四講微光像增強器

1、第四章第四章 微光像增強器微光像增強器微光像增強器應用舉例1 微光夜視技術和像增強器的發(fā)展2 多堿陰極和GaAs光電陰極的制備3 微通道板與離子阻擋膜4 熒光屏5 像增強器的性能參數(shù)及測試原理6 目前研究的內容 1 微光夜視技術和像增強器的發(fā)展 夜視技術是研究在夜間低照度條件下，用開拓觀察者視力的方法以實現(xiàn)夜間隱蔽觀察的一種技術。它采用光電子成像的方法來緩和或克服人眼在低照度下以及有限光譜響應下的限制，以開拓人眼的視覺。 夜視技術始于二十世紀三十年代。1934年第一個紅外變像管在德國問世，開創(chuàng)了夜視技術的新紀元 。 微光像增強器是一種光電器件，是微光夜視技術的核心器件，它是微光夜視器材的性能和

2、價格的決定性因素。微弱的光學圖像自然景物微弱的電子圖像增強的電子圖像增強的光學圖像物鏡光陰極微通道板熒光屏目鏡像增強器 像增強器和夜視系統(tǒng)的結構和工作原理 2 微光夜視技術和像增強器的發(fā)展 微光夜視的發(fā)展始于1936年，它是研究微弱圖像信號的增強、轉換、傳輸、存儲、處理的一項專門技術。它分為直視系統(tǒng)和間視系統(tǒng)兩種，直視系統(tǒng)稱為微光夜視儀，它是利用目標反射的星光、月光和大氣輝光通過像增強器增強達到人眼能進行觀察的一種夜視儀器。a 第一代微光夜視 1962年美國制成第一代微光夜視儀，以纖維光學面板作為輸入、輸出窗三級級聯(lián)耦合的像增強器為核心器件。l一代像增強器 結構示意圖b. 第二代微光夜視 19

3、70年研制成第二代微光夜視儀，以利用微通道板的像增強器為核心器件l二代、超二代和三代像增強器 結構示意圖光陰極光陰極 光電轉換光電轉換微道板微道板 電子倍增電子倍增熒光屏熒光屏 電光轉換電光轉換微光夜視技術特點和作用微光夜視技術特點和作用 - - 微光核心器件工作原理微光核心器件工作原理（m)n 倍增次數(shù)倍增次數(shù)二次電子二次電子倍增系數(shù)倍增系數(shù)微光夜視技術特點和作用微光夜視技術特點和作用 微光核心器件工作原理微光核心器件工作原理l工作時加三個電壓，光電陰極通道板輸入端l通道板兩端，通道板輸出端熒光屏c. 第三代微光夜視 1979年美國ITT公司研制出第三代微光夜視儀，是在二代薄片管的基礎上，將

4、多堿光電陰極置換為GaAs負電子親和勢光電陰極。 微光像增強器系列d. 超二代微光夜視 1989年，Jacques Dupuy等人研制成了超二代像增強器。超二代管是在二代管的基礎上，通過提高光陰極的靈敏度（靈敏度由300-400A/lm提高到600A/lm以上），減小微通道板噪聲因數(shù)，提高輸出信噪比（改進微通道板的性能）和改善整管的MTF，使鑒別率和輸出信噪比提高到接近三代管的水平。 微光像增強器系列E 第四代微光夜視 1998年美國Litton公司和ITT公司研制出無離子阻擋膜或薄離子阻擋膜微通道板，具有自動門控電源的新一代像增強器，以它為核心部件的夜間觀瞄器材稱為第四代微光夜視儀。微光夜視

5、技術特點及作用微光夜視技術特點及作用 微光夜視技術核心器件微光夜視技術核心器件1 Thin ion-barrier film/高性能，薄的離子阻擋膜2 Low noise figure MCP/低噪聲因子微通道板3 Gated power supply /門控電源典型應用系統(tǒng)結構世界各國的發(fā)展概況需求牽引，微光夜視發(fā)展規(guī)劃、計劃需求牽引，微光夜視發(fā)展規(guī)劃、計劃（例例Omnibus三代微光計劃）三代微光計劃）美國國防部美國國防部美陸軍實驗室美陸軍實驗室斯坦福、亞里桑拉、佛吉尼亞等大學斯坦福、亞里桑拉、佛吉尼亞等大學ITT公司公司/EOIntervac 公司公司Litton 公司公司EO國家級實驗

6、室：微光新原理、新技術前瞻性、基礎性和演示驗證國家級實驗室：微光新原理、新技術前瞻性、基礎性和演示驗證微光器件和整機承包商，通過投標競標承攬合同，提供裝備微光器件和整機承包商，通過投標競標承攬合同，提供裝備俄羅斯歐洲 法國：PHOTONICS(超二代） 荷蘭：DELFT 以色列中國 如: 像管能在暗環(huán)境中，把人眼不能觀察到的物體轉換成可見光圖像， 如: 攝像管能把各種圖像信號轉化成電信號，記錄、貯存?zhèn)鬏斀o很遠的距離觀察，能隨時供人們觀賞。 光電成像器件極大地擴大了人的視野，擴展了人眼的視力范圍，豐富了人們的生活。光電成像器件在光電技術中占有非常重要的地位。4.1 像管的基本原理和結構像管結構示

7、意圖 1物鏡；2光電陰極；3電子透鏡；4熒光屏；5目鏡 結構有三部分組成：光電陰極、電子光學系統(tǒng)、熒光屏 像管本身應能起到光譜變換、增強亮度和成像作用。 1. 光譜變換之一: 光電陰極完成 光-電子圖象; 2. 電子成像:電子光學系統(tǒng)類似于光學透鏡，能使電子成像，將光電陰極發(fā)出的電子圖像呈現(xiàn)在熒光屏上; 3. 增強亮度: 由于電子光學系統(tǒng)上加有高電壓，能使電子加速，電子能獲得能量，以高速轟擊熒光屏，使之發(fā)射出比入射光強得多的光能量。 光譜變換之二:熒光屏 完成 電子-光. 這樣像管就完成了光譜變換、成像和增強亮度的功能。 1物鏡；2光電陰極；3電子透鏡；4熒光屏；5目鏡 4.1.1 光電陰極光

