微光夜视技术.pptx

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1、 一、简介一、简介 微光夜视技术致力于探索夜间和其它低光照度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、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。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、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，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。整的光电侦查、测

2、量和警告系统。第1页/共96页 微光夜视技术的发展以微光夜视技术的发展以1936年年P.G rlich发明发明 锑铯(Sb-Cs)光电阴极为标志。光电阴极为标志。A.H.Sommer1955 年发明了锑钾钠铯年发明了锑钾钠铯(Sb-K-Na-Cs)多碱光电阴极多碱光电阴极(S-20)，使微光夜视技术进入实质性发展阶段。，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。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，并年美国研制出这种三级及联式像增强器，

3、并 以次为核心部件制成第一代微光夜视仪，即所以次为核心部件制成第一代微光夜视仪，即所 谓的谓的“星光镜星光镜”AN/PVS-2,并用于越战。并用于越战。第2页/共96页 6262年出现了微通道电子倍增器，年出现了微通道电子倍增器，7070年研制出年研制出 了实用电子倍增器件了实用电子倍增器件MCP-MCP-微通道板微通道板像增强器，像增强器，并在此基础上研制了第二代微光夜视仪。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年代发展起来的高灵敏度摄像管与MCPMCP像增像增 强器耦合，制成了性能更好的微光摄像管和强器耦合，制成了性能更好的微光摄像管和 微光电视。微光电视。

4、82年英军在马岛战争中使用，取年英军在马岛战争中使用，取 得了预期的夜战效果。得了预期的夜战效果。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 一个砷化镓一个砷化镓(GaAs)光电阴极。光电阴极。79年美国年美国ITT 公司研制出利用公司研制出利用GaAs负电子亲和势光电阴极负电子亲和势光电阴极第3页/共96页 与与MCPMCP技术的成像器件（薄片管），把技术的成像器件（薄片管），把微光夜视仪微光夜视仪 推进到第三代，工作波段也向长波延伸。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年代研制出的电子轰击硅靶(EBS)摄像管和摄像管和 二

5、次电子电导二次电子电导(SEC)摄像管与像增强器耦合产生摄像管与像增强器耦合产生 第一代微光摄像管。第一代微光摄像管。80年代以来，由于电荷耦合器件年代以来，由于电荷耦合器件(CCD)的发展，的发展，不断涌现新的微光摄像器件。像增强器通过光纤不断涌现新的微光摄像器件。像增强器通过光纤 面板与面板与CCD耦合，做成了固态自扫描微光摄像耦合，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。组件，和以它为核心的新型微光电视。第4页/共96页 二、黑天辐射基础二、黑天辐射基础 黑天辐射来自于太阳、地球、月亮、星球、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。云层、大气等自

6、然辐射源。1、自然辐射、自然辐射 太阳太阳 直径：直径：1391200公里公里 辐射类似于色温为辐射类似于色温为5900K的黑体辐射的黑体辐射 辐射之地表的光波范围辐射之地表的光波范围0.33 m 可见光区0.38 0.76 m更为突出 第5页/共96页第6页/共96页 月亮月亮 辐射有两部分辐射有两部分:反射太阳的辐射反射太阳的辐射;自身辐射自身辐射.月亮自身辐射与色温为月亮自身辐射与色温为400K400K的黑体辐射相似的黑体辐射相似 第7页/共96页第8页/共96页 地球地球 辐射有两部分辐射有两部分:反射的太阳辐射，反射的太阳辐射，峰值在峰值在 0.5 m 附近附近;自身的辐射自身的辐射

