像增强器的发展现状和趋势.pdf
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1、2023年 云光技术 第55卷 第2期 16 像增强器的发展现状和趋势 陆剑鸣(北方夜视科技研究院集团有限公司,云南 昆明 650223)0 前言 本文阐述了像增强器现代发展的主要趋势,其中一个主要的趋势是国外第代像增强器的参数水平明显得到提高,包括研制在近红外波段里提高灵敏度的像增强器,发展代并研制其改进型,以及通过电子和计算机处理“分置”式显示器(代像增强器)里所获得的图像来扩展像增强器的功能。本文以俄罗斯“奥里昂”科研生产联合体()与“奥莱科斯”()光电子和夜视技术国际中心近年来联合研制的昼夜彩色立体电视观察系统为例来加以说明。作为夜视仪主要器件的像增强器技术的发展在 20 世纪 60
2、年代末到 80 年代初是一个蓬勃发展的时代。在这一时期很快研制开发出代新型像增强器(代、代、代)、主要的光纤器件和微通道板。从 20 世纪 80 年代到现在,像增强器的发展可以用“平静,但进步明显”来形容。尽管在这一时期没有开发出新一代像增强器,但在发展主要器件上以及在像增强器与其配套产品进行优化应用相结合的发展中所取得的成就导致了已开发的增强器及其相应夜视仪的参数大幅增长。这在与研制新一代像增强器进行比较的完善改进型的叫法上得以反映:出现了代、代、Super代、代等。这反映在与研制代、代、Super 代、等新一代相比较的升级版本的名称中。遗憾的是,这一发展中的主要成就是在外国公司,它们决定了
3、现代像增强器的水平。国内开发单位的滞后与众所众知的经济形势有关,这主要是由于像增强器主要配件的质量下降和价格上涨。在这种情况下,国内开发单位无法提供“外国”参数水平,被迫为接近零代的简化像增强器寻找技术经济的“生境”。1 代像增强器 代像增强器与其前身的带有高效负电子亲和势的砷化镓半导体光电阴极截然不同,于19801982 年首次在国际武器展上展出。在分辨率为 3236 lp/mm 的情况下,这些像增强器的积分灵敏度为 1000 A/lm。随后,美国 Litton,ITT,Varian 公司在美国国防部的资助下,对这些像增强器进行了密集的改进工作。据报道,Litton 公司的开发人员通过使用发
4、光和光谱学方法对光电阴极半导体结构的生产过程进行严格控制,在现成的OMNI IV像增强器中实现了1800 A/lm的光电阴极积分灵敏度。在 830 nm 波长下,这种阴极的光谱灵敏度(图 1)为 190 mA/W,相当于 30%的量子输出(0.3 个电子/量子),而在 600 nm 波长下,量子输出为 40%(理论上限为 50%)。与早期的改进型相比,由于输入半导体层的优化选择,光电阴极在光谱的“蓝色”部分(达到 400450 nm)也具有良好的灵敏度。显然,在文件中输入这些灵敏度值意味着存在一定的技术储备,并且能够产生超过 2000 A/lm 的灵敏度。像增强器的发展现状和趋势 陆剑鸣17
5、图 1 现代光电阴极的典型光谱特性 图 1 中:1 为多碱(S-25)光电阴极;2 为改进的多碱光电阴极(Super S-25);3 为 OMNI IV改进的第代光电阴极(GaAs);4 为基于 InGaAs 的扩展到近红外(ENIR)的光电阴极。按照美国国防部的订购,第代 OMNI III 和 OMNI IV 像增强器里使用了通道直径为 9 m和 6 m 的微通道板(以前使用通道直径为 12 m 的微通道板)。这使得像增强器的分辨率从 3236 lp/mm(80 年代早期的像增强器)提高到 52(OMNI III)和 64(OMNI IV)lp/mm。第代像增强器参数的提高大大增加了夜视仪的
6、作用距离,尤其是在低于 0.001 lx 的地面照度情况下。与采用代或“早期”第代像增强器的同等夜视仪相比较,在这种照度情况下,AN PVS-7 夜视仪(夜视镜)的作用距离增加了 1.51.6 倍1。第代像增强器也可用来升级采用第代像增强器的夜视仪,无论是采用双面式,还是采用倒像式光电系统的第代像增强器。方案之一是 ITT 公司提出的对坦克驾驶夜视仪进行现代化改造2。夜视仪里所采用的光电阴极工作直径为 25 mm 的第代像增强器(类似于俄国产-10或“通道”像增强器)将通过以下方式被相同工作直径的第代像增强器所代替。能把“像增强器管脚”(+)系统的光学长度(光程)延长到所替换的倒像式像增强器长
7、度的扭转式光纤管脚与第代像增强器的输出光纤板进行光学连接。近来用“像增强器管脚”系统的取代不需要改变夜视仪的光学电路及其部件,这在经济上非常有利。由于第代像增强器具有更高的灵敏度和分辨率,因此夜视仪的作用距离(考虑到管脚里的损耗)几乎翻了一番。这种替代的总体技术经济效果抵消了第代像增强器的高成本。2 延伸到红外灵敏度的第代像增强器 直到最近,唯一对超过 0.9 m 范围敏感的光电阴极是氧银铯光电阴极(按照美国分类为 S-1),其“红色”边界为 1.21.4 m。这种光电阴极的缺点是积分灵敏度低(3050 A/lm)和暗电流高(10131011 A/cm2)。因此,带有此类光电阴极的像增强器实际
