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微光像增强器的原理及研究进展

作者:麻将游戏    发布时间:2020-09-21 07:25    

  光电子器件论文题目:微光像增强器的原理及研究进展 电子信息工程学院学科门类 工学 微光像增强器的原理及研究进展摘要:微光像增强器是微光夜视系统的核心部件。迄今为止已经出现了一代微光 像增强器、二代微光像增强器、三代微光像增强器和四代微光像增强器。综述了 近年来微光像增强器发展的现状和动向。目前微光器件主要向第四代近贴聚焦像 增强器发展,其技术突破一是采用无膜MCP,二是光电阴极采用自动门控电源和 红外热像与微光夜视光学融合技术。夜视仪向小巧,轻便和价廉的单兵头盔及单 甲双目手持微光眼镜和微光轻武器瞄准仪发展。最后指出微光器件寿命是实现实 用化的关键。 引言 以GaAs负电子亲合势阴极为特征的第三代微光像增强器自70年代中期问世 以来,无论从制管技术、管子结构、设计、电子倍增材料、MCP 和阴极发射材料 等方面都取得了长足的发展,特别是管子的总体指标和仪器取得了可喜进展。高 性能、长寿命、低成本和低价格已成为军用部门追求的主要目标。 本文对近年来国外微光像增强器的发展情况作以报道,希望有助于国内像增 强器的研制和生产,并促进器件的发展。 微光像增强器的历史发展1.1 第一代微光像增强器 1955 年,A.Sommer 发现了量子效 率较高的NaKSb(Cs)三光阴极,它在可 见光到近红外有很好的光谱响应,使低照 度下高效光电转换成为可能。同时50 年代 初期P. Schangen 研究的同心球电子光学系统和1958 Sheldon发明的 纤维光学面板,为电子信号的增强奠定了技术基础。在60 年代中期,以高效率 一代微光像管(级联) 光电阴极、光纤面板耦合的级联式像增强器问世,被称为第一代微光像增强器(一 代管)。实际应用时候需要三只管子级联在一起。它一出现便成为夜视领域的发 展重点,逐渐替代了较早应用的主动红外夜视技术 。1966年美军曾在越南战 争开始使用,1970 年开始批量生产并装备部队。 第一代管存在一些弱点,一是怕强光,难以在战火纷飞的条件下使用;二是 三级级联管器件尺寸太大,限制了它在轻武器中的使用。 1.2 第二代微光像增强器 第二代微光像增强器(二代管)于上世 纪70 年代初期开始研制。它的主要技术特征 是微通道板的发明并引入到单级微光像管中。 第二代微光像增强器有两种结构:静电聚焦 式,如下图所示,和双近贴聚焦薄片式(简 称近贴式),如图 1-5 所示。由多碱光阴极、 电子光学系统、微通道板(MCP)和荧光屏组 。美、德、法、英、荷兰、以色列等许多技术先进的国家均可以生产二代产品,自 80 年代以后,这些国家基本上用二代 产品取代了一代产品。我国同样可使生产二代,乃至超二代产品。 1.3 第三代微光像增强器 砷化镓负电子亲和势(NEA)光阴极的发 展在微光领域引发了一场巨大的革命。这类- 族半导体光阴极的显著特点就是灵敏度高, 可通过阴极材料组分和结构设计,满足红外相 应的波段。将透射式GaAs 光阴极和带三氧化二 铝防离子反馈膜的长寿命、低噪声微通道板和荧光屏构成的双近贴结构,即为第 三代微光像增强器(三代管) ,如下图所示。与二代管相比,三代管灵敏度增加了4-8 倍,寿命延长了3 倍多,对夜间星光光谱的利用率显著提高。第三代产 品于70 年代初开始研究,80 年代美军开始装备部队。美国研制出的第三代产品 二代微光像管(静电聚焦式) 只限于向北约、韩国、日本、以色列和澳大利亚出售。 第三代微光像增强器的特征是采用砷化镓光阴极和带有防离子反馈膜的微 通道板。防离子反馈膜可以防止正离子反馈,减小反馈离子对光电阴极的轰击, 延长了像管的寿命,但同时也一定程度像减少了像管的信噪比和分辨率。 1.4 第四代微光像增强器 90 年代末期,美国 ITT 夜视公司和利顿(Litton)电光系统公司提出了第四 代微光像增强器(四代管)。