微光夜視技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及民用領(lǐng)域拓展

■ 李金平　王　云　張　洋

微光夜視技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及民用領(lǐng)域拓展

■ 李金平王云張洋

微光夜視技術(shù)是現(xiàn)代軍用光電子高新技術(shù)之一，在局部戰(zhàn)爭(zhēng)和夜戰(zhàn)中的地位和作用更加突出和重要。六十多年來(lái)，伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和武器裝備現(xiàn)代化需求的牽引，微光夜視技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。本文在系統(tǒng)回顧微光夜視技術(shù)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，分析了微光夜視技術(shù)未來(lái)的主要發(fā)展方向以及在民用領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1.引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)早已突破人類視覺(jué)的限制。夜間戰(zhàn)爭(zhēng)已成為擁有先進(jìn)夜視技術(shù)的一方迅速取得對(duì)戰(zhàn)勝利的決定性因素。作為夜視技術(shù)的兩大關(guān)鍵支撐技術(shù)之一，微光夜視技術(shù)是研究夜間微弱照度條件下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、觀察、識(shí)別、定位、記錄的一類高新技術(shù)，具有體積小、重量輕、圖像清晰、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)，是目前夜戰(zhàn)武器裝備中使用最廣泛的技術(shù)。

自上世紀(jì)50年代開(kāi)始，微光夜視技術(shù)取得了巨大的進(jìn)展，從零代發(fā)展到三代、四代產(chǎn)品，已形成多個(gè)品種規(guī)格的系列化、批量化配套。在科學(xué)技術(shù)日新月異的今天，新材料、新技術(shù)、新工藝的層出不窮，為微光夜視技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。微光夜視技術(shù)在下一階段將如何發(fā)展，成為微光夜視技術(shù)行業(yè)共同關(guān)注的熱點(diǎn)話題。本文在深入回顧、分析國(guó)內(nèi)外微光夜視技術(shù)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，分析了微光夜視技術(shù)未來(lái)主要的技術(shù)發(fā)展方向及潛在的應(yīng)用領(lǐng)域拓展。

2.微光夜視技術(shù)的發(fā)展歷程

微光夜視技術(shù)包括了微光夜視儀的總體技術(shù)和微光夜視器件的設(shè)計(jì)和工藝研究等方面內(nèi)容，其核心是微光像增強(qiáng)器（微光像管）的研究。一般來(lái)講，微光像增強(qiáng)器的發(fā)展歷程就代表了微光夜視技術(shù)的發(fā)展歷程。從五十年代第一個(gè)微光像增強(qiáng)器的研發(fā)開(kāi)始，可以根據(jù)其特征技術(shù)分為零代、一代、二代（超二代）、三代（高性能三代）、四代等不同階段。

2.1零代微光夜視技術(shù)

上世紀(jì)40、50年代最早出現(xiàn)的像管以Ag-O-Cs光陰極、電子聚焦系統(tǒng)和陽(yáng)極熒光屏構(gòu)成靜電聚焦二極管為特征技術(shù)的像管被稱為“零代變像管”。其陰極靈敏度典型值為60μA/m，將來(lái)自主動(dòng)紅外照明器的反射信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮樱娮釉?6kV的靜電場(chǎng)下聚焦，能產(chǎn)生較高的分辨力（57lp/mm～71p/mm），但體積、重量比較大、增益很低。

2.2一代微光夜視技術(shù)

一代微光夜視技術(shù)在上世紀(jì)50年代出現(xiàn)，成熟于60年代。伴隨著高靈敏度Sb-K-Na-Cs多堿光陰極（1955年）、真空氣密性好的光纖面板（1958年）、同心球電子光學(xué)系統(tǒng)和熒光粉性能的提升等核心關(guān)鍵技術(shù)的突破，真正意義上的微光夜視儀開(kāi)始登上歷史舞臺(tái)。它的光電陰極靈敏度高達(dá)180μA/m～200μA/m，一級(jí)單管可實(shí)現(xiàn)約50倍亮度增益。由于采用光纖面板作為場(chǎng)曲校正器改善了電子光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量和耦合能力，使得一代微光單管三級(jí)耦合級(jí)聯(lián)成為可能，使亮度增強(qiáng)104倍以上，實(shí)現(xiàn)了星光照度（10-3Lx）條件下的被動(dòng)夜視觀察，因而一代微光夜視儀也被稱為“星光鏡”。1962年，美國(guó)研制的AN/PVS-2型一代微光夜視儀，其典型性能為：光陰極靈敏度≥225μA/m，分辨率≥30lp/mm，增益≥104，噪聲因子1.3。第一代微光夜視技術(shù)屬于被動(dòng)觀察方式，其特點(diǎn)是隱蔽性好、體積小、重量小、圖像清晰、成品率高，便于大批量生產(chǎn)，缺點(diǎn)是怕強(qiáng)光、有暈光現(xiàn)象。

