微光夜视的技术

微光夜视技术的发展以1936年P.Gö rlich发明 锑铯(Sb-Cs)光电阴极为标志。A.H.Sommer1955 年发明了锑钾钠铯(Sb-K-Na-Cs)多碱光电阴极 (S-20)，使微光夜视技术进入实质性发展阶段。 1958年光纤面板问世，加之当时荧光粉性能的 提高，为光纤面板耦合的像增强器奠定了基础。 62年美国研制出这种三级及联式像增强器，并 以次为核心部件制成第一代微光夜视仪，即所 谓的“星光镜”—AN/PVS-2,并用于越战。
微光夜视仪技术
夜视仪效果图
一、简介
微光夜视技术致力于探索夜间和其它低光照度 时目标图像信息的获取、转换、增强、记录和 显示。它的成就集中表现为使人眼视觉在时域、 空间和频域的有效扩展。 在军事上，微光夜视技术已实用于夜间侦查、 瞄准、车辆驾驶、光电火控和其它战场作业， 并可与红、激光、雷达等技术结合，组成完 整的光电侦查、测量和警告系统。
在制成透射式光电阴极时，其厚度约为 0.1m,
表面吸附着单原子铯层。实验表明，光电阴极 (Na2KSb)Cs中的铯含量高于单原子铯层的需要 量，这表明铯的作用不仅局限于表面效应，而 且有体效应特征。铯的引入使晶格常数由原来 Na2KSb的7.7270.003Å变为(Na2KSb)Cs的 7.7450.004Å。有利于在晶格中引入更多的锑， 使p型参杂浓度增加，导致表面能带进一步下弯， 降低电子亲和势。由光电发射的长波阈可推算 出电子亲和势约为0.55eV.
以光纤面板之间的光学接触直接耦合传像， 可提高传递图像的导光效率；提供了采用 准球对称电子光学系统的可能性，有利于 改善像质。若采用锥形光纤面板，则可改 变传像的倍率（放大或缩小）；采用扭像 光纤面板可实现转像。 多碱光电阴极： 化学组分：(Na2KSb)Cs 主体： Na2KSb Na和K的比例为2:1,含少量的铯，多晶薄 膜。
外加的静电场或电磁复合场的作用下，电 子流被强烈的加速和聚焦，以很大的能量 撞击荧光屏，形成可见光图像。由于这些 电磁场对于电子束的作用与光学透镜对可 见光的作用一样，故称产生电磁场的装置 叫电子光学系统，也称电子透镜。 电子透镜分为双平面近贴型、电磁复合聚 焦型和准球对称型三种。 双平面近贴型：光电阴极为物面，荧光 屏为像面，其间距小且为平面。两者间 加有均匀静电场。
例：800m距离处的穿甲弹爆炸，可在夜视仪 荧光屏上产生约 500W· mm-2 的功率密度， 屏温可达500-1000°C。一般荧光屏可 承 受的电子流为10-200W· mm-2。 荧光屏的保护 动态散焦法： R = 100M 光照度<0.1lx I < 0.1A VR <10V
光照度 10lx I 1A VR 100V 可使电子光学系统散焦。 若有强光， I 可达 5 - 10 A， VR >1000V, 破坏成像效果，电子束的广泛弥散使其到达 荧屏时密度下降， 从而保护荧屏。 电阻降压法： R --几百兆 光电流增大，
显然，二者都与电子流的密度密切相关。 二 者的比为：Fe/Fm = (c/v)2 由此式可知，因总有 c > v,故电子束总是 趋于“发散”，使电子透镜系统不能实现理 想 的“聚焦”，即存在所谓的电子透镜的像差。 例：加速电压 104伏，则电子速度为 0.2c, 两力的比为25。 由于电子透镜系统与电子流密度无关，且由 于库伦力本身的性质，使得电子光学系统不 可能消除这种像差。
电源： 带有自控荧光屏亮度的功能，反应时间为 0.1秒。 目镜： 除具有放大作用外，其目镜出瞳直径与人 眼微光下的瞳孔直径(57.6mm)一致。 4、第一代微光夜视仪
单级像增强器的亮度增益通常只有50-100， 太低不能用于军事。故采用多级串联的方 式。以满足几万倍的光增益要求。 光纤面板耦合结构： 入射、出射窗口均用光纤面板做成单级像 增强器，将它首尾相接耦合，构成现常用 的光纤面板耦合三级级联式像增强器，即 第一代像增强器。 在此，光纤面板可将球面像转换为平面像 而完成级间耦合。
为3040lp/mm,故要求物镜具有很好的低 通滤波性能。
调制传递函数 调制度—可见度 M = (Imax-Imin)/Itol 调制度传递因子与空间频率的函数关系 称为调制传递函数。 MTF—Modulation Transfer Function 如希望其在12.5及25lp/mm频率上分别有 MTF0.75及MTF0.55的对比传递特性. 像增强器: ⑴ 要求像增强器具有足够高的亮度增益GL.
