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2023年 云光技术 第55卷 第2期 16 像增强器的发展现状和趋势 陆剑鸣（北方夜视科技研究院集团有限公司，云南 昆明 650223）0 前言 本文阐述了像增强器现代发展的主要趋势，其中一个主要的趋势是国外第代像增强器的参数水平明显得到提高，包括研制在近红外波段里提高灵敏度的像增强器，发展代并研制其改进型，以及通过电子和计算机处理“分置”式显示器（代像增强器）里所获得的图像来扩展像增强器的功能。本文以俄罗斯“奥里昂”科研生产联合体（）与“奥莱科斯”（）光电子和夜视技术国际中心近年来联合研制的昼夜彩色立体电视观察系统为例来加以说明。作为夜视仪主要器件的像增强器技术的发展在 20 世纪 60 年代末到 80 年代初是一个蓬勃发展的时代。在这一时期很快研制开发出代新型像增强器（代、代、代）、主要的光纤器件和微通道板。从 20 世纪 80 年代到现在，像增强器的发展可以用“平静，但进步明显”来形容。尽管在这一时期没有开发出新一代像增强器，但在发展主要器件上以及在像增强器与其配套产品进行优化应用相结合的发展中所取得的成就导致了已开发的增强器及其相应夜视仪的参数大幅增长。这在与研制新一代像增强器进行比较的完善改进型的叫法上得以反映：出现了代、代、Super代、代等。这反映在与研制代、代、Super 代、等新一代相比较的升级版本的名称中。遗憾的是，这一发展中的主要成就是在外国公司，它们决定了现代像增强器的水平。国内开发单位的滞后与众所众知的经济形势有关，这主要是由于像增强器主要配件的质量下降和价格上涨。在这种情况下，国内开发单位无法提供“外国”参数水平，被迫为接近零代的简化像增强器寻找技术经济的“生境”。1 代像增强器 代像增强器与其前身的带有高效负电子亲和势的砷化镓半导体光电阴极截然不同，于19801982 年首次在国际武器展上展出。在分辨率为 3236 lp/mm 的情况下，这些像增强器的积分灵敏度为 1000 A/lm。随后，美国 Litton，ITT，Varian 公司在美国国防部的资助下，对这些像增强器进行了密集的改进工作。据报道，Litton 公司的开发人员通过使用发光和光谱学方法对光电阴极半导体结构的生产过程进行严格控制，在现成的OMNI IV像增强器中实现了1800 A/lm的光电阴极积分灵敏度。在 830 nm 波长下，这种阴极的光谱灵敏度（图 1）为 190 mA/W，相当于 30%的量子输出（0.3 个电子/量子），而在 600 nm 波长下，量子输出为 40%（理论上限为 50%）。与早期的改进型相比，由于输入半导体层的优化选择，光电阴极在光谱的“蓝色”部分（达到 400450 nm）也具有良好的灵敏度。显然，在文件中输入这些灵敏度值意味着存在一定的技术储备，并且能够产生超过 2000 A/lm 的灵敏度。像增强器的发展现状和趋势 陆剑鸣17 图 1 现代光电阴极的典型光谱特性 图 1 中：1 为多碱（S-25）光电阴极；2 为改进的多碱光电阴极（Super S-25）；3 为 OMNI IV改进的第代光电阴极（GaAs）；4 为基于 InGaAs 的扩展到近红外（ENIR）的光电阴极。按照美国国防部的订购，第代 OMNI III 和 OMNI IV 像增强器里使用了通道直径为 9 m和 6 m 的微通道板（以前使用通道直径为 12 m 的微通道板）。这使得像增强器的分辨率从 3236 lp/mm（80 年代早期的像增强器）提高到 52（OMNI III）和 64（OMNI IV）lp/mm。第代像增强器参数的提高大大增加了夜视仪的作用距离，尤其是在低于 0.001 lx 的地面照度情况下。与采用代或“早期”第代像增强器的同等夜视仪相比较，在这种照度情况下，AN PVS-7 夜视仪（夜视镜）的作用距离增加了 1.51.6 倍1。第代像增强器也可用来升级采用第代像增强器的夜视仪，无论是采用双面式，还是采用倒像式光电系统的第代像增强器。方案之一是 ITT 公司提出的对坦克驾驶夜视仪进行现代化改造2。