微光夜视技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微光夜视仪技术,1,夜视仪效果图,2,一、简介,微光夜视技术致力于探索夜间和其它低光照度,时目标图像信息的获取、转换、增强、记录和,显示。它的成就集中表现为使人眼视觉在时域、,空间和频域的有效扩展。,在军事上，微光夜视技术已实用于夜间侦查、,瞄准、车辆驾驶、光电火控和其它战场作业，,并可与红外、激光、雷达等技术结合，组成完,整的光电侦查、测量和警告系统。,3,微光夜视技术的发展以1936年P.G,rlich,发明,锑铯(Sb-Cs),光电阴极为标志。A.H.Sommer1955,年发明了锑钾钠铯(Sb-K-Na-Cs)多碱光电阴极,(S-20)，使微光夜视技术进入实质性发展阶段。,1958年光纤面板问世，加之当时荧光粉性能的,提高，为光纤面板耦合的像增强器奠定了基础。,62年美国研制出这种三级及联式像增强器，并,以次为核心部件制成第一代微光夜视仪，即所,谓的“星光镜”AN/PVS-2,并用于越战。,4,62年出现了微通道电子倍增器，70年研制出,了实用电子倍增器件MCP-微通道板,像增强器，,并在此基础上研制了第二代微光夜视仪。,70年代发展起来的高灵敏度摄像管与,MCP,像增,强器耦合，制成了性能更好的微光摄像管和,微光电视。82年英军在马岛战争中使用，取,得了预期的夜战效果。,65年J.Van Laar 和J.J.Scheer制成了世界上第,一个砷化镓(GaAs)光电阴极。79年美国ITT,公司研制出利用GaAs负电子亲和势光电阴极,5,与MCP技术的成像器件（薄片管），把,微光夜视仪,推进到第三代，工作波段也向长波延伸。,60年代研制出的电子轰击硅靶(EBS)摄像管和,二次电子电导(SEC)摄像管与像增强器耦合产生,第一代微光摄像管。,80年代以来，由于电荷耦合器件(CCD)的发展，,不断涌现新的微光摄像器件。像增强器通过光纤,面板与CCD耦合，做成了固态自扫描微光摄像,组件，和以它为核心的新型微光电视。,6,二、黑天辐射基础,黑天辐射来自于太阳、地球、月亮、星球、,云层、大气等自然辐射源。,1、自然辐射,太阳,直径：1391200公里,辐射类似于色温为5900K的黑体辐射,辐射之地表的光波范围0.3,3,m,可见光区0.38, 0.76,m,更为突出,7,8,月亮,辐射有两部分:反射太阳的辐射;自身辐射.,月亮自身辐射与色温为400K的黑体辐射相似,9,10,地球,辐射有两部分:,反射的太阳辐射，,峰值在 0.5,m,附近,;自身的辐射,峰值约波长为,10,m。夜间以,后者为主。,11,显然，,地球自身的辐射大部分在8,14,m的远红,外，正好是大气的第三个窗口。,12,星球,贡献较小，照度为2.2,10,-4,lx,，约为无月夜空光,量的1/4。,大气辉光,大气辉光产生于地球上空约70,100km高度的大,气层中，是夜天辐射的重要组成部分，约占无,月夜天光的40%。,阳光中的紫外辐射在高层大气中激发原子，并,与分子发生低频率的碰撞，是产生大气辉光的,主要原因。表现为原子钠、原子氢、分子氧、,氢氧根离子等成分的发射。,13,其中波长为,0.75,2.5,m,的红外辐射,则主要来自,氢氧根离子,的气辉，它,比其它已知,的气辉发射,约强1000倍。,14,15,2、黑天辐射的特点,特点：, 夜天辐射除可见光外，还包含丰富的近,红外辐射。且无月星空天近红外辐射为,主要成分。故伟光也是技术必须充分考,虑这一点，有效利用波长延伸至1.3,m,的,近红外辐射。, 有月和无月夜天辐射的光谱分布相差较,大，满月月光的强度比星光高出约,100倍。,16,无月时各辐射的比例为：,星光及其散射光 30%,大气辉光 40%,黄道光 15%,银河光 5%,后三项的散射光 10%,3、夜天辐射产生的景物亮度,17,18,三、微光夜视仪概论,以像增强器为核心部件的微光夜视器材称,之为微光夜视仪。