微弱自然光由目标表面反射进入夜视仪； 在强光力物镜作用下聚焦于像增强器的光 阴极面（与物镜后焦面重合），即发出电 子；光电子在像增强器内部电子光学系统 的作用下被加速、聚焦、成像，以及高速 度轰击像增强器的荧光屏，激发出足够强 的可见光，从而把一个被微弱自然光照明 的远方目标变成适于人眼观察的可见光图 像，经目镜的进一步放大，实现有效地目 视观察。
此外，它可将目标倒像正立过来，并实现 104量级的亮度增益，最高分辨可达 35lp/mm。 光纤面板： 有效传光效率总是小于1。约为50%-60%. 根据需要，光纤面板端面可制成平面或凹 球面。其平-凹球面型面板可用于准球对称 电子光学系统。 光纤面板可分为普通的、变放大率的锥形 光纤面板及其转像作用的扭像光纤面板。
会产生噪声。噪声在荧光屏上产生与之 相对应的背景亮度，从而限制了像增强 器可探测的最小照度值。此值叫等效背 景照度(EBI). 通常为 10-7 lx数量级。 ⑸ 频率传递性能应尽量好。作为一种低通 滤波器，像增强器的传递特性可用MTF 曲线来描述。 MTF < min{MTFi} 频率传递性能也包含了对光阴极中央区 域空间分辨力的要求。
与MCP技术的成像器件（薄片管），把微光夜视仪 推进到第三代，工作波段也向长波延伸。 60年代研制出的电子轰击硅靶(EBS)摄像管和 二次电子电导(SEC)摄像管与像增强器耦合产生 第一代微光摄像管。 80年代以来，由于电荷耦合器件(CCD)的发展， 不断涌现新的微光摄像器件。像增强器通过光纤 面板与CCD耦合，做成了固态自扫描微光摄像 组件，和以它为核心的新型微光电视。
例如：在有效逸出深度允许的范围内增加光电 阴极的厚度，可以提高其对长波段的光谱响应， 把光电阴极的长波阈延伸至0.9 m以上，且 积分灵敏度显著提高，电子亲和势降至0.3eV. 这类阴极在常温下热发射电流很小， 约10-16 A⋅cm-2,电阻率较低，故可允许较大的 发射电流密度。 电子透镜： 光电阴极将目标图像变为电子图像。构成电子 图像的电子在刚离开阴极时形成低速电流。在
但有碍于荧光的有效射出。 荧光屏的表面附有一层铝膜，厚度为0.1m， 覆盖在荧光粉上。其作用有三： 防止荧光反馈到光电阴极。 把光反射到输出方向上。 保证荧光屏形成等电位面。 在不透光的前提下，铝膜应尽量的薄。在充 有氩气状态下蒸镀的铝膜为黑色膜，有利于 改善输出图像的对比度。
ZnS•CdS:Ag为黄绿光荧光屏，其光谱分布 与人眼视觉特性匹配较好，故适用于目视。 它具有中短余辉和较高的发光效率(15cd/W)。 ZnS:Ag为蓝光荧光屏，适于摄影， 3cd/W。 强光保护： 强闪光被夜视仪物镜聚焦，会产生很强的光阴 极发射，从而造成光阴极发生疲劳性损伤，或 永久性破坏。此外，光电子密度过大时，荧光 屏会出现过热现象，易烧毁荧光材料。
地球
辐射有两部分: 反射的太阳辐射， 峰值在 0.5m 附近;自身的辐射, 峰值约波长为 10m。夜间以 后者为主。
显然，地球自身的辐射大部分在814m的远红 外，正好是大气的第三个窗口。
星球 贡献较小，照度为2.210-4 lx，约为无月夜空光 量的1/4。 大气辉光 大气辉光产生于地球上空约70100km高度的大 气层中，是夜天辐射的重要组成部分，约占无 月夜天光的40%。 阳光中的紫外辐射在高层大气中激发原子，并 与分子发生低频率的碰撞，是产生大气辉光的 主要原因。表现为原子钠、原子氢、分子氧、 氢氧根离子等成分的发射。
电磁复合聚焦型：与相同，只是在电 场方向又加以均匀磁场。 准球对称型：理想的球对称型静电电子 透镜系由球面光阴极和球形阳极组成， 二者为同心球面，形成中心对称型电场。 一般采用开孔阳极，使聚焦电子得以通 过。故称准球对称型电子透镜。 在电子束中，电子受到电子间的相互排斥 力Fe,及电子束产生的磁场的“会聚力”Fm 的作用。
二、黑天辐射基础
黑天辐射来自于太阳、地球、月亮、星球、 云层、大气等自然辐射源。 1、自然辐射 太阳 直径：1391200公里 辐射类似于色温为5900K的黑体辐射 辐射之地表的光波范围0.3~3m 可见光区0.38 ~ 0.76m更为突出
月亮
辐射有两部分:反射太阳的辐射;自身辐射. 月亮自身辐射与色温为400K的黑体辐射相似
相关最小光增益 Gm 4.33103/2 --人眼暗适应时量子效率 --目镜倍率 ⑵ 像增强器响应度应尽量高。 ⑶ 良好的光谱匹配是像增强器能有效工 作的必要条件。这是指：光阴极光谱 响应与自然微光辐射光谱的匹配、荧 光屏辐射光谱与人眼光谱响应的匹配、 前级荧光屏与后级光阴极的光谱匹配 等。 ⑷ 由于自然热发射等因素，像增强器总
实验表明，(Na2KSb)Cs光电阴极属p型半 导体材料。在具有正电子亲和势的光电阴 极中，多碱光电阴极是光电灵敏度最高的
一种（最高已达700 A⋅lm-1)。 (Na2KSb)Cs光阴极有多种类型。改进的多 碱光电阴极其厚度略有增加，故可有效地 利用光吸收特性。由于其光吸收系数随波 长增大而变小，故可借厚度的调整来改善 其光谱响应特性。
2、对各部件的技术要求 物镜： ⑴ 为使像面有足够的照度，物镜应有尽可 能大的像对孔径(D/f)。 ⑵ 为了像增强器阴极上目标图像照度均匀， 轴外物点的光线应尽量多地参与成像， 从而要求物镜的渐晕系数尽可能大。 E = kE0(cos ´ )4 E --轴外像点照度 k---渐晕系数 ⑶ 由于一般像增强器极限空间分辨力不高，
无月时各辐射的比例为： 星光及其散射光 大气辉光 黄道光 银河光 后三项的散射光