微光夜視技術(shù)

1、微光夜視儀技術(shù),一、簡(jiǎn)介,微光夜視技術(shù)致力于探索夜間和其它低光照度,時(shí)目標(biāo)圖像信息的獲取、轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)、記錄和,顯示。它的成就集中表現(xiàn)為使人眼視覺(jué)在時(shí)域、,空間和頻域的有效擴(kuò)展。,在軍事上，微光夜視技術(shù)已實(shí)用于夜間偵查、,瞄準(zhǔn)、車(chē)輛駕駛、光電火控和其它戰(zhàn)場(chǎng)作業(yè)，,并可與紅外、激光、雷達(dá)等技術(shù)結(jié)合，組成完,整的光電偵查、測(cè)量和警告系統(tǒng)。,微光夜視技術(shù)的發(fā)展以,1936,年,P.G?,rlich,發(fā)明,銻銫,(Sb-Cs),光電陰極為標(biāo)志。,A.H.Sommer1955,年發(fā)明了銻鉀鈉銫,(Sb-K-Na-Cs),多堿光電陰極,(S-20),，使微光夜視技術(shù)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性發(fā)展階段。,1958,年光纖面板

2、問(wèn)世，加之當(dāng)時(shí)熒光粉性能的,提高，為光纖面板耦合的像增強(qiáng)器奠定了基礎(chǔ)。,62,年美國(guó)研制出這種三級(jí)及聯(lián)式像增強(qiáng)器，并,以次為核心部件制成第一代微光夜視儀，即所,謂的“星光鏡”,AN/PVS-2,并用于越戰(zhàn)。,62,年出現(xiàn)了微通道電子倍增器，,70,年研制出,了實(shí)用電子倍增器件,MCP-,微通道板像增強(qiáng)器，,并在此基礎(chǔ)上研制了第二代微光夜視儀。,70,年代發(fā)展起來(lái)的高靈敏度攝像管與,MCP,像增,強(qiáng)器耦合，制成了性能更好的微光攝像管和,微光電視。,82,年英軍在馬島戰(zhàn)爭(zhēng)中使用，取,得了預(yù)期的夜戰(zhàn)效果。,65,年,J.Van Laar,和,J.J.Scheer,制成了世界上第,一個(gè)砷化鎵,(GaA

3、s),光電陰極。,79,年美國(guó),ITT,公司研制出利用,GaAs,負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極,與,MCP,技術(shù)的成像器件（薄片管），把微光夜視儀,推進(jìn)到第三代，工作波段也向長(zhǎng)波延伸。,60,年代研制出的電子轟擊硅靶,(EBS),攝像管和,二次電子電導(dǎo),(SEC),攝像管與像增強(qiáng)器耦合產(chǎn)生,第一代微光攝像管。,80,年代以來(lái)，由于電荷耦合器件,(CCD),的發(fā)展，,不斷涌現(xiàn)新的微光攝像器件。像增強(qiáng)器通過(guò)光纖,面板與,CCD,耦合，做成了固態(tài)自?huà)呙栉⒐鈹z像,組件，和以它為核心的新型微光電視。,二、黑天輻射基礎(chǔ),黑天輻射來(lái)自于太陽(yáng)、地球、月亮、星球、,云層、大氣等自然輻射源。,1,、自然輻射,太陽(yáng),直徑：

4、,1391200,公里,輻射類(lèi)似于色溫為,5900K,的黑體輻射,輻射之地表的光波范圍,0.33,?,m,可見(jiàn)光區(qū),0.38, 0.76,?,m,更為突出,月亮,輻射有兩部分,:,反射太陽(yáng)的輻射,;,自身輻射,.,月亮自身輻射與色溫為,400K,的黑體輻射相似,地球,輻射有兩部分,:,反射的太陽(yáng)輻射，,峰值在,0.5,?,m,附近,;,自身的輻射,峰值約波長(zhǎng)為,10,?,m,。夜間以,后者為主。,顯然，地球自身的輻射大部分在,8,?,14,?,m,的遠(yuǎn)紅,外，正好是大氣的第三個(gè)窗口。,星球,貢獻(xiàn)較小，照度為,2.2,?,10,-4,lx,，約為無(wú)月夜空光,量的,1/4,。,大氣輝光,大氣輝光產(chǎn)