8、電陰極光譜響應曲線 4.1.2 電子光學系統(tǒng) 像管中電子光學系統(tǒng)的任務有兩個：加速光電子；使光電子成像在像面上。 它具有與光學透鏡相似的性質，能運用幾何光學中類似的方法進行物象處理。因此把能使電子流聚焦成像的電子光學系統(tǒng)稱為電子透鏡。 電子透鏡分為靜電透鏡和磁透鏡兩類。 靜電透鏡按是否聚焦可分為:聚焦型和非聚焦型。靜電電子光學系統(tǒng)，靠靜電場來使光電子加速，聚焦成像。 磁透鏡即電磁復合系統(tǒng)，靠靜電場的加速和磁場來完成聚焦成像。1非聚焦型電子光學系統(tǒng) 即近貼型 C陰極 ,A陽極；電子落點高度的計算 設從物點O發(fā)出的任意電子，其初發(fā)射角為 ， 分別表示電子初能及其在r和z方面上的能量的分量(eV)。

9、 則該電子的軌跡就是拋物線： 在該電子到達陽極時，其落點的徑向高度為： 在近貼聚焦像管中一般U ,則得 因為zzrzVulzr)(2)(zzruulr2urlr220sinrsin20ulr z所以zr,0全色電子束的最大彌散圓半徑的計算 考慮到電子的初角度分布，可得單能電子束的最大彌散圓斑的半徑 因為光電子不僅有角度分布，還有初能量分布，若最大初電能為 ,則得全色電子束的最大彌散圓半徑為 從此式可以看出，陰極與陽極之間的電位差U越大，彌散圓斑越小，最大初電位及極間距離l越小，彌散圓斑也越小。ulRm2msin20ulr ulRm2 通常，極間距離l總是很小，如小于1mm，而U卻很大，如3-7

10、KV，極間距離越小，電位差越高，圖像越清晰，近貼型在像管中仍得到廣泛應用。 2靜電聚焦電子光學系統(tǒng)(1) 等徑雙圓筒結構 等徑雙圓筒透鏡成像原理: 靜電聚焦電子光學系統(tǒng)，即靜電透鏡，通常由軸對稱靜電場所形成，在幾個具有軸對稱幾何形狀的金屬導體電極上加以不同的電位，就可以形成軸對稱電場。 會聚大于發(fā)散:形成凸透鏡 由于會聚部分處在軸向速度相對較慢的低電位空間，電子受到徑向電場會聚作用時間較長，因而會聚作用較強。而在發(fā)散空間的電子軸向速度較大，發(fā)散作用弱，故總的透鏡作用仍然是會聚的。 經過透鏡區(qū)，到達等位區(qū)，以直線運動打在熒光屏上，由于電子透鏡成像作用，使陰極面上的物在屏上成一倒像。在電位變化空間

11、，透鏡相當于一個凸透鏡。 （2）不等徑的雙圓筒由于有孔蘭，可有效地控制系統(tǒng)的發(fā)散作用，阻止電子射到屏上，也可以減小熒光屏發(fā)光對陰極的光反饋，從而降低背景干擾和噪聲。在平面陰極象管中，幾何象差比較嚴重，邊緣象質較差。（3）雙球面系統(tǒng) 特點： 電場分布，尤其是陰極附近電場的分布，球面性很好，因此，每一條主軌跡都是軸對稱，其鄰近軌跡是旋轉對稱的，因而像散較小。所謂像散，指電子透鏡隨射線方向不同而產生的像差。 采用曲面熒光屏后，場曲的影響大為減小，因而像質在整個像面上比較均勻。所謂場曲：由于軸外場折射率與近軸場折射率不同而引起的像差。 采用曲面屏，也使畸變大大下降，但有可能出現(xiàn)桶形畸變，但是考慮到圖像

12、亮度的均勻性，寧肯采用較大的屏面曲率半徑，保留較小的枕形畸變。 陰極面上的電場強度，從軸上到軸外基本上保持不變，且略有提高，這樣使得色差的影響在像面上比較均勻。3復合聚焦電子光學系統(tǒng) 利用靜電場和靜磁場形成的復合磁場使電子聚焦 電子在復合場中的運動 電磁復合電子光學系統(tǒng)原理 電子在與磁場相垂直的平面上作園周運動，旋轉周期為T=2m/Be，而與徑向速度無關。 電子將在管軸方向作加速運動。在與磁力線垂直的平面上，電子仍做周期旋轉運動，所以綜合運動，電子在空間的運動軌跡為一變節(jié)距螺旋線。磁聚焦的優(yōu)缺點： 磁聚焦的優(yōu)點：聚焦作用強，并且容易調節(jié)聚焦能力，只需調節(jié)線圈電流即可； 軸上點和軸外點有相同的成

13、像質量，因而容易保證邊緣像質；像差較小，鑒別率較高。 磁聚焦的缺點:由于產生磁場的需要，要附設直流激磁和螺旋管等，使得設備尺寸、重量增大、結構復雜。常用在真空攝像管以及電子顯微鏡等設備上。4.1.3 熒光屏熒光屏將電子動能轉換成光能。高能量電子打在熒光屏上，熒光屏發(fā)光。 v像管對熒光屏的主要要求是：v熒光屏應該具有高的轉換效率；v能產生足夠的光亮度；v發(fā)射光譜要同眼睛，或與之相耦合的下一級光電陰極的光譜響應相一致；v合適的余輝時間；v當然還必須具有良好的機械強度、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等基本要求。熒光屏發(fā)光材料主要特性有：光譜特性、發(fā)光效率。 發(fā)光效率的定義 所謂發(fā)光效率，指轟擊熒光屏的電子流能

14、量引起的熒光屏的發(fā)光強度，單位為lm/W。這個數(shù)值是表征熒光粉發(fā)光的強度的一個重要參量，它與光譜特性對多級像管亮度增益作用很大。熒光屏光譜發(fā)射特性 v熒光粉材料有：vZnS:Ag（P11）, ZnS:Cu(P31), (Zn, Cd) S:Ag(P20)等等，幾種典型的熒光屏光譜效率如圖.v像管中常用的熒光粉P20，發(fā)光顏色為黃綠光，峰值波長0.56m，余輝時間0.05-2ms，粉的粒度控制在3.5m，以保證屏的分辨率。 熒光粉材料的電阻率很高，通常在10101014cm，介于絕緣體和半導體之間. 當它受到光電子轟擊時，會積累負電荷，電壓下降，影響陽極及屏的電位。 為此，在屏上蒸鋁，能引走積累

