歐洲超二代像增強器技術的選擇及進一步發(fā)展

李曉峰，何雁彬，徐傳平，李金沙，張勤東

〈綜述與評論〉

歐洲超二代像增強器技術的選擇及進一步發(fā)展

李曉峰1,2，何雁彬1，徐傳平1，李金沙1，張勤東1

（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）

二代像增強器采用Na2KSb光電陰極，三代像增強器卻采用GaAs光電陰極。由于GaAs光電陰極具有更高的陰極靈敏度，因此三代像增強器的性能遠高于二代像增強器。在二代像增強器基礎上發(fā)展的超二代像增強器，陰極靈敏度有了很大提高，因此性能也有很大提高，同時大大縮短了與三代像增強器的性能差距。超二代像增強器屬于Na2KSb材料體系，生產(chǎn)成本低，與三代像增強器相比性價比較高，所以歐洲的像增強器產(chǎn)商選擇了超二代像增強器技術的發(fā)展路線。超二代與三代像增強器技術并行發(fā)展了30多年，兩者性能均有大幅提高。超二代與三代像增強器的性能差距主要體現(xiàn)在極低照度（＜10－4lx）條件下，而在其它照度條件下，性能基本相當。超二代像增強器的性能仍有提高的空間。增益方面，在微通道板的通道內(nèi)壁上制作高二次電子發(fā)射系數(shù)的材料膜層可以提高增益；信噪比方面，采用光柵窗可提高陰極靈敏度，從而提高信噪比；分辨力方面，在微通道板輸出端制作半導體膜層、采用高清熒光屏均可提高分辨力。陰極靈敏度是光電陰極的指標，不是像增強器的整體性能指標。陰極靈敏度對像增強器整體性能的影響體現(xiàn)在增益、信噪比以及等效背景照度指標中。無論是超二代還是三代像增強器，都區(qū)分不同的型號。不同型號的超二代或三代像增強器性能均不相同。超二代和三代像增強器的性能指標是在A光源條件下測量的，而A光源光譜分布與實際應用環(huán)境中的光譜分布并不等同，同時Na2KSb和GaAs光電陰極的光譜分布不相同，所以超二代和三代像增強器的信噪比、分辨力等性能指標不具備可比性。

微光夜視技術；像增強器；光電陰極；微通道板；分辨力；信噪比

0 引言

目前在像增強器領域，存在著兩種像增強器，即超二代像增強器和三代像增強器[1-5]。這兩種像增強器結(jié)構(gòu)相同，但光電陰極不同，制造技術也不同。超二代和三代像增強器使用同一套指標來表征其性能。這些指標包括增益（Gain）、極限分辨力（resolution，RES）、等效背景照度（equivalent background illumination，EBI）、信噪比（signal to noise ratio，SNR）以及調(diào)制傳遞函數(shù)（modulation transfer function，MTF）等。國際上，三代像增強器于1985年開始量產(chǎn)，超二代像增強器卻于1989年開始量產(chǎn)，稍晚于三代像增強器。因此從像增強器量產(chǎn)的時間軸上看，超二代像增強器技術是在三代像增強器技術之后出現(xiàn)的。從技術發(fā)展進步的邏輯看，二代像增強器技術之后是三代像增強器技術，而三代像增強器技術之后應該是四代像增強器技術。但以法國Photonis公司為代表的歐洲像增強器生產(chǎn)商，在三代像增強器技術之后，不是進一步發(fā)展三代像增強器技術或四代像增強器技術，而是轉(zhuǎn)而發(fā)展“代”數(shù)較低的超二代像增強器技術。歐洲公司的超二代像增強器技術發(fā)展方向的選擇，如果僅從時間邏輯和技術發(fā)展邏輯上看并不合理。畢竟通常情況下，“代”數(shù)高的產(chǎn)品必然會取代“代”數(shù)低的產(chǎn)品，因此可以推斷三代像增強器應該會取代超二代像增強器。但直到現(xiàn)在，三代像增強器并未取代超二代像增強器，而且在過去的32年，各自的性能都有了很大的提高，都顯示出了強大的生命力。那么歐洲像增強器產(chǎn)商為何要放棄三代像增強器技術轉(zhuǎn)而發(fā)展超二代像增強器技術，超二代像增強器性能特點怎么樣，與三代像增強器的差距，性能是否能進一步提高，針對這些問題，有必要進行研究和分析。

1 二代和三代像增強器的比較

在早期，近貼聚焦式二代像增強器（以下若無特別說明，近貼聚焦式二代像增強器簡稱二代像增強器）主要應用于AN/PVS-5夜視頭盔，而三代像增強器主要應用于ANVIS航空兵夜視頭盔。二代和三代像增強器在結(jié)構(gòu)上基本相同，都包括輸入窗、光電陰極、微通道板（micro-channel plate，MCP），熒光屏以及輸出窗，它們沿著像增強器的光軸從左向右依次排列，如圖1(a)和圖1(b)。其中圖1(a)和圖1(b)分別為二代和三代像增強器。從圖1(a)、圖1(b)中可以看出，二代或三代像增強器的輸入窗和輸出窗分別位于像增強器的最左端和最右端，并且內(nèi)表面處于真空環(huán)境中。光電陰極和熒光屏分別沉積在輸入窗和輸出窗的內(nèi)表面。光電陰極起光電轉(zhuǎn)換的作用；熒光屏起電光轉(zhuǎn)換的作用。MCP位于光電陰極與熒光屏之間，起電子放大的作用[6-8]。光電陰極、MCP以及熒光屏位于真空中。輸入窗、輸出窗以及MCP的尺寸根據(jù)像增強器有效陰極直徑的不同而不同。對于有效陰極直徑為18mm的二代或三代像增強器，輸入窗的直徑為31 mm，厚度為5.5 mm；MCP直徑為25 mm，厚度為0.3 mm；輸出窗的直徑為21.85 mm，厚度為11mm（光纖面板）。另外光電陰極與MCP輸入端的距離約為0.2 mm，MCP輸出端與熒光屏之間的距離約為0.6 mm。

