微光夜視技術的發(fā)展現(xiàn)狀及民用領域拓展

2024年2月15日發(fā)(作者：軍訓體會)

微光夜視技術的發(fā)展現(xiàn)狀及民用領域拓展

作者：李金平，王云，張洋

來源：《中國軍轉民》 2016年第10期

李金平 王 云 張 洋

微光夜視技術是現(xiàn)代軍用光電子高新技術之一，在局部戰(zhàn)爭和夜戰(zhàn)中的地位和作用更加突出和重要。六十多年來，伴隨著科學技術的迅速發(fā)展和武器裝備現(xiàn)代化需求的牽引，微光夜視技術取得了長足的發(fā)展。本文在系統(tǒng)回顧微光夜視技術發(fā)展歷程的基礎上，分析了微光夜視技術未來的主要發(fā)展方向以及在民用領域的應用前景。

1. 引言

隨著科學技術的迅速發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭早已突破人類視覺的限制。夜間戰(zhàn)爭已成為擁有先進夜視技術的一方迅速取得對戰(zhàn)勝利的決定性因素。作為夜視技術的兩大關鍵支撐技術之一，微光夜視技術是研究夜間微弱照度條件下對目標進行探測、觀察、識別、定位、記錄的一類高新技術，具有體積小、重量輕、圖像清晰、隱蔽性強等特點，是目前夜戰(zhàn)武器裝備中使用最廣泛的技術。

自上世紀50 年代開始，微光夜視技術取得了巨大的進展，從零代發(fā)展到三代、四代產品，已形成多個品種規(guī)格的系列化、批量化配套。在科學技術日新月異的今天，新材料、新技術、新工藝的層出不窮，為微光夜視技術的發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)。微光夜視技術在下一階段將如何發(fā)展，成為微光夜視技術行業(yè)共同關注的熱點話題。本文在深入回顧、分析國內外微光夜視技術發(fā)展歷程的基礎上，分析了微光夜視技術未來主要的技術發(fā)展方向及潛在的應用領域拓展。

2. 微光夜視技術的發(fā)展歷程

微光夜視技術包括了微光夜視儀的總體技術和微光夜視器件的設計和工藝研究等方面內容，其核心是微光像增強器（微光像管）的研究。一般來講，微光像增強器的發(fā)展歷程就代表了微光夜視技術的發(fā)展歷程。從五十年代第一個微光像增強器的研發(fā)開始，可以根據(jù)其特征技術分為零代、一代、二代（超二代）、三代（高性能三代）、四代等不同階段。

2.1 零代微光夜視技術

上世紀40、50 年代最早出現(xiàn)的像管以Ag-O-Cs 光陰極、電子聚焦系統(tǒng)和陽極熒光屏構成靜電聚焦二極管為特征技術的像管被稱為“零代變像管”。其陰極靈敏度典型值為60μA/m，將來自主動紅外照明器的反射信號轉變?yōu)楣怆娮樱娮釉?6kV 的靜電場下聚焦，能產生較高的分辨力（57lp/mm ～ 71p/mm），但體積、重量比較大、增益很低。

2.2 一代微光夜視技術

一代微光夜視技術在上世紀50年代出現(xiàn)，成熟于60 年代。伴隨著高靈敏度Sb-K-Na-Cs

多堿光陰極（1955 年）、真空氣密性好的光纖面板（1958 年）、同心球電子光學系統(tǒng)和熒光粉性能的提升等核心關鍵技術的突破，真正意義上的微光夜視儀開始登上歷史舞臺。它的光電陰極靈敏度高達180μA/m～200μA/m，一級單管可實現(xiàn)約50 倍亮度增益。由于采用光纖面板作為場曲校正器改善了電子光學系統(tǒng)的成像質量和耦合能力，使得一代微光單管三級耦合級聯(lián)成為可能，使亮度增強104倍以上，實現(xiàn)了星光照度（10-3Lx）條件下的被動夜視觀察，因而一代微光夜視儀也被稱為“星光鏡”。1962 年， 美國研制的AN/PVS-2 型一代微光夜視儀，其典型性能為：光陰極靈敏度≥ 225μA/m，分辨率≥ 30lp/mm，增益≥ 104，噪聲因子1.3。

第一代微光夜視技術屬于被動觀察方式，其特點是隱蔽性好、體積小、重量小、圖像清晰、成品率高，便于大批量生產，缺點是怕強光、有暈光現(xiàn)象。

2.3 二代微光夜視技術

1962 年前后通道式電子倍增器——微通道板（MCP）的研制成功，為微光夜視技術的升級提供了基礎。經過長期探索，第二代微光夜視儀于1970 年研制成功，它以多堿光陰極、微通道板、近貼聚焦為特征技術。盡管仍然使用Sb-K-Na-Cs 多堿光陰極，但隨著制備技術的不斷改進，光陰極靈敏度（＞ 240μA/m）和紅外響應得到大幅提升。1 片MCP 便可實現(xiàn)104 ～

