光子计数成像技术

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第1章 绪论
　　在夜晚环境中存在少量的自然光，如月光、星光、大气辉光等。它们和太阳光比起来十分微弱，所以称为微光。在微光条件下，人眼视网膜的感光灵敏度不高，造成人类在夜晚环境中不能正常观察。为了能在黑暗环境中不用照明也能看清周围景物，同时可以对其快速记录，使人眼的接收能力得以扩展，人类在探索和研究光电效应的进程中发展了微光成像技术。该技术直接利用微弱的自然光照明，由微光成像器件将来自目标的人眼不能或不易看见的反射辐射光进行光电转换和增强，处理成有足够亮度与清晰度的人眼可见的图像，弥补了人眼在空间、能量、光谱和分辨能力等方面的局限性。由于微光成像技术具有高探测灵敏度和光谱成像等特点，它在军事、工业与科学探测等领域得到了广泛应用。
　　1.1 微光成像技术发展概述
　　1873年，W. Smith首先发现了光电导现象，随后 G. J. Planck于 1900年提出了光的量子属性。 1916年，A. Einstein完善了光与物质内部电子能态相互作用的量子理论。在相继的大量研究工作中，伴随着近代物理学的发展，建立起了半导体理论并研制出各类光电器件，开拓了人类进行微光探测的技术手段。
　　从 20世纪 60年代以级联式像增强器为代表的微光成像系统发展至今，实现微光观察的途径都是把来自目标的光信号转换成电信号，然后再把电信号放大，最终将电信号转换成人眼可见的光信号。在微光成像系统逐步发展期间，为了满足在探测灵敏度、成像速度、信噪比、功耗、体积和制作工艺等方面的更高要求，一些新型的微光成像器件和成像方法不断涌现出来。
　　1.1.1 微光像增强器成像技术
　　微光成像系统分为直视系统和间视系统。直视系统又称为微光夜视仪，其主要组成之一是实现光电转换和倍增的像增强器；间视系统也是在像增强器和电视技术相结合的基础上发展起来的。本书以实现光电转换与增强功能的器件为核心来阐述微光成像技术的发展。
　　1. 第一代像增强器
　　微光成像的发展可以追溯到 1936年， P. GorLich发明了锑铯 (Sb-Cs)光电阴极。1955年，A. H. Sommer发明了锑钾钠铯 (Sb-K-Na-Cs)多碱光电阴极。1958年，光学纤维面板研制成功，此外，荧光粉的性能也有很大提高。在以上技术的基础上，1962年，美国研制出了 PIP-1型三级级联像增强器，即第一代像增强器，用其制成了第一代微光夜视仪，即星光镜 (AN/PVS-2)。第一代像增强器的主要特点如图1.1所示，三个组件被机械地、光学地耦合在一起，并和高压电源的倍增部分一起密封起来。光电阴极采用多碱阴极，电子光学系统将从光电阴极逸出的光电子加速并聚焦到荧光屏上，形成增强的可见光输出图像。第一代像增强器的性能典型值如下：光电阴极灵敏度为 300μA/lm，850nm处的辐射灵敏度为 20mA/W，亮度增益为 2×104～3×104cd/(m2 lx)，分辨率为 35lp/mm。第一代像增强器在低照度应用时具有增益高、成像清晰、不用照明源等优点。其观察距离较远，一般可达到 1500～3000m。但是，它在使用中怕强光，有晕光现象，需要 3万余伏的高压电源。器件的尺寸和重量问题限制了其在轻武器上的装备和应用，现在只用于某些远距离微光观察装置。
　　图1.1 纤维光学耦合三级级联像增强器
　　2. 第二代像增强器
