欧洲超二代像增强器技术的选择及进一步发展

李晓峰，何雁彬，徐传平，李金沙，张勤东

〈综述与评论〉

欧洲超二代像增强器技术的选择及进一步发展

李晓峰1,2，何雁彬1，徐传平1，李金沙1，张勤东1

（1. 北方夜视技术股份有限公司，云南 昆明 650217；2. 微光夜视技术重点实验室，陕西 西安 710065）

二代像增强器采用Na2KSb光电阴极，三代像增强器却采用GaAs光电阴极。由于GaAs光电阴极具有更高的阴极灵敏度，因此三代像增强器的性能远高于二代像增强器。在二代像增强器基础上发展的超二代像增强器，阴极灵敏度有了很大提高，因此性能也有很大提高，同时大大缩短了与三代像增强器的性能差距。超二代像增强器属于Na2KSb材料体系，生产成本低，与三代像增强器相比性价比较高，所以欧洲的像增强器产商选择了超二代像增强器技术的发展路线。超二代与三代像增强器技术并行发展了30多年，两者性能均有大幅提高。超二代与三代像增强器的性能差距主要体现在极低照度（＜10－4lx）条件下，而在其它照度条件下，性能基本相当。超二代像增强器的性能仍有提高的空间。增益方面，在微通道板的通道内壁上制作高二次电子发射系数的材料膜层可以提高增益；信噪比方面，采用光栅窗可提高阴极灵敏度，从而提高信噪比；分辨力方面，在微通道板输出端制作半导体膜层、采用高清荧光屏均可提高分辨力。阴极灵敏度是光电阴极的指标，不是像增强器的整体性能指标。阴极灵敏度对像增强器整体性能的影响体现在增益、信噪比以及等效背景照度指标中。无论是超二代还是三代像增强器，都区分不同的型号。不同型号的超二代或三代像增强器性能均不相同。超二代和三代像增强器的性能指标是在A光源条件下测量的，而A光源光谱分布与实际应用环境中的光谱分布并不等同，同时Na2KSb和GaAs光电阴极的光谱分布不相同，所以超二代和三代像增强器的信噪比、分辨力等性能指标不具备可比性。

微光夜视技术；像增强器；光电阴极；微通道板；分辨力；信噪比

0 引言

目前在像增强器领域，存在着两种像增强器，即超二代像增强器和三代像增强器[1-5]。这两种像增强器结构相同，但光电阴极不同，制造技术也不同。超二代和三代像增强器使用同一套指标来表征其性能。这些指标包括增益（Gain）、极限分辨力（resolution，RES）、等效背景照度（equivalent background illumination，EBI）、信噪比（signal to noise ratio，SNR）以及调制传递函数（modulation transfer function，MTF）等。国际上，三代像增强器于1985年开始量产，超二代像增强器却于1989年开始量产，稍晚于三代像增强器。因此从像增强器量产的时间轴上看，超二代像增强器技术是在三代像增强器技术之后出现的。从技术发展进步的逻辑看，二代像增强器技术之后是三代像增强器技术，而三代像增强器技术之后应该是四代像增强器技术。但以法国Photonis公司为代表的欧洲像增强器生产商，在三代像增强器技术之后，不是进一步发展三代像增强器技术或四代像增强器技术，而是转而发展“代”数较低的超二代像增强器技术。欧洲公司的超二代像增强器技术发展方向的选择，如果仅从时间逻辑和技术发展逻辑上看并不合理。毕竟通常情况下，“代”数高的产品必然会取代“代”数低的产品，因此可以推断三代像增强器应该会取代超二代像增强器。但直到现在，三代像增强器并未取代超二代像增强器，而且在过去的32年，各自的性能都有了很大的提高，都显示出了强大的生命力。那么欧洲像增强器产商为何要放弃三代像增强器技术转而发展超二代像增强器技术，超二代像增强器性能特点怎么样，与三代像增强器的差距，性能是否能进一步提高，针对这些问题，有必要进行研究和分析。

1 二代和三代像增强器的比较

在早期，近贴聚焦式二代像增强器（以下若无特别说明，近贴聚焦式二代像增强器简称二代像增强器）主要应用于AN/PVS-5夜视头盔，而三代像增强器主要应用于ANVIS航空兵夜视头盔。二代和三代像增强器在结构上基本相同，都包括输入窗、光电阴极、微通道板（micro-channel plate，MCP），荧光屏以及输出窗，它们沿着像增强器的光轴从左向右依次排列，如图1(a)和图1(b)。其中图1(a)和图1(b)分别为二代和三代像增强器。从图1(a)、图1(b)中可以看出，二代或三代像增强器的输入窗和输出窗分别位于像增强器的最左端和最右端，并且内表面处于真空环境中。光电阴极和荧光屏分别沉积在输入窗和输出窗的内表面。光电阴极起光电转换的作用；荧光屏起电光转换的作用。MCP位于光电阴极与荧光屏之间，起电子放大的作用[6-8]。光电阴极、MCP以及荧光屏位于真空中。输入窗、输出窗以及MCP的尺寸根据像增强器有效阴极直径的不同而不同。对于有效阴极直径为18mm的二代或三代像增强器，输入窗的直径为31 mm，厚度为5.5 mm；MCP直径为25 mm，厚度为0.3 mm；输出窗的直径为21.85 mm，厚度为11mm（光纤面板）。另外光电阴极与MCP输入端的距离约为0.2 mm，MCP输出端与荧光屏之间的距离约为0.6 mm。