7、,峰值约波长为峰值约波长为1010 m m。夜间以。夜间以后者为主。后者为主。第9页/共96页显然，显然，地球自身的辐射大部分在地球自身的辐射大部分在8 8 1414 m m的远红的远红外，正好是大气的第三个窗口。外，正好是大气的第三个窗口。第10页/共96页 星球星球 贡献较小，照度为贡献较小，照度为2.22.2 1010-4-4 lx lx，约为无月夜空光，约为无月夜空光 量的量的1/41/4。大气辉光大气辉光 大气辉光产生于地球上空约大气辉光产生于地球上空约7070 100km100km高度的大高度的大 气层中，是夜天辐射的重要组成部分，约占无气层中，是夜天辐射的重要组成部分，约占无 月

8、夜天光的月夜天光的40%40%。阳光中的紫外辐射在高层大气中激发原子，并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、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。氢氧根离子等成分的发射。第11页/共96页其中波长为其中波长为0.752.5 m的红外辐射的红外辐射则主要来自则主要来自氢氧根离子氢氧根离子的气辉，它的气辉，它比其它已知比其它已知的气辉发射的气辉发射约强约强10001000倍。倍。第12页/共96页第13页/共96页 2 2、黑天辐射的特点、黑天辐

9、射的特点特点：特点：夜天辐射除可见光外，还包含丰富的近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虑这一点，有效利用波长延伸至1.31.3 m m 的的近红外辐射。近红外辐射。有月和无月夜天辐射的光谱分布相差较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大，满月月光的强度比星光高出约 100100倍。倍。第14页/共96页 无月时各辐射的比例为：无月时各辐射的比例为：星光及其散射光星光及其散射光 30%大气辉光大气

10、辉光 40%黄道光黄道光 15%银河光银河光 5%后三项的散射光后三项的散射光 10%3、夜天辐射产生的景物亮度、夜天辐射产生的景物亮度 第15页/共96页第16页/共96页 三、微光夜视仪概论三、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条件下有效地获取景物图像的信 息。息。1、组成与原理、组成与原理 主要部件：强光力物镜、像增强器、主要部件：强光力物镜、像增强器、目镜和电源。目镜和电源。从原理上看，微光夜视仪是带有像增强从原

11、理上看，微光夜视仪是带有像增强 器的特殊望远镜。器的特殊望远镜。第17页/共96页 微弱自然光由目标表面反射进入夜视仪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可见光，从而把一个被微弱自然光照明 的

12、远方目标变成适于人眼观察的可见光图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，实现有效地目像，经目镜的进一步放大，实现有效地目 视观察。视观察。第18页/共96页 2 2、对各部件的技术要求、对各部件的技术要求物镜物镜：为使像面有足够的照度，物镜应有尽可为使像面有足够的照度，物镜应有尽可 能大的像对孔径能大的像对孔径(D/f)(D/f)。为了为了像增强器阴极上目标图像照度均匀，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，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。从而要求物镜的渐晕系数尽可能大。E =kE0(cos )4 E -轴外

13、像点照度轴外像点照度 k-渐晕系数渐晕系数 由于一般由于一般像增强器极限空间分辨力不高，像增强器极限空间分辨力不高，第19页/共96页 为为3030 40lp/mm,40lp/mm,故要求物镜具有很好的低故要求物镜具有很好的低 通滤波性能。通滤波性能。第20页/共96页 调制传递函数调制传递函数 调制度调制度可可见度见度 M=(IM=(Imaxmax-I-Iminmin)/I)/Itoltol 调制度传递因子与空间频率的函数关系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。称为调制传递函数。MTFMTFModulation Transfer Function Modulation Tr

14、ansfer Function 如希望其在如希望其在12.512.5及及25lp/mm25lp/mm频率上分别有频率上分别有 MTFMTF 0.750.75及及MTFMTF 0.550.55的对比传递特性的对比传递特性.像增强器像增强器:要求像增强器具有足够高的亮度增益要求像增强器具有足够高的亮度增益GL.第21页/共96页 相关最小光增益相关最小光增益 Gm Gm 4.33 4.33 10103 3/2 2 -人眼暗适应时量子效率人眼暗适应时量子效率 -目镜倍率目镜倍率 像增强器响应度应尽量高。像增强器响应度应尽量高。良好的光谱匹配是良好的光谱匹配是像增强器能有效工像增强器能有效工 作的必要