15、的負電荷；同時鋁還有反射光作用，使光出射強度增加。 不過蒸鋁后，電子通過鋁膜后能量有損失。鋁膜越厚，電子能量損失越大；電子能量越小，損失能量越大。因此，在滿足引走電荷作用下，盡量減少膜厚度， 4.1.4 光學纖維面板簡稱為光纖板，它是由許多單根纖維組合而成的，其傳光原理是利用材料界面的全反射。 cossin1210nn臨界入射角 2211sinsinnn222121100cos1sinsinnnnnn2光學纖維面板及性能 對于像管中用的光纖板主要有以下性能要求: 1) 數(shù)值孔徑要大如芯料n1=1.76，皮料n2=1.50，則N.A=0.8476，從空氣中或真空入射，全反射臨界角是57.9，而實

16、測為53左右。2) 光透過率要高;3) 分辨率要高;4) 氣密性、化學穩(wěn)定性、機械加工性能以及熱穩(wěn)定性要好。 22210sinnnAN數(shù)值孔徑 像管不僅是輻射探測器件，而且還是成像器件。 作為輻射探測器件，它必須具有高的量子效率和信息放大能力，以便給出足夠的亮度，其特性通常采用光電陰極靈敏度和整管亮度增益來描述； 作為成像器件，它必須具有小的圖像幾何失真，合適的幾何放大率，盡可能小的亮度擴散能力，以提供足夠的視角和對比，對這些特性通常用畸變、放大率、調制傳遞函數(shù)、分辨率、對比損失來描述。 作為兩者綜合性能則用觀察靈敏閾以及信噪比等參量來描述。4.2 像管主要特性分析4.2.1 像管的光譜響應特

17、性 像管的光譜響應特性實際上就是第一光電陰極的光譜響應特性，研究像管的光譜響應特性有兩大作用： 決定光電陰極光電流: 光電流影響著靈敏度，提高光電流有利于減小背景噪聲，提高像管的亮度，提高探測率，提高像管可探測的最小輻射能力。 提供目標與背景之間的光電子圖像的對比: 初始對比決定了輸出信噪比，是影響像管極限鑒別能力的關鍵。4.2.2 像管的增益特性 足夠的亮度是觀察圖像的必要條件，要有足夠的亮度，使輸出的亮度足夠亮，眼睛不會因亮度而影響探測能力。而輸出亮度的大小，在入射照度一定時，由亮度增益所決定。1增益的定義 1) 亮度增益定義為：像管輸出亮度L與陰極入射照度Ev之比的 倍 vLELG2 )

18、 輻射亮度增益 eLeELG由于Ev=EeK KGEKLGLvLevLEMG對朗伯光源增益式中M為光出射度lm/m23) 光通量增益 inouG/inou,分別為輸出和輸入光通量。 又因為 2sLvcMAGG mEAm像管幾何放大率 As, Ac分別為熒光屏和陰極有效面積。 所以，光通量增益為亮度增益的m2倍 對于二級像管，第一級出射的光通量就是第二級的入射光通量，則第二級的輸出光通量。221222222222uRuIP22212121211212212mmuuRRAEEMGsL22212112212mmAAAAAAmcscscs4.2.4 像管的背景特性 像管的背景指它的背景亮度，即指除信號

19、以外的附加亮度，根據背景的來源又分為暗背景亮度和信號感生背景亮度。 1暗背景 把象管置于完全黑暗的環(huán)境中，當加上工作電壓后，熒光屏上仍然會發(fā)出一定亮度的光，這種無照射時熒光屏的發(fā)光稱為象管的暗背景。 主要來源: 光電陰極的熱發(fā)射電流; 局部場強產生的場致發(fā)射; 電極上的二次電子發(fā)射等等. 這些電子也在電場的加速下轟擊熒光屏使之發(fā)光。 暗背景影響: 由于暗背景的存在，在熒光屏上的目標圖象上都疊加了一個背景亮度，使圖像的對比下降，甚至在微弱照明下產生的圖像有可能淹沒在背景中而不能辨別。 2信號感生背景Lsb當管子受到輻照時還要引起一種與入射信號無關的附加背景亮度， 主要來源有：光反饋和離子反饋。

20、背景等效照度Eb定義為與暗背景亮度相當?shù)年帢O入射照度 LdBbeGLELdB暗背景亮度GL亮度增益。LdB一般為10-310-2(cd/m2)，通過增益可得Ebe，而通常變像管的Ebe為10-3lx數(shù)量級，而微光管Ebe為10-7lx數(shù)量級 光反饋來源: 入射光有一部分要透過半透明陰極，這部分透過光在管內電極和管壁的散射下又反饋到光電陰極上， 另外熒光屏的光也有一部分經過陽極孔或管壁和電極的散射反饋到光電陰極上。 所有這些反饋都將引起光電陰極產生不希望有的電子發(fā)射，并在熒光屏上激發(fā)一個附加的背景亮度，這就是光反饋。 減少光反饋的辦法： 在像管中，黑化電極、熒光屏上蒸鋁以及合理地減小陽極孔徑尺寸

21、，都是減少光反饋的措施。4.2.5 像管的傳像特性 指像管傳遞圖象時，對圖像幾何形狀和亮度分布的影響 放大率：像管出射端圖象的線性尺寸l 與入射端圖像相應的線性尺寸l之比 llM變像管和像增強器是一種寬束電子光學系統(tǒng)的電真空器件，它的邊緣由于透鏡對不同的離軸距離的物點單向放大率不同，而產生圖象畸變.成像器件的畸變圖形（a）沒有畸變的原始圖形 (b) 枕形畸變圖形 (c) 桶形畸變圖如果離軸愈遠的物點單向放大率比近軸放大率大，則產生“枕形”畸變，如果離軸愈遠的物點單向放大率比近軸放大率小，則產生“桶形”畸變.4.2.6 像管的時間響應特性 像管的時間響應特性主要由熒光屏所決定，因為光電陰極的發(fā)射

