超二代微光像增強(qiáng)器性能隨工作時(shí)間的影響研究

曾進(jìn)能，楊瓊連，龔燕妮，李廷濤，王乙瑾，李曉露，趙 恒，馬懷超 徐傳平，吳艷娟，汪 云，李耀斌，須恃瑜，劉倍宏，徐鱈嬌，李榮喜

〈微光技術(shù)〉

超二代微光像增強(qiáng)器性能隨工作時(shí)間的影響研究

曾進(jìn)能1,2，楊瓊連1，龔燕妮1，李廷濤1，王乙瑾1，李曉露1，趙 恒1，馬懷超1徐傳平1，吳艷娟1，汪 云1，李耀斌1，須恃瑜1，劉倍宏1，徐鱈嬌1，李榮喜1

（1. 北方夜視技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650217；2. 微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

研究了超二代微光像增強(qiáng)器性能隨工作時(shí)間的變化規(guī)律，掌握性能變化特點(diǎn)。通過性能測(cè)試和曲線擬合，得出亮度增益、信噪比隨工作時(shí)間的變化逐漸下降，分辨力隨工作時(shí)間的變化幾乎保持不變。其中，亮度增益與工作時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)變化，即當(dāng)超二代微光像增強(qiáng)器在10000h的工作時(shí)間內(nèi)，亮度增益隨工作時(shí)間的變化速率較快，但隨著工作時(shí)間增加，亮度增益下降速率變慢，且最終趨于平穩(wěn)。信噪比隨工作時(shí)間呈多項(xiàng)式函數(shù)變化，且隨著工作時(shí)間的增加信噪比逐漸下降。將長時(shí)間工作的微光像增強(qiáng)器進(jìn)行解剖分析后，其亮度增益、信噪比變化主要與光電陰極靈敏度、熒光屏發(fā)光效率和微通道板增益穩(wěn)定性息息相關(guān)，且相比靈敏度和熒光屏發(fā)光效率而言，微通道板增益的穩(wěn)定性變化較大。

超二代微光像增強(qiáng)器；工作壽命；亮度增益；信噪比；分辨力；MCP增益

0 引言

微光夜視技術(shù)是探索夜間和極低光照度下目標(biāo)圖像的信息獲取、轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)、顯示、記錄的一種高新光電技術(shù)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2]。近年來的沖突中，各類特種作戰(zhàn)裝備層出不窮，雙方特種部隊(duì)大肆利用夜視設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，頻繁向?qū)Ψ讲筷?duì)中缺乏夜視設(shè)備的“普通部隊(duì)”出擊，吊打?qū)Ψ健捌胀ú筷?duì)”，裝備夜視設(shè)備的部隊(duì)完全可以說是降維打擊，在現(xiàn)代化設(shè)備加持下殘酷的夜戰(zhàn)形式中，從各方面說明國內(nèi)仍然需要在微光夜視這一領(lǐng)域繼續(xù)耕耘。微光像增強(qiáng)器是微光夜視系統(tǒng)的核心器件，而超二代微光像增強(qiáng)器（以下簡(jiǎn)稱像增強(qiáng)器）作為眾多像增強(qiáng)器種類之一，因其具有重量輕、體積小、電子倍增數(shù)量高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于海、陸、空等各軍兵種領(lǐng)域[3-4]。像增強(qiáng)器采用多堿材料作為光電陰極，根據(jù)光電發(fā)射理論，光電陰極膜層吸收光子激發(fā)電子躍遷，電子克服膜層表面勢(shì)壘逸出，在均勻電場(chǎng)和高真空環(huán)境下經(jīng)過微通道板（micro channel plate，MCP）倍增后形成放大的電子束，電子束激發(fā)熒光屏轉(zhuǎn)換成可見光圖像，并經(jīng)光學(xué)纖維面板輸出[5]。

