Choice of European Super Second Generation Image Intensifier Technology and its Further Development
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摘要: 二代像增强器采用Na2KSb光电阴极,三代像增强器却采用GaAs光电阴极。由于GaAs光电阴极具有更高的阴极灵敏度,因此三代像增强器的性能远高于二代像增强器。在二代像增强器基础上发展的超二代像增强器,阴极灵敏度有了很大提高,因此性能也有很大提高,同时大大缩短了与三代像增强器的性能差距。超二代像增强器属于Na2KSb材料体系,生产成本低,与三代像增强器相比性价比较高,所以欧洲的像增强器产商选择了超二代像增强器技术的发展路线。超二代与三代像增强器技术并行发展了30多年,两者性能均有大幅提高。超二代与三代像增强器的性能差距主要体现在极低照度(<10-4 lx)条件下,而在其它照度条件下,性能基本相当。超二代像增强器的性能仍有提高的空间。增益方面,在微通道板的通道内壁上制作高二次电子发射系数的材料膜层可以提高增益;信噪比方面,采用光栅窗可提高阴极灵敏度,从而提高信噪比;分辨力方面,在微通道板输出端制作半导体膜层、采用高清荧光屏均可提高分辨力。阴极灵敏度是光电阴极的指标,不是像增强器的整体性能指标。阴极灵敏度对像增强器整体性能的影响体现在增益、信噪比以及等效背景照度指标中。无论是超二代还是三代像增强器,都区分不同的型号。不同型号的超二代或三代像增强器性能均不相同。超二代和三代像增强器的性能指标是在A光源条件下测量的,而A光源光谱分布与实际应用环境中的光谱分布并不等同,同时Na2KSb和GaAs光电阴极的光谱分布不相同,所以超二代和三代像增强器的信噪比、分辨力等性能指标不具备可比性。Abstract: The second-generation image intensifier adopts a Na2KSb photocathode, whereas the third-generation image intensifier adopts a GaAs photocathode. Given that GaAs photocathodes have a higher cathode sensitivity, the performance of the third-generation image intensifier is much higher than that of the second-generation image intensifier. The super second-generation image intensifier, developed on the basis of the second-generation image intensifier, has been greatly improved in terms of cathode sensitivity, and thus, its performance has also been greatly improved. Simultaneously, the gap with the third-generation image intensifier has been significantly shortened. Super second-generation image intensifiers belong to the material technology of Na2KSb, with low production cost and high cost performance compared with those of third-generation image intensifiers. Therefore, European image intensifier manufacturers chose the development roadmap for super second-generation image intensifiers. Super second- and third-generation image intensifier technologies have been developed in parallel for more than 30 years, and their performance has been greatly improved. The performance gap between super second- and third-generation image intensifiers is primarily reflected under conditions of extremely low illumination (<10−4 lx); the performance remains basically unchanged for levels above that. The performance of super-second-generation image intensifiers can still be improved. In terms of the gain, they can be improved by depositing a film of high secondary electron emission material on the inner wall of the microchannel plate. With respect to the signal-to-noise ratio, the grating window was introduced to improve the cathode sensitivity, thereby improving the signal-to-noise ratio. The resolution can be improved by inserting a semiconductor film at the output of the microchannel plate and adopting a high-definition fluorescent screen. Cathode sensitivity is a parameter of the photocathode components and not the overall performance parameter of the image intensifier. The influence of the cathode sensitivity on the overall performance of the image intensifier is embodied in the gain, signal-to-noise ratio, and equivalent background illumination. Different models are employed to distinguish between super second- and third-generation image intensifiers. These models give rise to different levels of performance. The performance parameters of super second- and third-generation image intensifiers are measured under the condition of a light source, but the spectral distribution in the actual application environment is not the same as that of the light source. The spectral responses of Na2KSb and GaAs photocathodes are different. Therefore, performance parameters such as signal-to-noise ratio and resolution of the super-second-generation and third-generation image intensifiers are not comparable.