8、只能用于利用红外探照灯对所观察目标进行照射的夜视仪上(按照现有的术语则为主动夜视仪)。这种仪器在历史上被称之为第代夜视仪,当然也只能用来对付没有类似技术装备的敌人。尽管后来开发了更有效的“红色”边界为 0.9 m 的多碱光阴极像增强器,但对较长波长的光电阴极的兴趣并没有减弱,原因是夜空辐射强度较高,以及在超过 0.9 m 的波段里自然和人2023年 云光技术 第55卷 第2期 18 工物体反射系数上的差异较大。对长波光电阴极感兴趣的另一个原因是开发波长为 1.06 m 的高效 Nd:YAG 激光发射器,并需要能够对其辐射进行显示。后者可以是自己的照明或目标指示,也可以是敌人类似设备和测距仪的辐
9、射。由于对基于 AIII-BV化合物的带有负电子亲和势的光电发射体进行了大量的研究,因此研制比氧银铯光电阴极具有更高积分灵敏度的长波光电阴极出现了可能性。基于 AIII-BV化合物的光电阴极被认为是最有前途的,该化合物具有附加电场,可减轻电子在真空中的输出,并能得到 1.61.8 m 范围里的光电发射。在 1.21.6 m 范围内,获得了带有此类光电阴极的像增强器样品,量子输出高达 10%3。然而,这种像增强器技术无法批量生产。主要原因是薄光电阴极中的强电场(高达 50000 V/cm)会导致图像质量(均匀性、缺陷)和可靠性(电强度)方面的不合格。增加第代光电阴极红外灵敏度的工作取得了更大的成
10、功:通过在 GaAs 活性层中添加了1015%的铟并通过这种方式产生 InGaAs 三元化合物,利用光致发光和喇曼光谱法仔细控制其组分2。因此,利顿(Litton)公司基于第代像增强器的标准结构研制了一个名为“延伸近红外”(Extended Near IR)的光电阴极像增强器,简称 ENIR。这种像增强器在积分灵敏度为 3001000 mA/lm 情况下的光谱灵敏度见图 1。在 1.06 m 的“激光”波长上,灵敏度为 0.0250.35 mA/W(量子输出分别为 0.0030.04%),略低于该波长上氧银铯光电阴极的灵敏度(约 0.7 mA/W)。然而,较低的暗电流(大约 5.1014 A/
11、cm2)和更高的积分灵敏度可开发出新型光电阴极,这无论是对于开发被动式夜视仪,还是对于开发光照式夜视仪都极具前景。在 AQUILA III 夜视仪里对采用这种光电阴极和 46 lp/mm 分辨率的第代标准结构的像增强器进行了测试,结果如下:在 0.005 lx 的夜间照度下,对人体的可视距离达到 800 m,对坦克的可视距离达到 3200 m,在这两种情况下,背景都是绿草4。带有延伸近红外(Extended Near IR/延伸近红外)光电阴极的像增强器甚至可以探测广泛采用 Nd:YAG 激光测距仪的单个脉冲,更不用说探测测距仪和 GaAs 激光照明设备了。采用这种像增强器的夜视瞄准镜和夜视镜
12、可以提高对由一个小光束散射角激光发射器进行照明的目标的夜间射击精度,该激光发射器的轴线与射击武器的枪膛轴线相校准。在这种情况下,除了配备了延伸近红外光电阴极的像增强器外,任何其他夜视仪都不会探测到瞄准光束及其对目标的“标记”。3 代像增强器 由于第代像增强器的成本很高,像增强器和夜视仪的开发人员做出了一个合乎逻辑的决定:在改进和降低第代像增强器成本的同时,开发一个完全类似的结构(包括光学和电气参数)的像增强器,具有成熟和更便宜的多碱光电阴极。这种像增强器将在第代像增强器的大规模生产开始之前就配备夜视仪,然后再用第代像增强器取代这种“临时的”像增强器。这些具有双平面静电聚焦和微通道放大的“临时”
13、像增强器被称为代像增强器,而不是具有旋转静电聚焦和微通道放大的第代。据推测,代像增强器的参数明显接近第代。在这些像增强器的开发过程中,飞利浦(Philips)公司取得了最大的成功,研制了 1610 像增强器,远远超过了第代的参数,接近于第代像增强器。这些像增强器的公司注册名为 Supergen。在这些像增强器中,多碱光电阴极(Super S-25)的典型积分光敏度为 650 A/lm(在标准代和代像增强器中,该值不超过 280350 A/lm)。在空间频率为 25 lp/mm 时,频率对比度像增强器的发展现状和趋势 陆剑鸣19 不低于第代像增强器 OMNI III 的 19%,分辨率为 364
14、0 lp/mm5。Supergen 的开发人员根据以下因素获得了像增强器良好的噪声特性。与第代光电阴极相比较,多碱光阴极是一种更坚固的化合物,它在微通道板通道里所产生的正离子和轰击光电阴极的作用下几乎不降解。因此,代像增强器中没有代像增强器里所采用的微通道板输入端离子势垒膜。这种薄膜保护光电阴极免受正离子的侵害,同时防止 30%50%的光电阴极发射电子进入微通道板。后者导致光子检测效率降低,像增强器的噪声增加。除了没有离子势垒膜外,微通道板两个重要特性的改善也有助于降低噪声。在 Supergen 像增强器中,飞利浦公司使用了由自己技术制成的双层玻璃微通道板。这些微通道板具有较高的透明度(即微通
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