李曉峰，何雁彬，常 樂(lè)，王光凡，徐傳平

超二代與三代像增強(qiáng)器性能的比較研究

李曉峰1,2，何雁彬1，常 樂(lè)1，王光凡1，徐傳平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）

超二代和三代像增強(qiáng)器是兩種不同技術(shù)的像增強(qiáng)器，其在光電陰極、減反膜、離子阻擋膜以及陰極電壓方面存在區(qū)別。在極限分辨力方面，盡管三代像增強(qiáng)器GaAs光電陰極的電子初速小、出射角分布較窄以及陰極電壓較高，但目前兩種像增強(qiáng)器的極限分辨力均相同，三代像增強(qiáng)器GaAs光電陰極的優(yōu)勢(shì)在現(xiàn)有極限分辨力水平下并未得到發(fā)揮。在信噪比方面，盡管GaAs光電陰極具有更高的陰極靈敏度，但因?yàn)檩^高的陰極電壓以及離子阻擋膜透過(guò)率的影響，使得兩種像增強(qiáng)器的信噪比基本相同，三代像增強(qiáng)器GaAs光電陰極高靈敏度的優(yōu)勢(shì)也未得到發(fā)揮。在增益方面，盡管三代像增強(qiáng)器具有更高的陰極靈敏度以及較高的陰極電壓，但超二代像增強(qiáng)器通過(guò)提高微通道板的工作電壓來(lái)彌補(bǔ)陰極靈敏度以及陰極電壓的不足，因此在現(xiàn)有像增強(qiáng)器增益的條件下，兩種像增強(qiáng)器的增益完全相同。在等效背景照度方面，由于三代像增強(qiáng)器GaAs光電陰極的靈敏度更高，因此在相同光電陰極暗電流的條件下，三代像增強(qiáng)器可以獲得更低的等效背景照度，所以三代像增強(qiáng)器較超二代像增強(qiáng)器具有更高的初始對(duì)比度。在光暈方面，由于三代像增強(qiáng)器光電陰極的靈敏度較高，同時(shí)具有離子阻擋膜，因此理論上講，三代像增強(qiáng)器較超二代像增強(qiáng)器具有更高的光暈亮度，但實(shí)際的情況是兩種像增強(qiáng)器的光暈亮度基本相同。在雜光方面，GaAs光電陰極具有減反膜，因此雜光較超二代像增強(qiáng)器低，所以三代像增強(qiáng)器的成像更清晰，層次感更好。在帶外光譜響應(yīng)方面，由于超二代像增強(qiáng)器Na2KSb（Cs）光電陰極的帶外光譜響應(yīng)高于三代像增強(qiáng)器，因此在近紅外波段進(jìn)行輔助照明時(shí)，超二代像增強(qiáng)器較三代像增強(qiáng)器成像性能更好。在低照度分辨力方面，具有相同性能參數(shù)的超二代和三代像增強(qiáng)器具有相同的低照度分辨力。需要注意的是，這是在標(biāo)準(zhǔn)A光源測(cè)試條件下所得出的結(jié)論。當(dāng)實(shí)際的環(huán)境發(fā)射光譜分布與標(biāo)準(zhǔn)A光源發(fā)射光譜分布不相同時(shí)，兩種像增強(qiáng)器的低照度分辨力將會(huì)不同。

像增強(qiáng)器；微通道板；分辨力；信噪比；增益；光暈；減反膜；離子阻擋

0 引言

微光夜視儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、響應(yīng)快、功耗低、圖像逼真，在國(guó)防上有廣泛應(yīng)用。在眾多微光夜視儀中，微光夜視頭盔應(yīng)用最廣。微光夜視頭盔采用近貼式聚焦的像增強(qiáng)器。目前近貼式聚焦的像增強(qiáng)器有兩種，一種為超二代像增強(qiáng)器（super second generation image intensifier），另外一種為三代像增強(qiáng)器（third generation image intensifier）[1-3]。超二代像增強(qiáng)器以法國(guó)Photonis公司為代表，而三代像增強(qiáng)器則以美國(guó)ITT公司（現(xiàn)隸屬Elbit公司）為代表。兩種像增強(qiáng)器的外形、重量、功耗以及接口尺寸完全一致。不僅如此，兩種像增強(qiáng)器采用同一套指標(biāo)來(lái)描述其性能，并且大部分指標(biāo)參數(shù)，如極限分辨力、增益、信噪比等基本相同。如果僅僅從“代”的字面上來(lái)理解，既然是“代”的區(qū)別，超二代與三代像增強(qiáng)器的主要性能參數(shù)應(yīng)該區(qū)別較大，而且低一代的像增強(qiáng)器必然要被高一代的像增強(qiáng)器所替代，即超二代像增強(qiáng)器必然要被三代像增強(qiáng)器替代，但實(shí)際情況并非如此。三代像增強(qiáng)器最早源于美國(guó)，于1985年開(kāi)始量產(chǎn)，而超二代像增強(qiáng)器最早源于法國(guó)，并于1990年開(kāi)始量產(chǎn)，因此到目前為止，超二代與三代像增強(qiáng)已經(jīng)并列發(fā)展了32年。超二代像增強(qiáng)器與三代像增強(qiáng)器在過(guò)去的32年中，呈現(xiàn)出的是一種并列發(fā)展的狀態(tài)，而且從目前的情況看，還看不出超二代像增強(qiáng)器被三代像增強(qiáng)器所替代的跡象。盡管超二代像增強(qiáng)器和三代像增強(qiáng)器在性能指標(biāo)（陰極靈敏度指標(biāo)除外）上差別不大，但超二代與三代像增強(qiáng)器畢竟是兩種不同技術(shù)的像增強(qiáng)器，它們之間的區(qū)別或比較，需要從其工作原理上來(lái)理解，這樣才能得出較準(zhǔn)確的結(jié)論。本文從兩種像增強(qiáng)器工作原理出發(fā)，對(duì)兩種像增強(qiáng)器的性能進(jìn)行對(duì)比，揭示了兩種像增強(qiáng)器各自的特點(diǎn)，為更好地了解和應(yīng)用這兩種像增強(qiáng)器提供參考。

1 工作原理概述

從原理上講，近貼式聚焦像增強(qiáng)器主要包括3部分。第1部分為光電陰極，第2部分為微通道板（microchannel plate，MCP），第3部分為熒光屏。光電陰極位于輸入窗的內(nèi)表面，熒光屏位于輸出窗的內(nèi)表面，MCP位于光電陰極與熒光屏之間。光電陰極與MCP輸入端之間為近貼式聚焦，聚焦距離約為0.2 mm，聚焦電壓為200～800V。MCP輸出端與熒光屏之間也為近貼聚焦，聚焦距離約為0.5mm，聚焦電壓為6000V。輸入光入射在光電陰極上，光電陰極發(fā)射光電子，光電子在陰極電場(chǎng)（光電陰極與MCP輸入端之間的電場(chǎng)）作用下向MCP輸入端運(yùn)動(dòng)并進(jìn)入微通道板的通道內(nèi)。光電子在通道內(nèi)部電場(chǎng)（MCP輸入端與輸出端之間的電場(chǎng)）作用下，由輸入端向輸出端運(yùn)動(dòng)。在此過(guò)程中，電子不斷與通道的內(nèi)壁發(fā)射碰撞并產(chǎn)生二次電子。由于通道內(nèi)壁的二次電子發(fā)射系數(shù)大于1，因此當(dāng)電子從MCP輸出端輸出時(shí)，輸出電子數(shù)量遠(yuǎn)超輸入電子數(shù)量，因此實(shí)現(xiàn)了電子的倍增。從MCP輸出的電子在陽(yáng)極電場(chǎng)（MCP輸出端與熒光屏之間的電場(chǎng)）作用下向熒光屏運(yùn)動(dòng)，轟擊熒光屏發(fā)光。由于熒光屏的出射光通量遠(yuǎn)高于光電陰極的入射光通量，因此實(shí)現(xiàn)了輸入光的放大，這就是近貼式聚焦像增強(qiáng)器的基本工作原理。

超二代與三代像增強(qiáng)器相比，盡管基本工作原理相同，但在具體工作原理方面還存在一定的區(qū)別。這是因?yàn)槌c三代像增強(qiáng)器相比，存在光電陰極（photocathode）、減反膜（anti-reflection coating，AR coating）、離子阻擋膜（ion barrier）以及陰極電壓的區(qū)別。超二代與三代像增強(qiáng)器的結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1。其中圖(a)為超二代像增強(qiáng)器（super Gen.Ⅱ image intensifier），而圖(b)為三代像增強(qiáng)器（Gen.Ⅲ image intensifier）。

