《光電子技術(shù)》第五章工程案例

1、光電子技術(shù)第五章工程案例第一代微光夜視儀20世紀(jì)40年代研制成功的主動(dòng)式紅外夜視儀是夜視器材的鼻祖，它的出現(xiàn) 使人類(lèi)第一次看到黑暗中的目標(biāo)。主動(dòng)式紅外夜視儀成像清晰，對(duì)比度好，但由 于需要紅外光源照射，存在著能耗大，易暴露的缺點(diǎn)。1962年，美國(guó)人研制成功像增強(qiáng)器，使得夜視器材的發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)飛躍。我們平時(shí)所謂的黑夜，很少是絕對(duì)黑暗的，因?yàn)樽匀唤缈偸谴嬖谥⑷醯墓?線，例如星月光，大氣的輝光和黃道光。即使肉眼不容易察覺(jué)的星星，對(duì)地面的 照度仍然可以達(dá)到2x10負(fù)4次方勒克司。能夠利用如此微弱的光線進(jìn)行觀測(cè)， 是因?yàn)閮蓚€(gè)技術(shù)上的重大突破。首先，研制成功了靈敏度極髙的光電陰極，既S20多堿光電陰極

2、。比以前 的光電陰極靈敏度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，使得夜視儀的光電增益大大提高。另一個(gè)突破是采用了光學(xué)纖維面板。既一種由大量光導(dǎo)纖維組成的薄板陣列, 每根纖維傳導(dǎo)一個(gè)像素減少了光的散射，傳導(dǎo)效果好，由于可以將纖維的末端排 列成曲面，天然的避免了像差，大大提高了成像質(zhì)量。將多個(gè)上述結(jié)構(gòu)的像增強(qiáng)管串聯(lián)起來(lái)，將光線逐級(jí)放大，使得極其微弱光線 下的圖象放大到了人眼可以清晰觀看的程度，便實(shí)現(xiàn)了無(wú)須紅外照明的微光觀測(cè)。越南戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，美國(guó)將利用級(jí)聯(lián)像增強(qiáng)技術(shù)投入實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，研制成功了第一 帶微光夜視儀，主要有AN/PVS-2星光鏡,AN/TVS-2班組武器瞄準(zhǔn)鏡和AN/WS- 4微光觀察鏡。微光夜視儀的工作原理可以

3、歸納為：目標(biāo)反射的微弱光線經(jīng)物鏡會(huì)聚后在像 增強(qiáng)器的陰極面上成像，逐級(jí)放大并將紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光，在最后一級(jí)的熒光 屏上形成有足夠亮度和清晰度的圖像，供使用者觀察。第二代微光夜視儀微光夜視儀能耗小，但是體積仍然嫌大，越戰(zhàn)期間，美國(guó)人又研制成了微通 道板像增強(qiáng)器，于是第二代微光夜視儀應(yīng)運(yùn)而生。有些材料具有在電子的撞擊下能夠發(fā)射出更多的電子的特性，60年代，材 料研究獲得突破，導(dǎo)致了微通道板像增強(qiáng)器的誕生。連續(xù)型通道像增強(qiáng)器的原理是一根內(nèi)壁涂有電子發(fā)射材料的細(xì)管子，在管子 兩端的電極上加上直流電壓，當(dāng)電子從管子一頭射入時(shí)，便在管內(nèi)來(lái)回碰撞，激 發(fā)出越來(lái)越多的電子，這些電子被管壁的電壓加速，并且碰撞