5、生于地球上空約,70,?,100km,高度的大,氣層中，是夜天輻射的重要組成部分，約占無(wú),月夜天光的,40%,。,陽(yáng)光中的紫外輻射在高層大氣中激發(fā)原子，并,與分子發(fā)生低頻率的碰撞，是產(chǎn)生大氣輝光的,主要原因。表現(xiàn)為原子鈉、原子氫、分子氧、,氫氧根離子等成分的發(fā)射。,其中波長(zhǎng)為,0.752.5,?,m,的紅外輻射,則主要來(lái)自,氫氧根離子,的氣輝，它,比其它已知,的氣輝發(fā)射,約強(qiáng),1000,倍。,2,、黑天輻射的特點(diǎn),特點(diǎn)：,?,夜天輻射除可見(jiàn)光外，還包含豐富的近,紅外輻射。且無(wú)月星空天近紅外輻射為,主要成分。故偉光也是技術(shù)必須充分考,慮這一點(diǎn)，有效利用波長(zhǎng)延伸至,1.3,?,m,的近紅外輻射。,

6、?,有月和無(wú)月夜天輻射的光譜分布相差較,大，滿(mǎn)月月光的強(qiáng)度比星光高出約,100,倍。,無(wú)月時(shí)各輻射的比例為：,星光及其散射光,30%,大氣輝光,40%,黃道光,15%,銀河光,5%,后三項(xiàng)的散射光,10%,3,、夜天輻射產(chǎn)生的景物亮度,三、微光夜視儀概論,以像增強(qiáng)器為核心部件的微光夜視器材稱(chēng),之為微光夜視儀。它使人類(lèi)能在極低照度,(10,-5,lx),條件下有效地獲取景物圖像的信,息。,1,、組成與原理,主要部件：強(qiáng)光力物鏡、像增強(qiáng)器、,目鏡和電源。,從原理上看，微光夜視儀是帶有像增強(qiáng),器的特殊望遠(yuǎn)鏡。,微弱自然光由目標(biāo)表面反射進(jìn)入夜視儀,；,在強(qiáng)光力物鏡作用下聚焦于像增強(qiáng)器的光,陰極面（與物

7、鏡后焦面重合），即發(fā)出電,子；光電子在像增強(qiáng)器內(nèi)部電子光學(xué)系統(tǒng),的作用下被加速、聚焦、成像，以及高速,度轟擊像增強(qiáng)器的熒光屏，激發(fā)出足夠強(qiáng),的可見(jiàn)光，從而把一個(gè)被微弱自然光照明,的遠(yuǎn)方目標(biāo)變成適于人眼觀察的可見(jiàn)光圖,像，經(jīng)目鏡的進(jìn)一步放大，實(shí)現(xiàn)有效地目,視觀察。,2,、對(duì)各部件的技術(shù)要求,物鏡,：,為使像面有足夠的照度，物鏡應(yīng)有盡可,能大的像對(duì)孔徑,(D/f),。,為了像增強(qiáng)器陰極上目標(biāo)圖像照度均勻，,軸外物點(diǎn)的光線(xiàn)應(yīng)盡量多地參與成像，,從而要求物鏡的漸暈系數(shù)盡可能大。,E,?,= kE,0,(cos,?,),4,E,?,-,軸外像點(diǎn)照度,k-,漸暈系數(shù),由于一般像增強(qiáng)器極限空間分辨力不高，,