超二代像增強(qiáng)器采用Na2KSb（Cs）光電陰極（俗稱多堿陰極）[4-7]，而三代像增強(qiáng)器采用GaAs光電陰極[8-11]。Na2KSb（Cs）多堿陰極為正電子親和勢(shì)陰極，而GaAs陰極卻為負(fù)電子親和勢(shì)陰極。描述光電陰極性能的指標(biāo)是光譜響應(yīng)（photocathode response，PR）或陰極靈敏度（photocathode sensitivity，PS）。圖2為Na2KSb（Cs）多堿陰極和GaAs陰極的光譜響應(yīng)。從圖中可以看出，GaAs陰極具有更高的陰極光譜響應(yīng)。圖中多堿陰極的陰極靈敏度為980mA×lm－1，而GaAs光電陰極的陰極靈敏度卻為2070mA×lm－1。

圖1 像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 GaAs和Na2KSb（Cs）光電陰極光譜響應(yīng)

另外對(duì)三代像增強(qiáng)器而言，在GaAs陰極與玻璃窗之間，還存在一層Si3N4減反膜。由于Si3N4減反膜的存在，降低了GaAs光電陰極的反射率。而超二代像增強(qiáng)器的Na2KSb（Cs）多堿陰極卻沒(méi)有類(lèi)似的減反膜，因此反射率較高。圖3為超二代與三代像增強(qiáng)器光電陰極的光譜反射率。從圖中可以看出，超二代較三代像增強(qiáng)器在可見(jiàn)光以及近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有較高的光譜反射率。

再有，三代像增強(qiáng)器的MCP輸入端有一層離子阻擋膜，而超二代像增強(qiáng)器卻沒(méi)有。由于三代像增強(qiáng)器的MCP具有離子阻擋膜，因此光電陰極發(fā)射的光電子需要具有足夠的能量才能穿透，所以三代像增強(qiáng)器的陰極電壓較超二代像增強(qiáng)器高。超二代像增強(qiáng)器的陰極電壓為200V，而三代像增強(qiáng)器的陰極電壓卻為400V以上。另外由于離子阻擋膜的存在，會(huì)有一部分光電子不能穿透離子阻擋膜，因此會(huì)損失光電子，造成實(shí)際（或有效）的陰極靈敏度低于測(cè)量的陰極靈敏度。表1為超二代與三代像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)原理上的區(qū)別對(duì)比。表中的4項(xiàng)區(qū)別不是像增強(qiáng)器性能參數(shù)的區(qū)別，而是像增強(qiáng)器工作原理方面的區(qū)別，只是這些區(qū)別會(huì)影響到像增強(qiáng)器的整體性能參數(shù)。

圖3 GaAs and Na2KSb（Cs）光電陰極光譜反射率

表1 超二代與三代像增強(qiáng)器區(qū)別

2 性能比較分析

2.1 極限分辨力

極限分辨力是指像增強(qiáng)器所能達(dá)到的最高分辨力，也是像增強(qiáng)器在最佳工作條件下所能達(dá)到的最高分辨力。像增強(qiáng)器的極限分辨力與陰極近貼聚焦距離、陰極電壓、熒光屏近貼聚焦距離、熒光屏、屏壓以及MCP的孔徑有關(guān)[12-16]。超二代像增強(qiáng)器采用Na2KSb（Cs）多堿陰極，而三代像增強(qiáng)器則采用GaAs光電陰極。Na2KSb（Cs）多堿陰極是一種熱電子發(fā)射，而GaAs光電陰極卻是一種冷電子發(fā)射，因此Na2KSb（Cs）多堿陰極所發(fā)射光電子的初速以及發(fā)射角的分布范圍較GaAs光電陰極大。從陰極近貼聚焦來(lái)講，從光電陰極上任意一點(diǎn)所發(fā)射的光電子，在MCP的輸入端面上是一個(gè)彌散斑，而不是一個(gè)點(diǎn)，如圖4所示。彌散斑的直徑越小，分辨力越高。

圖4 電子彌散斑產(chǎn)生示意圖

從光電陰極上一點(diǎn)所發(fā)射的光電子，在MCP輸入端上的彌散斑半徑由下式所決定：

式中：為彌散圓半徑；為陰極近貼聚焦距離；為光電子出射角；i為等效初電位；c為陰極電壓。等效初電位與光電子的初速相關(guān)，初速越大，等效初電位也越大。

超二代與三代像增強(qiáng)器相比較，雖然陰極近貼聚焦距離相同，但光電子初速較高，因此等效初電位較高，再加上光電子的出射角較大以及陰極電壓較低，根據(jù)式(1)可知，超二代像增強(qiáng)器的彌散圓半徑較三代像增強(qiáng)器大。所以從理論上講，超二代像增強(qiáng)器的極限分辨力應(yīng)該低于三代像增強(qiáng)器。然而，實(shí)際情況是，超二代與三代像增強(qiáng)器的極限分辨力基本相同。例如，如果采用6mm孔徑的MCP，超二代和三代像增強(qiáng)器的極限分辨力均可以達(dá)到64 lp×mm－1以上。而采用4mm孔徑的MCP，超二代和三代像增強(qiáng)器的極限分辨力均可以達(dá)到72 lp×mm－1以上。所以從像增強(qiáng)器的實(shí)際極限分辨力指標(biāo)看，超二代與三代像增強(qiáng)器相比較，極限分辨力基本相同，不存在較大差別。原因是公式(1)對(duì)于三代像增強(qiáng)器而言，僅僅考慮了涉及影響三代像增強(qiáng)器分辨力的一部分因數(shù)，其他涉及到光電陰極發(fā)射層的因數(shù)未考慮。例如光電陰極的厚度（三代像增強(qiáng)器光電陰極的厚度較超二代像增強(qiáng)器更厚）、減反膜、緩沖層、熱壓工藝等因數(shù)，這些因數(shù)均會(huì)影響三代像增強(qiáng)器的分辨力。這些因數(shù)的存在，抵消了三代像增強(qiáng)器光電陰極等效初電位小的優(yōu)勢(shì)。

2.2 信噪比

信噪比（signal to noise ratio，SNR）定義為信號(hào)平均值與噪聲均方根值之比。信噪比對(duì)像增強(qiáng)器在低照度下的分辨力有較大影響。這是因?yàn)樵诘驼斩葪l件下，圖像由漲落信號(hào)所構(gòu)成。像增強(qiáng)器的信噪比由下式表示[17]：

式中：為陰極靈敏度，mA×lm－1；f為MCP的噪聲功率因子（簡(jiǎn)稱噪聲因子）。

從式(2)中可以看出，像增強(qiáng)器的信噪比與陰極靈敏度的平方根成正比，與MCP噪聲因子的平方根成反比。在MCP相同的條件下，噪聲因子基本相同。因此，如果光電陰極靈敏度為原來(lái)的2倍，那么像增強(qiáng)器的信噪比將為原來(lái)的1.41倍。三代像增強(qiáng)器的陰極靈敏度較高，通常情況下是超二代像增強(qiáng)器陰極靈敏度的2倍以上，如果超二代和三代像增強(qiáng)器采用相同的MCP，那么可以認(rèn)為其MCP的噪聲因子基本相同[18-20]，所以理論上講，三代像增強(qiáng)器的信噪比也應(yīng)該是超二代像增強(qiáng)器信噪比的1.41倍以上，但實(shí)際情況并非如此。例如樣品1227#超二代像增強(qiáng)器，陰極靈敏度為868mA×lm－1，信噪比為28.77。樣品1997#三代像增強(qiáng)器（國(guó)外樣品），陰極靈敏度為2001mA×lm－1，陰極電壓為600 V，信噪比為31.63。兩種像增強(qiáng)器樣品均采用6mm孔徑的MCP，因此其噪聲因子相同。1997#樣品的陰極靈敏度為1227#樣品陰極靈敏度的2.3倍，根據(jù)式(2)，1997#三代像增強(qiáng)器的信噪比應(yīng)為1227#樣品的1.52倍，即應(yīng)為43.68，與31.63的實(shí)測(cè)值相比較，高了38%。造成三代像增強(qiáng)器信噪比理論值與實(shí)測(cè)值不相符的原因可以從陰極電壓以及離子阻擋膜[21-23]這兩方面來(lái)分析。

