微光夜视技术

微光夜视仪技术一、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。微光夜视技术的发展以1936年P.Görlich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。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.VanLaar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。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。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。星球贡献较小，照度为2.210-4lx，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。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。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。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(10-5lx)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。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。2、对各部件的技术要求物镜：⑴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)。⑵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=kE0(cos´)4E--轴外像点照度k---渐晕系数⑶由于一般像增强器极限空间分辨力不高，为3040lp/mm,故要求物镜具有很好的低通滤波性能。调制传递函数调制度—可见度M=(Imax-Imin)/Itol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。MTF—ModulationTransferFunction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:⑴要求像增强器具有足够高的亮度增益GL.相关最小光增益Gm4.33103/2--人眼暗适应时量子效率--目镜倍率⑵像增强器响应度应尽量高。⑶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。⑷由于自然热发射等因素，像增强器总会产生噪声。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10-7lx数量级。⑸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。MTFmin{MTFi}频率传递性能也包含了对光阴极中央区域空间分辨力的要求。电源：带有自控荧光屏亮度的功能，反应时间为0.1秒。目镜：除具有放大作用外，其目镜出瞳直径与人眼微光下的瞳孔直径(57.6mm)一致。4、第一代微光夜视仪单级像增强器的亮度增益通常只有50-100，太低不能用于军事。故采用多级串联的方式。以满足几万倍的光增益要求。光纤面板耦合结构：入射、出射窗口均用光纤面板做成单级像增强器，将它首尾相接耦合，构成现常用的光纤面板耦合三级级联式像增强器，即第一代像增强器。在此，光纤面板可将球面像转换为平面像而完成级间耦合。此外，它可将目标倒像正立过来，并实现104量级的亮度增益，最高分辨可达35lp/mm。光纤面板：有效传光效率总是小于1。约为50%-60%.根据需要，光纤面板端面可制成平面或凹球面。其平-凹球面型面板可用于准球对称电子光学系统。光纤面板可分为普通的、变放大率的锥形光纤面板及其转像作用的扭像光纤面板。以光纤面板之间的光学接触直接耦合传像，可提高传递图像的导光效率；提供了采用准球对称电子光学系统的可能性，有利于改善像质。若采用锥形光纤面板，则可改变传像的倍率（放大或缩小）；采用扭像光纤面板可实现转像。多碱光电阴极：化学组分：(Na2KSb)Cs主体：Na2KSbNa和K的比例为2:1,含少量的铯，多晶薄膜。在制成透射式光电阴极时，其厚度约为0.1m,表面吸附着单原子铯层。实验表明，光电阴极(Na2KSb)Cs中的铯含量高于单原子铯层的需要量，这表明铯的作用不仅局限于表面效应，而且有体效应特征。铯的引入使晶格常数由原来Na2KSb的7.7270.003Å变为(Na2KSb)Cs的7.7450.004Å。有利于在晶格中引入更多的锑，使p型参杂浓度增加，导致表面能带进一步下弯，降低电子亲和势。由光电发射的长波阈可推算出电子亲和势约为0.55eV.实验表明，(Na2KSb)Cs光电阴极属p型半导体材料。在具有正电子亲和势的光电阴极中，多碱光电阴极是光电灵敏度最高的一种（最高已达700A⋅lm-1)。(Na2KSb)Cs光阴极有多种类型。改进的多碱光电阴极其厚度略有增加，故可有效地利用光吸收特性。由于其光吸收系数随波长增大而变小，故可借厚度的调整来改善其光谱响应特性。例如：在有效逸出深度允许的范围内增加光电阴极的厚度，可以提高其对长波段的光谱响应，把光电阴极的长波阈延伸至0.9m以上，且积分灵敏度显著提高，电子亲和势降至0.3eV.这类阴极在常温下热发射电流很小，约10-16A⋅cm-2,电阻率较低，故可允许较大的发射电流密度。电子透镜：光电阴极将目标图像变为电子图像。构成电子图像的电子在刚离开阴极时形成低速电流。在外加的静电场或电磁复合场的作用下，电子流被强烈的加速和聚焦，以很大的能量撞击荧光屏，形成可见光图像。由于这些电磁场对于电子束的作用与光学透镜对可见光的作用一样，故称产生电磁场的装置叫电子光学系统，也称电子透镜。电子透镜分为双平面近贴型、电磁复合聚焦型和准球对称型三种。双平面近贴型：光电阴极为物面，荧光屏为像面，其间距小且为平面。两者间加有均匀静电场。电磁复合聚焦型：与相同，只是在电场方向又加以均匀磁场。准球对称型：理想的球对称型静电电子透镜系由球面光阴极和球形阳极组成，二者为同心球面，形成中心对称型电场。一般采用开孔阳极，使聚焦电子得以通过。故称准球对称型电子透镜。在电子束中，电子受到电子间的相互排斥力Fe,及电子束产生的磁场的“会聚力”Fm的作用。显然，二者都与电子流的密度密切相关。二者的比为：Fe/Fm=(c/v)2由此式可知，因总有cv,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104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。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1～５m)沉积而得到的薄层，其厚度稍大于颗粒直径，为1～8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，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。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。例：800m距离处的穿甲弹爆炸，可在夜视仪荧光屏上产生约500W·mm-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10-200W·mm-2。荧光屏的保护动态散焦法：R=100M光照度0.1lxI0.1AVR10V光照度10lxI1AVR100V可使电子光学系统散焦。若有强光，I可达5-10A，VR1000V,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，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。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：微通道板MCP：电子倍增器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103～104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。