它使人类能在极低照度,(10,-5,lx)条件下有效地获取景物图像的信 息。,1、组成与原理,主要部件：强光力物镜、像增强器、,目镜和电源。,从原理上看，微光夜视仪是带有像增强,器的特殊望远镜。,19,微弱自然光由目标表面反射进入夜视仪,；,在强光力物镜作用下聚焦于像增强器的光,阴极面（与物镜后焦面重合），即发出电,子；光电子在像增强器内部电子光学系统,的作用下被加速、聚焦、成像，以及高速,度轰击像增强器的荧光屏，激发出足够强,的可见光，从而把一个被微弱自然光照明,的远方目标变成适于人眼观察的可见光图,像，经目镜的进一步放大，实现有效地目,视观察。,20,2、对各部件的技术要求,物镜,：,为使像面有足够的照度，物镜应有尽可,能大的像对孔径(D/f)。,为了,像增强器阴极上目标图像照度均匀，,轴外物点的光线应尽量多地参与成像，,从而要求物镜的渐晕系数尽可能大。,E,= kE,0,(cos,),4,E,-轴外像点照度 k-渐晕系数,由于一般,像增强器极限空间分辨力不高，,21,为30,40lp/mm,故要求物镜具有很好的低,通滤波性能。,22,调制传递函数,调制度,可,见度 M = (I,max,-I,min,)/I,tol,调制度传递因子与空间频率的函数关系,称为调制传递函数。,MTFModulation Transfer Function,如希望其在12.5及25lp/mm频率上分别有,MTF,0.75及,MTF,0.55的对比传递特性.,像增强器:,要求像增强器具有足够高的亮度增益G,L,.,23,相关最小光增益 Gm, 4.3310,3,/,2,-人眼暗适应时量子效率,-目镜倍率,像增强器响应度应尽量高。,良好的光谱匹配是,像增强器能有效工,作的必要条件。这是指：光阴极光谱,响应与自然微光辐射光谱的匹配、荧,光屏辐射光谱与人眼光谱响应的匹配、,前级荧光屏与后级光阴极的光谱匹配,等。,由于自然热发射等因素，,像增强器总,24,会产生噪声。噪声在荧光屏上产生与之,相对应的背景亮度，从而限制了,像增强,器可探测的最小照度值。此值叫等效背,景照度(EBI). 通常为 10,-7,lx数量级。,频率传递性能应尽量好。作为一种低通,滤波器，,像增强器的传递特性可用,MTF,曲线来描述。,MTF v,故电子束总是,趋于“发散”，使电子透镜系统不能实现理想,的“聚焦”，即存在所谓的电子透镜的像差。,例：加速电压 10,4,伏，则电子速度为 0.2c,两力的比为25。,由于电子透镜系统与电子流密度无关，且由,于库伦力本身的性质，使得电子光学系统不,可能消除这种像差。,37,38,39,荧光屏：,常用于像增强荧光屏的材料有两种：, 以硫化锌为基质参银激活的ZnS:Ag,以,硫化锌镉为基质参银激活的ZnS,CdS:Ag,荧光屏的底层是以这类晶态磷光体微细颗粒,(直径为 1,m)沉积而得到的薄层，其厚,度稍大于颗粒直径，为 18,m。显然，颗,粒越细则图像分辨率越高，但发光效率就,越低。一般取颗粒直径与底层厚度相近。,底层厚度大有利于对入射电子的吸收，,40,但有,碍于荧光的有效射出。,荧光屏的表面附有一层铝膜，厚度为0.1,m，,覆盖在荧光粉上。其作用有三：, 防止荧光反馈到光电阴极。, 把光反射到输出方向上。, 保证荧光屏形成等电位面。,在不透光的前提下，铝膜应尽量的薄。在充,有氩气状态下蒸镀的铝膜为黑色膜，有利于,改善输出图像的对比度。,41,ZnS,CdS:Ag为黄绿光荧光屏，其光谱分布,与人眼视觉特性匹配较好，故适用于目视。,它具有中短余辉和较高的发光效率(,15cd/W)。,ZnS:Ag为蓝光荧光屏，适于摄影，,3cd/W。,强光保护,：,强闪光被夜视仪物镜聚焦，会产生很强的光阴,极发射，从而造成光阴极发生疲劳性损伤，或,永久性破坏。此外，光电子密度过大时，荧光,屏会出现过热现象，易烧毁荧光材料。