微光夜視技術(shù)剖析課件

微光夜視儀技術(shù)微光夜視儀技術(shù)1

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)。

一、簡(jiǎn)介2

微光夜視技術(shù)的發(fā)展以1936年P(guān).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年光纖面板問世，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)。

微光夜視技術(shù)的發(fā)展以1936年P(guān).G?rlich發(fā)明3

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.VanLaar和J.J.Scheer制成了世界上第一個(gè)砷化鎵(GaAs)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62年出現(xiàn)了微通道電子倍增器，70年研制出4

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，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)器通過光纖面板與CCD耦合，做成了固態(tài)自掃描微光攝像組件，和以它為核心的新型微光電視。與MCP技術(shù)的成像器件（薄片管），把微光夜視儀5

二、黑天輻射基礎(chǔ)

黑天輻射來自于太陽、地球、月亮、星球、云層、大氣等自然輻射源。

1、自然輻射

太陽直徑：1391200公里輻射類似于色溫為5900K的黑體輻射輻射之地表的光波范圍0.3~3m

可見光區(qū)0.38

~0.76m更為突出

二、黑天輻射基礎(chǔ)6微光夜視技術(shù)剖析課件7

月亮

輻射有兩部分:反射太陽的輻射;自身輻射.月亮自身輻射與色溫為400K的黑體輻射相似

月亮8

地球

輻射有兩部分:反射的太陽輻射，峰值在0.5m附近;自身的輻射,峰值約波長(zhǎng)為10m。夜間以后者為主。

地球9顯然，地球自身的輻射大部分在814m的遠(yuǎn)紅外，正好是大氣的第三個(gè)窗口。

顯然，地球自身的輻射大部分在814m的遠(yuǎn)紅10

星球貢獻(xiàn)較小，照度為2.210-4lx，約為無月夜空光量的1/4。

大氣輝光大氣輝光產(chǎn)生于地球上空約70100km高度的大氣層中，是夜天輻射的重要組成部分，約占無月夜天光的40%。陽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。星球11其中波長(zhǎng)為0.75~2.5m的紅外輻射則主要來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。

其中波長(zhǎng)為12微光夜視技術(shù)剖析課件13

2、黑天輻射的特點(diǎn)特點(diǎn)：

夜天輻射除可見光外，還包含豐富的近紅外輻射。且無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1.3m的近紅外輻射。有月和無月夜天輻射的光譜分布相差較大，滿月月光的強(qiáng)度比星光高出約100倍。2、黑天輻射的特點(diǎn)14

無月時(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

無月時(shí)各輻射的比例為：15微光夜視技術(shù)剖析課件16三、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之為微光夜視儀。它使人類能在極低照度(10-5lx)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。三、微光夜視儀概論17

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。微弱自然光由目標(biāo)表面反射進(jìn)入夜視儀；18

2、對(duì)各部件的技術(shù)要求物鏡：⑴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)。⑵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=kE0(cos′)4E--軸外像點(diǎn)照度k---漸暈系數(shù)⑶由于一般像增強(qiáng)器極限空間分辨力不高，2、對(duì)各部件的技術(shù)要求19為3040lp/mm,故要求物鏡具有很好的低通濾波性能。為3040lp/mm,故要求物鏡具有很好的低20調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制度—可見度M=(Imax-Imin)/Itol

調(diào)制度傳遞因子與空間頻率的函數(shù)關(guān)系稱為調(diào)制傳遞函數(shù)。MTF—ModulationTransferFunction如希望其在12.5及25lp/mm頻率上分別有MTF0.75及MTF0.55的對(duì)比傳遞特性.