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0. 引言
超二代像增强器是微光夜视仪的核心器件,它采用双近贴聚焦电子光学系统结构[1],与二代倒像式像增强器采用的静电聚焦电子光学系统结构相比,具有体积小、重量轻、性能更好等优点。超二代像增强器是由阴极输入窗、多碱光电阴极[2]、微通道板[3-4]、荧光屏、光纤面板输出窗、金属-陶瓷密封壳体、高压电源等组成。它的工作原理是光电阴极将来自目标的微弱光学图像转换成电子图像,电子图像经过微通道板放大,再经阳极高压加速激发荧光屏发光,转换成亮度增强了的光学图像[5],最后经过光纤面板输出窗输出。超二代像增强器的主要性能指标有分辨力、信噪比及增益[6]。其中,分辨力是指分辨目标细节的能力,定义为把规定对比度的标准条纹图案投射到光阴极上,在荧光屏上所能分辨的最高线对数。分辨力的高低表征了像增强器成像效果的清晰度,将直接影响夜视整机系统的观测距离、响应速度和识别精确度。
目前,微光像增强器行业技术领军队伍主要是美国和法国,其中美国L3 Harris Technologies公司及其控股公司的市场占有率超过了50%,法国Photonis公司紧随其后,占有率达到23%。全球市场份额前5位的公司分别来自美国、法国、俄罗斯和中国。北方夜视技术股份有限公司(以下简称北方夜视)是我国唯一一家具备微光像增强器量产能力的企业。据报道,美国L3 Harris Technologies公司的微光像增强器分辨力能够达到72 lp/mm;法国Photonis公司4G产品同样是72 lp/mm;俄罗斯JSC KATOD公司的指标略低于前两家,能够达到68 lp/mm。而国内微光像增强器的分辨力平均水平仅为57 lp/mm,通过对比能够明显看出,美国和法国的器件分辨力最高,国内的器件分辨力水平远低于国外水平,会造成国内夜视装备的作战能力低于国外同类产品。因此,为了提高国内夜视装备作战能力,急需提高夜视装备核心器件——微光像增强器的分辨力水平,达到或优于国际先进水平。
本文从理论出发,全面分析影响超二代像增强器分辨力的因素种类,在对已有微通道板分辨力提高研究[7]的基础上,提出了能够提高超二代像增强器分辨力的可行性技术方案。通过实验验证和对比,得到能够有效提高分辨力的方法,最终实现超二代像增强器分辨力的提升,达到国际先进水平。
1. 理论分析
超二代像增强器的双近贴聚焦结构如图 1所示。图中:d1表示阴极近贴距离;d2表示阳极近贴距离;Vcm表示阴极与微通道板之间的电压;Vms表示微通道板与荧光屏间之间的电压。
超二代像增强器的分辨力由阴极输入窗、多碱光电阴极、阴极聚焦(光电阴极至微通道板输入面)、微通道板、阳极聚焦(微通道板输出面至荧光屏)、荧光屏、光纤面板输出窗的分辨力所决定,故超二代像增强器的分辨力计算公式也与以上因素有关。超二代像增强器分辨力可用下述公式表示[8]:
$$ \frac{1}{R_{\text{t}}^{2}}=\frac{1}{R_{\text{g}}^{2}}+\frac{1}{R_{\text{c}}^{2}}+\frac{1}{R_{\text{cm}}^{2}}+\frac{1}{R_{\text{ms}}^{2}}+\frac{1}{R_{\text{s}}^{2}}+\frac{1}{R_{\text{a}}^{2}} $$ (1) 式中:Rt表示超二代像增强器分辨力;Rg表示阴极输入窗分辨力;Rc表示光电阴极分辨力;Rcm表示阴极聚焦分辨力;Rm表示微通道板分辨力;Rms表示阳极聚焦分辨力;Rs表示荧光屏分辨力;Ra表示光纤面板输出窗分辨力。
1.1 阴极输入窗及多碱光电阴极分辨力
阴极输入窗为玻璃,其分辨力远超其他部件,可等效于无穷大。代入超二代像增强器分辨力公式后,其平方的倒数趋近于零,故不需考虑阴极输入窗分辨力对超二代像增强器分辨力的影响。
多碱光电阴极的厚度只有0.2 μm左右,对超二代像增强器分辨力的影响较小,因此,也不需考虑光电阴极分辨力的影响。
1.2 阴极聚焦分辨力
阴极聚焦分辨力可用下式表示:
$$ {{R}_{\text{cm}}}={{K}_{1}}\times \frac{\sqrt{{{V}_{\text{cm}}}}}{{{d}_{1}}}$$ (2) 式中:K1表示系数;d1表示阴极近贴距离;Vcm表示阴极与微通道板之间的电压。
由公式(2)可知:阴极聚焦分辨力与光电阴极和微通道板间的电压成正比,与阴极近贴距离成反比。在极间电压不变的情况下,通过减小并精确控制阴极近贴距离可提高阴极聚焦分辨力。
1.3 微通道板分辨力
微通道板分辨力可用下式表示:
$$ {{R}_{\text{m}}}=\frac{1000}{\sqrt{3}\times {{d}_{\text{m}}}}$$ (3) 式中:dm为微通道板通道孔径。
由公式(3)可知:微通道板分辨力与通道孔径成反比。微通道板的每一根通道相当于一个像素,要提高微通道板的分辨力,最直接的途径就是进一步减小微通道板的通道孔径[7]。但是,由于有最佳长径比的限制,通道孔径的减小将迫使微通道板的厚度也随之减小。这会导致微通道板在生产和使用过程中极易发生变形和破裂,意味着制造难度的增加以及制造成本的上升,所以目前使用的微通道板最小孔径为5 μm,并且有逐步取代6 μm微通道板的趋势。
同时,微通道板的分辨力还与倍增电子的出射角度有关。电子从微通道板出射后,微通道板输出电子如图 2示,其出射方向与法线有一定夹角,其速度除了有微通道板轴向分量,还有横向分量,横向分量不受微通道板与荧光屏间的静电场作用,因此,电子以抛物线轨迹发散,在荧光屏上形成一个弥散斑,最终造成图像模糊,降低了器件分辨力。电子出射角度越大其横向散射就越大,弥散斑越大,器件分辨力越低。在微通道板孔径一定的条件下,通过采取一些行之有效的方法来减小微通道板出射电子角度和降低微通道板出射电子横向散射是提高微通道板分辨力的有效途径。关于这方面研究很多,其中也包括了微通道板的末端损失技术[9-11],即在微通道板的输出端镀制防电子弥散膜。该项技术的核心是在微通道板的输出电极上覆盖一层逸出功更高的金属膜层,微通道板输出电极镀膜如图 3示,该膜层对进入通道的部分出射电子起准直的作用,由此来减小微通道板输出电子的散射角,从而提高微通道板的分辨力。
1.4 阳极聚焦分辨力
阳极聚焦分辨力可用下式表示:
$$ {{R}_{\text{ms}}}={{K}_{2}}\times \frac{\sqrt{{{V}_{\text{ms}}}}}{{{d}_{2}}} $$ (4) 式中:Vms表示微通道板与荧光屏之间的电压;d2表示阳极近贴距离;K2表示系数。