8、為,30,?,40lp/mm,故要求物鏡具有很好的低,通濾波性能。,調(diào)制傳遞函數(shù),調(diào)制度,可見(jiàn)度,M = (I,max,-I,min,)/I,tol,調(diào)制度傳遞因子與空間頻率的函數(shù)關(guān)系,稱(chēng)為調(diào)制傳遞函數(shù)。,MTF,Modulation Transfer Function,如希望其在,12.5,及,25lp/mm,頻率上分別有,MTF,?,0.75,及,MTF,?,0.55,的對(duì)比傳遞特性,.,像增強(qiáng)器,:,要求像增強(qiáng)器具有足夠高的亮度增益,G,L,.,相關(guān)最小光增益,Gm,?,4.33,?,10,3,/,?,2,?,-,人眼暗適應(yīng)時(shí)量子效率,?,-,目鏡倍率,像增強(qiáng)器響應(yīng)度應(yīng)盡量高。,良好的光

9、譜匹配是像增強(qiáng)器能有效工,作的必要條件。這是指：光陰極光譜,響應(yīng)與自然微光輻射光譜的匹配、熒,光屏輻射光譜與人眼光譜響應(yīng)的匹配、,前級(jí)熒光屏與后級(jí)光陰極的光譜匹配,等。,由于自然熱發(fā)射等因素，像增強(qiáng)器總,會(huì)產(chǎn)生噪聲。噪聲在熒光屏上產(chǎn)生與之,相對(duì)應(yīng)的背景亮度，從而限制了像增強(qiáng),器可探測(cè)的最小照度值。此值叫等效背,景照度,(EBI).,通常為,10,-7,lx,數(shù)量級(jí)。,頻率傳遞性能應(yīng)盡量好。作為一種低通,濾波器，像增強(qiáng)器的傳遞特性可用,MTF,曲線(xiàn)來(lái)描述。,MTF minMTF,i,頻率傳遞性能也包含了對(duì)光陰極中央?yún)^(qū),域空間分辨力的要求。,電源：,帶有自控?zé)晒馄亮炼鹊墓δ?，反?yīng)時(shí)間為,0.1,秒

10、。,目鏡：,除具有放大作用外，其目鏡出瞳直徑與人,眼微光下的瞳孔直徑,(5,?,7.6mm),一致。,4,、第一代微光夜視儀,單級(jí)像增強(qiáng)器的亮度增益通常只有,50-100,，,太低不能用于軍事。故采用多級(jí)串聯(lián)的方,式。以滿(mǎn)足幾萬(wàn)倍的光增益要求。,光纖面板耦合結(jié)構(gòu)：,入射、出射窗口均用光纖面板做成單級(jí)像,增強(qiáng)器，將它首尾相接耦合，構(gòu)成現(xiàn)常用,的光纖面板耦合三級(jí)級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)器，即,第一代像增強(qiáng)器。,在此，光纖面板可將球面像轉(zhuǎn)換為平面像,而完成級(jí)間耦合。,此外，它可將目標(biāo)倒像正立過(guò)來(lái)，并實(shí)現(xiàn),10,4,量級(jí)的亮度增益，最高分辨可達(dá),35,lp/mm,。,光纖面板：,有效傳光效率總是小于,1,。約為,

11、50%-60%.,根據(jù)需要，光纖面板端面可制成平面或凹,球面。其平,-,凹球面型面板可用于準(zhǔn)球?qū)ΨQ(chēng),電子光學(xué)系統(tǒng)。,光纖面板可分為普通的、變放大率的錐形,光纖面板及其轉(zhuǎn)像作用的扭像光纖面板。,以光纖面板之間的光學(xué)接觸直接耦合傳像，,可提高傳遞圖像的導(dǎo)光效率；提供了采用,準(zhǔn)球?qū)ΨQ(chēng)電子光學(xué)系統(tǒng)的可能性，有利于,改善像質(zhì)。若采用錐形光纖面板，則可改,變傳像的倍率（放大或縮?。徊捎门は?光纖面板可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)像。,多堿光電陰極,：,化學(xué)組分：,(Na,2,KSb)Cs,主體：,Na,2,KSb,Na,和,K,的比例為,2:1,含少量的銫，多晶薄,膜,。,在制成透射式光電陰極時(shí)，其厚度約為,0.1,?,m,

