性参数(10)极限分辨率Nf(lp/mm)。像管的极限分辨率Nf被定义为MTF曲线上M(N)=0.02~0.03时的空间频率；Nf也可借助成像器件MTF仪测得。对于由i(i=1，2，…，i)级线性级联的光电子成像器件，有(11)信噪比S/N。像管的信噪比S/N被定义为荧光屏输出平均亮度与噪声电压均方根值之比，其测试条件标准为：光源色温2856K，光阴极面照度1×10-4lx，光阴极被照面积ϕ0.2mm，探测器带宽10Hz(相当于人眼时域带宽的低通)。上一页下一页返回4.5真空光电子成像器件特性参数(12)噪声因子NFNF表征了器件对输入信噪比的传递能力，且NF≥1，其值愈接近于1，说明器件在传递信息的过程中附加的噪声愈少。这一物理意义在评价m级线性级联成像系统的输出信噪比时十分有用，因为式中：NF和G分别代表第i级(i=1，2，...，m)的噪声因子和增益。式(4-20)的实际意义在于：①说明了第1级在系统信噪比传递链中的至关重要作用；②式(4-19)和式(4-20)相结合可以由(S/N)，求出系统总的输出信噪比(S/N)。上一页返回4.5真空光电子成像器件特性参数双近贴聚焦像像增强器(WaferImageIntensifier，WII)是当前真空光电子成像器件市场中的主流产品，它的灵敏度(量子效率)、分辨率(MTF)和信噪比等特性决定了二代、三代和四代微光夜视系统的视距和图像清晰度，因而受到人们的普遍关注。本节运用以上介绍的相关物理概念和计算公式，分别估算出这些参数在理想条件下的极限性能。下一页返回4.6双近贴聚焦像像增强器(WII)

性能估算4.6.1WII极限灵敏度估算(1)理论依据：①光阴极光电发射理论(光电发射3个过程、5个环节)；②光通量一光子数转换因子，σ=