　　1962年前后，微通道板(Micro-Channel Plate，MCP)电子倍增器研制成功。 MCP是由上百万个紧密排列的、具有较高二次电子发射系数的空心通道管构成的。两个端面镀有镍铬金属膜层，其外环是同样镀有镍铬金属膜层的由玻璃构成的实体边，平整的实体边可以提供很好的端面接触以便施加电压。其通道芯径间距为 6～12μm，长径比为 40～60。每个通道即构成了一个单独的连续打拿极倍增单元。 MCP必须工作于真空环境中，其工作机理如图1.2所示。入射在通道输入面的初始电子在电场作用下，利用通道内表层有一定能量的电子碰撞可产生二次电子的特性产生二次电子，二次电子在电场的作用下沿通道加速前进，经过重复多次的碰撞和电子倍增过程，最后在高电势输出面输出大量的电子。
　　图1.2 通道电子倍增过程
　　MCP可以增强来自输入面每一单元的光电发射电流，并且依次倍增，增益可达到 10000倍以上。此外， MCP还具有功耗低、频带宽、寿命长及自饱和效应等优点。这大大激发了人们用单级管结构代替三级级联式像增强器的兴趣。 1970年研制成的实用器件—— MCP像增强器称为第二代像增强器。利用 MCP的过电流饱和特性，并以 MCP为核心部件的夜间观瞄器材称为第二代微光夜视仪。它从根本上解决了微光仪器的防强光问题。 1982年，在英国与阿根廷的马岛战争中，英军使用了此类夜视装备。
　　MCP像增强器有两种结构形式，即双近贴式与倒像式，如图1.3所示。前者将 MCP放在光电阴极与荧光屏之间，形成双近贴像增强器；后者则相当于在单级像增强器的荧光屏前面，加了一块 MCP。由倒像管配上自动亮度控制和防强光装置制成的第二代微光夜视仪具有增益高、像质好、观察距离远等优点。 MCP像增强器的商用水平典型值如下：光电阴极灵敏度为 250～300μA/lm，850nm处的辐射灵敏度为 20mA/W，亮度增益为 5000～1.7×104cd/(m2 lx)，分辨率为 30～ 32lp/mm。MCP像增强器与第一代微光夜视仪的根本区别在于：前者是采用高强度的静电场来提高电子能量，并将其作为主要的增强手段；而后者则是将 MCP的二次电子倍增作用作为主要的增强手段。一只 MCP像增强器的增益可达到三级级联像增强器同样的水平，因而大大地减小了仪器的体积和重量。
　　图1.3 MCP像增强器的两种结构形式
　　3. 第三代像增强器
　　为了进一步将光电阴极的光谱响应向长波方向伸延，以获得更多的目标信息， 1965年，J. Van Laar和 J. J. Scheer制成了第一个 GaAs光电阴极，其灵敏度高达 500μA/lm。1979年 3月，美国国际电话电报公司研制出利用负电子亲和势光电阴极和 MCP技术的成像器件——第三代像增强器。以它为核心部件的夜间观瞄器材称为第三代微光夜视仪。其典型灵敏度达到 1000μA/lm，850nm处的辐射灵敏度为 100mA/W，亮度增益为 1×104cd/(m2 lx)，分辨率为 36lp/mm。典型产品如美国的 AN/AVS-6微光夜视眼镜，也称为飞行员夜视成像系统。
　　第三代像增强器的特点是，采用负电子亲和势光电阴极。负电子亲和势光电阴极的受激电子向表面迁移的过程与一般光电阴极不同。一般正电子亲和势光电阴极中只有过热电子迁移至表面才能形成光电发射，而负电子亲和势光电阴极中全部受激电子都可参与光电发射，哪怕是处于导带底部的电子，只要在没被复合前能扩散到表面，就可能逸出。在寿命时限内，其扩散至表面的有效逸出深度可达数微米，而普通多碱阴极只有几十纳米，故其量子效率显著提高。此外，负电子亲和势光电阴极所形成的光电发射的电子大多处于导带底部，其逸出光电子的动能分布比较集中。由于其逸出深度较大，故光电子出射角散布较小，大都集中于光电阴极的法线方向；再加上其暗电流小，所有这些都有利于降低电子光学系统的像差，从而有效地提高像增强器的分辨力和系统的视距。第三代微光夜视仪观察距离比第二代提高了 1.5倍以上。砷化镓光电阴极光谱响应波段明显向长波区延伸，同时在响应区内响应值变化很小，所以该像增强器的光谱响应较宽，有些长波阈可达到 1000nm左右。三代管在性能上虽然有很大的改进，但是制作工艺复杂，研制周期长，价格昂贵。
