李曉峰，趙 恒，張彥云，張勤東

（1.北方夜視技術股份有限公司，云南 昆明 650217；2.微光夜視技術重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引言

人眼由于受到探測閾值的限制，在夜間看不見物體。微光像增強器的作用就是使人眼在夜間也能看見物體[1-2]。其工作原理是利用光電陰極將入射光轉換為光電子，再利用微通道板（Microchannel plate，MCP）[3]對光電子進行倍增，之后再提高MCP 輸出電子的動能，最后使其轟擊熒光屏發(fā)光，從而獲得亮度適合人眼觀察的可見光圖像。微光像增強器從結構上講包括輸入窗、光電陰極、MCP、熒光屏、輸出窗、管殼以及高壓電源等。輸入窗起輸入光學圖像和支撐光電陰極的作用，光電陰極起光電轉換的作用，MCP 起電子數(shù)量倍增的作用，熒光屏起電光轉換的作用，輸出窗起支撐熒光屏并輸出光學圖像的作用，管殼起真空封裝的作用，高壓電源起對光電子運動進行加速的作用。

目前像增強器主要有兩種，一種為超二代像增強器，另一種為三代像增強器。超二代像增強器采用Na2KSb 光電陰極[4-5]，而三代像增強器則采用GaAs 光電陰極[6-8]。超二代像增強器是在二代像增強器的基礎上，采用新技術、新工藝和新材料而發(fā)展起來的。因為性能提高顯著，因此將這種性能更高的二代像增強器稱為超二代像增強器。超二代像增強器的主要參數(shù)包括陰極靈敏度、增益、信噪比、分辨力等。陰極靈敏度定義為單位入射光通量所產生的光電流。增益定義為像增強器輸出窗上的亮度與輸入窗上的照度之比；分辨力定義為像增強器熒光屏上所能分辨的最高黑白線對數(shù)（線密度）；信噪比定義為像增強器輸出信號平均值與噪聲（噪聲定義為信號與信號平均值偏差的均方根值）之比。

超二代像增強器從20世紀80年代中期開始，到20世紀80年代末實現(xiàn)產業(yè)化，至今已經發(fā)展了近30年。在這30年的發(fā)展過程中，其性能得到不斷提高，品質因子（Figure of Merit，F(xiàn)OM）從500 提高到了1800以上。FOM 定義為信噪比與分辨力的乘積[9]。超二代像增強器技術以法國PHOTONIS 公司為代表，相關的技術標準和規(guī)范也由PHOTONIS 公司制定和引領。近年來，隨著PHOTONIS 公司4G 系列像增強器的出現(xiàn)，使超二代像增強器的性能達到了一個新的高度。4G 系列像增強器的標志是陰極靈敏度達到1000 μA?lm－1，品質因子達到1800。4G 系列像增強器與之前的超二代像增強器一樣，仍然采用Na2KSb光電陰極。4G 系列像增強器由于性能的提高，應用范圍更廣，可以在月光星光、沙漠叢林、天空海面、城市鄉(xiāng)村等多種環(huán)境下使用。以下稱4G 系列像增強器為高性能超二代像增強器；稱之前的超二代像增強器為普通超二代像增強器。本文分析了高性能超二代像增強器的技術特征及性能，并與之前的超二代像增強器進行了比較，提出了進一步提高性能的技術途徑，為超二代像增強器的研發(fā)以及應用提供參考。

1 特征及性能

PHOTONIS 公司高性能超二代像增強器與普通超二代像增強器相比，一個重要的區(qū)別是所采用的陰極輸入窗不同。普通超二代像增強器采用玻璃窗，而高性能超二代像增強器卻采用透射式衍射光柵窗。透射式衍射光柵窗（以下簡稱光柵窗）的結構見圖1。該光柵窗由一個玻璃窗和一個光柵所組成，其中的玻璃窗起支撐的作用，光柵起使輸入光發(fā)生偏轉的作用。如圖1中的輸入光線1 經過玻璃窗2 達到光柵3，由于光柵3 的衍射作用，使得輸入光1 發(fā)生偏轉，這樣進入光電陰極膜層5 的光線8 就成為斜射光，而斜射光8 到達光電陰極的真空界面6 時，因為滿足全反射的條件[10-11]，因此會發(fā)生全反射，使光線8 再次反射回光電陰極，形成光線9，這樣入射光在光電陰極內部的光程增加了一倍，因此增加了入射光的吸收率，從而提高了Na2KSb 光電陰極的靈敏度。