像增強(qiáng)器:

⑴要求像增強(qiáng)器具有足夠高的亮度增益GL.調(diào)制傳遞函數(shù)21

相關(guān)最小光增益Gm4.33103/2--人眼暗適應(yīng)時(shí)量子效率--目鏡倍率⑵像增強(qiáng)器響應(yīng)度應(yīng)盡量高。⑶良好的光譜匹配是像增強(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。⑷由于自然熱發(fā)射等因素，像增強(qiáng)器總相關(guān)最小光增益Gm4.33103/222

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10-7lx數(shù)量級(jí)。⑸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曲線來描述。MTF<min{MTFi}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。會(huì)產(chǎn)生噪聲。噪聲在熒光屏上產(chǎn)生與之23

電源：帶有自控?zé)晒馄亮炼鹊墓δ?，反?yīng)時(shí)間為0.1秒。

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(57.6mm)一致。

4、第一代微光夜視儀

電源：24微光夜視技術(shù)剖析課件25微光夜視技術(shù)剖析課件26

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。以滿足幾萬倍的光增益要求。

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。

單級(jí)像增強(qiáng)器的亮度增益通常只有50-100，27

此外，它可將目標(biāo)倒像正立過來，并實(shí)現(xiàn)104量級(jí)的亮度增益，最高分辨可達(dá)35lp/mm。

光纖面板：有效傳光效率總是小于1。約為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。此外，它可將目標(biāo)倒像正立過來，并實(shí)現(xiàn)28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（放大或縮小）；采用扭像光纖面板可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)像。

多堿光電陰極：化學(xué)組分：(Na2KSb)Cs主體：Na2KSbNa和K的比例為2:1,含少量的銫，多晶薄膜。以光纖面板之間的光學(xué)接觸直接耦合傳像，29在制成透射式光電陰極時(shí)，其厚度約為0.1m,表面吸附著單原子銫層。實(shí)驗(yàn)表明，光電陰極(Na2KSb)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Na2KSb的7.7270.003?變?yōu)?Na2KSb)Cs的7.7450.004?。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.在制成透射式光電陰極時(shí)，其厚度約為0.1m,30

實(shí)驗(yàn)表明，(Na2KSb)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的一種（最高已達(dá)700A?lm-1)。(Na2KSb)Cs光陰極有多種類型。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)整來改善其光譜響應(yīng)特性。

實(shí)驗(yàn)表明，(Na2KSb)Cs光電陰極屬p型半31

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0.9m以上，且積分靈敏度顯著提高，電子親和勢(shì)降至0.3eV.這類陰極在常溫下熱發(fā)射電流很小，約10-16A?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)成電子圖像的電子在剛離開陰極時(shí)形成低速電流。在

例如：在有效逸出深度允許的范圍內(nèi)增加光電32

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)可見光的作用一樣，故稱產(chǎn)生電磁場(chǎng)的裝置叫電子光學(xué)系統(tǒng)，也稱電子透鏡。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)。外加的靜電場(chǎng)或電磁復(fù)合場(chǎng)的作用下，電33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型：理想的球?qū)ΨQ型靜電電子透鏡系由球面光陰極和球形陽極組成，二者為同心球面，形成中心對(duì)稱型電場(chǎng)。一般采用開孔陽極，使聚焦電子得以通過。故稱準(zhǔn)球?qū)ΨQ型電子透鏡。在電子束中，電子受到電子間的相互排斥力Fe,及電子束產(chǎn)生的磁場(chǎng)的“會(huì)聚力”Fm的作用。電磁復(fù)合聚焦型：與相同，只是在電34

顯然，二者都與電子流的密度密切相關(guān)。二者的比為：Fe/Fm=(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104伏，則電子速度為0.2c,兩力的比為25。由于電子透鏡系統(tǒng)與電子流密度無關(guān)，且由于庫倫力本身的性質(zhì)，使得電子光學(xué)系統(tǒng)不可能消除這種像差。顯然，二者都與電子流的密度密切相關(guān)。35

熒光屏：常用于像增強(qiáng)熒光屏的材料有兩種：

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晶態(tài)磷光體微細(xì)顆粒(直徑為1～５m)沉積而得到的薄層，其厚度稍大于顆粒直徑，為1～8m。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，熒光屏：36

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0.1m，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。

但有礙于熒光的有效射出。37

ZnS?CdS:Ag為黃綠光熒光屏，其光譜分布與人眼視覺特性匹配較好，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，光電子密度過大時(shí)，熒光屏?xí)霈F(xiàn)過熱現(xiàn)象，易燒毀熒光材料。