在像增強器中，電子從光電陰極開始，經(jīng)過MCP，最終到達熒光屏[9-10]。因此MCP輸入端的電位高于光電陰極，MCP的輸出端的電位高于輸入端，熒光屏的電位高于MCP輸出端。通常情況下，MCP輸入端與陰極之間的電壓（陰極電壓）c為200～1000 V；MCP輸出端與輸入端之間的電壓MCP為600～1200 V（MCP電壓）；熒光屏與MCP輸出端之間的電壓a為4500～7000V（屏壓），如圖2。

圖1 二代和三代像增強器

圖2 像增強器所施加的電壓

當輸入光入射在光電陰極上時，光電陰極發(fā)射光電子。光電子在陰極電場作用下向MCP輸入端運動。MCP是一種面陣的通道（微孔）陣列，每一通道（微孔）相當于一個像素，直徑約為5～12mm，長度約為0.2～0.4 mm，如圖3(a)。進入MCP通道內(nèi)的電子在通道內(nèi)部電場的作用下，向其輸出端方向運動，在此過程中，電子不斷與通道內(nèi)壁進行碰撞。由于MCP通道內(nèi)壁的二次電子發(fā)射系數(shù)大于1，因此電子在MCP通道中得到了二次電子倍增，使輸出電子數(shù)量超過輸入電子數(shù)量，從而實現(xiàn)了電子的倍增，如圖3(b)。MCP所輸出的電子在電場作用下，獲得較高的動能并轟擊熒光屏發(fā)光，使輸出光通量大于輸入光通量，從而實現(xiàn)對輸入光的放大。

圖3 MCP結(jié)構(gòu)示意圖

二代像增強器與三代像增強器相比較，主要區(qū)別有7點。第1是輸入窗，第2是減反膜，第3是光電陰極，第4是陰極電壓，第5是離子阻擋膜，第6是真空封接方式，第7是內(nèi)部真空度。

在輸入窗方面，二代像增強器的輸入窗為光纖面板，如圖1(a)，而三代像增強器輸入窗為玻璃，如圖1(b)。玻璃窗的透過率較光纖面板高。玻璃窗的透過率一般在95%以上，而光纖面板窗的透過率一般約在65%以下，因此采用玻璃輸入窗的三代像增強器具有更高的輸入光利用率。

在減反膜（anti-reflection film，AR film）方面，三代像增強器在輸入窗（玻璃窗）與光電陰極之間具有一層Si3N4減反膜層，減小了光電陰極對入射光的反射，提高了輸入光的利用率。而二代像增強器在輸入窗（光纖面板）與光電陰極之間沒有減反膜，因此光電陰極反射率較高，降低了輸入光的利用率。圖4是二代像增強器光電陰極與三代像增強器光電陰極的光譜反射率。

從圖4中可以看出，在380～1000 nm的波長范圍內(nèi)，具有減反膜的三代像增強器光電陰極反射率遠低于二代像增強器光電陰極，特別是在380～860nm之間。而這一波段之間，正是光電陰極的主要響應范圍。在光電陰極方面，二代像增強器采用Na2KSb-Cs3Sb光電陰極，簡稱Na2KSb光電陰極[11-15]，而三代像增強器卻采用GaAs-Cs2O光電陰極[16-19]，簡稱GaAs光電陰極。

圖4 Gen Ⅱ and Gen Ⅲ像增強器光電陰極反射率

Na2KSb是一種堿鹽，由Ⅰ族中的3種堿金屬元素Na、K、Cs與Ⅴ族中的Sb元素所形成。Na2KSb是一種多晶半導體。與Na2KSb不同，GaAs卻是一種單晶半導體。Na2KSb的禁帶寬度為1eV，表面電子親和勢約為0.3eV，如圖5(a)；GaAs的禁帶寬度為1.4eV，表面電子親和勢小于0，如圖5(b)。圖中c為導帶底；v為價帶頂；F為費米能級；0為真空能級；f為電子親和勢。

圖5 光電陰極能帶簡圖

Fig 5 Energy band at the surface of Na2KSb and GaAs

Na2KSb光電陰極表面為正電子親和勢，電子逸出光電陰極時存在勢壘，不易逸出；GaAs光電陰極表面為負電子親和勢，電子逸出GaAs光電陰極時不存在勢壘，容易逸出，因此Na2KSb光電陰極的靈敏度遠低于GaAs光電陰極。圖6表示20世紀80年代Na2KSb光電陰極和GaAs光電陰極典型的光譜靈敏度曲線，其中Na2KSb光電陰極的陰極靈敏度為432mA×lm－1，而GaAs光電陰極的陰極靈敏度卻為1020mA×lm－1。

圖6 GaAs和Na2KSb光電陰極光譜響應

Fig 6 Photocathode response of GaAs and Na2KSb

在離子阻擋膜方面，二代像增強器沒有離子阻擋膜，而三代像增強器卻有[20-21]。在像增強器中，電子從光電陰極進入MCP通道，在運動碰撞過程中，在MCP通道內(nèi)會產(chǎn)生正離子，而正離子的運動方向正好與電子的運動方向相反，正離子最終會到達光電陰極并與光電陰極相碰撞。由于GaAs光電陰極較“脆弱”，一旦受到正離子轟擊，就會破壞GaAs光電陰極，從而降低GaAs光電陰極的壽命。為了保護GaAs光電陰極免遭正離子的破壞，在三代像增強器中，采用一層膜（Al2O3膜層）來阻擋正離子對光電陰極的轟擊。這一層膜稱為離子阻擋膜，位于MCP的輸入端面上，厚度約為4 nm[22]。離子阻擋膜可以對正離子進行阻擋，但卻允許電子通過。相對于GaAs光電陰極，Na2KSb光電陰極相對于GaAs光電陰極而言較“皮實”，一般情況下，不需要離子阻擋膜。

在陰極電壓方面，二代像增強器的陰極電壓一般為200 V，但三代像增強器的陰極電壓一般需要在400 V以上。這是因為電子需要具有足夠高的能量才能穿透離子阻擋膜，并且離子阻擋膜越厚，所需的陰極電壓越高。

