Performance Comparison Between Super Second Generation and Third Generation Image Intensifiers
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摘要: 超二代和三代像增强器是两种不同技术的像增强器，其在光电阴极、减反膜、离子阻挡膜以及阴极电压方面存在区别。在极限分辨力方面，尽管三代像增强器GaAs光电阴极的电子初速小、出射角分布较窄以及阴极电压较高，但目前两种像增强器的极限分辨力均相同，三代像增强器GaAs光电阴极的优势在现有极限分辨力水平下并未得到发挥。在信噪比方面，尽管GaAs光电阴极具有更高的阴极灵敏度，但因为较高的阴极电压以及离子阻挡膜透过率的影响，使得两种像增强器的信噪比基本相同，三代像增强器GaAs光电阴极高灵敏度的优势也未得到发挥。在增益方面，尽管三代像增强器具有更高的阴极灵敏度以及较高的阴极电压，但超二代像增强器通过提高微通道板的工作电压来弥补阴极灵敏度以及阴极电压的不足，因此在现有像增强器增益的条件下，两种像增强器的增益完全相同。在等效背景照度方面，由于三代像增强器GaAs光电阴极的灵敏度更高，因此在相同光电阴极暗电流的条件下，三代像增强器可以获得更低的等效背景照度，所以三代像增强器较超二代像增强器具有更高的初始对比度。在光晕方面，由于三代像增强器光电阴极的灵敏度较高，同时具有离子阻挡膜，因此理论上讲，三代像增强器较超二代像增强器具有更高的光晕亮度，但实际的情况是两种像增强器的光晕亮度基本相同。在杂光方面，GaAs光电阴极具有减反膜，因此杂光较超二代像增强器低，所以三代像增强器的成像更清晰，层次感更好。在带外光谱响应方面，由于超二代像增强器Na2KSb（Cs）光电阴极的带外光谱响应高于三代像增强器，因此在近红外波段进行辅助照明时，超二代像增强器较三代像增强器成像性能更好。在低照度分辨力方面，具有相同性能参数的超二代和三代像增强器具有相同的低照度分辨力。需要注意的是，这是在标准A光源测试条件下所得出的结论。当实际的环境发射光谱分布与标准A光源发射光谱分布不相同时，两种像增强器的低照度分辨力将会不同。Abstract: Super-second-generation and third-generation image intensifiers are two types of image intensifiers that use different technologies. Super-second-generation image intensifiers employ a Na2KSb(Cs) photocathode, whereas third-generation image intensifiers employ a GaAs photocathode. Third-generation image intensifiers employ higher cathode voltages than those employed by super-second-generation image intensifiers. In addition, third-generation image intensifiers employ an antireflection coating between the glass input window and GaAs photocathode; however, this is not employed in super second-generation image intensifiers. Furthermore, third-generation image intensifiers employ ion barriers on their MCP(microchannel plate), whereas super-second-generation image intensifiers do not. In terms of limiting resolution, despite the small initial electron velocity, narrow exit angle distribution, and high cathode voltage of the third-generation image intensifiers, the limiting resolutions of the two types of image intensifiers are the same; the advantages of the GaAs photocathode of the third-generation image intensifiers have not been introduced under the existing limiting resolution level. In terms of signal-to-noise ratio, the GaAs photocathode has a higher cathode sensitivity, normally more than twice that of the super-second-generation image intensifier. Thus, theoretically, the third-generation image intensifiers have signal-to-noise ratios that are 1.4 times those of the super-second-generation image intensifiers. However, the two types of image intensifiers are basically the same owing to the influence of higher cathode voltage and ion barrier transmittance and the advantage of not introducing the high sensitivity of the GaAs photocathode of the third-generation image intensifiers. In terms of gain, although the third-generation image intensifiers have higher cathode sensitivity and cathode voltage, the super-second-generation image intensifiers compensate for the shortcomings of cathode sensitivity and cathode voltage by increasing the working voltage of the microchannel plate. Therefore, in terms of the existing image intensifier gain, the gains of the two types of image intensifiers are identical. In terms of equivalent background illumination(EBI), owing to the higher sensitivity of the GaAs photocathode, the third-generation image intensifiers can obtain lower equivalent background illumination under the same photocathode dark current. Therefore, the third-generation image intensifiers have higher initial contrast than that of the super-second-generation image intensifiers. The higher the initial contrast of the input image, the higher the contrast of the output image. In terms of halo, because the photocathode of the third-generation image intensifiers has high sensitivity and an ion barrier film, theoretically, the third-generation image intensifiers have higher halo brightness than that of the super-second-generation image intensifiers. However, in actual situation, the halo brightness levels of the two types of image intensifiers are basically the same. In terms of stray light, the GaAs photocathode has an antireflection coating; thus, the stray light is lower than that of the super-second-generation image intensifier, so the imaging of the third-generation image intensifier is clearer and the sense of gradation is better. In terms of spectral response beyond the long-wavelength threshold, because the spectral responses beyond the long-wavelength threshold of the super-second-generation image intensifiers are higher than those of the third-generation image intensifiers, the super-second-generation image intensifiers have better imaging performance than that of the third-generation image intensifier under supplementary illumination using the near-infrared waveband. For example, without the presence of any light, the super-second-generation image intensifiers can obtain better images at a supplementary illumination of 980 nm wavelength, whereas the third-generation image intensifiers cannot. In terms of the resolution of low illumination, the super-second- and third-generation image intensifiers with similar performance parameters have the same low luminance resolution. It should be noted that this conclusion was obtained under the test conditions of a standard A light source. When the actual environmental emission spectrum distribution is different from that of a standard illuminant A, the low illumination resolutions of the two types of image intensifiers are different. Photocathode sensitivity is a parameter of the photocathode and not of the image intensifier. Thus, the performances of the two types of image intensifiers cannot be compared in terms of photocathode sensitivity. The difference between the super-second and third-generations cannot be understood using the meaning of "generation; " their differences do not lie in the meaning of "generation."
