程宏昌，石 峰，李周奎，師宏立，拜曉鋒，閆 磊，姚 澤，王淼鑫，李燕紅

（1.微光夜視技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；3.北方夜視技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650223）

引言

自三代和超二代微光夜視器件出現(xiàn)以后，美國Litton 公司公開報道了四代微光夜視器件的概念，并指出它是以無防離子反饋膜、自動門控電源、小絲徑微通道板為典型特征，該概念出現(xiàn)后引起了行業(yè)專家廣泛熱議，但是經(jīng)過大家深入思考，四代微光夜視器件的概念沒有被行業(yè)廣泛引用，很快消失。近年來，隨著低照度互補金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）器件、電子轟擊有源像素傳感器（electrons bombard active pixel sensor，EBAPS）數(shù)字微光器件、鋁鎵氮光陰極日盲紫外像增強器、銦鎵砷光陰極短波紅外響應(yīng)像增強器等微光夜視器件的出現(xiàn)，微光夜視器件呈現(xiàn)出了品種多、性能差異大、應(yīng)用領(lǐng)域廣的特點。造成了非技術(shù)專業(yè)人員“眼花繚亂”。四代微光夜視器件是什么？微光夜視器件的發(fā)展趨勢是什么？低照度CMOS 等上述這些微光器件到底和超二代、三代微光器件等有什么關(guān)系？它們在微光夜視器件技術(shù)領(lǐng)域到底處于什么位置？這些問題已經(jīng)成為行業(yè)決策層、執(zhí)行層以及擬投資入行的眾多人員關(guān)注的焦點問題。本文通過回顧行業(yè)公認(rèn)的零代、一代、二代、三代和超二代微光夜視器件的發(fā)展歷程，總結(jié)歸納了劃代方法，提出了“四代微光夜視器件”的概念，分析了低照度CMOS 等微光器件的技術(shù)特征，并歸納出了它們在微光夜視器件技術(shù)領(lǐng)域的位置，繪制了“樹狀圖”，為更加直觀、準(zhǔn)確、全面了解各種微光夜視器件的技術(shù)特點提供了有力支撐。

1 經(jīng)典微光夜視器件發(fā)展歷程

經(jīng)典微光夜視技術(shù)是研究在夜間低照度條件下，光子-電子-光子圖像信息之間相互轉(zhuǎn)換、增強、處理、顯示等物理過程。利用該項技術(shù)能使人們在極黑的夜晚，利用夜天光增強器的方法就可像白天一樣看清楚景物[1]，通過采用擴展觀察者視力的方法，實現(xiàn)了夜間或黑暗條件下的隱蔽觀察。

微光夜視技術(shù)的工作原理是利用目標(biāo)景物對夜天光反射率的差異而實現(xiàn)低照度成像的光電技術(shù)。夜視技術(shù)始于20世紀(jì)30年代，真正發(fā)展在20世紀(jì)50年代、60年代，其核心器件是微光像增強器或稱為微光夜視器件。隨著技術(shù)發(fā)展，微光夜視器件先后經(jīng)歷了零代、一代、二代、三代、超二代[2]，各代微光夜視器件技術(shù)特征如下。

1.1 零代微光夜視器件

零代微光夜視器件是一種外光電效應(yīng)型成像器件。它出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代，其光陰極為S-1，材料為銀-氧-銫。該類像增強器又稱為紅外變像管或變像管。它通常采用靜電聚焦結(jié)構(gòu)，由光陰極、聚焦電極和熒光屏等部件組成，主要有玻璃型和金屬型2 種結(jié)構(gòu)。其工作原理為，紅外光陰極將目標(biāo)景物所反射的紅外光轉(zhuǎn)換成光電子，光電子經(jīng)電場加速，轟擊熒光屏，熒光屏將電子轉(zhuǎn)換成光子形成可見光圖像，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于Ag-O-Cs 光陰極轉(zhuǎn)換效率低，因而需要自帶紅外光源能主動式工作，增大了系統(tǒng)體積與重量，并且在戰(zhàn)場中容易暴露自己，造成傷亡，導(dǎo)致其使用受限。主動式紅外夜視系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖1 零代微光夜視器件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of zero-generation low-light-level night vision device

圖2 主動紅外系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of active infrared system