在真空封接方面，二代像增強器采用熱銦封工藝。封接材料為銦錫合金。封接時，在銦錫合金的熔點溫度之上將輸入窗放置于管殼陰極法蘭盤之上，之后將溫度降低，待陰極法蘭盤中的銦錫合金固化后，就可以實現(xiàn)陰極輸入窗與管殼陰極法蘭盤之間的真空封接。而三代像增強器則采用冷銦封工藝。封接材料為純銦。封接時，在常溫下將輸入窗和輸出窗分別放置于管殼的陰極法蘭盤上方和陽極法蘭盤下方，采用機械加壓的方法，利用銦將輸入窗和輸出窗分別封接在管殼的陰極法蘭盤和陽極法蘭盤上，從而實現(xiàn)輸入窗、輸出窗與管殼的真空封接。熱銦封相對簡單，封接尺寸的精度容易控制。冷銦封相對復雜，封接尺寸的精度不易控制。

在真空度方面，超二代像增強器內(nèi)部真空度僅僅要求優(yōu)于10－5Pa即可，而三代像增強器內(nèi)部真空度則需要優(yōu)于10－8Pa，最好達到10－9Pa[23-24]。由于三代像增強器內(nèi)部真空度要求高，使得三代像增強器的生產(chǎn)成本較高。二代與三代像增強器的主要區(qū)別見表1。

表1 二代和三代像增強器的主要區(qū)別

表2為二代（型號XX1450）與三代像增強器（型號ANVIS）的主要性能對照表。從表2可以看出，三代像增強器無論從陰極靈敏度，信噪比，分辨力，增益等方面全面超過二代像增強器。例如三代像增強器的信噪比指標為16.2，而二代像增強器信噪比指標僅為12.7。又如三代像增強器的分辨力指標為36 lp×mm－1，而二代像增強器的分辨力指標僅為25 lp×mm－1。

表2 二代與三代像增強器的主要性能比較

另外從實際觀察效果看，三代像增強器的視距也遠超二代像增強器，見表3。表3中將二代像增強器的觀察視距歸劃為1。在觀察試驗中，目標為NATO涂層靶板，背景為綠色植物。從表3可以看出，在10－2lx照度下，三代像增強器觀察距離是二代像增強器觀察距離的1.15倍，在10－3lx照度下，三代像增強器的觀察距離又是二代像增強器觀察距離的1.42倍，但在7×10－4lx照度下，三代像增強器的觀察距離是二代像增強器觀察距離的1.51倍。照度越低，觀察距離的差距越大。

表3 二代與三代像增強器觀察視距比較

盡管三代像增強器的制作工藝更復雜，成本更高，但由于其性能遠高于二代像增強器，于是在20世紀80年，三代像增強器技術成為了像增強器技術的發(fā)展方向。同時在歐洲，從1985年開始，英國的Mullard實驗，法國LEP實驗室，法國Thomson-CSF實驗室，德國AEG公司，荷蘭DEP公司等紛紛加入了三代像增強器技術的研發(fā)行列并相繼推出了自己的三代像增強器，其相關性能參數(shù)見表4。表4中XX1520型的三代像增強器為德國AEG公司生產(chǎn)；XX1530型的三代像增強器為荷蘭DEP公司生產(chǎn)；ANVIS型的三代像增強器為美國ITT公司生產(chǎn)。法國LEP實驗室的三代像增強器未進入市場，因此無相應的型號。從表4可以出，在20世紀80年代中期，歐洲公司三代像增強器技術指標與美國ITT公司三代像增強器的技術指標基本一致。例如對信噪比而言，指標均在15～16.2之間；對分辨力而言，指標為36 lp×mm－1。

2 超二代像增強器技術的選擇

在20世紀80年代，盡管三代像增強器技術成為了像增強器技術的發(fā)展方向，但技術的迭代并不是瞬間的事。在歐洲，如在DEP公司，在生產(chǎn)三代像增強器的同時，二代像增強器也一直在生產(chǎn)，并且生產(chǎn)的比例份額還較高。在此過程中，二代像增強器的性能也一直在提高。經(jīng)過不斷的努力，法國的Photonis公司、荷蘭的DEP公司于20世紀80年代末，在二代像增強器技術的基礎上，研制出了超二代像增強器[25-26]。

表4 不同生產(chǎn)商三代像增強器的主要性能比較

Note:*without a model for sale

超二代與二代像增強器相比較，在結(jié)構(gòu)上僅僅是將光纖面板輸入窗替換為玻璃輸入窗，其他不變，即光電陰極、MCP以及熒光屏與二代像增強器相同。超二代像增強器的結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 超二代像增強器

超二代像增強器仍使用Na2KSb光電陰極，仍無光電陰極減反膜、離子阻擋膜，封接工藝仍為熱銦封，真空度仍要求優(yōu)于10－5Pa。超二代像增強器采用玻璃窗之后，在外部結(jié)構(gòu)上與三代像增強器完全相同，不同之處在于內(nèi)部的光電陰極以及MCP，見圖1(b)和圖7。超二代像增強器與二代、三代像增強器的區(qū)別見表5。

盡管超二代與二代像增強器相比較，在結(jié)構(gòu)上僅僅是輸入窗有所變化，但超二代像增強器卻采用了一些與二代像增強器制作工藝完全不同的新工藝。如采用新的光電陰極的制作工藝，使得Na2KSb光電陰極的陰極靈敏度有了較大幅度提升。又如采用新的MCP表面處理工藝，使MCP的分辨力得到了較大幅度提升。由于新工藝的采用，使得超二代像增強器的性能遠超二代像增強器，并且接近了三代像增強器。