在像增强器中，电子从光电阴极开始，经过MCP，最终到达荧光屏[9-10]。因此MCP输入端的电位高于光电阴极，MCP的输出端的电位高于输入端，荧光屏的电位高于MCP输出端。通常情况下，MCP输入端与阴极之间的电压（阴极电压）c为200～1000 V；MCP输出端与输入端之间的电压MCP为600～1200 V（MCP电压）；荧光屏与MCP输出端之间的电压a为4500～7000V（屏压），如图2。

图1 二代和三代像增强器

图2 像增强器所施加的电压

当输入光入射在光电阴极上时，光电阴极发射光电子。光电子在阴极电场作用下向MCP输入端运动。MCP是一种面阵的通道（微孔）阵列，每一通道（微孔）相当于一个像素，直径约为5～12mm，长度约为0.2～0.4 mm，如图3(a)。进入MCP通道内的电子在通道内部电场的作用下，向其输出端方向运动，在此过程中，电子不断与通道内壁进行碰撞。由于MCP通道内壁的二次电子发射系数大于1，因此电子在MCP通道中得到了二次电子倍增，使输出电子数量超过输入电子数量，从而实现了电子的倍增，如图3(b)。MCP所输出的电子在电场作用下，获得较高的动能并轰击荧光屏发光，使输出光通量大于输入光通量，从而实现对输入光的放大。

图3 MCP结构示意图

二代像增强器与三代像增强器相比较，主要区别有7点。第1是输入窗，第2是减反膜，第3是光电阴极，第4是阴极电压，第5是离子阻挡膜，第6是真空封接方式，第7是内部真空度。

在输入窗方面，二代像增强器的输入窗为光纤面板，如图1(a)，而三代像增强器输入窗为玻璃，如图1(b)。玻璃窗的透过率较光纤面板高。玻璃窗的透过率一般在95%以上，而光纤面板窗的透过率一般约在65%以下，因此采用玻璃输入窗的三代像增强器具有更高的输入光利用率。

在减反膜（anti-reflection film，AR film）方面，三代像增强器在输入窗（玻璃窗）与光电阴极之间具有一层Si3N4减反膜层，减小了光电阴极对入射光的反射，提高了输入光的利用率。而二代像增强器在输入窗（光纤面板）与光电阴极之间没有减反膜，因此光电阴极反射率较高，降低了输入光的利用率。图4是二代像增强器光电阴极与三代像增强器光电阴极的光谱反射率。

从图4中可以看出，在380～1000 nm的波长范围内，具有减反膜的三代像增强器光电阴极反射率远低于二代像增强器光电阴极，特别是在380～860nm之间。而这一波段之间，正是光电阴极的主要响应范围。在光电阴极方面，二代像增强器采用Na2KSb-Cs3Sb光电阴极，简称Na2KSb光电阴极[11-15]，而三代像增强器却采用GaAs-Cs2O光电阴极[16-19]，简称GaAs光电阴极。

图4 Gen Ⅱ and Gen Ⅲ像增强器光电阴极反射率

Na2KSb是一种碱盐，由Ⅰ族中的3种碱金属元素Na、K、Cs与Ⅴ族中的Sb元素所形成。Na2KSb是一种多晶半导体。与Na2KSb不同，GaAs却是一种单晶半导体。Na2KSb的禁带宽度为1eV，表面电子亲和势约为0.3eV，如图5(a)；GaAs的禁带宽度为1.4eV，表面电子亲和势小于0，如图5(b)。图中c为导带底；v为价带顶；F为费米能级；0为真空能级；f为电子亲和势。

图5 光电阴极能带简图

Fig 5 Energy band at the surface of Na2KSb and GaAs

Na2KSb光电阴极表面为正电子亲和势，电子逸出光电阴极时存在势垒，不易逸出；GaAs光电阴极表面为负电子亲和势，电子逸出GaAs光电阴极时不存在势垒，容易逸出，因此Na2KSb光电阴极的灵敏度远低于GaAs光电阴极。图6表示20世纪80年代Na2KSb光电阴极和GaAs光电阴极典型的光谱灵敏度曲线，其中Na2KSb光电阴极的阴极灵敏度为432mA×lm－1，而GaAs光电阴极的阴极灵敏度却为1020mA×lm－1。

图6 GaAs和Na2KSb光电阴极光谱响应

Fig 6 Photocathode response of GaAs and Na2KSb

在离子阻挡膜方面，二代像增强器没有离子阻挡膜，而三代像增强器却有[20-21]。在像增强器中，电子从光电阴极进入MCP通道，在运动碰撞过程中，在MCP通道内会产生正离子，而正离子的运动方向正好与电子的运动方向相反，正离子最终会到达光电阴极并与光电阴极相碰撞。由于GaAs光电阴极较“脆弱”，一旦受到正离子轰击，就会破坏GaAs光电阴极，从而降低GaAs光电阴极的寿命。为了保护GaAs光电阴极免遭正离子的破坏，在三代像增强器中，采用一层膜（Al2O3膜层）来阻挡正离子对光电阴极的轰击。这一层膜称为离子阻挡膜，位于MCP的输入端面上，厚度约为4 nm[22]。离子阻挡膜可以对正离子进行阻挡，但却允许电子通过。相对于GaAs光电阴极，Na2KSb光电阴极相对于GaAs光电阴极而言较“皮实”，一般情况下，不需要离子阻挡膜。

