微光夜视技术的发展现状及民用领域拓展

2016-11-08李金平

中国军转民 2016年10期

■ 李金平　王　云　张　洋

微光夜视技术的发展现状及民用领域拓展

■ 李金平王云张洋

微光夜视技术是现代军用光电子高新技术之一，在局部战争和夜战中的地位和作用更加突出和重要。六十多年来，伴随着科学技术的迅速发展和武器装备现代化需求的牵引，微光夜视技术取得了长足的发展。本文在系统回顾微光夜视技术发展历程的基础上，分析了微光夜视技术未来的主要发展方向以及在民用领域的应用前景。

1.引言

随着科学技术的迅速发展，现代战争早已突破人类视觉的限制。夜间战争已成为拥有先进夜视技术的一方迅速取得对战胜利的决定性因素。作为夜视技术的两大关键支撑技术之一，微光夜视技术是研究夜间微弱照度条件下对目标进行探测、观察、识别、定位、记录的一类高新技术，具有体积小、重量轻、图像清晰、隐蔽性强等特点，是目前夜战武器装备中使用最广泛的技术。

自上世纪50年代开始，微光夜视技术取得了巨大的进展，从零代发展到三代、四代产品，已形成多个品种规格的系列化、批量化配套。在科学技术日新月异的今天，新材料、新技术、新工艺的层出不穷，为微光夜视技术的发展带来了机遇和挑战。微光夜视技术在下一阶段将如何发展，成为微光夜视技术行业共同关注的热点话题。本文在深入回顾、分析国内外微光夜视技术发展历程的基础上，分析了微光夜视技术未来主要的技术发展方向及潜在的应用领域拓展。

2.微光夜视技术的发展历程

微光夜视技术包括了微光夜视仪的总体技术和微光夜视器件的设计和工艺研究等方面内容，其核心是微光像增强器（微光像管）的研究。一般来讲，微光像增强器的发展历程就代表了微光夜视技术的发展历程。从五十年代第一个微光像增强器的研发开始，可以根据其特征技术分为零代、一代、二代（超二代）、三代（高性能三代）、四代等不同阶段。

2.1零代微光夜视技术

上世纪40、50年代最早出现的像管以Ag-O-Cs光阴极、电子聚焦系统和阳极荧光屏构成静电聚焦二极管为特征技术的像管被称为“零代变像管”。其阴极灵敏度典型值为60μA/m，将来自主动红外照明器的反射信号转变为光电子，电子在16kV的静电场下聚焦，能产生较高的分辨力（57lp/mm～71p/mm），但体积、重量比较大、增益很低。

2.2一代微光夜视技术

一代微光夜视技术在上世纪50年代出现，成熟于60年代。伴随着高灵敏度Sb-K-Na-Cs多碱光阴极（1955年）、真空气密性好的光纤面板（1958年）、同心球电子光学系统和荧光粉性能的提升等核心关键技术的突破，真正意义上的微光夜视仪开始登上历史舞台。它的光电阴极灵敏度高达180μA/m～200μA/m，一级单管可实现约50倍亮度增益。由于采用光纤面板作为场曲校正器改善了电子光学系统的成像质量和耦合能力，使得一代微光单管三级耦合级联成为可能，使亮度增强104倍以上，实现了星光照度（10-3Lx）条件下的被动夜视观察，因而一代微光夜视仪也被称为“星光镜”。1962年，美国研制的AN/PVS-2型一代微光夜视仪，其典型性能为：光阴极灵敏度≥225μA/m，分辨率≥30lp/mm，增益≥104，噪声因子1.3。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、图像清晰、成品率高，便于大批量生产，缺点是怕强光、有晕光现象。

