1、微光夜視儀技術微光夜視儀技術 一、簡介一、簡介 微光夜視技術致力于探索夜間和其它低光照度微光夜視技術致力于探索夜間和其它低光照度 時目標圖像信息的獲取、轉換、增強、記錄和時目標圖像信息的獲取、轉換、增強、記錄和 顯示。它的成就集中表現為使人眼視覺在時域、顯示。它的成就集中表現為使人眼視覺在時域、 空間和頻域的有效擴展。空間和頻域的有效擴展。 在軍事上，微光夜視技術已實用于夜間偵查、在軍事上，微光夜視技術已實用于夜間偵查、 瞄準、車輛駕駛、光電火控和其它戰場作業，瞄準、車輛駕駛、光電火控和其它戰場作業， 并可與紅外、激光、雷達等技術結合，組成完并可與紅外、激光、雷達等技術結合，組成完 整的光電偵

2、查、測量和警告系統。整的光電偵查、測量和警告系統。 微光夜視技術的發展以微光夜視技術的發展以1936年年P.Grlich發明發明 銻銫銻銫(Sb-Cs)光電陰極為標志。光電陰極為標志。A.H.Sommer1955 年發明了銻鉀鈉銫年發明了銻鉀鈉銫(Sb-K-Na-Cs)多堿光電陰極多堿光電陰極 (S-20)，使微光夜視技術進入實質性發展階段。，使微光夜視技術進入實質性發展階段。 1958年光纖面板問世，加之當時熒光粉性能的年光纖面板問世，加之當時熒光粉性能的 提高，為光纖面板耦合的像增強器奠定了基礎。提高，為光纖面板耦合的像增強器奠定了基礎。 62年美國研制出這種三級及聯式像增強器，并年美國研

3、制出這種三級及聯式像增強器，并 以次為核心部件制成第一代微光夜視儀，即所以次為核心部件制成第一代微光夜視儀，即所 謂的謂的“星光鏡星光鏡”AN/PVS-2,并用于越戰。并用于越戰。 6262年出現了微通道電子倍增器，年出現了微通道電子倍增器，7070年研制出年研制出 了實用電子倍增器件了實用電子倍增器件MCP-MCP-微通道板微通道板像增強器，像增強器， 并在此基礎上研制了第二代微光夜視儀。并在此基礎上研制了第二代微光夜視儀。 70年代發展起來的高靈敏度攝像管與年代發展起來的高靈敏度攝像管與MCPMCP像增像增 強器耦合，制成了性能更好的微光攝像管和強器耦合，制成了性能更好的微光攝像管和 微光

4、電視。微光電視。82年英軍在馬島戰爭中使用，取年英軍在馬島戰爭中使用，取 得了預期的夜戰效果。得了預期的夜戰效果。 65年年J.Van Laar 和和J.J.Scheer制成了世界上第制成了世界上第 一個砷化一個砷化鎵鎵(GaAs)光電陰極。光電陰極。79年美國年美國ITT 公司研制出利用公司研制出利用GaAs負電子親和勢光電陰極負電子親和勢光電陰極 與與MCPMCP技術的成像器件（薄片管），把技術的成像器件（薄片管），把微光夜視儀微光夜視儀 推進到第三代，工作波段也向長波延伸。推進到第三代，工作波段也向長波延伸。 60年代研制出的電子轟擊硅靶年代研制出的電子轟擊硅靶(EBS)攝像管和攝像管和

5、 二次電子電導二次電子電導(SEC)攝像管與像增強器耦合產生攝像管與像增強器耦合產生 第一代微光攝像管。第一代微光攝像管。 80年代以來，由于電荷耦合器件年代以來，由于電荷耦合器件(CCD)的發展，的發展， 不斷涌現新的微光攝像器件。像增強器通過光纖不斷涌現新的微光攝像器件。像增強器通過光纖 面板與面板與CCD耦合，做成了固態自掃描微光攝像耦合，做成了固態自掃描微光攝像 組件，和以它為核心的新型微光電視。組件，和以它為核心的新型微光電視。 二、黑天輻射基礎二、黑天輻射基礎 黑天輻射來自于太陽、地球、月亮、星球、黑天輻射來自于太陽、地球、月亮、星球、 云層、大氣等自然輻射源。云層、大氣等自然輻射