105 的電子增益，使得一個帶有MCP 的二代微光管便可替代三個級聯(lián)的一代微光管，并利用MCP 的過電流飽和特性，從根本上解決了微光夜視儀在戰(zhàn)場使用時的防強光問題。二代管自上世紀70 年代批產以來，現(xiàn)以形成系列化，和三代管一起成為美歐等發(fā)達國家裝備部隊的主要微光夜視器材。其典型性能為光陰極靈敏度225 ～ 400μA/m，分辨率≥ 32 ～ 36lp/mm，增益≥ 104，噪聲因子1.7 ～ 2.5。

2.4 三代微光夜視技術

第三代微光夜視器件的主要技術特特征是高靈敏度負電子親和勢光陰極、低噪聲長壽命高增益MCP和雙冷銦封近貼。三代管保留了二代管的津貼聚焦設計，并加入了高性能的GaAs 光陰極， 其量子效率高、暗發(fā)射小、電子能量分布集中、靈敏度高。為了防止管子工作時的例子反饋和陰極結構的損壞，在MCP 輸入端引入一層Al2O3 或SiO2 防離子反饋膜， 大大延長了使用壽命。其典型性能為：光陰極靈敏度800 ～ 2000μA/m， 分辨率≥ 48lp/mm，增益104 ～ 105，壽命＞ 7500 小時，視距較二代管提高了50% ～ 100%。三代微光夜視儀的優(yōu)勢是靈敏度高、清晰度好、體積小、觀察距離遠，但工藝復雜、技術難度大、造價昂貴，限制了其大規(guī)模批量化使用，整體裝備量與二代管相當。

2.5 超二代微光夜視技術

“超二代微光夜視技術”借鑒了三代管成熟的光電發(fā)射和晶體生長理論，并采用先進的光學、光電檢測手段，使多堿陰極靈敏度由二代微光的225 ～ 400μA/m，提高到600 ～

800μA/m，實驗室水平可達到2000μA/m。同時擴展了紅外波段響應范圍（達到0.95μm），提高了夜天光的光譜利用率，分辨力達到38lp/mm，噪聲因子下降70%，夜間觀察距離較二代提高了30 ～ 50%。整體性能與三代管相當，做到先進性、實用性、經濟性的統(tǒng)一。同時，超二代技術正由平面近貼管向曲面倒像管發(fā)展，探測波段繼續(xù)延伸，性能將會進一步提高，有可能解決主被動合一、微光與紅外融合的問題，具有極大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應用前景。

2.6 四代徽光夜視技術

四代微光夜視技術的核心技術包括去掉防離子反饋膜或具有超薄防離子反饋膜的MCP 和使用自動門控電源技術的GaAs 光陰極。經過工藝技術的改進，四代管的陰極靈敏度達2000 ～

3000μA/m，極限分辨力達60 ～ 90lp/mm， 信噪比達25 ～ 30，且改進了低暈成像技術，在強光（105lx）下的視覺性能得到增強。1998 年美國Litton 公司首先研制成功無膜MCP 的微光管，在目標觀測距離、分辨力等方面表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，成為微光夜視技術領域的熱點。

3. 微光夜視技術的主要發(fā)展方向

可以看出，微光夜視技術的發(fā)展離不開光電陰極、光纖面板、微通道板、封接材料等核心材料的技術突破。隨著微機械加工技術、半導體技術、電子處理技術的不斷發(fā)展，微光夜視技術已突破傳統(tǒng)微光像增強器的技術范疇，形成一些新的技術動態(tài)和發(fā)展方向。

3.1 新一代高性能微光夜視技術

以無防離子反饋膜的體導電玻璃MCP 和使用自動門控電源技術的GaAs 光陰極為特征的四代微光夜視技術代表了當前傳統(tǒng)微光像增強器領域的主要發(fā)展方向，即大視場、高清晰、遠視距、長壽命、全天候、多功能等方向發(fā)展，也對基礎原材料提出了更高的要求：寬光譜響應、高動態(tài)范圍、高分辨力、高信噪比、低缺陷等。當前，國際上主要微光夜視技術的研發(fā)企業(yè)在4 微米硬光纖傳像元件、高增益超小孔徑微通道板、體導電玻璃微通道板、高靈敏度長壽命GaAs 光陰極等核心產品方面均取得重大突破，部分已實現(xiàn)工程化批量制備，相信在未來的10 ～ 20 年內新一代高性能微光像增強器將成為傳統(tǒng)微光夜視領域的主流產品。