ZnS?CdS:Ag為黃綠光熒光屏，其光譜分布38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。一般熒光屏可承受的電子流為10-200W·mm-2。

熒光屏的保護(hù)動(dòng)態(tài)散焦法：R=100M光照度<0.1lxI<0.1AVR<10V例：800m距離處的穿甲彈爆炸，可在夜視儀39光照度10lxI1AVR100V

可使電子光學(xué)系統(tǒng)散焦。若有強(qiáng)光，I可達(dá)5-10A，VR>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，光照度10lxI1AVR40

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)射和過量發(fā)射。

R上壓降增大，供給像增強(qiáng)器的工作電壓隨41

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：5、第二代微光夜視儀42

微通道板MCP：電子倍增器微通道板MCP：43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103～104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。其內(nèi)密布著數(shù)以百萬計(jì)的平行微小通道，同孔直徑為6～45m;孔間距應(yīng)盡量的小，以減小微通道板能對(duì)二維空間分布的電子束實(shí)現(xiàn)44

非通孔端面。當(dāng)孔徑為10～12m時(shí)，空中心距約為12～15m。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。非通孔端面。當(dāng)孔徑為10～12m時(shí)，空中心45

二次電子發(fā)射出射電子數(shù)與入射電子數(shù)之比稱為二次電子發(fā)射系數(shù)，即電子倍增系數(shù)。二次電子發(fā)射46

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，它具有半導(dǎo)電性能和較高的二次電子發(fā)射系數(shù)。為使通道內(nèi)壁具有良好的二次電子發(fā)射特性，47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：Vm=22m

電流增益48

Vm、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。Vm、m分別為最佳工作電壓和最佳長(zhǎng)徑比。49

自飽和效應(yīng)

MCP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。？？

自飽和效應(yīng)50

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離子，在工作電壓的作用下，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。自飽和現(xiàn)象不會(huì)破壞MCP的性能，其從飽和狀51

離子反饋破壞了MCP的線性工作特性，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。離子反饋破壞了MCP的線性工作特性，還影52

實(shí)驗(yàn)表明，可以通過提高探測(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。實(shí)驗(yàn)表明，可以通過提高探測(cè)效率、二次電53

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mvm2/2=h-We

h入射光子的能量，We材料表面逸出功。對(duì)于半導(dǎo)體材料，We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。與之相配套的光學(xué)系統(tǒng)也發(fā)生了變化，如54

電子親和勢(shì)EA：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EA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。

電子親和勢(shì)EA：電子由導(dǎo)帶低逸出所需的55

有一類半導(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)EC高于真空能級(jí)EO。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)：EAef=EO–EC

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。有一類半導(dǎo)體在經(jīng)特殊的表面處理，異質(zhì)結(jié)56

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O2的交替激活?，F(xiàn)已制成的負(fù)電子親和勢(shì)半導(dǎo)體材料有兩類：NEA光電陰極57

其一是元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物單晶半導(dǎo)體；其二是硅單晶半導(dǎo)體。二者都是通過吸附銫氧的表面來形成負(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:Cs2O/AlGaAs其透射式工作陰極的組成為：窗口玻璃/Si3N4/AlGaAs/GaAs:Cs2O由真空界面看去：?jiǎn)畏肿覥s2O，GaAs外延單晶，AlGaAs單晶層。

其一是元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合58

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Cs2O層，而Cs2O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。GaAs+Cs與Cs2O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.其中為光電發(fā)射體；為生成良好的單晶59微光夜視技術(shù)剖析課件60

在接觸前，左側(cè)GaAs+Cs與右側(cè)Cs2O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Cs2O在界面處能帶向上彎曲。原因是Cs2O的逸出功遠(yuǎn)小于GaAs的。GaAs:Cs2O的有效電子親和勢(shì)EAef小于零。在接觸前，左側(cè)GaAs+Cs與右側(cè)Cs2O真空能61

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)。第三代像增強(qiáng)器62微光夜視技術(shù)剖析課件63

64

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)光電陰極中只有過熱電子遷移至表面才能形成光電發(fā)射。量子效率高、光譜響應(yīng)寬是這種像增強(qiáng)器65