4、出的幾何級(jí)數(shù)增加 的電子，使得管子末端出射的電子獲得很髙的增益。通道電子倍增器的電子增益與管壁內(nèi)的電子發(fā)射材料有關(guān)，與通道的長(zhǎng)徑比 有關(guān)，與電壓有關(guān)，但與通道的大小無(wú)關(guān)，所以可以做的極小，將其并列起來(lái)組 成陣列，就可以用來(lái)傳遞顯示圖象了。單根通道的直徑一般為1012微米，長(zhǎng)500 微米，一塊通道板包含數(shù)百萬(wàn)根通道管，既數(shù)百萬(wàn)像素，可以使圖象的亮度增加 幾千乃至上萬(wàn)倍。微通道的制作對(duì)工藝的要求很高。微通道板的制作方法有多種，一般采用實(shí) 芯拉制法。所制成的夜視儀像增強(qiáng)器有兩種，一種叫做近貼式，一種叫做倒像式。近貼式微通道板像增強(qiáng)器將通道板放置在光電陰極和熒光屏之間。陰極發(fā)射 的電子束在電場(chǎng)作用下打

5、到微通道板上，經(jīng)過(guò)倍增后，投射到熒光屏上成像。由 于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，這種夜視儀尺寸小，但鑒別率較低，光學(xué)增益相對(duì)小些，需附加 正像裝置，又稱(chēng)為薄片管。倒像式微通道板像增強(qiáng)器，是在熒光屏前面放置微通道板，能達(dá)到幾萬(wàn)倍以 上的光學(xué)增益，而且不用再次倒像。第二代產(chǎn)品比第一代有如下優(yōu)點(diǎn)：總長(zhǎng)度是第一代的1/3甚至更短，質(zhì)量輕，使制成的夜視儀整機(jī)尺寸大大降 低。例如1970年美國(guó)步槍用AN/PVS-3微光瞄準(zhǔn)鏡比第一代長(zhǎng)度縮短2/3,質(zhì)量 減輕一半，價(jià)格降低一半，靈敏度卻大幅度提高了。微通道出射的電子達(dá)到一定數(shù)量后便會(huì)飽和，所以突然出現(xiàn)的強(qiáng)光不會(huì)燒壞 夜視儀，先天具備防強(qiáng)光功能。中國(guó)于20世紀(jì)80年代研制成

6、功了第二代微光夜視儀，可以用做班組武器的 瞄準(zhǔn)具，也可以單獨(dú)作為觀察儀器使用，具有排除強(qiáng)光干擾的功能。第三代和第四代微光夜視儀20世紀(jì)70年代中期，美國(guó)人在研制新的高性能光電陰極方面取得了突破, 于80年代研制出采用負(fù)電子親和勢(shì)碑化銖光電陰極的第三代像增強(qiáng)器，并以此 為基礎(chǔ)研制出飛行員用夜視眼鏡。第二代和第三代夜視器材目前仍是西方軍隊(duì)裝 備的主流Q電子親和勢(shì)指的是半導(dǎo)體導(dǎo)帶底部到真空能級(jí)間的能量值，它表征材料在發(fā) 生光電效應(yīng)時(shí)，電子逸出材料的難易程度。電子親和勢(shì)越小，就越容易逸出。如 果電子親和勢(shì)為零或負(fù)值，則意味著電子處于隨時(shí)可以脫離的狀態(tài)，用電子親和 勢(shì)為負(fù)值的材料制作的光電陰極，由光子激

7、發(fā)出的電子只要能擴(kuò)散到表面就能逸 出，因此靈敏度極高。神化稼正是科學(xué)家們尋找的合適材料。由于髙靈敏度負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極制作難度大，所以目前該技術(shù)掌握在少 數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家手中，一些國(guó)家只能依賴進(jìn)口。自從20世紀(jì)80年代以來(lái)，美國(guó)的廠商就按照美國(guó)陸軍的要求，生產(chǎn)用于夜 視眼鏡的第三代像增強(qiáng)管，在1998年美國(guó)陸軍與利頓公司和ITT公司簽訂合同 之既，第三代管的性能似乎已經(jīng)達(dá)到了極限，但是利頓公司在投標(biāo)中拋出了殺手 銅一無(wú)膜微通道板像增強(qiáng)器。第三代管為了防止離子反饋損壞精致的光電陰極，都鍍有一層離子障膜。利 頓公司找到了不用離子障膜而保護(hù)光電陰極的方法，在不降低夜視儀壽命的前提 下，探測(cè)距離和分辨率顯