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Keywords:
- image intensifier /
- resolution /
- signal to noise ratio /
- gain /
- Halo /
- AR coating /
- ion barrier
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0. 引言
微光夜视仪结构简单、重量轻、响应快、功耗低、图像逼真，在国防上有广泛应用。在众多微光夜视仪中，微光夜视头盔应用最广。微光夜视头盔采用近贴式聚焦的像增强器。目前近贴式聚焦的像增强器有两种，一种为超二代像增强器（super second generation image intensifier），另外一种为三代像增强器（third generation image intensifier）[1-3]。超二代像增强器以法国Photonis公司为代表，而三代像增强器则以美国ITT公司（现隶属Elbit公司）为代表。两种像增强器的外形、重量、功耗以及接口尺寸完全一致。不仅如此，两种像增强器采用同一套指标来描述其性能，并且大部分指标参数，如极限分辨力、增益、信噪比等基本相同。如果仅仅从“代”的字面上来理解，既然是“代”的区别，超二代与三代像增强器的主要性能参数应该区别较大，而且低一代的像增强器必然要被高一代的像增强器所替代，即超二代像增强器必然要被三代像增强器替代，但实际情况并非如此。三代像增强器最早源于美国，于1985年开始量产，而超二代像增强器最早源于法国，并于1990年开始量产，因此到目前为止，超二代与三代像增强已经并列发展了32年。超二代像增强器与三代像增强器在过去的32年中，呈现出的是一种并列发展的状态，而且从目前的情况看，还看不出超二代像增强器被三代像增强器所替代的迹象。尽管超二代像增强器和三代像增强器在性能指标（阴极灵敏度指标除外）上差别不大，但超二代与三代像增强器毕竟是两种不同技术的像增强器，它们之间的区别或比较，需要从其工作原理上来理解，这样才能得出较准确的结论。本文从两种像增强器工作原理出发，对两种像增强器的性能进行对比，揭示了两种像增强器各自的特点，为更好地了解和应用这两种像增强器提供参考。
1. 工作原理概述
从原理上讲，近贴式聚焦像增强器主要包括3部分。第1部分为光电阴极，第2部分为微通道板（microchannel plate，MCP），第3部分为荧光屏。光电阴极位于输入窗的内表面，荧光屏位于输出窗的内表面，MCP位于光电阴极与荧光屏之间。光电阴极与MCP输入端之间为近贴式聚焦，聚焦距离约为0.2 mm，聚焦电压为200~800 V。MCP输出端与荧光屏之间也为近贴聚焦，聚焦距离约为0.5 mm，聚焦电压为6000 V。输入光入射在光电阴极上，光电阴极发射光电子，光电子在阴极电场（光电阴极与MCP输入端之间的电场）作用下向MCP输入端运动并进入微通道板的通道内。光电子在通道内部电场（MCP输入端与输出端之间的电场）作用下，由输入端向输出端运动。在此过程中，电子不断与通道的内壁发射碰撞并产生二次电子。由于通道内壁的二次电子发射系数大于1，因此当电子从MCP输出端输出时，输出电子数量远超输入电子数量，因此实现了电子的倍增。从MCP输出的电子在阳极电场（MCP输出端与荧光屏之间的电场）作用下向荧光屏运动，轰击荧光屏发光。由于荧光屏的出射光通量远高于光电阴极的入射光通量，因此实现了输入光的放大，这就是近贴式聚焦像增强器的基本工作原理。
超二代与三代像增强器相比，尽管基本工作原理相同，但在具体工作原理方面还存在一定的区别。这是因为超二代与三代像增强器相比，存在光电阴极（photocathode）、减反膜（anti-reflection coating，AR coating）、离子阻挡膜（ion barrier）以及阴极电压的区别。超二代与三代像增强器的结构原理见图 1。其中图(a)为超二代像增强器（super Gen.Ⅱ image intensifier），而图(b)为三代像增强器（Gen.Ⅲ image intensifier）。
超二代像增强器采用Na2KSb（Cs）光电阴极（俗称多碱阴极）[4-7]，而三代像增强器采用GaAs光电阴极[8-11]。Na2KSb（Cs）多碱阴极为正电子亲和势阴极，而GaAs阴极却为负电子亲和势阴极。描述光电阴极性能的指标是光谱响应（photocathode response，PR）或阴极灵敏度（photocathode sensitivity，PS）。图 2为Na2KSb（Cs）多碱阴极和GaAs阴极的光谱响应。从图中可以看出，GaAs阴极具有更高的阴极光谱响应。图中多碱阴极的阴极灵敏度为980 μA·lm－1，而GaAs光电阴极的阴极灵敏度却为2070 μA·lm－1。
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图 2 GaAs和Na2KSb（Cs）光电阴极光谱响应Figure 2. Photocathode response of GaAs and Na2KSb (Cs) photocathode另外对三代像增强器而言，在GaAs阴极与玻璃窗之间，还存在一层Si3N4减反膜。由于Si3N4减反膜的存在，降低了GaAs光电阴极的反射率。而超二代像增强器的Na2KSb（Cs）多碱阴极却没有类似的减反膜，因此反射率较高。图 3为超二代与三代像增强器光电阴极的光谱反射率。从图中可以看出，超二代较三代像增强器在可见光以及近红外波长范围内具有较高的光谱反射率。
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图 3 GaAs and Na2KSb（Cs）光电阴极光谱反射率Figure 3. Reflection of GaAs and Na2KSb(Cs)photocathode再有，三代像增强器的MCP输入端有一层离子阻挡膜，而超二代像增强器却没有。由于三代像增强器的MCP具有离子阻挡膜，因此光电阴极发射的光电子需要具有足够的能量才能穿透，所以三代像增强器的阴极电压较超二代像增强器高。超二代像增强器的阴极电压为200 V，而三代像增强器的阴极电压却为400 V以上。另外由于离子阻挡膜的存在，会有一部分光电子不能穿透离子阻挡膜，因此会损失光电子，造成实际（或有效）的阴极灵敏度低于测量的阴极灵敏度。表 1为超二代与三代像增强器结构原理上的区别对比。表中的4项区别不是像增强器性能参数的区别，而是像增强器工作原理方面的区别，只是这些区别会影响到像增强器的整体性能参数。