圖5為上述兩只樣品信噪比隨陰極電壓變化的規(guī)律。兩個(gè)樣品的MCP工作電壓均為900V。從圖中的1227#曲線可以看出，當(dāng)陰極電壓從200V增加到600V時(shí)，1227#超二代像增強(qiáng)器的信噪比從28.77增加到29.55，之后又減小到25.19。600V陰極電壓的信噪比比200V時(shí)的信噪比降低了12%。這說(shuō)明過(guò)高的陰極電壓，或者說(shuō)過(guò)高的光電子能量會(huì)降低信噪比。原因可以理解為光電子能量增加，由此增加了二次電子倍增的噪聲。但從圖5中的1997#曲線可以看出，當(dāng)陰極電壓從200V增加到600V時(shí)，信噪比從27.11單調(diào)增加到31.63，增加了16%。超二代和三代像增強(qiáng)器信噪比隨陰極電壓變化的規(guī)律不相同。這是因?yàn)閷?duì)于三代像增強(qiáng)器而言，除了陰極電壓增加會(huì)導(dǎo)致信噪比下降的因數(shù)外，還有陰極電壓增加會(huì)導(dǎo)致MCP離子阻擋膜光電子透過(guò)率增加的因數(shù)。光電子透過(guò)率增加，信噪比會(huì)隨之增加。由于光電子透過(guò)率增加的因數(shù)強(qiáng)于二次電子倍增噪聲增加的因數(shù)，因此造成三代像增強(qiáng)器的信噪比隨陰極電壓的增加而單調(diào)增加。

如果不考慮到陰極電壓從200V增加到600V時(shí)，1997#樣品信噪比也下降12%的這一因數(shù)，那么離子阻擋膜透過(guò)率增加導(dǎo)致信噪比增加的實(shí)際值還應(yīng)該加上12%，因此1997#樣品的信噪比應(yīng)為35.94。根據(jù)式(2)推算，可得出1997#樣品的有效陰極靈敏度（effective photocathode sensitivity，EPS）為1354mA×lm－1，為2001mA×lm－1測(cè)量陰極靈敏度的68%。所以對(duì)于三代像增強(qiáng)器而言，由于離子阻擋膜的存在，光電子的透過(guò)率僅僅為68%，即有32%的光電子不能穿透離子阻擋膜，使得有效陰極靈敏度低于測(cè)量陰極靈敏度（apparent photocathode sensitivity，APS）。

如果將二次電子倍增噪聲增加（光電子能量增加）以及離子阻擋膜透過(guò)率增加對(duì)信噪比影響的這兩個(gè)因素結(jié)合在一起考慮，即以31.63的實(shí)測(cè)信噪比來(lái)推算陰極靈敏度，那么根據(jù)式(2)可知，三代像增強(qiáng)器的等效陰極靈敏度（equivalent photocathode sensitivity，QPS）更低，僅僅為1049mA×lm－1。由此可見(jiàn)，造成三代像增強(qiáng)器信噪比理論值與實(shí)測(cè)值存在較大差距的原因是較高的陰極電壓以及離子阻擋膜的透過(guò)率。

根據(jù)以上的分析可知，對(duì)于三代像增強(qiáng)器的光電陰極靈敏度而言，需要注意測(cè)量陰極靈敏度、有效陰極靈敏度以及等效陰極靈敏度之間的區(qū)別。測(cè)量陰極靈敏度最高，有效陰極靈敏度次之，而等效陰極靈敏度最低。同樣對(duì)三代像增強(qiáng)器的陰極光譜響應(yīng)而言，也存在3種光譜響應(yīng)，即測(cè)量光譜響應(yīng)（apparent photocathode response，APR）、有效光譜響應(yīng)（effective photocathode response，EPR）以及等效光譜響應(yīng)（equivalent photocathode response，QPR）。圖6為1997#樣品的3種光譜響應(yīng)曲線，圖中曲線1997#-1為測(cè)量陰極光譜響應(yīng)，曲線1997#-2為有效陰極光譜響應(yīng)，而曲線1997#-3為等效陰極光譜響應(yīng)。

三代像增強(qiáng)器由于具有離子阻擋膜，因此降低了三代像增強(qiáng)器應(yīng)有的信噪比。然而隨著離子阻擋膜制作技術(shù)的不斷進(jìn)步，離子阻擋膜的厚度越來(lái)越薄，光電子透過(guò)率越來(lái)越高。例如對(duì)于薄膜三代像增強(qiáng)器（Thin filmed Gen.Ⅲ）樣品4321#（國(guó)外樣品），陰極靈敏度為2291mA×lm－1，陰極電壓為600 V，信噪比為37.11。根據(jù)式(2)，可以計(jì)算出其有效陰極靈敏度和等效陰極靈敏度分別為1863mA×lm－1和1444mA×lm－1，以測(cè)量陰極靈敏度相比較，下降的比例較傳統(tǒng)的有膜三代像增強(qiáng)器1997#（Filmed Gen.Ⅲ）有所提高，見(jiàn)表2。從表中可以看出，4321#樣品的有效陰極靈敏度為測(cè)量陰極靈敏度的81%，即離子阻擋膜透過(guò)率達(dá)到81%，較傳統(tǒng)的有膜三代像增強(qiáng)器（Filmed Gen.Ⅲ）1997#樣品離子阻擋膜的透過(guò)率增加了13%。由于離子阻擋膜透過(guò)率的增加，等效陰極靈敏度也達(dá)到了測(cè)量陰極靈敏度的63%。

表2 像增強(qiáng)器陰極靈敏度下降比例

三代像增強(qiáng)器的信噪比相對(duì)超二代像增強(qiáng)器實(shí)際上沒(méi)有理論計(jì)算值高，原因在于離子阻擋膜。一方面有膜（離子阻擋膜）的MCP需要更高的陰極電壓，而高陰極電壓會(huì)增加MCP的噪聲因子。另一方面有膜（離子阻擋膜）的MCP會(huì)阻擋一部分光電子，如果從公式(2)的角度理解，相當(dāng)于有膜（離子阻擋膜）的MCP相對(duì)于無(wú)膜（離子阻擋膜）的MCP具有更高的噪聲因子。

2.3 增益

像增強(qiáng)器的增益（Gain）定義為輸出亮度與輸入照度之比。像增強(qiáng)器增益與光電陰極靈敏度、MCP增益、熒光屏發(fā)光效率（屏效）以及熒光屏電壓（屏壓）成正比，如下式所示[24]。

＝×M××a×(3)

式中：為像增強(qiáng)器的增益；為陰極靈敏度（對(duì)三代像增強(qiáng)器而言為有效陰極靈敏度）；M為MCP增益；為屏效；a為屏壓。

超二代與三代像增強(qiáng)器所采用的熒光屏相同，即屏壓、屏效相同，所以超二代和三代像增強(qiáng)器增益的高低取決于陰極靈敏度和MCP增益。在陰極靈敏度方面，超二代像增強(qiáng)器的陰極靈敏度與三代像增強(qiáng)器的有效陰極靈敏度相比還有一定的差距。在MCP增益方面，盡管超二代與三代像增強(qiáng)器所采用的MCP相同，但由于三代像增強(qiáng)器的陰極電壓更高，因此MCP的增益也更高。圖7為MCP工作電壓為900V條件下，超二代像增強(qiáng)器MCP增益（M）隨陰極電壓c變化的曲線，圖中將MCP陰極電壓為200V時(shí)增益規(guī)劃為1。從圖中可以看出，隨著陰極電壓的提高，MCP增益也在提高。由于三代像增強(qiáng)器的有效陰極靈敏度以及MCP增益均高于超二代像增強(qiáng)器，所以理論上講，三代像增強(qiáng)器的增益也高于超二代像增強(qiáng)器。

圖7 MCP增益與陰極電壓關(guān)系

然而，在實(shí)際工作中，MCP的增益是可以調(diào)節(jié)的。這是因?yàn)楫?dāng)MCP的工作電壓發(fā)生變化時(shí)，MCP的增益也隨之變化，并且兩者之間遵循下式的關(guān)系：

