高性能超二代像增強(qiáng)器及發(fā)展

李曉峰，趙 恒，張彥云，張勤東

（1.北方夜視技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650217；2.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

0 引言

人眼由于受到探測閾值的限制，在夜間看不見物體。微光像增強(qiáng)器的作用就是使人眼在夜間也能看見物體[1-2]。其工作原理是利用光電陰極將入射光轉(zhuǎn)換為光電子，再利用微通道板（Microchannel plate，MCP）[3]對光電子進(jìn)行倍增，之后再提高M(jìn)CP 輸出電子的動能，最后使其轟擊熒光屏發(fā)光，從而獲得亮度適合人眼觀察的可見光圖像。微光像增強(qiáng)器從結(jié)構(gòu)上講包括輸入窗、光電陰極、MCP、熒光屏、輸出窗、管殼以及高壓電源等。輸入窗起輸入光學(xué)圖像和支撐光電陰極的作用，光電陰極起光電轉(zhuǎn)換的作用，MCP 起電子數(shù)量倍增的作用，熒光屏起電光轉(zhuǎn)換的作用，輸出窗起支撐熒光屏并輸出光學(xué)圖像的作用，管殼起真空封裝的作用，高壓電源起對光電子運(yùn)動進(jìn)行加速的作用。

目前像增強(qiáng)器主要有兩種，一種為超二代像增強(qiáng)器，另一種為三代像增強(qiáng)器。超二代像增強(qiáng)器采用Na2KSb 光電陰極[4-5]，而三代像增強(qiáng)器則采用GaAs 光電陰極[6-8]。超二代像增強(qiáng)器是在二代像增強(qiáng)器的基礎(chǔ)上，采用新技術(shù)、新工藝和新材料而發(fā)展起來的。因?yàn)樾阅芴岣唢@著，因此將這種性能更高的二代像增強(qiáng)器稱為超二代像增強(qiáng)器。超二代像增強(qiáng)器的主要參數(shù)包括陰極靈敏度、增益、信噪比、分辨力等。陰極靈敏度定義為單位入射光通量所產(chǎn)生的光電流。增益定義為像增強(qiáng)器輸出窗上的亮度與輸入窗上的照度之比；分辨力定義為像增強(qiáng)器熒光屏上所能分辨的最高黑白線對數(shù)（線密度）；信噪比定義為像增強(qiáng)器輸出信號平均值與噪聲（噪聲定義為信號與信號平均值偏差的均方根值）之比。

超二代像增強(qiáng)器從20世紀(jì)80年代中期開始，到20世紀(jì)80年代末實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，至今已經(jīng)發(fā)展了近30年。在這30年的發(fā)展過程中，其性能得到不斷提高，品質(zhì)因子（Figure of Merit，F(xiàn)OM）從500 提高到了1800以上。FOM 定義為信噪比與分辨力的乘積[9]。超二代像增強(qiáng)器技術(shù)以法國PHOTONIS 公司為代表，相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也由PHOTONIS 公司制定和引領(lǐng)。近年來，隨著PHOTONIS 公司4G 系列像增強(qiáng)器的出現(xiàn)，使超二代像增強(qiáng)器的性能達(dá)到了一個新的高度。4G 系列像增強(qiáng)器的標(biāo)志是陰極靈敏度達(dá)到1000 μA?lm－1，品質(zhì)因子達(dá)到1800。4G 系列像增強(qiáng)器與之前的超二代像增強(qiáng)器一樣，仍然采用Na2KSb光電陰極。4G 系列像增強(qiáng)器由于性能的提高，應(yīng)用范圍更廣，可以在月光星光、沙漠叢林、天空海面、城市鄉(xiāng)村等多種環(huán)境下使用。以下稱4G 系列像增強(qiáng)器為高性能超二代像增強(qiáng)器；稱之前的超二代像增強(qiáng)器為普通超二代像增強(qiáng)器。本文分析了高性能超二代像增強(qiáng)器的技術(shù)特征及性能，并與之前的超二代像增強(qiáng)器進(jìn)行了比較，提出了進(jìn)一步提高性能的技術(shù)途徑，為超二代像增強(qiáng)器的研發(fā)以及應(yīng)用提供參考。

