全面分析影響超二代像增強器分辨力的因素種類

超二代像增強器是微光夜視儀的核心器件，它采用雙近貼聚焦電子光學系統(tǒng)結構，與二代倒像式像增強器采用的靜電聚焦電子光學系統(tǒng)結構相比，具有體積小、重量輕、性能更好等優(yōu)點。它的工作原理是光電陰極將來自目標的微弱光學圖像轉換成電子圖像，電子圖像經(jīng)過微通道板放大，再經(jīng)陽極高壓加速激發(fā)熒光屏發(fā)光，轉換成亮度增強了的光學圖像，最后經(jīng)過光纖面板輸出窗輸出。超二代像增強器的主要性能指標有分辨力、信噪比及增益。其中，分辨力是指分辨目標細節(jié)的能力，定義為把規(guī)定對比度的標準條紋圖案投射到光陰極上，在熒光屏上所能分辨的最高線對數(shù)。分辨力的高低表征了像增強器成像效果的清晰度，將直接影響夜視整機系統(tǒng)的觀測距離、響應速度和識別精確度。

目前，微光像增強器行業(yè)技術領軍隊伍主要是美國和法國，其中美國L3 Harris Technologies公司及其控股公司的市場占有率超過了50%，法國Photonis公司緊隨其后，占有率達到23%。全球市場份額前5位的公司分別來自美國、法國、俄羅斯和中國。北方夜視技術股份有限公司（簡稱“北方夜視”）是我國唯一一家具備微光像增強器量產能力的企業(yè)。為了提高國內夜視裝備作戰(zhàn)能力，急需提高夜視裝備核心器件——微光像增強器的分辨力水平，達到或優(yōu)于國際先進水平。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，北方夜視技術股份有限公司與微光夜視技術重點實驗室的聯(lián)合科研團隊在《紅外技術》期刊上發(fā)表了以“超二代像增強器分辨力提高方法”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為李廷濤工程師，主要從事真空光電器件的研究工作；通訊作者為李曉峰正高級工程師，主要從事真空光電器件的研究工作。

本文從理論出發(fā)，全面分析影響超二代像增強器分辨力的因素種類，在對已有微通道板分辨力提高研究的基礎上，提出了能夠提高超二代像增強器分辨力的可行性技術方案。通過實驗驗證和對比，得到能夠有效提高分辨力的方法，最終實現(xiàn)超二代像增強器分辨力的提升，達到國際先進水平。

理論分析

超二代像增強器的雙近貼聚焦結構如圖1所示。圖中：d?表示陰極近貼距離；d?表示陽極近貼距離；Vcm表示陰極與微通道板之間的電壓；V??表示微通道板與熒光屏間之間的電壓。

圖1 超二代像增強器結構示意圖

超二代像增強器的分辨力由陰極輸入窗、多堿光電陰極、陰極聚焦（光電陰極至微通道板輸入面）、微通道板、陽極聚焦（微通道板輸出面至熒光屏）、熒光屏、光纖面板輸出窗的分辨力所決定，故超二代像增強器的分辨力計算公式也與以上因素有關。

陰極輸入窗為玻璃，其分辨力遠超其他部件，可等效于無窮大。代入超二代像增強器分辨力公式后，其平方的倒數(shù)趨近于零，故不需考慮陰極輸入窗分辨力對超二代像增強器分辨力的影響。多堿光電陰極的厚度只有0.2 μm左右，對超二代像增強器分辨力的影響較小，因此，也不需考慮光電陰極分辨力的影響。

陰極聚焦分辨力與光電陰極和微通道板間的電壓成正比，與陰極近貼距離成反比。在極間電壓不變的情況下，通過減小并精確控制陰極近貼距離可提高陰極聚焦分辨力。

微通道板分辨力與通道孔徑成反比。微通道板的每一根通道相當于一個像素，要提高微通道板的分辨力，最直接的途徑就是進一步減小微通道板的通道孔徑。但是，由于有最佳長徑比的限制，通道孔徑的減小將迫使微通道板的厚度也隨之減小。這會導致微通道板在生產和使用過程中極易發(fā)生變形和破裂，意味著制造難度的增加以及制造成本的上升，所以目前使用的微通道板最小孔徑為5 μm，并且有逐步取代6 μm微通道板的趨勢。