式中：M0為MCP工作電壓為800V時(shí)的增益；M為MCP的工作電壓。

從式(4)可以看出，MCP增益隨其工作電壓的變化是一種指數(shù)關(guān)系，因此對(duì)工作電壓的變化較敏感，即MCP每增加50V的工作電壓，MCP的增益就可以增加一倍。例如超二代像增強(qiáng)器的MCP增益（900V電壓）是三代像增強(qiáng)器MCP增益（900V電壓）的一半，那么當(dāng)需要兩者增益相同時(shí)，只需要提高超二代像增強(qiáng)器MCP的工作電壓即可。所以從這一角度看，超二代像增強(qiáng)器在陰極靈敏度和MCP增益方面的劣勢(shì)可以通過(guò)提高M(jìn)CP的工作電壓來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)，區(qū)別僅僅是超二代像增強(qiáng)器的MCP工作電壓較三代像增強(qiáng)器的MCP工作電壓較高而已。但需要說(shuō)明的是，提高M(jìn)CP工作電壓會(huì)導(dǎo)致信噪比的降低，而這就限制了超二代像增強(qiáng)器增益的進(jìn)一步提高，因?yàn)樘岣咴鲆娴耐瑫r(shí)，還需要保持像增強(qiáng)器的信噪比在一定的范圍內(nèi)。目前超二代與三代像增強(qiáng)器的增益一般在10000～20000 cd×m－2×lx－1之間，在目前的這一增益水平下，超二代像增強(qiáng)器通過(guò)提高M(jìn)CP的工作電壓，也能達(dá)到目前像增強(qiáng)器的增益技術(shù)要求，并且信噪比還保持在合格的范圍內(nèi)。但如果像增強(qiáng)器的增益還需要進(jìn)一步大幅提高，如提高到40000cd×m－2×lx－1，那么三代像增強(qiáng)器在增益方面的優(yōu)勢(shì)才能進(jìn)一步凸顯。

2.4 等效背景照度

像增強(qiáng)器采用光電陰極，而光電陰極具有暗發(fā)射，因此在像增強(qiáng)器無(wú)輸入條件下，像增強(qiáng)器的熒光屏上也會(huì)有輸出亮度。如果將暗發(fā)射等效為光電陰極輸入端上的輸入照度，那么該輸入照度即為像增強(qiáng)器的等效背景照度（equivalent background illumination，EBI）。如果輸入照度低于等效背景照度，信號(hào)將淹沒(méi)在背景中，所以等效背景照度決定了像增強(qiáng)器的最低探測(cè)照度[25-26]。像增強(qiáng)器的EBI由下式表示：

式中：d為光電陰極的暗電流，單位為A；為MCP離子阻擋膜的光電子透過(guò)率；為光電陰極的靈敏度，單位為mA×lm－1；為光電陰極的面積，單位為m2。另外對(duì)于三代像增強(qiáng)器而言，式中的陰極靈敏度指測(cè)量陰極靈敏度。從式(5)可以看出，像增強(qiáng)器的EBI與光電陰極的暗電流成正比，與陰極靈敏度成反比，所以陰極靈敏度在EBI指標(biāo)中也有所體現(xiàn)。

Na2KSb（Cs）與GaAs光電陰極的暗電流與其各自的制作工藝有關(guān)，因?yàn)椴煌闹谱鞴に嚂?huì)得到不同的暗電流。假設(shè)Na2KSb（Cs）與GaAs光電陰極的暗電流相同，那么由于GaAs光電陰極的靈敏度更高，另外離子阻擋膜的光電子透過(guò)率較低，根據(jù)式(5)可知，三代像增強(qiáng)器較超二代像增強(qiáng)器具有更低的EBI。盡管根據(jù)目前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，超二代和三代像增強(qiáng)器的EBI指標(biāo)均是小于2.5×10－7Lx，但對(duì)于三代像增強(qiáng)器而言，合格三代像增強(qiáng)器（國(guó)外樣品）的EBI典型值約為5×10－8Lx，低的甚至可以達(dá)到10－9Lx，遠(yuǎn)低于2.5×10－7Lx的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但對(duì)于超二代像增強(qiáng)器而言，合格像增強(qiáng)器的EBI典型值約為1.2×10－7Lx，較三代像增強(qiáng)器高一個(gè)數(shù)量級(jí)。EBI越低，輸入信號(hào)的初始對(duì)比度也越大。輸入信號(hào)的初始對(duì)比度由下式定義：

式中：表示初始對(duì)比度；表示輸入照度。

從式(6)可看出，EBI越高，圖像的初始對(duì)比度越低。圖像的初始對(duì)比度越低，在熒光屏上的圖像對(duì)比度也越低。在極低照度條件下，輸出圖像的亮度很低，因此圖像的對(duì)比度對(duì)人眼分辨目標(biāo)具有決定性的作用。

光電陰極的暗發(fā)射與溫度相關(guān)，溫度越高，暗發(fā)射越大。圖8為超二代與三代像增強(qiáng)器EBI隨溫度變化的曲線，圖中將室溫下的像增強(qiáng)器EBI規(guī)劃為1。從圖8中可以看出，在室溫以上，隨著溫度的上升，兩種像增強(qiáng)器的EBI均上升，并且變化的規(guī)律基本相同。但在低溫下，隨著溫度的下降，三代像增強(qiáng)器的EBI下降速率較超二代像增強(qiáng)器快。因此低溫下三代像增強(qiáng)器的EBI更低。

需要說(shuō)明的是，像增強(qiáng)器目前主要在10－4Lx以上照度使用，因此無(wú)論是10－7Lx還是10－8Lx的EBI，對(duì)圖像對(duì)比度的影響均不大。只有當(dāng)像增強(qiáng)器在10－5Lx以下照度使用時(shí)，對(duì)比度才有較明顯的影響，而且照度越低，影響越大。

圖8 EBI隨溫度的變化

2.5 光暈

當(dāng)向像增強(qiáng)器光電陰極投射一個(gè)圓形光斑時(shí)，光電陰極將發(fā)射一個(gè)直徑與入射光斑相同的電子斑，該電子斑入射到MCP的輸入端，經(jīng)過(guò)MCP的倍增，最后在熒光屏上顯示一個(gè)尺寸與輸入光斑相同的亮斑以及在亮斑周?chē)囊粋€(gè)亮環(huán)，該亮斑為輸入圓形光斑的像，亮環(huán)即為像增強(qiáng)器的光暈（Halo）。光暈的亮度較亮斑的亮度低。光暈產(chǎn)生的原因是光電陰極所發(fā)射的光電子與MCP輸入端的通道壁發(fā)生碰撞，產(chǎn)生的反彈電子以及二次電子在陰極電場(chǎng)的作用下再次返回MCP輸入端，經(jīng)過(guò)MCP倍增，最后在熒光屏上成像，見(jiàn)圖9。

根據(jù)相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，表征光暈的指標(biāo)為光暈的直徑。但僅僅利用光暈的直徑來(lái)評(píng)價(jià)光暈性能還不完整。因?yàn)楣鈺灢粌H有尺寸，而且還有亮度。所以評(píng)價(jià)光暈，除了尺寸外，還有亮度，而且更重要的還是亮度。像增強(qiáng)器光暈的尺寸由下式確定：

＝4×＋(7)

式中：為光暈尺寸；為陰極近貼聚焦距離；為輸入光斑直徑。根據(jù)相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，為0.2 mm。

根據(jù)式(7)可以看出，像增強(qiáng)器的光暈尺寸實(shí)際上是一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，一旦像增強(qiáng)器的陰極近貼聚焦距離確定了，那么光暈尺寸也就確定了。通常情況下，超二代和三代像增強(qiáng)器的陰極近貼聚焦距離基本相同，約為0.15 mm，因此光暈的尺寸約為0.8 mm。所以從光暈的尺寸上看，超二代與三代像增強(qiáng)器基本相當(dāng)。然而從光暈亮度上看，理論上講超二代與三代像增強(qiáng)器的光暈應(yīng)該存在一定的區(qū)別。根據(jù)光暈的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，輸入光斑的照度為10－3Lx，因?yàn)槌c三代像增強(qiáng)器的增益相同，因此光斑的亮度相同，但光暈的亮度不相同。原因有三點(diǎn)。第一，三代像增強(qiáng)器的陰極靈敏度較高，因此光電流密度較超二代像增強(qiáng)器高。光電流密度越高，被MCP輸入端通道壁反彈和產(chǎn)生的二次電子的電流密度也越高。第二，三代像增強(qiáng)器的陰極電壓較超二代像增強(qiáng)器高，電壓越高，二次電子的發(fā)射系數(shù)越高，因此所產(chǎn)生的二次電子的電流密度越高。第三，三代像增強(qiáng)器的MCP輸入端表面有一層離子阻擋膜，而離子阻擋的材料為Al2O3。由于Al2O3的二次電子發(fā)射系數(shù)較MCP通道壁上的Ni-Cr電極高，因此對(duì)于超二代像增強(qiáng)器而言，光電子轟擊Ni-Cr，對(duì)于三代像增強(qiáng)器而言，光電子轟擊Al2O3，所以三代像增強(qiáng)器MCP輸入端產(chǎn)生的二次電子的電流密度更高。由于以上3點(diǎn)原因，理論上講，三代像增強(qiáng)器的光暈亮度應(yīng)該高于超二代像增強(qiáng)器的光暈亮度，即超二代像增強(qiáng)器具有更好的光暈，但實(shí)際上，兩種像增強(qiáng)器的光暈基本相同。圖10為1227#超二代像增強(qiáng)器和1997#三代像增強(qiáng)器的光暈比較。從圖中可以看出，超二代和三代像增強(qiáng)器的光暈亮度基本相同，不存在大的區(qū)別。