圖1 高性能超二代像增強器的光電陰極結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of photocathode for super second generation image intensifier with high performance

圖2為光柵窗Na2KSb 光電陰極與普通玻璃輸入窗（以下簡稱普通窗）Na2KSb 光電陰極的光譜響應曲線，其中曲線“Grating window”表示光柵窗Na2KSb 光電陰極的光譜靈敏度，而曲線“Glass window”則表示普通窗Na2KSb 光電陰極的光譜靈敏度。從圖中可以看出，光柵窗與普通窗的光譜靈敏度相比，在整個光譜響應范圍內，光譜靈敏度均有不同程度的提高，并且波長越長，提高的比例越大。原因是Na2KSb 材料是一種多晶半導體，相對于單晶半導體（如GaAs 半導體），電子的擴散長度較小，因此其厚度不能太厚，否則光電子不能擴散到真空界面，從而不能逸出光電陰極形成光電流。由于Na2KSb 光電陰極厚度較薄，因此對入射光吸收不充分，特別是對長波。而采用光柵窗之后，由于吸收系數(shù)增加，對入射光的吸收更充分，特別是長波，因此光柵窗光電陰極的光譜靈敏度在長波方向的增加比例較大。長波光譜靈敏度的增加，將進一步提高Na2KSb 光電陰極與夜天光的光譜匹配系數(shù)，從而改善高性能超二代像增強器在夜天光條件下的使用性能。

圖2 不同陰極窗的光電陰極光譜分布Fig.2 Spectral distribution of photocathode on different windows

采用光柵窗之后，同樣的Na2KSb 光電陰極，由于吸收系數(shù)的增加，陰極靈敏度可以提高，所提高的倍數(shù)稱為增強系數(shù)（Enhance coefficient，EC）。EC 由式(1)定義：

式中：S1和S2分別為相同光電陰極在光柵窗和玻璃窗上的陰極靈敏度。例如對同一組制作的4 支超二代像增強器，2 支為采用光柵窗的超二代像增強器，另外2支為采用玻璃窗的超二代像增強器。4 支像增強器由于是同時制作，因此可以認為4 支像增強器的光電陰極是相同的。2 支光柵窗像增強器的平均陰極靈敏度為S1，另外2 支玻璃窗像增強器的平均陰極靈敏度為S2，這樣光柵窗的EC 可以根據(jù)式(1)計算出來。

目前采用普通窗的Na2KSb 光電陰極靈敏度在750～1000 μA?lm－1之間，而對于4 G 系列超二代像增強器，目前陰極靈敏度在1100～1400 μA?lm－1之間[10-11]，因此可以推算出4 G 系列超二代像增強器所使用光柵窗的EC 為1.40～1.45。

采用普通窗的Na2KSb 光電陰極，由于對輸入光的吸收不充分，因此透過Na2KSb 光電陰極的光線還會被MCP 的輸入端反射回光電陰極，從而再次激發(fā)光電陰極發(fā)射光電子，而形成較亮的光暈，原理見圖3。如光束7 經過陰極窗1，再經過光電陰極2，一部分被光電陰極所吸收，另一部分透過光電陰極入射到MCP 的輸入端3 上面，經過MCP 輸入端反射回光電陰極2，使光電陰極發(fā)射光電子9，而光電子9再經過MCP 的倍增，激發(fā)熒光屏5 發(fā)光，最后從光纖面板輸出窗6 輸出，因此在入射光束所成亮斑10的周圍形成了一個光暈11。光暈包括電子光暈和光學光暈，此處所述的光暈是指光學光暈。采用光柵窗的Na2KSb 光電陰極，因為吸收系數(shù)增加，光吸收更充分，因此形成的光暈較小并且較暗。