22、過程很短，約為10-12s量級; 光電子在管中的渡越時間也很短，約為10-10s量級; 熒光屏的惰性時間由熒光粉的類型和激發(fā)電子流密度所決定，通常為ms級。對于特殊需要的像管，應選擇短余輝的粉型。 4.2.7 空間分辨特性 定義:周期量在單位空間（單位長度、面積、體積）上變化的周期數(shù) bf21(1) 單位長度上的周期數(shù)，記為f， lp線對，每一線對包含一條亮線和一條暗線，單位為每毫米線對 lp/mm。(2) 以整個目標上的周期數(shù)表示，記為ft，這樣ft=f h= h目標總寬度2hb1. 空間頻率2 . 空間分辨率 定義為：成像系統(tǒng)能夠將兩個相隔極近的目標的像剛好能分辨清的能力，它反映了系統(tǒng)的成

23、像和傳像能力，單位是“線對/毫米”， 例如說某像管的分辨率是30lp/mm，就是指空間頻率數(shù)小于或等于30lp/mm，對比度為100%的測試圖案經過像管后能看清，而大于30lp/mm的測試圖案則模糊不清，就是再放大幾倍也分辨不出條紋。 測試分辨率比較常用圖案是柵格狀的標準測試板。 共有五塊？， 每一塊由25個單元組成， 每一單元又由互成45的四個方向的條紋組成， 各單元的條紋寬度按一定的排列依次減小， 空間頻率逐漸增大。所謂分辨出的線對數(shù)是指四個方向的條紋能同時分辨出，如果不能同時看清，則認為該單元是不可分辨的。限制人眼分辨能力的因素有三個： 物體的亮度;視角;亮度對比度 測試條件： 為便于各

24、器件間進行比較，測試圖案的亮度對比取規(guī)定值，如， 測試板的照度足夠強，至少大于10-3cd/cm2，像管熒光屏的像應調到適合于人眼的亮度； 取最大亮度對比C=1； 測試分辨率時，測試者用520倍的放大鏡觀察屏上的圖象。 分辨率的局限用分辨率評定器件的傳像特性，其優(yōu)點是方便、簡單、直觀，但是也有缺點，主要是：（1）受主觀因素影響；（2）只給出極限結果，對其它頻率的情況一概不知；（3）受人眼視場的限制，與實際情況不盡相同，尤其是對串聯(lián)系統(tǒng)中中間環(huán)節(jié)的評價更不合適。（4）極限分辨率模糊不清，難以確認；（5）不能排除偽分辨現(xiàn)象。 使用分辨率來表征像管的成像質量時往往出現(xiàn)：兩個像管所測的極限分辨率一樣，

25、而其成像質量卻有很大差異。 分辨率這一參數(shù)并不能全面反映出影響成像質量的各種因素，這是由于以目測為手段和人眼的差異所致。雖然這種方法簡便，但并不是評定像管的理想方法。 鑒于用分辨率評價器件成像質量的種種缺點，需要尋求更客觀的科學評價方法，傳遞函數(shù)就是其中一種。3光學傳遞函數(shù)的定義與表達式 點擴散函數(shù)和線擴散函數(shù)：點光源物面上坐標為（x, y），象面上光能分布函數(shù)h(x, y)，由于系統(tǒng)的影響，像為擴散彌散斑，即稱為點擴展函數(shù)； 物面上一條線光源為函數(shù)，在像面上的光能分布h( y)，基本為高斯分布，即稱為線擴展函數(shù)。圖 點擴散函數(shù)（a）和線擴散函數(shù) （b） 線性系統(tǒng) (1) 線性，即系統(tǒng)滿足亮度

26、疊加原理：物面上光的強度為I1(x)、I2(x)， 相應像面上光的強度為I1(x)、I2(x) , 簡單表示為 ： 物面I1(x)像面I1(x) 物面I2(x)像面I2(x) 滿足線性條件，應有： 物面 I1(x)+I2(x) 像面 I1(x)+I2(x) 反映物象間的線性，如果器件處于亮度飽和狀態(tài)，則不滿足這一關系，線性條件可理解為增益不變性。v光學系統(tǒng)的物和像具備下列幾個特點，則稱為線性系統(tǒng)。 （2）空間不變性，即在所考慮的范圍內，器件處處有相同的像擴散能力，即無論物面上哪一點，它在像面上都產生同樣的彌散斑，各處有相同的統(tǒng)一的點及線擴展函數(shù)，這就是“等暈”條件。 （3）幾何相似性 這一條件

27、指物與像之間不發(fā)生幾何變形，為簡便計，設系統(tǒng)的幾何倍率為1，即像的空間頻率等于物的空間頻率。 （4）亮度增益為1，如亮度增益不為1，也得到同樣的結果，但推導比較麻煩。 線光強的物及其像的線擴散函數(shù) 2 多堿陰極和GaAs光電陰極的制備 多堿陰極的制備 1955年，Sommer首先發(fā)表了關于多堿陰極的報道，這種陰極是由Na2KSb構成基底層，然后對它進行表面處理，在其表面覆蓋銫以降低其表面勢壘。多堿陰極具有很高的靈敏度，剛問世初期就達到180A/lm以上，多堿陰極的光譜響應也很寬，它的長波閾值可延伸至900nm以外，它的熱發(fā)射電流卻很小，約1016A/cm2，所以在微光夜視、光輻射探測、高速攝影

28、等領域得到廣泛應用，它最重要的應用是在微光夜視方面。多堿陰極光電陰極薄膜采用真空蒸鍍法Na，K，Sb，Cs堿 源真空系統(tǒng)、烘烤系統(tǒng)陰極組件 目前國外超二代像增強器中的陰極靈敏度已超過800A/lm； 一代、二代及超二代像增強器被廣泛應用在武器瞄準鏡、坦克上的微光觀察儀、夜視眼鏡等微光系統(tǒng)中。 多堿光電陰極由Na2KSb構成基底層，然后對它進行表面處理，在其表面覆蓋銫以降低其表面勢壘，制備時通過Sb 、K、 Na和Cs源的蒸發(fā)在基片上形成光電發(fā)射層。 GaAs光電陰極 根據Spicer光電發(fā)射的三階段模型，50年代末光電陰極理論已建立在半導體概念的基礎之上。60年代中期，這一逐步成熟的領域又取得