圖9 光暈產(chǎn)生原理示意圖

圖10 超二代和三代像增強(qiáng)器光暈

2.6 雜光

當(dāng)像增強(qiáng)器光電陰極面接受一束平行斜入射光時(shí)，入射光在輸入窗表面以及光電陰極表面將會(huì)發(fā)生反射。首先入射光在輸入窗的前表面（與空氣接觸的表面）會(huì)發(fā)生反射。由于玻璃的折射率約為1.48，因此在輸入窗表面的反射約為4%。其次，入射光進(jìn)入輸入窗，到達(dá)光電陰極的前表面（與玻璃窗相接觸的表面）。由于光電陰極的折射率較高，例如對(duì)GaAs光電陰極，折射率為4.025（546 nm），因此在這一界面上的反射率較高，約為21%。被光電陰極反射的反射光到達(dá)輸入窗的前表面時(shí)，還會(huì)被輸入窗表面反射回光電陰極，而光電陰極又會(huì)反射該反射光（二次反射光），由于輸入窗的厚度為5.5mm，因此反射光將在輸入窗內(nèi)部發(fā)生多次反射，這些多次反射光將形成雜光，如圖11所示。圖11中，入射光I入射在玻璃窗的前表面，由于玻璃窗前表面的反射，會(huì)產(chǎn)生反射光0。同時(shí)入射光中的絕大部分折射進(jìn)入玻璃窗，最后達(dá)到光電陰極。一部分折射光會(huì)在位置A發(fā)生反射，而這些反射光達(dá)到玻璃窗的前界面時(shí)，還會(huì)發(fā)生反射。同理光線會(huì)在位置B、位置C等發(fā)生多次反射。盡管反射光，特別是多級(jí)反射光的比例很低，但反射光的存在會(huì)影響成像的對(duì)比度和清晰度。到達(dá)光電陰極的反射光會(huì)產(chǎn)生光電子，降低圖像的對(duì)比度和清晰度。為了解決光電陰極的反射光問(wèn)題，三代像增強(qiáng)器采用了減反膜技術(shù)。因?yàn)槿裨鰪?qiáng)器的光電陰極具有減反膜，因此降低了GaAs光電陰極的反射率。例如對(duì)650 nm波長(zhǎng)的入射光，GaAs光電陰極的反射率降低到了4%。而超二代像增強(qiáng)器的Na2KSb（Cs）光電陰極由于未采用減反膜技術(shù)，因此Na2KSb（Cs）光電陰極的反射率高達(dá)18%。因此超二代像增強(qiáng)器的陰極反射率是三代像增強(qiáng)器反射率的4倍以上，見(jiàn)圖3。反射率越低，雜光越小，圖像的對(duì)比度、層次感越好。

圖11 輸入光的多次反射示意圖

當(dāng)以一束633nm的入射光照射超二代像增強(qiáng)器的玻璃窗時(shí)，在面對(duì)玻璃反射光的接收屏上可以觀察到玻璃窗的反射光斑0，另外還可以觀察到光電陰極的一次反射光斑1以及二次反射光斑2，見(jiàn)圖12(a)。但對(duì)于三代像增強(qiáng)器而言，僅僅能觀察到玻璃窗的反射光斑0以及光電陰極的一次反射光斑1，不能觀察到二次反射光斑2，見(jiàn)圖12(b)。三代像增強(qiáng)器不能觀察到二次反射光2的原因是光斑亮度太弱，相機(jī)無(wú)法感光。三代像增強(qiáng)器不能觀察到二次反射光斑2的現(xiàn)象充分說(shuō)明減反膜在降低雜光方面的作用。

2.7 帶外光譜響應(yīng)

超二代像增強(qiáng)器采用Na2KSb多堿陰極，而三代像增強(qiáng)器采用GaAs陰極。兩種光電陰極的光譜響應(yīng)不相同，存在一定的區(qū)別，特別是在長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)之上。Na2KSb多堿陰極的光譜響應(yīng)在接近長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)時(shí)，光譜靈敏度的降低是漸變的，而GaAs陰極的降低是突變的。在長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)以下，Na2KSb多堿陰極的光譜靈敏度低于GaAs陰極，但在長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)以上，Na2KSb多堿陰極的光譜靈敏度卻高于GaAs陰極。為敘述方便，將長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)之外的光譜響應(yīng)稱為帶外光譜響應(yīng)[27]。圖13為超二代和三代像增強(qiáng)器的帶外光譜響應(yīng)。超二代像增強(qiáng)器樣品編號(hào)為4535#，陰極靈敏度為1030mA×lm－1（國(guó)外樣品），三代像增強(qiáng)器樣品編號(hào)為2676#（國(guó)外樣品），陰極靈敏度為2180mA×lm－1。三代像增強(qiáng)器的陰極靈敏度為超二代像增強(qiáng)器的一倍以上，但在長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)以上，超二代像增強(qiáng)器的光譜靈敏度卻高于三代像增強(qiáng)器，見(jiàn)圖13。例如在1000 nm波長(zhǎng)，超二代像增強(qiáng)器的光譜靈敏度為1.07mA×W－1，而三代像增強(qiáng)器的光譜靈敏度僅僅為0.791mA×W－1。超二代像增強(qiáng)器的光譜靈敏度高于三代像增強(qiáng)器。又如在980nm波長(zhǎng)，超二代像增強(qiáng)器的光譜靈敏度為24mA×W－1，而三代像增強(qiáng)器的光譜靈敏度僅僅為6mA×W－1，超二代像增強(qiáng)器的光譜靈敏度為三代像增強(qiáng)器的4倍。如果再考慮到三代像增強(qiáng)器離子阻擋膜的透過(guò)率，那么實(shí)際上，三代像增強(qiáng)器在980 nm波長(zhǎng)的光譜靈敏度還要更低。

圖12 光電陰極反射光光斑圖像

微光夜視儀在無(wú)光照條件下不能看見(jiàn)目標(biāo)，因此在極低照度下，為了看見(jiàn)目標(biāo)，需要利用紅外輔助照明。例如利用波長(zhǎng)900nm以上的近紅外光源照射目標(biāo)。由于超二代像增強(qiáng)器在長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)以上光譜靈敏度的下降是漸變的，因此在截止波長(zhǎng)附近仍然具有相對(duì)較高的光譜靈敏度，所以可以利用截止波長(zhǎng)以上，但接近截止波長(zhǎng)的波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行輔助照明，以實(shí)現(xiàn)微光夜視儀在極低照度下觀察目標(biāo)的目的。圖14為980nm波長(zhǎng)照射下，超二代和三代像增強(qiáng)器的觀察效果。超二代像增強(qiáng)器為1049#，三代像增強(qiáng)器為1997#，其性能參數(shù)見(jiàn)表3，表中的RES表示分辨力。

圖13 光電陰極帶外光譜靈敏度

在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀察時(shí)，夜視儀的物鏡、照射的輻射度等相同，不同的僅僅是像增強(qiáng)器。所觀察的目標(biāo)為激光打印機(jī)在白紙上打印的黑色字符“5G”。圖14(a)為超二代像增強(qiáng)器的圖像，圖14(b)為三代像增強(qiáng)器的圖像。比較圖(a)和圖(b)，可以看出，在980 nm波長(zhǎng)近紅外輔助照明條件下，超二代像增強(qiáng)器可以獲得滿足人眼清晰觀察的圖像，而三代像增強(qiáng)器卻不能獲得滿足人眼觀察的圖像。同樣在1060 nm和1540 nm波長(zhǎng)的輔助照明條件下，在超二代像增強(qiáng)器可以獲得滿足人眼所清晰觀察圖像的照射功率條件下，三代像增強(qiáng)器卻不能。

表3 像增強(qiáng)器性能參數(shù)

