铝镓氮光阴极像增强器极限分辨力影响因素研究

闫 磊,石 峰,单 聪,程宏昌,郭 欣,刘 晖,罗 洋,张晓辉

(1.微光夜视技术重点实验室，陕西 西安 710065;2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223;3.陆军装备部驻西安地区军代局驻西安地区第八军事代表室，陕西 西安 710065)

0 引言

太阳光作为能量最强的自然光源，其直接或间接产生的背景辐射对工作在近地表面的许多光电探测设备都会造成严重干扰，但200～320 nm 这段光谱区太阳光辐射到达不了地面，为所谓的"日盲区"，如果让紫外探测系统工作在光谱区中的紫外波段，就可以使近地表面工作的紫外探测设备避开最强大的自然光源，在背景极其简单的条件下工作，从而大大降低信号处理的难度[1-2]。

紫外预警利用"目盲区"来探测导弹的火焰与羽烟，在背景洁净的日盲区，导弹羽烟的紫外辐射很容易被检测出来。由于避开了最强的太阳辐射背景，信息处理负担明显减轻，虚警率很低，与红外预警相比，不需要低温冷却，体积小、重量轻、响应快[1-2]。

铝镓氮光阴极可通过调节其发射层铝组分，进而使铝镓氮光阴极的禁带宽度可调，实现铝镓氮光阴极的日盲探测[3-4]。铝镓氮光电阴极像增强器是目前最主要的一种日盲型紫外探测器[5-7]。

铝镓氮光阴极像增强器由铝镓氮光电阴极像增强管和小型高压电源组成，小型高压电源提供铝镓氮光电阴极像增强管正常工作所需的电压，而铝镓氮光电阴极像增强管的优劣直接决定了铝镓氮光电阴极像增强器的性能指标。极限分辨力指标是像增强管的一项重要技术参数，对于微光像增强管，常用调制传递函数(modulation transfer function，MTF)来评价其分辨力特性。MTF 包含了对不同空间频率目标调制度信息的传递能力。在光学像质评价中，人们普遍认为调制传递函数MTF 是评价成像系统和器件像质的最全面、最客观的方法，而极限分辨力是器件MTF曲线3%调制度对应的一个空间频率[8]。铝镓氮光阴极像增强管的结构与砷化镓光阴极像增强管的结构相似，但在相同工艺参数条件下，铝镓氮光阴极像增强管的极限分辨力远小于砷化镓光阴极的像增强管，且目前对铝镓氮光阴极紫外像增强器分辨力研究较少。本文通过实验和理论结合的方法，对紫外光在铝镓氮光阴极中传输特性进行了测量，并通过紫外光激发载流子在铝镓氮激活层中的散射和发射电子散射特性的理论分析，推算确定了铝镓氮光阴极的光学调制传递函数及其前近贴聚焦系统调制传递函数，通过对比这两个调制传递函数，确定了导致铝镓氮光阴极像增强管极限分辨力降低的主要因素。

1 铝镓氮光阴极像增强器结构及其分辨力特性

铝镓氮光阴极像增强器由铝镓氮光电阴极像增强管和小型高压电源组成，小型高压电源提供铝镓氮光电阴极像增强管正常工作所需的电压，而铝镓氮光电阴极像增强管的优劣直接决定了铝镓氮光电阴极像增强器的各项性能指标。

铝镓氮光阴极像增强管为近贴聚焦结构，由光阴极、微通道板(MCP)和荧光屏等部件组成，结构如图1所示，其中光阴极面与MCP 输入面之间称为第一近贴距离(first proximity distance)，用L1表示;MCP 输出面与荧光屏之间称为第二近贴距离(second proximity distance)，用L2表示。

对于近贴聚焦结构的像增强管，常采用调制传递函数表示像增强管的分辨力特性，像增强管的调制传递函数可由式(1)表示:

式中:MTF阴极(f)、MTFMCP(f)、MTF屏(f)分别是光阴极、微通道板、荧光屏调制传递函数;MTF1(f)、MTF2(f)分别是前、后近贴静电聚焦系统对应的调制传递函数;f代表空间频率，单位常为线对每毫米(lp/mm)。

图1 像增强管结构示意图Fig.1 Structure diagram of image intensifier

关于近贴聚焦结构的像增强管分辨力研究方面，目前较为成熟的是GaAs 光阴极像增强管的分辨力特性，研究认为可见光和光激发载流子在GaAs 光阴极中的传输不是影响GaAs 光阴极像增强管分辨力的主要因素，MTF阴极(f)的影响可以忽略[9-10]，其调制传递函数可由式(2)表示:

式中:MTF1(f)为前近贴聚焦系统调制传递函数，表达式为(3)[8]:

MTFMCP(f)为MCP的调制传递函数，表达式为(4)[8]:

式中:d为MCP 的丝芯距尺寸。

MTF2(f)为后近贴聚焦系统的调制传递函数，表达式为(5)[8]:

式中:εm2为MCP 发射电子最大初始能量，一般认为该值为5 eV;φ2为MCP 输出面与荧光屏之间的电压值。

MTF屏(f)为荧光屏的调制传递函数，表达式为(6)[8]:

铝镓氮光阴极光电子发射机制与砷化镓光阴极相同[6]，且砷化镓光阴极与铝镓氮光阴极结构相似，图2、图3为两种像增强管光阴极的结构示意图。

鉴于这两种像增强管结构的相似性，前期在对铝镓氮光阴极紫外像增强管分辨力研究时，均借鉴砷化镓光阴极像增强管的调制传递函数方程。按照砷化镓光阴极像增强管的调制传递函数对铝镓氮光阴极像增强管的极限分辨力进行计算，可得铝镓氮光阴极像管在特定参数条件下其理论极限分辨力如表1所示。

图2 微光像管光阴极结构示意图Fig.2 Structure diagram of GaAs photocathode

因在实际工艺中，两种像增强管的差异仅为光阴极，其几何参数中除了L1存在差异外，其余几何参数均一致，因此表1中仅给出了L1有差异时的情况。

但实际制备的AlGaN 光阴极像增强管，即使其第一近贴距离参数L1达到0.13 mm，像管的其他参数按照表1所述设定，制备像管的分辨力远低于61 lp/mm的计算值。表2为项目研制期间制备的部分像管分辨力测试值。

通过对比表1中按照砷化镓光阴极像管分辨力模型计算铝镓氮光阴极像管得到的理论分辨力值与表2中铝镓氮光阴极像管实测分辨力值的数据可知，分辨力理论计算值近乎为实测值的2 倍，GaAs 光阴极微光像增强管的调制传递函数方程无法直接在AlGaN光阴极像增强管中应用。由于这两种像增强管的差异仅为光阴极材料的差异，因此对于AlGaN 光阴极像增强管分辨力特性研究时，可借鉴GaAs 光阴极微光像增强管关于MTFMCP(f)、MTF2(f)、MTF屏(f)这3 项数学方程，需要对MTF阴极(f)、MTF1(f)这两项数学方程重新确定，即紫外光在AlGaN 光阴极内部传输的散射特性，及紫外光激发载流子在AlGaN 激活层的散射和发射电子散射需要重新进行研究。

图3 紫外像管光电阴极结构示意图Fig.3 Structure diagram of AlGaN photocathode

表1 不同参数时铝镓氮光阴极像管极限分辨力理论值Table 1 Theoretical value of limit resolution of AlGaN photocathode with different parameters

表2 铝镓氮光阴极像管分辨力测试情况Table 2 Measured resolution of AlGaN photocathode image tube

2 紫外光在铝镓氮光阴极内部散射特性研究

鉴于目前尚无紫外光学调制传递函数测量设备，因此无法直接通过测传函的方法对铝镓氮光阴极的传函特性进行评价。针对该项困难，搭建了一套铝镓氮光阴极紫外分辨力特性测试的装置，测量装置原理图如图4所示。

测试过程如下:

1)将涂单层荧光粉的光纤面板放置(以下简称"涂粉面板")在图4所示涂粉面板的位置，通过调节装置调节被测件与涂粉面板间距，控制在0.1 mm±0.02 mm 范围;

图4 AlGaN 光阴极紫外分辨力特性测试的装置示意图Fig.4 Schematic diagram of AlGaN photocathode UV resolution characteristic test device

2)开启氘灯光源，使紫外光透过被测件并在涂粉面板上成像;

3)调节观察系统，读取观察系统可分辨的最小可辨识分划板刻线，并记录;

4)去除被测件，使得紫外光直接激发涂粉靶板，调节观察系统，读取观察系统可分辨的最小可辨识分划板刻线，并记录。

实验共对5 片AlGaN 光阴极的分辨力特性进行测量，测试结果如表3所示。

而在去除AlGaN 光阴极后，仅对涂粉面板的极限分辨力进行测试时，读取的极限分辨力值为112 lp/mm。

根据测试结果判断铝镓氮光阴极自身对紫外光有较大的散射。根据文献[11]，荧光屏调制传递函数满足公式(6)。

表3 铝镓氮光阴极的极限分辨力读数Table 3 Limit resolution of AlGaN photocathode

按照式(6)计算得分辨力为67 lp/mm 时荧光屏的传函值为22%，又根据调制传递函数为3%时为人眼的极限分辨力，推算出AlGaN 光阴极在67 lp/mm 时的传函值为9%。根据非衍射限光学系统的调整传递函数[6]，可得到AlGaN 光阴极的光学调制传递函数方程，即MTF阴极满足式(7):

式中:δ为材料特性参数，为5.2X10-3;f为频率参数。

3 铝镓氮紫外像增强管前近贴聚焦系统的分辨力特性分析

根据近贴聚焦系统MTF 的函数表达式[10]，像增强管前近贴聚焦系统的MTF 满足式(8):