技術(shù)特征 玻璃窗口內(nèi)表面制備銀-氧-銫光陰極、雙圓筒靜電透鏡、平板玻璃平面熒光屏。光陰極靈敏度低，主動紅外照明易暴露自身，戰(zhàn)場中實用性不強。

1.2 一代微光夜視器件

一代微光夜視器件是一種外光電效應(yīng)型成像器件。它出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，其光陰極為S-20，材料為雙堿銻鉀、多堿銻鉀鈉等。該類微光夜視器件由光陰極、電子透鏡和熒光屏采用靜電聚焦結(jié)構(gòu)等組成，單級器件結(jié)構(gòu)如圖3所示。其工作原理為，光陰極在景物輸入光子的激發(fā)下，產(chǎn)生相應(yīng)光電子圖像，此過程將微弱的或不可見的輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像；在超真空管體內(nèi)，電子光學(xué)系統(tǒng)對光電子施加很強的電場，使這些光電子獲得能量，并受電子光學(xué)透鏡聚焦，以高能量轟擊熒光屏發(fā)光，使之產(chǎn)生較入射光強的多的光強，形成人眼可見的光子圖像，最終實現(xiàn)了將不可見光轉(zhuǎn)化為增強后人眼可見的可見光圖像的效果，實現(xiàn)了光譜轉(zhuǎn)換和能量增強功能。由于單級增益偏低（約50 倍），通常采用三級級聯(lián)方式（如圖4所示）。相比零代微光夜視器件，一代微光夜視器件為被動觀察方式，其特點是隱蔽性好、成像質(zhì)量明顯提高。缺點是體積大、成像畸變較大，怕強光，有暈光現(xiàn)象。

圖3 單級一代微光夜視器件Fig.3 Single-stage first-generation low-light-level night vision device

圖4 三級級聯(lián)一代微光夜視器件Fig.4 Three-stage cascade first-generation low-light-level night vision device

技術(shù)特征 光纖面板球型結(jié)構(gòu)多堿光陰極、雙球型電子透鏡、光纖面板球型結(jié)構(gòu)熒光屏。光陰極靈敏度低、單級管增益低、三級級聯(lián)體積重量大、可被動成像。

1.3 二代微光夜視器件

20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了微通道板（microchannel-plate，MCP）電子倍增器，隨后研制出了微通道板像增強器，即二代微光夜視器件也稱作二代管，與一代的顯著區(qū)別是采用了微通道板（MCP）作為電子倍增器。微通道板是帶有許多微通道孔的玻璃薄板，每個微通道孔內(nèi)制備有高電子倍增系數(shù)材料的二次電子倍增層，這樣在不到1 mm 厚度的玻璃薄板上就能夠?qū)崿F(xiàn)高達106的電子倍增。常見2 種結(jié)構(gòu)分別為近貼式MCP 和靜電聚焦式MCP 微光夜視器件，結(jié)構(gòu)分別如圖5 和圖6所示。

圖5 近貼式MCP 像增強器Fig.5 Proximity MCP image intensifier

圖6 靜電聚焦式MCP 像增強器Fig.6 Electrostatic focusing MCP image intensifier

近貼式MCP 微光夜視器件優(yōu)點是：軸上軸外像質(zhì)均勻，圖像無畸變，放大率為1，不發(fā)生枕形畸變，體積小、質(zhì)量小，具有自動防強光作用；缺點是：由于結(jié)構(gòu)間距小，為避免場致發(fā)射，所加電壓限制在300 V～400 V，光線反饋較嚴(yán)重。靜電聚焦MCP 微光夜視器件優(yōu)點是：能夠成倒像，調(diào)制傳遞函數(shù)好，分辨率越高，有足夠的空間放置吸氣劑，延長了工作壽命，具有自動防強光作用；缺點是：體積大、質(zhì)量大，不利于頭戴武器裝備使用。

技術(shù)特征 光纖面板或玻璃球型/平面結(jié)構(gòu)多堿光陰極、微通道板作為電子倍增器、光纖面板或玻璃球型/平面結(jié)構(gòu)熒光屏，可被動成像；與一代微光夜視器件相比，二代微光夜視器件質(zhì)量小、體積小；可通過改變MCP 兩端的電壓，實現(xiàn)增益連續(xù)可調(diào)；MCP 具有的電流飽和特性，使其自動防強光。積分靈敏度典型值為450 μA/lm，分辨率典型值為30 lp/mm，信噪比典型值為14。光陰極靈敏度、分辨率、信噪比等指標(biāo)還有提升空間。