6、源。 1、自然輻射、自然輻射 太陽太陽 直徑：直徑：1391200公里公里 輻射類似于色溫為輻射類似于色溫為5900K的黑體輻射的黑體輻射 輻射之地表的光波范圍輻射之地表的光波范圍0.33 m 可見光區可見光區0.38 0.76 m更為突出更為突出 月亮月亮 輻射有兩部分輻射有兩部分: :反射太陽的輻射反射太陽的輻射; ;自身輻射自身輻射. . 月亮自身輻射與色溫為月亮自身輻射與色溫為400K400K的黑體輻射相似的黑體輻射相似 地球地球 輻射有兩部分輻射有兩部分:反射的太陽輻射，反射的太陽輻射，峰值在峰值在 0.5 m 附近附近; ;自身的輻射自身的輻射, ,峰值約波長為峰值約波長為1010

7、 m m。夜間以。夜間以后者為主。后者為主。 顯然，顯然，地球自身的輻射大部分在地球自身的輻射大部分在8 8 1414 m m的遠紅的遠紅外，正好是大氣的第三個窗口。外，正好是大氣的第三個窗口。 星球星球 貢獻較小，照度為貢獻較小，照度為2.22.2 1010-4-4 lx lx，約為無月夜空光，約為無月夜空光 量的量的1/41/4。 大氣輝光大氣輝光 大氣輝光產生于地球上空約大氣輝光產生于地球上空約7070 100km100km高度的大高度的大 氣層中，是夜天輻射的重要組成部分，約占無氣層中，是夜天輻射的重要組成部分，約占無 月夜天光的月夜天光的40%40%。 陽光中的紫外輻射在高層大氣中激

8、發原子，并陽光中的紫外輻射在高層大氣中激發原子，并 與分子發生低頻率的碰撞，是產生大氣輝光的與分子發生低頻率的碰撞，是產生大氣輝光的 主要原因。表現為原子鈉、原子氫、分子氧、主要原因。表現為原子鈉、原子氫、分子氧、 氫氧根離子等成分的發射。氫氧根離子等成分的發射。 其中波長為其中波長為0.752.5 m的紅外輻射的紅外輻射則主要來自則主要來自氫氧根離子氫氧根離子的氣輝，它的氣輝，它比其它已知比其它已知的氣輝發射的氣輝發射約強約強10001000倍。倍。 2 2、黑天輻射的特點、黑天輻射的特點特點：特點： 夜天輻射除可見光外，還包含豐富的近夜天輻射除可見光外，還包含豐富的近 紅外輻射。且無月星空

9、天近紅外輻射為紅外輻射。且無月星空天近紅外輻射為 主要成分。故偉光也是技術必須充分考主要成分。故偉光也是技術必須充分考 慮這一點，有效利用波長延伸至慮這一點，有效利用波長延伸至1.31.3 m m 的的近紅外輻射。近紅外輻射。 有月和無月夜天輻射的光譜分布相差較有月和無月夜天輻射的光譜分布相差較 大，滿月月光的強度比星光高出約大，滿月月光的強度比星光高出約 100100倍。倍。 無月時各輻射的比例為：無月時各輻射的比例為： 星光及其散射光星光及其散射光 30% 大氣輝光大氣輝光 40% 黃道光黃道光 15% 銀河光銀河光 5% 后三項的散射光后三項的散射光 10% 3、夜天輻射產生的景物亮度、

10、夜天輻射產生的景物亮度 三、微光夜視儀概論三、微光夜視儀概論 以像增強器為核心部件的微光夜視器材稱以像增強器為核心部件的微光夜視器材稱 之為微光夜視儀。它使人類能在極低照度之為微光夜視儀。它使人類能在極低照度 (10-5 lx)條件下有效地獲取景物圖像的信條件下有效地獲取景物圖像的信 息。息。 1、組成與原理、組成與原理 主要部件：強光力物鏡、像增強器、主要部件：強光力物鏡、像增強器、 目鏡和電源。目鏡和電源。 從原理上看，微光夜視儀是帶有像增強從原理上看，微光夜視儀是帶有像增強 器的特殊望遠鏡。器的特殊望遠鏡。 微弱自然光由目標表面反射進入夜視儀微弱自然光由目標表面反射進入夜視儀； 在強光力

11、物鏡作用下聚焦于像增強器的光在強光力物鏡作用下聚焦于像增強器的光 陰極面（與物鏡后焦面重合），即發出電陰極面（與物鏡后焦面重合），即發出電 子；光電子在像增強器內部電子光學系統子；光電子在像增強器內部電子光學系統 的作用下被加速、聚焦、成像，以及高速的作用下被加速、聚焦、成像，以及高速 度轟擊像增強器的熒光屏，激發出足夠強度轟擊像增強器的熒光屏，激發出足夠強 的可見光，從而把一個被微弱自然光照明的可見光，從而把一個被微弱自然光照明 的遠方目標變成適于人眼觀察的可見光圖的遠方目標變成適于人眼觀察的可見光圖 像，經目鏡的進一步放大，實現有效地目像，經目鏡的進一步放大，實現有效地目 視觀察。視觀察。