表5 二代、超二代以及三代像增強器的主要區(qū)別

表6是20世紀80年代末，超二代以及三代像增強器的性能指標比較。從表6中可以看出，DEP公司的XX1700、Photonis公司的XX1610型超二代像增強器與美國ITT公司的ANVIS型三代像增強器相比較，除陰極靈敏度指標外，盡管其他指標各有高低，但差距不大。如對于信噪比指標而言，XX1700超二代像增強器的指標為18.9，高于三代像增強器的16.2的指標。XX1610超二代像增強器的指標為15.5，低于三代像增強器的16.2的指標。另外超二代像增強器的抗沖擊指標優(yōu)于三代像增強器。超二代像增強器可以抗500g的沖擊，而三代像增強器僅僅能承受75g的沖擊。超二代像增強器與三代像增強器相比，不僅性能指標差距不大，而且從實際的觀察效果看，差距也不大。表7為20世紀80年代末，二代、超二代（XX1610）以及三代像增強器實際觀察距離的比較。

表6 不同像增強器的主要性能比較

從表7可以看出，在1×10－2lx照度下，超二代像增強器的觀察距離是二代像增強器觀察距離的1.12倍，而三代像增強器觀察距離又是二代像增強器觀察距離的1.15倍，兩者相比較，僅僅相差2.7 %。在7×10－4lx照度下，超二代像增強器的觀察距離是二代像增強器觀察距離的1.41倍，而三代像增強器的觀察距離是二代像增強器觀察距離的1.51倍，兩者相比較，僅僅相差7%。所以超二代與三代像增強器相比較，性能差距不大。由于超二代與三代像增強器相比較性能相差不大，因此對歐洲的像增強器產(chǎn)商而言，在超二代像增強器技術出現(xiàn)以后，面臨著一種選擇，即是進一步發(fā)展三代像增強器技術，還是轉(zhuǎn)而發(fā)展超二像增強器技術。

表7 二代、超二代以及三代像增強器觀察視距比較

一代、二代和超二代像增強器均采用Na2KSb光電陰極，生產(chǎn)線屬于Na2KSb材料體系。發(fā)展超二代像增強器，生產(chǎn)線可以同時生產(chǎn)一代、二代以及超二代像增強器，因此生產(chǎn)成本較低。三代像增強器采用GaAs光電陰極，生產(chǎn)線屬于GaAs材料體系。發(fā)展三代像增強器，生產(chǎn)線在生產(chǎn)三代像增強器的同時如果還要生產(chǎn)一代和二代像增強器，那么生產(chǎn)線將存在Na2KSb和GaAs兩種材料體系，這意味著生產(chǎn)成本很高。所以發(fā)展三代像增強器，必須放棄Na2KSb材料體系，僅僅保持GaAs一種材料體系，這樣才能降低生產(chǎn)成本。但放棄Na2KSb材料體系，放棄一代和二代像增強器的生產(chǎn)不太現(xiàn)實，因為在三代像增強器發(fā)展的初期，一代和二代像增強器仍然具有相當?shù)氖袌?，而且技術的迭代并不是瞬間的事，在三代像增強器沒有形成大規(guī)模生產(chǎn)的情況下，生產(chǎn)線還需要一代、二代像增強器來維持。所以發(fā)展三代像增強器，放棄Na2KSb材料體系，建立GaAs材料體系，從資產(chǎn)的角度講，意味著資產(chǎn)的損失，也意味著新的投資。這是因為超二代像增強器屬于Na2KSb材料體系，發(fā)展超二代像增強器可以沿用原來的設備，不需要新的資產(chǎn)（設備）投資。更重要的是發(fā)展超二代像增強器，僅涉及新的制作工藝，而不涉及新生產(chǎn)設備的投資。但發(fā)展三代像增強器，不僅涉及新的制作工藝，而且還涉及新設備的增加或投資。例如二代像增強器的光電陰極制作封裝設備（俗稱排氣臺），真空度只需優(yōu)于10－5Pa，完全可以用于超二代像增強器的制作封裝，因此不需要新的投資；而如果發(fā)展三代像增強器，需要新的GaAs光電陰極制作封裝設備（俗稱總裝臺），因此需要新的投資?？傃b臺的真空度需要達到10－8Pa，因此價格非常昂貴，通常是超二代像增強器光電陰極制作封裝設備價格的幾倍以上。

另外超二代像增強器Na2KSb光電陰極的生長及封裝均在排氣臺中完成，所以光電陰極的制作是一次成型，工藝鏈短，效率高，良品率高；而GaAs光電陰極的生長及封裝不能全部在總裝臺中完成，有一部分工藝是在總裝臺外完成的，因此光電陰極的制作是二次成型，工藝鏈長，效率低，良品率低。所以超二代像增強器從設備、工藝兩個方面成本均低于三代像增強器。超二代與三代像增強器的成本比較見表8。

再有從產(chǎn)品譜系的角度看，Na2KSb材料體系的產(chǎn)品譜系更寬。這是因為GaAs是晶體，只能做在平面上，不能做在曲面上，也不能做在光纖面板上，因此GaAs材料體系生產(chǎn)線僅僅能生產(chǎn)近貼聚焦系列的像增強器，不能生產(chǎn)靜電聚焦系列的像增強器（倒像式像增強器）。另外GaAs光電陰極的尺寸也難做大，做18mm輸入直徑的還較容易，但做25mm、40 mm甚至更大尺寸輸入直徑的像增強器就較困難，所以GaAs材料體系生產(chǎn)線主要是生產(chǎn)18 mm輸入直徑的三代像增強器，產(chǎn)品譜系單一。而Na2KSb為多晶體，對生長的襯底無特殊要求，可以生長在玻璃、光纖面板等材料上，而且生長的尺寸和形狀均無選擇性。因此Na2KSb材料生產(chǎn)線不僅可以生產(chǎn)近貼聚焦系列的像增強器，而且可以生產(chǎn)靜電聚焦系列的像增強器；不僅可以生產(chǎn)一代像增強器，而且還可以生產(chǎn)二代、超二代像增強器；不僅可以生產(chǎn)單級像增強器，而且可以生產(chǎn)雙級混聯(lián)像增強器；不僅可以生產(chǎn)倍率為1的像增強器，而且可以生產(chǎn)放大或縮小倍率的像增強器；不僅可以生產(chǎn)輸入窗18mm的，而且還可以較容易生產(chǎn)輸入窗為25 mm、40 mm甚至更大尺寸的像增強器。