過熱電子的壽命為10-14～10-12s，此時(shí)受激電子以107-108cm·s-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)10-8s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)1m，故其量子效率顯著提高。過熱電子的壽命為10-14～10-12s，此時(shí)受激電66

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）。

此外，它所形成光電發(fā)射的電子大多處于導(dǎo)帶67

除上述GaAs:Cs2O這種二元Ⅲ、Ⅴ族元素負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極外，還有多元（如三元、四元）

Ⅲ、Ⅴ族元素光電陰極（如銦鎵砷、銦砷磷等），它們對(duì)紅外光敏感，其長(zhǎng)波閾值可延伸至1.58～1.65m，可充分利用夜光天的輻射能，提高儀器的作用距離；還可與1.06m波長(zhǎng)工作的激光器配合，制成主動(dòng)-被動(dòng)合一的夜視儀。第三代夜視儀盡管其性能優(yōu)越，但它工藝復(fù)雜，造價(jià)昂貴，能否大量使用，取決于其性能價(jià)格比。

除上述GaAs:Cs2O這種二元Ⅲ、Ⅴ族元素負(fù)電子68

7、微光夜視儀的靜態(tài)性能

像增強(qiáng)器的主要特性及性能水平影響夜視儀整體性能的主要參數(shù)：亮度增益、等效背景照度、響應(yīng)度、像增強(qiáng)器的放大倍率、分辨率、極限分辨率及光陰極的有效直徑。

7、微光夜視儀的靜態(tài)性能69微光夜視技術(shù)剖析課件70微光夜視技術(shù)剖析課件71微光夜視儀的光學(xué)性能實(shí)際上夜視儀就是帶有像增強(qiáng)器的望遠(yuǎn)鏡，故它具有與普通望遠(yuǎn)鏡相應(yīng)的主要光學(xué)性能。這包括：視放大率、極限分辨角、視場(chǎng)角、物鏡相對(duì)孔徑D0/f0′、目鏡、出瞳直徑D′、出瞳距離lz′。

微光夜視技術(shù)剖析課件72

8、微光夜視儀的總體設(shè)計(jì)與視距估算

微光夜視儀的助視作用其原因可歸納如下：ⅰ其物鏡如瞳孔徑比人眼瞳孔大得多，而系統(tǒng)所捕獲的光子數(shù)按二者比值的平方規(guī)律迅速增加，從而有力的增大了信息量。ⅱ光電陰極的量子效率遠(yuǎn)高于人眼暗適應(yīng)條件下的量子效率。

8、微光夜視儀的總體設(shè)計(jì)與視距估算73ⅲ系統(tǒng)將目標(biāo)圖像增強(qiáng)至適于人眼觀察的程度，避免了人眼在弱光條件下的一系列視覺缺陷（如分辨力的急劇下降，對(duì)比度靈敏閾的增大、部分動(dòng)態(tài)信息的丟失）。ⅳ利用了望遠(yuǎn)鏡的助視功能，使視距增大，分辨力增強(qiáng)。ⅴ借助光電陰極向長(zhǎng)波段延伸的光譜響應(yīng)特性，把裸眼不能感知的部分近紅外輻射信息利用起來。ⅲ系統(tǒng)將目標(biāo)圖像增強(qiáng)至適于人眼觀察的程74總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟：

ⅰ、按儀器用途、視距要求及成本造價(jià)等選擇像增強(qiáng)器。ⅱ、以據(jù)初步選定的像增強(qiáng)器技術(shù)指標(biāo)、系統(tǒng)要求的觀察等級(jí)及視距等條件，初步擬定物鏡、目鏡等光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，如焦距、相對(duì)孔徑、系統(tǒng)視場(chǎng)角等。ⅲ、全系統(tǒng)外形尺寸計(jì)算及整體布局設(shè)計(jì)。ⅴ、修改設(shè)計(jì)，使總體性能達(dá)到預(yù)期狀態(tài)。