,42,例：800m距离处的穿甲弹爆炸，可在夜视仪,荧光屏上产生约,500Wmm,-2,的功率密度，,屏温可达500-1000,C,。一般荧光屏可承,受的电子流为10-200,Wmm,-2,。, 荧光屏的保护,动态散焦法：,R = 100M,光照度0.1lx,I 0.1A,V,R,1000V,破坏成像效果，电子束的广泛弥散使其到达,荧屏时密度下降，,从而保护荧屏。,电阻降压法：,R -几百兆,光电流增大，,44,R上压降增大，供给像增强器的工作电压随,之变小，对光电流的增大趋势产生抑制。, 光阴极的保护,电阻降压法实际上也起着保护光阴极的作用。,当,R上压降增大，供给像增强器的工作电压,随之变小，使光阴极发射的电子不能被有效,的加速，则它们滞留在阴极区形成一个负电,荷阻挡区，阻碍阴极光电子的发射，从而保,证阴极不会产生疲劳发射和过量发射。,45,5、第二代微光夜视仪,与第一代的根本区别在于微通道板(MCP),在像增强器中的应用。,微通道板像增强器：,46,微通道板MCP：,电子倍增器,47,微通道板能对二维空间分布的电子束实现,电子数倍增。其增益为10,3,10,4,数量级。,它的特点是：增益高、噪声低、频带宽、,功耗小、寿命长、分辨率高且有自饱和效,应 。,微通道板由含铅、铋等氧化物的硅酸盐玻,璃制成 ，是厚度为毫米级的薄板。其厚度,取决于微通道直径与长径比。其内密布着,数以百万计的平行微小通道，同孔直径为,645,m;孔间距应尽量的小，以减小,48,非通孔端面。当孔径为10 12,m时，空中心,距约为12,15,m。,一般通孔面积应占截面积的55%,80%。,长度与孔径之比的典型值为40 50。,板两端镀有镍层，作为电极。在入端面镀有,Al2O3薄膜，以防离子反馈轰击光电阴极。,膜厚为3nm,其允许,动能大于120eV,的电子穿过。,49, 二次电子发射,出射电子数与入射电子数之比称为二次电,子发射系数，即电子倍增系数。,50,为使通道内壁具有良好的二次电子发射特性，,通常进行烧氢处理,高,温下被氢还原的铅原,子分散在玻璃表面，它具有半导电性能和较,高的,二次电子发射系数。,51, 电流增益,MCP的增益,定义为输出,与输入电流,密度之比。,电流增益Gn,与通道长径比,的关系：,V,m,= 22,m,52,V,m 、,m,分别为最佳工作电压和最佳长径比。,为提高增益，MCP输入端应具有尽量大的,开口面积比。通孔面积与总截面积之比叫,微通道板的探测效率,。有时通道采用喇叭,形入射口，可使比值达80%。,MCP参数的设定：首先依据空间分辨率要,求确定通道直径；再按工作电压确定最佳,长径比,m,；然后选定MCP的厚度。这样不,但可获得最佳增益，而且可获得较高的增,益均匀性。,53, 自饱和效应,MCP的,自饱和效应表现为：当输入电流密度增,大到一定程度后，输出电流密度不再随输入,电流增加而增加。,此效应是第二代像增强器,的突出优点,。使其具有防强光的特性。,产生自饱和效应的主要原因是：,通道内壁上,维持二次电子发射的传导电流与反向的二次,电子所形成的附加电流在输出端附近处于抗,衡状态，结果是输出电流密度不再增大,。？,54,自饱和现象不会破坏,MCP的性能，其从饱和状,态恢复的时间小于人眼的时间常数，故不妨,碍观察。更重要的是保护荧光屏免受强闪光,的破坏。 MCP中某一通道的饱和不会影响其,它邻近通道。, 离子反馈的防范,特别是在,MCP的输出端，残留气体被电离生成,的阳离子，在工作电压的作用下，撞向光电,阴极，即所谓的离子,反馈。由此产生的,光电,阴极发射，在荧光屏上形成所谓的离子斑。,55,离子反馈破坏了,MCP的线性工作特性，还影,响光电阴极的寿命。,防止措施有：提高真空度、制作斜通道、设,收集极、镀膜。, 背景噪声,实验表明，在典型工作条件下，背景噪声的,等效电子输入为10-1810-17A,cm-2量值水,平，比通常光电阴极的暗发射电流密度低约,两个数量级。