29、了突破性進展，對半導體光電發(fā)射的進一步研究導致了負電子親和勢（NEA）光電陰極的誕生。制備NEA光電陰極是用銫（Cs）、氧（O）對P型-族單晶化合物進行表面激活，使表面具有負的電子親和勢。 GaAs光電陰極 1965年Scheer和VanLaar首次報道了CaAs:Cs零電子親和勢光電陰極69，其反射式積分靈敏度達550A/lm。三年后A.A.Turnbull和G.B.Evans用Cs、O交替覆蓋CaAs表面獲得了NEA光電陰極。此后，NEA光電陰極的理論研究及制備技術迅速發(fā)展。 GaAs光電陰極 在微光夜視領域，應用NEA光電陰極的第三代像增強器大大擴展了夜視儀器的視距，改善了觀察效果，開拓

30、了微光夜視儀在夜視眼鏡、遠距離偵察、夜航和衛(wèi)星定位等方面的應用?，F(xiàn)在，使用NEA光電陰極的三代微光器件已經廣泛用于頭盔駕駛儀，車載、機載及單兵偵察的微光夜視眼鏡中，它們在現(xiàn)代戰(zhàn)爭，特別是夜戰(zhàn)中，發(fā)揮了重要的作用。2 GaAs光電陰極 目前，國外生產的反射式NEA光電陰極的靈敏度已達到2400A/lm，最高可達到3200A/lm，透射式陰極的靈敏度也可以超過2000A/lm以上，應用NEA光電陰極的光電管、光電倍增管和三代像增強器等器件也已商品化。 國內的三代器件正在處于實用化。 GaAs光電陰極的結構GaAs單晶+銫氧激活GaAs光電陰極的制備 對NEA光電陰極要求陰極材料晶體的位錯密度要小，

31、摻雜要適度，電子擴散長度要長，表面要均勻且厚度可控制。用外延法生長晶體可滿足這些要求。 早期生長NEA光電陰極的外延層，多采用汽相外延（VPE）和液相外延（LPE），或汽相和液相的混合外延法（hybrid），也有用分子束外延（MBE）。 GaAs光電陰極的制備 當前研制和生產NEA光電陰極最成功的是用金屬有機化合物汽相淀積法（MOCVD或MOVPE），因為它可以用來進行大面積、均勻、超薄、多層的半導體生長，它開辟了NEA陰極的工業(yè)化生產途徑。 MOCVD技術是1968年由H.M.Munasevit等人提出，MOCVD法最早用于NEA光電陰極外延層的生長是在1976年，目前，MOCVD法已成為制

32、備NEA光電陰極最常用的方法。 GaAs光電陰極的制備 激活過程實際就是將NEA光電陰極表面的電子親和勢降到負電子親和勢狀態(tài)的過程。 通常將外延生長的單晶片進行腐蝕，露出光電發(fā)射層，經化學清洗后送進超高真空室進行激活。 激活過程一般包括超高真空的獲得，表面清洗與分析，最后用銫氧處理。GaAs光電陰極的制備 NEA光電陰極的激活是將原子清潔的GaAs表面與Cs、O作用形成很低的表面逸出功。非常少量的其它物質污染都會妨礙NEA的建立，因此10-8Pa以上的超高真空度就成了NEA光電陰極激活的首要條件。 腐蝕過的GaAs單晶片首先進行化學清洗，然后通過陰極傳遞裝置將基片送入真空系統(tǒng)進行高溫熱清洗，熱

33、清洗的溫度一般在500650，熱清洗的作用是將表面的自然氧化物、殘余氣體、有機物及來自真空系統(tǒng)各構件表面的氣體分子等污染去除。GaAs光電陰極的制備 晶片經熱清洗后，便可進行銫氧處理。 最初人們采用A.A.Turnbull和G.B.Evans在1968年提出的標準激活法，又稱“yo-yo”法。 D.G.Fisher與G.O.Fowler證明，在標準的加熱清潔、“yo-yo”激活之后，再來一次溫度較低的加熱和“yo-yo”激活，可將陰極的光電發(fā)射提高30左右，這種激活方法通常稱為“高低溫兩步激活”法。 光電陰極的評價積分靈敏度 積分靈敏度是指像增強器中的光電陰極在輻射源的連續(xù)輻射的作用下，單位光

34、通量所產生的飽和光電流。單位為A/lm，流明（lm）這個單位是基于人眼視見函數(shù)的。測試積分靈敏度時，常采用國際上公認的色溫為2856K的鎢絲白熾燈作為標準光源。 積分靈敏度是像增強器的一個非常重要的指標，它簡潔、直觀地反映了像增強器中光電陰極的總的光電發(fā)射能力。 光電陰極的評價 在入射光的某一波長，輻射功率為1W的單色光照射下，光電陰極所產生的光電流稱為光電陰極在該波長下的光電靈敏度 。 式中I為光電流，單位為安培（A）或毫安（mA），W為入射輻射功率，單位為瓦（W），因此S（）的單位為安培/瓦（A/W）或毫安/瓦（mA/W），通常采用后者。 3 微通道板與離子阻擋膜 通道式連續(xù)打拿極電子倍增

35、器的概念最早出現(xiàn)于1930年，到60年代，隨著人們對鉛玻璃燒氫工藝及二次電子發(fā)射能力的探知和掌握，以及發(fā)現(xiàn)連續(xù)打拿極的增益決定于通道長徑比而非通道的絕對長度或直徑，前蘇聯(lián)的科研機構、美國的Bendix實驗室和英國的Mullard實驗室，對微通道板的實驗研究工作取得實質性的進展。 真正的突破是在借助熔合纖維光學加工方法的基礎上，得以實現(xiàn)較小通道孔徑的微通道板（早期的微通道板通道孔徑約為25m -12m），并轉化成為一種可以工業(yè)實用的微通道板制造技術，成功的應用于微光像增強器。 微通道板像增強器技術的出現(xiàn)，標志著微光像增強技術從第一代發(fā)展到第二代；而負電子親和式的砷化鎵光陰極像增強器技術的出現(xiàn)，又

