微光与红外成像技术 教学课件 ppt 作者 邸旭 微光与红外成像技术(1)

微光与红外成像技术,邸旭 杨进华 韩文波 冷雪,长春理工大学,第一章 夜视技术概论 1.1 引言,在我们生活的世界中，光不只是生命赖以繁衍生息的主要能源，也是人类认识客观世界的重要信息源。人类通过自身的眼、耳、鼻、舌、身（触觉）去认识自然界，其中，通过人眼视觉给出的图像信息所占的比例最大。曾有人做过统计，在人类获得的信息中由视觉获取的信息占60%，由听觉获取的信息占20%，触觉占15%，味觉占3%，嗅觉占2%。而在当今飞速发展的信息时代，利用电视、互联网、卫星通信等光电技术手段，使得视觉信息在人类认识世界的过程中所起的作用早已超过90%。可以想像，如果没有光，没有各种先进的光电技术手段，人类就不会有今天这种绚烂多彩、盛况空前的文明。,但应该注意到，现今光电技术中所论述的光，就其物理本质而言，包括了从高能粒子（、射线）、X射线、紫外线、可见光、红外线，以至短波、中波和长波的无线电波等所构成的整个波谱的电磁辐射。产生或反射这些电磁波以供人眼观察的景物信息的光谱、强度、速度以及时空分布会千差万别，很显然，单靠人的裸眼，无法直接感知上述全部光信息。这是因为尽管人眼结构精巧、功能齐全是任何其他单一光学或光电仪器所无法比拟的，然而就整体而言，人眼却天生地具有有限的空间、时间、光谱和能量的分辨能力。为了克服人眼的上述缺陷，人类先后发明了各种光学和光电仪器。例如，我国古代天文学家利用简单的“窥管”，斩除四周杂散光，改善了观察星体的视觉分辨率；望远镜、显微镜的发明，又把人眼的视野扩展到了遥远的星空和物质的微观世界。科学技术的飞速发展创造了近代的高度文明，给人类提供了更为有效、动态范围更宽和光谱适应性更强的各类光电观察、瞄准、显示仪器，如各种激光、微光、红外仪器。,各类成像技术的发展离不开社会需求，尤其是军事需求的牵引和相关基础技术进步的推动。作为光电子技术重要组成部分的光电子成像技术发展的强大推动力是军用夜视、夜瞄装备的迫切需求。出其不意、攻其不备是军事上出奇制胜的策略之一，而夜间或其他能见度不良的天候条件是实现上述作战方针的最佳时机，因此，作为指战员耳目的各类夜视器材的发展自然会受到各国高度重视。夜视技术在现代战争中具有重要的地位，装备夜视器材的武器装备可遍及海陆空作战平台，应用于大中小型武器装备，因此，掌握先进的夜视技术对于控制战场形势具有至关重要的意义。顺应这种强烈需求，自第一次世界大战后，尤其是近几十年来，迅速发展起微光夜视和红外成像这两类光电子成像领域的主体技术。 按照传统划分方法，夜视技术主要分为微光夜视和红外热成像技术两大类。,微光成像技术，按国内外文献的约定，习惯上被理解为真空光电子成像技术的总称，它以光子光电子为景物图像的信息载体，基于器件的外光电效应、电子倍增和电光转换等原理，对夜天微弱光或其他非可见光照明下的景物进行图像摄取、转换和增强，最后显示为人眼可见的图像；而红外热成像技术上利用景物自身的红外辐射空间分布，以红外光子、光生载流子（电子和空穴）为景物图像信息载体，通过红外探测器的内光电效应（光电导效应或光生伏特效应）及特定扫描读出和TV显示等原理，再现被观察的景物为可见光图像。 微光成像和红外热成像是军用夜视观瞄仪器的两大支撑技术，两者各有特色，相互竞争又互为补充。相比而言，微光夜视仪器体积小、重量轻、成本低、操作方便、维护容易，微光直视仪器夜天光下视距几百几千米；微光电视仪器视距可达1020km；红外热成像仪器作用距离远，全天候、防伪装能力强，易于实现远程武器精确制导、目标跟踪和多波段多频谱探测功能。两类夜视观瞄器材先后在第一、第二次世界大战，朝鲜战争和90年代海湾战争中，发挥了神奇的作用，从而促进了夜视技术装备的扩大和不断更新换代。,1.2 微光夜视技术,白天，我们人眼能看到自然界中的景物，是因为眼睛接收到 它们表面反射太阳的直射光或是散射光。夜晚，由于没有太阳光照明，人眼就看不见自然界中的景物了。