同時，微通道板的分辨力還與倍增電子的出射角度有關。電子從微通道板出射后，微通道板輸出電子如圖2示，其出射方向與法線有一定夾角，其速度除了有微通道板軸向分量，還有橫向分量，橫向分量不受微通道板與熒光屏間的靜電場作用，因此，電子以拋物線軌跡發(fā)散，在熒光屏上形成一個彌散斑，最終造成圖像模糊，降低了器件分辨力。電子出射角度越大其橫向散射就越大，彌散斑越大，器件分辨力越低。在微通道板孔徑一定的條件下，通過采取一些行之有效的方法來減小微通道板出射電子角度和降低微通道板出射電子橫向散射是提高微通道板分辨力的有效途徑。關于這方面研究很多，其中也包括了微通道板的末端損失技術，即在微通道板的輸出端鍍制防電子彌散膜。該項技術的核心是在微通道板的輸出電極上覆蓋一層逸出功更高的金屬膜層，微通道板輸出電極鍍膜如圖3示，該膜層對進入通道的部分出射電子起準直的作用，由此來減小微通道板輸出電子的散射角，從而提高微通道板的分辨力。

圖2 微通道板輸出電子示意圖

圖3 微通道板輸出電極鍍膜示意圖

陽極聚焦分辨力與微通道板和熒光屏之間的電壓成正比，與陽極近貼距離成反比。通過增加微通道板與熒光屏之間的電壓或減小陽極近貼距離來提高微通道板與熒光屏之間的場強，都可以提高陽極聚焦分辨力。但是，該方法也會導致微通道板、熒光屏、絕緣介質及金屬件出現(xiàn)放電、擊穿等疵病的概率增加，造成超二代像增強器失效。目前通過提高絕緣介質的介電強度，消除殼體內部金屬件的尖角和毛刺，能夠在一定程度上降低像管殼體放電比例。但是熒光屏邊緣倒角及柱面位置處的鋁膜在微通道板與熒光屏之間的場強進一步提高后容易導致翹起并放電，而現(xiàn)有的熒光屏制作工藝暫時還無法解決這一問題，需要研究新的熒光屏制作工藝。權衡像增強器性能提升與生產成本之間的關系，同時參考業(yè)內相同產品的設計尺寸后，確定了較為適宜的參數(shù)組合，即將陽極近貼距離d?設定為0.6 mm，微通道板與熒光屏之間的電壓V??設定為6000 V。

對熒光屏分辨力產生較大影響的因素有：熒光粉顆粒度、粉層厚度和鋁膜厚度。由于分辨力及發(fā)光效率兩個性能參數(shù)的相互制約，需選用顆粒度適中的熒光粉，并且粉層厚度和鋁膜厚度也需要優(yōu)化匹配。根據(jù)相關報道得知，對于粒度為3~5 μm，粉層厚度為8~10 μm的熒光屏而言，其分辨力≥l00 lp/mm。目前，批量制造的熒光屏所用熒光粉粒度為2~4 μm，熒光屏粉層厚度為6~7 μm，鋁膜厚度為60~80 nm。該工藝制作的熒光屏使用在一代像增強器（沒有使用微通道板的靜電聚焦結構像增強器）時，其分辨力可達到l44 lp/mm。在超二代像增強器中使用相同工藝制作熒光屏時，該熒光屏的分辨力遠大于超二代像增強器的分辨力，故熒光屏分辨力可以忽略不計。

光纖面板輸出窗的分辨力與光纖面板的絲徑有關。光纖面板的絲徑與分辨力關系可用微通道板分辨力計算公式表示。光纖面板的每一根纖維相當于一個像素，要提高光纖面板的分辨力，最直接的途徑就是進一步減小光纖面板的絲徑。但是，絲徑的減小意味著制造難度的增加以及制造成本的上升。通常使用的光纖面板的絲徑為6 μm。近年來，隨著制造技術的進步，4 μm光纖面板的制造工藝也逐漸成熟。