3.2 微光與紅外融合夜視技術

微光與紅外是夜視技術的兩大重要分支，除了二者的原理、成像特點和性能方面的不同之外，單從應用環(huán)境上來看：微光夜視可以應用于山區(qū)、沙漠等熱對比度小的環(huán)境，而紅外夜視在霧霾、雨雪等低能見度環(huán)境下具有明顯優(yōu)勢，可見二者互有利弊、互相補充、不可替代，研究微光與紅外融合技術是當前夜視技術的重要發(fā)展方向之一。在實現(xiàn)技術手段上有兩種主要方式，均取得了比較良好的效果：一是拓展光敏元件的光譜響應范圍，提升在近紅外區(qū)的光譜利用率（圖1）；二是以綜合傳感器技術、圖像處理技術、信號處理技術等多種技術實現(xiàn)微光圖像與紅外圖像的融合（圖2）。

3.3 數(shù)字化微光夜視技術

數(shù)字微光夜視技術是微光夜視技術領域的最新進展，是能將微弱的二維空間光學圖像, 轉換為一維的數(shù)字視頻信號，并再現(xiàn)為適合人眼觀察的技術，涉及圖像的光譜轉換、增強、處理、記錄、儲存、讀出、顯示等物理過程，通過數(shù)字技術手段，改造、提高、豐富了微光夜視技術，是現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的關鍵技術之一。該技術是把微光像增強器通過光纖光錐或中繼透鏡與CCD或CMOS 等固體視頻型圖像傳感器耦合為一體，實現(xiàn)微光圖像轉變?yōu)閿?shù)字信號傳輸，如圖3 所示。近年又相繼出現(xiàn)了電子轟擊CCD、電子倍增CCD（EMCCD，圖4 所示）、背照CCD等多種新技術且發(fā)展迅速。

3.4 全固體微光夜視技術

傳統(tǒng)的微光像增強器屬于電真空器件，對元件氣密性和真空封結技術要求嚴苛，生產工藝復雜、合格率低、成本很高。隨著科學技術的發(fā)展，一種新型的全固體微光夜視技術悄然興起，并迅速成為國內外研究熱點，代表了微光夜視技術的未來發(fā)展趨勢。

圖4 所示的EMCCD 便是一種全固體的微光夜視視頻器件，工作時先將圖像信號轉換為視頻信號，在視頻信號和讀出電路之間增加一個信號倍增電路，放大微弱輸入信號的同時達到達到改善信噪比的目的。其核心是基于p 型Si 高壓反偏置二極管雪崩電子倍增（APD）原理的“擴展型雪崩電子倍增寄存器”，即在增益寄存區(qū)中通過瞬時反偏壓技術，導致半導體形成耗盡層，該層中的少數(shù)載流子（光電子）在傳輸過程中，以高的能量碰撞電離，一個電子碰撞產生兩個以上的新電子，多次碰撞誘發(fā)雪崩式電子倍增，完成信號電子在輸出前的低噪聲預放大功能，從而能實現(xiàn)在較低照度場景下工作。在EMCCD 研發(fā)方面，國內尚處于起步階段，與美、英、俄等發(fā)達國家差距明顯，部分產品如圖5 所示。另一類重要的全固體微光夜視器材是InxGa1-xAs

微光器件，以其自身極高的夜天光光譜響應效率和響應靈敏度達到優(yōu)良微光成像性能。典型InxGa1-xAs 微光器件的光譜響應波段覆蓋0.87 ～ 3.5μm，光譜利用率高、成像細節(jié)分辨力、對比度高，響應時間達到飛秒級。

3.5 微光夜視技術的應用領域拓展

長期以來，軍用武器裝備的發(fā)展需求推動了微光夜視技術的快速發(fā)展，并且由傳統(tǒng)的單兵武器、車載、機載、艦載微光夜視領域拓展到巡航導彈、空間探測、核診斷等新領域。在當前軍民融合深度發(fā)展的大背景下，微光夜視技術迎來了新的機遇，在城市夜間安防、野外夜間科學考察、夜間安全駕駛、礦井搶險救災、OLED 微顯示器等領域也將發(fā)揮重要作用，應用前景廣闊。

4. 展望

六十多年來，微光夜視技術歷經零代、一代、二代、三代、四代等不同階段，發(fā)展迅速，滿足了國防武器裝備的應用需求。隨著科學技術的不斷發(fā)展，微光夜視技術正在向著新一代高性能微光夜視技術、微光與紅外融合夜視技術、數(shù)字化微光夜視技術和全固體微光夜視技術等方向發(fā)展，并取得了較大進展。同時，在城市夜間安防、野外夜間科學考察、夜間安全駕駛、礦井搶險救災等民用領域的應用前景非常廣闊。

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（作者單位：李金平，國防科工局協(xié)作配套中心；張洋，中國建筑材料科學研究總院）