表 1 超二代与三代像增强器区别Table 1. Difference between super Gen.Ⅱ and Gen.Ⅲ image intensifierSuper Gen.Ⅱ Gen.Ⅲ Photocathode Na2KSb（Cs） GaAs AR coating N/A Si3N4 Ion barrier N/A Al2O3 Cathode voltage 200 V > 400 V 2. 性能比较分析
2.1 极限分辨力
极限分辨力是指像增强器所能达到的最高分辨力，也是像增强器在最佳工作条件下所能达到的最高分辨力。像增强器的极限分辨力与阴极近贴聚焦距离、阴极电压、荧光屏近贴聚焦距离、荧光屏、屏压以及MCP的孔径有关[12-16]。超二代像增强器采用Na2KSb（Cs）多碱阴极，而三代像增强器则采用GaAs光电阴极。Na2KSb（Cs）多碱阴极是一种热电子发射，而GaAs光电阴极却是一种冷电子发射，因此Na2KSb（Cs）多碱阴极所发射光电子的初速以及发射角的分布范围较GaAs光电阴极大。从阴极近贴聚焦来讲，从光电阴极上任意一点所发射的光电子，在MCP的输入端面上是一个弥散斑，而不是一个点，如图 4所示。弥散斑的直径越小，分辨力越高。
从光电阴极上一点所发射的光电子，在MCP输入端上的弥散斑半径由下式所决定：
$$ r=2 \cdot L \cdot \sin \theta \sqrt{\frac{v_{\mathrm{i}}}{v_{\mathrm{c}}}} $$ (1) 式中：r为弥散圆半径；L为阴极近贴聚焦距离；θ为光电子出射角；vi为等效初电位；vc为阴极电压。等效初电位与光电子的初速相关，初速越大，等效初电位也越大。
超二代与三代像增强器相比较，虽然阴极近贴聚焦距离相同，但光电子初速较高，因此等效初电位较高，再加上光电子的出射角较大以及阴极电压较低，根据式(1)可知，超二代像增强器的弥散圆半径较三代像增强器大。所以从理论上讲，超二代像增强器的极限分辨力应该低于三代像增强器。然而，实际情况是，超二代与三代像增强器的极限分辨力基本相同。例如，如果采用6 μm孔径的MCP，超二代和三代像增强器的极限分辨力均可以达到64 lp·mm－1以上。而采用4 μm孔径的MCP，超二代和三代像增强器的极限分辨力均可以达到72 lp·mm－1以上。所以从像增强器的实际极限分辨力指标看，超二代与三代像增强器相比较，极限分辨力基本相同，不存在较大差别。原因是公式(1)对于三代像增强器而言，仅仅考虑了涉及影响三代像增强器分辨力的一部分因数，其他涉及到光电阴极发射层的因数未考虑。例如光电阴极的厚度（三代像增强器光电阴极的厚度较超二代像增强器更厚）、减反膜、缓冲层、热压工艺等因数，这些因数均会影响三代像增强器的分辨力。这些因数的存在，抵消了三代像增强器光电阴极等效初电位小的优势。
2.2 信噪比
信噪比（signal to noise ratio，SNR）定义为信号平均值与噪声均方根值之比。信噪比对像增强器在低照度下的分辨力有较大影响。这是因为在低照度条件下，图像由涨落信号所构成。像增强器的信噪比由下式表示[17]：
$$ \mathrm{SNR}=1.03 \times \sqrt{\frac{S}{N_{\mathrm{f}}} \times \mathtt{μ} \mathrm{A}^{-1} \cdot \mathrm{lm}} $$ (2) 式中：S为阴极灵敏度，μA·lm－1；Nf为MCP的噪声功率因子（简称噪声因子）。
从式(2)中可以看出，像增强器的信噪比与阴极灵敏度的平方根成正比，与MCP噪声因子的平方根成反比。在MCP相同的条件下，噪声因子基本相同。因此，如果光电阴极灵敏度为原来的2倍，那么像增强器的信噪比将为原来的1.41倍。三代像增强器的阴极灵敏度较高，通常情况下是超二代像增强器阴极灵敏度的2倍以上，如果超二代和三代像增强器采用相同的MCP，那么可以认为其MCP的噪声因子基本相同[18-20]，所以理论上讲，三代像增强器的信噪比也应该是超二代像增强器信噪比的1.41倍以上，但实际情况并非如此。例如样品1227#超二代像增强器，阴极灵敏度为868 μA·lm－1，信噪比为28.77。样品1997#三代像增强器（国外样品），阴极灵敏度为2001 μA·lm－1，阴极电压为600 V，信噪比为31.63。两种像增强器样品均采用6 μm孔径的MCP，因此其噪声因子相同。1997#样品的阴极灵敏度为1227#样品阴极灵敏度的2.3倍，根据式(2)，1997#三代像增强器的信噪比应为1227#样品的1.52倍，即应为43.68，与31.63的实测值相比较，高了38%。造成三代像增强器信噪比理论值与实测值不相符的原因可以从阴极电压以及离子阻挡膜[21-23]这两方面来分析。
图 5为上述两只样品信噪比随阴极电压变化的规律。两个样品的MCP工作电压均为900 V。从图中的1227#曲线可以看出，当阴极电压从200 V增加到600 V时，1227#超二代像增强器的信噪比从28.77增加到29.55，之后又减小到25.19。600 V阴极电压的信噪比比200 V时的信噪比降低了12%。这说明过高的阴极电压，或者说过高的光电子能量会降低信噪比。原因可以理解为光电子能量增加，由此增加了二次电子倍增的噪声。但从图 5中的1997#曲线可以看出，当阴极电压从200 V增加到600 V时，信噪比从27.11单调增加到31.63，增加了16%。超二代和三代像增强器信噪比随阴极电压变化的规律不相同。这是因为对于三代像增强器而言，除了阴极电压增加会导致信噪比下降的因数外，还有阴极电压增加会导致MCP离子阻挡膜光电子透过率增加的因数。光电子透过率增加，信噪比会随之增加。由于光电子透过率增加的因数强于二次电子倍增噪声增加的因数，因此造成三代像增强器的信噪比随阴极电压的增加而单调增加。
