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超二代与三代像增强器性能的比较研究

李晓峰 何雁彬 常乐 王光凡 徐传平

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[J]. 红外技术, 2022, 44(8): 764-777.
引用本文: 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[J]. 红外技术, 2022, 44(8): 764-777.
LI Xiaofeng, HE Yanbin, CHANG Le, WANG Guangfan, XU Chuanping. Performance Comparison Between Super Second Generation and Third Generation Image Intensifiers[J]. Infrared Technology , 2022, 44(8): 764-777.
Citation: LI Xiaofeng, HE Yanbin, CHANG Le, WANG Guangfan, XU Chuanping. Performance Comparison Between Super Second Generation and Third Generation Image Intensifiers[J]. Infrared Technology , 2022, 44(8): 764-777.

超二代与三代像增强器性能的比较研究

基金项目: 

国家自然科学基金 11535014

详细信息
    作者简介:

    李晓峰(1963-),男,博士,正高级工程师,主要研究方向为微光夜视技术。E-mail: 984118295@qq.com

  • 中图分类号: TN223

Performance Comparison Between Super Second Generation and Third Generation Image Intensifiers

  • 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。
  • 图  1  像增强器结构示意图

    Figure  1.  Diagram of image intensifier

    图  2  GaAs和Na2KSb(Cs)光电阴极光谱响应

    Figure  2.  Photocathode response of GaAs and Na2KSb (Cs) photocathode

    图  3  GaAs and Na2KSb(Cs)光电阴极光谱反射率

    Figure  3.  Reflection of GaAs and Na2KSb(Cs)photocathode

    图  4  电子弥散斑产生示意图

    Figure  4.  Diagram of photoelectron dispersion spot

    图  5  信噪比随阴极电压的变化

    Figure  5.  Variation of SNR with cathode voltages

    图  6  三代像增强器的阴极光谱响应

    Figure  6.  Photocathode response of Gen.Ⅲ image intensifier

    图  7  MCP增益与阴极电压关系

    Figure  7.  Gain of MCP with cathode voltage

    图  8  EBI随温度的变化

    Figure  8.  Variation of EBI with temperature

    图  9  光晕产生原理示意图

    Figure  9.  Illustration how Halo comes into being

    图  10  超二代和三代像增强器光晕

    Figure  10.  Halo of super Gen.Ⅱ and Gen.Ⅲ image intensifier

    图  11  输入光的多次反射示意图

    Figure  11.  Reflection between the interface of glass and photocathode

    图  12  光电阴极反射光光斑图像

    Figure  12.  Reflection spot of photocathode

    图  13  光电阴极带外光谱灵敏度

    Figure  13.  Spectral response of photocathode beyond long wave threshold

    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

    图  15  超二代和三代像增强器分辨力

    Figure  15.  Resolution of Super Gen.Ⅱ and 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
    /Lx
    1049#(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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  • [1] 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
    [2] 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
    [3] 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.

    TIAN Jinsheng. New development of low level imaging sensor technology[J]. Infrared Technology, 2013, 35(9): 527-534.
    [4] 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.
    [5] 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
    [6] 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, et al. Thickness measurement of multi-alkali photocathode[J]. Acta Photonica Sinica, 2012, 41(11): 1377-1381. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB201211023.htm
    [7] 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
    [8] 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.
    [9] 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.
    [10] 焦岗成, 张锴珉, 张益军, 等. 改进"yo-yo"Cs/O交替激活方法对GaAs光阴极稳定性影响[J]. 光子学报, 2022, 51(2): 0212001.

    JIAO Gangcheng, ZHANG Kaimin, ZHANG Yijun, et al. Effect of improved 'yo-yo' Cs/O alternate activation method on stability of GaAs photocathode[J]. Acta Photonica Sinica, 2022, 51(2): 0212001.
    [11] 方城伟, 张益军, 荣敏敏, 等. GaAs光电阴极制备工艺中表面污染的微区分析[J]. 光子学报, 2019, 48(9): 0925001. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB201909006.htm