在阴极电压方面，二代像增强器的阴极电压一般为200 V，但三代像增强器的阴极电压一般需要在400 V以上。这是因为电子需要具有足够高的能量才能穿透离子阻挡膜，并且离子阻挡膜越厚，所需的阴极电压越高。

在真空封接方面，二代像增强器采用热铟封工艺。封接材料为铟锡合金。封接时，在铟锡合金的熔点温度之上将输入窗放置于管壳阴极法兰盘之上，之后将温度降低，待阴极法兰盘中的铟锡合金固化后，就可以实现阴极输入窗与管壳阴极法兰盘之间的真空封接。而三代像增强器则采用冷铟封工艺。封接材料为纯铟。封接时，在常温下将输入窗和输出窗分别放置于管壳的阴极法兰盘上方和阳极法兰盘下方，采用机械加压的方法，利用铟将输入窗和输出窗分别封接在管壳的阴极法兰盘和阳极法兰盘上，从而实现输入窗、输出窗与管壳的真空封接。热铟封相对简单，封接尺寸的精度容易控制。冷铟封相对复杂，封接尺寸的精度不易控制。

在真空度方面，超二代像增强器内部真空度仅仅要求优于10－5Pa即可，而三代像增强器内部真空度则需要优于10－8Pa，最好达到10－9Pa[23-24]。由于三代像增强器内部真空度要求高，使得三代像增强器的生产成本较高。二代与三代像增强器的主要区别见表1。

表1 二代和三代像增强器的主要区别

表2为二代（型号XX1450）与三代像增强器（型号ANVIS）的主要性能对照表。从表2可以看出，三代像增强器无论从阴极灵敏度，信噪比，分辨力，增益等方面全面超过二代像增强器。例如三代像增强器的信噪比指标为16.2，而二代像增强器信噪比指标仅为12.7。又如三代像增强器的分辨力指标为36 lp×mm－1，而二代像增强器的分辨力指标仅为25 lp×mm－1。

表2 二代与三代像增强器的主要性能比较

另外从实际观察效果看，三代像增强器的视距也远超二代像增强器，见表3。表3中将二代像增强器的观察视距归划为1。在观察试验中，目标为NATO涂层靶板，背景为绿色植物。从表3可以看出，在10－2lx照度下，三代像增强器观察距离是二代像增强器观察距离的1.15倍，在10－3lx照度下，三代像增强器的观察距离又是二代像增强器观察距离的1.42倍，但在7×10－4lx照度下，三代像增强器的观察距离是二代像增强器观察距离的1.51倍。照度越低，观察距离的差距越大。

表3 二代与三代像增强器观察视距比较

尽管三代像增强器的制作工艺更复杂，成本更高，但由于其性能远高于二代像增强器，于是在20世纪80年，三代像增强器技术成为了像增强器技术的发展方向。同时在欧洲，从1985年开始，英国的Mullard实验，法国LEP实验室，法国Thomson-CSF实验室，德国AEG公司，荷兰DEP公司等纷纷加入了三代像增强器技术的研发行列并相继推出了自己的三代像增强器，其相关性能参数见表4。表4中XX1520型的三代像增强器为德国AEG公司生产；XX1530型的三代像增强器为荷兰DEP公司生产；ANVIS型的三代像增强器为美国ITT公司生产。法国LEP实验室的三代像增强器未进入市场，因此无相应的型号。从表4可以出，在20世纪80年代中期，欧洲公司三代像增强器技术指标与美国ITT公司三代像增强器的技术指标基本一致。例如对信噪比而言，指标均在15～16.2之间；对分辨力而言，指标为36 lp×mm－1。

2 超二代像增强器技术的选择

在20世纪80年代，尽管三代像增强器技术成为了像增强器技术的发展方向，但技术的迭代并不是瞬间的事。在欧洲，如在DEP公司，在生产三代像增强器的同时，二代像增强器也一直在生产，并且生产的比例份额还较高。在此过程中，二代像增强器的性能也一直在提高。经过不断的努力，法国的Photonis公司、荷兰的DEP公司于20世纪80年代末，在二代像增强器技术的基础上，研制出了超二代像增强器[25-26]。

表4 不同生产商三代像增强器的主要性能比较

Note:*without a model for sale

超二代与二代像增强器相比较，在结构上仅仅是将光纤面板输入窗替换为玻璃输入窗，其他不变，即光电阴极、MCP以及荧光屏与二代像增强器相同。超二代像增强器的结构如图7。

图7 超二代像增强器

超二代像增强器仍使用Na2KSb光电阴极，仍无光电阴极减反膜、离子阻挡膜，封接工艺仍为热铟封，真空度仍要求优于10－5Pa。超二代像增强器采用玻璃窗之后，在外部结构上与三代像增强器完全相同，不同之处在于内部的光电阴极以及MCP，见图1(b)和图7。超二代像增强器与二代、三代像增强器的区别见表5。