圖3 光暈形成的原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of halo generation

圖4為高性能超二代像增強器和普通超二代像增強器對圓形亮斑成像的對比。投射在光電陰極上的圓形亮斑的尺寸和照度相同，但經過像增強器成像之后，在熒光屏上所觀察到的圖像卻不一樣。亮斑在熒光屏上的圖像由兩部分組成，中心的亮斑為入射圓形光斑的圖像，而在亮斑周圍的一圈亮環(huán)即為光暈。對于高性能像增強器而言，不僅亮斑的尺寸較小，同時光暈的直徑也較小，見圖4(a)。但對于超二代像增強器而言，不僅亮斑圖像的尺寸較大，而言光暈的直徑也較大，見圖4(b)。高性能超二代像增強器的光暈較小且較暗，因此在城市周邊或機場周邊使用時，亮光源（如燈泡）對目標圖像的干擾較小。

圖4 不同型號像增強器光暈比較Fig.4 Halo comparison of different image intensifier

高性能超二代像增強器與普通超二代像增強器相比較，由于性能提高顯著，使得其最低探測閾值進一步降低。為了比較兩種像增強器探測閾的變化，對低照度條件下的像增強器分辨力進行了測量。測量樣品分別為一支高性能超二代以及一支普通超二代像增強器，其中高性能超二代像增強器的陰極靈敏度為1214 μA?lm－1，增益為15000 cd?m－2?lx－1，信噪比為32.2，分辨力為68 lp?mm－1；普通超二代像增強器的陰極靈敏度為874 μA?lm－1，增益為15000 cd?m－2?lx－1，信噪比為28.4，分辨力為68 lp?mm－1。分辨力測量儀的光源為2856 K 色溫的鎢絲燈，靶板規(guī)格為USF1951。測量時，先在10－1lx 數(shù)量照度（陰極面上）條件下測量兩支像增強器的分辨力，然后再在光路中分別加入10 倍、100 倍或1000 倍的中性密度衰減濾光片，再分別測量兩支像增強器的分辨力。測量結果表明，隨著照度的不斷降低，兩支像增強器的分辨力均有所降低，但分辨力基本相同。當照度進一步降低到10－4lx 數(shù)量級時，普通超二代像增強器分辨力接近于消失，很難分別出分辨力靶板的圖像，見圖5(a)，但高性能超二代像增強器仍然能分辨出分辨力靶板的圖像，并且分辨力仍有17 lp?mm－1，見圖5(b)。這說明高性能超二代像增強器的陰極靈敏度提升以后，較超二代像增強器而言，極限探測能力有了很大的提高。

圖5 不同型號像增強器分辨力比較Fig.5 Resolution comparison of different image intensifier

2 提高性能的技術途徑

在不改變現(xiàn)有超二代像增強器技術框架的前提下進一步提高超二代像增強器的信噪比和分辨力仍然是超二代像增強器的發(fā)展方向。因為像增強器的信噪比[12-13]與陰極靈敏度的平方根成正比，因此提高信噪比的關鍵就是提高陰極靈敏度。

Na2KSb 光電陰極從結構上講由兩部分組成。一部分為Na2KSb 吸收層，另一部分為Cs3Sb 表面層，見圖6。Na2KSb 吸收層的作用是吸收光子，產生躍遷電子；Cs3Sb 表面層的作用是降低光電陰極的逸出功，因此Na2KSb 吸收層以及Cs3Sb 表面層均對Na2KSb 光電陰極的靈敏度高低起作用。由于Cs3Sb表面層較薄，約15 nm，再加上制作工藝相對容易，因此工藝的一致性和重復較好，所以長期以來制作工藝相對固定。而對于Na2KSb 基底層而言，由于其厚度較厚，約200 nm，再加上制作工藝較難，因此工藝的一致性和重復性較差，所以制作工藝一直在不斷改進或優(yōu)化。從Na2KSb 光電陰極靈敏度提高的過程看，主要是Na2KSb 吸收層的制作工藝得到了不斷的優(yōu)化，而Cs3Sb 表面層的制作工藝卻未發(fā)生變化。

圖6 光電陰極結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of structure for photocathode