1997 年,陆军部资助以上两家公司同样的经费,开 始研究此项工作。1998 年初,利顿公司首先成功研制出了工作寿命可与标准三 代管(10000 小时)相当的第四代微光像增强器的样管。2000 年末,通过了美军 陆军合格检验试验。四代管的主要特征是采用无膜新型高性能微通道板和前近贴 自动门控电源。二十多年前曾经有人提出使用体导电玻璃材料制作MCP 的思想, 但是由于材料的化学特性和玻璃成型工艺的限制而未能实现。据报道,直到 20 世纪末期,美国的研究表明,磷酸玻璃能满足体导电玻璃MCP 的要求。 四代微光像增强器的结构同三代微光像增强器基本一致,总的来说,四代微 光像增强器的两个最大的特点就是体导电 MCP 和自动脉冲门控电源。四代微光 像增强器的 MCP 已经达到了无膜却可以防离子反馈的技术层次。体导电材料的 使用大大的减少了离子反馈,使得无需使用 IBF。这样便增加了信噪比,提高了 图像质量 。四代微光像增强器信噪比高、探测距离和分辨率都相对三代提升了很多。成像相当的清晰。 微光像增强器的概念、原理以及结构2.1 微光像增强器的概念 微光像增强器(Low Light Level Image Intensifier),又称作微光像管(Low Light Level Image Tube),是微光夜视仪的核心器件,对整个系统的成像质量起着决定 性作用。 2.2 微光像增强器的原理 微光像增强器主要的原理就是光电转换原理,这个原理的过程是光子将能量 传递给电子使其运动从而形成电流。当电子从外界获得能量时将会跳到较高的能 阶,获得的能量越多跳的能阶也越高,电子处在较高的能阶时并不稳定,很快就 会把获得的能量释放回到原来的能阶。如果电子获得的能量够高就摆脱原子核的 束缚成为自由电子,电子空出来的位置则称为空穴。自由电子可能会因为摩擦或 碰撞等因素损失能量,最后受到空穴的吸引而复合。 2.3 微光像增强器的结构 微光像增强器是微光夜视系统的核心部件。整个微光夜视系统包括光学成像 镜头组、微光像增强器、后置处理系统。其中微光像增强器为最重要的一环 迄今为止已经出现了一代微光像增强器、二代微光像增强器、三代微光像增强器和四代微光像增强器。不同代的微光像管构造不同,但主要包括如下部分:光阴 极(Photocathode)、防离子反馈膜(Ion Barrier Film)、微通道板(Micro Channel Plate)和荧光屏(Fluorescent Screen)。整个管子为真空器件。 微光像增强器的应用在微光像增强器的应用领域中,应用最广的器件是近贴聚焦薄片管。由于这 种管子性能好、重量轻且分辨率高,因此很受陆军步兵和侦察机飞行员的青睐。 目前它的发展、研究及生产均处于器件的领先地位。当前近帖聚焦像增强已发展 ,管内的阴极灵敏度已高达2000μA/1m,台内已达 3200μA/1m(此 值接近理论计算值),鉴别率约达 100 对线 h,另外,这种管子所选用的部件材料均比三代管要求高,据悉制作管子的陶瓷不是 95 瓷,而是使用纳米级材料荧光粉,电子放大倍增器 所用的材料丝径为6μm。 第四代像增强器管子在技术方面的突破,主要体现在两个方面:一是管子采 用新材料制成的长寿命、高增益和低噪声的无膜 MCP;二是 NEA 光电阴极采用 了自动门控电源,其主要作用是减小强光下到达 MCP 的电子流,阻止因电流饱 和生成的冲蚀图像,从而有助于降低强光产生的光晕或图像模糊效应。其工作过 程是:管子工作时,给阴极施加脉冲式的通断电压(自动高速接通和切断&通断 频率随光强的增加而加快),使电源感知进入像管的光量;电源可以根据光照强 度自动调节管子的工作状态,以便在光照极强时减小进入微通道板(MCP)的电 子流,避免其饱和,使观察者始终能看到均匀一致的图像 。自动门控电源的技术突破大大提高了管子的使用效率和工作寿命,使像管在照明区和白天仍产生对 比度良好的高分辨率图像,而不会因背景太强导致输出图像出现模糊影像。