由公式(4)可知:阳极聚焦分辨力与微通道板和荧光屏之间的电压成正比,与阳极近贴距离成反比。通过增加微通道板与荧光屏之间的电压或减小阳极近贴距离来提高微通道板与荧光屏之间的场强,都可以提高阳极聚焦分辨力。但是,该方法也会导致微通道板、荧光屏、绝缘介质及金属件出现放电、击穿等疵病的概率增加,造成超二代像增强器失效。目前通过提高绝缘介质的介电强度,消除壳体内部金属件的尖角和毛刺,能够在一定程度上降低像管壳体放电比例。但是荧光屏边缘倒角及柱面位置处的铝膜在微通道板与荧光屏之间的场强进一步提高后容易导致翘起并放电,而现有的荧光屏制作工艺暂时还无法解决这一问题,需要研究新的荧光屏制作工艺。权衡像增强器性能提升与生产成本之间的关系,同时参考业内相同产品的设计尺寸后,确定了较为适宜的参数组合,即将阳极近贴距离d2设定为0.6 mm,微通道板与荧光屏之间的电压Vms设定为6000 V。
1.5 荧光屏分辨力
对荧光屏分辨力产生较大影响的因素有:荧光粉颗粒度、粉层厚度和铝膜厚度。由于分辨力及发光效率两个性能参数的相互制约,需选用颗粒度适中的荧光粉,并且粉层厚度和铝膜厚度也需要优化匹配。根据相关报道得知,对于粒度为3~5 μm,粉层厚度为8~10 μm的荧光屏而言,其分辨力≥l00 lp/mm[12]。目前,批量制造的荧光屏所用荧光粉粒度为2~4 μm,荧光屏粉层厚度为6~7 μm,铝膜厚度为60~80 nm。该工艺制作的荧光屏使用在一代像增强器(没有使用微通道板的静电聚焦结构像增强器)时,其分辨力可达到l44 lp/mm。在超二代像增强器中使用相同工艺制作荧光屏时,该荧光屏的分辨力远大于超二代像增强器的分辨力,故荧光屏分辨力可以忽略不计[13]。
1.6 光纤面板输出窗分辨力
光纤面板输出窗的分辨力与光纤面板的丝径有关。光纤面板的丝径与分辨力关系可用微通道板分辨力计算公式表示。光纤面板的每一根纤维相当于一个像素,要提高光纤面板的分辨力,最直接的途径就是进一步减小光纤面板的丝径。但是,丝径的减小意味着制造难度的增加以及制造成本的上升。通常使用的光纤面板的丝径为6 μm。近年来,随着制造技术的进步,4 μm光纤面板的制造工艺也逐渐成熟。
由以上影响因素的分析结果可知,阴极输入窗及多碱光电阴极的分辨力可忽略不计。由于制作工艺及条件的限制,荧光屏分辨力及阳极聚焦分辨力进一步提高的条件还不成熟。因此,通过减小阴极近贴距离、减小微通道板通道孔径、减小光纤面板输出窗丝径以及对微通道板镀制防电子弥散膜的方法来达到提高超二代像增强器分辨力的目的。
2. 实验验证
2.1 阴极近贴距离
2.1.1 阴极近贴距离精确控制
阴极近贴距离精确控制的理论值主要是通过下述步骤得到:首先,车削微通道板的装配面,将微通道板装配面的平面度控制在0.01 mm以内。然后,将阴极输入窗台阶高度尺寸及微通道板厚度尺寸固定。最后,以微通道板装配面为基准车削阴极输入窗封接面,将管壳车铟尺寸的公差控制在0.01 mm以内。但是,由于热铟封工艺的影响,实际的阴极近贴距离与计算得到的装配控制距离存在一定的偏差。解决实际阴极近贴距离精确控制的方法是:在超二代像增强器制作完成后,通过专用设备精确测量出实际的阴极近贴距离,通过大量阴极近贴距离测试数据的积累,掌握偏差量的变化范围,反推出改进的管壳车铟尺寸。最终将阴极近贴距离控制在0.08~0.10 mm的范围内。
2.1.2 阴极近贴距离测试
阴极近贴距离测试的原理是使用专用设备发出一束波长为900~1000 nm的近红外单色光照射超二代像增强器的阴极输入窗,通过可上下调节的低照度COMS相机聚焦超二代像增强器阴极输入窗的电极,当图像最清晰时,记录下此时的聚焦位置Z1;向下调节低照度COMS相机并聚焦至微通道板的输入面,当图像最清晰时,记录下此时的聚焦位置Z2。阴极近贴距离d1=Z1-Z2。在每支超二代像增强器的阴极输入窗表面上互为120°的位置测试3个阴极近贴距离参数(分别记为:位置1、位置2、位置3),取平均值作为该支超二代像增强器的阴极近贴距离。
2.1.3 分辨力提高实验
通过以上对超二代像增强器分辨力影响因素的分析,可固定以下分辨力提高实验的条件:阴极输入窗采用玻璃窗、阴极与微通道板之间的电压Vcm为-200 V、微通道板与荧光屏之间的电压Vms为6000 V、阳极近贴距离d2为0.6mm、荧光屏采用现行工艺制作。
使用6 μm光纤面板,6 μm微通道板,阴极近贴距离的理论装配值为0.15 mm时,超二代像增强器分辨力的测试值为57 lp/mm。距离理论值为0.15 mm时,超二代像增强器阴极近贴距离及分辨力测试数据见表 1。
表 1 超二代像增强器阴极近贴距离及分辨力测试数据(距离理论值为0.15 mm)Table 1. The test values of cathode proximity distance and resolution of super Ⅱ image intensifiers (the distance theoretical value is 0.15 mm)Sample Distance theoretical value Distance of test position 1/mm Distance of test position 2/mm Distance of test position 3/mm Average value of distance/mm Resolution/
(lp/mm)4117# 0.15 0.155 0.145 0.147 0.149 57 4393# 0.150 0.168 0.152 0.157 57 4387# 0.149 0.148 0.145 0.147 57 4287# 0.160 0.142 0.150 0.151 57 使用6 μm光纤面板,6 μm微通道板,阴极近贴距离的理论装配值为0.12 mm时,超二代像增强器分辨力的测试值为60 lp/mm。距离理论值为0.12 mm时,超二代像增强器阴极近贴距离及分辨力测试数据见表 2。
表 2 超二代像增强器阴极近贴距离及分辨力测试数据(距离理论值为0.12 mm)Table 2. The test values of cathode proximity distance and resolution of super Ⅱ image intensifiers (the distance theoretical value is 0.12 mm)Sample Distance theoretical value Distance of test position 1/mm Distance of test position 2/mm Distance of test position 3/mm Average value of distance/mm Resolution/
(lp/mm)4075# 0.12 0.125 0.107 0.138 0.123 60 4279# 0.118 0.131 0.132 0.127 60 4383# 0.135 0.128 0.113 0.125 60 4726# 0.102 0.113 0.155 0.123 60 使用6 μm光纤面板,6 μm微通道板,阴极近贴距离的理论装配值为0.08 mm时,超二代像增强器分辨力的测试值为64 lp/mm。距离理论值为0.08 mm时,超二代像增强器阴极近贴距离及分辨力测试数据见表 3。
表 3 超二代像增强器阴极近贴距离及分辨力测试数据(距离理论值为0.08 mm)Table 3. The test values of cathode proximity distance and resolution of super Ⅱ image intensifiers (the distance theoretical value is 0.08 mm)Sample Distance theoretical value Distance of test position 1/mm Distance of test position 2/mm Distance of test position 3/mm Average value of distance/mm Resolution/(lp/mm) 7035# 0.08 0.082 0.075 0.084 0.080 64 7011# 0.087 0.077 0.078 0.081 64 7050# 0.088 0.077 0.080 0.082 64 7068# 0.080 0.090 0.080 0.083 64 由以上3个实验的结果可知,在其他实验条件相同的情况下,随着阴极近贴距离的缩小,超二代像增强器的分辨力逐渐提高。超二代像增强器的分辨力与阴极近贴距离的关系如图 4示。如果想通过不断地缩小阴极近贴距离来提高超二代像增强器的分辨力,会导致多碱光电阴极与微通道板之间出现放电、击穿等疵病的概率增加,造成超二代像增强器失效。