總體設(shè)計(jì)75視距估算視距—最遠(yuǎn)觀察距離或極限觀察距離。由于觀察距離與觀察等級(jí)密切相關(guān)，故視距估計(jì)應(yīng)按指定的觀察等級(jí)進(jìn)行。

ⅰ、基本公式d=f′HNc/nd估算的距離f′物鏡的焦距

H目標(biāo)的高度Nc陰極極限分辨力

n觀察等級(jí)所要求的線對(duì)數(shù)視距估算76

ⅱ、不計(jì)大氣影響時(shí)的視距估算ⅲ、大氣的影響ⅴ、考慮大氣影響時(shí)的視距估算

ⅱ、不計(jì)大氣影響時(shí)的視距估算77微光夜視儀技術(shù)微光夜視儀技術(shù)78

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)。

一、簡(jiǎn)介79

微光夜視技術(shù)的發(fā)展以1936年P(guān).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年光纖面板問世，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)。

微光夜視技術(shù)的發(fā)展以1936年P(guān).G?rlich發(fā)明80

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.VanLaar和J.J.Scheer制成了世界上第一個(gè)砷化鎵(GaAs)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62年出現(xiàn)了微通道電子倍增器，70年研制出81

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，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)器通過光纖面板與CCD耦合，做成了固態(tài)自掃描微光攝像組件，和以它為核心的新型微光電視。與MCP技術(shù)的成像器件（薄片管），把微光夜視儀82

二、黑天輻射基礎(chǔ)

黑天輻射來自于太陽、地球、月亮、星球、云層、大氣等自然輻射源。

1、自然輻射

太陽直徑：1391200公里輻射類似于色溫為5900K的黑體輻射輻射之地表的光波范圍0.3~3m

可見光區(qū)0.38

~0.76m更為突出

二、黑天輻射基礎(chǔ)83微光夜視技術(shù)剖析課件84

月亮

輻射有兩部分:反射太陽的輻射;自身輻射.月亮自身輻射與色溫為400K的黑體輻射相似

月亮85

地球

輻射有兩部分:反射的太陽輻射，峰值在0.5m附近;自身的輻射,峰值約波長(zhǎng)為10m。夜間以后者為主。

地球86顯然，地球自身的輻射大部分在814m的遠(yuǎn)紅外，正好是大氣的第三個(gè)窗口。

顯然，地球自身的輻射大部分在814m的遠(yuǎn)紅87

星球貢獻(xiàn)較小，照度為2.210-4lx，約為無月夜空光量的1/4。

大氣輝光大氣輝光產(chǎn)生于地球上空約70100km高度的大氣層中，是夜天輻射的重要組成部分，約占無月夜天光的40%。陽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。星球88其中波長(zhǎng)為0.75~2.5m的紅外輻射則主要來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。

其中波長(zhǎng)為89微光夜視技術(shù)剖析課件90

2、黑天輻射的特點(diǎn)特點(diǎn)：

夜天輻射除可見光外，還包含豐富的近紅外輻射。且無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1.3m的近紅外輻射。有月和無月夜天輻射的光譜分布相差較大，滿月月光的強(qiáng)度比星光高出約100倍。2、黑天輻射的特點(diǎn)91

無月時(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

無月時(shí)各輻射的比例為：92微光夜視技術(shù)剖析課件93三、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之為微光夜視儀。它使人類能在極低照度(10-5lx)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。三、微光夜視儀概論94

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。微弱自然光由目標(biāo)表面反射進(jìn)入夜視儀；95

2、對(duì)各部件的技術(shù)要求物鏡：⑴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)。⑵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=kE0(cos′)4E--軸外像點(diǎn)照度k---漸暈系數(shù)⑶由于一般像增強(qiáng)器極限空間分辨力不高，2、對(duì)各部件的技術(shù)要求96為3040lp/mm,故要求物鏡具有很好的低通濾波性能。為3040lp/mm,故要求物鏡具有很好的低97調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制度—可見度M=(Imax-Imin)/Itol

調(diào)制度傳遞因子與空間頻率的函數(shù)關(guān)系稱為調(diào)制傳遞函數(shù)。MTF—ModulationTransferFunction如希望其在12.5及25lp/mm頻率上分別有MTF0.75及MTF0.55的對(duì)比傳遞特性.