像增強(qiáng)器的貯存、工作壽命等性能是其在軍備裝置上能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，在實(shí)際使用和貯存過程中，伴隨著工作時(shí)間的增加，內(nèi)部腔體的真空度逐漸降低，使用性能逐漸失效[6]，像增強(qiáng)器失效的判定依據(jù)為亮度增益、信噪比、分辨力等某一關(guān)鍵性能指標(biāo)降低到規(guī)定的閥值。實(shí)際生產(chǎn)中，超二代微光像增強(qiáng)管（以下簡(jiǎn)稱像增強(qiáng)管）在裝配為像增強(qiáng)器之前，需要開展靈敏度、分辨力、熒光屏發(fā)光效率（以下簡(jiǎn)稱屏效）、MCP增益等參數(shù)測(cè)試，并且需要開展壽命試驗(yàn)提前篩選報(bào)廢長時(shí)間工作后關(guān)鍵性能指標(biāo)不滿足要求的像增強(qiáng)管[7]。通過壽命試驗(yàn)的像增強(qiáng)管則與高壓電源裝配組合到塑料外殼等殼體內(nèi)，并由硅橡膠灌封后形成像增強(qiáng)器，經(jīng)過測(cè)試亮度增益、分辨力、信噪比等性能指標(biāo)并符合要求后，可裝配到夜視儀中正常使用，但隨著工作時(shí)間的增加，像增強(qiáng)器性能指標(biāo)的變化情況不得而知。因此，為進(jìn)一步研究像增強(qiáng)器工作時(shí)間與性能指標(biāo)之間的變化關(guān)系，依托工作壽命試驗(yàn)，從亮度增益、信噪比、分辨力等關(guān)鍵性能著手，對(duì)性能變化原因進(jìn)行分析，為提升像增強(qiáng)器的工作時(shí)間奠定一定的研究基礎(chǔ)。

1 像增強(qiáng)器及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)用像增強(qiáng)器

試驗(yàn)用像增強(qiáng)器由高壓電源、像增強(qiáng)管及填充硅橡膠的塑料外殼組合而成，是由北方夜視技術(shù)股份有限公司自主研制和生產(chǎn)的一型高性能像增強(qiáng)器。像增強(qiáng)器采用的高壓電源型號(hào)為GYH-053-4；像增強(qiáng)管的輸入窗為防光暈玻璃，光電陰極為S25+型，微通道板型號(hào)為F25/8，輸出窗為光纖倒像器，熒光屏采用P43熒光粉并蒸鍍鋁膜。針對(duì)本次試驗(yàn)，采用編號(hào)為#306、#308、#309、#310的4具像增強(qiáng)器，其主要技術(shù)指標(biāo)的初始值見表1。

表1 像增強(qiáng)器主要技術(shù)指標(biāo)初始值

表1所列的靈敏度、MCP增益、熒光屏發(fā)光效率為灌封前所用的像增強(qiáng)管主要技術(shù)指標(biāo)初始值，亮度增益、分辨力、信噪比、工作電流為試驗(yàn)用像增強(qiáng)管與高壓電源裝配組合到塑料外殼并由硅橡膠灌封后得到的像增強(qiáng)器的主要技術(shù)指標(biāo)初始值，以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)均按GJB 2000A-2020超二代像增強(qiáng)器通用規(guī)范[8]中規(guī)定的測(cè)試方法獲得。

1.2 試驗(yàn)方法

本文所用的像增強(qiáng)器工作壽命試驗(yàn)包括光應(yīng)力試驗(yàn)和電應(yīng)力試驗(yàn)。光應(yīng)力試驗(yàn)是在通電狀態(tài)下，對(duì)像增強(qiáng)器光電陰極施加輸入照度為5×10－4lx（色溫2856K）的光，在每個(gè)周期（1h）的通電時(shí)間內(nèi)，施加照度為1×10－2lx的光持續(xù)照射5s和施加50～200lx的光持續(xù)照射3s，兩次光脈沖的時(shí)間間隔不小于5min。電應(yīng)力試驗(yàn)是在像增強(qiáng)器加工作電壓后，在每個(gè)周期（1h）的通電時(shí)間內(nèi)，按每通電55min、斷電5min的周期進(jìn)行。試驗(yàn)用像增強(qiáng)器共有4具，每具像增強(qiáng)器的累計(jì)工作時(shí)間為22698h，每經(jīng)過200h對(duì)亮度增益、信噪比和分辨力3項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)后與其指標(biāo)的初始值比較分析，獲得像增強(qiáng)器關(guān)鍵性能指標(biāo)隨工作時(shí)間的變化情況，并將工作22698h后的像增強(qiáng)器解剖形成對(duì)應(yīng)的像增強(qiáng)管與高壓電源，分別對(duì)其關(guān)鍵性能進(jìn)行測(cè)試，分析得到像增強(qiáng)器長時(shí)間工作后關(guān)鍵性能變化的原因。