2.3二代微光夜视技术

1962年前后通道式电子倍增器——微通道板（MCP）的研制成功，为微光夜视技术的升级提供了基础。经过长期探索，第二代微光夜视仪于1970年研制成功，它以多碱光阴极、微通道板、近贴聚焦为特征技术。尽管仍然使用Sb-K-Na-Cs多碱光阴极，但随着制备技术的不断改进，光阴极灵敏度（＞240μA/m）和红外响应得到大幅提升。1片MCP便可实现104～105的电子增益，使得一个带有MCP的二代微光管便可替代三个级联的一代微光管，并利用MCP的过电流饱和特性，从根本上解决了微光夜视仪在战场使用时的防强光问题。二代管自上世纪70年代批产以来，现以形成系列化，和三代管一起成为美欧等发达国家装备部队的主要微光夜视器材。其典型性能为光阴极灵敏度225～400μA/ m，分辨率≥ 32～36lp/mm，增益≥104，噪声因子1.7～2.5。

2.4三代微光夜视技术

第三代微光夜视器件的主要技术特特征是高灵敏度负电子亲和势光阴极、低噪声长寿命高增益MCP和双冷铟封近贴。三代管保留了二代管的津贴聚焦设计，并加入了高性能的GaAs光阴极，其量子效率高、暗发射小、电子能量分布集中、灵敏度高。为了防止管子工作时的例子反馈和阴极结构的损坏，在MCP输入端引入一层Al2O3或SiO2防离子反馈膜，大大延长了使用寿命。其典型性能为：光阴极灵敏度800～2000μA/m，分辨率≥ 48lp/mm，增益104～105，寿命＞7500小时，视距较二代管提高了50%～100%。三代微光夜视仪的优势是灵敏度高、清晰度好、体积小、观察距离远，但工艺复杂、技术难度大、造价昂贵，限制了其大规模批量化使用，整体装备量与二代管相当。

2.5超二代微光夜视技术

“超二代微光夜视技术”借鉴了三代管成熟的光电发射和晶体生长理论，并采用先进的光学、光电检测手段，使多碱阴极灵敏度由二代微光的225～400μA/m，提高到600～800μA/m，实验室水平可达到2000μA/m。同时扩展了红外波段响应范围（达到0.95μm），提高了夜天光的光谱利用率，分辨力达到38lp/mm，噪声因子下降70%，夜间观察距离较二代提高了30～50%。整体性能与三代管相当，做到先进性、实用性、经济性的统一。同时，超二代技术正由平面近贴管向曲面倒像管发展，探测波段继续延伸，性能将会进一步提高，有可能解决主被动合一、微光与红外融合的问题，具有极大的发展潜力和广泛的应用前景。

2.6四代徽光夜视技术

四代微光夜视技术的核心技术包括去掉防离子反馈膜或具有超薄防离子反馈膜的MCP和使用自动门控电源技术的GaAs光阴极。经过工艺技术的改进，四代管的阴极灵敏度达2000～3000μA/m，极限分辨力达60～90lp/mm，信噪比达25～30，且改进了低晕成像技术，在强光（105lx）下的视觉性能得到增强。1998年美国Litton公司首先研制成功无膜MCP的微光管，在目标观测距离、分辨力等方面表现出的优异性能，成为微光夜视技术领域的热点。

3.微光夜视技术的主要发展方向

可以看出，微光夜视技术的发展离不开光电阴极、光纤面板、微通道板、封接材料等核心材料的技术突破。随着微机械加工技术、半导体技术、电子处理技术的不断发展，微光夜视技术已突破传统微光像增强器的技术范畴，形成一些新的技术动态和发展方向。

3.1新一代高性能微光夜视技术

以无防离子反馈膜的体导电玻璃MCP和使用自动门控电源技术的GaAs光阴极为特征的四代微光夜视技术代表了当前传统微光像增强器领域的主要发展方向，即大视场、高清晰、远视距、长寿命、全天候、多功能等方向发展，也对基础原材料提出了更高的要求：宽光谱响应、高动态范围、高分辨力、高信噪比、低缺陷等。当前，国际上主要微光夜视技术的研发企业在4微米硬光纤传像元件、高增益超小孔径微通道板、体导电玻璃微通道板、高灵敏度长寿命GaAs光阴极等核心产品方面均取得重大突破，部分已实现工程化批量制备，相信在未来的10～20年内新一代高性能微光像增强器将成为传统微光夜视领域的主流产品。