如果不考虑到阴极电压从200 V增加到600 V时，1997#样品信噪比也下降12%的这一因数，那么离子阻挡膜透过率增加导致信噪比增加的实际值还应该加上12%，因此1997#样品的信噪比应为35.94。根据式(2)推算，可得出1997#样品的有效阴极灵敏度（effective photocathode sensitivity，EPS）为1354 μA·lm－1，为2001 μA·lm－1测量阴极灵敏度的68%。所以对于三代像增强器而言，由于离子阻挡膜的存在，光电子的透过率仅仅为68%，即有32%的光电子不能穿透离子阻挡膜，使得有效阴极灵敏度低于测量阴极灵敏度（apparent photocathode sensitivity，APS）。
如果将二次电子倍增噪声增加（光电子能量增加）以及离子阻挡膜透过率增加对信噪比影响的这两个因素结合在一起考虑，即以31.63的实测信噪比来推算阴极灵敏度，那么根据式(2)可知，三代像增强器的等效阴极灵敏度（equivalent photocathode sensitivity，QPS）更低，仅仅为1049 μA·lm－1。由此可见，造成三代像增强器信噪比理论值与实测值存在较大差距的原因是较高的阴极电压以及离子阻挡膜的透过率。
根据以上的分析可知，对于三代像增强器的光电阴极灵敏度而言，需要注意测量阴极灵敏度、有效阴极灵敏度以及等效阴极灵敏度之间的区别。测量阴极灵敏度最高，有效阴极灵敏度次之，而等效阴极灵敏度最低。同样对三代像增强器的阴极光谱响应而言，也存在3种光谱响应，即测量光谱响应（apparent photocathode response，APR）、有效光谱响应（effective photocathode response，EPR）以及等效光谱响应（equivalent photocathode response，QPR）。图 6为1997#样品的3种光谱响应曲线，图中曲线1997#-1为测量阴极光谱响应，曲线1997#-2为有效阴极光谱响应，而曲线1997#-3为等效阴极光谱响应。
三代像增强器由于具有离子阻挡膜，因此降低了三代像增强器应有的信噪比。然而随着离子阻挡膜制作技术的不断进步，离子阻挡膜的厚度越来越薄，光电子透过率越来越高。例如对于薄膜三代像增强器（Thin filmed Gen.Ⅲ）样品4321#（国外样品），阴极灵敏度为2291 μA·lm－1，阴极电压为600 V，信噪比为37.11。根据式(2)，可以计算出其有效阴极灵敏度和等效阴极灵敏度分别为1863 μA·lm－1和1444 μA·lm－1，以测量阴极灵敏度相比较，下降的比例较传统的有膜三代像增强器1997#（Filmed Gen.Ⅲ）有所提高，见表 2。从表中可以看出，4321#样品的有效阴极灵敏度为测量阴极灵敏度的81%，即离子阻挡膜透过率达到81%，较传统的有膜三代像增强器（Filmed Gen.Ⅲ）1997#样品离子阻挡膜的透过率增加了13%。由于离子阻挡膜透过率的增加，等效阴极灵敏度也达到了测量阴极灵敏度的63%。
表 2 像增强器阴极灵敏度下降比例Table 2. Decline percentage of sensitivity for the image intensifierAPS/% EPS/% QPS/% 1997#(Filmed Gen. Ⅲ) 100 68 52 4321#(Thin filmed Gen. Ⅲ) 100 81 63 三代像增强器的信噪比相对超二代像增强器实际上没有理论计算值高，原因在于离子阻挡膜。一方面有膜（离子阻挡膜）的MCP需要更高的阴极电压，而高阴极电压会增加MCP的噪声因子。另一方面有膜（离子阻挡膜）的MCP会阻挡一部分光电子，如果从公式(2)的角度理解，相当于有膜（离子阻挡膜）的MCP相对于无膜（离子阻挡膜）的MCP具有更高的噪声因子。
2.3 增益
像增强器的增益（Gain）定义为输出亮度与输入照度之比。像增强器增益与光电阴极灵敏度、MCP增益、荧光屏发光效率（屏效）以及荧光屏电压（屏压）成正比，如下式所示[24]。
$$G=S \cdot G_{\mathrm{M}} \cdot \eta \cdot V_{\mathrm{a}} \cdot \frac{1}{\pi} $$ (3) 式中：G为像增强器的增益；S为阴极灵敏度（对三代像增强器而言为有效阴极灵敏度）；GM为MCP增益；η为屏效；Va为屏压。
超二代与三代像增强器所采用的荧光屏相同，即屏压、屏效相同，所以超二代和三代像增强器增益的高低取决于阴极灵敏度和MCP增益。在阴极灵敏度方面，超二代像增强器的阴极灵敏度与三代像增强器的有效阴极灵敏度相比还有一定的差距。在MCP增益方面，尽管超二代与三代像增强器所采用的MCP相同，但由于三代像增强器的阴极电压更高，因此MCP的增益也更高。图 7为MCP工作电压为900 V条件下，超二代像增强器MCP增益（GM）随阴极电压Vc变化的曲线，图中将MCP阴极电压为200 V时增益规划为1。从图中可以看出，随着阴极电压的提高，MCP增益也在提高。由于三代像增强器的有效阴极灵敏度以及MCP增益均高于超二代像增强器，所以理论上讲，三代像增强器的增益也高于超二代像增强器。
然而，在实际工作中，MCP的增益是可以调节的。这是因为当MCP的工作电压发生变化时，MCP的增益也随之变化，并且两者之间遵循下式的关系：
$$ G_{\mathrm{M}}=G_{\mathrm{M} 0} \times 2^{\left(\frac{V_{\mathrm{M}}-750}{50}-1\right)} $$ (4) 式中：GM0为MCP工作电压为800 V时的增益；VM为MCP的工作电压。
从式(4)可以看出，MCP增益随其工作电压的变化是一种指数关系，因此对工作电压的变化较敏感，即MCP每增加50 V的工作电压，MCP的增益就可以增加一倍。例如超二代像增强器的MCP增益（900 V电压）是三代像增强器MCP增益（900 V电压）的一半，那么当需要两者增益相同时，只需要提高超二代像增强器MCP的工作电压即可。所以从这一角度看，超二代像增强器在阴极灵敏度和MCP增益方面的劣势可以通过提高MCP的工作电压来进行弥补，区别仅仅是超二代像增强器的MCP工作电压较三代像增强器的MCP工作电压较高而已。但需要说明的是，提高MCP工作电压会导致信噪比的降低，而这就限制了超二代像增强器增益的进一步提高，因为提高增益的同时，还需要保持像增强器的信噪比在一定的范围内。目前超二代与三代像增强器的增益一般在10000~20000 cd·m－2·lx－1之间，在目前的这一增益水平下，超二代像增强器通过提高MCP的工作电压，也能达到目前像增强器的增益技术要求，并且信噪比还保持在合格的范围内。但如果像增强器的增益还需要进一步大幅提高，如提高到40000 cd·m－2·lx－1，那么三代像增强器在增益方面的优势才能进一步凸显。