圖14 超二代和三代像增強(qiáng)器觀察效果

2.8 低照分辨力

像增強(qiáng)器主要在低照度下使用，因此低照分辨力比極限分辨力更具有實(shí)用意義。在像增強(qiáng)器增益一定條件下，高照度（10－1～10－2Lx）下的分辨力主要由極限分辨力所決定，與信噪比、EBI關(guān)系不大。而低照度（10－2～10－4Lx）下的分辨力除與極限分辨力有關(guān)外，還與信噪比相關(guān)。因?yàn)樵诘驼諚l件下，閃爍噪聲出現(xiàn)，因此信噪比對(duì)分辨力的影響開(kāi)始顯現(xiàn)。但在極低照度（＜10－4Lx）下，分辨力除與極限分辨力、信噪比有關(guān)之外，還與EBI有關(guān)[28]。因?yàn)闃O低照度下，特別是10－5Lx以下，背景的閃爍噪聲對(duì)分辨力的影響開(kāi)始顯現(xiàn)。所以像增強(qiáng)器的低照分辨力是評(píng)價(jià)像增強(qiáng)器綜合性能的核心指標(biāo)，像增強(qiáng)器的增益、極限分辨力、信噪比以及EBI性能參數(shù)的高低，最終均體現(xiàn)在低照分辨力上。

為了比較相同性能參數(shù)的超二代和三代像增強(qiáng)器的低照度分辨力，選取表3中的兩支像增強(qiáng)器進(jìn)行實(shí)測(cè)比較。從表3中可以看出，兩支像增強(qiáng)器的極限分辨力、增益、信噪比以及EBI基本相同。另外1049#超二代像增強(qiáng)器的陰極靈敏度為1190mA×lm－1，而1997#三代像增強(qiáng)器的陰極靈敏度為2001mA×lm－1。分辨力測(cè)量時(shí)，從10－1Lx開(kāi)始，一直到10－6Lx為止。測(cè)量結(jié)果表明，在4.3×10－1Lx，4.3×10－2Lx時(shí)，兩支像增強(qiáng)器的分辨力均為64 lp×mm－1，均等于其極限分辨力。在4.3×10－2Lx以下，兩支像增強(qiáng)器的分辨力開(kāi)始降低。在4.3×10－3Lx時(shí)，兩支像增強(qiáng)器的分辨力開(kāi)始降低到60lp×mm－1；到4.3×10－4Lx時(shí)，分辨力降到45lp×mm－1；到4.3×10－5Lx時(shí)，分辨力降到28lp×mm－1；到4.3×10－6Lx時(shí)，分辨力降到14lp×mm－1，見(jiàn)表4。表中的RES表示分辨力。

根據(jù)表4的測(cè)量結(jié)果可知，超二代和三代像增強(qiáng)器之間，只要極限分辨力、增益、信噪比以及EBI相同，那么他們就具有相同的低照度分辨力。圖15為1049#超二代像增強(qiáng)器和1997#三代像增強(qiáng)器在4.3×10－4Lx照度下的分辨力圖像。其中圖(a)為1049#超二代像增強(qiáng)器的分辨力，圖(b)為1997#三代像增強(qiáng)器的分辨力。

表4 不同照度下的分辨力

3 討論

超二代和三代像增強(qiáng)器是兩種不同技術(shù)的像增強(qiáng)器。在比較其性能時(shí)，不能簡(jiǎn)單地從“代”的字面上理解。因?yàn)樵诙嗄甑陌l(fā)展中，無(wú)論是超二代還是三代像增強(qiáng)器，均形成了多種型號(hào)。不同型號(hào)的超二代或三代像增強(qiáng)器具有不同的性能參數(shù)，所以不能簡(jiǎn)單的以“代”來(lái)區(qū)分超二代和三代像增強(qiáng)器之間的性能。

圖15 超二代和三代像增強(qiáng)器分辨力

超二代和三代像增強(qiáng)器之間，在性能參數(shù)上，最大的區(qū)別是陰極靈敏度。然而陰極靈敏度僅僅是光電陰極的性能指標(biāo)，不是像增強(qiáng)器的性能指標(biāo)，因此不能采用陰極靈敏度來(lái)比較像增強(qiáng)器之間的性能。不僅不能在同種像增強(qiáng)器中比較，而且更不能在不同種像增強(qiáng)器之間比較。比較像增強(qiáng)器之間的性能，只能比較其整體性能參數(shù)。需要說(shuō)明的是盡管在早期像增強(qiáng)器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，存在陰極靈敏度這一技術(shù)指標(biāo)，但目前在法國(guó)Photonis公司的超二代像增強(qiáng)器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)不再包含陰極靈敏度這一技術(shù)指標(biāo)。因?yàn)檫@一指標(biāo)是光電陰極的指標(biāo)，不是像增強(qiáng)器的指標(biāo)。對(duì)于用戶而言，陰極靈敏度既不能進(jìn)行測(cè)量，也不能作為驗(yàn)收依據(jù)，所以意義不大。

超二代和三代像增強(qiáng)器比較，應(yīng)該比較其性能參數(shù)。如果它們的性能參數(shù)相同，那么它們將具有相同的綜合性能，例如具有相同的低照度分辨力。但需要說(shuō)明的是，這是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件[29-30]下所得出的結(jié)論。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)使用環(huán)境的不同，其實(shí)際的性能也不相同。例如在星光下的叢林中使用時(shí)，相同性能參數(shù)的超二代和三代像增強(qiáng)器，三代像增強(qiáng)器的實(shí)際使用性能更好。因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，輸入光來(lái)自2856K色溫的鎢絲燈，即標(biāo)準(zhǔn)A光源。A光源的光譜范圍較廣，短波延伸到UVA。在400～500nm之間，三代像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)較低，而超二代像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)較高，所以對(duì)A光源而言，超二代像增強(qiáng)器可以較好地利用400～500nm之間輻射能量，而三代像增強(qiáng)器卻不能。如果在測(cè)量像增強(qiáng)器陰極靈敏度時(shí)，在測(cè)量光路中分別加入530nm和630nm的高通濾光片，那么其陰極靈敏度將會(huì)下降[31]。對(duì)1227#超二代像增強(qiáng)器而言，陰極靈敏度分別下降為819mA×lm－1和688mA×lm－1，而對(duì)1997#三代像增強(qiáng)器而言，陰極靈敏度分別下降為1997mA×lm－1和1768mA×lm－1。兩種像增強(qiáng)器在增加高通濾光片下的陰極靈敏度較初始值（無(wú)高通濾光片）均有所降低，見(jiàn)表5。從表中可以看出，對(duì)于1227#超二代像增強(qiáng)器樣品，標(biāo)準(zhǔn)A光源下的陰極靈敏度為100%，那么當(dāng)分別增加530nm和630nm的高通濾光片后，陰極靈敏度分別為初始值的99.8%和88.4%。由此可以看出，三代像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)在530nm波長(zhǎng)以下較低，因此當(dāng)增加530nm高通濾光片后，其陰極靈敏度與初始值相比較，基本沒(méi)有下降。

當(dāng)微光夜視儀在星光下的叢林中使用時(shí)，星光下400～500 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射較低。這樣相同信噪比的超二代和三代像增強(qiáng)器，在星光下的叢林中使用時(shí)，超二代像增強(qiáng)器的實(shí)際信噪比將低于三代像增強(qiáng)器，因此理論上講，相同信噪比的超二代像增強(qiáng)器的低照度分辨力將低于三代像增強(qiáng)器，所以三代像增強(qiáng)器的性能更好。特別需要注意的是，對(duì)于在飛機(jī)駕駛艙內(nèi)使用的像增強(qiáng)器，如果考慮了夜視兼容的因數(shù)，那么相同性能參數(shù)的超二代和三代像增強(qiáng)器，超二代像增強(qiáng)器的性能更要低于三代像增強(qiáng)器。

表5 不同高通濾光片下的陰極靈敏度

目前法國(guó)Photonis公司4G像增強(qiáng)器（高性能超二代像增強(qiáng)器）[32-34]的性能參數(shù)與美國(guó)ITT公司的傳統(tǒng)三代像增強(qiáng)器（有膜三代像增強(qiáng)器）的性能參數(shù)相當(dāng)，但與ITT公司的薄膜三代像增強(qiáng)器相比較，性能參數(shù)還存在一定的差距，例如在信噪比方面，根據(jù)樣品的測(cè)量數(shù)據(jù)，ITT公司薄膜三代像增強(qiáng)器的最高信噪比為38，而Photonis公司4G像增強(qiáng)器的最高信噪比為35。