式中:ω是与光阴极中载流子散射及最终发射电子散射特性相关的参数。

根据半导体中载流子输运时的平均自由程，半导体内部激发光电子每碰撞一次的平均距离约为2～10 nm，单次碰撞能量损失约为0.01 eV。对于GaAs光阴极，其激活层厚度在1.5 μm 左右，因此在垂直于光阴极激活面垂直方向，光电子从激活到发射约经历150 次碰撞，光电子能量损失约为1.5 eV，而对于沿其他方向输运的光电子，碰撞次数更多，能量损失更大，因此发射几率减小，因此对于GaAs 光阴极，其光电子发射主要沿光阴极激活面垂直方向，根据经验，GaAs 光阴极光电子发射可由Lambert 和Beta 模型较好地描述，GaAs 光阴极前近贴静电聚焦系统对应的传递函数表达式，如式(9)[10]所示:

对于AlGaN 光阴极，其激活层厚度仅为50 nm，光阴极体内受光子激发到导带中的过热电子在向真空界面传输的过程中碰撞次数远小于GaAs 光阴极，故其发射光电子的能量更大，另外，由于AlGaN 激活层材料生长缺陷较多[12]，载流子在输运过程中散射的概率增加，因此达到激活层表面的光电子发射角更加离散，公式(9)不再适用于AlGaN 光阴极，需要对公式(8)中的ω参数重新进行求解。

将公式(4)、(5)、(6)、(7)、(8)代入公式(1)，可得AlGaN 光阴极像增强管的调制传递函数公式(10):

为获得AlGaN 光阴极像增强管对应的前近贴聚焦系统的调制传递函数表达式，我们利用极限分辨力与调制传递函数的对应关系，根据制备AlGaN 光阴极像增强管的实测极限分辨力值推算出ω参数，并对ω求平均值，求得参数ω为0.8。为说明该方法计算参数ω的准确性，将该参数带入方程(10)，计算制备AlGaN光阴极像增强管的理论分辨力，并将该值与其实测值比对，如表4所示。

表4 制备的铝镓氮光阴极像增强管极限分辨力对比表Table 4 Comparison table of limit resolution of AlGaN photocathode image intensifier tube

根据表4，确定的参数ω可较好地拟合铝镓氮光阴极像增强管的极限分辨力实测值，因此铝镓氮光阴极像增强管前近贴聚焦系统的传递函数可表示为下式:

式中:εm为2.07 eV，λ1和λ1为铝镓氮像增强管响应起始和截止波长。

4 铝镓氮光阴极像增强管极限分辨力影响因素分析

利用公式(11)替代公式(10)中的对应项，可以求得AlGaN 光阴极像增强管完整的调制传递函数表达式，如公式(13):

设定如下参数，L1=0.13 mm，φ1=400 V，d=6 μm，L2=0.5 mm，φ2=5000 V，并将这些参数分别代入公式(2)和公式(13)，可得AlGaN光阴极像增强管和GaAs光阴极像增强管的调制传递函数曲线，如图5所示。

图5 两种像增强管调制传递函数曲线对比Fig.5 Comparison of modulation transfer function curves of two image intensifiers

根据图5，在相同条件参数时，AlGaN 光阴极像增强管的调制传递函数值明显小于GaAs 光阴极像增强管的调制传递函数值，根据上述章节的实验和理论分析，引起AlGaN 光阴极像增强管的调制传递函数值偏低的原因为紫外光在AlGaN 光阴极内部传输的散射，及紫外光激发载流子在AlGaN 激活层的散射和发射电子散射。为了确定这两项因素的权重，特根据表达式(8)、(11)，计算相同空间频率时其各自对应的调制传递函数值，计算结果如表5所示。

根据表5，随着频率增加，MTF1的影响作用变大，当空间频率为40 lp/mm 时，MTF1的数值不足MTF阴极的一半，因此可以推断紫外光激发载流子在AlGaN激活层的散射和发射电子散射是引起AlGaN 光阴极像增强管极限分辨力低的主要原因。

5 结论

本文基于搭建的铝镓氮光阴极的紫外光传输特性测量装置，以及本单位制备的铝镓氮光阴极像增强管的分辨力测试数据，推算确定了铝镓氮光阴极像增强管的调制传递函数方程，并通过对比铝镓氮光阴极的紫外光调制传递函数方程和铝镓氮光阴极像增强管的前近贴聚焦系统调制传递函数方程，确定随着频率增加，紫外光激发载流子在铝镓氮激活层的散射和发射电子散射对铝镓氮光阴极像增强管极限分辨力影响作用越大，当空间频率为40 lp/mm 时，其调制传递函数值仅为23%，因此，紫外光激发载流子在铝镓氮激活层的散射和发射电子散射是造成铝镓氮光阴极像增强管极限分低的主要原因。

表5 调制传递函数值对比表Table 5 Correlation table of MTF