2.4 等效背景照度
像增强器采用光电阴极，而光电阴极具有暗发射，因此在像增强器无输入条件下，像增强器的荧光屏上也会有输出亮度。如果将暗发射等效为光电阴极输入端上的输入照度，那么该输入照度即为像增强器的等效背景照度（equivalent background illumination，EBI）。如果输入照度低于等效背景照度，信号将淹没在背景中，所以等效背景照度决定了像增强器的最低探测照度[25-26]。像增强器的EBI由下式表示：
$$ \mathrm{EBI}=\frac{I_{\mathrm{d}} \cdot \tau}{S \cdot A} $$ (5) 式中：Id为光电阴极的暗电流，单位为A；τ为MCP离子阻挡膜的光电子透过率；S为光电阴极的灵敏度，单位为μA·lm－1；A为光电阴极的面积，单位为m2。另外对于三代像增强器而言，式中的阴极灵敏度指测量阴极灵敏度。从式(5)可以看出，像增强器的EBI与光电阴极的暗电流成正比，与阴极灵敏度成反比，所以阴极灵敏度在EBI指标中也有所体现。
Na2KSb（Cs）与GaAs光电阴极的暗电流与其各自的制作工艺有关，因为不同的制作工艺会得到不同的暗电流。假设Na2KSb（Cs）与GaAs光电阴极的暗电流相同，那么由于GaAs光电阴极的灵敏度更高，另外离子阻挡膜的光电子透过率较低，根据式(5)可知，三代像增强器较超二代像增强器具有更低的EBI。尽管根据目前的技术标准，超二代和三代像增强器的EBI指标均是小于2.5×10－7 Lx，但对于三代像增强器而言，合格三代像增强器（国外样品）的EBI典型值约为5×10－8 Lx，低的甚至可以达到10－9 Lx，远低于2.5×10－7 Lx的技术标准。但对于超二代像增强器而言，合格像增强器的EBI典型值约为1.2×10－7 Lx，较三代像增强器高一个数量级。EBI越低，输入信号的初始对比度也越大。输入信号的初始对比度由下式定义：
$$ C=\frac{E}{E+2 \cdot \mathrm{EBI}} $$ (6) 式中：C表示初始对比度；E表示输入照度。
从式(6)可看出，EBI越高，图像的初始对比度越低。图像的初始对比度越低，在荧光屏上的图像对比度也越低。在极低照度条件下，输出图像的亮度很低，因此图像的对比度对人眼分辨目标具有决定性的作用。
光电阴极的暗发射与温度相关，温度越高，暗发射越大。图 8为超二代与三代像增强器EBI随温度变化的曲线，图中将室温下的像增强器EBI规划为1。从图 8中可以看出，在室温以上，随着温度的上升，两种像增强器的EBI均上升，并且变化的规律基本相同。但在低温下，随着温度的下降，三代像增强器的EBI下降速率较超二代像增强器快。因此低温下三代像增强器的EBI更低。
需要说明的是，像增强器目前主要在10－4 Lx以上照度使用，因此无论是10－7 Lx还是10－8 Lx的EBI，对图像对比度的影响均不大。只有当像增强器在10－5 Lx以下照度使用时，对比度才有较明显的影响，而且照度越低，影响越大。
2.5 光晕
当向像增强器光电阴极投射一个圆形光斑时，光电阴极将发射一个直径与入射光斑相同的电子斑，该电子斑入射到MCP的输入端，经过MCP的倍增，最后在荧光屏上显示一个尺寸与输入光斑相同的亮斑以及在亮斑周围的一个亮环，该亮斑为输入圆形光斑的像，亮环即为像增强器的光晕（Halo）。光晕的亮度较亮斑的亮度低。光晕产生的原因是光电阴极所发射的光电子与MCP输入端的通道壁发生碰撞，产生的反弹电子以及二次电子在阴极电场的作用下再次返回MCP输入端，经过MCP倍增，最后在荧光屏上成像，见图 9。
根据相关测试标准，表征光晕的指标为光晕的直径。但仅仅利用光晕的直径来评价光晕性能还不完整。因为光晕不仅有尺寸，而且还有亮度。所以评价光晕，除了尺寸外，还有亮度，而且更重要的还是亮度。像增强器光晕的尺寸由下式确定：
$$ D=4 \cdot L+d $$ (7) 式中：D为光晕尺寸；L为阴极近贴聚焦距离；d为输入光斑直径。根据相关测试标准，d为0.2 mm。
根据式(7)可以看出，像增强器的光晕尺寸实际上是一个结构参数，一旦像增强器的阴极近贴聚焦距离确定了，那么光晕尺寸也就确定了。通常情况下，超二代和三代像增强器的阴极近贴聚焦距离基本相同，约为0.15 mm，因此光晕的尺寸约为0.8 mm。所以从光晕的尺寸上看，超二代与三代像增强器基本相当。然而从光晕亮度上看，理论上讲超二代与三代像增强器的光晕应该存在一定的区别。根据光晕的测试标准，输入光斑的照度为10－3 Lx，因为超二代与三代像增强器的增益相同，因此光斑的亮度相同，但光晕的亮度不相同。原因有三点。第一，三代像增强器的阴极灵敏度较高，因此光电流密度较超二代像增强器高。光电流密度越高，被MCP输入端通道壁反弹和产生的二次电子的电流密度也越高。第二，三代像增强器的阴极电压较超二代像增强器高，电压越高，二次电子的发射系数越高，因此所产生的二次电子的电流密度越高。第三，三代像增强器的MCP输入端表面有一层离子阻挡膜，而离子阻挡的材料为Al2O3。由于Al2O3的二次电子发射系数较MCP通道壁上的Ni-Cr电极高，因此对于超二代像增强器而言，光电子轰击Ni-Cr，对于三代像增强器而言，光电子轰击Al2O3，所以三代像增强器MCP输入端产生的二次电子的电流密度更高。由于以上3点原因，理论上讲，三代像增强器的光晕亮度应该高于超二代像增强器的光晕亮度，即超二代像增强器具有更好的光晕，但实际上，两种像增强器的光晕基本相同。图 10为1227#超二代像增强器和1997#三代像增强器的光晕比较。从图中可以看出，超二代和三代像增强器的光晕亮度基本相同，不存在大的区别。
2.6 杂光