4 結(jié)論

超二代和三代像增強(qiáng)器之間的區(qū)別，不能僅僅從“代”的字面上來(lái)理解。超二代和三代像增強(qiáng)器之間的性能差距不是代與代之間的“代際”差距，因此目前在超二代和三代像增強(qiáng)器之間，“超二代”和“三代”僅僅是一種名稱而已。超二代像增強(qiáng)器意味著采用Na2KSb（Cs）光電陰極，而三代像增強(qiáng)器意味著采用GaAs光電陰極。超二代與三代像增強(qiáng)器之間，目前不具備傳統(tǒng)意義上的“代”的差距。

在比較超二代與三代像增強(qiáng)器之間的性能時(shí)，不能利用陰極靈敏度這一指標(biāo)。陰極靈敏度是光電陰極的性能指標(biāo)，不是像增強(qiáng)器的性能指標(biāo)。但比較超二代與三代像增強(qiáng)器的性能時(shí)，也不能完全利用像增強(qiáng)器的性能參數(shù)，如分辨力、增益、信噪比等。因?yàn)檫@些性能參數(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)A光源條件下測(cè)量的。A光源發(fā)射光譜與夜天光的發(fā)射光譜不一樣，因此在夜視應(yīng)用條件下，具有相同性能參數(shù)的超二代和三代像增強(qiáng)器會(huì)出現(xiàn)不同的實(shí)際觀察效果。

三代像增強(qiáng)器由于陰極靈敏度較高，因此初始對(duì)比度也較高。另外三代像增強(qiáng)器的光電陰極具有減反膜，因此雜光較低，所以圖像的對(duì)比度、清晰度以及層次感更好。超二代像增強(qiáng)器光電陰極在長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)附近的下降是漸變的，并且?guī)夤庾V響應(yīng)較三代像增強(qiáng)器高，因此在近紅外輔助照明方面，超二代像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)更匹配、性能更好，這對(duì)于在極低照度，特別是無(wú)光照條件下的目標(biāo)觀察極為重要。

[1] 程宏昌, 石峰, 李周奎, 等. 微光夜視器件劃代方法初探[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2021, 42(6): 1092-1101.

CHENG Hongchang, SHI Feng, LI Zhoukui, et al. Preliminary study on distinguishment method of low-level-light night vision devices[J]., 2021, 42(6):1092-1101.

[2] 潘京生. 像增強(qiáng)器的迭代性能及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[J]. 紅外技術(shù), 2020, 42(6): 509-518.

PAN Jingsheng. Image intensifier upgraded performance and evaluation standard[J]., 2020, 42(6): 509-518.

[3] 田金生. 低照度微光傳感器的最新進(jìn)展[J]. 紅外技術(shù), 2013, 35(9): 527-534.

TIAN Jinsheng. New development of low level imaging sensor technology[J]., 2013, 35(9): 527-534.

[4] 常本康. 多堿光電陰極[M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 2001.

CHANG Benkang.[M]. Beijing: Ordnance Industry Press, 2001.

[5] 李曉峰, 劉如彪, 趙學(xué)峰. 多堿陰極光電發(fā)射機(jī)理研究[J]. 光子學(xué)報(bào), 2011, 40(9): 1438-1441.

LI Xiaofeng, LIU Rubiao, ZHAO Xuefeng. Photoemission mechanism of multi-alkali cathode[J]., 2011, 40(9): 1438-1441.

[6] 李曉峰, 陸強(qiáng), 李莉, 等. 超二代像增強(qiáng)器多堿陰極膜厚測(cè)量研究[J]. 光子學(xué)報(bào), 2012, 41(11): 1377-1381.

LI Xiaofeng, LU Qiang, LI Li, et al. Thickness measurement of multi-alkali photocathode[J]., 2012, 41(11): 1377-1381.

[7] 李曉峰, 楊文波, 王俊. 用光致熒光研究多堿陰極光電發(fā)射機(jī)理[J]. 光子學(xué)報(bào), 2012, 41(12): 1435-1440.

LI Xiaofeng, YANG Wenbo, WANG Jun. Photoemission mechanism of multi-alkali photocathode by photoluminescence [J]., 2012, 41(12): 1435-1440.

[8] 常本康. GaAs光電陰極[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2001.

CHANG Benkang.[M]. Beijing: Science Press, 2001.

[9] 常本康. GaAs基光電陰極[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2017.

CHANG Benkang.[M]. Beijing: Science Press, 2017.

[10] 焦崗成, 張鍇珉, 張益軍, 等. 改進(jìn)“yo-yo”Cs/O 交替激活方法對(duì)GaAs光陰極穩(wěn)定性影響[J]. 光子學(xué)報(bào), 2022, 51(2): 0212001.

JIAO Gangcheng, ZHANG Kaimin, ZHANG Yijun, et al. Effect of improved 'yo-yo' Cs/O alternate activation method on stability of GaAs photocathode[J]., 2022, 51(2): 0212001.

[11] 方城偉, 張益軍, 榮敏敏, 等. GaAs光電陰極制備工藝中表面污染的微區(qū)分析[J]. 光子學(xué)報(bào), 2019, 48(9): 0925001.

FANG Chenwei, ZHANG Yijun, RONG Minmin, et al. Micro-area analysis of surface contaminations of GaAs photocathode[J]., 2019, 48(9): 0925001.

[12] LI Xiaofeng, CHANG Le, ZHAO Heng, et al. Comparison of Resolution between Super Gen.Ⅱ and Gen.Ⅲ Image Intensifier[J]., 2021, 50(9): 0904003-1.

[13] 李曉峰, 常樂(lè), 曾進(jìn)能, 等. 微通道板分辨力提高研究[J]. 光子學(xué)報(bào), 2019, 48(12):1223002.

LI Xiaofeng, CHANG Le, ZENG Jinneng, et al. Study on resolution improvement of microchannel plate[J]., 2019, 48(12): 1223002.

[14] 邱亞峰, 嚴(yán)武凌, 華桑暾. 基于電子追跡算法的微光像增強(qiáng)器分辨力研究[J]. 光子學(xué)報(bào), 2020, 49(12): 1223003.

QIU Yafeng, YAN Wuling, HUA Sangtun. Resolution research of low-light-level image intensifier based on electronic trajectory tracking[J]., 2020, 49(12): 1223003.

[15] Hoenderken T H, Hagen C W, Nutzel G O, et al. Influence of the microchannel plate and anode gap parameters on the spatial resolution of an image intensifier[J].,, 2001, 19(30): 843-850.

[16] Photonis Nerthlands B V. Fiber optic phosphor screen comprising angular filter: 8933419B2, USA[P]. 2015-01-13.

[17] 李曉峰, 常樂(lè), 邱永生, 等. 微通道板近紫外量子效率測(cè)量及成像研究[J]. 光子學(xué)報(bào), 2020, 49(3): 0325001.

LI Xiaofeng, CHANG Le, QIU Yongsheng, et al. Measurement of quantum yield and image of microchannel plate in near ultraviolet band[J]., 2020, 49(3): 0325001.

[18] 李曉峰, 李廷濤, 曾進(jìn)能, 等. 微通道板輸入信號(hào)利用率提高研究[J]. 光子學(xué)報(bào), 2020, 49(3): 0325002.

LI Xiaofeng, LI Tingtao, ZENG Jinneng, et al. Study on the improvement of input signal utilization of MCP[J]., 2020, 49(3): 0325002.

[19] 李曉峰, 常樂(lè), 李金沙, 等. 微通道板噪聲因子與工作電壓關(guān)系研究[J]. 光子學(xué)報(bào), 2020, 49(7): 0725002.

LI Xiaofeng, CHANG Le, LI Jinsha, et al. Study on the relationship between noise factor and working voltage of microchannel plate[J]., 2020, 49(7): 0725002.

[20] 李曉峰, 張正君, 叢曉慶, 等. 微通道板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噪聲因子的影響研究[J]. 光子學(xué)報(bào), 2021, 50(5): 0225001.

LI Xiaofeng, ZHANG Zhenjun, CONG Xiaoqing, et al. Influence of microchannel plate structure parameters on noise factor[J]., 2021, 50(5): 0225001.

[21] 李曉峰, 張景文, 高宏凱, 等. 三代管MCP離子阻擋膜研究[J]. 光子學(xué)報(bào), 2001, 30(12): 1496-1499.

LI Xiaofeng, ZHANG Jingwen, GAO Hongkai, et al. Ion barrier of MCP in the third generation image intensifier[J]., 2001, 30(12):1496-1499.