12、 2 2、對各部件的技術要求、對各部件的技術要求物鏡物鏡： 為使像面有足夠的照度，物鏡應有盡可為使像面有足夠的照度，物鏡應有盡可 能大的像對孔徑能大的像對孔徑(D/f)(D/f)。 為了為了像增強器陰極上目標圖像照度均勻，像增強器陰極上目標圖像照度均勻， 軸外物點的光線應盡量多地參與成像，軸外物點的光線應盡量多地參與成像， 從而要求物鏡的漸暈系數盡可能大。從而要求物鏡的漸暈系數盡可能大。 E = kE0(cos )4 E -軸外像點照度軸外像點照度 k-漸暈系數漸暈系數 由于一般由于一般像增強器極限空間分辨力不高，像增強器極限空間分辨力不高， 為為3030 40lp/mm,40lp/mm,故要

13、求物鏡具有很好的低故要求物鏡具有很好的低 通濾波性能。通濾波性能。 調制傳遞函數調制傳遞函數 調制度調制度可見度可見度 M = (IM = (Imaxmax-I-Iminmin)/I)/Itoltol 調制度傳遞因子與空間頻率的函數關系調制度傳遞因子與空間頻率的函數關系 稱為調制傳遞函數。稱為調制傳遞函數。 MTFMTFModulation Transfer Function Modulation Transfer Function 如希望其在如希望其在12.512.5及及25lp/mm25lp/mm頻率上分別有頻率上分別有 MTFMTF 0.750.75及及MTFMTF 0.550.55的對

14、比傳遞特性的對比傳遞特性. . 像增強器像增強器: 要求像增強器具有足夠高的亮度增益要求像增強器具有足夠高的亮度增益GL. 相關最小光增益相關最小光增益 Gm Gm 4.33 4.33 10103 3/ /2 2 -人眼暗適應時量子效率人眼暗適應時量子效率 -目鏡倍率目鏡倍率 像增強器響應度應盡量高。像增強器響應度應盡量高。 良好的光譜匹配是良好的光譜匹配是像增強器能有效工像增強器能有效工 作的必要條件。這是指：光陰極光譜作的必要條件。這是指：光陰極光譜 響應與自然微光輻射光譜的匹配、熒響應與自然微光輻射光譜的匹配、熒 光屏輻射光譜與人眼光譜響應的匹配、光屏輻射光譜與人眼光譜響應的匹配、 前級

15、熒光屏與后級光陰極的光譜匹配前級熒光屏與后級光陰極的光譜匹配 等。等。 由于自然熱發射等因素，由于自然熱發射等因素，像增強器總像增強器總 會產生噪聲。噪聲在熒光屏上產生與之會產生噪聲。噪聲在熒光屏上產生與之 相對應的背景亮度，從而限制了相對應的背景亮度，從而限制了像增強像增強 器可探測的最小照度值。此值叫等效背器可探測的最小照度值。此值叫等效背 景照度景照度(EBI). 通常為通常為 10-7 lx數量級。數量級。 頻率傳遞性能應盡量好。作為一種低通頻率傳遞性能應盡量好。作為一種低通 濾波器，濾波器，像增強器的傳遞特性可用像增強器的傳遞特性可用MTFMTF 曲線來描述。曲線來描述。 MTF m

16、inMTFMTF v,c v,故電子束總是故電子束總是 趨于趨于“發散發散”，使電子透鏡系統不能實現理想，使電子透鏡系統不能實現理想 的的“聚焦聚焦”，即存在所謂的電子透鏡的像差。，即存在所謂的電子透鏡的像差。 例：加速電壓例：加速電壓 10104 4伏，則電子速度為伏，則電子速度為 0.2c,0.2c, 兩力的比為兩力的比為2525。 由于電子透鏡系統與電子流密度無關，且由由于電子透鏡系統與電子流密度無關，且由 于庫倫力本身的性質，使得電子光學系統不于庫倫力本身的性質，使得電子光學系統不 可能消除這種像差。可能消除這種像差。 熒光屏：熒光屏： 常用于像增強熒光屏的材料有兩種：常用于像增強熒光