当像增强器光电阴极面接受一束平行斜入射光时，入射光在输入窗表面以及光电阴极表面将会发生反射。首先入射光在输入窗的前表面（与空气接触的表面）会发生反射。由于玻璃的折射率约为1.48，因此在输入窗表面的反射约为4%。其次，入射光进入输入窗，到达光电阴极的前表面（与玻璃窗相接触的表面）。由于光电阴极的折射率较高，例如对GaAs光电阴极，折射率为4.025（546 nm），因此在这一界面上的反射率较高，约为21%。被光电阴极反射的反射光到达输入窗的前表面时，还会被输入窗表面反射回光电阴极，而光电阴极又会反射该反射光（二次反射光），由于输入窗的厚度为5.5 mm，因此反射光将在输入窗内部发生多次反射，这些多次反射光将形成杂光，如图 11所示。图 11中，入射光I入射在玻璃窗的前表面，由于玻璃窗前表面的反射，会产生反射光R0。同时入射光中的绝大部分折射进入玻璃窗，最后达到光电阴极。一部分折射光会在位置A发生反射，而这些反射光达到玻璃窗的前界面时，还会发生反射。同理光线会在位置B、位置C等发生多次反射。尽管反射光，特别是多级反射光的比例很低，但反射光的存在会影响成像的对比度和清晰度。到达光电阴极的反射光会产生光电子，降低图像的对比度和清晰度。为了解决光电阴极的反射光问题，三代像增强器采用了减反膜技术。因为三代像增强器的光电阴极具有减反膜，因此降低了GaAs光电阴极的反射率。例如对650 nm波长的入射光，GaAs光电阴极的反射率降低到了4%。而超二代像增强器的Na2KSb（Cs）光电阴极由于未采用减反膜技术，因此Na2KSb（Cs）光电阴极的反射率高达18%。因此超二代像增强器的阴极反射率是三代像增强器反射率的4倍以上，见图 3。反射率越低，杂光越小，图像的对比度、层次感越好。
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图 11 输入光的多次反射示意图Figure 11. Reflection between the interface of glass and photocathode当以一束633 nm的入射光照射超二代像增强器的玻璃窗时，在面对玻璃反射光的接收屏上可以观察到玻璃窗的反射光斑R0，另外还可以观察到光电阴极的一次反射光斑R1以及二次反射光斑R2，见图 12(a)。但对于三代像增强器而言，仅仅能观察到玻璃窗的反射光斑R0以及光电阴极的一次反射光斑R1，不能观察到二次反射光斑R2，见图 12(b)。三代像增强器不能观察到二次反射光R2的原因是光斑亮度太弱，相机无法感光。三代像增强器不能观察到二次反射光斑R2的现象充分说明减反膜在降低杂光方面的作用。
2.7 带外光谱响应
超二代像增强器采用Na2KSb多碱阴极，而三代像增强器采用GaAs阴极。两种光电阴极的光谱响应不相同，存在一定的区别，特别是在长波截止波长之上。Na2KSb多碱阴极的光谱响应在接近长波截止波长时，光谱灵敏度的降低是渐变的，而GaAs阴极的降低是突变的。在长波截止波长以下，Na2KSb多碱阴极的光谱灵敏度低于GaAs阴极，但在长波截止波长以上，Na2KSb多碱阴极的光谱灵敏度却高于GaAs阴极。为叙述方便，将长波截止波长之外的光谱响应称为带外光谱响应[27]。图 13为超二代和三代像增强器的带外光谱响应。超二代像增强器样品编号为4535#，阴极灵敏度为1030 μA·lm－1（国外样品），三代像增强器样品编号为2676#（国外样品），阴极灵敏度为2180 μA·lm－1。三代像增强器的阴极灵敏度为超二代像增强器的一倍以上，但在长波截止波长以上，超二代像增强器的光谱灵敏度却高于三代像增强器，见图 13。例如在1000 nm波长，超二代像增强器的光谱灵敏度为1.07 μA·W－1，而三代像增强器的光谱灵敏度仅仅为0.791 μA·W－1。超二代像增强器的光谱灵敏度高于三代像增强器。又如在980 nm波长，超二代像增强器的光谱灵敏度为24 μA·W－1，而三代像增强器的光谱灵敏度仅仅为6 μA·W－1，超二代像增强器的光谱灵敏度为三代像增强器的4倍。如果再考虑到三代像增强器离子阻挡膜的透过率，那么实际上，三代像增强器在980 nm波长的光谱灵敏度还要更低。
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图 13 光电阴极带外光谱灵敏度Figure 13. Spectral response of photocathode beyond long wave threshold微光夜视仪在无光照条件下不能看见目标，因此在极低照度下，为了看见目标，需要利用红外辅助照明。例如利用波长900 nm以上的近红外光源照射目标。由于超二代像增强器在长波截止波长以上光谱灵敏度的下降是渐变的，因此在截止波长附近仍然具有相对较高的光谱灵敏度，所以可以利用截止波长以上，但接近截止波长的波长来进行辅助照明，以实现微光夜视仪在极低照度下观察目标的目的。图 14为980 nm波长照射下，超二代和三代像增强器的观察效果。超二代像增强器为1049#，三代像增强器为1997#，其性能参数见表 3，表中的RES表示分辨力。
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图 14 超二代和三代像增强器观察效果Figure 14. Images obtained by super Gen.Ⅱ and Gen.Ⅲ image intensifier(a) Super Gen.Ⅱ image intensifier (b) Gen.Ⅲ image intensifier表 3 像增强器性能参数Table 3. Parameters of the image intensifierRES/(lp·mm-1) SNR Gain/(cd·m-2·Lx-1) EBI/Lx 1049#（Super Gen.Ⅱ） 64 31.71 18000 1.5×10-7 1997#（Gen.Ⅲ） 64 31.63 18000 1.2×10-7 在对目标进行观察时，夜视仪的物镜、照射的辐射度等相同，不同的仅仅是像增强器。所观察的目标为激光打印机在白纸上打印的黑色字符“5G”。图 14(a)为超二代像增强器的图像，图 14(b)为三代像增强器的图像。比较图(a)和图(b)，可以看出，在980 nm波长近红外辅助照明条件下，超二代像增强器可以获得满足人眼清晰观察的图像，而三代像增强器却不能获得满足人眼观察的图像。同样在1060 nm和1540 nm波长的辅助照明条件下，在超二代像增强器可以获得满足人眼所清晰观察图像的照射功率条件下，三代像增强器却不能。
2.8 低照分辨力