    FANG Chenwei, ZHANG Yijun, RONG Minmin, et al. Micro-area analysis of surface contaminations of GaAs photocathode[J]. Acta Photonica Sinica, 2019, 48(9): 0925001. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB201909006.htm
    [12] 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. doi:  10.3788/gzxb20215009.0904003
    [13] 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
    [14] 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
    [15] 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 Vacuum, Science and Technology, 2001, 19(30): 843-850.
    [16] Photonis Nerthlands B V. Fiber optic phosphor screen comprising angular filter: 8933419B2, USA[P]. 2015-01-13.
    [17] 李晓峰, 常乐, 邱永生, 等. 微通道板近紫外量子效率测量及成像研究[J]. 光子学报, 2020, 49(3): 0325001. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202003021.htm

    LI Xiaofeng, CHANG Le, QIU Yongsheng, et al. Measurement of quantum yield and image of microchannel plate in near ultraviolet band[J]. Acta Photonica Sinica, 2020, 49(3): 0325001. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202003021.htm
    [18] 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
    [19] 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
    [20] 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
    [21] 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.

    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.
    [22] 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
    [23] 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. USA, 8471444B2[P]. 2013-01-25.
    [24] 李晓峰, 杜木林, 徐传平, 等. 影响超二代像增强器最高增益的因数分析[J]. 光子学报, 2022, 51(3): 0304001-1. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202203011.htm

    LI Xiaofeng, DU Mulin, XU Chuanping, et al. Analysis on factors affecting the maximum gain of super second generation image intensifier[J]. Acta Photonica Sinica, 2022, 51(3): 0304001-1. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202203011.htm
    [25] 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.
    [26] 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.
    [27] 李晓峰, 姜云龙, 李靖雯, 等. Cs2Te紫外光电阴极带外光谱响应研究[J]. 红外技术, 2015, 37(12): 1068-1073. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201512015

    LI Xiaofeng, JIANG Yunlong, LI Jingwen, et al. Study on spectral response beyond cut off of Cs2Te ultra violet photo cathode[J]. Infrared Technology, 2015, 37(12): 1068-1073. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201512015
    [28] 李晓峰, 常乐, 刘蓓宏, 等. 超二代像增强器分辨力随输入照度变化研究[J]. 红外技术, 2022, 44(4): 378-382. http://hwjs.nvir.cn/article/id/61644d40-dd96-4ccd-ab1c-12d46bf5bfb8

    LI Xiaofeng, CHANG Le, LIU Beihong, et al. Analysis of resolution change of the super Gen. Ⅱ image intensifier with input illumination variation[J]. Infrared Technology, 2022, 44(4): 378-382. http://hwjs.nvir.cn/article/id/61644d40-dd96-4ccd-ab1c-12d46bf5bfb8
    [29] 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: WJ2091-1992[S]. Beijing: Standards Press of China, 1992.
    [30] 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.
    [31] 李晓峰, 李娇娇, 李金沙, 等. 超二代及三代像增强器不同响应波段的参数测量及比较[J]. 光子学报, 2021, 50(2): 0225001-1. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202102013.htm

    LI Xiaofeng, LI Jiaojiao, LI Jinsha, et al. Measure and comparison between the second-generation and the third-generation image intensifier within the different region of wavelength[J]. Acta Photonica Sinica, 2021, 50(2): 0225001-1. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202102013.htm
    [32] 李晓峰, 赵恒, 张彦云, 等. 高性能超二代像增强器及发展[J]. 红外技术, 2021, 43(9): 811-816. http://hwjs.nvir.cn/article/id/5a0a0141-171d-410c-bb3f-ac14dc76e189

    LI Xiaofeng, ZHAO Heng, ZHANG Yanyun, et al. High performance super second generation image intensifier and its further development[J]. Infrared Technology, 2021, 43(9): 811-816. http://hwjs.nvir.cn/article/id/5a0a0141-171d-410c-bb3f-ac14dc76e189
    [33] Nutzel G, Lavout P. Sem-transparent Photocathode with Improved Absorption Tate: US, 9960004B2[P]. 2018-05-01.
    [34] 格特·怒茨泽尔, 帕斯卡尔·拉武特. 具有改善吸收率的半透明的光电阴极: CN, 104781903A[P]. 2015-07-15.

    Nutzel G, Lavout P. Sem-transparent photocathode with improved absorption rate: CN, 104781903A[P]. 2015-07-15.
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-24
  • 修回日期:  2022-06-23
  • 刊出日期:  2022-08-20

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