1.4 三代微光夜視器件

三代微光夜視器件是雙近貼聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)的MCP 微光夜視器件[3]，由透射式NEA GaAs 光陰極（negative electron affinity，NEA，gallium arsenide，GaAs）、帶Al2O3離子壁壘膜的三代MCP 和光纖面板熒光屏組件構(gòu)成，光陰極與MCP 輸入面之間、MCP 輸出面與熒光屏輸入面之間均是近貼結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 三代微光夜視器件結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of third-generation low-light-level night vision device

三代微光像增強器具有3 大技術(shù)特征。1）負(fù)電子親和勢砷化鎵光陰極。該光陰極的真空能級低于半導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)帶底能級，形成負(fù)電子親和勢，且受光子激發(fā)到導(dǎo)帶的電子通過與晶格聲子交換能量“熱化”到導(dǎo)帶底，進而逸入真空產(chǎn)生光子電流。負(fù)電子親和勢光陰極，具有量子效率高、暗發(fā)射小、發(fā)射電子的能量分布及角分布集中、長波可調(diào)、長波響應(yīng)擴展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點，這種負(fù)電子親和勢光陰極中的“熱化電子”較二代微光正電子親和勢光陰極中的“熱電子”，具有長得多的壽命。因此，負(fù)電子親和勢光陰極具有比正電子親和勢光陰極大得多的逸出概率，即具有更高靈敏度，可達800 μA/lm～2 400 μA/lm，較二代光陰極提高1.5～2 倍以上。2）第三代MCP。三代微光夜視器件所使用的MCP 具有高增益、低噪聲、長壽命，并在電子輸入端面鍍有三氧化二鋁（Al2O3）離子阻擋膜。Al2O3離子阻擋膜可以阻止MCP 電子倍增過程中產(chǎn)生的殘余氣體分子和正離子的反饋，從而保護了光陰極。此外由于Al2O3膜的存在，損失掉輸入電子的部分能量，導(dǎo)致MCP 的增益有所降低，故須選用增益更高的MCP。3）自動門控高壓電源。小型集成高壓電源是微光夜視器件的重要部件，它除了以小體積、低功耗提供器件各級工作電壓外，還具有熒光屏亮度自動控制（auto-bright contronl，ABC）功能和亮源保護（bright source protect，BSP）功能。亮度自動控制電路為人眼提供舒適觀察所需的熒光屏輸出亮度，其ABC 照度適應(yīng)范圍為10-5lx～102lx；對于局部輸入強光（例如，戰(zhàn)場炮火、城市燈光和汽車燈等）時，則需要配置亮源保護電路；在不改變MCP 及工作電壓光陰極前提下，實現(xiàn)ABC、BSP 和通過脈寬調(diào)節(jié)光陰極平均工作電壓的電路，統(tǒng)稱為門控電路。這種電路的作用是：ABC、BSP 和抑制離子反饋、延長器件壽命。由于三代微光夜視器件具有靈敏度高，光譜響應(yīng)與極低照度（10-4lx）下夜天光光譜分布匹配度高的特點，三代微光夜視器件裝備于微光夜視儀器中能大大提高夜視儀器的作用距離，特別是極低照度下效果尤為明顯。20世紀(jì)80年代以來，美歐國家軍隊陸續(xù)大量裝備了三代微光夜視儀器，在1983年馬島戰(zhàn)爭、1991年海灣戰(zhàn)爭中使用后，取得了優(yōu)于前幾代微光產(chǎn)品的滿意效果，也促進了三代微光夜視器件及設(shè)備的進一步擴大再生產(chǎn)和裝備。

1.5 超二代微光夜視器件

超二代微光夜視器件是在二代微光夜視器件基礎(chǔ)上，引入高靈敏度的（600 μA/lm～800 μA/lm）多堿光陰極，由MCP、小型高壓電源組成，通常為雙近貼結(jié)構(gòu)，如圖8所示。微通道板噪聲因子減小，輸出信噪比提高，整管MTF 得到改善。近幾年來，法國為了進一步提高超二代的性能，將微納光柵技術(shù)引入到多堿光陰極組件中，提高了外界光的利用效率，使靈敏度有所突破，同時使光譜響應(yīng)的長波閾值向長波延伸，使超二代微光夜視器件的綜合性能有所提升。