12、表面吸附著單原子銫層。實(shí)驗(yàn)表明,，,光電陰極,(Na,2,KSb)Cs,中的銫含量高于單原子銫層的需要,量，這表明銫的作用不僅局限于表面效應(yīng)，而,且有體效應(yīng)特征。銫的引入使晶格常數(shù)由原來(lái),Na,2,KSb,的,7.727,?,0.003,?,變?yōu)?(Na,2,KSb)Cs,的,7.745,?,0.004,?,。有利于在晶格中引入更多的,銻，使,p,型參雜濃度增加，導(dǎo)致表面能帶進(jìn)一步,下彎，降低電子親和勢(shì)。由光電發(fā)射的長(zhǎng)波閾,可推算出電子親和勢(shì)約為,0.55eV.,實(shí)驗(yàn)表明，,(Na,2,KSb)Cs,光電陰極屬,p,型半,導(dǎo)體材料。在具有正電子親和勢(shì)的光電陰,極中，多堿光電陰極是光電靈敏度最高

13、的,一種（最高已達(dá),700,?,A,?,lm,-1,),。,(Na,2,KSb)Cs,光陰極有多種類(lèi)型。改進(jìn)的多,堿光電陰極其厚度略有增加，故可有效地,利用光吸收特性。由于其光吸收系數(shù)隨波,長(zhǎng)增大而變小，故可借厚度的調(diào)整來(lái)改善,其光譜響應(yīng)特性。,例如：在有效逸出深度允許的范圍內(nèi)增加光電,陰極的厚度，可以提高其對(duì)長(zhǎng)波段的光譜響應(yīng)，,把光電陰極的長(zhǎng)波閾延伸至,0.9,?,m,以上，且,積分靈敏度顯著提高，電子親和勢(shì)降至,0.3eV.,這類(lèi)陰極在常溫下熱發(fā)射電流很小，,約,10,-16,A,?,cm,-2,電阻率較低，故可允許較大的,發(fā)射電流密度。,電子透鏡：,光電陰極將目標(biāo)圖像變?yōu)殡娮訄D像。構(gòu)成電

14、子,圖像的電子在剛離開(kāi)陰極時(shí)形成低速電流。在,外加的靜電場(chǎng)或電磁復(fù)合場(chǎng)的作用下，電,子流被強(qiáng)烈的加速和聚焦，以很大的能量,撞擊熒光屏，形成可見(jiàn)光圖像。由于這些,電磁場(chǎng)對(duì)于電子束的作用與光學(xué)透鏡對(duì)可,見(jiàn)光的作用一樣，故稱(chēng)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的裝置,叫電子光學(xué)系統(tǒng)，也稱(chēng)電子透鏡。,電子透鏡分為雙平面近貼型、電磁復(fù)合聚,焦型和準(zhǔn)球?qū)ΨQ(chēng)型三種。,?,雙平面近貼型：光電陰極為物面，熒光,屏為像面，其間距小且為平面。兩者間,加有均勻靜電場(chǎng)。,?,電磁復(fù)合聚焦型：與,?,相同，只是在電,場(chǎng)方向又加以均勻磁場(chǎng)。,?,準(zhǔn)球?qū)ΨQ(chēng)型：理想的球?qū)ΨQ(chēng)型靜電電子,透鏡系由球面光陰極和球形陽(yáng)極組成，,二者為同心球面，形成中心對(duì)稱(chēng)型電

15、場(chǎng)。,一般采用開(kāi)孔陽(yáng)極，使聚焦電子得以通,過(guò)。故稱(chēng)準(zhǔn)球?qū)ΨQ(chēng)型電子透鏡。,在電子束中，電子受到電子間的相互排斥,力,F,e,及電子束產(chǎn)生的磁場(chǎng)的“會(huì)聚力”,F,m,的作用。,顯然，二者都與電子流的密度密切相關(guān)。,二,者的比為：,F,e,/F,m,= (c/v),2,由此式可知，因總有,c v,故電子束總是,趨于“發(fā)散”，使電子透鏡系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)理想,的“聚焦”，即存在所謂的電子透鏡的像差。,例：加速電壓,10,4,伏，則電子速度為,0.2c,兩力的比為,25,。,由于電子透鏡系統(tǒng)與電子流密度無(wú)關(guān)，且由,于庫(kù)倫力本身的性質(zhì)，使得電子光學(xué)系統(tǒng)不,可能消除這種像差。,熒光屏：,常用于像增強(qiáng)熒光屏的材料有