3.2微光与红外融合夜视技术

微光与红外是夜视技术的两大重要分支，除了二者的原理、成像特点和性能方面的不同之外，单从应用环境上来看：微光夜视可以应用于山区、沙漠等热对比度小的环境，而红外夜视在雾霾、雨雪等低能见度环境下具有明显优势，可见二者互有利弊、互相补充、不可替代，研究微光与红外融合技术是当前夜视技术的重要发展方向之一。在实现技术手段上有两种主要方式，均取得了比较良好的效果：一是拓展光敏元件的光谱响应范围，提升在近红外区的光谱利用率（图1）；二是以综合传感器技术、图像处理技术、信号处理技术等多种技术实现微光图像与红外图像的融合（图2）。

3.3数字化微光夜视技术

数字微光夜视技术是微光夜视技术领域的最新进展，是能将微弱的二维空间光学图像，转换为一维的数字视频信号，并再现为适合人眼观察的技术，涉及图像的光谱转换、增强、处理、记录、储存、读出、显示等物理过程，通过数字技术手段，改造、提高、丰富了微光夜视技术，是现代信息化战争的关键技术之一。该技术是把微光像增强器通过光纤光锥或中继透镜与CCD或CMOS等固体视频型图像传感器耦合为一体，实现微光图像转变为数字信号传输，如图3所示。近年又相继出现了电子轰击CCD、电子倍增CCD（EMCCD，图4所示）、背照CCD等多种新技术且发展迅速。

图1　向红外波段延伸微光夜视成像效果对比

图2　微光图像与红外图像融合效果对比

图3　像增强器与视频图像传感器耦合结构示意图

图4　EMCCD的结构原理与外形图片

3.4全固体微光夜视技术

传统的微光像增强器属于电真空器件，对元件气密性和真空封结技术要求严苛，生产工艺复杂、合格率低、成本很高。随着科学技术的发展，一种新型的全固体微光夜视技术悄然兴起，并迅速成为国内外研究热点，代表了微光夜视技术的未来发展趋势。

图4所示的EMCCD便是一种全固体的微光夜视视频器件，工作时先将图像信号转换为视频信号，在视频信号和读出电路之间增加一个信号倍增电路，放大微弱输入信号的同时达到达到改善信噪比的目的。其核心是基于p型Si高压反偏置二极管雪崩电子倍增（APD）原理的“扩展型雪崩电子倍增寄存器”，即在增益寄存区中通过瞬时反偏压技术，导致半导体形成耗尽层，该层中的少数载流子（光电子）在传输过程中，以高的能量碰撞电离，一个电子碰撞产生两个以上的新电子，多次碰撞诱发雪崩式电子倍增，完成信号电子在输出前的低噪声预放大功能，从而能实现在较低照度场景下工作。在EMCCD研发方面，国内尚处于起步阶段，与美、英、俄等发达国家差距明显，部分产品如图5所示。

另一类重要的全固体微光夜视器材是InxGa1-xAs微光器件，以其自身极高的夜天光光谱响应效率和响应灵敏度达到优良微光成像性能。典型InxGa1-xAs微光器件的光谱响应波段覆盖0.87～3.5μm，光谱利用率高、成像细节分辨力、对比度高，响应时间达到飞秒级。

3.5微光夜视技术的应用领域拓展

长期以来，军用武器装备的发展需求推动了微光夜视技术的快速发展，并且由传统的单兵武器、车载、机载、舰载微光夜视领域拓展到巡航导弹、空间探测、核诊断等新领域。在当前军民融合深度发展的大背景下，微光夜视技术迎来了新的机遇，在城市夜间安防、野外夜间科学考察、夜间安全驾驶、矿井抢险救灾、OLED微显示器等领域也将发挥重要作用，应用前景广阔。

4.展望

六十多年来，微光夜视技术历经零代、一代、二代、三代、四代等不同阶段，发展迅速，满足了国防武器装备的应用需求。随着科学技术的不断发展，微光夜视技术正在向着新一代高性能微光夜视技术、微光与红外融合夜视技术、数字化微光夜视技术和全固体微光夜视技术等方向发展，并取得了较大进展。同时，在城市夜间安防、野外夜间科学考察、夜间安全驾驶、矿井抢险救灾等民用领域的应用前景非常广阔。