圖8 超二代多堿光陰極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of ultra-second generation multialkali photocathode

技術(shù)特征 超二代加厚近紅外延伸多堿光陰極，靈敏度500 μA/lm～650 μA/lm；雙近貼電子光學(xué)系統(tǒng)，單面熱銦封結(jié)構(gòu)；低噪聲MCP 的應(yīng)用，積分靈敏度650 μA/lm～1 200 μA/lm，分辨率64 lp/mm～72 lp/mm，信噪比25～28。

2 非典型微光夜視器件

非經(jīng)典微光夜視器件目前有兩類，第一類是與經(jīng)典微光夜視器件工作體制相同，由非可見光響應(yīng)的光陰極替換可見光響應(yīng)光陰極，其他電子倍增及顯示方式不變；第二類是與經(jīng)典微光夜視技術(shù)工作體制不同，是在半導(dǎo)體器件上進行特殊處理，擴展半導(dǎo)體器件工作照度下限，實現(xiàn)了在有限低照度條件下的應(yīng)用。

第一類，主要由對X 射線、紫外光、藍(lán)綠光、短波紅外光有響應(yīng)的光陰極先實施非可見光轉(zhuǎn)換為電子，然后再借用經(jīng)典微光夜視器件中成熟的電子倍增和顯示，形成了光譜響應(yīng)為非可見光響應(yīng)的微光夜視器件，實現(xiàn)了對非可見光譜微弱輻射量探測、成像等，用于一些特殊領(lǐng)域，如X 射線像增強器、紫外像增強器（碲化銫/碲化銫銣光陰極像增強器、鋁鎵氮/氮化鎵光陰極像增強器）藍(lán)綠光響應(yīng)像增強器（鎵砷磷光陰極像增強器）、短波紅外響應(yīng)像增強器（銦鎵砷光陰極像增器）；第二類，主要包括低照度CMOS 和電子倍增CCD（EMCCD），它們是在普通CMOS 和普通CCD 基礎(chǔ)上進行特殊加工，實現(xiàn)探測照度的下限閾值下移，實現(xiàn)了在有限低照度條件下的微光探測、成像。

2.1 “二代族”微光夜視器件

“二代族”微光夜視器件是在二代微光夜視器件技術(shù)體制基礎(chǔ)上，保持器件結(jié)構(gòu)組成不變，通過更換光陰極種類，拓展及衍生出來的光譜響應(yīng)為非可見光的一類器件。如，碲化銫（碲化銣）（Te2Cs/Te2CsRb）光陰極夜視器件[4]，它們是在二代多堿光陰極微光夜視器件的結(jié)構(gòu)組成、部件及基礎(chǔ)工藝保持不變前提下，通過用碲化銫（碲化銣）光陰極代替多堿光陰極，制備出在紫外波段（200 nm～320 nm）響應(yīng)的紫外響應(yīng)夜視器件。由于光陰極材料變化帶來光譜響應(yīng)范圍從可見光變?yōu)樽贤夤猓笜?biāo)體系相應(yīng)從光度學(xué)變?yōu)檩椛涠葘W(xué)[5]，無法與二代微光夜視器件技術(shù)指標(biāo)實現(xiàn)一對一對比，無法納入經(jīng)典微光夜視器件“代”次劃分體系中。