夜视仪里所采用的光电阴极工作直径为 25 mm 的第代像增强器（类似于俄国产-10或“通道”像增强器）将通过以下方式被相同工作直径的第代像增强器所代替。能把“像增强器管脚”（+）系统的光学长度（光程）延长到所替换的倒像式像增强器长度的扭转式光纤管脚与第代像增强器的输出光纤板进行光学连接。近来用“像增强器管脚”系统的取代不需要改变夜视仪的光学电路及其部件，这在经济上非常有利。由于第代像增强器具有更高的灵敏度和分辨率，因此夜视仪的作用距离（考虑到管脚里的损耗）几乎翻了一番。这种替代的总体技术经济效果抵消了第代像增强器的高成本。2 延伸到红外灵敏度的第代像增强器 直到最近，唯一对超过 0.9 m 范围敏感的光电阴极是氧银铯光电阴极（按照美国分类为 S-1），其“红色”边界为 1.21.4 m。这种光电阴极的缺点是积分灵敏度低（3050 A/lm）和暗电流高（10131011 A/cm2）。因此，带有此类光电阴极的像增强器实际只能用于利用红外探照灯对所观察目标进行照射的夜视仪上（按照现有的术语则为主动夜视仪）。这种仪器在历史上被称之为第代夜视仪，当然也只能用来对付没有类似技术装备的敌人。尽管后来开发了更有效的“红色”边界为 0.9 m 的多碱光阴极像增强器，但对较长波长的光电阴极的兴趣并没有减弱，原因是夜空辐射强度较高，以及在超过 0.9 m 的波段里自然和人2023年 云光技术 第55卷 第2期 18 工物体反射系数上的差异较大。对长波光电阴极感兴趣的另一个原因是开发波长为 1.06 m 的高效 Nd:YAG 激光发射器，并需要能够对其辐射进行显示。后者可以是自己的照明或目标指示，也可以是敌人类似设备和测距仪的辐射。由于对基于 AIII-BV化合物的带有负电子亲和势的光电发射体进行了大量的研究，因此研制比氧银铯光电阴极具有更高积分灵敏度的长波光电阴极出现了可能性。基于 AIII-BV化合物的光电阴极被认为是最有前途的，该化合物具有附加电场，可减轻电子在真空中的输出，并能得到 1.61.8 m 范围里的光电发射。在 1.21.6 m 范围内，获得了带有此类光电阴极的像增强器样品，量子输出高达 10%3。然而，这种像增强器技术无法批量生产。主要原因是薄光电阴极中的强电场（高达 50000 V/cm）会导致图像质量（均匀性、缺陷）和可靠性（电强度）方面的不合格。增加第代光电阴极红外灵敏度的工作取得了更大的成功：通过在 GaAs 活性层中添加了1015%的铟并通过这种方式产生 InGaAs 三元化合物，利用光致发光和喇曼光谱法仔细控制其组分2。因此，利顿（Litton）公司基于第代像增强器的标准结构研制了一个名为“延伸近红外”（Extended Near IR）的光电阴极像增强器，简称 ENIR。这种像增强器在积分灵敏度为 3001000 mA/lm 情况下的光谱灵敏度见图 1。在 1.06 m 的“激光”波长上，灵敏度为 0.0250.35 mA/W（量子输出分别为 0.0030.04%），略低于该波长上氧银铯光电阴极的灵敏度（约 0.7 mA/W）。然而，较低的暗电流（大约 5.1014 A/cm2）和更高的积分灵敏度可开发出新型光电阴极，这无论是对于开发被动式夜视仪，还是对于开发光照式夜视仪都极具前景。在 AQUILA III 夜视仪里对采用这种光电阴极和 46 lp/mm 分辨率的第代标准结构的像增强器进行了测试，结果如下：在 0.005 lx 的夜间照度下，对人体的可视距离达到 800 m，对坦克的可视距离达到 3200 m，在这两种情况下，背景都是绿草4。带有延伸近红外（Extended Near IR/延伸近红外）光电阴极的像增强器甚至可以探测广泛采用 Nd:YAG 激光测距仪的单个脉冲，更不用说探测测距仪和 GaAs 激光照明设备了。采用这种像增强器的夜视瞄准镜和夜视镜可以提高对由一个小光束散射角激光发射器进行照明的目标的夜间射击精度，该激光发射器的轴线与射击武器的枪膛轴线相校准。在这种情况下，除了配备了延伸近红外光电阴极的像增强器外，任何其他夜视仪都不会探测到瞄准光束及其对目标的“标记”。3 代像增强器 由于第代像增强器的成本很高，像增强器和夜视仪的开发人员做出了一个合乎逻辑的决定：在改进和降低第代像增强器成本的同时，开发一个完全类似的结构（包括光学和电气参数）的像增强器，具有成熟和更便宜的多碱光电阴极。