表1為4 支普通超二代像增強器陰極靈敏度的實測值。從表中看出，4 支普通超二代像增強器樣品的陰極靈敏度高低不同，最高的為917 μA?lm－1，最低的為582 μA?lm－1。但其長波截止波長變化不大，在950 nm～955 nm 之間。長波截止波長基本相同，意味著4 支樣品的逸出功基本相同，再加上Cs3Sb 表面層的制作工藝基本相同，所以可以認為4 支普通超二代像增強器樣品陰極靈敏度不同的原因在于Na2KSb吸收層的不同。例如0615#和6495#兩支樣品，長波截止波長相同，均為950 nm，逸出功也相同，均為1.3 eV，但其陰極靈敏度卻差別很大，0615#樣品的陰極靈敏度僅僅為582 μA?lm－1，而6495#樣品的陰極靈敏度卻為917 μA?lm－1。又如7650#樣品和8550#樣品相比較，7650#樣品的截止波長為955 nm，比8550#樣品的長波截止波長長5 nm，逸出功小0.01 eV，但7650#樣品的陰極靈敏度為702 μA?lm－1，比8550#樣品的陰極靈敏度低，8550#樣品的陰極靈敏度為748 μA?lm－1，這也說明造成Na2KSb 光電陰極靈敏度產生差距的主要因素在于 Na2KSb 吸收層。如果Na2KSb 吸收層的性能不好（如晶格質量、吸收系數(shù)、摻雜濃度、雜質含量、擴散長度等），那么即使Cs3Sb 表面層達到了降低Na2KSb 光電陰極逸出功的要求，陰極的靈敏度也不會高。目前Na2KSb 光電陰極制作的實踐證明，通過改進Na2KSb 吸收層的制作工藝能夠提高光電陰極的靈敏度，并且陰極靈敏度最高可以超過1000 μA?lm－1，并且接近1100 μA?lm－1。盡管制作工藝改進對Na2KSb 吸收層性能影響的機理還不甚清楚，但改進工藝確實是進一步提高光電陰極靈敏度的有效的方法。所以加強對Na2KSb 材料的研究，搞清楚機理，并通過理論對實踐進行指導，不斷改進或優(yōu)化Na2KSb 吸收層的制作工藝是提高Na2KSb陰極靈敏度的途徑?？梢灶A計隨著Na2KSb 制作工藝的進一步改進，普通玻璃窗Na2KSb 光電陰極的靈敏度將會達到850～1150 μA?lm－1之間。

表1 不同光電陰極靈敏度及逸出功Table 1 Sensitivity and work function of different cathode

在通過改進Na2KSb 吸收層的制作工藝，進一步提高Na2KSb 光電陰極靈敏度的同時，還可以進一步提高光柵窗的EC。根據(jù)相關報道[10-11]，光柵窗的結構以及制造工藝有多種選擇，隨著技術的發(fā)展，光柵窗的結構將進一步優(yōu)化，光柵密度和衍射效率將進一步提高，同時EC 也將進一步提高。如果光柵窗的EC 達到1.6，而普通窗Na2KSb 光電陰極的靈敏度達到850～1150 μA?lm－1，那么光柵窗Na2KSb光電陰極的靈敏度可以達到1350～1800 μA?lm－1。如果MCP 的噪聲因子為1.1，根據(jù)理論計算[12-13]，超二代像增強器的信噪比將達到35～40。

提高超二代像增強器分辨力的最直接的技術途徑就是采用小絲徑的MCP 和光纖面板[14-15]。目前實踐證明，采用6 μm 絲徑MCP 和4 μm 絲徑光纖面板的超二代像增強器，分辨力可以達到72 lp?mm－1，根據(jù)理論推算[16-17]，如果采用4 μm絲徑MCP 和3 μm 絲徑光纖面板，那么預計分辨力將可以達到81 lp?mm－1以上，因此FOM 將會達到2800～3200 之間。

3 結論

在顛覆性技術出現(xiàn)之前，超二代像增強器技術仍然是沿著現(xiàn)有的技術路線不斷發(fā)展，因為無論是在提高Na2KSb 光電陰極的靈敏度，還是在提高超二代像增強器的分辨力方面，均有進一步提高的空間。在超二代像增強器技術的發(fā)展過程中，PHOTONIS 公司平均每5年實現(xiàn)一次技術提升[18]，因此可以預計在今后的5～10年時間內，超二代像增強器的性能還會達到一個更高的水平。

超二代像增強器采用 Na2KSb 光電陰極，而Na2KSb 是一種多晶半導體，生長工藝相對簡單，因此生產成本低，具有性價比高的優(yōu)點，而這一優(yōu)點與單兵夜視裝備要求性價比高的特點相吻合，所以超二代像增強器在未來5～10年時間內，在單兵夜視裝備領域仍然具有不可替代性。