2.2 光纤面板丝径
根据光纤面板输出窗分辨力计算公式,当光纤面板的丝径缩小到4 μm时,其分辨力理论值为144.3 lp/mm。使用4 μm光纤面板,6 μm微通道板,阴极近贴距离的理论装配值为0.08 mm时,超二代像增强器分辨力的测试值为68 lp/mm。不同丝径光纤面板的超二代像增强器分辨力测试数据见表 4。
表 4 不同丝径光纤面板的超二代像增强器分辨力测试数据Table 4. Resolution of different fiber optic plate of the super Ⅱ image intensifiersSample Fiber diameter of fiber optic plate/μm Average value of distance/mm Resolution/(lp/mm) 7035# 6 0.080 64 7011# 6 0.081 64 7050# 6 0.082 64 7068# 6 0.083 64 7034# 4 0.085 68 7013# 4 0.085 68 7032# 4 0.085 68 7003# 4 0.086 68 2.3 微通道板
在保证最佳长径比的情况下,目前微通道板通道孔径可以缩小到5 μm[14]。根据微通道板分辨力计算公式可得,微通道板的通道孔径为5 μm时,其分辨力理论值为115.5 lp/mm。使用4 μm光纤面板,5 μm微通道板,微通道板镀输出防电子弥散膜,阴极近贴距离理论装配值为0.08 mm时,超二代像增强器分辨力的测试值能达到72 lp/mm。不同微通道板状态下超二代像增强器分辨力测试数据见表 5。
表 5 不同微通道板状态下超二代像增强器分辨力测试数据Table 5. Resolution of the super Ⅱ image intensifiers with different features microchannel plateSample Fiber diameter of fiber optic plate/μm Channel diameter of microchannel plate/μm Microchannel plate output anti dispersion film Average value of distance/mm Resolution/(lp/mm) 7034# 4 6 without 0.085 68 7013# 4 6 without 0.085 68 7032# 4 6 without 0.085 68 7003# 4 6 without 0.086 68 7038# 4 5 with 0.080 72 7025# 4 5 with 0.082 72 7026# 4 5 with 0.082 72 7036# 4 5 with 0.083 72 2.4 综合验证
通过综合减小阴极近贴距离、减小微通道板通道孔径、减小光纤面板输出窗丝径以及对微通道板镀制防电子弥散膜的方法,超二代像增强器分辨力最高值达到了76 lp/mm,比原有超二代像增强器的分辨力提高了33.33%。实验前后超二代像增强器分辨力测试数据见表 6。
表 6 实验前后超二代像增强器分辨力测试数据Table 6. Resolution of the super Ⅱ image intensifiers before and after the experimentSample Fiber diameter of fiber optic plate/μm Channel diameter of microchannel plate/μm Microchannel plate output anti dispersion film Average value of distance/mm Resolution/(lp/mm) 4117# 6 6 without 0.149 57 4393# 6 6 without 0.157 57 4387# 6 6 without 0.147 57 4287# 6 6 without 0.151 57 7022# 4 5 with 0.080 76 7023# 4 5 with 0.079 76 7066# 4 5 with 0.077 76 7045# 4 5 with 0.076 76 3. 结论
在固定阴极输入窗、光电阴极、阳极近贴距离及荧光屏制作工艺的前提下,可以通过减小阴极近贴距离、减小微通道板通道孔径、减小光纤面板输出窗丝径以及对微通道板镀制防电子弥散膜的方法来提高超二代像增强器的分辨力:
1)使用相同类型的微通道板和光纤面板输出窗,并保证微通道板装配面与阴极输入窗封接面之间平行差≤0.01 mm的前提下,阴极近贴距离由0.15 mm缩小到0.12 mm,超二代像增强器分的辨力可以提高3 lp/mm,阴极近贴距离由0.12 mm缩小到0.08 mm,超二代像增强器的分辨力可以提高4 lp/mm。将3个阴极近贴距离条件下测得的分辨力值代入分辨力计算公式中,可求得阴极聚焦分辨力计算公式中的系数K值,系数K的平均值为1.107。
2)当阴极近贴距离固定为0.08 mm,将光纤面板输出窗的丝径缩小为4 μm时,超二代像增强器的分辨力又可以进一步提高4 lp/mm。
3)当阴极近贴距离固定为0.08 mm,光纤面板输出窗的丝径为4 μm,微通道板丝径缩小为5 μm且输出面镀制防电子弥散金属膜时,超二代像增强器的分辨力又可以进一步提高4 lp/mm。
4)综合以上影响因素,超二代像增强器的分辨力最高达到76 lp/mm,比原有超二代像增强器的分辨力提高了33.33%。
5)随着材料性能的提升和制作技术的不断进步,可以进一步提高荧光屏与微通道板之间的场强,从而进一步提升超二代像增强器的分辨力。
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表 1 二代和三代像增强器的主要区别
Table 1 Major differences between Gen Ⅱ and Gen Ⅲ image intensifier
Image intensifier GEN Ⅱ GEN Ⅲ Characteristic Input window Fiber-optic plate Glass Glass has higher transmission AR film - Si3N4 GaAs cathode has lower reflection Photocathode Na2KSb GaAs GaAs cathode has higher PR Cathode voltage 200 V > 400 V - Ion barrier - Al2O3 Ion barrier will decrease SNR Sealing technology Thermal sealing Cold sealing Thermal sealing is easier Vacuum < 10-5 Pa < 10-8 Pa The higher the vacuum, the more expensive the equipment 表 2 二代与三代像增强器的主要性能比较