2 關(guān)鍵性能變化情況與原因分析

2.1 亮度增益隨工作時(shí)間的變化規(guī)律

亮度增益是像增強(qiáng)器的關(guān)鍵指標(biāo)之一[9-10]，反映了像增強(qiáng)器對(duì)所接收微弱光輻射的增強(qiáng)能力，其高低主要影響夜視儀的視場(chǎng)亮度和探測(cè)能力，固定照度環(huán)境下亮度增益越高視場(chǎng)亮度越大[11]，探測(cè)能力越強(qiáng)。對(duì)于像增強(qiáng)器而言，要使其能在星光或者月光的條件下使用，亮度增益需要達(dá)到3000(cd/m2)/lx以上，才能滿足人眼視錐細(xì)胞視覺的光適應(yīng)狀態(tài)。為研究像增強(qiáng)器工作時(shí)間對(duì)亮度增益的影響，按照上述試驗(yàn)方法，每隔200h測(cè)試像增強(qiáng)器的亮度增益，累計(jì)工作時(shí)長為22698h。4具試驗(yàn)像增強(qiáng)器工作時(shí)間隨亮度增益的變化規(guī)律見圖1所示。

從圖1(a)可以看出，試驗(yàn)用4具像增強(qiáng)器工作22698h后亮度增益均隨工作時(shí)間的增加出現(xiàn)下降，其中，#306從14800(cd/m2)/lx下降至10400(cd/m2)/lx，下降幅度為29.7%；#308從15100(cd/m2)/lx下降至7800(cd/m2)/lx，下降幅度為48.3%；#309從15300(cd/m2)/lx下降至6800(cd/m2)/lx，下降幅度為55.6%；#310從15300(cd/m2)/lx下降至9200(cd/m2)/lx，下降幅度為39.9%。為進(jìn)一步分析微光像增強(qiáng)器亮度增益隨工作時(shí)間的變化，通過4具試驗(yàn)像增強(qiáng)器亮度增益平均值擬合出亮度增益隨工作時(shí)間的變化曲線，如圖1(b)所示，獲得像增強(qiáng)器亮度增益與工作時(shí)間的變化曲線，為：

＝6084×exp(－/4179)＋8572 (1)

式中：表示亮度增益，單位為(cd/m2)/lx；表示工作時(shí)間，單位為h；亮度增益與工作時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)變化。當(dāng)像增強(qiáng)器累計(jì)工作時(shí)間小于10000h時(shí)，亮度增益下降速率達(dá)39.7%，當(dāng)工作時(shí)間大于10000h后，亮度增益下降速率為7.8%。相比較而言，像增強(qiáng)器在初期工作階段時(shí)，亮度增益隨工作時(shí)間的變化速率較快，但隨著工作時(shí)間增加，亮度增益下降速率變慢，且最終趨于平穩(wěn)。總體來說，雖然像增強(qiáng)器亮度增益會(huì)隨著工作時(shí)間的變化降低，但工作到22698h時(shí)，其值仍然滿足使用要求。

2.2 信噪比隨工作時(shí)間的變化規(guī)律

信噪比是評(píng)定像增強(qiáng)器成像質(zhì)量的綜合指標(biāo)[12-13]，信噪比的高低直接與成像圖像內(nèi)的離子閃爍斑（雪花點(diǎn)）的數(shù)量直接相關(guān)，信噪比越高雪花點(diǎn)越少，反之則越多。因此，除對(duì)像增強(qiáng)器亮度增益與工作時(shí)間變化情況進(jìn)行研究外，也對(duì)信噪比隨工作時(shí)間變化情況進(jìn)行探討，試驗(yàn)用像增強(qiáng)器為同一批，每隔200h時(shí)通過信噪比測(cè)試儀測(cè)試試驗(yàn)像增強(qiáng)器的信噪比，4具試驗(yàn)像增強(qiáng)器信噪比與工作時(shí)間的變化情況如圖2所示。

由圖2(a)可知，4具試驗(yàn)像增強(qiáng)器在工作22698h后，其信噪比也隨著工作時(shí)間的增加出現(xiàn)下降，其中，#306從30.56下降至26，下降幅度為14.9%；#308從28.59下降至24.59，下降幅度為14%；#309從30.65下降至25.58，下降幅度為16.5%；#310從28.94下降至24.12，下降幅度為16.7%。為更好地分析像增強(qiáng)器信噪比隨工作時(shí)間的變化情況，通過4具試驗(yàn)像增強(qiáng)器信噪比平均值擬合出信噪比隨工作時(shí)間的變化曲線，如圖2(b)中的擬合曲線，函數(shù)關(guān)系為：

/＝29.63＋1.16×10－92－2.34×10－4(2)

圖1 亮度增益隨工作時(shí)間的變化曲線(a)和擬合曲線(b)

圖2 信噪比隨工作時(shí)間的變化曲線(a)和擬合曲線(b)