2.3二代微光夜視技術(shù)

1962年前后通道式電子倍增器——微通道板（MCP）的研制成功，為微光夜視技術(shù)的升級(jí)提供了基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索，第二代微光夜視儀于1970年研制成功，它以多堿光陰極、微通道板、近貼聚焦為特征技術(shù)。盡管仍然使用Sb-K-Na-Cs多堿光陰極，但隨著制備技術(shù)的不斷改進(jìn)，光陰極靈敏度（＞240μA/m）和紅外響應(yīng)得到大幅提升。1片MCP便可實(shí)現(xiàn)104～105的電子增益，使得一個(gè)帶有MCP的二代微光管便可替代三個(gè)級(jí)聯(lián)的一代微光管，并利用MCP的過(guò)電流飽和特性，從根本上解決了微光夜視儀在戰(zhàn)場(chǎng)使用時(shí)的防強(qiáng)光問(wèn)題。二代管自上世紀(jì)70年代批產(chǎn)以來(lái)，現(xiàn)以形成系列化，和三代管一起成為美歐等發(fā)達(dá)國(guó)家裝備部隊(duì)的主要微光夜視器材。其典型性能為光陰極靈敏度225～400μA/ m，分辨率≥ 32～36lp/mm，增益≥104，噪聲因子1.7～2.5。

2.4三代微光夜視技術(shù)

第三代微光夜視器件的主要技術(shù)特特征是高靈敏度負(fù)電子親和勢(shì)光陰極、低噪聲長(zhǎng)壽命高增益MCP和雙冷銦封近貼。三代管保留了二代管的津貼聚焦設(shè)計(jì)，并加入了高性能的GaAs光陰極，其量子效率高、暗發(fā)射小、電子能量分布集中、靈敏度高。為了防止管子工作時(shí)的例子反饋和陰極結(jié)構(gòu)的損壞，在MCP輸入端引入一層Al2O3或SiO2防離子反饋膜，大大延長(zhǎng)了使用壽命。其典型性能為：光陰極靈敏度800～2000μA/m，分辨率≥ 48lp/mm，增益104～105，壽命＞7500小時(shí)，視距較二代管提高了50%～100%。三代微光夜視儀的優(yōu)勢(shì)是靈敏度高、清晰度好、體積小、觀察距離遠(yuǎn)，但工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大、造價(jià)昂貴，限制了其大規(guī)模批量化使用，整體裝備量與二代管相當(dāng)。

2.5超二代微光夜視技術(shù)

“超二代微光夜視技術(shù)”借鑒了三代管成熟的光電發(fā)射和晶體生長(zhǎng)理論，并采用先進(jìn)的光學(xué)、光電檢測(cè)手段，使多堿陰極靈敏度由二代微光的225～400μA/m，提高到600～800μA/m，實(shí)驗(yàn)室水平可達(dá)到2000μA/m。同時(shí)擴(kuò)展了紅外波段響應(yīng)范圍（達(dá)到0.95μm），提高了夜天光的光譜利用率，分辨力達(dá)到38lp/mm，噪聲因子下降70%，夜間觀察距離較二代提高了30～50%。整體性能與三代管相當(dāng)，做到先進(jìn)性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。同時(shí)，超二代技術(shù)正由平面近貼管向曲面倒像管發(fā)展，探測(cè)波段繼續(xù)延伸，性能將會(huì)進(jìn)一步提高，有可能解決主被動(dòng)合一、微光與紅外融合的問(wèn)題，具有極大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景。

2.6四代徽光夜視技術(shù)