像增强器主要在低照度下使用，因此低照分辨力比极限分辨力更具有实用意义。在像增强器增益一定条件下，高照度（10－1~10－2 Lx）下的分辨力主要由极限分辨力所决定，与信噪比、EBI关系不大。而低照度（10－2~10－4 Lx）下的分辨力除与极限分辨力有关外，还与信噪比相关。因为在低照条件下，闪烁噪声出现，因此信噪比对分辨力的影响开始显现。但在极低照度（＜10－4 Lx）下，分辨力除与极限分辨力、信噪比有关之外，还与EBI有关[28]。因为极低照度下，特别是10－5 Lx以下，背景的闪烁噪声对分辨力的影响开始显现。所以像增强器的低照分辨力是评价像增强器综合性能的核心指标，像增强器的增益、极限分辨力、信噪比以及EBI性能参数的高低，最终均体现在低照分辨力上。
为了比较相同性能参数的超二代和三代像增强器的低照度分辨力，选取表 3中的两支像增强器进行实测比较。从表 3中可以看出，两支像增强器的极限分辨力、增益、信噪比以及EBI基本相同。另外1049#超二代像增强器的阴极灵敏度为1190 μA·lm－1，而1997#三代像增强器的阴极灵敏度为2001 μA·lm－1。分辨力测量时，从10－1 Lx开始，一直到10－6 Lx为止。测量结果表明，在4.3×10－1 Lx，4.3×10－2 Lx时，两支像增强器的分辨力均为64 lp·mm－1，均等于其极限分辨力。在4.3×10－2 Lx以下，两支像增强器的分辨力开始降低。在4.3×10－3 Lx时，两支像增强器的分辨力开始降低到60 lp·mm－1；到4.3×10－4 Lx时，分辨力降到45 lp·mm－1；到4.3×10－5 Lx时，分辨力降到28 lp·mm－1；到4.3×10－6 Lx时，分辨力降到14 lp·mm－1，见表 4。表中的RES表示分辨力。
表 4 不同照度下的分辨力Table 4. Resolution of different illuminationsInput illumination
/Lx1049#(Super Gen.Ⅱ)RES/(lp·mm-1) 1997#(Gen.Ⅲ)
RES/(lp·mm-1)4.3×10-1 64 64 4.3×10-2 64 64 4.3×10-3 60 60 4.3×10-4 45 45 4.3×10-5 28 28 4.3×10-6 14 14 根据表 4的测量结果可知，超二代和三代像增强器之间，只要极限分辨力、增益、信噪比以及EBI相同，那么他们就具有相同的低照度分辨力。图 15为1049#超二代像增强器和1997#三代像增强器在4.3×10－4 Lx照度下的分辨力图像。其中图(a)为1049#超二代像增强器的分辨力，图(b)为1997#三代像增强器的分辨力。
3. 讨论
超二代和三代像增强器是两种不同技术的像增强器。在比较其性能时，不能简单地从“代”的字面上理解。因为在多年的发展中，无论是超二代还是三代像增强器，均形成了多种型号。不同型号的超二代或三代像增强器具有不同的性能参数，所以不能简单的以“代”来区分超二代和三代像增强器之间的性能。
超二代和三代像增强器之间，在性能参数上，最大的区别是阴极灵敏度。然而阴极灵敏度仅仅是光电阴极的性能指标，不是像增强器的性能指标，因此不能采用阴极灵敏度来比较像增强器之间的性能。不仅不能在同种像增强器中比较，而且更不能在不同种像增强器之间比较。比较像增强器之间的性能，只能比较其整体性能参数。需要说明的是尽管在早期像增强器技术标准中，存在阴极灵敏度这一技术指标，但目前在法国Photonis公司的超二代像增强器技术标准中，已经不再包含阴极灵敏度这一技术指标。因为这一指标是光电阴极的指标，不是像增强器的指标。对于用户而言，阴极灵敏度既不能进行测量，也不能作为验收依据，所以意义不大。
超二代和三代像增强器比较，应该比较其性能参数。如果它们的性能参数相同，那么它们将具有相同的综合性能，例如具有相同的低照度分辨力。但需要说明的是，这是在标准测试条件[29-30]下所得出的结论。在实际应用中，根据使用环境的不同，其实际的性能也不相同。例如在星光下的丛林中使用时，相同性能参数的超二代和三代像增强器，三代像增强器的实际使用性能更好。因为在标准测试条件下，输入光来自2856 K色温的钨丝灯，即标准A光源。A光源的光谱范围较广，短波延伸到UVA。在400~500 nm之间，三代像增强器的光谱响应较低，而超二代像增强器的光谱响应较高，所以对A光源而言，超二代像增强器可以较好地利用400~500 nm之间辐射能量，而三代像增强器却不能。如果在测量像增强器阴极灵敏度时，在测量光路中分别加入530 nm和630 nm的高通滤光片，那么其阴极灵敏度将会下降[31]。对1227#超二代像增强器而言，阴极灵敏度分别下降为819 μA·lm－1和688 μA·lm－1，而对1997#三代像增强器而言，阴极灵敏度分别下降为1997 μA·lm－1和1768 μA·lm－1。两种像增强器在增加高通滤光片下的阴极灵敏度较初始值（无高通滤光片）均有所降低，见表 5。从表中可以看出，对于1227#超二代像增强器样品，标准A光源下的阴极灵敏度为100%，那么当分别增加530 nm和630 nm的高通滤光片后，阴极灵敏度分别为初始值的99.8%和88.4%。由此可以看出，三代像增强器的光谱响应在530 nm波长以下较低，因此当增加530 nm高通滤光片后，其阴极灵敏度与初始值相比较，基本没有下降。
表 5 不同高通滤光片下的阴极灵敏度Table 5. Photocathode sensitivity on different long pass filter1227#(Super Gen.Ⅱ) /% 1997#(Gen.Ⅲ) /% 2856 K 100 100 2856 K+530 nm 94.4 99.8 2856 K+630 nm 79.3 88.4 当微光夜视仪在星光下的丛林中使用时，星光下400~500 nm波长范围内的辐射较低。这样相同信噪比的超二代和三代像增强器，在星光下的丛林中使用时，超二代像增强器的实际信噪比将低于三代像增强器，因此理论上讲，相同信噪比的超二代像增强器的低照度分辨力将低于三代像增强器，所以三代像增强器的性能更好。特别需要注意的是，对于在飞机驾驶舱内使用的像增强器，如果考虑了夜视兼容的因数，那么相同性能参数的超二代和三代像增强器，超二代像增强器的性能更要低于三代像增强器。
