论文红外与夜视仪

1基于微光与红外融合的夜视技术

关键字：红外器件红外焦平面阵列微光夜视仪夜视技术光机扫描红外热成像红外热像红外图像量子效率BCG-MCPIV

摘要：以像增强器为主线概述微光成像技术,以红外探测器为主线概述红外热成像技术,

分别介绍各自的发展历程、技术特点和发展趋势,并对这二种夜视技术进行了比较,最后介绍微光图像和红外图像的融合技术。将微弱的光信号转换成电信号，并进一步放大、转换成可视信号的固态电子器件。是在黑夜或低照度（小于1勒克斯）下扩展人眼视力的微光夜视技术的关键部件。其中包括：①直接微光成像器件。功能是把微弱的光学图像转换成电子图像，再经过增强传递到荧光屏上，以得到人眼可视的照度(1～105勒克斯)和可见的光谱范围(350～760纳米)。②把微弱光信息转换成视频信号的微电摄像器件。把收集到的光学图像以其光强的分布转换成电荷量的分布并存储，随后将存储的电荷图像转换成视频信号，从而扩展人眼接收微光信息的范围。在工、农业、航天、科研、国防、公安等部门中，凡需要采集低照度下的光学信息时，都离不开微光器件。由微光器件组成的微光夜视仪广泛应用于战术武器和防盗系统。

1背景：20世纪40年代研制成功的主动式红外夜视仪是夜视器材的鼻祖，它的出现使人类第一次看到黑暗中的目标。主动式红外夜视仪成像清晰，对比度好，但由于需要红外光源照射，存在着能耗大，易暴露的缺点。

1962年，美国人研制成功像增强器，使得夜视器材的发展产生了一个飞跃。

我们平时所谓的黑夜，很少是绝对黑暗的，因为自然界总是存在着微弱的光线，例如星月光，大气的辉光和黄道光。即使肉眼不容易察觉的星星，对地面的照度仍然可以达到2x10负4次方勒克司。能够利用如此微弱的光线进行观测，是因为两个技术上的重大突破。

首先，研制成功了灵敏度极高的光电阴极，既S-20多碱光电阴极。比以前的光电阴极灵敏度提高了一个数量级，使得夜视仪的光电增益大大提高。

另一个突破是采用了光学纤维面板。既一种由大量光导纤维组成的薄板阵列，每根纤维传导一个像素减少了光的散射，传导效果好，由于可以将纤维的末端排列成曲面，天然的避免了像差，大大提高了成像质量。

将多个上述结构的像增强管串联起来，将光线逐级放大，使得极其微弱光线下的图象放大到了人眼可以清晰观看的程度，便实现了无须红外照明的微光观测。

越南战争时期，美国将利用级联像增强技术投入实战应用，研制成功了第一带微光夜视仪，主要有AN/PVS-2星光镜，AN/TVS-2班组武器瞄准镜和AN/TVS-4微光观察镜。

微光夜视仪的工作原理可以归纳为：目标反射的微弱光线经物镜会聚后在像增强器的阴极面上成像，逐级放大并将红外光转变为可见光，在最后一级的荧光屏上形成有足够亮度和清晰度的图象，供使用者观察。

第二代微光夜视仪

微光夜视仪能耗小，但是体积仍然嫌大，越战期间，美国人又研制成了微通道板像增强器，于是第二代微光夜视仪应运而生。

有些材料具有在电子的撞击下能够发射出更多的电子的特性，60年代，材料研究获得突破，导致了微通道板像增强器的诞生。

连续型通道像增强器的原理是一根内壁涂有电子发射材料的细管子，在管子两端的电极上加上直流电压，当电子从管子一头射入时，便在管内来回碰撞，激发出越来越多的电子，这些电子被管壁的电压加速，并且碰撞出的几何级数增加的电子，使得管子末端出射的电子获得很高的增益。

通道电子倍增器的电子增益与管壁内的电子发射材料有关，与通道的长径比有关，与电压有关，但与通道的大小无关，所以可以做的极小，将其并列起来组成阵列，就可以用来传递显示图象了。单根通道的直径一般为10-12微米，长500微米，一块通道板包含数百万根通道管，既数百万像素，可以使图象的亮度增加几千乃至上万倍。

微通道的制作对工艺的要求很高。微通道板的制作方法有多种，一般采用实芯拉制法。所制成的夜视仪像增强器有两种，一种叫做近贴式，一种叫做倒像式。

近贴式微通道板像增强器将通道板放置在光电阴极和荧光屏之间。阴极发射的电子束在电场作用下打到微通道板上，经过倍增后，投射到荧光屏上成像。由于结构的关系，这种夜视仪尺寸小，但鉴别率较低，光学增益相对小些，需附加正像装置，又称为薄片管。

倒像式微通道板像增强器，是在荧光屏前面放置微通道板，能达到几万倍以上的光学增益，而且不用再次倒像始于20世纪60年代的微光夜视技术靠夜里自然光照明景物,以被动方式工作,自身隐蔽性好,在军事、安全、交通等领域得到广泛的应用。近年来,微光夜视技术得到迅速发展,在第一代、第二代、第三代的基础上,第四代技术应运而生。始于20世纪50年代的红外热成像技术也走过了三代的历程,它以接收景物自身各部分辐射的红外线来进行探测,与微光成像技术相比,具有穿透烟尘能力强、可识别伪目标、可昼夜工作等特点。可以说,微光成像技术和红外热成像技术已经成为夜视技术的二大砥柱。

2 微光夜视技术及其发展

2.1 第一代微光夜视技术

20世纪60年代初,在多碱光阴极(Sb-Na-K-Cs)、光学纤维面板的发明和同心球电子光学系统设计理论的完善的基础上,将这三大技术工程化,研制成第一代微光管。其一级单管可实现约50倍亮度增益,通过三级级联,增益可达5x104～105倍。第一代微光夜视技术属于被动观察方式,其特点是隐蔽性好、体积小、重量小、成品率高,便于大批量生产;技术上兼顾并解决了光学系统的平像场与同心球电子光学系统要求有球面物(像)面之间的矛盾,成像质量明显提高。其缺点是怕强光,有晕光现象。

2.2 第二代微光夜视技术

第二代微光夜视器件的主要特色是微通道板电子倍增器(MCP)的发明并将其引入单级微光管中。装有1个MCP的一级微光管可达到104—105亮度增益,从而替代了原有的体积大、笨重的三级级联第一代微光管;同时,MCP微通道板内壁实际上是具有固定板电阻的连续打拿级,因此,在恒定工作电压下,有强电流输入时,有恒定输出电流的自饱和效应,此效应正好克服

了微光管的晕光现象;加之它的体积更小、重量更轻,所以,第二代微光夜视仪是目前国内微光夜视装备的主体。

2.3 第三代微光夜视技术

第三代微光夜视器件的主要特色是将透射式GaAs光阴极和带Al2O3,离子壁垒膜的MCP 引入近贴微光管中。与第二代微光器件相比,第三代微光器件的灵敏度增加了4倍-8倍,达到800μA/Im～2600μA/Im,寿命延长了3倍,对夜天光光谱利用率显著提高,在漆黑(10-4lx)夜晚的目标视距延伸了50％-100％。第三代微光器件的工艺基础是超高真空、NEA表面激活,双近贴、双铟封、表面物理、表面化学和长寿命、高增益MCP技术等,又为发展第四代微光管和长波红外光阴极像增强器等高技术产品创造了良好的条件。

图1所示是用三代微光夜视仪在同样条件下分别获取的图像,从图中可明显看出第三代要优于第二代,而第二代又远远优于第一代。