15、条件。这是指：光阴极光谱作的必要条件。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、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前级荧光屏与后级光阴极的光谱匹配 等。等。由于自然热发射等因素，由于自然热发射等因素，像增强器总像增强器总第22页/共96页 会产生噪声。噪声在荧光屏上产生与之会产生噪声。噪声在荧光屏上产生与之 相对应的背景亮度，从而限制了相对应的背景亮度，从而限制了像增强像增强 器可探测的最小照度值。此值叫等效背器可探测的最小照度值。此值叫等效背 景照度景照度(EBI).通常为通常为 1

16、0-7 lx数量级。数量级。频率传递性能应尽量好。作为一种低通频率传递性能应尽量好。作为一种低通 滤波器，滤波器，像增强器的传递特性可用像增强器的传递特性可用MTFMTF 曲线来描述。曲线来描述。MTF minMTFMTF v,c v,故电子束总是故电子束总是 趋于趋于“发散发散”，使电子透镜系统不能实现理想，使电子透镜系统不能实现理想 的的“聚焦聚焦”，即存在所谓的电子透镜的像差。，即存在所谓的电子透镜的像差。例：加速电压例：加速电压 10104 4伏，则电子速度为伏，则电子速度为 0.2c,0.2c,两力的比为两力的比为2525。由于电子透镜系统与电子流密度无关，且由由于电子透镜系统与电子

17、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。可能消除这种像差。第35页/共96页第36页/共96页第37页/共96页 荧光屏：荧光屏：常用于像增强荧光屏的材料有两种：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以硫化锌为基质参银激活的ZnS:Ag 以以硫化锌镉为基质参银激活的硫化锌镉为基质参银激活的ZnSCdS:Ag 荧光屏的底层是以这类晶态磷光体微细颗粒荧光屏的底层是以这类晶态磷光体微细颗粒 (直径为直径为 1 m)沉积而得到的薄层，其厚沉积而得到的薄层，其厚 度稍大于颗粒直径，为度稍大于颗粒直径，为 18 m

18、。显然，颗。显然，颗 粒越细则图像分辨率越高，但发光效率就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。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，底层厚度大有利于对入射电子的吸收，第38页/共96页 但有碍于荧光的有效射出。碍于荧光的有效射出。荧光屏的表面附有一层铝膜，厚度为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：覆盖在荧光粉上。其作用有三：防止荧光反馈到光电阴极。防止荧光反馈到光电阴极。把光反射到输出方向上。把光反射到输出方向上。保证荧光屏形成等电位面。保证荧光屏形成等电位面。在不透光的前提下，铝膜应尽量

19、的薄。在充在不透光的前提下，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。改善输出图像的对比度。第39页/共96页 ZnSCdS:Ag为黄绿光荧光屏，其光谱分布为黄绿光荧光屏，其光谱分布 与人眼视觉特性匹配较好，故适用于目视。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，为蓝光荧光屏，适于摄影，3cd/W。强光保护强光保护：强闪光被夜视仪物镜聚焦，会产生很强的光阴强闪光被夜视仪物镜聚焦，会产生很强的光阴 极发射，从

20、而造成光阴极发生疲劳性损伤，或极发射，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。屏会出现过热现象，易烧毁荧光材料。第40页/共96页 例：例：800m距离处的穿甲弹爆炸，可在夜视仪距离处的穿甲弹爆炸，可在夜视仪 荧光屏上产生约荧光屏上产生约 500W500Wmmmm-2-2 的功率密度，的功率密度，屏温可达屏温可达500-1000C。一般荧光屏可承 受的电子流为10-200W Wmmmm-2-2。荧光屏的保护荧光屏的保护 动态散焦法：动态散焦法：R=100M 光照度光照度0.1lx I