这种像增强器将在第代像增强器的大规模生产开始之前就配备夜视仪，然后再用第代像增强器取代这种“临时的”像增强器。这些具有双平面静电聚焦和微通道放大的“临时”像增强器被称为代像增强器，而不是具有旋转静电聚焦和微通道放大的第代。据推测，代像增强器的参数明显接近第代。在这些像增强器的开发过程中，飞利浦（Philips）公司取得了最大的成功，研制了 1610 像增强器，远远超过了第代的参数，接近于第代像增强器。这些像增强器的公司注册名为 Supergen。在这些像增强器中，多碱光电阴极（Super S-25）的典型积分光敏度为 650 A/lm（在标准代和代像增强器中，该值不超过 280350 A/lm）。在空间频率为 25 lp/mm 时，频率对比度像增强器的发展现状和趋势 陆剑鸣19 不低于第代像增强器 OMNI III 的 19%，分辨率为 3640 lp/mm5。Supergen 的开发人员根据以下因素获得了像增强器良好的噪声特性。与第代光电阴极相比较，多碱光阴极是一种更坚固的化合物，它在微通道板通道里所产生的正离子和轰击光电阴极的作用下几乎不降解。因此，代像增强器中没有代像增强器里所采用的微通道板输入端离子势垒膜。这种薄膜保护光电阴极免受正离子的侵害，同时防止 30%50%的光电阴极发射电子进入微通道板。后者导致光子检测效率降低，像增强器的噪声增加。除了没有离子势垒膜外，微通道板两个重要特性的改善也有助于降低噪声。在 Supergen 像增强器中，飞利浦公司使用了由自己技术制成的双层玻璃微通道板。这些微通道板具有较高的透明度（即微通道板输入平面上通道总面积与微通道板工作总面积之比），并且在电子与通道壁碰撞时具有较高的二次发射系数。因此，在这些像增强器里噪声因素值降至 1.5，而第代像增强器的该值为 3.03.5。上述参数的增加确保了 Supergen 代像增强器在高达 0.001 lx 的照度条件下达到与采用第代像增强器（不包括最新的 OMNI IV）几乎相同的夜视仪作用距离。因此，Supergen 像增强器从一个“临时替代”方案变成了一个独立的，更便宜的第代像增强器的替代品。这导致了配套夜视仪的相互替换的第代和第代像增强器的设计理念发生了变化。相对便宜和大规模装备的夜视仪（单筒夜视镜，轻武器瞄准具，夜视镜）最好配备代像增强器，第代像增强器用于特殊任务，需要在低于 0.001 lx 的照度条件下获得最大射程的夜视仪上。在高价值对象（坦克、直升机、装甲运兵车）中使用夜视仪的情况下，自然会使用第代像增强器，以最大限度地提高应用对象夜间行动的效率。4 带 CCD 的像增强器：第代像增强器及夜视仪 利用像增强器把所获得的图像转换成视频信号。利用电荷耦合器件（CCD）阵列把像增强器所获得的图像转换为视频信号并可在远程分散显示器上进行观察的仪器，在民用和特殊用途中具有很强的应用前景：夜间保护设施、驾驶车辆、远程监视动物的夜间活动等。这些设备的显示器或者可以在 100 m 及以上的距离上与传感器单元（物镜像增强器CCD）进行分开布置，或者在微型方案里，显示器布置在观察者眼睛的前面。显示器与传感器单元的通信可以是有线的，也可以利用微型电视发射机进行通信。在后一种情况下，图像可以通过普通电视接收器的一个频道进行接收。这种带有“分离”显示器的全新布局的夜视仪可划分为一个新的代，即第代夜视仪（以前的代数是按照其中所采用的像增强器的代数来进行划代的）。研制这种具有实际夜视意义的参数的夜视仪是在开发出具有光的高增益像增强器之后首次实现的。这是因为在首个混合式转换器中，图像与第代、第代或第代像增强器输出屏幕和CCD 接收阵列的光学“对接”是通过转移光学，或者是通过高能量损失福康（focon）来实现的。在 CCD 阵列的阈值灵敏度大约为 0.1 lx 情况下，为了在夜间照度下增加 CCD 的分辨率，提高像增强器的分辨率和图像品质，首先不能有空间（结构）噪声，同时要求像增强器的增益不低于10000。