尽管超二代与二代像增强器相比较，在结构上仅仅是输入窗有所变化，但超二代像增强器却采用了一些与二代像增强器制作工艺完全不同的新工艺。如采用新的光电阴极的制作工艺，使得Na2KSb光电阴极的阴极灵敏度有了较大幅度提升。又如采用新的MCP表面处理工艺，使MCP的分辨力得到了较大幅度提升。由于新工艺的采用，使得超二代像增强器的性能远超二代像增强器，并且接近了三代像增强器。

表5 二代、超二代以及三代像增强器的主要区别

表6是20世纪80年代末，超二代以及三代像增强器的性能指标比较。从表6中可以看出，DEP公司的XX1700、Photonis公司的XX1610型超二代像增强器与美国ITT公司的ANVIS型三代像增强器相比较，除阴极灵敏度指标外，尽管其他指标各有高低，但差距不大。如对于信噪比指标而言，XX1700超二代像增强器的指标为18.9，高于三代像增强器的16.2的指标。XX1610超二代像增强器的指标为15.5，低于三代像增强器的16.2的指标。另外超二代像增强器的抗冲击指标优于三代像增强器。超二代像增强器可以抗500g的冲击，而三代像增强器仅仅能承受75g的冲击。超二代像增强器与三代像增强器相比，不仅性能指标差距不大，而且从实际的观察效果看，差距也不大。表7为20世纪80年代末，二代、超二代（XX1610）以及三代像增强器实际观察距离的比较。

表6 不同像增强器的主要性能比较

从表7可以看出，在1×10－2lx照度下，超二代像增强器的观察距离是二代像增强器观察距离的1.12倍，而三代像增强器观察距离又是二代像增强器观察距离的1.15倍，两者相比较，仅仅相差2.7 %。在7×10－4lx照度下，超二代像增强器的观察距离是二代像增强器观察距离的1.41倍，而三代像增强器的观察距离是二代像增强器观察距离的1.51倍，两者相比较，仅仅相差7%。所以超二代与三代像增强器相比较，性能差距不大。由于超二代与三代像增强器相比较性能相差不大，因此对欧洲的像增强器产商而言，在超二代像增强器技术出现以后，面临着一种选择，即是进一步发展三代像增强器技术，还是转而发展超二像增强器技术。

表7 二代、超二代以及三代像增强器观察视距比较

一代、二代和超二代像增强器均采用Na2KSb光电阴极，生产线属于Na2KSb材料体系。发展超二代像增强器，生产线可以同时生产一代、二代以及超二代像增强器，因此生产成本较低。三代像增强器采用GaAs光电阴极，生产线属于GaAs材料体系。发展三代像增强器，生产线在生产三代像增强器的同时如果还要生产一代和二代像增强器，那么生产线将存在Na2KSb和GaAs两种材料体系，这意味着生产成本很高。所以发展三代像增强器，必须放弃Na2KSb材料体系，仅仅保持GaAs一种材料体系，这样才能降低生产成本。但放弃Na2KSb材料体系，放弃一代和二代像增强器的生产不太现实，因为在三代像增强器发展的初期，一代和二代像增强器仍然具有相当的市场，而且技术的迭代并不是瞬间的事，在三代像增强器没有形成大规模生产的情况下，生产线还需要一代、二代像增强器来维持。所以发展三代像增强器，放弃Na2KSb材料体系，建立GaAs材料体系，从资产的角度讲，意味着资产的损失，也意味着新的投资。这是因为超二代像增强器属于Na2KSb材料体系，发展超二代像增强器可以沿用原来的设备，不需要新的资产（设备）投资。更重要的是发展超二代像增强器，仅涉及新的制作工艺，而不涉及新生产设备的投资。但发展三代像增强器，不仅涉及新的制作工艺，而且还涉及新设备的增加或投资。例如二代像增强器的光电阴极制作封装设备（俗称排气台），真空度只需优于10－5Pa，完全可以用于超二代像增强器的制作封装，因此不需要新的投资；而如果发展三代像增强器，需要新的GaAs光电阴极制作封装设备（俗称总装台），因此需要新的投资。总装台的真空度需要达到10－8Pa，因此价格非常昂贵，通常是超二代像增强器光电阴极制作封装设备价格的几倍以上。

另外超二代像增强器Na2KSb光电阴极的生长及封装均在排气台中完成，所以光电阴极的制作是一次成型，工艺链短，效率高，良品率高；而GaAs光电阴极的生长及封装不能全部在总装台中完成，有一部分工艺是在总装台外完成的，因此光电阴极的制作是二次成型，工艺链长，效率低，良品率低。所以超二代像增强器从设备、工艺两个方面成本均低于三代像增强器。超二代与三代像增强器的成本比较见表8。