表8 超二代與三代像增強生產(chǎn)成本分析

像增強器是一種真空電子器件，價格較高，因此不僅要追求高性能，而且也要追求低成本。超二代與三代像增強器相比較，性能差距不大。但發(fā)展超二代像增強器，不需要昂貴的設備投資，可以沿用原有的生產(chǎn)線，可以同時生產(chǎn)一代、二代和超二代像增強器，產(chǎn)品譜系寬，因此生產(chǎn)成本低。歐洲的像增強器生產(chǎn)商，如Photonis以及DEP公司，均為股份有限公司，經(jīng)濟因素往往是這些公司做出選擇的重要因素，所以歐洲公司選擇了發(fā)展超二代像增強器技術的路線。

另外從商業(yè)競爭的角度看，如果歐洲公司也發(fā)展三代像增強器，那么將面臨著與美國公司三代像增強器的直接競爭。而歐洲的公司發(fā)展超二代像增強器，與三代像增強器形成差異化，這樣就可以避免與美國公司的直接競爭，這也是歐洲像增強器產(chǎn)商選擇發(fā)展超二代像增強器技術的另一個原因。

需要說明的是，表6和表7僅僅是早期超二代以及三代像增強器的技術水平或差距，并不代表目前超二代以及三代像增強器的技術水平或差距。目前無論是超二代像增強器還是三代像增強器，各自的性能較早期均有了進一步的提高。如Photonis公司最新型的超二代像增強器（型號XW3040），陰極靈敏度在1200～1600mA×lm－1之間，分辨力在72～76mA×lm－1之間，信噪比在31～36之間。而俄羅斯、美國最新型的三代像增強器，陰極靈敏度在1800～2800mA×lm－1之間，分辨力在64～72mA×lm－1之間，信噪比在34～40之間。另外超二代與三代像增強器實際觀察距離的差距仍然體現(xiàn)在極低照度條件下（＜10－4lx）。

3 超二代像增強器性能的進一步提高

3.1 增益

在提高超二代像增強器增益方面，主要是通過提高MCP的增益來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的MCP采用鉛玻璃制作。傳統(tǒng)氫還原MCP在提高增益方面達到了一定的極限，再進一步大幅度提高存在較大困難。這是因為鉛玻璃的二次電子發(fā)射系數(shù)在3～5之間，不可能無限提高。MCP增益與MCP通道內(nèi)壁二次電子發(fā)射系數(shù)之間的關系見式(1)：

式中：M表示MCP的增益；1、2、…、分別表示電子與MCP通道內(nèi)壁第1次、第2次、…、第次碰撞時的二次電子發(fā)射系數(shù)。

從式(1)可以看出，MCP通道內(nèi)壁的二次電子發(fā)射系數(shù)越高，MCP的增益越高。所以在MCP通道內(nèi)壁制作一高二次電子發(fā)射系數(shù)的膜層，可以提高MCP的增益。制作高二次電子發(fā)射系數(shù)膜層的具體方法是采用原子層沉積技術（atom layer deposition，ALD）。例如在MCP通道內(nèi)壁表面沉積一層厚度約為5nm的Al2O3膜層，如圖8。由于Al2O3膜層的二次電子發(fā)射系數(shù)高于鉛玻璃的二次電子發(fā)射系數(shù)，因此MCP的增益可以進一步提高[27-28]。另外在MCP通道內(nèi)壁沉積高二次電子發(fā)射系數(shù)膜層時，也可以在無鉛玻璃（SiO2）或未經(jīng)氫還原鉛玻璃的微孔陣列基板來制作。其制作原理是在通道內(nèi)壁表面先利用ALD技術沉積導電層，如Al2O3和ZnO2，然后再在該導電層上制作高二次電子發(fā)射系數(shù)的電子發(fā)射層，如Al2O3膜層等。由于MCP的制作過程中不經(jīng)過鉛還原，因此大大簡化了MCP的制作工藝，提高了MCP的增益，減小了MCP的噪聲因子。

圖8 MCP通道內(nèi)ALD鍍膜示意圖

除此之外，根據(jù)Photonis公司的專利[29-30]，另外一種方法也可以用來進一步提高MCP的二次電子發(fā)射系數(shù)。該種方法是將鉛玻璃MCP的輸入端浸漬于納米金剛石膠體溶液中，并在超聲槽中超聲一定的時間，將納米金剛石沉積在MCP的通道內(nèi)壁上。納米金剛石的顆粒約為5mm，膜層的厚度可為1～3層，即膜層厚度為5～15mm。由于納米金剛石膜層的二次電子發(fā)射系數(shù)在5～60之間，因此鍍制納米金剛石膜層的MCP可以獲得更高的增益。需要說明的是納米金剛石的顆粒僅僅需要沉積在MCP的輸入端，深度為通道直徑的5～10倍即可，如圖9。

圖9 MCP通道內(nèi)納米金剛石膜層示意圖

以上的兩種方法在提高MCP的增益以后，為了不降低MCP的分辨力，可以在MCP的輸出端鍍制一層低（零）二次電子發(fā)射系數(shù)的材料，由此來彌補由于MCP通道內(nèi)壁高二次電子發(fā)射系數(shù)提高而帶來的分辨力降低。

3.2 信噪比

影響像增強器信噪比的因數(shù)包括光電陰極、MCP以及熒光屏[31-34]，其中光電陰極的影響最大，MCP的影響次之，熒光屏的影響最小，基本上可以忽略。光電陰極的信噪比越高，像增強器的信噪比也越高。光電陰極的信噪比由式(2)定義[35]：

式中：SNRc為光電陰極信噪比；PR為陰極靈敏度，mA×lm－1；為電子電量，C；D為所測量的帶寬，Hz。

從式(2)可以看出，光電陰極的信噪比與陰極靈敏度的平方根成正比，要提高光電陰極的信噪比，就需要提高光電陰極的靈敏度。目前對于超二代像增強器而言，采用光柵窗[36]替代傳統(tǒng)的玻璃窗，可以將光電陰極的靈敏度在原有基礎上進一步提高35%以上，使陰極靈敏度達到1000mA×lm－1以上，并且接近1600mA×lm－1。圖10為Na2KSb光電陰極玻璃窗與光柵窗的光譜靈敏度。從圖10中可以看出，采用光柵窗的超二代像增強器（型號XX3040），其光譜靈敏度較普通玻璃窗的光譜靈敏度提高了，特別是在近紅外波段，提高的比例更大，因此在夜視條件下使用時，光譜匹配系數(shù)更高，實際使用時的性能提高更大。