16、兩種：,?,以硫化鋅為基質(zhì)參銀激活的,ZnS:Ag,?,以硫化鋅鎘為基質(zhì)參銀激活的,ZnS,?,CdS:Ag,熒光屏的底層是以這類(lèi)晶態(tài)磷光體微細(xì)顆粒,(,直徑為,1,?,m),沉積而得到的薄層，其厚,度稍大于顆粒直徑，為,1,8,?,m,。顯然，顆,粒越細(xì)則圖像分辨率越高，但發(fā)光效率就,越低。一般取顆粒直徑與底層厚度相近。,底層厚度大有利于對(duì)入射電子的吸收，,但有,礙于熒光的有效射出。,熒光屏的表面附有一層鋁膜，厚度為,0.1,?,m,，,覆蓋在熒光粉上。其作用有三：,?,防止熒光反饋到光電陰極。,?,把光反射到輸出方向上。,?,保證熒光屏形成等電位面。,在不透光的前提下，鋁膜應(yīng)盡量的薄。在充

17、,有氬氣狀態(tài)下蒸鍍的鋁膜為黑色膜，有利于,改善輸出圖像的對(duì)比度。,ZnS,?,CdS:Ag,為黃綠光熒光屏，其光譜分布,與人眼視覺(jué)特性匹配較好，故適用于目視。,它具有中短余輝和較高的發(fā)光效率,(,?,15cd/W),。,ZnS:Ag,為藍(lán)光熒光屏，適于攝影，,?,3cd/W,。,強(qiáng)光保護(hù),：,強(qiáng)閃光被夜視儀物鏡聚焦，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的光陰,極發(fā)射，從而造成光陰極發(fā)生疲勞性損傷，或,永久性破壞。此外，光電子密度過(guò)大時(shí)，熒光,屏?xí)霈F(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，易燒毀熒光材料。,例：,800m,距離處的穿甲彈爆炸，可在夜視儀,熒光屏上產(chǎn)生約,500W,mm,-2,的功率密度，,屏溫可達(dá),500-1000,C,。一般熒光屏

18、可承,受的電子流為,10-200,W,mm,-2,。,?,熒光屏的保護(hù),動(dòng)態(tài)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,可使電子光學(xué)系統(tǒng)散焦。,若有強(qiáng)光，,I,可達(dá),5 -,10,?,A,，,V,R,1000V,破壞成像效果，電子束的廣泛彌散使其到達(dá),熒屏?xí)r密度下降，,從而保護(hù)熒屏。,電阻降壓法：,R -,幾百兆,光電流增大，,R,上壓降增大，供給像增強(qiáng)器的工作電壓隨,之變小，對(duì)光電流的增大趨勢(shì)產(chǎn)生抑制。,?,光陰極的保護(hù),電阻降壓法實(shí)際上也起著保護(hù)光陰極的作用。,當(dāng),R,上壓降增大，供

19、給像增強(qiáng)器的工作電壓,隨之變小，使光陰極發(fā)射的電子不能被有效,的加速，則它們滯留在陰極區(qū)形成一個(gè)負(fù)電,荷阻擋區(qū)，阻礙陰極光電子的發(fā)射，從而保,證陰極不會(huì)產(chǎn)生疲勞發(fā)射和過(guò)量發(fā)射。,5,、第二代微光夜視儀,與第一代的根本區(qū)別在于微通道板,(MCP),在像增強(qiáng)器中的應(yīng)用。,微通道板像增強(qiáng)器：,微通道板,MCP,：,電子倍增器,微通道板能對(duì)二維空間分布的電子束實(shí)現(xiàn),電子數(shù)倍增。其增益為,10,3,10,4,數(shù)量級(jí)。,它的特點(diǎn)是：增益高、噪聲低、頻帶寬、,功耗小、壽命長(zhǎng)、分辨率高且有自飽和效,應(yīng),。,微通道板由含鉛、鉍等氧化物的硅酸鹽玻,璃制成,，是厚度為毫米級(jí)的薄板。其厚度,取決于微通道直徑與長(zhǎng)徑比。