再有从产品谱系的角度看，Na2KSb材料体系的产品谱系更宽。这是因为GaAs是晶体，只能做在平面上，不能做在曲面上，也不能做在光纤面板上，因此GaAs材料体系生产线仅仅能生产近贴聚焦系列的像增强器，不能生产静电聚焦系列的像增强器（倒像式像增强器）。另外GaAs光电阴极的尺寸也难做大，做18mm输入直径的还较容易，但做25mm、40 mm甚至更大尺寸输入直径的像增强器就较困难，所以GaAs材料体系生产线主要是生产18 mm输入直径的三代像增强器，产品谱系单一。而Na2KSb为多晶体，对生长的衬底无特殊要求，可以生长在玻璃、光纤面板等材料上，而且生长的尺寸和形状均无选择性。因此Na2KSb材料生产线不仅可以生产近贴聚焦系列的像增强器，而且可以生产静电聚焦系列的像增强器；不仅可以生产一代像增强器，而且还可以生产二代、超二代像增强器；不仅可以生产单级像增强器，而且可以生产双级混联像增强器；不仅可以生产倍率为1的像增强器，而且可以生产放大或缩小倍率的像增强器；不仅可以生产输入窗18mm的，而且还可以较容易生产输入窗为25 mm、40 mm甚至更大尺寸的像增强器。

表8 超二代与三代像增强生产成本分析

像增强器是一种真空电子器件，价格较高，因此不仅要追求高性能，而且也要追求低成本。超二代与三代像增强器相比较，性能差距不大。但发展超二代像增强器，不需要昂贵的设备投资，可以沿用原有的生产线，可以同时生产一代、二代和超二代像增强器，产品谱系宽，因此生产成本低。欧洲的像增强器生产商，如Photonis以及DEP公司，均为股份有限公司，经济因素往往是这些公司做出选择的重要因素，所以欧洲公司选择了发展超二代像增强器技术的路线。

另外从商业竞争的角度看，如果欧洲公司也发展三代像增强器，那么将面临着与美国公司三代像增强器的直接竞争。而欧洲的公司发展超二代像增强器，与三代像增强器形成差异化，这样就可以避免与美国公司的直接竞争，这也是欧洲像增强器产商选择发展超二代像增强器技术的另一个原因。

需要说明的是，表6和表7仅仅是早期超二代以及三代像增强器的技术水平或差距，并不代表目前超二代以及三代像增强器的技术水平或差距。目前无论是超二代像增强器还是三代像增强器，各自的性能较早期均有了进一步的提高。如Photonis公司最新型的超二代像增强器（型号XW3040），阴极灵敏度在1200～1600mA×lm－1之间，分辨力在72～76mA×lm－1之间，信噪比在31～36之间。而俄罗斯、美国最新型的三代像增强器，阴极灵敏度在1800～2800mA×lm－1之间，分辨力在64～72mA×lm－1之间，信噪比在34～40之间。另外超二代与三代像增强器实际观察距离的差距仍然体现在极低照度条件下（＜10－4lx）。

3 超二代像增强器性能的进一步提高

3.1 增益

在提高超二代像增强器增益方面，主要是通过提高MCP的增益来实现。传统的MCP采用铅玻璃制作。传统氢还原MCP在提高增益方面达到了一定的极限，再进一步大幅度提高存在较大困难。这是因为铅玻璃的二次电子发射系数在3～5之间，不可能无限提高。MCP增益与MCP通道内壁二次电子发射系数之间的关系见式(1)：

式中：M表示MCP的增益；1、2、…、分别表示电子与MCP通道内壁第1次、第2次、…、第次碰撞时的二次电子发射系数。

从式(1)可以看出，MCP通道内壁的二次电子发射系数越高，MCP的增益越高。所以在MCP通道内壁制作一高二次电子发射系数的膜层，可以提高MCP的增益。制作高二次电子发射系数膜层的具体方法是采用原子层沉积技术（atom layer deposition，ALD）。例如在MCP通道内壁表面沉积一层厚度约为5nm的Al2O3膜层，如图8。由于Al2O3膜层的二次电子发射系数高于铅玻璃的二次电子发射系数，因此MCP的增益可以进一步提高[27-28]。另外在MCP通道内壁沉积高二次电子发射系数膜层时，也可以在无铅玻璃（SiO2）或未经氢还原铅玻璃的微孔阵列基板来制作。其制作原理是在通道内壁表面先利用ALD技术沉积导电层，如Al2O3和ZnO2，然后再在该导电层上制作高二次电子发射系数的电子发射层，如Al2O3膜层等。由于MCP的制作过程中不经过铅还原，因此大大简化了MCP的制作工艺，提高了MCP的增益，减小了MCP的噪声因子。

图8 MCP通道内ALD镀膜示意图

除此之外，根据Photonis公司的专利[29-30]，另外一种方法也可以用来进一步提高MCP的二次电子发射系数。该种方法是将铅玻璃MCP的输入端浸渍于纳米金刚石胶体溶液中，并在超声槽中超声一定的时间，将纳米金刚石沉积在MCP的通道内壁上。纳米金刚石的颗粒约为5mm，膜层的厚度可为1～3层，即膜层厚度为5～15mm。由于纳米金刚石膜层的二次电子发射系数在5～60之间，因此镀制纳米金刚石膜层的MCP可以获得更高的增益。需要说明的是纳米金刚石的颗粒仅仅需要沉积在MCP的输入端，深度为通道直径的5～10倍即可，如图9。