2.2 “三代族”微光夜視器件

“三代族”微光夜視器件是三代微光夜視器件技術(shù)體制基礎(chǔ)上，采用相同器件結(jié)構(gòu)組成不變，通過更換光陰極種類拓展及衍生出來的與GaAs 光譜響應(yīng)不完全吻合的一類器件。主要包括鋁鎵氮（氮化鎵）光陰極像增強器[6]、鎵砷磷[7]光陰極像增強器、銦鎵砷光陰極像增強器，它們均是在三代負(fù)電子親和勢GaAs 光陰極微光夜視器件的結(jié)構(gòu)組成、部件及基礎(chǔ)工藝保持不變前提下，分別用鋁鎵氮（氮化鎵）光陰極、鎵砷磷光陰極、銦鎵砷光陰極代替GaAs 光陰極，并充分發(fā)揮Al 組分變化可調(diào)節(jié)長波閾值的技術(shù)優(yōu)勢，制備出在紫外波段（200 nm～280 nm）響應(yīng)的日盲紫外器件、藍(lán)綠光波段（400 nm～600 nm）響應(yīng)的藍(lán)綠光響應(yīng)器件、短波紅外波段（900 nm～1 060 nm）響應(yīng)的短波紅外響應(yīng)器件，這3 種光陰極結(jié)構(gòu)和制作原理與GaAs光陰極基本相同，由于光譜響應(yīng)范圍依次從可見光變?yōu)樽贤夤狻⑺{(lán)綠光和短波紅外光，指標(biāo)體系也從光度學(xué)變?yōu)檩椛涠葘W(xué)，無法與三代微光夜視指標(biāo)進行一對一對比，無法納入經(jīng)典微光夜視器件“代”次劃分體系中。

2.3 低照度CMOS

低照度CMOS[8]是在傳統(tǒng)CMOS 技術(shù)基礎(chǔ)上，在像元內(nèi)進行信號處理、放大并低噪聲讀出，并以CMOS 的形式數(shù)字化輸出成像結(jié)果。針對CMOS圖像傳感器填充因子不高的缺陷，在每個像元上方通過工藝制備出一個微透鏡或微光楔，將入射光能量聚焦于光電轉(zhuǎn)換器光敏面上，從而提高了CMOS 圖像傳感器靈敏度，形成低照度CMOS，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖9所示。將微透鏡與CMOS結(jié)合，雖然有效地改善了CMOS 感光元件感光度，提高了低照度環(huán)境下像質(zhì)，但由于內(nèi)光電效應(yīng)過程中噪聲大，只能在照度高于10-2lx 環(huán)境下成像，能夠滿足在夜間模擬訓(xùn)練、行軍、機動、維護、保障等基本任務(wù)所需較高照度環(huán)境下的微光夜視裝備需求；另外，由于CMOS 工藝兼容性強，規(guī)?；a(chǎn)能力強，能夠有效降低成本，是一種能夠在一定照度環(huán)境下非實戰(zhàn)條件下使用的低成本、小尺寸微光夜視器件。

圖9 低照度 CMOS 原理圖Fig.9 Schematic diagram of low-light-level CMOS

2.4 電子倍增CCD

電子倍增電荷耦合器件[9-10]即電子倍增CCD（ electron multiplying charge coupled devices，EMCCD），由CCD 成像存儲區(qū)、串行寄存器、倍增寄存器和讀出放大器組成，屬于幀轉(zhuǎn)移或全幀轉(zhuǎn)移面陣器件，并采用了“片上增益”技術(shù)，克服了讀出放大器噪聲對信號的影響，提高了信噪比及成像質(zhì)量，其芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10所示。EMCCD工作原理與普通CCD 區(qū)別如圖11所示。普通CCD，串行移位寄存器直接把來自有源區(qū)的圖像信號交給輸出接頭，進行信號放大和A/D 轉(zhuǎn)換，以顯示視頻圖像。EMCCD，串行移位寄存器中的圖像電子信號，必須先經(jīng)過芯片內(nèi)的增益寄存器低噪聲放大后，再交由輸出接頭后續(xù)處理、A/D 轉(zhuǎn)換，以顯示視頻圖像；相較于普通CCD，EMCCD 芯片中有一個特殊的增益寄存器，該寄存器位于CCD 芯片的轉(zhuǎn)移寄存器與輸出放大器之間，其結(jié)構(gòu)和一般

圖10 EMCCD 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.10 Internal structure diagram of EMCCD chip

圖11 普通CCD 與EMCCD 原理對比圖Fig.11 Comparison diagram of principle of ordinary CCD and EMCCD

CCD 類似。只是電子轉(zhuǎn)移第二階段的勢阱被一對電極取代，第1 個電極上為固定值電壓，第2 個電極按標(biāo)準(zhǔn)時鐘頻率加上一個高電壓，通過2 個電極之間高電壓差形成轉(zhuǎn)移信號電子的沖擊電離形成新的電子。盡管每次電離能夠增加的新電子數(shù)目并不多，但通過多次電離，就可將電子的數(shù)目大大提高。