1 特征及性能

PHOTONIS 公司高性能超二代像增強(qiáng)器與普通超二代像增強(qiáng)器相比，一個重要的區(qū)別是所采用的陰極輸入窗不同。普通超二代像增強(qiáng)器采用玻璃窗，而高性能超二代像增強(qiáng)器卻采用透射式衍射光柵窗。透射式衍射光柵窗（以下簡稱光柵窗）的結(jié)構(gòu)見圖1。該光柵窗由一個玻璃窗和一個光柵所組成，其中的玻璃窗起支撐的作用，光柵起使輸入光發(fā)生偏轉(zhuǎn)的作用。如圖1中的輸入光線1 經(jīng)過玻璃窗2 達(dá)到光柵3，由于光柵3 的衍射作用，使得輸入光1 發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這樣進(jìn)入光電陰極膜層5 的光線8 就成為斜射光，而斜射光8 到達(dá)光電陰極的真空界面6 時，因?yàn)闈M足全反射的條件[10-11]，因此會發(fā)生全反射，使光線8 再次反射回光電陰極，形成光線9，這樣入射光在光電陰極內(nèi)部的光程增加了一倍，因此增加了入射光的吸收率，從而提高了Na2KSb 光電陰極的靈敏度。

圖1 高性能超二代像增強(qiáng)器的光電陰極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of photocathode for super second generation image intensifier with high performance

圖2為光柵窗Na2KSb 光電陰極與普通玻璃輸入窗（以下簡稱普通窗）Na2KSb 光電陰極的光譜響應(yīng)曲線，其中曲線“Grating window”表示光柵窗Na2KSb 光電陰極的光譜靈敏度，而曲線“Glass window”則表示普通窗Na2KSb 光電陰極的光譜靈敏度。從圖中可以看出，光柵窗與普通窗的光譜靈敏度相比，在整個光譜響應(yīng)范圍內(nèi)，光譜靈敏度均有不同程度的提高，并且波長越長，提高的比例越大。原因是Na2KSb 材料是一種多晶半導(dǎo)體，相對于單晶半導(dǎo)體（如GaAs 半導(dǎo)體），電子的擴(kuò)散長度較小，因此其厚度不能太厚，否則光電子不能擴(kuò)散到真空界面，從而不能逸出光電陰極形成光電流。由于Na2KSb 光電陰極厚度較薄，因此對入射光吸收不充分，特別是對長波。而采用光柵窗之后，由于吸收系數(shù)增加，對入射光的吸收更充分，特別是長波，因此光柵窗光電陰極的光譜靈敏度在長波方向的增加比例較大。長波光譜靈敏度的增加，將進(jìn)一步提高Na2KSb 光電陰極與夜天光的光譜匹配系數(shù)，從而改善高性能超二代像增強(qiáng)器在夜天光條件下的使用性能。

圖2 不同陰極窗的光電陰極光譜分布Fig.2 Spectral distribution of photocathode on different windows

采用光柵窗之后，同樣的Na2KSb 光電陰極，由于吸收系數(shù)的增加，陰極靈敏度可以提高，所提高的倍數(shù)稱為增強(qiáng)系數(shù)（Enhance coefficient，EC）。EC 由式(1)定義：

式中：S1和S2分別為相同光電陰極在光柵窗和玻璃窗上的陰極靈敏度。例如對同一組制作的4 支超二代像增強(qiáng)器，2 支為采用光柵窗的超二代像增強(qiáng)器，另外2支為采用玻璃窗的超二代像增強(qiáng)器。4 支像增強(qiáng)器由于是同時制作，因此可以認(rèn)為4 支像增強(qiáng)器的光電陰極是相同的。2 支光柵窗像增強(qiáng)器的平均陰極靈敏度為S1，另外2 支玻璃窗像增強(qiáng)器的平均陰極靈敏度為S2，這樣光柵窗的EC 可以根據(jù)式(1)計(jì)算出來。