由以上影響因素的分析結果可知，陰極輸入窗及多堿光電陰極的分辨力可忽略不計。由于制作工藝及條件的限制，熒光屏分辨力及陽極聚焦分辨力進一步提高的條件還不成熟。因此，通過減小陰極近貼距離、減小微通道板通道孔徑、減小光纖面板輸出窗絲徑以及對微通道板鍍制防電子彌散膜的方法來達到提高超二代像增強器分辨力的目的。

實驗驗證

陰極近貼距離

陰極近貼距離精確控制的理論值主要是通過下述步驟得到：首先，車削微通道板的裝配面，將微通道板裝配面的平面度控制在0.01 mm以內。然后，將陰極輸入窗臺階高度尺寸及微通道板厚度尺寸固定。最后，以微通道板裝配面為基準車削陰極輸入窗封接面，將管殼車銦尺寸的公差控制在0.01 mm以內。但是，由于熱銦封工藝的影響，實際的陰極近貼距離與計算得到的裝配控制距離存在一定的偏差。解決實際陰極近貼距離精確控制的方法是：在超二代像增強器制作完成后，通過專用設備精確測量出實際的陰極近貼距離，通過大量陰極近貼距離測試數(shù)據(jù)的積累，掌握偏差量的變化范圍，反推出改進的管殼車銦尺寸。最終將陰極近貼距離控制在0.08~0.10 mm的范圍內。

陰極近貼距離測試的原理是使用專用設備發(fā)出一束波長為900~1000 nm的近紅外單色光照射超二代像增強器的陰極輸入窗，通過可上下調節(jié)的低照度COMS相機聚焦超二代像增強器陰極輸入窗的電極，當圖像最清晰時，記錄下此時的聚焦位置Z?；向下調節(jié)低照度COMS相機并聚焦至微通道板的輸入面，當圖像最清晰時，記錄下此時的聚焦位置Z?。陰極近貼距離d?＝Z?-Z?。在每支超二代像增強器的陰極輸入窗表面上互為120°的位置測試3個陰極近貼距離參數(shù)（分別記為：位置1、位置2、位置3），取平均值作為該支超二代像增強器的陰極近貼距離。

通過以上對超二代像增強器分辨力影響因素的分析，可固定以下分辨力提高實驗的條件：陰極輸入窗采用玻璃窗、陰極與微通道板之間的電壓Vcm為-200 V、微通道板與熒光屏之間的電壓V??為6000 V、陽極近貼距離d?為0.6mm、熒光屏采用現(xiàn)行工藝制作。

使用6 μm光纖面板，6 μm微通道板，陰極近貼距離的理論裝配值為0.15 mm時，超二代像增強器分辨力的測試值為57 lp/mm。距離理論值為0.15 mm時，超二代像增強器陰極近貼距離及分辨力測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 超二代像增強器陰極近貼距離及分辨力測試數(shù)據(jù)（距離理論值為0.15 mm）

使用6 μm光纖面板，6 μm微通道板，陰極近貼距離的理論裝配值為0.12 mm時，超二代像增強器分辨力的測試值為60 lp/mm。距離理論值為0.12 mm時，超二代像增強器陰極近貼距離及分辨力測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 超二代像增強器陰極近貼距離及分辨力測試數(shù)據(jù)（距離理論值為0.12 mm）

使用6 μm光纖面板，6 μm微通道板，陰極近貼距離的理論裝配值為0.08 mm時，超二代像增強器分辨力的測試值為64 lp/mm。距離理論值為0.08 mm時，超二代像增強器陰極近貼距離及分辨力測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 超二代像增強器陰極近貼距離及分辨力測試數(shù)據(jù)（距離理論值為0.08 mm）