四代微光夜視技術(shù)的核心技術(shù)包括去掉防離子反饋膜或具有超薄防離子反饋膜的MCP和使用自動(dòng)門(mén)控電源技術(shù)的GaAs光陰極。經(jīng)過(guò)工藝技術(shù)的改進(jìn)，四代管的陰極靈敏度達(dá)2000～3000μA/m，極限分辨力達(dá)60～90lp/mm，信噪比達(dá)25～30，且改進(jìn)了低暈成像技術(shù)，在強(qiáng)光（105lx）下的視覺(jué)性能得到增強(qiáng)。1998年美國(guó)Litton公司首先研制成功無(wú)膜MCP的微光管，在目標(biāo)觀測(cè)距離、分辨力等方面表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，成為微光夜視技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

3.微光夜視技術(shù)的主要發(fā)展方向

可以看出，微光夜視技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)光電陰極、光纖面板、微通道板、封接材料等核心材料的技術(shù)突破。隨著微機(jī)械加工技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子處理技術(shù)的不斷發(fā)展，微光夜視技術(shù)已突破傳統(tǒng)微光像增強(qiáng)器的技術(shù)范疇，形成一些新的技術(shù)動(dòng)態(tài)和發(fā)展方向。

3.1新一代高性能微光夜視技術(shù)

以無(wú)防離子反饋膜的體導(dǎo)電玻璃MCP和使用自動(dòng)門(mén)控電源技術(shù)的GaAs光陰極為特征的四代微光夜視技術(shù)代表了當(dāng)前傳統(tǒng)微光像增強(qiáng)器領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，即大視場(chǎng)、高清晰、遠(yuǎn)視距、長(zhǎng)壽命、全天候、多功能等方向發(fā)展，也對(duì)基礎(chǔ)原材料提出了更高的要求：寬光譜響應(yīng)、高動(dòng)態(tài)范圍、高分辨力、高信噪比、低缺陷等。當(dāng)前，國(guó)際上主要微光夜視技術(shù)的研發(fā)企業(yè)在4微米硬光纖傳像元件、高增益超小孔徑微通道板、體導(dǎo)電玻璃微通道板、高靈敏度長(zhǎng)壽命GaAs光陰極等核心產(chǎn)品方面均取得重大突破，部分已實(shí)現(xiàn)工程化批量制備，相信在未來(lái)的10～20年內(nèi)新一代高性能微光像增強(qiáng)器將成為傳統(tǒng)微光夜視領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。

3.2微光與紅外融合夜視技術(shù)

微光與紅外是夜視技術(shù)的兩大重要分支，除了二者的原理、成像特點(diǎn)和性能方面的不同之外，單從應(yīng)用環(huán)境上來(lái)看：微光夜視可以應(yīng)用于山區(qū)、沙漠等熱對(duì)比度小的環(huán)境，而紅外夜視在霧霾、雨雪等低能見(jiàn)度環(huán)境下具有明顯優(yōu)勢(shì)，可見(jiàn)二者互有利弊、互相補(bǔ)充、不可替代，研究微光與紅外融合技術(shù)是當(dāng)前夜視技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。在實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段上有兩種主要方式，均取得了比較良好的效果：一是拓展光敏元件的光譜響應(yīng)范圍，提升在近紅外區(qū)的光譜利用率（圖1）；二是以綜合傳感器技術(shù)、圖像處理技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)微光圖像與紅外圖像的融合（圖2）。

3.3數(shù)字化微光夜視技術(shù)

數(shù)字微光夜視技術(shù)是微光夜視技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，是能將微弱的二維空間光學(xué)圖像，轉(zhuǎn)換為一維的數(shù)字視頻信號(hào)，并再現(xiàn)為適合人眼觀察的技術(shù)，涉及圖像的光譜轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)、處理、記錄、儲(chǔ)存、讀出、顯示等物理過(guò)程，通過(guò)數(shù)字技術(shù)手段，改造、提高、豐富了微光夜視技術(shù)，是現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。該技術(shù)是把微光像增強(qiáng)器通過(guò)光纖光錐或中繼透鏡與CCD或CMOS等固體視頻型圖像傳感器耦合為一體，實(shí)現(xiàn)微光圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳輸，如圖3所示。近年又相繼出現(xiàn)了電子轟擊CCD、電子倍增CCD（EMCCD，圖4所示）、背照CCD等多種新技術(shù)且發(fā)展迅速。