圖10 玻璃窗與光柵窗的陰極光譜響應

光柵窗提高陰極靈敏度的工作原理如圖11(a)。當入射光1通過玻璃窗2到達光柵3時，入射光將發(fā)生衍射并進入光電陰極膜層4，衍射光6在光電陰極膜層中的傳輸過程中，不斷被吸收，當?shù)竭_光電陰極的界面5時，由于滿足全反射的條件，在光電陰極膜層的界面5發(fā)生全反射，使衍射光6再次反射回光電陰極膜層4中。反射光7在光電陰極中的傳輸過程中，不斷被光電陰極所吸收。因此入射光在光電陰極膜層4中來回吸收了兩次，所以提高了光電陰極對入射光的利用率，從而提高了陰極靈敏度。而對于普通的玻璃窗，如圖11(b)，入射光1通過玻璃窗2到達并進入光電陰極4，在傳輸過程中不斷被光電陰極所吸收，當?shù)竭_光電陰極界面5時，未被光電陰極所吸收的入射光1最后進入真空。因此入射光1在光電陰極膜層4中僅僅吸收了一次，所以對入射光的利用率較低，因此陰極靈敏度也較低。

3.3 分辨力

影響超二代像增強器分辨力的因數(shù)很多[37-39]，其中包括MCP以及熒光屏。通過減小MCP的孔徑或節(jié)距可以提高像增強器的分辨力。目前MCP的孔徑已經(jīng)減小到了5mm，進一步減小會面臨機械強度的限制，因此需要挖掘MCP的潛力。在MCP的電子倍增過程中，當電子從MCP的輸出端輸出時，由于電子的發(fā)散角較大，造成電子束在熒光屏上的直徑大于MCP的孔徑，這使得MCP的實際分辨力小于MCP的理論分辨力，如圖12(a)。為了減小MCP通道輸出電子束的直徑，采用了末端損失技術來減小MCP通道輸出電子束的直徑[40]。然而末端損失技術會降低MCP的增益，間接的會增加MCP的噪聲。另外其提升分辨力的效果也有限。

根據(jù)Photonis公司的專利[41]，另外一種減小MCP通道輸出電子束直徑的方法是降低MCP輸出電子的初速度。所采用的方法是在MCP的輸出端鍍制一層禁帶寬度大于1eV的半導體膜層，膜層的厚度約為30～300nm，如圖12(b)。當MCP的輸出電子以不同的入射角進入該膜層以后，電子從輸入端向輸出端擴散，最后從輸出端逸出。此時從半導體膜層輸出的電子初速度得到了降低，相應的電子的徑向（垂直于像增強器的光軸）初速度也減小，因此可以減小MCP通道輸出電子束的直徑，提高像增強器的分辨力以及MTF。

1. Input light; 2. Glass window; 3. Grating; 4. Photocathode; 5. Output interface; 6. Diffracting light; 7. Reflection light

圖12 輸出電子軌跡示意圖

提高像增強器分辨力不僅需要從MCP方面采取措施，同時也需要從熒光屏方面采取措施。目前超二代像增強器的熒光屏采用熒光粉制作。熒光粉表面積較大，所吸附的氣體量也較大。另外熒光粉的粒度與發(fā)光效率之間存在矛盾，難以做薄，因此分辨力受限。為了減薄熒光屏的厚度，可以采用鍍膜的方法制作熒光屏。由于熒光屏采用鍍膜的方法制作，因此薄膜厚度可以做得更薄，所以可以提高熒光屏的分辨力。再有，根據(jù)Photonis公司的專利[41]，也可以采用光刻技術在光纖面板的表面制作金屬井（Hollowing out）。在金屬井中先鍍制一層角度濾波器，然后在角度濾波器上鍍制一層熒光固體薄膜，最后再在熒光固體薄膜上鍍制一層鋁層，如圖13。

圖13為單根纖維絲的示意圖。這種結(jié)構(gòu)可以將熒光薄膜限制在每一根光纖芯的面積內(nèi)，這樣熒光薄膜的發(fā)光就被限制在金屬井中，經(jīng)過多次反射之后，最后全部進入光纖芯中，因此光纖絲之間不會產(chǎn)生串光，所以可以提高熒光屏的分辨力和MTF。

圖13 高分辨力熒光屏示意圖

4 討論

4.1 陰極靈敏度

光電陰極的陰極靈敏度實際上是光電陰極的響應度，定義為單位入射流明所產(chǎn)生的光電流，由式(3)來定義：

PR＝/ (3)

光電陰極、MCP以及熒光屏是像增強器的3個重要部件。因此，正如MCP增益是MCP的指標，發(fā)光效率是熒光屏的指標一樣，陰極靈敏度也僅僅是光電陰極的指標，而不是像增強器的整體性能指標。光電陰極靈敏度對像增強器整體性能指標的影響具體體現(xiàn)在增益、信噪比、EBI性能指標中。這是因為像增強器的增益由式(4)計算：