20、其內(nèi)密布著,數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的平行微小通道，同孔直徑為,6,45,?,m;,孔間距應(yīng)盡量的小，以減小,非通孔端面。當(dāng)孔徑為,10,12,?,m,時(shí)，空中心,距約為,12,15,?,m,。,一般通孔面積應(yīng)占截面積的,55%,80%,。,長(zhǎng)度與孔徑之比的典型值為,40,50,。,板兩端鍍有鎳層，作為電極。在入端面鍍有,Al2O3,薄膜，以防離子反饋轟擊光電陰極。,膜厚為,3nm,其允許,動(dòng)能大于,120eV,的電子穿過(guò)。,?,二次電子發(fā)射,出射電子數(shù)與入射電子數(shù)之比稱(chēng)為二次電,子發(fā)射系數(shù)，即電子倍增系數(shù)。,為使通道內(nèi)壁具有良好的二次電子發(fā)射特性，,通常進(jìn)行燒氫處理,高溫下被氫還原的鉛原,子分散在玻璃表面

21、，它具有半導(dǎo)電性能和較,高的二次電子發(fā)射系數(shù)。,?,電流增益,MCP,的增益,定義為輸出,與輸入電流,密度之比。,電流增益,Gn,與通道長(zhǎng)徑比,?,的關(guān)系：,V,m,= 22,?,m,V,m,、,?,m,分別為最佳工作電壓和最佳長(zhǎng)徑比。,為提高增益，,MCP,輸入端應(yīng)具有盡量大的,開(kāi)口面積比。通孔面積與總截面積之比叫,微通道板的探測(cè)效率,。有時(shí)通道采用喇叭,形入射口，可使比值達(dá),80%,。,MCP,參數(shù)的設(shè)定：首先依據(jù)空間分辨率要,求確定通道直徑；再按工作電壓確定最佳,長(zhǎng)徑比,?,m,；然后選定,MCP,的厚度。這樣不,但可獲得最佳增益，而且可獲得較高的增,益均勻性。,?,自飽和效應(yīng),MCP,

22、的自飽和效應(yīng)表現(xiàn)為：當(dāng)輸入電流密度增,大到一定程度后，輸出電流密度不再隨輸入,電流增加而增加。,此效應(yīng)是第二代像增強(qiáng)器,的突出優(yōu)點(diǎn),。使其具有防強(qiáng)光的特性。,產(chǎn)生自飽和效應(yīng)的主要原因是：通道內(nèi)壁上,維持二次電子發(fā)射的傳導(dǎo)電流與反向的二次,電子所形成的附加電流在輸出端附近處于抗,衡狀態(tài)，結(jié)果是輸出電流密度不再增大。？,自飽和現(xiàn)象不會(huì)破壞,MCP,的性能，其從飽和狀,態(tài)恢復(fù)的時(shí)間小于人眼的時(shí)間常數(shù)，故不妨,礙觀察。更重要的是保護(hù)熒光屏免受強(qiáng)閃光,的破壞。,MCP,中某一通道的飽和不會(huì)影響其,它鄰近通道。,?,離子反饋的防范,特別是在,MCP,的輸出端，殘留氣體被電離生成,的陽(yáng)離子，在工作電壓的作用

23、下，撞向光電,陰極，即所謂的離子反饋。由此產(chǎn)生的光電,陰極發(fā)射，在熒光屏上形成所謂的離子斑。,離子反饋破壞了,MCP,的線(xiàn)性工作特性，還影,響光電陰極的壽命。,防止措施有：提高真空度、制作斜通道、設(shè),收集極、鍍膜。,?,背景噪聲,實(shí)驗(yàn)表明，在典型工作條件下，背景噪聲的,等效電子輸入為,10-18,10-17A,?,cm-2,量值水,平，比通常光電陰極的暗發(fā)射電流密度低約,兩個(gè)數(shù)量級(jí)。故在討論像增強(qiáng)器的整個(gè)背景,噪聲時(shí)，不計(jì),MCP,的背景噪聲。,實(shí)驗(yàn)表明，可以通過(guò)提高探測(cè)效率、二次電,子發(fā)射系數(shù)及入射電子碰撞通道內(nèi)壁的幾率,來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刹捎美瓤诘耐ǖ廊肟诮Y(jié)構(gòu)，在,內(nèi)壁蒸鍍氧化鎂層以提高二次電子