目前采用普通窗的Na2KSb 光電陰極靈敏度在750～1000 μA?lm－1之間，而對于4 G 系列超二代像增強(qiáng)器，目前陰極靈敏度在1100～1400 μA?lm－1之間[10-11]，因此可以推算出4 G 系列超二代像增強(qiáng)器所使用光柵窗的EC 為1.40～1.45。

采用普通窗的Na2KSb 光電陰極，由于對輸入光的吸收不充分，因此透過Na2KSb 光電陰極的光線還會被MCP 的輸入端反射回光電陰極，從而再次激發(fā)光電陰極發(fā)射光電子，而形成較亮的光暈，原理見圖3。如光束7 經(jīng)過陰極窗1，再經(jīng)過光電陰極2，一部分被光電陰極所吸收，另一部分透過光電陰極入射到MCP 的輸入端3 上面，經(jīng)過MCP 輸入端反射回光電陰極2，使光電陰極發(fā)射光電子9，而光電子9再經(jīng)過MCP 的倍增，激發(fā)熒光屏5 發(fā)光，最后從光纖面板輸出窗6 輸出，因此在入射光束所成亮斑10的周圍形成了一個光暈11。光暈包括電子光暈和光學(xué)光暈，此處所述的光暈是指光學(xué)光暈。采用光柵窗的Na2KSb 光電陰極，因?yàn)槲障禂?shù)增加，光吸收更充分，因此形成的光暈較小并且較暗。

圖3 光暈形成的原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of halo generation

圖4為高性能超二代像增強(qiáng)器和普通超二代像增強(qiáng)器對圓形亮斑成像的對比。投射在光電陰極上的圓形亮斑的尺寸和照度相同，但經(jīng)過像增強(qiáng)器成像之后，在熒光屏上所觀察到的圖像卻不一樣。亮斑在熒光屏上的圖像由兩部分組成，中心的亮斑為入射圓形光斑的圖像，而在亮斑周圍的一圈亮環(huán)即為光暈。對于高性能像增強(qiáng)器而言，不僅亮斑的尺寸較小，同時光暈的直徑也較小，見圖4(a)。但對于超二代像增強(qiáng)器而言，不僅亮斑圖像的尺寸較大，而言光暈的直徑也較大，見圖4(b)。高性能超二代像增強(qiáng)器的光暈較小且較暗，因此在城市周邊或機(jī)場周邊使用時，亮光源（如燈泡）對目標(biāo)圖像的干擾較小。

圖4 不同型號像增強(qiáng)器光暈比較Fig.4 Halo comparison of different image intensifier

高性能超二代像增強(qiáng)器與普通超二代像增強(qiáng)器相比較，由于性能提高顯著，使得其最低探測閾值進(jìn)一步降低。為了比較兩種像增強(qiáng)器探測閾的變化，對低照度條件下的像增強(qiáng)器分辨力進(jìn)行了測量。測量樣品分別為一支高性能超二代以及一支普通超二代像增強(qiáng)器，其中高性能超二代像增強(qiáng)器的陰極靈敏度為1214 μA?lm－1，增益為15000 cd?m－2?lx－1，信噪比為32.2，分辨力為68 lp?mm－1；普通超二代像增強(qiáng)器的陰極靈敏度為874 μA?lm－1，增益為15000 cd?m－2?lx－1，信噪比為28.4，分辨力為68 lp?mm－1。分辨力測量儀的光源為2856 K 色溫的鎢絲燈，靶板規(guī)格為USF1951。測量時，先在10－1lx 數(shù)量照度（陰極面上）條件下測量兩支像增強(qiáng)器的分辨力，然后再在光路中分別加入10 倍、100 倍或1000 倍的中性密度衰減濾光片，再分別測量兩支像增強(qiáng)器的分辨力。測量結(jié)果表明，隨著照度的不斷降低，兩支像增強(qiáng)器的分辨力均有所降低，但分辨力基本相同。當(dāng)照度進(jìn)一步降低到10－4lx 數(shù)量級時，普通超二代像增強(qiáng)器分辨力接近于消失，很難分別出分辨力靶板的圖像，見圖5(a)，但高性能超二代像增強(qiáng)器仍然能分辨出分辨力靶板的圖像，并且分辨力仍有17 lp?mm－1，見圖5(b)。這說明高性能超二代像增強(qiáng)器的陰極靈敏度提升以后，較超二代像增強(qiáng)器而言，極限探測能力有了很大的提高。