根據(jù)應(yīng)用時光照條件強弱不同，EMCCD 工作模式可以分為如下3 種：1）常規(guī)模式 當(dāng)光照條件

相對較強，可滿足普通CCD 的成像要求時，可以關(guān)閉電子倍增CCD 的電子倍增功能，使其工作在常規(guī)模式下。此時，倍增極上所加高電壓降至與其他柵極相同的水平，電子倍增寄存器僅相當(dāng)于普通的轉(zhuǎn)移寄存器，電子倍增CCD 的輸出信號也與普通CCD 的輸出信號相同；2）線性模式 當(dāng)光照條件減弱時，輸入信號也會減小，當(dāng)減小到一定程度，導(dǎo)致輸出信號的信噪比明顯降低時，可開啟電子倍增的倍增功能，并工作在線性模式之下。通過調(diào)節(jié)倍增寄存器倍增增益的設(shè)置，電子倍增極的柵極電壓隨之相應(yīng)變化，輸入信號在強電場雪崩倍增的作用下得到有效倍增，提高輸出信號的信噪比；3）光子計數(shù)模式 當(dāng)光照條件非常弱時，光輻射可以看成由一個一個可辨識的光子組成的光子流。由于單個光子所產(chǎn)生的信號非常微弱，

并不能從一個光子的信息中得到有效的信號恢復(fù)光子圖像。為了使微弱單光子信號不被湮沒于讀出噪聲之中，必須將電子倍增CCD 的增益盡可能調(diào)大。

EMCCD 特點是降低了噪聲讀取基底，具有高的量子效率（可以達到90%以上），最少的曝光時間，降低了激發(fā)所需的強度。由于其成像單元仍為CCD，故成像結(jié)果能以CCD 的形式數(shù)字化輸出。

3 四代微光夜視器件

3.1 典型微光夜視器件劃代方法研究

3.1.1 典型微光夜視器件劃代方法總結(jié)

為了提出微光夜視器件劃代方法，將從典型指標(biāo)、代次更新標(biāo)志、光譜范圍等方面對國外微光夜視器件進行對比分析，如表1所示。

表1 國外微光夜視器件性能對比表Table 1 Comparison of performances of low-light-level night vision devices abroad

對表1所示內(nèi)容進行總結(jié)歸納可知，行業(yè)公認(rèn)的經(jīng)典微光夜視器件劃代方法有如下特征。

1）從零代、一代、二代、超二代、三代的發(fā)展歷程可見，隨著代次序號變大，其核心指標(biāo)靈敏度、分辨率、信噪比等均逐步提升，微光夜視器件綜合性能也會得到提升。這一點已被試驗所證實。在某項目中，在（1～3）×10-4lx 條件下，在同一套微光夜視設(shè)備中，裝備國產(chǎn)三代微光夜視器件的設(shè)備作用距離是裝備國產(chǎn)超二代微光夜視器件作用距離的2 倍以上；在（1～3）×10-3lx 條件下，裝備國產(chǎn)三代微光夜視器件的設(shè)備作用距離比裝備國產(chǎn)超二代微光夜視器件作用距離提高30%以上。

2）典型微光夜視器件的光譜響應(yīng)范圍均界定在可見光及近紅外區(qū)域（400 nm～1 100 nm），均采用積分靈敏度指標(biāo)表征其光陰極的光電轉(zhuǎn)換效率，屬于光度學(xué)的物理量。

3）每次出現(xiàn)更新?lián)Q代時均會先出現(xiàn)一個典型新部件替代原部件，且由于新部件性能變化必然會帶來微光夜視器件性能大幅度跨越提升。如，光纖面板出現(xiàn)并替代玻璃用于一代微光夜視器件中，使一代三級級聯(lián)微光夜視器件成為可能，使增益得到了大幅度提升；如MCP 部件出現(xiàn)，并作為電子倍增器用于二代微光夜視器件中使電子增益倍增，同時帶來微光夜視器件體積和質(zhì)量大幅度下降；如GaAs 光陰極部件出現(xiàn)，并用于三代微光夜視器件中替代二代的多堿光陰極，使光陰極積分靈敏度成倍增加，信噪比大幅度提升。