Table 2 Major parameters of Gen Ⅱ and Gen Ⅲ image intensifier
Image intensifier Gen Ⅱ Gen Ⅲ Unit PR >240 >1000 μA⋅lm-1 SNR >12.7 >16.2 - RES >25 >36 lp⋅mm-1 Gain >2400 >6400 cd⋅m-2⋅lx-1 EBI <2.5×10-7 <2.5×10-7 lx MTTF 2000 - Hour Shock resistance >75 >75 g Manufacture DEP ITT - 表 3 二代与三代像增强器观察视距比较
Table 3 Recognized distance for Gen Ⅱ and Gen Ⅲ image intensifier
Scene illumination/lx Gen Ⅱ Gen Ⅲ 1×10-2 1 1.15 1×10-3 1 1.42 7×10-4 1 1.51 表 4 不同生产商三代像增强器的主要性能比较
Table 4 Major parameters of Gen Ⅲ image intensifier of different manufactures
Parameters Image intensifier model & manufacturer Unit XX1520(by AEG) XX1530(by DEP) *( by LEP) ANVIS(by ITT) PR > 1000 > 1000 >1000 >1000 μA⋅lm-1 SNR > 16.2 > 16.2 >15 >16.2 - RES > 36 > 36 >35 >36 lp⋅mm-1 Gain > 6400 > 6400 >6400 >6400 cd⋅m-2⋅lx-1 EBI < 2.5×10-7 < 2.5×10-7 < 2.5×10-7 <2.5×10-7 lx MTTF 7500 7500 7500 - Hour Shock resistance 75 75 75 >75 g Note:*without a model for sale 表 5 二代、超二代以及三代像增强器的主要区别
Table 5 Major differences between Gen Ⅱ, Super Gen Ⅱ and Gen Ⅲ image intensifier
Image intensifier Gen Ⅱ Super Gen Ⅱ Gen Ⅲ Input window Fiber-optic plate Glass Glass AR film - - Si3N4 Photocathode Na2KSb Na2KSb GaAs Cathode voltage 200 V 200 V >400 V Ion barrier - - Al2O3 Sealing technology Thermal sealing Thermal sealing Cold sealing Vacuum <10-5 Pa <10-5 Pa <10-8 Pa 表 6 不同像增强器的主要性能比较
Table 6 Major parameters of different image intensifiers
Image intensifier Super Gen Ⅱ Super Gen Ⅱ Gen Ⅲ Unit Model XX1700 XX1610 ANVIS - PR >500 >500 >1000 μA⋅lm-1 SNR > 18.9 >15.5 >16.2 - RES >36 >36 >36 lp⋅mm-1 Gain >12000 >6400 >6400 cd⋅m-2⋅lx-1 EBI <2.5×10-7 <2.5×10-7 <2.5×10-7 lx MTTF 10000 7500 7500 Hour Shock resistance > 500 >500 >75 g Manufacturer DEP Philips ITT - 表 7 二代、超二代以及三代像增强器观察视距比较
Table 7 Recognized distance for Gen Ⅱ, Super Gen Ⅱ and Gen Ⅲ image intensifiers
Scene illumination
/lxGen Ⅱ Super Gen Ⅱ Gen Ⅲ 1×10-2 1 1.12 1.15 1×10-3 1 1.35 1.42 7×10-4 1 1.41 1.51 表 8 超二代与三代像增强生产成本分析
Table 8 Analysis on cost of Super Gen Ⅱ and Gen Ⅲ
Super Gen Ⅱ Gen Ⅲ Equipment Low vacuum(< 10-5 Pa) Very high vacuum(< 10-8 Pa) Technique Short process chain, high efficiency and high yield Long process chain, low efficiency and low yield 表 9 像增强器性能参数比较
Table 9 Comparison between different image intensifier
PR/μA⋅lm-1 SNR RES/lp⋅mm-1 Gain/cd⋅m-2⋅lx-1 EBI/lx 1123# 872 25.7 64 16000 1.6×10-7 1171# 765 26.2 64 16000 0.9×10-7 表 10 Omnibus计划的三代像增强器
Table 10 Parameters of Gen Ⅲ image intensifier in Omnibus procurements
Omnibus Ⅲ Omnibus Ⅳ Omnibus Ⅴ Omnibus Ⅵ Unit PR 1350 1800 1800 2000 μA⋅lm-1 RES 51 64 64 64 lp⋅mm-1 SNR 19 21 21 25 - Gain 12500-22500 12500-22500 12500-22500 15000-22500 cd⋅m-2⋅lx-1 Year 1990 1996 1999 2002 - 表 11 超二代像增强器性能指标
Table 11 Parameters of Super Gen Ⅱ image intensifier
SHD-3 XD-4 XR-5 XP-6 Unit PR 500 600 700 1000 μA⋅lm-1 RES 50 60 64 64 lp⋅mm-1 SNR 18 20 25 28 - Gain 10000-16000 10000-17500 10000-17500 15000-20000 cd⋅m-2⋅lx-1 Year 1999 2000 2002 2014 - 表 12 像增强器性能参数比较
Table 12 Comparison between different image intensifier
RES/lp⋅mm-1 SNR FOM EBI/lx Gain/cd⋅m-2⋅lx-1 1144# 64 28.1 1800 0.7×10-7 18000 1151# 64 28.3 1800 1.5×10-7 12000 -
[1] 张敬贤, 李玉丹, 金伟其. 微光与红外成像技术[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1995: 29-35. ZHANG Jingxian, LI Yudan, JIN Weiqi. Low-light-level and Infrared Imaging Technology[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 1995: 29-35.