由以上3個實驗的結果可知，在其他實驗條件相同的情況下，隨著陰極近貼距離的縮小，超二代像增強器的分辨力逐漸提高。超二代像增強器的分辨力與陰極近貼距離的關系如圖4示。如果想通過不斷地縮小陰極近貼距離來提高超二代像增強器的分辨力，會導致多堿光電陰極與微通道板之間出現(xiàn)放電、擊穿等疵病的概率增加，造成超二代像增強器失效。

圖4 分辨力與陰極近貼距離關系

光纖面板絲徑

根據(jù)光纖面板輸出窗分辨力計算公式，當光纖面板的絲徑縮小到4 μm時，其分辨力理論值為144.3 lp/mm。使用4 μm光纖面板，6 μm微通道板，陰極近貼距離的理論裝配值為0.08 mm時，超二代像增強器分辨力的測試值為68 lp/mm。不同絲徑光纖面板的超二代像增強器分辨力測試數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同絲徑光纖面板的超二代像增強器分辨力測試數(shù)據(jù)

微通道板

在保證最佳長徑比的情況下，目前微通道板通道孔徑可以縮小到5 μm。根據(jù)微通道板分辨力計算公式可得，微通道板的通道孔徑為5 μm時，其分辨力理論值為115.5 lp/mm。使用4 μm光纖面板，5 μm微通道板，微通道板鍍輸出防電子彌散膜，陰極近貼距離理論裝配值為0.08 mm時，超二代像增強器分辨力的測試值能達到72 lp/mm。不同微通道板狀態(tài)下超二代像增強器分辨力測試數(shù)據(jù)見表5。

表5 不同微通道板狀態(tài)下超二代像增強器分辨力測試數(shù)據(jù)

綜合驗證

通過綜合減小陰極近貼距離、減小微通道板通道孔徑、減小光纖面板輸出窗絲徑以及對微通道板鍍制防電子彌散膜的方法，超二代像增強器分辨力最高值達到了76 lp/mm，比原有超二代像增強器的分辨力提高了33.33%。實驗前后超二代像增強器分辨力測試數(shù)據(jù)見表6。

表6 實驗前后超二代像增強器分辨力測試數(shù)據(jù)

結論

在固定陰極輸入窗、光電陰極、陽極近貼距離及熒光屏制作工藝的前提下，可以通過減小陰極近貼距離、減小微通道板通道孔徑、減小光纖面板輸出窗絲徑以及對微通道板鍍制防電子彌散膜的方法來提高超二代像增強器的分辨力：

1）使用相同類型的微通道板和光纖面板輸出窗，并保證微通道板裝配面與陰極輸入窗封接面之間平行差≤0.01 mm的前提下，陰極近貼距離由0.15 mm縮小到0.12 mm，超二代像增強器分的辨力可以提高3 lp/mm，陰極近貼距離由0.12 mm縮小到0.08 mm，超二代像增強器的分辨力可以提高4 lp/mm。將3個陰極近貼距離條件下測得的分辨力值代入分辨力計算公式中，可求得陰極聚焦分辨力計算公式中的系數(shù)K值，系數(shù)K的平均值為1.107。

2）當陰極近貼距離固定為0.08 mm，將光纖面板輸出窗的絲徑縮小為4 μm時，超二代像增強器的分辨力又可以進一步提高4 lp/mm。

3）當陰極近貼距離固定為0.08 mm，光纖面板輸出窗的絲徑為4 μm，微通道板絲徑縮小為5 μm且輸出面鍍制防電子彌散金屬膜時，超二代像增強器的分辨力又可以進一步提高4 lp/mm。

4）綜合以上影響因素，超二代像增強器的分辨力最高達到76 lp/mm，比原有超二代像增強器的分辨力提高了33.33%。

5）隨著材料性能的提升和制作技術的不斷進步，可以進一步提高熒光屏與微通道板之間的場強，從而進一步提升超二代像增強器的分辨力。

這項研究獲得了的國家自然科學基金（11535014）資助和支持。

編輯：黃飛

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