对通过福康（focon）与 ICX 038/039 CCD 对接的带有不同类型的像增强器CCD 传感器组件进行的研究表明，在 0.001 lx 的照度下，使用第代像增强器可达到 100 条电视线的分辨率，对于 Supergen 像增强器，在 0.0001 lx 的照度下，可达到 180 条电视线的分辨率。在大约2023年 云光技术 第55卷 第2期 20 0.001 lx 的照度下，这些传感器可保证 400 条电视线的分辨率，这使得它们在夜视系统中非常有前途6。目前这些系统有几个不同的发展方向。一些外国公司正在生产通过福康（focon）与 CCD 阵列对接的像增强器，它们被称之为“低照度图像传感器”（Low Light Level Imag Sensors）或“增强型 CCD 图像传感器”（Intensified CCD image sensors）。例如，荷兰德乌德代尔夫特（De Oude Delft）公司基于第代像增强器生产的这种像增强器（1760 型），在夜间照度情况下可保证分辨率达到 400 条电视线。这种像增强器最具前景，即：CCD 阵列布置在像增强器的真空容积里，并由一个携带有图像信息的电子束直接从背面进行激励。在这种情况下，它会避免将电子能量转换为光能（超过 80%）及其通过光学系统或福康传输到 CCD 的损失。因此，这种器件在信息容量和阈值照度方面远远超过所有其他类型的 CCD像增强器，在电子激励 CCD 像增强器里照度达到了 0.000001 lx。具有高灵敏度光电阴极代或代、带有电子激励 CCD、输出端以 CCD 阵列触点形式制成的或直接输出视频的像增强器最近被称为第 4 代像增强器。尽管这种像增强器具有明显的优势，但在将光电阴极和 CCD 技术结合在一个真空容器里，它们工艺上非常复杂。此外，为了从后方进行电子激励，如何获得一个薄薄的 CCD 也是一个很大的问题。因此，目前只有为数不多的公司能生产出第代像增强器，其中包括俄罗斯的中央电子科技研究所（），但其成本高于第代像增强器的成本。因此，现在更常见的第代夜视仪里，其中像增强器通过转移光学或福康（focon）与 CCD结合。一些国外公司将一个带有“C”形螺纹的适配器附加在标准夜视仪上作为所选套件，这种适配器允许夜视仪与标准 CCD 视频摄像机相连来代替它们的“日用”物镜。例如，Litton 公司生产的 M982/M983 型、M942/M944 型、AN/PVS-8 型夜视仪里和 EEV 公司生产的 NITE Watch 夜视仪里就提供了这种配套设备。美国“因特瓦克”（Intevac）公司生产了一种“Nite Mate”CCD“助手”视频摄像机，这是一种由第代像增强器、输入直流电压为 12 V 的电源单元（与 CCD 摄像机的电源兼容）和传输光学组成的摄像机。在仪器的输入和输出端上有一个统一的用于连接 CCD 摄像机镜头和摄像机本身的“C”形螺纹连接适配器。在这种情况下，它具有自动控制物镜的工作能力（auto-iris）。制造商广告宣称，使用 1/2 英寸或 2/3 英寸规格的标准 CCD（阈值灵敏度 0.1 lx）在 0.0001 lx（多云星夜）的照度下能获得 425 条电视线的分辨率。另一个发展方向是完全或部分集成的第代夜视仪。小型电视照明通用夜间观测系统（Televised Lightwight Universal Night Observation Systems）（Telelunos）是比利时荷兰代尔夫特传感器系统公司（Delft Sensor Systems）的一个例子。该系统由一个输入镜头、一个与 2/3 英寸756581 元 CCD 连接的代或代像增强器、一个远程显示器和一个控制单元组成。该系统配备了 3 个镜头（1X、4X 和 6X），并提供了变焦镜头（Zoom）和可变光圈的可能性。通过控制台来控制镜头。当使用可变光圈镜头时，该系统的动态范围在 0.0001 至 100000 lx 之间，可以在白天和夜间用于观察和记录观察到的场景和物体。当使用 1 X 镜头、水平分辨率为 0.44 电视线/mrad（相当于整个视场的 360 线）、照度为 0.0001 lx 时，系统的视场为 32（水平）24（垂直）；在同等条件下，当使用 6X 镜头时，系统的视场为 5.44.0，分辨率为 3.78 电视线/mrad7。