像增強(qiáng)器:

⑴要求像增強(qiáng)器具有足夠高的亮度增益GL.調(diào)制傳遞函數(shù)98

相關(guān)最小光增益Gm4.33103/2--人眼暗適應(yīng)時(shí)量子效率--目鏡倍率⑵像增強(qiáng)器響應(yīng)度應(yīng)盡量高。⑶良好的光譜匹配是像增強(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。⑷由于自然熱發(fā)射等因素，像增強(qiáng)器總相關(guān)最小光增益Gm4.33103/299

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10-7lx數(shù)量級(jí)。⑸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曲線來描述。MTF<min{MTFi}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。會(huì)產(chǎn)生噪聲。噪聲在熒光屏上產(chǎn)生與之100

電源：帶有自控?zé)晒馄亮炼鹊墓δ?，反?yīng)時(shí)間為0.1秒。

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(57.6mm)一致。

4、第一代微光夜視儀

電源：101微光夜視技術(shù)剖析課件102微光夜視技術(shù)剖析課件103

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。以滿足幾萬倍的光增益要求。

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。

單級(jí)像增強(qiáng)器的亮度增益通常只有50-100，104

此外，它可將目標(biāo)倒像正立過來，并實(shí)現(xiàn)104量級(jí)的亮度增益，最高分辨可達(dá)35lp/mm。

光纖面板：有效傳光效率總是小于1。約為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。此外，它可將目標(biāo)倒像正立過來，并實(shí)現(xiàn)105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?。徊捎门は窆饫w面板可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)像。

多堿光電陰極：化學(xué)組分：(Na2KSb)Cs主體：Na2KSbNa和K的比例為2:1,含少量的銫，多晶薄膜。以光纖面板之間的光學(xué)接觸直接耦合傳像，106在制成透射式光電陰極時(shí)，其厚度約為0.1m,表面吸附著單原子銫層。實(shí)驗(yàn)表明，光電陰極(Na2KSb)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Na2KSb的7.7270.003?變?yōu)?Na2KSb)Cs的7.7450.004?。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.在制成透射式光電陰極時(shí)，其厚度約為0.1m,107

實(shí)驗(yàn)表明，(Na2KSb)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的一種（最高已達(dá)700A?lm-1)。(Na2KSb)Cs光陰極有多種類型。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)整來改善其光譜響應(yīng)特性。

實(shí)驗(yàn)表明，(Na2KSb)Cs光電陰極屬p型半108

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0.9m以上，且積分靈敏度顯著提高，電子親和勢(shì)降至0.3eV.這類陰極在常溫下熱發(fā)射電流很小，約10-16A?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)成電子圖像的電子在剛離開陰極時(shí)形成低速電流。在

例如：在有效逸出深度允許的范圍內(nèi)增加光電109

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)可見光的作用一樣，故稱產(chǎn)生電磁場(chǎng)的裝置叫電子光學(xué)系統(tǒng)，也稱電子透鏡。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)。外加的靜電場(chǎng)或電磁復(fù)合場(chǎng)的作用下，電110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型：理想的球?qū)ΨQ型靜電電子透鏡系由球面光陰極和球形陽極組成，二者為同心球面，形成中心對(duì)稱型電場(chǎng)。一般采用開孔陽極，使聚焦電子得以通過。故稱準(zhǔn)球?qū)ΨQ型電子透鏡。在電子束中，電子受到電子間的相互排斥力Fe,及電子束產(chǎn)生的磁場(chǎng)的“會(huì)聚力”Fm的作用。電磁復(fù)合聚焦型：與相同，只是在電111

顯然，二者都與電子流的密度密切相關(guān)。二者的比為：Fe/Fm=(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104伏，則電子速度為0.2c,兩力的比為25。由于電子透鏡系統(tǒng)與電子流密度無關(guān)，且由于庫倫力本身的性質(zhì)，使得電子光學(xué)系統(tǒng)不可能消除這種像差。顯然，二者都與電子流的密度密切相關(guān)。112