基于上述三點，可見四代微光夜視器件應(yīng)是光譜響應(yīng)與三代微光器件基本相同即GaAs 光陰極保持不變，同時出現(xiàn)1 個新部件來替代MCP、熒光屏部件中的1 個或者2 個，形成1 個新器件且性能比三代微光夜視器件有一個大幅度變化。

3.1.2 微光夜視器件國內(nèi)外劃代方法探討

國外曾經(jīng)提出了四代微光夜視器件的概念[11-14]，但還未被行業(yè)認(rèn)可，有以下幾種較具有代表性的概念。1）采用InGaAs/InP 傳輸電子近紅外（0.9 μm～1.060 μm）光陰極微光夜視器件；2）bTe/PbSnTe 復(fù)合陣列紅外光陰極STIRP—熱紅外變像管（8 μm～14 μm/3 μm～5 μm）；3）三代微光夜視器件基礎(chǔ)上改進MCP 材料實現(xiàn)增益和靈敏度等性能提升；4）采用品質(zhì)因數(shù)進行評價，依據(jù)品質(zhì)因數(shù)的大小進行劃代。國內(nèi)，周立偉等人[15]撰文指出，用“代”劃分來表征微光夜視器件的性能比較籠統(tǒng)，不確切，應(yīng)淡化“代”的概念，采用“品質(zhì)因數(shù)”來對微光夜視器件的水平進行定量描述。金偉其及潘京生等人分別發(fā)文公布對微光夜視器件劃代方法的研究成果[16-17]，研究成果中均引用了國外部分學(xué)者提出的“品質(zhì)因數(shù)”概念，用品質(zhì)因素來評價微光夜視器件性能，不再考慮微光夜視器件的技術(shù)特征。這種提法能反映出具有一定的實用性思想，但是此提法存在著一些值得探討的地方：1）品質(zhì)因數(shù)等于極限分辨率與信噪比乘積，極限分辨率和信噪比是2 個不同工作狀態(tài)下的測試數(shù)據(jù)，兩者相乘的數(shù)值沒有物理意義，不能表征微光像增強器在具體實際環(huán)境下的使用效果。極限分辨率通常是指調(diào)制傳遞函數(shù)降到3%時對應(yīng)的空間分辨率。測試時，調(diào)節(jié)微光夜視器件輸入照度使熒光屏上能夠看到最多、最清晰分辨率靶面線條數(shù)即最高分辨率。通常，測試時輸入面照度為5×10-3lx～1×10-2lx，且每個被測微光夜視器件極限分辨率對應(yīng)的輸入照度不一定相同，也不要求必須相同。信噪比測試時要求用直徑為φ0.2 mm 照度為1.08×10-4lx 的光斑照射微光夜視器件光陰極，每個被測的微光夜視器件輸入照度要求一定相同，且必須相同。對比上述2 個參數(shù)的測試條件，明顯不同，把2 個完全不在同一個照度量級工作的參數(shù)相乘，沒有太多的科學(xué)依據(jù)，沒有實際的物理意義，值得探討。2）對于微光夜視器件這種在低照度下實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、倍增及顯示的特殊光電器件，要實現(xiàn)的功能先是看得見（由信噪比決定），然后才是看得清（由分辨率決定）。因此，只有看得見的前提下對比極限分辨率高低才有價值。將兩者相乘忽略了這一基本概念。國內(nèi)外微光夜視器件在夜晚進行野外試驗也證明了這一點，2 支微光夜視器件在都能看得見的前提下，極限分辨率高的使用效果好；當(dāng)照度變低后，信噪比高的效果好，極限分辨率已經(jīng)沒有參考價值了。因此，采用品質(zhì)因數(shù)表征微光夜視器件性能的方法值得商榷。

3.2 四代微光夜視器件概念

目前超二代和三代微光夜視器件已經(jīng)發(fā)展多年，發(fā)展四代微光夜視器件已經(jīng)成為眾多研究者和決策層的共識，四代微光夜視器件的具體技術(shù)特征是什么？這已經(jīng)成為行業(yè)關(guān)注的焦點。據(jù)此，本文對典型微光夜視器件發(fā)展歷程及各代技術(shù)特征進行了總結(jié)歸納，并沿用前文歸納的微光夜視器件劃代方法的3 個特征，提出四代微光夜視器件應(yīng)是光譜響應(yīng)與三代微光器件基本相同，即GaAs光陰極保持不變，同時出現(xiàn)一個新部件來替代MCP、熒光屏部件中的1 個或者2 個，形成一個新器件且性能比三代微光夜視器件有一個大幅度變化。可見四代微光夜視器件應(yīng)是GaAs 光陰極電子轟擊APS 數(shù)字微光器件，即GaAs 光陰極EBAPS數(shù)字微光器件[9-10]。原因如下：