将像增强器获得的图像转换为模拟或数字视频信号为图像处理提供了额外的可能性，以提高其信息量。俄罗斯“奥里昂”科研生产联合体（）与“奥莱科斯”（）公司共同开发像增强器的发展现状和趋势 陆剑鸣21 了一个利用第代夜视仪或热像仪获得的视频信号形式的图像计算机动态着色系统。与已知的通过视频信号振幅选择获得常规颜色图像的方法不同，开发的系统将 256 色调色板中的一种颜色“分配”给每个视频信号值，并以与眼睛视觉反应潜伏期相反的速度循环更改调色板的颜色。该软件允许使用 72 个调色板，并以 15Hz 的频率传输 256192 元的彩色图像。该系统允许更好、更快地区分小细节和低对比度细节，因为在观察的特定时刻，它们被涂成与背景相反的颜色。这有助于在图像中发现黑白照片中看不见的细节，不仅可以用来提高夜间或热成像图像的信息量，而且还可以在解码天文、生物和其他物体的照片方面提供实际优势。“奥里昂”科研生产联合体与“奥莱科斯”公司开发的夜间立体电视监控系统具有更大的能力（图 2）。在该系统中，图像由两个通道生成，每个通道包含一个可控镜头和一个与 CCD 接口的高质量双平面像增强器。视频信号被转换成数字形式，经过特殊的电子和计算机处理后，被传送到虚拟现实眼镜（头盔）上，或者用液晶光阀眼镜在显示器上显示。该系统提供了一个三维（立体）图像，具有很好的场景深度和观察对象的三维传输，并具有调整立体区域和深度分辨率的能力。夜景立体成像具有立体视觉信息显示设备的所有已知优点：更好、更快的物体识别能力、更高的物体相互位置评估精度等8。对于夜视，与二维（平面）图像相比，立体声图像中的波动噪声降低是最重要的。这是因为噪声在心理生理上被感知到分布在三维空间中，与图像的特定细节无关。图 2 立体昼夜电视监视系统 所述系统中像增强器的电源电路提供“电子光阑”和“电子快门”效果，确保设备在夜间和白天以及脉冲模式下的工作能力。为保证在雨雾条件下工作的可能性，系统可以配备与“电子快门”同步的激光照明。该系统有广泛的应用前景，包括可以有效地进行夜间车辆驾驶。道路图像的立体性，小障碍物的良好探测性将使夜间驾驶速度提高 1.41.5 倍。在远程控制机器人机械手（包括排雷机器人）中，在白天或夜间使用立体系统也是极具前景。这种立体系统将通过更好地评估物体的相互位置来提高机器人及其机械手的运动控制效率。在配备有光电滤波电路时系统还能获得自然颜色的图像。通过在白天观察物体的实验表明，系统具有与第一台彩色电视图像相匹配的色彩传输能力。在夜间条件下（在月光下），观察到的场景几乎是正常的“白天”着色。除了纯粹的艺术方面外，彩色图像还可以提高物体的探测速度和识别能力。彩色夜视系统可使识别速度提高 30%，并将识别误差降低 60%7。5 结束语 第代、第代和第代 ENIR 像增强器的高参数不仅在技术工艺上接近，而且在量子输出2023年 云光技术 第55卷 第2期 22 和光敏长波边界上也接近理论极限。对于第代光电阴极，其光电灵敏度的物理限制波长为1.1 m，在此之后，光电系统将无法实现3，并且与常规光电阴极一样，暗光发射开始急剧增加。物理原理也限制了按照“光敏导体-电致发光体”方案制造的固态类似物像增强器的可能性。这种像增强器只能在光导体电导区内平衡载流子浓度较低的情况下，即在其禁带足够宽和在相应的长波灵敏度边界比较“短”的情况下，才能保证有明显的增益（大于 10）。提高像增强器夜视仪信息量的主要前景与电子和计算机对像增强器所产生的图像处理技术有关，它可使信息量提高 1.32 倍，以及与下一代多光谱夜视仪里与基于像增强器所开发的光电通道（0.41.1 m）和红外热像通道（35 m，814 m）相组合有关。参考文献：1 Litton(),IDEX97.2 ITT(),IDEX97.3 ./.11.-.,1979.4 Estera D.,Sainer T./SPIE,1994.V.2551.P.135-143.5 Philips Photonics(),1995.6 Busch L./.V.2551.P.159-172.7 Delft Sensor Systems(,),IDEX97.8 .-.:,1983.