21、0.1 A VR 1000V,破坏成像效果，电子束的广泛弥散使其到达破坏成像效果，电子束的广泛弥散使其到达 荧屏时密度下降，荧屏时密度下降，从而保护荧屏。从而保护荧屏。电阻降压法：电阻降压法：R-几百兆几百兆 光电流增大，光电流增大，第42页/共96页 R上压降增大，供给像增强器的工作电压随上压降增大，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。之变小，对光电流的增大趋势产生抑制。光阴极的保护光阴极的保护 电阻降压法实际上也起着保护光阴极的作用。电阻降压法实际上也起着保护光阴极的作用。当当R上压降增大，供给像增强器的工作电压上压降增大，供给像增强器的工作电压 随之变小，使光阴

22、极发射的电子不能被有效随之变小，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。证阴极不会产生疲劳发射和过量发射。第43页/共96页 5、第二代微光夜视仪、第二代微光夜视仪 与第一代的根本区别在于微通道板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。在像增强器中的应用。微通道板像增强器：微通道板像增强器：第44页/共96页 微通道板微通道板MCP：电子倍增器电子倍增器第45页/共96页 微通道板能对二维空间分布

23、的电子束实现微通道板能对二维空间分布的电子束实现 电子数倍增。其增益为电子数倍增。其增益为103104数量级。数量级。它的特点是：增益高、噪声低、频带宽、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功耗小、寿命长、分辨率高且有自饱和效 应应。微通道板由含铅、铋等氧化物的硅酸盐玻微通道板由含铅、铋等氧化物的硅酸盐玻 璃制成璃制成，是厚度为毫米级的薄板。其厚度，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

24、小孔间距应尽量的小，以减小第46页/共96页 非通孔端面。当孔径为非通孔端面。当孔径为10 12 m时，空中心时，空中心 距约为距约为12 15 m。一般通孔面积应占截面积的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。薄膜，以防离子反馈轰击光电阴极。膜厚为膜厚为3nm,其允许其允许动能大于动能大于120eV的电子穿过。的电子穿过。第47页/共96页 二次电子发射二次电子发射 出射电子数与入射电子数之比称为二次电出射电子数与

25、入射电子数之比称为二次电 子发射系数，即电子倍增系数。子发射系数，即电子倍增系数。第48页/共96页 为使通道内壁具有良好的二次电子发射特性，为使通道内壁具有良好的二次电子发射特性，通常进行烧氢处理通常进行烧氢处理高高温下被氢还原的铅原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子分散在玻璃表面，它具有半导电性能和较 高的高的二次电子发射系数。二次电子发射系数。第49页/共96页 电流增益电流增益MCPMCP的增益的增益定义为输出定义为输出与输入电流与输入电流密度之比。密度之比。电流增益电流增益GnGn与通道长径比与通道长径比 的关系：的关系：V Vm m=22=22 m m 第

26、50页/共96页 V Vm m、m m分别为最佳工作电压和最佳长径比。分别为最佳工作电压和最佳长径比。为提高增益，为提高增益，MCPMCP输入端应具有尽量大的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微通道板的探测效率。有时通道采用喇叭。有时通道采用喇叭 形入射口，可使比值达形入射口，可使比值达80%80%。MCPMCP参数的设定：首先依据空间分辨率要参数的设定：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求确定通道直径；再按工作电压确定最佳 长径比长径比 m m；然后选定；然后选定MCPMCP的厚度。这样不

27、的厚度。这样不 但可获得最佳增益，而且可获得较高的增但可获得最佳增益，而且可获得较高的增 益均匀性。益均匀性。第51页/共96页 自饱和效应自饱和效应 MCPMCP的的自饱和效应表现为：当输入电流密度增自饱和效应表现为：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。电流增加而增加。此效应是第二代像增强器此效应是第二代像增强器 的突出优点的突出优点。使其具有防强光的特性。使其具有防强光的特性。产生自饱和效应的主要原因是：产生自饱和效应的主要原因是：通道内壁上通道内壁上 维持二次电子发射的传导电流与反向的二次维持二次电子发射的传导电