式中：/代表信噪比；代表工作時(shí)間，單位為h。由圖2可知，信噪比/與工作時(shí)間之間呈多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，當(dāng)工作時(shí)間小于10000h時(shí)，信噪比平均下降速率為7.7%；當(dāng)工作時(shí)間大于10000h時(shí)，信噪比平均下降速率為8%，不同工作時(shí)間階段的下降速率相當(dāng)。因此，像增強(qiáng)器信噪比隨著工作時(shí)間的增加，呈式(2)所示的多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系均勻下降，直至像增強(qiáng)器衰退或報(bào)廢為止。

2.3 分辨力隨工作時(shí)間的變化規(guī)律

分辨力是像增強(qiáng)器使用性能的重要指標(biāo)之一，直接反映了像增強(qiáng)器分辨物體細(xì)節(jié)的能力，即能不能看清的問題[14]。分辨力越高，則微光像增強(qiáng)器分辨細(xì)節(jié)的能力越強(qiáng)。因此，對(duì)長時(shí)間工作過程中像增強(qiáng)器分辨力變化情況進(jìn)行研究顯得尤為關(guān)鍵。本文在研究亮度增益、信噪比后，通過分辨力測(cè)試儀對(duì)像增強(qiáng)器在工作22698h后的分辨力變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

像增強(qiáng)器分辨力通過分辨力測(cè)試儀采用顯微鏡目視的方法進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試中使用的USAF1951分辨力靶板由多組等寬的黑白相間線條圖案組成，每組線條寬度由寬變窄。由于像增強(qiáng)器的分辨力存在極限性，同時(shí)分辨力靶圖像線條越窄越難分辨，把剛好能分辨出最細(xì)線條細(xì)節(jié)的圖案線對(duì)定義為分辨力（單位：lp/mm）。由表2可知，除了#310的分辨力一直處于初始值68lp/mm外，#306、#308、#309的分辨力均在初始值68lp/mm和72lp/mm之間波動(dòng)，這是因?yàn)榉直媪υ跍y(cè)試過程中主要借助人眼進(jìn)行觀察判定，存在較大的主觀因素，因此可以說明隨著工作時(shí)間的增加，像增強(qiáng)器分辨力幾乎保持不變。

3 像增強(qiáng)器性能變化的原因分析

由圖1～2以及表2分析可知，像增強(qiáng)器隨著工作時(shí)間的增加，分辨力幾乎保持不變，亮度增益和信噪比均以不同趨勢(shì)降低。為分析亮度增益和信噪比下降的原因，將經(jīng)過22698h長時(shí)間工作試驗(yàn)的4具像增強(qiáng)器解剖形成對(duì)應(yīng)的像增強(qiáng)管和高壓電源，分別對(duì)其試驗(yàn)后的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并將其與試驗(yàn)前的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，找出像增強(qiáng)器的性能變化原因。

表2 分辨力隨工作時(shí)間的變化

3.1 像增強(qiáng)管關(guān)鍵性能變化

按照GJB 2000A-2020超二代像增強(qiáng)器通用規(guī)范要求，檢測(cè)解剖后的像增強(qiáng)管靈敏度、分辨力、MCP增益（800V）、屏效及MCP帶電流5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，并與裝配前的參數(shù)進(jìn)行比較，如表3和表4所示。

表3 試驗(yàn)前后像增強(qiáng)管主要性能參數(shù)對(duì)比

表4 像增強(qiáng)管主要性能變化率

由表3可知，4具試驗(yàn)像增強(qiáng)管工作22698h后，其靈敏度、MCP增益及屏效均出現(xiàn)不同程度地下降，而分辨力和MCP帶電流基本不變。通過表3中像增強(qiáng)管的靈敏度、分辨力、MCP增益、屏效及MCP帶電流值計(jì)算得到像增強(qiáng)管的主要性能變化率，如表4所示。像增強(qiáng)器試驗(yàn)前與工作22698h試驗(yàn)后，分辨力和MCP帶電流變化率基本為零，而靈敏度下降6.96%，MCP增益下降39.81%，屏效下降11.33%，其中MCP增益下降幅度最大。靈敏度下降原因主要與像增強(qiáng)器長時(shí)間工作后，內(nèi)部腔體真空度逐漸降低及受光照時(shí)間過久而緩慢發(fā)生光電陰極衰退；MCP增益下降原因除與腔體真空度相關(guān)外，還與MCP本身材料及特性相關(guān)；屏效下降原因主要與熒光粉特性相關(guān)，熒光粉在實(shí)際使用過程中，存在亮度衰減效應(yīng)。結(jié)合亮度增益和信噪比的相關(guān)理論分析[15-16]，像增強(qiáng)管的MCP增益、靈敏度和屏效下降是導(dǎo)致像增強(qiáng)器亮度增益下降的主要原因，同時(shí)光電陰極靈敏度下降是導(dǎo)致信噪比下降的主要原因。

