像增强器的发展现状及未来发展趋势

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  夜视技术的发展以及夜视装备的广泛应用,使部队突破了夜幕的障碍,可以在漆黑的夜晚进行战场观察、目标捕获、瞄准射击,大幅度提高了武器系统的夜间作战效能和部队的夜战能力,从而确立了夜战在现代战争中的地位。
  夜视技术主要以微光夜视技术和红外夜视技术为代表。红外夜视技术的优点是灵敏度高、作用距离远,能穿透烟尘、雾观察目标,但体积和重量相对较大,主要应用于车载 、机载和舰载远程应用。几十米到几百米距离的近程夜间观察、瞄准射击则主要通过微光夜视技术来解决。近年来,微光收视技术虽然面临着红外夜视技术的挑战,但是其在性能和成本上依然具有明显的优势。微光夜视装备虽然作用距离较近,但成像分辨力高,图像与可见光图像相仿,符合人眼观察习惯,便于进行目标识别,而且造价相对便宜,适合大量装备。基于这些因素,微光夜视装备在未来一段时间内依然具有不可替代的作用。
  微光夜视装备的核心是像增强器。像增强器能将微弱光照射下的景物通过光电阴极的光光电转换、电子透镜的倍增和荧光屏电光转换,成为可见光图像。微光像增强器主要工作在可见光和近红外波段。为了更好地适应战场需求,人们正在研制能够作用距离更远、灵敏度更高、照度更低时观察的新一代高性能微光像增强器。
  一、发展现状
  在军事需求拉动和相关技术发展的推动下,从 20世纪50年代以来微光像增强器技术得到迅速的发展,由一代、二代、三代发展到第四代,微光像增强器也是微光夜视装备划代的标准。
  像增强器由光电阴极、电子透镜和荧光屏等部分组成。像增强器的技术发展的关键是光电阴极和电子光学系统两个部分,它们推动像增强器发展到目前的第四代。
  第一代是三级级联管,由于其体积大,故障率高,难以维修,现已淘汰使用。
  20世纪70年代,第二代微光像增强器问世。这种微光像增强器采用微通道板作为电子倍增手段,利用微通道的二次电子发射作用,在微通道板上外加高压电场,通过单级放大就可获得所需的增益。其典型技术指标为:光电阴极灵敏度为350~400μm/lm,分辨力32~36线对/mm,信噪比为15,寿命为2000h。
  由于第三代像增强器技术的研究不仅需要巨额的费用,而且相关制造工艺复杂,因此目前只有美、俄等极少数国家能够大量生产三代像增强器。西欧目家为了争夺欧洲市场,根据自身的条件,利用已掌握的三代技术对二代像增强器进行改进,开发出性能接近三代的超二代像增强器。超二代借鉴了三代微光负电子亲和势GaAs阴极出现后逐渐成熟的光电发射和晶体生长理论,采用先进的光学、光电检测手段,在性能上有了很大的提高。超二代像增强器的典型性能指标为:光电阴极灵敏度500~700μm/lm,分辨力32-64线对/mm,信噪为 21,寿命达到了 l0000-15000h。超二代像增强器已经实现了大量生产和装备,由于具有良好的性价比,其市场占有率达70%以上。
  三代管中的微通道板离子阻挡膜对来自光电阴极的电子起到散射和阻挡的作用,降低了微通道板的探测率,同时还增加了光晕,降低了信噪比。此外,离子阻挡膜的制备工艺复杂、难以控制,且膜层容易损坏。很长时间以来,人们一直寻找既可以去掉阻挡膜又能保护光电阴极的方法。美目利顿公司于1998年年初首先研制了采用无膜微通道板的像增强管。此管与有膜的三代管相比,工作寿命长,探测距离和分辨力明显提高,即使在多云星光的极低微弱光的黑夜里也照样能够正常工作,这种就是后来被人们称之为第四代管的像增强器。在第四代管的研制过程中,不仅成功地完成了“无膜”像管结构设计,而且还成功地开发了光电阴极使用的门控电源技术。门控电源可以庙感知到进入管了的光亮,并通过控制光电阴极电压开关频率来改善管子在强光或亮光环境中的视觉效果,使管子在日光或照明条件下仍能产生对比度良好的高清晰度图像。其典型性能指标为;光电阴极灵敏度为1800~3000μm/lm,分辨力64~90线对/mm。在l×10-4lx情况下信噪比可达到25,寿命15000h。第四代像增强器的出现,使微光夜视装备可以在更大范围的光照条件(从黄昏、拂晓等较强光照条件直至云遮星光的极暗光照条件下工作。2001年美军开始使用第四代微光夜视装备。
  二、未来微光像增强器技术构发展趋势
  (一)继续向高灵敏度阴极方向发展
  第三代管阴极灵敏度目前已达到2000μm/lm,在此基础上将向3000μm/lm的方向发展,法国报道.通过程序控制优化多碱光电阴极的透射灵敏度可达到800μm/lm,俄罗斯人认为S型多碱光电阴极的透射灵敏度极限为1500μm/lm 。这表明S型多碱光电阴极还有几大的潜力可挖。可望将来在像管中达到800~ 1200μm/lm。
  (二)继续向蓝光和近红外延伸的光电阴极方向发展
  光电阴极的研究重点主要朝两个方自发展,一是研究适合沙漠地带和水下探测、识别的蓝光延伸(<550nm)GaAs负电子亲和势光电阴极,二是根据夜天空红外辐射较强的特点,发展自近红外延伸的光电阴极。
  (三)继续提高微通道板的性能
  现代高技术条件下的全天候战争对夜视仪的性能要求越来越高,相应地对微通道板的性能要求也不断提高,总趋势是高增益、低噪声、长寿命、高分辨力。微通道板的分辨力取决于通道的孔径和通道中心距,通道越小,通道中心距越小,分辨力越高。
  (四)继续向高传递函数和高分辨力方向发展
  微光夜视整机及其核心器件—像增强器将继续加强实现高传递函数和高分辨力观察的研究。如对整机和像管进行优化设计,采用更高性能的光纤面板、微通道板和荧光屏,缩短微通道板与荧光屏的间距,研制新管型等。美国ITT公司研制的第四代微光像增强器,其分辨力可提高到90线对/mm(标准三代管为36线对/mm)。将来,微光像增强嚣的分辨力可望达到80~ 100线对/mm。
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