式中：為像增強器增益，cd×m－2×lx－1；M為MCP增益；為熒光屏發(fā)光效率，lm×W－1；s為熒光屏電壓，V。

從式(4)中可以看出，陰極靈敏度越高，像增強器的增益越高，因此陰極靈敏度在增益指標中有體現(xiàn)。另外像增強器的信噪比由式(5)表示：

式中：PR為陰極靈敏度，mA×lm－1；f為MCP的噪聲功率因子。

從式(5)中可以看出，像增強器的信噪比與陰極靈敏度的平方根成正比，因此陰極靈敏度在信噪比指標中也有體現(xiàn)。

像增強器的EBI是由光電陰極的暗電流所產(chǎn)生的，由式(6)表示：

式中：EBI為等效背景照度，lx；d為光電陰極的暗電流，A；為光電陰極的面積，m2。

從式(6)可以看出，像增強器的EBI與光電陰極的靈敏度成反比，所以陰極靈敏度在EBI指標中也有所體現(xiàn)。

從陰極靈敏度對像增強器增益、信噪比和EBI的影響中可以看出，陰極靈敏度越高，像增強器的增益、信噪比以及EBI越好。盡管陰極靈敏度對像增強器的整體性能，如增益、信噪比以及EBI有影響，但絕對不能將陰極靈敏度理解為像增強器的靈敏度，陰極靈敏度和像增強器靈敏度是完全不同的兩個概念。陰極靈敏度是光電陰極的響應度，而像增強器的“靈敏度”目前尚無統(tǒng)一的定義，但在概念上與光電成像器件的“噪聲等效功率”相類似。表9為兩支超二代像增強器的主要性能指標。兩支像增強器的分辨力均為64lp×mm－1，增益均為16000 cd×m－2×lx－1。兩支像增強器相比較，盡管1123#像增強器的陰極靈敏度為872mA×lm－1，1171#像增強器的陰極靈敏度僅僅為765mA×lm－1，1123#像增強器的陰極靈敏度更高，但因1171#像增強器的信噪比更高，EBI更低，因此1171#像增強器的性能更好。

根據(jù)式(5)可知，像增強器的信噪比正比于陰極靈敏度的平方根，反比于噪聲因子的平方根。三代像增強器相比于超二代像增強器，雖然陰極靈敏度高，但因其MCP的噪聲因子大，使得信噪比并未遠超出超二代像增強器。三代像增強器噪聲因子高的原因是在于采用了具有離子阻擋膜的MCP。

4.2 技術標準

美國三代像增強器的技術標準體現(xiàn)在美國政府不同階段的Omnibus采購計劃中[42]。在該計劃中，不同階段的采購計劃均以羅馬數(shù)字進行編號，如Omnibus Ⅲ，Omnibus Ⅳ等。按照這一編號原則，數(shù)字越大，時間越近。如Omnibus Ⅳ的標準晚于Omnibus Ⅲ的標準。目前美國的Omnibus采購計劃還在進行，并且已經(jīng)到了Omnibus Ⅷ，所以三代像增強器實際上具有多種技術標準，見表10。通常將不同技術標準的三代像增強器簡稱為不同“型”的三代像增強器，如將Omnibus Ⅷ技術標準的三代像增強器簡稱為“Ⅷ型”三代像增強器。

從表10可以看出，“Ⅳ型”三代像增強器的技術標準高于“Ⅲ型”三代像增強器，而“Ⅵ型”三代像增強器的技術標準又高于“Ⅴ型”三代像增強器，所以當涉及到三代像增強器的性能時，需要明確三代像增強器是屬于哪一“型”，因為不同“型”三代像增強器的技術標準不一樣。

表9 像增強器性能參數(shù)比較

表10 Omnibus計劃的三代像增強器

超二代像增強器技術標準由法國Photonis公司制定并引領。超二代像增強器技術標準的命名是以英文縮寫加阿拉伯數(shù)字后綴的方式，如SHD-3等。SHD是Super High Definition的縮寫，“3”為型號。型號越高，出現(xiàn)的時間越晚，技術水平也越高，因此“4型”超二代像增強器的性能優(yōu)于“3型”超二代像增強器的性能。表11為不同型號超二代像增強器的主要性能指標，表中也可以看出，超二代像增強器的型號越高，性能越高。如“6型”（XP-6）超二代像增強器的技術標準高于“5型”（XR-5）超二代像增強器的技術標準。所以當談到超二代像增強器時，也需要具體明確超二代像增強器是屬于哪一“型”。

表11 超二代像增強器性能指標

4.3 像增強器性能的可比性

對于超二代和三代像增強器，根據(jù)傳統(tǒng)思維方式，通常會誤認為三代像增強器一定比超二代像增強器性能高，然而這不一定準確。三代像增強器與超二代像增強器相比較，需要比較具體的性能參數(shù)，需要明確是那一“型”的超二代和三代像增強器。需要注意的是，當比較像增強器的性能時，特別是比較超二代和三代像增強器的性能時，不能將陰極靈敏度作為其性能指標來比較。另外還需要注意，當比較超二代與三代像增強器的性能時，所比較的指標是標準A光源條件下的指標，而不是實際使用時的指標。例如當比較“5型”超二代像增強器與“Ⅵ型”三代像增強器的性能時，如果兩者的信噪比均為25，那么這僅僅表明在標準A光源條件下兩者的信噪比相同，并不意味著實際使用時的信噪比相同。因為像增強器的性能指標是在標準A光源的條件下測量的[43-44]，而A光源為色溫為2856 K的鎢絲燈，但在像增強器的實際應用中，如在星光下，此時的夜天光光譜與A光源的發(fā)射光譜區(qū)別較大，如圖14。因此在A光源下測量的指標對于超二代和三代像增強器而言，在實際應用中就會存在差別。

圖14 A光源與星光下的發(fā)射光譜分布

星光下夜天光中的近紅外成分較豐富，而GaAs光電陰極的近紅外光譜靈敏度高于Na2KSb光電陰極，所以GaAs光電陰極的光譜匹配系數(shù)相應的也高，因此三代像增強器的實際應用中的信噪比要高于超二代像增強器。所以超二代像增強器與三代像增強器的信噪比性能指標不具備可比性。同理，增益、分辨力等也不具備可比性[45]。所以超二代像增強器的性能指標只能在超二代像增強器之間進行比較，三代像增強器的性能指標也只能在三代像增強器之間進行比較。如“6”型超二代像增強器的性能要優(yōu)于“5”型超二代像增強器的性能，不僅測量性能優(yōu)，而且實際使用性能也優(yōu)。同樣“Ⅵ型”三代像增強器的性能要優(yōu)于“Ⅲ型”三代像增強器的性能，不僅測量性能優(yōu)，而且實際使用性能也優(yōu)。