28、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衡状态，结果是输出电流密度不再增大。？。？第52页/共96页 自饱和现象不会破坏自饱和现象不会破坏MCPMCP的性能，其从饱和状的性能，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碍观察。更重要的是保护荧光屏免受强闪光 的破坏。的破坏。MCPMCP中某一通道的饱和不会影响其中某一通道的饱和不会影响其 它邻近通道。它邻近通道。离子反馈的防范离子反馈的防范 特别是在特别是在MCPMCP的输

29、出端，残留气体被电离生成的输出端，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，即所谓的离子阴极，即所谓的离子反馈。由此产生的反馈。由此产生的光电光电 阴极发射，在荧光屏上形成所谓的离子斑。阴极发射，在荧光屏上形成所谓的离子斑。第53页/共96页 离子反馈破坏了离子反馈破坏了MCPMCP的线性工作特性，还影的线性工作特性，还影 响光电阴极的寿命。响光电阴极的寿命。防止措施有：提高真空度、制作斜通道、设防止措施有：提高真空度、制作斜通道、设 收集极、镀膜。收集极、镀膜。背景噪声背景噪声 实验表明，在典型工作条件下，背景噪声的实验表明，在典

30、型工作条件下，背景噪声的 等效电子输入为等效电子输入为10-1810-1810-17A10-17Acm-2cm-2量值水量值水 平，比通常光电阴极的暗发射电流密度低约平，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两个数量级。故在讨论像增强器的整个背景 噪声时，不计噪声时，不计MCPMCP的的背景噪声。背景噪声。第54页/共96页 实验表明，可以通过提高探测效率、二次电实验表明，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，在来实现。可采用喇叭口的通道入口结构，在 内

31、壁蒸镀氧化镁层以提高二次电子发射系数。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 第三代微光夜视仪的标志是其光电阴极采用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。了更新换代的变化。第55页/共96页 与之相配套的光学系统也发生了变化，如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、应用光学全息透镜的光学塑

32、料透镜组件、应用光学全息透镜 等。等。光电子发射光电子发射 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。对于半导体材料，对于半导体材料，We有两部分组成：有两部分组成：电子由激发中心到导带的最低能量；电子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。由导带低逸出所需的最低能量。第56页/共96页 电子亲和势电子亲和势E EA A：电子由导带低逸出所需的电子由导带低逸出所需的 最低能量。最低能量。显然，光电子发射与显然，光电子发射与E EA A紧密相关。而不但与紧密相关。而不但与 导带的能级有关，还与材料表面的状态有关。导

33、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）。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，从而出现异质结受主能级，从而出现异质结。这些情况都会引这些情况都会引 起半导体表面区域能态的变化，影响电子的逸起半导体表面区域能态的变化，影响电子的逸 出。出。第57页/共96页 有一类半导体在经特殊的表面处理，异质结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能带发生弯曲，可

34、能使其导带底的能级EC 高于真空能级高于真空能级EO。在这种情况下，。在这种情况下，激发至激发至 导带的电子如其到达激活表面前未被复合，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，研制了负电子亲十分有利。在这种构思下，研制了负电子亲 和势（和势（NEA）光电阴极。）光电阴极。定义有效电子亲和势：定义有效电子亲和势：EAef=EO EC 表示由能带弯曲所得到的由导带底到真空能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。级之间的能量差值。第58页/共96页 NEA光电阴极光电阴极 负电子亲

35、和势光电阴极的理论是负电子亲和势光电阴极的理论是Simon 在在1963年提出的。年提出的。Vanlaar和和J.J.scheer 报道其利用砷化镓报道其利用砷化镓 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；铯层以降低表面势垒的研究；Evans等对等对GaAs表面实施表面实施Cs和和O2的交的交 替激活。替激活。现已制成的负电子亲和势半导体材料有现已制成的负电子亲和势半导体材料有 两类：两类：第59页/共96页 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 物单晶半导体；其二是硅单晶半导体。物单晶半导体；其二是硅单晶半导体