故在讨论像增强器的整个背景,噪声时，不计,MCP的,背景噪声。,56,实验表明，可以通过提高探测效率、二次电,子发射系数及入射电子碰撞通道内壁的几率,来实现。可采用喇叭口的通道入口结构，在,内壁蒸镀氧化镁层以提高二次电子发射系数。,6、第三代微光夜视仪,第三代微光夜视仪的标志是其光电阴极采用,了具有负电子亲和势的光电材料。这一变化,使像增强器及第三代微光夜视仪的性能发生,了更新换代的变化。,57,与之相配套的光学系统也发生了变化，如,采用了非求绵绵性、引入便于制造和更换,的光学塑料透镜组件、应用光学全息透镜,等。, 光电子发射,mv,m,2,/2 = h, - W,e,h,入射光子的能量，W,e,材料表面逸出功。,对于半导体材料，W,e,有两部分组成：,电子由激发中心到导带的最低能量；电子,由导带低逸出所需的最低能量。,58,电子亲和势,E,A,：,电子由导带低逸出所需的,最低能量。,显然，光电子发射与,E,A,紧密相关。而不但与,导带的能级有关，还与材料表面的状态有关。,若半导体表面吸附着其它元素的分子、原子,或离子，则可能形成束缚能级（称为表面态）。,若吸附层有一定的厚度，就在表面形成施主或,受主能级，从而出现异质结,。,这些情况都会引,起半导体表面区域能态的变化，影响电子的逸,出。,59,有一类半导体在经特殊的表面处理，异质结,能带发生弯曲，可能使其导带底的能级E,C,高于真空能级E,O,。在这种情况下， 激发至,导带的电子如其到达激活表面前未被复合，,就可能从材料表面逸出。显然，这对光发射,十分有利。在这种构思下，研制了负电子亲,和势（NEA）光电阴极。,定义有效电子亲和势：E,Aef,= E,O, E,C,表示由能带弯曲所得到的由导带底到真空能,级之间的能量差值。,60,NEA,光电阴极,负电子亲和势光电阴极的理论是Simon,在1963年提出的。,Vanlaar和J.J.scheer 报道其利用砷化镓,单晶半导体材料的高参杂结合表面吸附,铯层以降低表面势垒的研究；,Evans等对GaAs表面实施Cs和O,2,的交,替激活。,现已制成的负电子亲和势半导体材料有,两类：,61,其一是元素周期表中、族元素的化合,物单晶半导体；其二是硅单晶半导体。,二者都是通过吸附铯氧的表面来形成负电,子亲和势。,代表性的,负电子亲和势光电阴极是：,GaAs:Cs,2,O/AlGaAs,其透射式工作阴极的组成为：,窗口玻璃/Si,3,N,4,/ AlGaAs/ GaAs:Cs,2,O,由真空界面看去：, 单分子,Cs,2,O,，,GaAs,外延单晶，,AlGaAs单晶层。,62,其中,为光电发射体； 为生成良好的单晶,态,GaAs层设置基底。 AlGaAs与GaAs之间,有良好的晶格匹配，从而有效地减小了光电,阴极后界面处受激电子的复合速率。,GaAs通过掺杂构成p型半导体，先在其表面,蒸积单原子铯层，再吸附Cs,2,O层，而Cs,2,O,是n型半导体，其禁带宽度为2eV，逸出功约,为0.6eV，电子亲和势约为0.4eV。,GaAs+ Cs与Cs,2,O接触形成异质结，其中p型,GaAs的禁带宽度约为1.4eV,逸出功约为,4.7eV.,63,64,在接触前，左侧GaAs+ Cs与右侧Cs,2,O真空能,级应处于相同高度。接触后，在界面处由于,隧道效应而发生电荷转移，达到新的平衡。,平衡后，两边的费米能级高度一致。由于空,间电荷的存在， p型GaAs在界面处能带向下,弯曲，而n型Cs,2,O在界面处能带向上弯曲。原,因是Cs,2,O的逸出功远小于GaAs的。,GaAs:Cs,2,O的有效电子亲和势E,Aef,小于零。,65,第三代像增强器,第三代像增强器的特点就是：采用,负电子亲,和势光电阴极，同时利用MCP对像信号放大。,但由于砷化镓光电阴极结构的限制，入射端,玻璃窗必须是平板形式，故,第三代像增强器,目前只能取双近贴结构。