4.4 品質(zhì)因子

美國政府為了管控三代像增強器的出口，利用品質(zhì)因子（figure of merit，F(xiàn)OM）作為三代像增強器出口的技術指標[46]。FOM由式(7)來定義，為分辨力與信噪比的乘積。

FOM＝RES×SNR (7)

美國政府規(guī)定，向北約國家出口的三代像增強器最大FOM為1600，而向非北約國家出口的三代像增強器最大FOM只能為1250。因為分辨力和信噪比為像增強器的主要核心指標，限制了這兩個核心指標，即使像增強器的其他性能指標，如增益、EBI等性能指標再好，其綜合性能也受限于FOM，因此FOM可以作為三代像增強器性能分檔的技術指標。但需要注意的是，F(xiàn)OM不是具體比較兩支像增強器綜合性能好壞的指標。像增強器的性能指標有20多項，僅僅從成像質(zhì)量方面講，除了分辨力和信噪比，還有增益、EBI以及MTF。像增強器主要在夜間或低照度條件下使用。增益越高，EBI越低，像增強器所能探測的最低照度才越低。所以如果要比較兩支像增強器的綜合成像性能，除分辨力和信噪比之外，至少還要比較增益、EBI以及MTF。因此僅僅利用FOM來評價像增強器的具體性能并不全面，不能用FOM來具體比較兩支像增強器的綜合性能。表12是兩支像增強器的性能比較。

從表12中可以看出，兩支像增強器的分辨力均為64lp×mm－1，信噪比約為28，F(xiàn)OM約為1800。但1144#像增強器的EBI為0.7×10－7lx，增益為18000 cd×m－2×lx－1；而1151#像增強器的EBI為1.5×10－7lx，增益為12000 cd×m－2×lx－1，因此1144#像增強器的EBI更低，增益更高，所以從像增強器最低探測照度的角度講，1151#的性能更好。所以像增強器的綜合性能需要從多個維度來評價，不僅僅是分辨力、信噪比，還需要考慮EBI、增益以及MTF。

需要說明的是，由于超二代和三代像增強器的分辨力、信噪比不具備可比性，因此其FOM也不具備可比性，所以不能利用FOM來比較超二代和三代像增強器之間的性能。

表12 像增強器性能參數(shù)比較

5 結(jié)論

超二代像增強器生產(chǎn)成本低，性價比高，與三代像增強器相比性能差距不大，因此歐洲的像增強器產(chǎn)商選擇了超二代像增強器技術的發(fā)展路線。超二代與三代像增強器并列發(fā)展了30多年，性能均有大幅提高。超二代與三代像增強器相比較，性能差距仍然體現(xiàn)在極低照度條件下。三代像增強器在極低照度條件下的性能更好，但超二代像增強器的成本更低。

目前Photonis公司的超二代像增強器的生產(chǎn)達到了相當?shù)囊?guī)模，技術水平也保持領先，研發(fā)也更加深入，因此不可能再一次改變超二代像增強器的技術發(fā)展路線，只可能進一步發(fā)展超二代像增強的技術。從目前的情況看，超二代像增強器性能仍有進一步提高的空間，僅僅就分辨力這一性能而言，目前法國Photonis公司新型超二代像增強器（型號XW3040）的分辨力已經(jīng)達到76lp/mm，而下一個目標將是80lp/mm，因此可以預見在將來一定時期內(nèi)，超二代像增強器與三代像增強器將進一步并列發(fā)展，直到顛覆性技術出現(xiàn)。

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Choice of European Super Second Generation Image Intensifier Technology and its Further Development

LI Xiaofeng1,2，HE Yanbin1，XU Chuanping1，LI Jinsha1，ZHANG Qindong1

(1.,650217,;2.,710065,)

The second-generation image intensifier adopts a Na2KSb photocathode, whereas the third-generation image intensifier adopts a GaAs photocathode. Given that GaAs photocathodes have a higher cathode sensitivity, the performance of the third-generation image intensifier is much higher than that of the second-generation image intensifier. The super second-generation image intensifier, developed on the basis of the second-generation image intensifier, has been greatly improved in terms of cathode sensitivity, and thus, its performance has also been greatly improved. Simultaneously, the gap with the third-generation image intensifier has been significantly shortened. Super second-generation image intensifiers belong to the material technology of Na2KSb, with low production cost and high cost performance compared with those of third-generation image intensifiers. Therefore, European image intensifier manufacturers chose the development roadmap for super second-generation image intensifiers. Super second- and third-generation image intensifier technologies have been developed in parallel for more than 30 years, and their performance has been greatly improved. The performance gap between super second- and third-generation image intensifiers is primarily reflected under conditions of extremely low illumination (<10-4lx); the performance remains basically unchanged for levels above that. The performance of super-second-generation image intensifiers can still be improved. In terms of the gain, they can be improved by depositing a film of high secondary electron emission material on the inner wall of the microchannel plate. With respect to the signal-to-noise ratio, the grating window was introduced to improve the cathode sensitivity, thereby improving the signal-to-noise ratio. The resolution can be improved by inserting a semiconductor film at the output of the microchannel plate and adopting a high-definition fluorescent screen. Cathode sensitivity is a parameter of the photocathode components and not the overall performance parameter of the image intensifier. The influence of the cathode sensitivity on the overall performance of the image intensifier is embodied in the gain, signal-to-noise ratio, and equivalent background illumination. Different models are employed to distinguish between super second- and third-generation image intensifiers. These models give rise to different levels of performance. The performance parameters of super second- and third-generation image intensifiers are measured under the condition of a light source, but the spectral distribution in the actual application environment is not the same as that of the light source. The spectral responses of Na2KSb and GaAs photocathodes are different. Therefore, performance parameters such as signal-to-noise ratio and resolution of the super-second-generation and third-generation image intensifiers are not comparable.

night vision technology, image intensifier, photocathode, microchannel plate, resolution, signal to noise ratio

TN223

A

1001-8891(2022)12-1249-15

2022-02-08；

2022-03-03.

李曉峰（1963-），男，博士，正高級工程師，主要研究方向為微光夜視技術。E-mail: 984118295@qq.com。

國家自然科學基金（11535014）。