17、屏的材料有兩種： 以硫化鋅為基質參銀激活的以硫化鋅為基質參銀激活的ZnS:Ag 以以硫化鋅鎘為基質參銀激活的硫化鋅鎘為基質參銀激活的ZnSCdS:Ag 熒光屏的底層是以這類晶態磷光體微細顆粒熒光屏的底層是以這類晶態磷光體微細顆粒 (直徑為直徑為 1 m)沉積而得到的薄層，其厚沉積而得到的薄層，其厚 度稍大于顆粒直徑，為度稍大于顆粒直徑，為 18 m。顯然，顆。顯然，顆 粒越細則圖像分辨率越高，但發光效率就粒越細則圖像分辨率越高，但發光效率就 越低。一般取顆粒直徑與底層厚度相近。越低。一般取顆粒直徑與底層厚度相近。 底層厚度大有利于對入射電子的吸收，底層厚度大有利于對入射電子的吸收， 但有礙于熒

18、光的有效射出。礙于熒光的有效射出。 熒光屏的表面附有一層鋁膜，厚度為熒光屏的表面附有一層鋁膜，厚度為0.1 m， 覆蓋在熒光粉上。其作用有三：覆蓋在熒光粉上。其作用有三： 防止熒光反饋到光電陰極。防止熒光反饋到光電陰極。 把光反射到輸出方向上。把光反射到輸出方向上。 保證熒光屏形成等電位面。保證熒光屏形成等電位面。 在不透光的前提下，鋁膜應盡量的薄。在充在不透光的前提下，鋁膜應盡量的薄。在充 有氬氣狀態下蒸鍍的鋁膜為黑色膜，有利于有氬氣狀態下蒸鍍的鋁膜為黑色膜，有利于 改善輸出圖像的對比度。改善輸出圖像的對比度。 ZnSCdS:Ag為黃綠光熒光屏，其光譜分布為黃綠光熒光屏，其光譜分布 與人眼視

19、覺特性匹配較好，故適用于目視。與人眼視覺特性匹配較好，故適用于目視。 它具有中短余輝和較高的發光效率它具有中短余輝和較高的發光效率( 15cd/W)。 ZnS:Ag為藍光熒光屏，適于攝影，為藍光熒光屏，適于攝影， 3cd/W。 強光保護強光保護： 強閃光被夜視儀物鏡聚焦，會產生很強的光陰強閃光被夜視儀物鏡聚焦，會產生很強的光陰 極發射，從而造成光陰極發生疲勞性損傷，或極發射，從而造成光陰極發生疲勞性損傷，或 永久性破壞。此外，光電子密度過大時，熒光永久性破壞。此外，光電子密度過大時，熒光 屏會出現過熱現象，易燒毀熒光材料。屏會出現過熱現象，易燒毀熒光材料。 例：例：800m距離處的穿甲彈爆炸，

20、可在夜視儀距離處的穿甲彈爆炸，可在夜視儀 熒光屏上產生約熒光屏上產生約 500W500Wmmmm-2-2 的功率密度，的功率密度， 屏溫可達屏溫可達500-1000C。一般熒光屏可承。一般熒光屏可承 受的電子流為受的電子流為10-200W Wmmmm-2-2。 熒光屏的保護熒光屏的保護 動態散焦法：動態散焦法： R = 100M 光照度光照度0.1lx I 0.1 A VR 1000V, 破壞成像效果，電子束的廣泛彌散使其到達破壞成像效果，電子束的廣泛彌散使其到達 熒屏時密度下降，熒屏時密度下降， 從而保護熒屏。從而保護熒屏。 電阻降壓法：電阻降壓法： R -幾百兆幾百兆 光電流增大，光電流增

21、大， R上壓降增大，供給像增強器的工作電壓隨上壓降增大，供給像增強器的工作電壓隨 之變小，對光電流的增大趨勢產生抑制。之變小，對光電流的增大趨勢產生抑制。 光陰極的保護光陰極的保護 電阻降壓法實際上也起著保護光陰極的作用。電阻降壓法實際上也起著保護光陰極的作用。 當當R上壓降增大，供給像增強器的工作電壓上壓降增大，供給像增強器的工作電壓 隨之變小，使光陰極發射的電子不能被有效隨之變小，使光陰極發射的電子不能被有效 的加速，則它們滯留在陰極區形成一個負電的加速，則它們滯留在陰極區形成一個負電 荷阻擋區，阻礙陰極光電子的發射，從而保荷阻擋區，阻礙陰極光電子的發射，從而保 證陰極不會產生疲勞發射和過

