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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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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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