圖1　向紅外波段延伸微光夜視成像效果對(duì)比

圖2　微光圖像與紅外圖像融合效果對(duì)比

圖3　像增強(qiáng)器與視頻圖像傳感器耦合結(jié)構(gòu)示意圖

圖4　EMCCD的結(jié)構(gòu)原理與外形圖片

3.4全固體微光夜視技術(shù)

傳統(tǒng)的微光像增強(qiáng)器屬于電真空器件，對(duì)元件氣密性和真空封結(jié)技術(shù)要求嚴(yán)苛，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、合格率低、成本很高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一種新型的全固體微光夜視技術(shù)悄然興起，并迅速成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，代表了微光夜視技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

圖4所示的EMCCD便是一種全固體的微光夜視視頻器件，工作時(shí)先將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)，在視頻信號(hào)和讀出電路之間增加一個(gè)信號(hào)倍增電路，放大微弱輸入信號(hào)的同時(shí)達(dá)到達(dá)到改善信噪比的目的。其核心是基于p型Si高壓反偏置二極管雪崩電子倍增（APD）原理的“擴(kuò)展型雪崩電子倍增寄存器”，即在增益寄存區(qū)中通過(guò)瞬時(shí)反偏壓技術(shù)，導(dǎo)致半導(dǎo)體形成耗盡層，該層中的少數(shù)載流子（光電子）在傳輸過(guò)程中，以高的能量碰撞電離，一個(gè)電子碰撞產(chǎn)生兩個(gè)以上的新電子，多次碰撞誘發(fā)雪崩式電子倍增，完成信號(hào)電子在輸出前的低噪聲預(yù)放大功能，從而能實(shí)現(xiàn)在較低照度場(chǎng)景下工作。在EMCCD研發(fā)方面，國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，與美、英、俄等發(fā)達(dá)國(guó)家差距明顯，部分產(chǎn)品如圖5所示。

另一類重要的全固體微光夜視器材是InxGa1-xAs微光器件，以其自身極高的夜天光光譜響應(yīng)效率和響應(yīng)靈敏度達(dá)到優(yōu)良微光成像性能。典型InxGa1-xAs微光器件的光譜響應(yīng)波段覆蓋0.87～3.5μm，光譜利用率高、成像細(xì)節(jié)分辨力、對(duì)比度高，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到飛秒級(jí)。

3.5微光夜視技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域拓展

長(zhǎng)期以來(lái)，軍用武器裝備的發(fā)展需求推動(dòng)了微光夜視技術(shù)的快速發(fā)展，并且由傳統(tǒng)的單兵武器、車載、機(jī)載、艦載微光夜視領(lǐng)域拓展到巡航導(dǎo)彈、空間探測(cè)、核診斷等新領(lǐng)域。在當(dāng)前軍民融合深度發(fā)展的大背景下，微光夜視技術(shù)迎來(lái)了新的機(jī)遇，在城市夜間安防、野外夜間科學(xué)考察、夜間安全駕駛、礦井搶險(xiǎn)救災(zāi)、OLED微顯示器等領(lǐng)域也將發(fā)揮重要作用，應(yīng)用前景廣闊。

4.展望

六十多年來(lái)，微光夜視技術(shù)歷經(jīng)零代、一代、二代、三代、四代等不同階段，發(fā)展迅速，滿足了國(guó)防武器裝備的應(yīng)用需求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，微光夜視技術(shù)正在向著新一代高性能微光夜視技術(shù)、微光與紅外融合夜視技術(shù)、數(shù)字化微光夜視技術(shù)和全固體微光夜視技術(shù)等方向發(fā)展，并取得了較大進(jìn)展。同時(shí)，在城市夜間安防、野外夜間科學(xué)考察、夜間安全駕駛、礦井搶險(xiǎn)救災(zāi)等民用領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。

圖5　國(guó)外研制的EMCCD相機(jī)圖片

圖6　微光夜視技術(shù)的民用領(lǐng)域

［1］周立偉.夜視技術(shù)的進(jìn)展與展望［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，1995，32（4）：37-43.

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（作者單位：李金平，國(guó)防科工局協(xié)作配套中心；張洋，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院）