[2] 周立伟, 刘玉岩. 目标探测与识别[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2002: 79-100. ZHOU Liwei, LIU Yuyan. Object Detection and Origin[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2002: 79-100.
[3] 程宏昌, 石峰, 李周奎, 等. 微光夜视器件划代方法初探[J]. 应用光学, 2021, 42(6): 1092-1101. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX202106023.htm CHENG Hongchang, SHI Feng, LI Zhoukui, et al. Preliminary study on distinguishment method of low-level-light night vision devices[J]. Journal of Applied Optics, 2021, 42(6): 1092-1101. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX202106023.htm
[4] 郭晖, 向世明, 田民强. 微光夜视技术发展动态评述[J]. 红外技术, 2013, 35(2): 63-68. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201302003 GUO Hui, XIANG Shiming, TIAN Minqiang. A review of development of low light level night vision technology[J]. Infrared Technology, 2013, 35(2): 63-68. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201302003
[5] 田金生. 低照度微光传感器的最新进展[J]. 红外技术, 2013, 35(9): 527-534. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201309001 TIAN Jinsheng. New development of low level imaging sensor technology[J]. Infrared Technology, 2013, 35(9): 527-534. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201309001
[6] Laprade B N, Reinhart S T, Wheeler M, et al. Low-noise-figure microchannel plate optimized for Gen III image intensification systems[C/OL]//SPIE of Electron Image Tubes and Image Intensifiers, 1990, 1243: https://doi.org/10.1117/12.19476.
[7] Feller W B. Low noise and conductively cooled microchannel plates[C]//Proc. of SPIE Electron Image Tubes and Image Intensifiers, 1990, 1243:doi: 10.1117/12.19475.
[8] Conti L, Barnstedt J, Hanke L, et al. MCP Detector Development for UV Space Missions[J]. Astrophysics and Space Science, 2018, 363(4): 63-71. DOI: 10.1007/s10509-018-3283-4
[9] 周异松. 电真空成像器件及理论分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 1989. ZHOU Yisong. Electric Vacuum Imaging Device and Its Theoretical Analysis[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1989.
[10] 向世明, 倪国强. 光电子成像器件原理[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006. XIANG Shiming, NI Guoqiang. The Principle of Photoelectronic Imaging Device[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2006.
[11] 常本康. 多碱光电阴极[M]. 北京: 兵器工业出版社, 2001. CHANG Benkang. Multi-Alkali Photocathode[M]. Beijing: Ordnance Industry Press, 2001.
[12] 李晓峰, 刘如彪, 赵学峰. 多碱阴极光电发射机理研究[J]. 光子学报, 2011, 40(9): 1438-1441. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB201212008.htm LI Xiaofeng, LIU Rubiao, ZHAO Xuefeng. Photoemission mechanism of multi-alkali cathode[J]. Acta Photonica Sinica, 2011, 40(9): 1438-1441. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB201212008.htm
[13] 李晓峰, 陆强, 李莉, 等. 超二代像增强器多碱阴极膜厚测量研究[J]. 光子学报, 2012, 41(11): 1377-1381. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB201211023.htm LI Xiaofeng, LU Qiang, LI Li. Thickness measurement of multi-alkali photocathode[J]. Acta Photonica Sinica, 2012, 41(11): 1377-1381. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB201211023.htm
[14] 李晓峰. 超二代像增强器多碱阴极光电发射特性研究[J]. 光子学报, 2013, 42(1): 1435-1440. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB201301001.htm LI Xiaofeng. Photoemission process study of multi-alkali photocathode in the super second generation image intensifier[J]. Acta Photonica Sinica, 2013, 42(1): 1435-1440. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB201301001.htm
[15] 李晓峰, 杨文波, 王俊. 用光致荧光研究多碱阴极光电发射机理[J]. 光子学报, 2012, 41(12): 1435-1440. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB201212008.htm LI Xiaofeng, YANG Wenbo, WANG Jun. Photoemission mechanism of multi-alkali photocathode by photoluminescence[J]. Acta Photonica Sinica, 2012, 41(12): 1435-1440. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB201212008.htm
[16] 常本康. GaAs光电阴极[M]. 北京: 科学出版社, 2001. CHANG Benkang. GaAs Photocathode[M]. Beijing: Science Press, 2001.
[17] 常本康. GaAs基光电阴极[M]. 北京: 科学出版社, 2017. CHANG Benkang. Photocathode Base on GaAs[M]. Beijing: Science Press, 2017.