但在多数夜间，仍有月光、星光、大气辉光存在，自然界中的景物表面仍然要反射这些微弱的光线，于是我们人眼还能模糊地看到近处景物、大景物的轮廓。“漆黑的夜晚”，天空仍然充满了光线，这就是所谓“夜天辐射”。夜天辐射来自太阳、地球、月亮、星球、云层、大气等自然辐射源。只是由于其光度太弱(低于人眼视觉阈值)，不足以引起人眼的视觉感知。解决这个问题的基本思路是：(1)使用大口径的望远镜，尽可能多地得到光能量；(2)像电子学那样，设法对微弱的光图像进行放大；(3)用红外线探照灯或红外照明弹对景物进行照明；(4)利用景物在红外波段的辐射能量实现热成像。用不同的技术解决这个问题，就形成了不同的夜视方法。,把夜间微弱光辐射增强至正常视觉所要求的程度，是微光夜视技术工作的核心任务。微光夜视技术致力于探索夜间和其他低光照度时目标图像信息的获取、转换、增强、记录和显示，它的成就集中表现为使人眼视觉在时域、空域和频域的有效扩展。就时域而言，它克服“夜盲”障碍，使人们在夜晚行动自如。就空域而言，它使人眼在低光照空间(如地下室、山洞、隧道)仍能实现正常视觉。就频域而言，它把视觉频段向长波区延伸，使人眼视觉在近红外区仍然有效。在军事上，微光夜视技术已实用于夜间侦察、瞄准、车辆驾驶、光电火控和其他战场作业，并可与红外、激光、雷达等技术结合，组成完整的光电侦察、测量和告警系统。微光夜视器材已成为军队武器装备中重要的组成部分，同时也广泛应用于天文、公安、航天、海洋事业等领域。,微光夜视技术是用电真空和电子光学等技术，实现光子图像-电子图像-光子图像的转换，在转换过程中，通过对电子图像的增强实现对光子图像的增强，进而达到在有微弱光线照明下的夜间观察的一种技术。微光夜视技术的核心是微光图像增强器，是一个由光电阴极、电子光学部件、荧光屏三大部分组成的光电真空器件。其工作原理是：景物反射的微弱可见光和近红外光汇聚到光电阴极上，光电阴极受激向外发射电子，在这一过程中，实现把景物的光强分布图像变成与之对应的电子数密度分布图像；在电子光学部件中，输入一个电子，可以输出成千上万个电子，因此，光电阴极的电子数密度分布图像就被成千上万倍地增强了，所谓的“微光图像增强”就是在这一过程中实现的；最后，经过倍增的大量电子轰击荧光屏，实现电子图像光子图像的转变，得到增强微光图像供人眼观察。,在微光夜视技术发展的初期，使用的核心器件是近红外光图像变像管，可将其看成是一种电子倍增效率比较低的微光图像增强器。它利用处于高真空中的银氧铯光阴极，将红外辐射图像转换为电子图像，再通过荧光屏，使电子图像转换为人眼可观察的光学图像。这种光子-电子-光子相互转换的原理就是现代微光夜视仪的理论基础。但在使用红外变像管观察时，需要采用红外线探照灯主动照射目标，以提高观察距离，因此这种装置也称为主动红外夜视仪。在第二次世界大战和朝鲜战争中得到了初步应用。 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，存在隐蔽性差，易暴露，能耗大及供电装置笨重等缺点。人们自然想到利用夜天自然微光，研究被动微光技术，使微弱照度下的目标成为可见，从而发展了微光夜视技术。 目前，采用微光夜视技术的微光夜视系统可分为两大类：微光夜视仪（属直接观察型）和微光电视（属间接观察型）。,1.2.1微光夜视仪,以像增强器为核心部件的微光夜视器材称之为微光夜视仪。由于其光增强过程的功能，使人能在极低照度(10-5lx)条件下有效的获取景物图像信息。 微光夜视仪包括四个主要部件:强光力物镜、像增强器、目镜、电源。从光学原理而言，微光夜视仪是带有像增强器的特殊望远镜。微弱自然光经由目标表面反射，进入夜视仪；在强光力物镜作用下聚焦于像增强器的光阴极面(与物镜后焦面重合)，激发出光电子；光电子在像增强器内部电子光学系统的作用下被加速、聚焦、成像，以极高速度轰击像增强器的荧光屏，激发出足够强的可见光，从而把一个被微弱自然光照明的远方目标变成适于人眼观察的可见光图像，经过目镜的进一步放大，实现更有效的目标观察。