图9 MCP通道内纳米金刚石膜层示意图

以上的两种方法在提高MCP的增益以后，为了不降低MCP的分辨力，可以在MCP的输出端镀制一层低（零）二次电子发射系数的材料，由此来弥补由于MCP通道内壁高二次电子发射系数提高而带来的分辨力降低。

3.2 信噪比

影响像增强器信噪比的因数包括光电阴极、MCP以及荧光屏[31-34]，其中光电阴极的影响最大，MCP的影响次之，荧光屏的影响最小，基本上可以忽略。光电阴极的信噪比越高，像增强器的信噪比也越高。光电阴极的信噪比由式(2)定义[35]：

式中：SNRc为光电阴极信噪比；PR为阴极灵敏度，mA×lm－1；为电子电量，C；D为所测量的带宽，Hz。

从式(2)可以看出，光电阴极的信噪比与阴极灵敏度的平方根成正比，要提高光电阴极的信噪比，就需要提高光电阴极的灵敏度。目前对于超二代像增强器而言，采用光栅窗[36]替代传统的玻璃窗，可以将光电阴极的灵敏度在原有基础上进一步提高35%以上，使阴极灵敏度达到1000mA×lm－1以上，并且接近1600mA×lm－1。图10为Na2KSb光电阴极玻璃窗与光栅窗的光谱灵敏度。从图10中可以看出，采用光栅窗的超二代像增强器（型号XX3040），其光谱灵敏度较普通玻璃窗的光谱灵敏度提高了，特别是在近红外波段，提高的比例更大，因此在夜视条件下使用时，光谱匹配系数更高，实际使用时的性能提高更大。

图10 玻璃窗与光栅窗的阴极光谱响应

光栅窗提高阴极灵敏度的工作原理如图11(a)。当入射光1通过玻璃窗2到达光栅3时，入射光将发生衍射并进入光电阴极膜层4，衍射光6在光电阴极膜层中的传输过程中，不断被吸收，当到达光电阴极的界面5时，由于满足全反射的条件，在光电阴极膜层的界面5发生全反射，使衍射光6再次反射回光电阴极膜层4中。反射光7在光电阴极中的传输过程中，不断被光电阴极所吸收。因此入射光在光电阴极膜层4中来回吸收了两次，所以提高了光电阴极对入射光的利用率，从而提高了阴极灵敏度。而对于普通的玻璃窗，如图11(b)，入射光1通过玻璃窗2到达并进入光电阴极4，在传输过程中不断被光电阴极所吸收，当到达光电阴极界面5时，未被光电阴极所吸收的入射光1最后进入真空。因此入射光1在光电阴极膜层4中仅仅吸收了一次，所以对入射光的利用率较低，因此阴极灵敏度也较低。

3.3 分辨力

影响超二代像增强器分辨力的因数很多[37-39]，其中包括MCP以及荧光屏。通过减小MCP的孔径或节距可以提高像增强器的分辨力。目前MCP的孔径已经减小到了5mm，进一步减小会面临机械强度的限制，因此需要挖掘MCP的潜力。在MCP的电子倍增过程中，当电子从MCP的输出端输出时，由于电子的发散角较大，造成电子束在荧光屏上的直径大于MCP的孔径，这使得MCP的实际分辨力小于MCP的理论分辨力，如图12(a)。为了减小MCP通道输出电子束的直径，采用了末端损失技术来减小MCP通道输出电子束的直径[40]。然而末端损失技术会降低MCP的增益，间接的会增加MCP的噪声。另外其提升分辨力的效果也有限。

根据Photonis公司的专利[41]，另外一种减小MCP通道输出电子束直径的方法是降低MCP输出电子的初速度。所采用的方法是在MCP的输出端镀制一层禁带宽度大于1eV的半导体膜层，膜层的厚度约为30～300nm，如图12(b)。当MCP的输出电子以不同的入射角进入该膜层以后，电子从输入端向输出端扩散，最后从输出端逸出。此时从半导体膜层输出的电子初速度得到了降低，相应的电子的径向（垂直于像增强器的光轴）初速度也减小，因此可以减小MCP通道输出电子束的直径，提高像增强器的分辨力以及MTF。

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

图12 输出电子轨迹示意图

提高像增强器分辨力不仅需要从MCP方面采取措施，同时也需要从荧光屏方面采取措施。目前超二代像增强器的荧光屏采用荧光粉制作。荧光粉表面积较大，所吸附的气体量也较大。另外荧光粉的粒度与发光效率之间存在矛盾，难以做薄，因此分辨力受限。为了减薄荧光屏的厚度，可以采用镀膜的方法制作荧光屏。由于荧光屏采用镀膜的方法制作，因此薄膜厚度可以做得更薄，所以可以提高荧光屏的分辨力。再有，根据Photonis公司的专利[41]，也可以采用光刻技术在光纤面板的表面制作金属井（Hollowing out）。在金属井中先镀制一层角度滤波器，然后在角度滤波器上镀制一层荧光固体薄膜，最后再在荧光固体薄膜上镀制一层铝层，如图13。

图13为单根纤维丝的示意图。这种结构可以将荧光薄膜限制在每一根光纤芯的面积内，这样荧光薄膜的发光就被限制在金属井中，经过多次反射之后，最后全部进入光纤芯中，因此光纤丝之间不会产生串光，所以可以提高荧光屏的分辨力和MTF。