22、量發射。證陰極不會產生疲勞發射和過量發射。 5、第二代微光夜視儀、第二代微光夜視儀 與第一代的根本區別在于微通道板與第一代的根本區別在于微通道板(MCP) 在像增強器中的應用。在像增強器中的應用。 微通道板像增強器：微通道板像增強器： 微通道板微通道板MCP： 電子倍增器電子倍增器 微通道板能對二維空間分布的電子束實現微通道板能對二維空間分布的電子束實現 電子數倍增。其增益為電子數倍增。其增益為103104數量級。數量級。 它的特點是：增益高、噪聲低、頻帶寬、它的特點是：增益高、噪聲低、頻帶寬、 功耗小、壽命長、分辨率高且有自飽和效功耗小、壽命長、分辨率高且有自飽和效 應應 。 微通道板由含鉛

23、、鉍等氧化物的硅酸鹽玻微通道板由含鉛、鉍等氧化物的硅酸鹽玻 璃制成璃制成 ，是厚度為毫米級的薄板。其厚度，是厚度為毫米級的薄板。其厚度 取決于微通道直徑與長徑比。其內密布著取決于微通道直徑與長徑比。其內密布著 數以百萬計的平行微小通道，同孔直徑為數以百萬計的平行微小通道，同孔直徑為 645 m;孔間距應盡量的小，以減小孔間距應盡量的小，以減小 非通孔端面。當孔徑為非通孔端面。當孔徑為10 12 m時，空中心時，空中心 距約為距約為12 15 m。 一般通孔面積應占截面積的一般通孔面積應占截面積的55% 80%。 長度與孔徑之比的典型值為長度與孔徑之比的典型值為40 50。 板兩端鍍有鎳層，作為

24、電極。在入端面鍍有板兩端鍍有鎳層，作為電極。在入端面鍍有 Al2O3薄膜，以防離子反饋轟擊光電陰極。薄膜，以防離子反饋轟擊光電陰極。 膜厚為膜厚為3nm,其允許其允許動能大于動能大于120eV的電子穿過。的電子穿過。 二次電子發射二次電子發射 出射電子數與入射電子數之比稱為二次電出射電子數與入射電子數之比稱為二次電 子發射系數，即電子倍增系數。子發射系數，即電子倍增系數。 為使通道內壁具有良好的二次電子發射特性，為使通道內壁具有良好的二次電子發射特性， 通常進行燒氫處理通常進行燒氫處理高溫下被氫還原的鉛原高溫下被氫還原的鉛原 子分散在玻璃表面，它具有半導電性能和較子分散在玻璃表面，它具有半導電

25、性能和較 高的高的二次電子發射系數。二次電子發射系數。 電流增益電流增益MCPMCP的增益的增益定義為輸出定義為輸出與輸入電流與輸入電流密度之比。密度之比。電流增益電流增益GnGn與通道長徑比與通道長徑比 的關系：的關系：V Vm m = 22 = 22 m m V Vm m 、 m m分別為最佳工作電壓和最佳長徑比。分別為最佳工作電壓和最佳長徑比。 為提高增益，為提高增益，MCPMCP輸入端應具有盡量大的輸入端應具有盡量大的 開口面積比。通孔面積與總截面積之比叫開口面積比。通孔面積與總截面積之比叫 微通道板的探測效率微通道板的探測效率。有時通道采用喇叭。有時通道采用喇叭 形入射口，可使比值達

26、形入射口，可使比值達80%80%。 MCPMCP參數的設定：首先依據空間分辨率要參數的設定：首先依據空間分辨率要 求確定通道直徑；再按工作電壓確定最佳求確定通道直徑；再按工作電壓確定最佳 長徑比長徑比 m m；然后選定；然后選定MCPMCP的厚度。這樣不的厚度。這樣不 但可獲得最佳增益，而且可獲得較高的增但可獲得最佳增益，而且可獲得較高的增 益均勻性。益均勻性。 自飽和效應自飽和效應 MCPMCP的的自飽和效應表現為：當輸入電流密度增自飽和效應表現為：當輸入電流密度增 大到一定程度后，輸出電流密度不再隨輸入大到一定程度后，輸出電流密度不再隨輸入 電流增加而增加。電流增加而增加。此效應是第二代像