36、使微光像增強技術又從第二代發(fā)展到第三代。 微通道板是由可多達數(shù)百萬個規(guī)則緊密排列的細微玻璃通道組成的通道式電子倍增器，每個通道即構成了一個單獨的連續(xù)打拿極倍增單元，兩個端面鍍有鎳鉻金屬膜層，其外環(huán)是同樣鍍有鎳鉻金屬膜層的由實體玻璃構成的實體邊，平整的實體邊可以提供很好的端面接觸以便施加電壓。 微通道板必須工作于真空環(huán)境中，微通道板的工作機理，就是利用通道內表層在一定能量的電子碰撞下可產生二次電子的特性，二次電子在電場的作用下沿通道加速前進，經過重復多次的碰撞和電子倍增過程，最后在高電勢輸出端面有大量的電子輸出產生，這個過程被形象的比喻為“電子雪崩”。 微通道板通道內壁結構呈非均勻的分層結構，各

37、成份濃度分布不同。表層是厚度約10-20nm的富SiO2層，之下是約為0.15m-0.30m厚度的還原層，而最外表面則是厚度僅1.01.5nm的表面偏析的堿金屬離子單分子層。在距表層200nm左右范圍內吸附有氣體，主要是H2，H2O、N2，碳氧化物。這些氣體一部份源于玻璃基體本身的制造過程，另一部份源于氫還原過程，如H2、H2O和N2。二次電子的逸出深度通常為3.3nm左右，因此二次電子發(fā)射產生于富硅層。增益是微通道板的重要特性，微通道板的增益決定于外加電壓、長徑比、首次撞擊的二次電子產額和通道內壁二次電子發(fā)射特性。但微通道板增益特性的評價標準與其應用的工作條件和工作狀態(tài)密切相關。必須滿足其工

38、作電壓與通道長徑比的最佳比值22左右。因此對于不同工作電壓要求下的微通道板，其長徑比有所不同，如某些微通道板探測器，工作電壓為1200V，其長徑比設計在601；而在像增強器中，微通道板的工作電壓一般不超過1000V，因此微通道板的長徑比通常設計在(401)(551)范圍內。 微通道板通道內壁都不同程度的吸附著一定的氣體，在工作狀態(tài)下，通道內接近輸出面端口處吸附的殘余氣體分子，在受到大電流密度的電子流撞擊時，電離成正離子，并受到電場的吸引而向輸入面方向漂移和加速，形成離子反饋，其中某些獲得足夠能量的正離子，在撞擊通道內壁時還會產生二次電子。 離子反饋到光陰極，也將在光陰極上產生額外的二次電子。

39、微通道板工作狀態(tài)下產生的正離子反饋，在三代像增強器中造成的嚴重后果，就是造成砷化鎵光陰極靈敏度迅速衰減。這是由于砷化鎵光陰極，是通過在表面沉積銫氧層敏化激活而獲得的負電子親合勢，而銫氧層的化學完整性決定砷化鎵光陰極的工作壽命，但微通道板工作狀態(tài)下產生的離子反饋，將嚴重損害敏化層的化學完整性。 對于微通道板離子反饋的評價標準是反饋離子電荷總量與輸出電子電荷總量之比（Ni/Ne，），正常工作狀態(tài)下的超二代像增強器，其后組件（包括微通道板和熒光屏）的Ni/Ne約為210-4離子/電子，這種程度的離子反饋，對于砷化鎵光陰極，在無離子阻擋膜的情況下，工作壽命僅能維持不足100小時。三代像增強器為此在微通

40、道板的輸入面上增加一層一定厚度的多孔狀氧化鋁或氧化硅的離子阻擋膜以徹底阻絕電離氣體分子的離子反饋，來保證砷化鎵光陰極足夠的工作壽命并使成像質量得到改善。離子反饋膜終究也是一種形式的屏障，對來自光陰極的電子起到散射和阻擋的作用，特別是使得撞擊在通道間壁上的反彈電子，在離子阻擋膜上產生散射形成多次反彈，并使得部份電子最終其能量不足以無法穿越離子阻擋膜，因而不僅大大降低了微通道板的探測效率，增加了微通道板和三代像增強器的噪聲因子，還增加了暈輪。 離子阻擋膜的質量和厚度是影響三代像增強器的信噪比和調調制傳遞函數(shù)及工作壽命的關鍵因素。當離子阻擋膜厚度為80時，減少了約2/3的來自于光陰極的電子通過，即對

41、于1800A/lm的光陰極，那么其光陰極靈敏度實際有效利用率為1/3，因此信噪比相當于光陰極靈敏度只有600A/lm的超二代像增強器。離子阻擋膜厚度通常一般在25到100，可以在降低微通道板離子反饋的基礎上，減薄離子阻擋膜的厚度，使來自光陰極的電子在離子阻擋膜上發(fā)生的反彈式散射更多的轉化為穿透式散射以提高穿透率，改善三代像增強器的信噪比和對比度傳遞特性。由于MCP 材料特性的限制， 部件處理溫度不得大于450 ，故在MCP 上制備的A l2O 3 膜是非晶態(tài)膜?？紤]到MCP 性能和以后器件的批量生產，選用直流濺射設備制備A l2O 3 膜。通過大量試驗摸索，制備A l2O 3 膜的最佳工藝條件

42、是：直流電壓900 V，電流55 A ，靶材選用5 個9 高純鋁，連續(xù)濺射20 min，可得到(3.0 40) nm 膜厚的A l2O 3。實驗證明， 這種方法制備的A l2O 3 膜，針孔小，致密度好，20電子顯微鏡下檢測膜層無亮點。離子阻擋膜的成膜技術M25/6-1微通道板的主要性能指標及參數(shù)板直徑(Plate Diameter)：24.800.04）mm有效直徑(Active Diameter)： 18.8mm20.4mm通道直徑(Channel Diameter)： 6m厚度(Plate Thickness)： 0.28mm0.32mm開口面積比(Open Area Ratio)： 6

43、0%斜切角(Bias Angle)： 61 電阻(Resistance)： (80300)M 增益(Gain)(20Ah電子沖刷,20Ah scrub)： 500 增益均勻性(Gain Uniform)： 4級以內 芯皮玻璃組合拉單絲單絲六角緊密排列捆扎成棒拉復絲將復絲按有效區(qū)尺寸的要求排列在熱壓模具中實體邊玻璃拉單絲單絲六角緊密排列捆扎成棒拉復絲真空機械熱熔壓斜切成片滾圓倒角研磨拋光酸蝕除芯氫還原蒸鍍電極檢 驗包 裝包 裝 微通道板的皮玻璃是構成并決定微通道板性能的功能玻璃，因此被稱為微通道板玻璃。 微通道板玻璃為鉛硅酸鹽玻璃，其成份通常由堿金屬氧化物，堿土金屬氧化物和可還原金屬氧化物如Pb