36、。二者都是通过吸附铯氧的表面来形成负电二者都是通过吸附铯氧的表面来形成负电 子亲和势。子亲和势。代表性的代表性的负电子亲和势光电阴极是：负电子亲和势光电阴极是：GaAs:Cs2O/AlGaAs 其透射式工作阴极的组成为：其透射式工作阴极的组成为：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：单分子单分子Cs2O，GaAs 外延单晶，外延单晶，AlGaAs单晶层。单晶层。第60页/共96页 其中其中为光电发射体；为光电发射体；为生成良好的单晶为生成良好的单晶 态态GaAs层设置基底。层设置基底。AlGaAs与与GaAs之间之间 有良好的晶格匹配，

37、从而有效地减小了光电有良好的晶格匹配，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。阴极后界面处受激电子的复合速率。GaAs通过掺杂构成通过掺杂构成p型半导体，先在其表面型半导体，先在其表面 蒸积单原子铯层，再吸附蒸积单原子铯层，再吸附Cs2O层，而层，而Cs2O 是是n型半导体，其禁带宽度为型半导体，其禁带宽度为2eV，逸出功约，逸出功约 为为0.6eV，电子亲和势约为，电子亲和势约为0.4eV。GaAs+Cs与与Cs2O接触形成异质结，其中接触形成异质结，其中p型型 GaAs的禁带宽度约为的禁带宽度约为1.4eV,逸出功约为逸出功约为 4.7eV.第61页/共96页第62页/共96

38、页 在接触前，左侧在接触前，左侧GaAs+Cs与右侧与右侧Cs2O真空能真空能 级应处于相同高度。接触后，在界面处由于级应处于相同高度。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。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。由于空平衡后，两边的费米能级高度一致。由于空 间电荷的存在，间电荷的存在，p型型GaAs在界面处能带向下在界面处能带向下 弯曲，而弯曲，而n型型Cs2O在界面处能带向上弯曲。原在界面处能带向上弯曲。原 因是因是Cs2O的逸出功远小于的逸出功远小于GaAs的。的。GaAs:Cs2O的有效电子亲和势的有效电子亲和势EAef小于零。小于零

39、。第63页/共96页 第三代像增强器第三代像增强器 第三代像增强器的特点就是：采用第三代像增强器的特点就是：采用负电子亲负电子亲 和势光电阴极，同时利用和势光电阴极，同时利用MCP对像信号放大。对像信号放大。但由于砷化镓光电阴极结构的限制，入射端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，故玻璃窗必须是平板形式，故第三代像增强器第三代像增强器 目前只能取双近贴结构。目前只能取双近贴结构。第64页/共96页第65页/共96页 第66页/共96页 量子效率高、光谱响应宽是这种像增强器量子效率高、光谱响应宽是这种像增强器 的特殊优点。由图可看出，透射式砷化镓的特殊优点。由图可看出，

40、透射式砷化镓 光电阴极比锑钾钠铯光电阴极灵敏度高三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向长波区延伸，同时在响应区内响应值变 化很小。化很小。负电子亲和势光电阴极的受激电子向表面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。迁移的过程与一般光电阴极不同。一般正一般正 电子亲和势光电阴极中只有过热电子迁移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。至表面才能形成光电发射。第67页/共96页 过热电子的寿命为过热电子的寿命为10-1410-12s，此

41、时受激电，此时受激电 子以子以107-108cms-1的平均速度做随机迁移运动，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，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。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受激电子的寿命长达10-8 s量级，在寿命时限量级，在寿命时限 内其扩散至表面的有效逸出深度可达内其扩散至表面的有效逸出深度可达1 m，故，故 其量子

