微光像增强器的分辨率研究

微光像增强器的分辨率研究

摘要

微光像增强器是各类微光夜视设备中的核心器件，其分辨率制约着微光夜视技术的发展。研究本课题是为了完善微光像增强器分辨率的基本理论，分析其影响因素，得到提高分辨率的技术途径，为四代微光像增强器的研制提供理论依据。本文对静电场、等位线、电子运动轨迹以及分辨率等的计算理论知识进行了概括分析。首先，采用有限差分法求解拉普拉斯方程，得到各点电势的数学表达式，再用迭代法计算得到其若干离散点上的电势值。然后，利用追踪法计算等电位线分布，Hechtel法计算电子运动轨迹。最后，根据电子运动轨迹在荧光屏上的落点分布函数，求出MTF。本文采用MATLAB软件编程，仿真计算出等电位线、电子运动轨迹以及不同参数下的分辨率变化情况，得到高分辨率的微光像增强器。

微光像增强器基本工作原理

微光像增强器的工作原理：在微弱光照射下，通过光电阴极的光子－电子转换、电子光学系统的加速和聚集以及荧光屏的电子－光子转换，最终使原本微弱的或不可见的光信号变为较强的可见光信号。

⑴光子－电子转换

微光像增强器利用光电阴极的外光电效应将输入微弱光信号转换成电子信号。光电阴极是采用光敏材料制成，在微弱光照射下，由光学系统将微弱的或不可见的光聚集到光敏面上，发生光电效应并产生光电子，从而将输入到它上面的低能辐射图像转变为电子图像。由此实现将辐射图像转换为光电子图像的过程（即光子－电子转换）。

⑵电子加速和聚焦

电子光学系统的主要作用是加速光电子并使其聚集在像面上。主要的电子光学系统有：静电系统和电磁复合系统。前者靠静电场的加速和聚焦作用；后者靠电场的加速和磁场的聚焦作用。因为复合系统结构复杂，所以多采用静电系统。从光电阴极发出的光电子通过特定的静电场获得能量并被加速聚焦到荧光屏上。⑶电子－光子转换

利用荧光屏将光电子图像转换成可见的光学图像。通过荧光屏上的发光材料，将光电子的动能转换成光能。高速电子轰击荧光屏表面后，发出与入射微弱光图像相对应的增强的目标可见图像，实现电子－光子的转换。最终，使原本微弱的或不可见的光信号变为较强的可见光信号。

微光像增强器的发展

在现代军事战争需求的拉动下，半个世纪以来微光夜视技术有了飞速发展，由主动红外夜视不断更新换代到I代、II代、超II代、III代、高性能III代、超III代和IV代微光技术。

在国外，微光像增强器的研究自从上世纪六十年代后半期开始就比较热门，主要的研究国家有美国、前苏联为首的欧美国家。

以美国为例，20世纪60年代初，美国成功研制了第I代微光夜视仪并正式装备部队，其在越南战争中发挥了重要作用，但存在体积大、强光时光电阴极易损坏、

成像质量低等缺点。

20世纪70年代，随着微通道板像增强器的出现，美欧国家逐步开始用第II 代微光夜视仪取代了第I代微光夜视仪，到1991年海湾战争中美军的精锐步兵基本都配发了第II代微光夜视眼镜。20世纪80年代末90年代初，第III代微光夜视仪研制成功，20世纪90年代初，美国开始用第III代微光夜视眼镜取代第II代，到1991年海湾战争中美军飞行员基本装备了第III代微光夜视眼镜或装有猫眼型夜视装置的飞行员头盔。1998 年NorthropGrumman公司生产了使用无膜微通道板像增强器自动门控电源技术的新产品，美国军方称为超III代管。2001 年ITT 公司生产了基于第III代微光夜视仪的薄膜管：“Pinnacle”，被公认达到IV代管的水平。2005年6月, 在国际刑侦技术装备展览会上展出的北京亚太轩豪集团引进的4BIM头盔式微光夜视仪为最新第IV代微光夜视仪, 可全天候使用在欧美等发达国家，第I代微光夜视仪可以在专门的商店买到，第II代微光夜视仪市场上也有的卖，不过价格方面比第I代微光夜视仪要贵很多，主要是配备给警察局等部门，而第III代微光夜视仪仅有美国及其部分盟国的部队大量装备，至于第IV代微光夜视仪, 则更是仅有美国使用。

微光像强器中的微通道板

微通道板是第二代、第三代和第四代像增强器的主要器件，因此特别介绍了微通道板的结构特点，微通道板的工作原理、主要参数以及在微光像增强器中的应用。与传统的光电倍增管相比，微通道板有高灵敏度、高增益、高分辨率、有过电流自饱和特性、响应时间短、体积小和重量轻等特点。

这些特点在微光像增强器中起到了重要作用，其中高灵敏度及响应时间短使微光像增强器可以对极微弱光信号快速响应；高增益使微光像增强器可以把微弱光甚至不可见光信号增强放大供人眼直接观察；高分辨率可以有效提高微光夜视系统的整体分辨率；过电流自饱和特性正好抑制了第一代微光像增强器对强光信号的过荷开花现象；同时，体积小、重量轻也弥补了第一代微光像增强器结构复杂、体积大、比较笨重等缺点。

分辨率的研究

所谓分辨率是指光学成像器件对微弱光信号的探测能力以及分辨目标图像中明暗细节的能力，是光学成像器件的重要参数之一。在微光像增强器中，微弱光信号通过像管转变为电信号，再通过显示设备转变为光学图像。在这个过程中，对比度随着图像明暗细节尺寸的变化而有不同程度的下降。明暗细节的尺寸越小，对比度越低。随着对比度的降低，图像也变得的无法分辨。

极限分辨率的测量方法：对于对比度为100%的图像信号，当它们通过微光管的光电转换，在显像管上显示时，在正常的显像管亮度下，正常人眼能够辨认出的最小尺寸。实验表明，对于对比度为100%的测试条纹，在正常的显像管亮度下，人眼能分辨的对比度极限大约为3~5%。这样就可以得到，像增强器的极限分辨率是指对比度从100%下降到3~5%的像素尺寸。极限分辨率所反应的像增强器的图像信息不够全面，并且测试靠人眼判断，受到测试人生理和心理等因素的影响，所得结果不够客观。

微光像增强器分辨率计算的理论依据

我们通过计算机模拟仿真设计，利用数值方法分析计算微光像增强器的电子

光学系统，得到微光像增强器内的电场分布，通过微光管的电场分布计算得到微光管内部的电子运动轨迹，根据电子轨迹在荧光屏上的落点分布，计算得到微光管的MTF曲线。从而进一步的分析微光管的分辨力情况。

综述

根据仿真和计算结果，获得分辨率的相关影响参数。获得通道间距对分辨率的影响；前近贴距离对分辨率的影响等