圖5 不同型號像增強(qiáng)器分辨力比較Fig.5 Resolution comparison of different image intensifier

2 提高性能的技術(shù)途徑

在不改變現(xiàn)有超二代像增強(qiáng)器技術(shù)框架的前提下進(jìn)一步提高超二代像增強(qiáng)器的信噪比和分辨力仍然是超二代像增強(qiáng)器的發(fā)展方向。因?yàn)橄裨鰪?qiáng)器的信噪比[12-13]與陰極靈敏度的平方根成正比，因此提高信噪比的關(guān)鍵就是提高陰極靈敏度。

Na2KSb 光電陰極從結(jié)構(gòu)上講由兩部分組成。一部分為Na2KSb 吸收層，另一部分為Cs3Sb 表面層，見圖6。Na2KSb 吸收層的作用是吸收光子，產(chǎn)生躍遷電子；Cs3Sb 表面層的作用是降低光電陰極的逸出功，因此Na2KSb 吸收層以及Cs3Sb 表面層均對Na2KSb 光電陰極的靈敏度高低起作用。由于Cs3Sb表面層較薄，約15 nm，再加上制作工藝相對容易，因此工藝的一致性和重復(fù)較好，所以長期以來制作工藝相對固定。而對于Na2KSb 基底層而言，由于其厚度較厚，約200 nm，再加上制作工藝較難，因此工藝的一致性和重復(fù)性較差，所以制作工藝一直在不斷改進(jìn)或優(yōu)化。從Na2KSb 光電陰極靈敏度提高的過程看，主要是Na2KSb 吸收層的制作工藝得到了不斷的優(yōu)化，而Cs3Sb 表面層的制作工藝卻未發(fā)生變化。

圖6 光電陰極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of structure for photocathode

表1為4 支普通超二代像增強(qiáng)器陰極靈敏度的實(shí)測值。從表中看出，4 支普通超二代像增強(qiáng)器樣品的陰極靈敏度高低不同，最高的為917 μA?lm－1，最低的為582 μA?lm－1。但其長波截止波長變化不大，在950 nm～955 nm 之間。長波截止波長基本相同，意味著4 支樣品的逸出功基本相同，再加上Cs3Sb 表面層的制作工藝基本相同，所以可以認(rèn)為4 支普通超二代像增強(qiáng)器樣品陰極靈敏度不同的原因在于Na2KSb吸收層的不同。例如0615#和6495#兩支樣品，長波截止波長相同，均為950 nm，逸出功也相同，均為1.3 eV，但其陰極靈敏度卻差別很大，0615#樣品的陰極靈敏度僅僅為582 μA?lm－1，而6495#樣品的陰極靈敏度卻為917 μA?lm－1。又如7650#樣品和8550#樣品相比較，7650#樣品的截止波長為955 nm，比8550#樣品的長波截止波長長5 nm，逸出功小0.01 eV，但7650#樣品的陰極靈敏度為702 μA?lm－1，比8550#樣品的陰極靈敏度低，8550#樣品的陰極靈敏度為748 μA?lm－1，這也說明造成Na2KSb 光電陰極靈敏度產(chǎn)生差距的主要因素在于 Na2KSb 吸收層。如果Na2KSb 吸收層的性能不好（如晶格質(zhì)量、吸收系數(shù)、摻雜濃度、雜質(zhì)含量、擴(kuò)散長度等），那么即使Cs3Sb 表面層達(dá)到了降低Na2KSb 光電陰極逸出功的要求，陰極的靈敏度也不會高。目前Na2KSb 光電陰極制作的實(shí)踐證明，通過改進(jìn)Na2KSb 吸收層的制作工藝能夠提高光電陰極的靈敏度，并且陰極靈敏度最高可以超過1000 μA?lm－1，并且接近1100 μA?lm－1。盡管制作工藝改進(jìn)對Na2KSb 吸收層性能影響的機(jī)理還不甚清楚，但改進(jìn)工藝確實(shí)是進(jìn)一步提高光電陰極靈敏度的有效的方法。所以加強(qiáng)對Na2KSb 材料的研究，搞清楚機(jī)理，并通過理論對實(shí)踐進(jìn)行指導(dǎo)，不斷改進(jìn)或優(yōu)化Na2KSb 吸收層的制作工藝是提高Na2KSb陰極靈敏度的途徑。可以預(yù)計(jì)隨著Na2KSb 制作工藝的進(jìn)一步改進(jìn)，普通玻璃窗Na2KSb 光電陰極的靈敏度將會達(dá)到850～1150 μA?lm－1之間。