44、O和（或）Bi2O3、和SiO2和少量的Al2O3所組成。SiO2是玻璃形成體，而堿金屬氧化物堿土金屬氧化物和可還原金屬氧化物是網絡外體。81613502C87-2MCP10NV30PSiO26773636662B2O34Na2O0.2511K2O6.47Rb2O1.220.2Cs2O0.211.8CaO3MgO3BaO114312PbO241117.82812Bi2O31.80.20.2Al2O313Sb2O30.10.1As2O30.10.10.10.10.1 由于最后的通道是通過酸溶除芯而形成的，因此要求芯玻璃盡可能的容易被酸溶蝕，同時皮玻璃盡可能的能夠耐受酸的侵蝕。通常以二者在相同條件

45、下的酸溶速率差作為衡量標準，基本要求是芯皮玻璃的酸溶速率相差應達到2103倍，最低也不得低于1103倍。 微通道板的芯玻璃多采用以硼酸鹽玻璃系統(tǒng)，B2O3的三面體網絡結構要比SiO2形成的四面體網絡結構強度小得多，硼氧網絡易于被酸溶蝕。 OxideX-5X-7B2O32424SiO23142BaO +SrO+ CaO3228La2O3+Y2O3137 對實體邊玻璃的要求是應與微通道板玻璃具有相適應的熱匹配性、熱工作溫度和耐酸性。實體邊玻璃可以以皮玻璃或其它相似玻璃作為替代來構筑。要求其與微通道板玻璃良好的熱物理匹配，良好的機械性能和化學性能。 拉絲、排屏工藝 從拉單絲開始，首先將符合公差范圍管

46、棒組合清潔烘干，在專用拉絲機上拉單絲。將準備好的管棒組合體固定在拉絲機送料支架上，送入加熱爐，然后升溫，當溫度達到拉絲溫度時（800850，因玻璃不同有所不同），進行拉絲。 扎復絲棒：將拉制好的單絲按尺寸范圍分成幾組，清洗之后，挑選在尺寸范圍內的絲分別排列在六角形模具中，捆扎成六方形復絲棒。 拉復絲：將捆扎好的復絲棒在拉絲機上拉制六角形復絲，復絲拉制溫度為805左右，并自動切割成壓板所需要的長度，收集在復絲收集器中。拉制復絲，決定通道的最后尺寸，板結構質量的好壞，基本上取決于復絲的質量。 拉制的復絲徑測量、復絲挑選熱切。將挑選好的60mm 長的復絲，包括排列在有效區(qū)以外的實體邊玻璃復絲，按有效

47、區(qū)的尺寸要求，排列在模具中。 壓屏工藝 壓屏工藝采用的是機械真空熔壓法。壓屏的工藝過程就是將排在模具中的每根復絲，在一定的溫度和壓力下熔合成復絲陣列的過程。排屏過程中六角形復絲整齊排列于由六個滑塊組成的六楞形熔壓模具中，送入熔壓爐。熔壓時的溫度在640左右（在芯玻璃的轉變溫度和軟化溫度之間，略高于皮料的軟化溫度），并抽到真空達10-8托10-10托，保持一段時間，使整個板溫度均勻。然后加壓，使六個滑塊以同樣的壓力同時向中心擠壓，依靠皮玻璃的軟化，使復絲緊密地粘合成一個整體，即形成微通道板毛坯屏段。 冷加工工藝 把熔壓好的微通道板毛坯屏段，用502膠固定在多線切割機支架上，按一定的長徑比，留有余

48、量，切割成具有一定傾角的薄片。長徑比一般為4060之間，傾角615。多線切割機的切割機理完全不同于內圓切片機，首先它是用0.080.18mm的金屬線為切割材料，將金屬線纏繞在導線輪上，驅動導線輪和MCP屏段作相對運動，砂漿磨削、冷卻達到磨切晶片的目的。 采用多線切割可以提高微通道板的表面質量，提高厚度平行差的一致性，為雙面精磨、拋光做好準備。 切片后是膠條，隨后在滾圓機上滾成一圓柱體。拆條清洗后得到微通道板毛坯板子，最后將毛坯板子進行倒角、清洗、送檢。 將倒角后的微通道板毛坯板子上雙面精磨機，用W10的金剛砂研磨，然后留一定的尺寸上雙面拋光機。用氧化鈰拋光成設計要求的尺寸、面形和光潔度。拋光之

49、后，用若干種化學清洗劑清洗和超聲清洗，保存在氮氣柜中或干燥器中，這種板坯的加工，與光學鏡片的加工工藝相同。但因為微通道板是兩種玻璃的復合材料，而芯料又易腐蝕，所以它比加工一般的光學玻璃鏡片更為困難。 腐蝕工藝 首先將微通道板拋光片超聲清洗干凈，用多槽清洗機進行自動清洗。先用酒精（或酒精和乙醚的混合液）擦洗之后，再依次置入雙氧水溶液、去離子水、蒸餾酒精等。 清洗之后，置入動態(tài)稀酸溶液中，同時伴以超聲振動或磁力攪拌，進行腐蝕。 待所有通道中的可溶玻璃芯溶解干凈并全通之后，再腐蝕一段時間，以便在通道的內表面形成一層富SiO2層。之后，再進行上述清洗，最后真空烘干 氫還原工藝 為使通道壁上形成具有合適