27、增強器此效應是第二代像增強器 的突出優點的突出優點。使其具有防強光的特性。使其具有防強光的特性。 產生自飽和效應的主要原因是：產生自飽和效應的主要原因是：通道內壁上通道內壁上 維持二次電子發射的傳導電流與反向的二次維持二次電子發射的傳導電流與反向的二次 電子所形成的附加電流在輸出端附近處于抗電子所形成的附加電流在輸出端附近處于抗 衡狀態，結果是輸出電流密度不再增大衡狀態，結果是輸出電流密度不再增大。？。？ 自飽和現象不會破壞自飽和現象不會破壞MCPMCP的性能，其從飽和狀的性能，其從飽和狀 態恢復的時間小于人眼的時間常數，故不妨態恢復的時間小于人眼的時間常數，故不妨 礙觀察。更重要的是保護熒光

28、屏免受強閃光礙觀察。更重要的是保護熒光屏免受強閃光 的破壞。的破壞。 MCPMCP中某一通道的飽和不會影響其中某一通道的飽和不會影響其 它鄰近通道。它鄰近通道。 離子反饋的防范離子反饋的防范 特別是在特別是在MCPMCP的輸出端，殘留氣體被電離生成的輸出端，殘留氣體被電離生成 的陽離子，在工作電壓的作用下，撞向光電的陽離子，在工作電壓的作用下，撞向光電 陰極，即所謂的離子陰極，即所謂的離子反饋。由此產生的反饋。由此產生的光電光電 陰極發射，在熒光屏上形成所謂的離子斑。陰極發射，在熒光屏上形成所謂的離子斑。 離子反饋破壞了離子反饋破壞了MCPMCP的線性工作特性，還影的線性工作特性，還影 響光電

29、陰極的壽命。響光電陰極的壽命。 防止措施有：提高真空度、制作斜通道、設防止措施有：提高真空度、制作斜通道、設 收集極、鍍膜。收集極、鍍膜。 背景噪聲背景噪聲 實驗表明，在典型工作條件下，背景噪聲的實驗表明，在典型工作條件下，背景噪聲的 等效電子輸入為等效電子輸入為10-1810-1810-17A10-17Acm-2cm-2量值水量值水 平，比通常光電陰極的暗發射電流密度低約平，比通常光電陰極的暗發射電流密度低約 兩個數量級。故在討論像增強器的整個背景兩個數量級。故在討論像增強器的整個背景 噪聲時，不計噪聲時，不計MCPMCP的的背景噪聲。背景噪聲。 實驗表明，可以通過提高探測效率、二次電實驗表

30、明，可以通過提高探測效率、二次電 子發射系數及入射電子碰撞通道內壁的幾率子發射系數及入射電子碰撞通道內壁的幾率 來實現。可采用喇叭口的通道入口結構，在來實現。可采用喇叭口的通道入口結構，在 內壁蒸鍍氧化鎂層以提高二次電子發射系數。內壁蒸鍍氧化鎂層以提高二次電子發射系數。 6、第三代微光夜視儀、第三代微光夜視儀 第三代微光夜視儀的標志是其光電陰極采用第三代微光夜視儀的標志是其光電陰極采用 了具有負電子親和勢的光電材料。這一變化了具有負電子親和勢的光電材料。這一變化 使像增強器及第三代微光夜視儀的性能發生使像增強器及第三代微光夜視儀的性能發生 了更新換代的變化。了更新換代的變化。 與之相配套的光學

31、系統也發生了變化，如與之相配套的光學系統也發生了變化，如 采用了非求綿綿性、引入便于制造和更換采用了非求綿綿性、引入便于制造和更換 的光學塑料透鏡組件、應用光學全息透鏡的光學塑料透鏡組件、應用光學全息透鏡 等。等。 光電子發射光電子發射 mvm2/2 = h - We h 入射光子的能量，入射光子的能量，We材料表面逸出功。材料表面逸出功。 對于半導體材料，對于半導體材料，We有兩部分組成：有兩部分組成： 電子由激發中心到導帶的最低能量；電子電子由激發中心到導帶的最低能量；電子 由導帶低逸出所需的最低能量。由導帶低逸出所需的最低能量。 電子親和勢電子親和勢E EA A：電子由導帶低逸出所需的電

32、子由導帶低逸出所需的 最低能量。最低能量。 顯然，光電子發射與顯然，光電子發射與E EA A緊密相關。而不但與緊密相關。而不但與 導帶的能級有關，還與材料表面的狀態有關。導帶的能級有關，還與材料表面的狀態有關。 若半導體表面吸附著其它元素的分子、原子若半導體表面吸附著其它元素的分子、原子 或離子，則可能形成束縛能級（稱為表面態）。或離子，則可能形成束縛能級（稱為表面態）。 若吸附層有一定的厚度，就在表面形成施主或若吸附層有一定的厚度，就在表面形成施主或 受主能級，從而出現異質結受主能級，從而出現異質結。這些情況都會引這些情況都會引 起半導體表面區域能態的變化，影響電子的逸起半導體表面區域能態的