24、發(fā)射系數(shù)。,6,、第三代微光夜視儀,第三代微光夜視儀的標(biāo)志是其光電陰極采用,了具有負(fù)電子親和勢(shì)的光電材料。這一變化,使像增強(qiáng)器及第三代微光夜視儀的性能發(fā)生,了更新?lián)Q代的變化。,與之相配套的光學(xué)系統(tǒng)也發(fā)生了變化，如,采用了非求綿綿性、引入便于制造和更換,的光學(xué)塑料透鏡組件、應(yīng)用光學(xué)全息透鏡,等。,?,光電子發(fā)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。,對(duì)于半導(dǎo)體材料，,W,e,有兩部分組成：,電子由激發(fā)中心到導(dǎo)帶的最低能量；電子,由導(dǎo)帶低逸出所需的最低能量。,電子親和勢(shì),E,A,：電子由導(dǎo)帶低逸出所需的,最低能量。,顯然，光電子發(fā)射與,E,

25、A,緊密相關(guān)。而不但與,導(dǎo)帶的能級(jí)有關(guān)，還與材料表面的狀態(tài)有關(guān)。,若半導(dǎo)體表面吸附著其它元素的分子、原子,或離子，則可能形成束縛能級(jí)（稱(chēng)為表面態(tài)）。,若吸附層有一定的厚度，就在表面形成施主或,受主能級(jí)，從而出現(xiàn)異質(zhì)結(jié)。,這些情況都會(huì)引,起半導(dǎo)體表面區(qū)域能態(tài)的變化，影響電子的逸,出。,有一類(lèi)半導(dǎo)體在經(jīng)特殊的表面處理，異質(zhì)結(jié),能帶發(fā)生彎曲，可能使其導(dǎo)帶底的能級(jí),E,C,高于真空能級(jí),E,O,。在這種情況下，,激發(fā)至,導(dǎo)帶的電子如其到達(dá)激活表面前未被復(fù)合，,就可能從材料表面逸出。顯然，這對(duì)光發(fā)射,十分有利。在這種構(gòu)思下，研制了負(fù)電子親,和勢(shì)（,NEA,）光電陰極。,定義有效電子親和勢(shì)：,E,Aef,

26、= E,O,E,C,表示由能帶彎曲所得到的由導(dǎo)帶底到真空能,級(jí)之間的能量差值。,?,NEA,光電陰極,負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極的理論是,Simon,在,1963,年提出的。,Vanlaar,和,J.J.scheer,報(bào)道其利用砷化鎵,單晶半導(dǎo)體材料的高參雜結(jié)合表面吸附,銫層以降低表面勢(shì)壘的研究；,Evans,等對(duì),GaAs,表面實(shí)施,Cs,和,O,2,的交,替激活。,現(xiàn)已制成的負(fù)電子親和勢(shì)半導(dǎo)體材料有,兩類(lèi)：,其一是元素周期表中、族元素的化合,物單晶半導(dǎo)體；其二是硅單晶半導(dǎo)體。,二者都是通過(guò)吸附銫氧的表面來(lái)形成負(fù)電,子親和勢(shì)。,代表性的負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極是：,GaAs:Cs,2,O/AlGaAs