图13 高分辨力荧光屏示意图

4 讨论

4.1 阴极灵敏度

光电阴极的阴极灵敏度实际上是光电阴极的响应度，定义为单位入射流明所产生的光电流，由式(3)来定义：

PR＝/ (3)

光电阴极、MCP以及荧光屏是像增强器的3个重要部件。因此，正如MCP增益是MCP的指标，发光效率是荧光屏的指标一样，阴极灵敏度也仅仅是光电阴极的指标，而不是像增强器的整体性能指标。光电阴极灵敏度对像增强器整体性能指标的影响具体体现在增益、信噪比、EBI性能指标中。这是因为像增强器的增益由式(4)计算：

式中：为像增强器增益，cd×m－2×lx－1；M为MCP增益；为荧光屏发光效率，lm×W－1；s为荧光屏电压，V。

从式(4)中可以看出，阴极灵敏度越高，像增强器的增益越高，因此阴极灵敏度在增益指标中有体现。另外像增强器的信噪比由式(5)表示：

式中：PR为阴极灵敏度，mA×lm－1；f为MCP的噪声功率因子。

从式(5)中可以看出，像增强器的信噪比与阴极灵敏度的平方根成正比，因此阴极灵敏度在信噪比指标中也有体现。

像增强器的EBI是由光电阴极的暗电流所产生的，由式(6)表示：

式中：EBI为等效背景照度，lx；d为光电阴极的暗电流，A；为光电阴极的面积，m2。

从式(6)可以看出，像增强器的EBI与光电阴极的灵敏度成反比，所以阴极灵敏度在EBI指标中也有所体现。

从阴极灵敏度对像增强器增益、信噪比和EBI的影响中可以看出，阴极灵敏度越高，像增强器的增益、信噪比以及EBI越好。尽管阴极灵敏度对像增强器的整体性能，如增益、信噪比以及EBI有影响，但绝对不能将阴极灵敏度理解为像增强器的灵敏度，阴极灵敏度和像增强器灵敏度是完全不同的两个概念。阴极灵敏度是光电阴极的响应度，而像增强器的“灵敏度”目前尚无统一的定义，但在概念上与光电成像器件的“噪声等效功率”相类似。表9为两支超二代像增强器的主要性能指标。两支像增强器的分辨力均为64lp×mm－1，增益均为16000 cd×m－2×lx－1。两支像增强器相比较，尽管1123#像增强器的阴极灵敏度为872mA×lm－1，1171#像增强器的阴极灵敏度仅仅为765mA×lm－1，1123#像增强器的阴极灵敏度更高，但因1171#像增强器的信噪比更高，EBI更低，因此1171#像增强器的性能更好。

根据式(5)可知，像增强器的信噪比正比于阴极灵敏度的平方根，反比于噪声因子的平方根。三代像增强器相比于超二代像增强器，虽然阴极灵敏度高，但因其MCP的噪声因子大，使得信噪比并未远超出超二代像增强器。三代像增强器噪声因子高的原因是在于采用了具有离子阻挡膜的MCP。

4.2 技术标准

美国三代像增强器的技术标准体现在美国政府不同阶段的Omnibus采购计划中[42]。在该计划中，不同阶段的采购计划均以罗马数字进行编号，如Omnibus Ⅲ，Omnibus Ⅳ等。按照这一编号原则，数字越大，时间越近。如Omnibus Ⅳ的标准晚于Omnibus Ⅲ的标准。目前美国的Omnibus采购计划还在进行，并且已经到了Omnibus Ⅷ，所以三代像增强器实际上具有多种技术标准，见表10。通常将不同技术标准的三代像增强器简称为不同“型”的三代像增强器，如将Omnibus Ⅷ技术标准的三代像增强器简称为“Ⅷ型”三代像增强器。

从表10可以看出，“Ⅳ型”三代像增强器的技术标准高于“Ⅲ型”三代像增强器，而“Ⅵ型”三代像增强器的技术标准又高于“Ⅴ型”三代像增强器，所以当涉及到三代像增强器的性能时，需要明确三代像增强器是属于哪一“型”，因为不同“型”三代像增强器的技术标准不一样。

表9 像增强器性能参数比较

表10 Omnibus计划的三代像增强器

超二代像增强器技术标准由法国Photonis公司制定并引领。超二代像增强器技术标准的命名是以英文缩写加阿拉伯数字后缀的方式，如SHD-3等。SHD是Super High Definition的缩写，“3”为型号。型号越高，出现的时间越晚，技术水平也越高，因此“4型”超二代像增强器的性能优于“3型”超二代像增强器的性能。表11为不同型号超二代像增强器的主要性能指标，表中也可以看出，超二代像增强器的型号越高，性能越高。如“6型”（XP-6）超二代像增强器的技术标准高于“5型”（XR-5）超二代像增强器的技术标准。所以当谈到超二代像增强器时，也需要具体明确超二代像增强器是属于哪一“型”。