目前法国Photonis公司4G像增强器（高性能超二代像增强器）[32-34]的性能参数与美国ITT公司的传统三代像增强器（有膜三代像增强器）的性能参数相当，但与ITT公司的薄膜三代像增强器相比较，性能参数还存在一定的差距，例如在信噪比方面，根据样品的测量数据，ITT公司薄膜三代像增强器的最高信噪比为38，而Photonis公司4G像增强器的最高信噪比为35。
4. 结论
超二代和三代像增强器之间的区别，不能仅仅从“代”的字面上来理解。超二代和三代像增强器之间的性能差距不是代与代之间的“代际”差距，因此目前在超二代和三代像增强器之间，“超二代”和“三代”仅仅是一种名称而已。超二代像增强器意味着采用Na2KSb（Cs）光电阴极，而三代像增强器意味着采用GaAs光电阴极。超二代与三代像增强器之间，目前不具备传统意义上的“代”的差距。
在比较超二代与三代像增强器之间的性能时，不能利用阴极灵敏度这一指标。阴极灵敏度是光电阴极的性能指标，不是像增强器的性能指标。但比较超二代与三代像增强器的性能时，也不能完全利用像增强器的性能参数，如分辨力、增益、信噪比等。因为这些性能参数是在标准A光源条件下测量的。A光源发射光谱与夜天光的发射光谱不一样，因此在夜视应用条件下，具有相同性能参数的超二代和三代像增强器会出现不同的实际观察效果。
三代像增强器由于阴极灵敏度较高，因此初始对比度也较高。另外三代像增强器的光电阴极具有减反膜，因此杂光较低，所以图像的对比度、清晰度以及层次感更好。超二代像增强器光电阴极在长波截止波长附近的下降是渐变的，并且带外光谱响应较三代像增强器高，因此在近红外辅助照明方面，超二代像增强器的光谱响应更匹配、性能更好，这对于在极低照度，特别是无光照条件下的目标观察极为重要。
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图 2 GaAs和Na2KSb（Cs）光电阴极光谱响应
Figure 2. Photocathode response of GaAs and Na2KSb (Cs) photocathode
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图 3 GaAs and Na2KSb（Cs）光电阴极光谱反射率
Figure 3. Reflection of GaAs and Na2KSb(Cs)photocathode
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图 11 输入光的多次反射示意图
Figure 11. Reflection between the interface of glass and photocathode
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图 13 光电阴极带外光谱灵敏度
Figure 13. Spectral response of photocathode beyond long wave threshold
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图 14 超二代和三代像增强器观察效果
Figure 14. Images obtained by super Gen.Ⅱ and Gen.Ⅲ image intensifier
(a) Super Gen.Ⅱ image intensifier (b) Gen.Ⅲ image intensifier
表 1 超二代与三代像增强器区别
Table 1 Difference between super Gen.Ⅱ and Gen.Ⅲ image intensifier
Super Gen.Ⅱ Gen.Ⅲ Photocathode Na2KSb（Cs） GaAs AR coating N/A Si3N4 Ion barrier N/A Al2O3 Cathode voltage 200 V > 400 V 
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表 2 像增强器阴极灵敏度下降比例
Table 2 Decline percentage of sensitivity for the image intensifier
APS/% EPS/% QPS/% 1997#(Filmed Gen. Ⅲ) 100 68 52 4321#(Thin filmed Gen. Ⅲ) 100 81 63
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表 3 像增强器性能参数
Table 3 Parameters of the image intensifier
RES/(lp·mm-1) SNR Gain/(cd·m-2·Lx-1) EBI/Lx 1049#（Super Gen.Ⅱ） 64 31.71 18000 1.5×10-7 1997#（Gen.Ⅲ） 64 31.63 18000 1.2×10-7
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表 4 不同照度下的分辨力
Table 4 Resolution of different illuminations
Input illumination
/Lx1049#(Super Gen.Ⅱ)RES/(lp·mm-1) 1997#(Gen.Ⅲ)
RES/(lp·mm-1)4.3×10-1 64 64 4.3×10-2 64 64 4.3×10-3 60 60 4.3×10-4 45 45 4.3×10-5 28 28 4.3×10-6 14 14
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表 5 不同高通滤光片下的阴极灵敏度
Table 5 Photocathode sensitivity on different long pass filter
1227#(Super Gen.Ⅱ) /% 1997#(Gen.Ⅲ) /% 2856 K 100 100 2856 K+530 nm 94.4 99.8 2856 K+630 nm 79.3 88.4
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