8、著提高，在非常黑的環(huán)境下更是如此。新式的夜視儀還采用了自動(dòng)門(mén)控電源和無(wú)暈成像技術(shù)?？梢宰詣?dòng)控制光電陰 極電壓，改善在環(huán)境光線過(guò)強(qiáng)或有照明的情況下的夜視效果。無(wú)暈成像可以極大 的減少由電子在像增強(qiáng)管的光電陰極到板的空隙中散射而引起的光暈。以上新技術(shù)的出現(xiàn)使得夜視儀的性能得到又一次飛躍，所以被稱(chēng)做第四代微 光夜視儀。CCD (Charge Coupled Device),電荷耦合器件，是一種金屬一氧化物一半導(dǎo) 體結(jié)構(gòu)的新型器件，其基本結(jié)構(gòu)是一種密排的MOS電容器，能夠存儲(chǔ)由入射光 在CCD像敏單元激發(fā)出的光信息電荷，并能在適當(dāng)相序的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，把 存儲(chǔ)的電荷以電荷包的形式定向傳輸轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)自掃

9、描，完成從光信號(hào)到電信號(hào) 的轉(zhuǎn)換。這種電信號(hào)通常是符合電視標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)，可在電視屏幕上復(fù)原成物 體的可見(jiàn)光像，也可以將信號(hào)存儲(chǔ)在磁帶機(jī)內(nèi)，或輸入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行圖像增強(qiáng)、 識(shí)別、存儲(chǔ)等處理。因此，CCD器件是一種理想的攝像器件。CCD的主要特性與真空攝像管相比，固體攝像器件有如下特點(diǎn)：(1) 體積小、重量輕、耗電少、啟動(dòng)快、壽命長(zhǎng)和可靠性髙。（2）光譜響應(yīng)范圍寬。一般的CCD器件可工作在400mn-1100imi波長(zhǎng)范 圍內(nèi)。最大響應(yīng)約在9001UH.在紫外區(qū)，由于硅片自身的吸收，量子效率下降， 但采用背部照射減薄的CCD,工作波長(zhǎng)極限可達(dá)lOOmiio（3）靈敏度髙。CCD具有很高的單元光量子

10、產(chǎn)率，正面照射的CCD的量 子產(chǎn)率可達(dá)20%,若采用背部照射減薄的CCD,其單元量子產(chǎn)率高達(dá)90%以上。 另外，CCD的暗電流很小，檢測(cè)噪音也很低。因此，即使在低照度下（10-21X）, CCD也能順利完成光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)輸出。（4）動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍寬。CCD的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍在4個(gè)數(shù)量級(jí)以上最高可達(dá)8 個(gè)數(shù)量級(jí)。（5）可達(dá)很髙的分辨率，線陣器件已有7000像元，可分辨最小尺寸7pm； 面陣器件己達(dá)4096像元4096像元，CCD攝像機(jī)分辨率已超過(guò)1000線以上。（6）易與微光像增強(qiáng)器級(jí)聯(lián)耦合，能在低光條件下采集信號(hào)。（7）抗過(guò)度曝光性能。過(guò)強(qiáng)的光會(huì)使光敏元飽和，但不會(huì)導(dǎo)致芯片毀壞?；谝陨咸匦?，將CC

11、D用于微光電視系統(tǒng)中，不僅可以提髙系統(tǒng)終端顯示 圖象的質(zhì)量，而且可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)、識(shí)別、存儲(chǔ)等操作。像增強(qiáng)器與CCD的耦合現(xiàn)在，單獨(dú)的CCD器件的靈敏度雖然可以在低照度環(huán)境下工作，但要將CCD 單獨(dú)應(yīng)用于微光電視系統(tǒng)還不可能，因此，可以將微光像增強(qiáng)器與CCD進(jìn)行耦 合，讓光子在到達(dá)CCD器件之前使光子先得到增益。微光像增強(qiáng)器與CCD耦合 方式有三種：（1）光纖光錐耦合方式光纖光錐也是一種光纖傳像器件，它一頭大，另一頭小，利用纖維光學(xué)傳像 原理，可將微光管光纖面板熒光屏（通常，有效為18、25或30mm）輸出的 經(jīng)增強(qiáng)的圖像，耦合到CCD光敏面（對(duì)角線尺寸通常是12.7mm和16.9