33、變化，影響電子的逸 出。出。 有一類半導體在經特殊的表面處理，異質結有一類半導體在經特殊的表面處理，異質結 能帶發生彎曲，可能使其導帶底的能級能帶發生彎曲，可能使其導帶底的能級EC 高于真空能級高于真空能級EO。在這種情況下，。在這種情況下， 激發至激發至 導帶的電子如其到達激活表面前未被復合，導帶的電子如其到達激活表面前未被復合， 就可能從材料表面逸出。顯然，這對光發射就可能從材料表面逸出。顯然，這對光發射 十分有利。在這種構思下，研制了負電子親十分有利。在這種構思下，研制了負電子親 和勢（和勢（NEA）光電陰極。）光電陰極。 定義有效電子親和勢：定義有效電子親和勢：EAef = EO EC

34、 表示由能帶彎曲所得到的由導帶底到真空能表示由能帶彎曲所得到的由導帶底到真空能 級之間的能量差值。級之間的能量差值。 NEA光電陰極光電陰極 負電子親和勢光電陰極的理論是負電子親和勢光電陰極的理論是Simon 在在1963年提出的。年提出的。 Vanlaar和和J.J.scheer 報道其利用砷化鎵報道其利用砷化鎵 單晶半導體材料的高參雜結合表面吸附單晶半導體材料的高參雜結合表面吸附 銫層以降低表面勢壘的研究；銫層以降低表面勢壘的研究； Evans等對等對GaAs表面實施表面實施Cs和和O2的交的交 替激活。替激活。 現已制成的負電子親和勢半導體材料有現已制成的負電子親和勢半導體材料有 兩類：

35、兩類： 其一是元素周期表中其一是元素周期表中、族元素的化合族元素的化合 物單晶半導體；其二是硅單晶半導體。物單晶半導體；其二是硅單晶半導體。 二者都是通過吸附銫氧的表面來形成負電二者都是通過吸附銫氧的表面來形成負電 子親和勢。子親和勢。 代表性的代表性的負電子親和勢光電陰極是：負電子親和勢光電陰極是： GaAs:Cs2O/AlGaAs 其透射式工作陰極的組成為：其透射式工作陰極的組成為： 窗口玻璃窗口玻璃/Si3N4/ AlGaAs/ GaAs:Cs2O 由真空界面看去：由真空界面看去： 單分子單分子Cs2O ， GaAs 外延單晶，外延單晶， AlGaAs單晶層。單晶層。 其中其中為光電發射

36、體；為光電發射體； 為生成良好的單晶為生成良好的單晶 態態GaAs層設置基底。層設置基底。 AlGaAs與與GaAs之間之間 有良好的晶格匹配，從而有效地減小了光電有良好的晶格匹配，從而有效地減小了光電 陰極后界面處受激電子的復合速率。陰極后界面處受激電子的復合速率。 GaAs通過摻雜構成通過摻雜構成p型半導體，先在其表面型半導體，先在其表面 蒸積單原子銫層，再吸附蒸積單原子銫層，再吸附Cs2O層，而層，而Cs2O 是是n型半導體，其禁帶寬度為型半導體，其禁帶寬度為2eV，逸出功約，逸出功約 為為0.6eV，電子親和勢約為，電子親和勢約為0.4eV。 GaAs+ Cs與與Cs2O接觸形成異質結

37、，其中接觸形成異質結，其中p型型 GaAs的禁帶寬度約為的禁帶寬度約為1.4eV,逸出功約為逸出功約為 4.7eV. 在接觸前，左側在接觸前，左側GaAs+ Cs與右側與右側Cs2O真空能真空能 級應處于相同高度。接觸后，在界面處由于級應處于相同高度。接觸后，在界面處由于 隧道效應而發生電荷轉移，達到新的平衡。隧道效應而發生電荷轉移，達到新的平衡。 平衡后，兩邊的費米能級高度一致。由于空平衡后，兩邊的費米能級高度一致。由于空 間電荷的存在，間電荷的存在， p型型GaAs在界面處能帶向下在界面處能帶向下 彎曲，而彎曲，而n型型Cs2O在界面處能帶向上彎曲。原在界面處能帶向上彎曲。原 因是因是Cs