熒光屏：常用于像增強(qiáng)熒光屏的材料有兩種：

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晶態(tài)磷光體微細(xì)顆粒(直徑為1～５m)沉積而得到的薄層，其厚度稍大于顆粒直徑，為1～8m。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，熒光屏：113

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0.1m，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。

但有礙于熒光的有效射出。114

ZnS?CdS:Ag為黃綠光熒光屏，其光譜分布與人眼視覺特性匹配較好，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，光電子密度過大時(shí)，熒光屏?xí)霈F(xiàn)過熱現(xiàn)象，易燒毀熒光材料。

ZnS?CdS:Ag為黃綠光熒光屏，其光譜分布115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。一般熒光屏可承受的電子流為10-200W·mm-2。

熒光屏的保護(hù)動(dòng)態(tài)散焦法：R=100M光照度<0.1lxI<0.1AVR<10V例：800m距離處的穿甲彈爆炸，可在夜視儀116光照度10lxI1AVR100V

可使電子光學(xué)系統(tǒng)散焦。若有強(qiáng)光，I可達(dá)5-10A，VR>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，光照度10lxI1AVR117

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)射和過量發(fā)射。

R上壓降增大，供給像增強(qiáng)器的工作電壓隨118

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：5、第二代微光夜視儀119

微通道板MCP：電子倍增器微通道板MCP：120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103～104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。其內(nèi)密布著數(shù)以百萬計(jì)的平行微小通道，同孔直徑為6～45m;孔間距應(yīng)盡量的小，以減小微通道板能對(duì)二維空間分布的電子束實(shí)現(xiàn)121

非通孔端面。當(dāng)孔徑為10～12m時(shí)，空中心距約為12～15m。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。非通孔端面。當(dāng)孔徑為10～12m時(shí)，空中心122

二次電子發(fā)射出射電子數(shù)與入射電子數(shù)之比稱為二次電子發(fā)射系數(shù)，即電子倍增系數(shù)。二次電子發(fā)射123

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，它具有半導(dǎo)電性能和較高的二次電子發(fā)射系數(shù)。為使通道內(nèi)壁具有良好的二次電子發(fā)射特性，124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：Vm=22m

電流增益125

Vm、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。Vm、m分別為最佳工作電壓和最佳長(zhǎng)徑比。126

自飽和效應(yīng)

MCP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。？？

自飽和效應(yīng)127

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離子，在工作電壓的作用下，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。自飽和現(xiàn)象不會(huì)破壞MCP的性能，其從飽和狀128

離子反饋破壞了MCP的線性工作特性，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。離子反饋破壞了MCP的線性工作特性，還影129

實(shí)驗(yàn)表明，可以通過提高探測(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。實(shí)驗(yàn)表明，可以通過提高探測(cè)效率、二次電130

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mvm2/2=h-We

h入射光子的能量，We材料表面逸出功。對(duì)于半導(dǎo)體材料，We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。與之相配套的光學(xué)系統(tǒng)也發(fā)生了變化，如131

電子親和勢(shì)EA：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EA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。

電子親和勢(shì)EA：電子由導(dǎo)帶低逸出所需的132

有一類半導(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)EC高于真空能級(jí)EO。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)：EAef=EO–EC

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。有一類半導(dǎo)體在經(jīng)特殊的表面處理，異質(zhì)結(jié)133

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O2的交替激活?，F(xiàn)已制成的負(fù)電子親和勢(shì)半導(dǎo)體材料有兩類：NEA光電陰極134

其一是元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物單晶半導(dǎo)體；其二是硅單晶半導(dǎo)體。二者都是通過吸附銫氧的表面來形成負(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:Cs2O/AlGaAs其透射式工作陰極的組成為：窗口玻璃/Si3N4/AlGaAs/GaAs:Cs2O由真空界面看去：?jiǎn)畏肿覥s2O，GaAs外延單晶，AlGaAs單晶層。

其一是元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合135

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Cs2O層，而Cs2O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。GaAs+Cs與Cs2O接觸形成異質(zhì)結(jié)，其中p型GaAs的禁帶寬度約為