12、mm）上， 從而可達(dá)到微光攝像的目的。這種耦合方式的優(yōu)點(diǎn)是熒光屏光能的利用率較高，理想情況下，僅受限于光 纖光錐的漫射透過(guò)率（60%）,缺點(diǎn)是：需要帶光纖面板輸入窗的CCD；對(duì)背照 明模式CCD的光纖耦合，有離焦和MTF下降問(wèn)題；此外，光纖面板、光錐和 CCD均為若干個(gè)像素單元陣列的離散式成像元件，因而，三陣列間的幾何對(duì)準(zhǔn) 損失和光纖元件本身的疵病對(duì)最終成像質(zhì)量的影響等都是值得認(rèn)真考慮并予嚴(yán) 格對(duì)待的問(wèn)題。（2）中繼透鏡耦合方式采用中繼透鏡也可將微光管的輸出圖像耦合到CCD輸入面上，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào) 焦容易，成像清晰，對(duì)正面照明和背面照明的CCD均可適用；缺點(diǎn)是光能利用 率低區(qū)10%）,儀器尺寸稍大

13、，系統(tǒng)雜光干擾問(wèn)題需特殊考慮和處理。（3）電子轟擊式CCD,即EBCCD方式以上前兩種耦合方式的共同缺點(diǎn)是微光攝像的總體光量子探測(cè)效率及亮度 增益損失較大，加之熒光屏發(fā)光過(guò)程中的附加噪聲，使系統(tǒng)的信噪比特性不甚理 想。為此，人們發(fā)明了電子轟擊CCD（EBCCD）,即把CCD做在微光管中，代替 原有的熒光屏，在額定工作電壓下，來(lái)自光陰極的（光）電子直接轟擊CCDo實(shí)驗(yàn) 表明，每3.5eV的電子即可在CCD勢(shì)阱中產(chǎn)生一個(gè)電子一空穴對(duì)；10kv工作電 壓下，增益達(dá)2857倍。如果采用縮小倍率電子光學(xué)倒像管（例如倍率m=0.33）, 則可進(jìn)一步獲得10倍的附加增益.即EBCCD的光子一電荷增益可達(dá)10

14、4以上； 而且，精心設(shè)計(jì)、加工、裝調(diào)的電子光學(xué)系統(tǒng)，可以獲得較前兩種耦合方式更高 的MTF和分辨率特性，無(wú)熒光屏附加噪聲。因此如果選用噪聲較低的DFGA- CCD并入m=0.33的縮小倍率倒像管中，可望實(shí)現(xiàn)景物照度W2 10-71X光量子噪 聲受限條件下的微光電視攝像。微光電視系統(tǒng)的核心部件是像增強(qiáng)器與CCD器件的耦合。中繼透鏡耦合方 式的耦合效率低，較少采用。光纖光錐耦合方式適用于小成像面CCD。耦合CCD器件的性能由像增強(qiáng)器和CCD兩者決定，光譜響應(yīng)和信噪比取 決于前者，暗電流、惰性、分辨力取決于后者，靈敏度則與兩者有關(guān)。從微光成像的要求考慮，最主要的是要提高器件的信/噪比。為此應(yīng)降低器 件噪聲（即減少噪聲電子數(shù)）和提高信號(hào)處理能力（即增加信號(hào)電子的數(shù)量）。可以 采用致冷CCD和電子轟擊CCD兩種方法。其主要目的是在輸出