1）從結(jié)構(gòu)組成上分析，GaAs 光陰極電子轟擊APS 數(shù)字微光器件，保留了三代微光像增強器GaAs 光陰極不變，用新的部件背減薄電子敏感APS 代替了三代微光像增強器中MCP 和熒光屏；

2）GaAs 光陰極光譜響應(yīng)是可見光范圍，屬于光度學(xué)范疇，靈敏度性能可與三代微光器件進行比較；

3）電子敏感背照式APS 替代了三代微光夜視器件中MCP 電子倍增和熒光屏電光轉(zhuǎn)換的功能。該部件具有電子倍增、電子傳輸和信號讀出“三位一體”的功能，從而使三代微光夜視器件模擬輸出圖像的能力躍遷為數(shù)字圖像輸出的能力，使微光夜視器件實現(xiàn)了“模擬輸出”向“數(shù)字輸出”的跨代提升，使傳統(tǒng)微光只能一人近距離直視圖像的現(xiàn)狀變?yōu)槎嗳诉h(yuǎn)距離聯(lián)合共享圖像，能夠更好適應(yīng)新時代聯(lián)合作戰(zhàn)的使用要求；另外采用光陰極選通電源，在外界照度高時光陰極不工作，APS/CMOS基于內(nèi)光電效應(yīng)工作，外界照度低時光陰極基于外光電效應(yīng)工作，這2 種工作模式相互交替發(fā)揮了兩者的技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)了性能提升，是一種可全天候工作的數(shù)字微光器件。

GaAs 光陰極電子轟擊APS 微光夜視器件工作原理為光陰極將輸入光子轉(zhuǎn)換成光電子，在靜電電壓的加速下，光電子轟擊背照式電子敏感APS芯片，產(chǎn)生電子-空穴對，形成電子轟擊半導(dǎo)體（EBS）增益。由于EBAPS 僅有光陰極和APS 兩個部件，圖像傳輸鏈短，且EBS 增益產(chǎn)生的噪聲遠(yuǎn)低于MCP 的電子倍增噪聲。既減小了體積和重量，又極大地提高了信噪比和MTF。由于其輸出端為APS，故成像結(jié)果以APS 形式數(shù)字化輸出。APS是CMOS 的一種，APS 芯片在每個像素位置內(nèi)部都有一個放大器，這就使其性能在很低的帶寬情況下把離散的電荷信號包轉(zhuǎn)換成電壓輸出，而且也僅需要在幀速率下進行重置，具有帶寬要求低、信噪比高等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于電子轟擊條件下，其工作原理如圖12所示。

圖12 EBAPS 結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structure diagram of EBAPS

3.3 微光夜視器件樹狀圖

經(jīng)過上述研究，給出各種微光夜視器件分布樹狀圖如圖13所示。

圖13 各種微光夜視器件分布樹狀圖Fig.13 Distribution tree diagram of various low-light-level night vision devices

4 結(jié)束語

回顧了零代、一代、二代、三代、超二代等經(jīng)典微光夜視器件發(fā)展歷程，歸納總結(jié)出來了經(jīng)典微光夜視器件行業(yè)公認(rèn)的劃代方法的3 個特征，沿用這3 個特征，提出了四代微光夜視器件是指GaAs 光陰極EBAPS 數(shù)字微光器件，它將使微光夜視器件從“模擬”時代跨入“數(shù)字”時代，也是當(dāng)前國際上在軍用低照度探測成像方向發(fā)展及應(yīng)用的重點；對幾種非典型微光夜視器件的成像機理及技術(shù)特征進行了分析，提出了“二代族”、“三代族”的概念，根據(jù)各種微光夜視器件的技術(shù)特征繪制了分布樹狀圖，說明了各種微光夜視器件在微光夜視器件領(lǐng)域的相應(yīng)位置。研究成果具有一定參考作用。