[18] ZHANG Yijun, CHANG Benkang, YANG Zhi, et al. Distributuion of carriers in gradient-doping transmission-mode GaAs photocathodes grown by molecular beam epitaxy[J]. Chinese Physics B, 2009, 18(10): 4541-4546. DOI: 10.1088/1674-1056/18/10/074
[19] ZHAO Jing, CHANG Benkang, XIONG Yajuan, et al. Influence of the antireflection, window and active layers on optical properties of exponential-doping transmission-mode GaAs photocade modules[J]. Optics Communications, 2012, 285(5): 589-593.
[20] 李晓峰, 张景文, 高宏凯, 等. 三代管MCP离子阻挡膜研究[J]. 光子学报, 2001, 30(12): 1496-1499. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB200112014.htm LI Xiaofeng, ZHANG Jingwen, GAO Hongkai, et al. Ion barrier of MCP in the third generation image intensifier[J]. Acta Photonica Sinica, 2001, 30(12): 1496-1499. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB200112014.htm
[21] 杨晓军, 李丹, 乔凯, 等. 防离子反馈微通道板表面碳污染去除的试验研究[J]. 红外技术, 2020, 42(8): 747-751. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs202008007 YANG Xiaojun, LI Dan, QIAO Kai, et al. Experimental study of C pollution removal from microchannel plate with ion barrier film[J]. Infrared Technology, 2020, 42(8): 509-518. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs202008007
[22] Jan Van Spijker. Ion barrier membrane for use in a vacuum tube using electron multiplying, an electron multiplying structure for use in a vacuum tube using electron multiplying as well as a vacuum tube using electron multiplying provided with such an electron multiplying structure[P]. U. S. : 8, 471, 444B2[P]. [2013-01-25].
[23] Roaux E, Richard J C, Piaget C. Third-Generation Image Intensifier[J]. Advances in Electronics and Electron Physics, 1985, 64A: 71-75.
[24] Pollehn H K. Performance and reliability of third-generation image intensifier[J]. Advances in Electronics and Electron Physics, 1985, 64A: 61-69.
[25] Jacques Dupuy, Joost Schrijvers, Gerard Wolzak. The super second generation image intensifier[C/OL]//SPIE, 1989, 1072: 0014.
[26] Bosch L A, Boskma L. The Performance of DEP Super Generation Image Intensifier[C]//Proc. of SPIE, 1994, 2272: 110212.
[27] YAN Baojin, LIU Shulin, HENG Yuekun. Nano-oxide thin films deposited via atomic layer deposition on microchannel[J]. Nanoscale Research Letters, 2015, 10(1): 1-10.
[28] 丛晓庆, 邱祥彪, 孙建宁, 等. 原子层沉积法制备微通道板发射层的特性[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(9): 0916002. CONG Xiaoqing, QIU Xiangbiao, SUN Jianning, et al. Properties of microchannel plate emission layer deposited by atomic layer deposition[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(9): 1-10.
[29] Nutzel G. Image intensifier for night vision device[P]. U. S. : Patent 0, 886, 095B2, [2021-01-05].
[30] 山东鑫茂奥耐特复合固体润滑工程技术有限公司. 一种金属表面超声波镶嵌纳米金刚石的方法[P]. 中国: CN201510283605, [2015-08-20]. Shandong Xingmao aonaite compound lubricating oil technology company. A method of ultrasonic embedding nano diamond on metal surface[P]. China: CN201510283605, [2015-08-20].
[31] 李晓峰, 李廷涛, 曾进能, 等. 微通道板输入信号利用率提高研究[J]. 光子学报, 2020, 49(3): 0325002. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202003022.htm LI Xiaofeng, LI Tingtao, ZENG Jinneng, et al. Study on the improvement of input signal utilization of MCP[J]. Acta Photonica Sinica, 2020, 49(3): 0325002. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202003022.htm
[32] 李丹, 朱宇峰, 赵慧民, 等. MCP噪声因子特性研究[J]. 红外技术, 2017, 39(11): 1066-1070. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201711016 LI Dan, ZHU Yufeng, ZHAO Huimin, et al. Research on noise factor characteristic of micro-channel plate[J]. Infrared Technology, 2017, 39(11): 1066-1070. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201711016
[33] 李晓峰, 常乐, 李金沙, 等. 微通道板噪声因子与工作电压关系研究[J]. 光子学报, 2020, 49(7): 0725002. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202007003.htm LI Xiaofeng, CHANG Le, LI Jinsha, et al. Study on the relationship between noise factor and working voltage of microchannel plate[J]. Acta Photonica Sinica, 2020, 49(7): 0725002. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202007003.htm
[34] 李晓峰, 张正君, 丛晓庆, 等. 微通道板结构参数对噪声因子的影响研究[J]. 光子学报, 2021, 50(5): 0225001. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202104016.htm LI Xiaofeng, ZHANG Zhenjun, CONG Xiaoqing, et al. Influence of microchannel plate structure parameters on noise factor[J]. Acta Photonica Sinica, 2021, 50(5): 0225001. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202104016.htm
[35] 刘元震, 王仲春, 董亚强. 电子发射与光电阴极[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1995. LIU Yuanzheng, WANG Zhongchun, DONG Yaqiang. Electron Emission and Photocathode[M]. Beijing: Beijing Science and Technology University Press, 1995.
[36] 法国甫托尼公司. 具有改善的吸收率的半透明的光电阴极[P]. 中国: CN104781903A. [2015-07-15]. Photonis France. Sem-transparent photocathode with improved absorption rate[P]. China: CN104781903A [2015-07-15].