表1 不同光電陰極靈敏度及逸出功Table 1 Sensitivity and work function of different cathode

在通過改進(jìn)Na2KSb 吸收層的制作工藝，進(jìn)一步提高Na2KSb 光電陰極靈敏度的同時，還可以進(jìn)一步提高光柵窗的EC。根據(jù)相關(guān)報(bào)道[10-11]，光柵窗的結(jié)構(gòu)以及制造工藝有多種選擇，隨著技術(shù)的發(fā)展，光柵窗的結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步優(yōu)化，光柵密度和衍射效率將進(jìn)一步提高，同時EC 也將進(jìn)一步提高。如果光柵窗的EC 達(dá)到1.6，而普通窗Na2KSb 光電陰極的靈敏度達(dá)到850～1150 μA?lm－1，那么光柵窗Na2KSb光電陰極的靈敏度可以達(dá)到1350～1800 μA?lm－1。如果MCP 的噪聲因子為1.1，根據(jù)理論計(jì)算[12-13]，超二代像增強(qiáng)器的信噪比將達(dá)到35～40。

提高超二代像增強(qiáng)器分辨力的最直接的技術(shù)途徑就是采用小絲徑的MCP 和光纖面板[14-15]。目前實(shí)踐證明，采用6 μm 絲徑MCP 和4 μm 絲徑光纖面板的超二代像增強(qiáng)器，分辨力可以達(dá)到72 lp?mm－1，根據(jù)理論推算[16-17]，如果采用4 μm絲徑MCP 和3 μm 絲徑光纖面板，那么預(yù)計(jì)分辨力將可以達(dá)到81 lp?mm－1以上，因此FOM 將會達(dá)到2800～3200 之間。

3 結(jié)論

在顛覆性技術(shù)出現(xiàn)之前，超二代像增強(qiáng)器技術(shù)仍然是沿著現(xiàn)有的技術(shù)路線不斷發(fā)展，因?yàn)闊o論是在提高Na2KSb 光電陰極的靈敏度，還是在提高超二代像增強(qiáng)器的分辨力方面，均有進(jìn)一步提高的空間。在超二代像增強(qiáng)器技術(shù)的發(fā)展過程中，PHOTONIS 公司平均每5年實(shí)現(xiàn)一次技術(shù)提升[18]，因此可以預(yù)計(jì)在今后的5～10年時間內(nèi)，超二代像增強(qiáng)器的性能還會達(dá)到一個更高的水平。

超二代像增強(qiáng)器采用 Na2KSb 光電陰極，而Na2KSb 是一種多晶半導(dǎo)體，生長工藝相對簡單，因此生產(chǎn)成本低，具有性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，而這一優(yōu)點(diǎn)與單兵夜視裝備要求性價(jià)比高的特點(diǎn)相吻合，所以超二代像增強(qiáng)器在未來5～10年時間內(nèi)，在單兵夜視裝備領(lǐng)域仍然具有不可替代性。