50、面電阻率的二次電子發(fā)射表面，須將腐蝕掉芯的MCP裝在能使氣流強迫通過MCP通道的氫還原爐的板架上。先在氮氣中加熱到還原溫度，然后再通入氫氣進行還原。 氫氣應先經凈化器以及其他氫純化措施，使之氫的純度優(yōu)于ppm。將含有Pb、Bi等重離子的微通道板放在氫氣中還原處理，在高溫下氫氣從微通道板表面擴散進入玻璃內部，將內部中的Pb、Bi離子還原出來。鍍電極膜工藝 用沉積鎳鉻合金法，在微通道板的兩個端面蒸鍍上NiCr合金（其他合金或金屬），作為接觸電極。 目前沉積鎳鉻合金的主要方法是電子束蒸發(fā)鎳鉻合金，這主要是由于電子束蒸發(fā)操作簡單，沉積速率快，膜的純度高，可同時蒸鍍多塊基片。但是電子束沉積速率過快，粒子

51、直徑較大，制備出的薄膜結構疏松，膜層附著力差，影響薄膜的質量。 離子束輔助沉積(Ion beam assisted thin film deposition，簡稱IBAD)是在氣相沉積鍍膜的同時，利用荷能離子轟擊薄膜沉積表面，對薄膜表面環(huán)境產生影響，從而改變沉積薄膜成分、結構的過程。由于荷能離子與沉積原子的級聯(lián)碰撞效應，增加了沉積原子的遷移能力，減輕或消除成膜過程中的陰影效應。荷能離子的轟擊還會使沉積原子與基體原子間相互擴散，提高膜層與基片的附著力，從而可沉積出均勻性強、聚集密度高、膜基結合好的高質量膜層。測試、包裝工藝 在工藝的各階段已嚴格檢驗過，最后檢測，只檢測MCP的電學特性，如電阻（導

52、電性）、電子增益、噪聲、電子增益均勻性、暗斑、亮點及閃爍等。 4 熒光屏 在玻璃屏幕的內側涂敷了薄薄的一層稱為熒光粉的發(fā)光物質，這樣的屏幕就叫做熒光屏，其作用就是將電子的轟擊變成光信號輸出。在這一過程中，將電子的動能轉化為光能，這也是熒光屏的最基本功能。 熒光屏的構成玻璃屏面，熒光粉和鋁膜玻璃 或光纖面板熒光粉鋁膜電子發(fā)光 熒光粉由熒光質、溶劑和激活劑組成。在電子轟擊下具有足夠發(fā)光能力的化合物稱為陰極熒光質，簡稱熒光質。熒光質的基本材料是無色透明的物質，例如鋅、鉻、鎂和硅的氧化物與硫化物ZnO, ZnS, CdS, MgO, CdO,等。 溶劑是氯化鈉（NaCl）一類物質，它用來加速結晶過程，

53、結晶后溶劑就被排除出去。激活劑使被激發(fā)的電子容易轉移，造成電子飛出的條件。銀、銅、錳等是良好的激活劑 。 根據發(fā)光時間的長短可把熒光粉所發(fā)的光分為熒光（短時間的發(fā)光）和磷光（長時間的發(fā)光）。在電子束激發(fā)瞬間的發(fā)光就是熒光；激發(fā)停止后的發(fā)光即為磷光。磷光也稱為余輝。按余輝時間長短又把余輝分為長余輝（余輝時間在數(shù)百毫秒量級）熒光粉、短余輝（余輝時間數(shù)微秒量級）熒光粉等。圖像、文字顯示常用中長余輝熒光粉（余輝時間為幾百微秒到幾十毫秒）。 鋁膜是采用真空鍍膜技術敷在熒光質上的一層極?。ê穸仍谖⒚准墸┑恼翡X層。電子束轟擊熒光質所發(fā)出的光只有一部分穿過屏玻璃為人眼所接收，大部分光朝后射向電子槍，這些光都損

54、失掉了；而向后投射的光在玻璃殼錐體上再次向前反射，引起顯示圖像對比度下降。因此在熒光質的后面敷上一層鋁膜，起到反光鏡的作用，將本來要損失的光想搶反射從而增加了亮度； 像增強器熒光屏重鋁膜的作用： 1 作為電極保證熒光屏處于一個均勻的電極 2 阻止從熒光屏到光陰極的光反饋 3 起到反光鏡的作用，將本來要損失的光反射從而增加發(fā)光效率。熒光屏的評價參數(shù) 1.發(fā)光效率： 2.發(fā)光亮度：CCD亮度計直接測得,單位：cd/m2 3.發(fā)光亮度均勻性：最小值/平均值（Min/ Ave）和最小值/最 大值（Min/ Max） 及亮度直方圖 4.余輝：亮點的亮度值下降到初始值的10%所經歷的時間作為余輝時間，簡稱

55、余輝 .單位：msUIP單位：Lm/W4 像增強器的性能參數(shù)及測試原理（1）積分靈敏度表征光電陰極的性能（uA/lm） 直觀地反映了像增強器中光電陰極的總的光電發(fā)射能力。 測試積分靈敏度時，常采用國際上公認的色溫為2856K的鎢絲白熾燈作為標準光源。光源通過衰減到規(guī)定的照度照射到一定面積的光電陰極面，用微電流放大器測出陰極的輸出電流即可計算出積分靈敏度。 在封裝電源之前測。 （2）光譜響應表征光電陰極的性能 測試光譜響應時，用單色儀獲得單色光，將單色光投射到待測的光電陰極上，用微弱信號檢測技術測出相應的光電流的大小，經A/D卡實現(xiàn)模/數(shù)轉換，最后輸入計算機。計算機將采集獲得的光電信號和對應的單

56、色光輻射功率進行軟件處理，根據理論公式計算出各種單色光照射下的光電靈敏度，就得到陰極的光譜響應曲線，從而獲得光譜響應曲線。 為了獲得光譜靈敏度的絕對值，需對各種波長的單色光進行標定，標定可采用輻射功率計。（3）信噪比表征像管的噪聲特性能如果一束照度均勻和穩(wěn)定的光入射像增強器光陰極，在熒光屏上光斑的亮度：S/N像增強器信噪比S1有光照時信號的直流分量，A；N1有光照時信號的交流分量，A；S2無光照時信號直流分量，A；N2無光照時信號的交流分量，A；E像增強器實際輸入照度，Lx；A入射光陰極的光斑實際面積，m2；K修正系數(shù)。當包含像增強器熒光屏在內的系統(tǒng)帶寬為B時：AENNSSKNS852221211014. 31029. 1/10/BK （4）亮度增益表征像管的亮度增強能力 根據測試標準，像增強器的亮度增益通常定義為：在標準光源照明和微光像增強器額