[22] 楊曉軍, 李丹, 喬凱, 等. 防離子反饋微通道板表面碳污染去除的試驗(yàn)研究[J]. 紅外技術(shù), 2020, 42(8): 747-751.

YANG Xiaojun, LI Dan, QIAO Kai, et al. Experimental study of C pollution removal from microchannel plate with ion barrier film[J]., 2020, 42(8): 509-518.

[23] Jan Van Spijker. Ion Barrier Membrane for Use in a Vacuum Tube Using Electron Multiplying, an Electron Multiplying Structure for Use in a Vacuum Tube Using Electron Multiplying as well as a Vacuum Tube Using Electron Multiplying Provided with Such an Electron Multiplying Structure. USA, 8471444B2[P]. 2013-01-25.

[24] 李曉峰, 杜木林, 徐傳平, 等. 影響超二代像增強(qiáng)器最高增益的因數(shù)分析[J]. 光子學(xué)報(bào), 2022, 51(3): 0304001-1.

LI Xiaofeng, DU Mulin, XU Chuanping, et al. Analysis on factors affecting the maximum gain of super second generation image intensifier[J]., 2022, 51(3): 0304001-1.

[25] 周異松. 電真空成像器件及理論分析[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1989.

ZHOU Yisong.[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1989.

[26] 向世明, 倪國(guó)強(qiáng). 光電子成像器件原理[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2006.

XIANG Shiming, NI Guoqiang.[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2006.

[27] 李曉峰, 姜云龍, 李靖雯, 等. Cs2Te 紫外光電陰極帶外光譜響應(yīng)研究[J]. 紅外技術(shù), 2015, 37(12): 1068-1073.

LI Xiaofeng, JIANG Yunlong, LI Jingwen, et al. Study on spectral response beyond cut off of Cs2Te ultra violet photo cathode[J]., 2015, 37(12): 1068-1073.

[28] 李曉峰, 常樂(lè), 劉蓓宏, 等. 超二代像增強(qiáng)器分辨力隨輸入照度變化研究[J]. 紅外技術(shù), 2022, 44(4): 378-382.

LI Xiaofeng, CHANG Le, LIU Beihong, et al. Analysis of resolution change of the super Gen.Ⅱimage intensifier with input illumination variation[J]., 2022, 44(4): 378-382.

[29] 董煜輝, 黃麗書(shū), 王俊, 等. 微光像增強(qiáng)器試驗(yàn)方法: WJ 2091-1992[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1992.

DONG Yuhui, HUANG Lishu, WANG Jun, et al. Test Method of Image Intensifier: WJ2091-1992[S]. Beijing: Standards Press of China, 1992.

[30] 董煜輝, 黃麗書(shū), 王俊, 等. 像增強(qiáng)器通用規(guī)范: GJB 2000A-2020[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2020.

DONG Yuhui, HUANG Lishu, WANG Jun, et al. General Specification of Image Intensifier: GJB 2000A-2020[S]. Beijing: Standards Press of China, 2020.

[31] 李曉峰, 李嬌嬌, 李金沙, 等. 超二代及三代像增強(qiáng)器不同響應(yīng)波段的參數(shù)測(cè)量及比較[J]. 光子學(xué)報(bào), 2021, 50(2): 0225001-1.

LI Xiaofeng, LI Jiaojiao, LI Jinsha, et al. Measure and comparison between the second-generation and the third-generation image intensifier within the different region of wavelength[J]., 2021, 50(2): 0225001-1.

[32] 李曉峰, 趙恒, 張彥云, 等. 高性能超二代像增強(qiáng)器及發(fā)展[J]. 紅外技術(shù), 2021, 43(9): 811-816.

LI Xiaofeng, ZHAO Heng, ZHANG Yanyun, et al. High performance super second generation image intensifier and its further development[J]., 2021, 43(9): 811-816.

[33] Nutzel G, Lavout P. Sem-transparent Photocathode with Improved Absorption Tate: US, 9960004B2[P]. 2018-05-01.

[34] 格特×怒茨澤爾, 帕斯卡爾×拉武特. 具有改善吸收率的半透明的光電陰極: CN,104781903A[P]. 2015-07-15.

Nutzel G, Lavout P. Sem-transparent photocathode with improved absorption rate: CN, 104781903A[P]. 2015-07-15.

Performance Comparison Between Super Second Generation and Third Generation Image Intensifiers

LI Xiaofeng1,2，HE Yanbin1，CHANG Le1，WANG Guangfan1，XU Chuanping1

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

Super-second-generation and third-generation image intensifiers are two types of image intensifiers that use different technologies. Super-second-generation image intensifiers employ aNa2KSb(Cs) photocathode, whereas third-generation image intensifiers employ aGaAs photocathode. Third-generation image intensifiers employ higher cathode voltages than those employed by super-second-generation image intensifiers. In addition, third-generation image intensifiers employ anantireflection coating between the glass input window and GaAs photocathode; however, this is not employed in super second-generation image intensifiers. Furthermore, third-generation image intensifiers employ ion barriers on their MCP(microchannel plate), whereassuper-second-generation image intensifiers do not. In terms of limiting resolution, despite the small initial electron velocity, narrow exit angle distribution, and high cathode voltage of the third-generation image intensifiers, the limiting resolutions of the two types of image intensifiers are the same; the advantages of the GaAs photocathode of the third-generation image intensifiers have not been introduced under the existing limiting resolution level. In terms of signal-to-noise ratio, theGaAs photocathode has a higher cathode sensitivity, normally more than twice that of the super-second-generation image intensifier. Thus, theoretically, the third-generation image intensifiers have signal-to-noise ratios that are 1.4 times those of the super-second-generation image intensifiers. However, the two types ofimage intensifiers are basically the same owing to the influence of higher cathode voltage and ion barrier transmittance and the advantage of not introducing the high sensitivity of the GaAs photocathode of the third-generation image intensifiers. In terms of gain, although the third-generation image intensifiers have higher cathode sensitivity and cathode voltage, the super-second-generation image intensifiers compensate for the shortcomings of cathode sensitivity and cathode voltage by increasing the working voltage of the microchannel plate. Therefore, in terms of the existing image intensifier gain, the gains of the two types of image intensifiers are identical. In terms of equivalent background illumination(EBI), owing to the higher sensitivity of the GaAs photocathode, the third-generation image intensifiers can obtain lower equivalent background illumination under the same photocathode dark current. Therefore, the third-generation image intensifiers have higher initial contrast than that of the super-second-generation image intensifiers. The higher the initial contrast of the input image, the higher the contrast of the output image. In terms of halo, because the photocathode of the third-generation image intensifiers has high sensitivity and an ion barrier film, theoretically, the third-generation image intensifiers have higher halo brightness than that of the super-second-generation image intensifiers. However, in actual situation, the halo brightness levels of the two types of image intensifiers are basically the same. In terms of stray light, the GaAs photocathode has an antireflection coating; thus, the stray light is lower than that of the super-second-generation image intensifier, so the imaging of the third-generation image intensifier is clearer and the sense of gradation is better. In terms of spectral response beyond the long-wavelength threshold, because the spectral responses beyond the long-wavelength threshold of the super-second-generation image intensifiers are higher than those of the third-generation image intensifiers, the super-second-generation image intensifiers have better imaging performance than that of the third-generation image intensifier under supplementary illumination using thenear-infrared waveband. For example, without the presence of any light, the super-second-generation image intensifiers can obtain better images at a supplementary illumination of 980 nm wavelength, whereas the third-generation image intensifiers cannot. In terms of theresolution of low illumination, the super-second- and third-generation image intensifiers with similar performance parameters have the same low luminance resolution. It should be noted that this conclusion was obtained under the test conditions of a standard A light source. When the actual environmental emission spectrum distribution is different from that of a standard illuminant A, the low illumination resolutions of the two types of image intensifiers are different. Photocathode sensitivity is a parameter of the photocathode and not of the image intensifier. Thus, the performances of the two types of image intensifiers cannot be compared in terms of photocathode sensitivity. The difference between the super-second and third-generations cannot be understood using the meaning of “generation;” their differences do not lie in the meaning of “generation.”

image intensifier, resolution, signal to noise ratio, gain, Halo, AR coating, ion barrier

TN223

A

1001-8891(2022)08-0764-15

2022-05-24；

2022-06-23.

李曉峰（1963-），男，博士，正高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲⒐庖挂暭夹g(shù)。E-mail: 984118295@qq.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金（11535014）。