[37] 李晓峰, 常乐, 曾进能, 等. 微通道板分辨力提高研究[J]. 光子学报, 2019, 48(12): 1223002. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB201912016.htm LI Xiaofeng, CHANG Le, ZENG Jinneng, et al. Study on resolution improvement of microchannel plate[J]. Acta Photonica Sinica, 2019, 48(12): 1223002. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB201912016.htm
[38] 邱亚峰, 严武凌, 华桑暾. 基于电子追迹算法的微光像增强器分辨力研究[J]. 光子学报, 2020, 49(12): 1223003. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202012003.htm QIU Yafeng, YAN Wuling, HUA Sangtun. Resolution research of low-light-level image intensifier based on electronic trajectory tracking[J]. Acta Photonica Sinica, 2020, 49(12): 1223003. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202012003.htm
[39] 李晓峰, 常乐, 赵恒, 等. 超二代与三代像增强器低照度分辨力比较研究[J]. 光子学报, 2021, 50(9): 0904003-1. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202109030.htm LI Xiaofeng, CHANG Le, ZHAO Heng, et al. Comparison of resolution between Super Gen. Ⅱ and Gen. Ⅲ image intensifier[J]. Acta Photonica Sinica, 2021, 50(9): 0904003-1. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202109030.htm
[40] Hoenderken T H, Hagen C W, Nutzel G O, et al. Influence of the microchannel plate and anode gap parameters on the spatial resolution of an image intensifier[J]. Journal of Vaccum, Science and Technology, 2001, 19(30): 843-850.
[41] Nutzel G. Fiber optic phosphor screen comprising angular filter[P]. U. S. : 8, 933, 419B2 [2015-01-13].
[42] 潘京生. 像增强器的迭代性能及其评价标准[J]. 红外技术, 2020, 42(6): 509-518. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs202006001 PAN Jingsheng. Image intensifier upgraded performance and evaluation standard[J]. Infrared Technology, 2020, 42(6): 509-518. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs202006001
[43] 董煜辉, 黄丽书, 王俊, 等. 微光像增强器试验方法: WJ 2091-1992[S]. 北京: 中国标准出版社, 1992. DONG Yuhui, HUANG Lishu, WANG Jun, et al. Test method of image intensifier: WJ 2091-1992[S]. Beijing: Standards Press of China, 1992.
[44] 董煜辉, 黄丽书, 王俊, 等. 像增强器通用规范: GJB 2000A-2020 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2020. DONG Yuhui, HUANG Lishu, WANG Jun, et al. General specification of image intensifier: GJB 2000A-2020[S]. Beijing: Standards Press of China, 2020.
[45] 李晓峰, 何雁彬, 常乐, 等. 超二代与三代像增强器性能的比较研究[J]. 红外技术, 2022, 44(8): 764-777. http://hwjs.nvir.cn/article/id/f450e48d-1281-422f-8ab5-d725f5a0ce3d LI Xiaofeng, HE Yanbin, CHANG Le, et al. Performance comparison between super second generation and third generation image intensifiers[J]. Infrared Technology, 2022, 44(8): 764-777. http://hwjs.nvir.cn/article/id/f450e48d-1281-422f-8ab5-d725f5a0ce3d
[46] 周立伟. 关于微光像增强器的品质因数[J]. 红外与激光工程, 2004, 33(4): 331-337. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ200404001.htm ZHOU Liwei. On quality factor of low light level image intensifier[J]. Infrared and Laser Engineering, 2004, 33(4): 331-337. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ200404001.htm
-
期刊类型引用(12)
1. 邱祥彪,杨晓明,孙建宁,王健,丛晓庆,金戈,曾进能,张正君,潘凯,陈晓倩. 高空间分辨微通道板现状及发展. 红外技术. 2024(04): 460-466 . 本站查看
2. 刘宇,时荔蕙. 像增强器性能梯次及发展路线研究. 红外与毫米波学报. 2023(04): 427-433 . 百度学术
3. 曾进能,杨琼连,龚燕妮,李廷涛,王乙瑾,李晓露,赵恒,马怀超,徐传平,吴艳娟,汪云,李耀斌,须恃瑜,刘倍宏,徐鳕娇,李荣喜. 超二代微光像增强器性能随工作时间的影响研究. 红外技术. 2023(08): 869-875 . 本站查看
4. 孙磊,金东东,纪春恒,裴崇雷,安鸿波,段恩悦. 基于增强型CCD探测器的距离选通三维成像不均匀性补偿方法. 兵工学报. 2023(08): 2495-2502 . 百度学术
5. 李亚情,左加宁,李晓露,周盛涛,褚祝军,杜培德,王光凡. 自动门控像增强器温度补偿技术研究. 红外技术. 2023(10): 1126-1131 . 本站查看
6. 李晓峰,常乐,刘倍宏,须恃瑜,丁易冰. 超二代像增强器分辨力随输入照度变化研究. 红外技术. 2022(04): 377-382 . 本站查看
7. 李亚情,周盛涛,王光凡,褚祝军,杜培德,朱文锦,李晓露,左加宁,朱世聪. 普通高压电源超二代微光像增强器亮度增益温度特性研究. 红外技术. 2022(08): 804-810 . 本站查看
8. 李晓峰,何雁彬,常乐,王光凡,徐传平. 超二代与三代像增强器性能的比较研究. 红外技术. 2022(08): 764-777 . 本站查看
9. 张益军. 半导体光电阴极的研究进展. 红外技术. 2022(08): 778-791 . 本站查看
10. 邱祥彪,闵信杰,金戈,孙建宁,王健,丛晓庆,张正君,徐昭,潘凯,任玲,张振,乔芳建,聂慧君,黄国瑞,陈晓倩,胡泽训,林焱剑,刘丹,杨晓明. 采用干法刻蚀进行微通道板扩口理论模型研究. 红外技术. 2022(08): 818-823 . 本站查看
11. 孙磊,金东东,纪春恒,裴崇雷,安鸿波. 基于抛物线包络反演的距离选通三维成像方法. 兵工学报. 2022(08): 1868-1873 . 百度学术
12. 杨武丽,来悦颖,张晓辉,焦岗成,李世龙,郭欣,贾甜甜. 微光像增强器常用荧光粉性能研究. 应用光学. 2022(06): 1207-1216 . 百度学术
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