27、,其透射式工作陰極的組成為：,窗口玻璃,/Si,3,N,4,/ AlGaAs/ GaAs:Cs,2,O,由真空界面看去：,?,單分子,Cs,2,O,，,?,GaAs,外延單晶，,?,AlGaAs,單晶層。,其中,?,為光電發(fā)射體；,?,為生成良好的單晶,態(tài),GaAs,層設(shè)置基底。,AlGaAs,與,GaAs,之間,有良好的晶格匹配，從而有效地減小了光電,陰極后界面處受激電子的復(fù)合速率。,GaAs,通過(guò)摻雜構(gòu)成,p,型半導(dǎo)體，先在其表面,蒸積單原子銫層，再吸附,Cs,2,O,層，而,Cs,2,O,是,n,型半導(dǎo)體，其禁帶寬度為,2eV,，逸出功約,為,0.6eV,，電子親和勢(shì)約為,0.4eV,。

28、,GaAs+ Cs,與,Cs,2,O,接觸形成異質(zhì)結(jié)，其中,p,型,GaAs,的禁帶寬度約為,1.4eV,逸出功約為,4.7eV,.,在接觸前，左側(cè),GaAs+ Cs,與右側(cè),Cs,2,O,真空能,級(jí)應(yīng)處于相同高度。接觸后，在界面處由于,隧道效應(yīng)而發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，達(dá)到新的平衡。,平衡后，兩邊的費(fèi)米能級(jí)高度一致。由于空,間電荷的存在，,p,型,GaAs,在界面處能帶向下,彎曲，而,n,型,Cs,2,O,在界面處能帶向上彎曲。原,因是,Cs,2,O,的逸出功遠(yuǎn)小于,GaAs,的。,GaAs:Cs,2,O,的有效電子親和勢(shì),E,Aef,小于零。,?,第三代像增強(qiáng)器,第三代像增強(qiáng)器的特點(diǎn)就是：采用負(fù)電子

29、親,和勢(shì)光電陰極，同時(shí)利用,MCP,對(duì)像信號(hào)放大。,但由于砷化鎵光電陰極結(jié)構(gòu)的限制，入射端,玻璃窗必須是平板形式，故第三代像增強(qiáng)器,目前只能取雙近貼結(jié)構(gòu)。,量子效率高、光譜響應(yīng)寬是這種像增強(qiáng)器,的特殊優(yōu)點(diǎn)。由圖可看出，透射式砷化鎵,光電陰極比銻鉀鈉銫光電陰極靈敏度高三,倍多，且使用壽命長(zhǎng)，光譜響應(yīng)波段明顯,向長(zhǎng)波區(qū)延伸，同時(shí)在響應(yīng)區(qū)內(nèi)響應(yīng)值變,化很小。,負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極的受激電子向表面,遷移的過(guò)程與一般光電陰極不同。,一般正,電子親和勢(shì)光電陰極中只有過(guò)熱電子遷移,至表面才能形成光電發(fā)射。,過(guò)熱電子的壽命為,10,-14,10,-12,s,，此時(shí)受激電,子以,10,7,-10,8,cm,s,

30、-1,的平均速度做隨機(jī)遷移運(yùn),動(dòng)，,并產(chǎn)生晶格散射，前進(jìn)的有效距離為,10-20nm,。而負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極中全部受,激電子都可參與光電發(fā)射，哪怕是處于導(dǎo)帶底,部的電子，,只有在沒(méi)被復(fù)合前能擴(kuò)散到表,面，就可能逸出。,受激電子的壽命長(zhǎng)達(dá),10,-8,s,量級(jí)，在壽命時(shí)限內(nèi)其擴(kuò)散至表面的有效逸出,深度可達(dá),1,?,m,，故其量子效率顯著提高。,此外,，,它所形成光電發(fā)射的電子大多處于導(dǎo)帶,底部，故其逸出光電子的動(dòng)能分布比較集中；,另外，由于其逸出深度較大，故光電子出射角,散布也較小，其大都集中于光電陰極的法線(xiàn)方,向；再加上其暗電流小，所有這些都有利于降,低電子光學(xué)系統(tǒng)的像差。從而，有效地提高了,像曾強(qiáng)器的分辨力和系統(tǒng)的視距（觀察距離比,第二代提高,1.5,倍以上）。,除上述,GaAs:Cs,2,O,這種二元,、