以上过程包括了由光学图像到电子图像再到光学图像的两次转换。 微光夜视仪按所用像增强器的类型，可分为第一代、第二代、第三代微光夜视仪。,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完善的基础上，人们将这三大技术工程化，研制成第一代微光管。其单级管由一平凹光纤面板光电阴极、同心球静电聚集系统和凹平光纤面板荧光屏组成。一级单管可实现约50倍亮度增益，通过三级级联，增益可达5×104105倍，这样就可把典型夜天光照度（10-3lx）下的景物亮度放大到10100cd/m2，接近人眼正常观察物体所需的亮度条件。用这种亮度增强方式实现被动夜视观察的理论和实践，通常叫做第一代微光夜视技术。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之间的矛盾，成像质量明显提高。 第一代微光夜视仪曾在越南战争中得到装备应用，发挥了重要作用。但在使用中暴露了它的几大弱点，一是怕强光，难以在战火纷飞的条件下正常工作，有晕光现象；二是器件尺寸和重量限制了它在轻武器夜瞄镜上的大量装备和广泛应用。,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。这种MCP由上百万个10m级直径的微通道的二次电子倍增器阵列作组成，每一个微通道相当于一个倍增管打拿极，在9001000V工作电压下，每块MCP电子增益可达103104。这样，装有一个MCP的一级微光管就可达到104105亮度增益，从而替代了原有的体积大、笨重的三级级联一代微光管；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，对强电流输入时，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外微光夜视装备的主体。 第一、第二代微光管用的是多碱光阴极，灵敏度225450A/lm，做成的仪器可在星空夜晚照度下正常工作。为了充分利用夜天光丰富的近红外光谱能量，提高器件的灵敏度，人们从上世纪70年代到80年代，积极研制和开发了第三代微光夜视技术。,3. 第三代微光夜视技术,1965年砷化镓负电子亲和势（NEA）反射式光阴极理论的发展和工艺的实现，在微光夜视领域引发了一场革命。这类族半导体光阴极的显著特点是灵敏度高，向红外波段延伸的潜力大。将透射式GaAs光阴极和带Al2O3离子壁垒膜的MCP引入近贴微光管中就构成了第三代微光夜视器件技术的两大特色。与第二代微光夜视仪相比，第三代微光器件的灵敏度增加了48倍，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50100。20世纪80年代以来，美欧国家军队陆续大量装备了第三代微光夜视仪器，在1983年英阿马岛战争、1991年海湾战争中使用后，取得了优于前几代微光产品的满意结果，反过来又促进了第三代微光器材的进一步扩大再生产和装备。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，又为发展新一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。,1.2.2微光电视,微光电视是工作在微弱照度条件下的电视摄像和显示设备，故也叫低光照度电视（LLLTV）。它是微光像增强技术、电视与图像技术相结合的产物。与一般广播电视和工业电视不同，它能在黎明前的微明时分（地面照度约1lx）照度水平以下正常工作，允许最低照度约10-4lx（无月黑夜）。而广播电视和一般工业电视的工作照度要求却高得多（例如要求白昼的照度，约102lx）。 微光电视系统主要包括微光电视摄像机、传输通道、接收显示装置三部分。其中的微光电视摄像机除具有普通电视摄像机的功能之外，还突出地表现出把微光图像增强的作用。微光电