42、效率显著提高。其量子效率显著提高。第68页/共96页 此外此外，它所形成光电发射的电子大多处于导带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；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（观察距离比像曾强器的分辨力和

43、系统的视距（观察距离比 第二代提高第二代提高1.5倍以上）。倍以上）。第69页/共96页 除上述除上述GaAs:Cs2O这种二元这种二元、族元素族元素负电子负电子 亲和势光电阴极外，还有多元（如三元、四元）亲和势光电阴极外，还有多元（如三元、四元）、族元素族元素光电阴极（如铟镓砷、铟砷磷等），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，可充分利用夜光天的辐射能，提高仪器的作用距离；还可与提高仪器的作用距离；还可与1.06 m波长工作波长工作 的激光器配合，制成主动的激光器配合，制成主

44、动-被动合一的夜视仪。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，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。造价昂贵，能否大量使用，取决于其性能价格比。第70页/共96页 7 7、微光夜视仪的静态性能、微光夜视仪的静态性能 像增强器的主要特性及性能水平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：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、极限分辨率及强器的放大倍率、分辨率、极限分辨率及 光阴极的有效直径。光阴极的有效直径。第71页/共9

45、6页第72页/共96页第73页/共96页 微光夜视仪的光学性能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，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故它具有与普通望远镜相应的主要光学性 能。这包括：能。这包括：视放大率视放大率、极限分辨角、极限分辨角、视场角、视场角、物、物 镜相对孔径镜相对孔径 D D0 0/f/f0 0、目镜、出瞳直径、目镜、出瞳直径D D、出瞳距离出瞳距离l lz z。第74页/共96页 8 8、微光夜视仪的总体设计与视距估算、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微光夜视仪的助视作用 其原因可归纳如下：其原因

46、可归纳如下：其物镜如瞳孔径比人眼瞳孔大得多，而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规律迅速增加，从而有力的增大了信息 量。量。光电阴极的量子效率远高于人眼暗适应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。条件下的量子效率。第75页/共96页 系统将目标图像增强至适于人眼观察的程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

47、息的丢失）。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，利用了望远镜的助视功能，使视距增大，分辨力增强。分辨力增强。借助光电阴极向长波段延伸的光谱响应特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性，把裸眼不能感知的部分近红外辐射信 息利用起来。息利用起来。第76页/共96页 总体设计总体设计 设计步骤：设计步骤：、按仪器用途、视距要求及成本造价等选、按仪器用途、视距要求及成本造价等选 择像增强器。择像增强器。、以据初步选定的像增强器技术指标、系、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，初步统要求的观察等级及视距

48、等条件，初步 拟定物镜、目镜等光学系统参数，如拟定物镜、目镜等光学系统参数，如 焦距、相对孔径、系统视场角等。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。、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。、修改设计，使总体性能达到预期状态。第77页/共96页 视距估算视距估算 视距视距最最远观察距离或极限观察距离。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。视距估计应按指定的观察等级进行。、基本公式、基本公式 d=fd=fHNHNc c/n/n d d 估算的距离估算

49、的距离 f f 物镜的焦距物镜的焦距 H H 目标的高度目标的高度 N Nc c 阴极极限分辨力阴极极限分辨力 n n 观察等级所要求的线对数观察等级所要求的线对数第78页/共96页 、不计大气影响时的视距估算、不计大气影响时的视距估算 、大气的影响、大气的影响 、考虑大气影响时的视距估算、考虑大气影响时的视距估算 第79页/共96页第80页/共96页第81页/共96页第82页/共96页第83页/共96页第84页/共96页第85页/共96页第86页/共96页第87页/共96页第88页/共96页第89页/共96页第90页/共96页第91页/共96页第92页/共96页第93页/共96页第94页/共96页 在制成透射式光电阴极时，其厚度约为在制成透射式光电阴极时，其厚度约为 0.1第95页/共96页感谢您的观看！第96页/共96页