3.2 高壓電源關(guān)鍵性能變化

在相同條件下，測(cè)試比較了高壓電源試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的主要技術(shù)參數(shù)。對(duì)試驗(yàn)后高壓電源的陰極電壓c、陽極電壓a及工作電流關(guān)鍵性能進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)試驗(yàn)前后的變化率進(jìn)行了計(jì)算，如表5所示。

由表5可看出，像增強(qiáng)器工作22698h后，解剖后的高壓電源c、a及發(fā)生輕微變化，其中，c平均變化率為－1.04%；a平均變化率為－0.09%；平均變化率為－1.97%，出現(xiàn)變化的主要原因是高壓電源與像增強(qiáng)管匹配后需要調(diào)整亮度增益和最大輸出亮度至最佳值，由于每具像增強(qiáng)管的MCP、光電陰極、熒光屏等部件的電性能存在差異，高電源與像增強(qiáng)管匹配后工作電流會(huì)出現(xiàn)上升或下降，但是能保證輸出電壓值c在160～240V的范圍內(nèi)，a在5.6～6.1kV的范圍內(nèi)即可。因此，從試驗(yàn)像增強(qiáng)器解剖的高壓電源工作22698h后的輸出電壓值判斷，其關(guān)鍵性能仍可在正常工作范圍內(nèi)，不是導(dǎo)致像增強(qiáng)器亮度增益和信噪比下降的主要因素。

表5 試驗(yàn)前后高壓電源主要性能參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

像增強(qiáng)器經(jīng)過22698h的長時(shí)間工作后，性能參數(shù)仍然滿足使用要求。亮度增益與工作時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)變化，在初期工作階段時(shí)，亮度增益隨工作時(shí)間的變化速率較快，但隨著工作時(shí)間增加，亮度增益下降速率變慢，且最終趨于平穩(wěn)。信噪比與工作時(shí)間呈多項(xiàng)式函數(shù)變化，隨工作時(shí)間均勻下降。分辨力隨工作時(shí)間的變化幾乎保持不變。像增強(qiáng)器亮度增益、信噪比隨工作時(shí)間加長而以不同程度下降的主要原因是MCP增益、光電陰極靈敏度、屏效的穩(wěn)定性息息相關(guān)。其中，MCP增益穩(wěn)定性在長時(shí)間工作后變化較大，要保證像增強(qiáng)器的亮度增益穩(wěn)定性、信噪比及工作壽命等核心性能，需持續(xù)加強(qiáng)對(duì)長壽命MCP的研制，提升像增強(qiáng)器的使用壽命。

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Study on the Influence of Performance with the Working Time in the Super Gen-II Image Intensifier

ZENG Jinneng1,2，YANG Qionglian1，GONG Yanni1，LI Tingtao1，WANG Yijin1，LI Xiaolu1，ZHAO Heng1，MA Huaichao1，XU Chuanping1，WU Yanjuan1，WANG Yun1，LI Yaobing1，XU Shiyu1，LIU Beihong1，XU Xuejiao1，LI Rongxi1

(1. North Night Vision Technology Co. Ltd, Kunming 650217, China;2. Science and Technology on Low-light-level Night Vision Laboratory, Xi’an 710065, China)

The variation law of the performance with working time in the super Gen-II image intensifier was studied, and the characteristics of the performance variation were grasped. Through performance testing and curve fitting, it was found that the brightness gain and signal-to-noise ratio gradually decrease with working time, and the resolution remains almost unchanged with the change of working time. In addition, the brightness gain changes exponentially with working time. That is, when the working time is within 10,000 h of the super Gen-II image intensifier, the brightness gain changes rapidly with the working time; however, as the working time increases, the brightness gain decreases and finally stabilizes. The signal-to-noise ratio changes as a polynomial function with working time and finally stabilizes. The signal-to-noise ratio changes as a polynomial function with working time and gradually decreases with working time. Through anatomical analysis of the image intensifier after working for a long time, its brightness gain and signal-to-noise ratio changes were found to be mainly related to the sensitivity of the photocathode, luminous efficiency of the phosphor screen, and gain stability of the MCP. Compared with the sensitivity and luminous efficiency of the fluorescent screen, the MCP gain stability changed significantly.

the super Gen-II image intensifier, working life, brightness gain, signal-to-noise ratio, resolution, MCP gain

O462.3

A

1001-8891(2023)08-0869-07

2022-06-04；

2022-07-28.

曾進(jìn)能（1988-），男，云南羅平人，工程師，主要研究方向：真空光電器件。E-mail：zengjnnvt@163.com。