,66,67,68,量子效率高、光谱响应宽是这种像增强器,的特殊优点。由图可看出，透射式砷化镓,光电阴极比锑钾钠铯光电阴极灵敏度高三,倍多，且使用寿命长，光谱响应波段明显,向长波区延伸，同时在响应区内响应值变,化很小。,负电子亲和势光电阴极的受激电子向表面,迁移的过程与一般光电阴极不同。 一般正,电子亲和势光电阴极中只有过热电子迁移,至表面才能形成光电发射。,69,过热电子的寿命为10,-14,10,-12,s，此时受激电,子以10,7,-10,8,cm,s,-1,的平均速度做随机迁移运动，,并产生晶格散射，前进的有效距离为10-20nm。,而负电子亲和势光电阴极中全部受激电子都可,参与光电发射，哪怕是处于导带底部的电子，,只有在没被复合前能扩散到表面，就可能逸出。,受激电子的寿命长达10,-8,s量级，在寿命时限,内其扩散至表面的有效逸出深度可达1,m，故,其量子效率显著提高。,70,此外,，,它所形成光电发射的电子大多处于导带,底部，故其逸出光电子的动能分布比较集中；,另外，由于其逸出深度较大，故光电子出射角,散布也较小，其大都集中于光电阴极的法线方,向；再加上其暗电流小，所有这些都有利于降,低电子光学系统的像差。从而，有效地提高了,像曾强器的分辨力和系统的视距（观察距离比,第二代提高1.5倍以上）。,71,除上述GaAs:Cs,2,O这种二元,、族元素,负电子,亲和势光电阴极外，还有多元（如三元、四元）,、族元素,光电阴极（如铟镓砷、铟砷磷等），,它们对红外光敏感，其长波阈值可延伸至,1.58 1.65,m，可充分利用夜光天的辐射能，,提高仪器的作用距离；还可与,1.06,m波长工作,的激光器配合，制成主动-被动合一的夜视仪。,第三代夜视仪尽管其性能优越，但它工艺复杂，,造价昂贵，能否大量使用，取决于其性能价格比。,72,7、微光夜视仪的静态性能, 像增强器的主要特性及性能水平,影响夜视仪整体性能的主要参数：,亮度增益、等效背景照度、响应度、像增,强器的放大倍率、分辨率、极限分辨率及,光阴极的有效直径。,73,74,75, 微光夜视仪的光学性能,实际上夜视仪就是带有像增强器的望远镜，,故它具有与普通望远镜相应的主要光学性,能。这包括：,视放大率,、极限分辨角、视场角、物,镜相对孔径,D,0,/f,0,、目镜、出瞳直径D,、,出瞳距离l,z,。,76,8、微光夜视仪的总体设计与视距估算, 微光夜视仪的助视作用,其原因可归纳如下：,其物镜如瞳孔径比人眼瞳孔大得多，而,系统所捕获的光子数按二者比值的平方,规律迅速增加，从而有力的增大了信息,量。,光电阴极的量子效率远高于人眼暗适应,条件下的量子效率。,77, 系统将目标图像增强至适于人眼观察的程,度，避免了人眼在弱光条件下的一系列视,觉缺陷（如分辨力的急剧下降，对比度灵,敏阈的增大、部分动态信息的丢失）。, 利用了望远镜的助视功能，使视距增大，,分辨力增强。, 借助光电阴极向长波段延伸的光谱响应特,性，把裸眼不能感知的部分近红外辐射信,息利用起来。,78, 总体设计,设计步骤：,、按仪器用途、视距要求及成本造价等选,择像增强器。,、以据初步选定的像增强器技术指标、系,统要求的观察等级及视距等条件，初步,拟定物镜、目镜等光学系统参数，如,焦距、相对孔径、系统视场角等。,、全系统外形尺寸计算及整体布局设计。,、修改设计，使总体性能达到预期状态。,79, 视距估算,视距,最,远观察距离或极限观察距离。,由于观察距离与观察等级密切相关，故,视距估计应按指定的观察等级进行。,、基本公式,d = f,HN,c,/n,d 估算的距离 f,物镜的焦距,H,目标的高度,N,c,阴极极限分辨力,n,观察等级所要求的线对数,80,、不计大气影响时的视距估算,、大气的影响,、考虑大气影响时的视距估算,81,82,83,84,85,86,在制成透射式光电阴极时，其厚度约为,0.1,87,