自动 门控电源可适用于各种光照条件。在未来区域作战中,自动门控可使陆战队员能 快速在黑暗和明亮区间运动而不摘除眼镜;而且还有助于减小夜间车灯等明亮光 产生的晕圈或影像模糊效应,而三代管则没有这种功能。 通过美国陆军对无Al 膜MCP和自动门控电源第四代像增强器的使用,从 而使四代管拓展到徒步士兵和驾驶员使用像增强的范围。它除可覆盖二代管在 1/4 满月条件下的工作波段及士兵用三代管在星光下的观察外,还可在云遮星光 的极暗条件下有效工作,以及在包括黄昏和拂晓的各种条件下工作 。这就是四代管被美国用来装备部队的重要原因。第四代管像增强器的研制成功和批量生产 可以说是微光器件研究领域中的又一次革命。 微光像增强器的研究现状对微光像增强器技术研究最活跃、生产水平领先的国家是美国和俄罗斯。他 们在微光像增强器的灵敏度、分辨力和信噪比等方面的研究成果为世界微光夜视 技术的更新换代做出了重要贡献。在像增强器产品生产方面,以美国的ITT 公司 为代表的企业主要研究生产第三代、超三代微光像增强器,他们在标准三代的基 础上,发展了Omlibus III、Omlibus IV 和Omlibus 三代微光像增强器;以荷兰DEP 公司和法国的Philips 公司为代表的企业主要生产超二代、高性能微光像增强 器,他们基于三代像增强器GaAs 光阴极材料、工艺和理论,改进光阴极结构、 激活工艺等,推出了SHD-3TM、XD-4TM和XR5TM等一系列超二代、高性能像增 强器。这些高性能像增强器代表着当今世界夜视技术的领先水平 中国的微光夜视技术于上个世纪60年代开始起步,在将近50 年的时间里迅 速发展,已初步具备生成一代、二代、超二代微光像增强器的能力。中国三代微 光像增强器的研究水平也已达到美国标准三代像增强器的水平。但是由于中国微 光夜视技术起步较晚,与国外的先进水平还存在很大差距。主要表现在:在微光 夜视技术基础理论和工艺研究方面相对薄弱;在微光设备制造方面落后于先进国 家水平。 因此,要缩短微光夜视仪和器件与国外的差距,一方面应要加强器件新工艺 和新材料的研究,建立夜视成像器件研制和生产基地;同时还应形成器件研制新 格局,重视器件的制造设备研制,提高器件的制造水平,加大器件研究投资力度, 加强制管技术和材料研究,改善制管环境 [10] 。需要在探索微光关键材料、研究 红外转换微光像增强器、研制高性能紫外像增强器等多方面做出努力,突出技术 创新,促进高速跨越式发展,大大加强像增强器技术的发展力度。 总结纵观美国夜视仪器的发展,今后我国夜视仪器的发展方向是: 开发小直径(Φ16mm)MCP研制,替代现Φ18mmMCP,彻底清除亮光下 的光晕问题; 不断改进制管技术,研制新产品,提高管子综合指标和制管成品率,降低成本,使产品形成商品化,把科研成果尽快转化为生产力。 参考文献 骆冠平,何开远,王志宏,田金生,袁晓鹏.二代微光像增强器的发展与应用《红外技术》,2000, 22(02):7-10 周立伟.微光成像技术的发展于展望[A].现代光学与光子学的进展.庆祝王大珩院士从事科研活动六十五周年专集[C].天津:天津科学技术出版社,2003.316—339 金伟其,刘广荣,王霞,王志宏,孙海春,丁玲青.微光像增强器的进展及分代方法.《光学技术》,2004, 30(04):460-463 周立伟,关于像增强器的品质因数[J].红外与激光工程,2004,33(4): 331-337 田金生,骆冠平(译).像增强器技术的最新进展(J).云光技术.2000,32(1);3236. 徐江涛,张兴社.微光像增强器的最新发展动向.《应用光学》,2005, 26(2):21-23 微光像增强器的最新发展动向[J].应用光学,2005,26(2): 21-23 【10】 张敬贤,李玉丹,金伟其.微光与红外成像技术[M].北京:北 京理工大学出版社,1995


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