表11 超二代像增强器性能指标

4.3 像增强器性能的可比性

对于超二代和三代像增强器，根据传统思维方式，通常会误认为三代像增强器一定比超二代像增强器性能高，然而这不一定准确。三代像增强器与超二代像增强器相比较，需要比较具体的性能参数，需要明确是那一“型”的超二代和三代像增强器。需要注意的是，当比较像增强器的性能时，特别是比较超二代和三代像增强器的性能时，不能将阴极灵敏度作为其性能指标来比较。另外还需要注意，当比较超二代与三代像增强器的性能时，所比较的指标是标准A光源条件下的指标，而不是实际使用时的指标。例如当比较“5型”超二代像增强器与“Ⅵ型”三代像增强器的性能时，如果两者的信噪比均为25，那么这仅仅表明在标准A光源条件下两者的信噪比相同，并不意味着实际使用时的信噪比相同。因为像增强器的性能指标是在标准A光源的条件下测量的[43-44]，而A光源为色温为2856 K的钨丝灯，但在像增强器的实际应用中，如在星光下，此时的夜天光光谱与A光源的发射光谱区别较大，如图14。因此在A光源下测量的指标对于超二代和三代像增强器而言，在实际应用中就会存在差别。

图14 A光源与星光下的发射光谱分布

星光下夜天光中的近红外成分较丰富，而GaAs光电阴极的近红外光谱灵敏度高于Na2KSb光电阴极，所以GaAs光电阴极的光谱匹配系数相应的也高，因此三代像增强器的实际应用中的信噪比要高于超二代像增强器。所以超二代像增强器与三代像增强器的信噪比性能指标不具备可比性。同理，增益、分辨力等也不具备可比性[45]。所以超二代像增强器的性能指标只能在超二代像增强器之间进行比较，三代像增强器的性能指标也只能在三代像增强器之间进行比较。如“6”型超二代像增强器的性能要优于“5”型超二代像增强器的性能，不仅测量性能优，而且实际使用性能也优。同样“Ⅵ型”三代像增强器的性能要优于“Ⅲ型”三代像增强器的性能，不仅测量性能优，而且实际使用性能也优。

4.4 品质因子

美国政府为了管控三代像增强器的出口，利用品质因子（figure of merit，FOM）作为三代像增强器出口的技术指标[46]。FOM由式(7)来定义，为分辨力与信噪比的乘积。

FOM＝RES×SNR (7)

美国政府规定，向北约国家出口的三代像增强器最大FOM为1600，而向非北约国家出口的三代像增强器最大FOM只能为1250。因为分辨力和信噪比为像增强器的主要核心指标，限制了这两个核心指标，即使像增强器的其他性能指标，如增益、EBI等性能指标再好，其综合性能也受限于FOM，因此FOM可以作为三代像增强器性能分档的技术指标。但需要注意的是，FOM不是具体比较两支像增强器综合性能好坏的指标。像增强器的性能指标有20多项，仅仅从成像质量方面讲，除了分辨力和信噪比，还有增益、EBI以及MTF。像增强器主要在夜间或低照度条件下使用。增益越高，EBI越低，像增强器所能探测的最低照度才越低。所以如果要比较两支像增强器的综合成像性能，除分辨力和信噪比之外，至少还要比较增益、EBI以及MTF。因此仅仅利用FOM来评价像增强器的具体性能并不全面，不能用FOM来具体比较两支像增强器的综合性能。表12是两支像增强器的性能比较。

从表12中可以看出，两支像增强器的分辨力均为64lp×mm－1，信噪比约为28，FOM约为1800。但1144#像增强器的EBI为0.7×10－7lx，增益为18000 cd×m－2×lx－1；而1151#像增强器的EBI为1.5×10－7lx，增益为12000 cd×m－2×lx－1，因此1144#像增强器的EBI更低，增益更高，所以从像增强器最低探测照度的角度讲，1151#的性能更好。所以像增强器的综合性能需要从多个维度来评价，不仅仅是分辨力、信噪比，还需要考虑EBI、增益以及MTF。

需要说明的是，由于超二代和三代像增强器的分辨力、信噪比不具备可比性，因此其FOM也不具备可比性，所以不能利用FOM来比较超二代和三代像增强器之间的性能。

表12 像增强器性能参数比较

5 结论

超二代像增强器生产成本低，性价比高，与三代像增强器相比性能差距不大，因此欧洲的像增强器产商选择了超二代像增强器技术的发展路线。超二代与三代像增强器并列发展了30多年，性能均有大幅提高。超二代与三代像增强器相比较，性能差距仍然体现在极低照度条件下。三代像增强器在极低照度条件下的性能更好，但超二代像增强器的成本更低。

目前Photonis公司的超二代像增强器的生产达到了相当的规模，技术水平也保持领先，研发也更加深入，因此不可能再一次改变超二代像增强器的技术发展路线，只可能进一步发展超二代像增强的技术。从目前的情况看，超二代像增强器性能仍有进一步提高的空间，仅仅就分辨力这一性能而言，目前法国Photonis公司新型超二代像增强器（型号XW3040）的分辨力已经达到76lp/mm，而下一个目标将是80lp/mm，因此可以预见在将来一定时期内，超二代像增强器与三代像增强器将进一步并列发展，直到颠覆性技术出现。

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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.

李晓峰（1963-），男，博士，正高级工程师，主要研究方向为微光夜视技术。E-mail: 984118295@qq.com。

国家自然科学基金（11535014）。