38、2O的逸出功遠小于的逸出功遠小于GaAs的。的。 GaAs:Cs2O的有效電子親和勢的有效電子親和勢EAef小于零。小于零。 第三代像增強器第三代像增強器 第三代像增強器的特點就是：采用第三代像增強器的特點就是：采用負電子親負電子親 和勢光電陰極，同時利用和勢光電陰極，同時利用MCP對像信號放大。對像信號放大。 但由于砷化鎵光電陰極結構的限制，入射端但由于砷化鎵光電陰極結構的限制，入射端 玻璃窗必須是平板形式，故玻璃窗必須是平板形式，故第三代像增強器第三代像增強器 目前只能取雙近貼結構。目前只能取雙近貼結構。 量子效率高、光譜響應寬是這種像增強器量子效率高、光譜響應寬是這種像增強器 的特殊優點

39、。由圖可看出，透射式砷化鎵的特殊優點。由圖可看出，透射式砷化鎵 光電陰極比銻鉀鈉銫光電陰極靈敏度高三光電陰極比銻鉀鈉銫光電陰極靈敏度高三 倍多，且使用壽命長，光譜響應波段明顯倍多，且使用壽命長，光譜響應波段明顯 向長波區延伸，同時在響應區內響應值變向長波區延伸，同時在響應區內響應值變 化很小。化很小。 負電子親和勢光電陰極的受激電子向表面負電子親和勢光電陰極的受激電子向表面 遷移的過程與一般光電陰極不同。遷移的過程與一般光電陰極不同。 一般正一般正 電子親和勢光電陰極中只有過熱電子遷移電子親和勢光電陰極中只有過熱電子遷移 至表面才能形成光電發射。至表面才能形成光電發射。 過熱電子的壽命為過熱電

40、子的壽命為10-1410-12s，此時受激電，此時受激電 子以子以107-108cms-1的平均速度做隨機遷移運的平均速度做隨機遷移運 動，動， 并產生晶格散射，前進的有效距離為并產生晶格散射，前進的有效距離為 10-20nm。而負電子親和勢光電陰極中全部受。而負電子親和勢光電陰極中全部受 激電子都可參與光電發射，哪怕是處于導帶底激電子都可參與光電發射，哪怕是處于導帶底 部的電子，部的電子， 只有在沒被復合前能擴散到表只有在沒被復合前能擴散到表 面，就可能逸出。面，就可能逸出。 受激電子的壽命長達受激電子的壽命長達10-8 s 量級，在壽命時限內其擴散至表面的有效逸出量級，在壽命時限內其擴散至

41、表面的有效逸出 深度可達深度可達1 m，故其量子效率顯著提高。，故其量子效率顯著提高。 此外此外，它所形成光電發射的電子大多處于導帶它所形成光電發射的電子大多處于導帶 底部，故其逸出光電子的動能分布比較集中；底部，故其逸出光電子的動能分布比較集中； 另外，由于其逸出深度較大，故光電子出射角另外，由于其逸出深度較大，故光電子出射角 散布也較小，其大都集中于光電陰極的法線方散布也較小，其大都集中于光電陰極的法線方 向；再加上其暗電流小，所有這些都有利于降向；再加上其暗電流小，所有這些都有利于降 低電子光學系統的像差。從而，有效地提高了低電子光學系統的像差。從而，有效地提高了 像曾強器的分辨力和系統

42、的視距（觀察距離比像曾強器的分辨力和系統的視距（觀察距離比 第二代提高第二代提高1.5倍以上）。倍以上）。 除上述除上述GaAs:Cs2O這種二元這種二元、族元素族元素負電子負電子 親和勢光電陰極外，還有多元（如三元、四元）親和勢光電陰極外，還有多元（如三元、四元） 、族元素族元素光電陰極（如銦鎵砷、銦砷磷等），光電陰極（如銦鎵砷、銦砷磷等）， 它們對紅外光敏感，其長波閾值可延伸至它們對紅外光敏感，其長波閾值可延伸至 1.58 1.65 m，可充分利用夜光天的輻射能，可充分利用夜光天的輻射能， 提高儀器的作用距離；還可與提高儀器的作用距離；還可與1.06 m波長工作波長工作 的激光器配合，制成主動的激光器配合，制成主動-被動合一的夜視儀。被動合一的夜視儀。 第三代夜視儀盡管其性能優越，但它工藝復雜，第三代夜視儀盡管其性能優越，但它工藝復雜， 造價昂貴，能否大量使用，取決于其性能價格比。造價昂貴，能否大量使用，取決于其性能價格比。 7 7、微光夜視儀的靜態性能、微光夜視儀的靜態性能 像增強器的主要特性及性能水平像增強器的主要特性及性能水平 影響夜視儀整體性能的主要參數：影響夜視