　　为了进一步解决在极低微光下的应用问题，还出现了杂交管的方案。它是以二代薄片管或三代管为第一级，单级一代管作为第二级相耦合的组合式像管。它的优点是可以获得很高的增益，但为了寻求信噪比与增益之间的最佳折中方案，从而适当减小 MCP的增益。这一方案运用了各种像管的优点，使器件的增益和信噪比充分发挥出来。
　　4. 像增强电荷耦合器件
　　为了实现微光电视实时成像，通常采用电荷耦合器件 (Charge Coupled Device，CCD)的方式。 CCD出现于 20世纪 70年代，它是一行行排列的金属 -氧化物 -半导体 (Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)电容器阵列，具有储存和转移电荷信息的能力。对于每一单元的 MOS结构来说，光激发产生的电子被积累在光敏元的势阱中。势阱中电荷包的大小与入射到光敏元的光强成正比，也与积分时间成正比。将像增强器通过纤维光锥或者中继透镜耦合到 CCD上制成像增强 CCD(Intensified Charge Coupled Device，ICCD)，如图1.4所示，由 CCD把通过像增强器增强了的光子图像转换为对应的电子图像，经读出电路输出。普通的 CCD只能在 1lx以上的条件下才能工作，借助像增强器的图像增强功能，大大提高了 CCD的工作光照范围。值得注意的是，微光 ICCD系统的 MCP和 CCD读出的结构产生的噪声占 ICCD整个摄像系统噪声的 80%以上，如何消除上述噪声是需要攻克的技术难点。此外， MCP与 CCD耦合时，其响应频谱和所有像素现在还无法做到最佳匹配与完全耦合，图像失真不可避免。
　　图1.4 通过纤维光锥将像增强器与 CCD耦合的 ICCD
　　5. 电子轰击 CCD
　　背照式 CCD(Back-Illumination CCD，BCCD)通过减薄方法去除 CCD基片的大部分硅材料，仅保留含有电路器件结构的硅薄层。在像增强器内用对电子灵敏的 BCCD代替通常的荧光屏而构成电子轰击 CCD(Electron-Bombardment CCD，EBCCD)，如图1.5所示。它不需要 MCP、荧光屏和纤维光学耦合器，从而使成像链的环节减到最小。 EBCCD的工作原理是入射光子打在光电阴极上转换成光电子，光电子被加速后，从 CCD背面无须通过多晶硅电极，即可进入 CCD并聚焦在 CCD芯片上，在 CCD光敏元上产生电荷包。当积累结束时，电荷包转移输出成像，避免了在集成 MOS电路的绝缘层中的能量损失与充电效应，克服了通常的前照明 CCD的性能限制。它能够几乎无噪声地提供高于 3000的电子轰击半导体增益。因为要将 CCD封装在管内之后制作光电阴极，所以装架困难。同时， CCD在电子的直接轰击下使暗电流和漏电流增加，使用寿命也随之下降。
　　图1.5 EBCCD结构原理图
　　6. 基于像增强器的新技术
　　采用带有离子壁垒膜 MCP的像增强器，其离子壁垒膜能有效阻止正离子反馈，使光电阴极免受破坏，同时消除了离子斑，延长了像管的工作寿命。但是由于其对电子的散射和阻止作用，降低了信噪比和分辨率，并且仍存在晕光效应，影响了像管在微光条件下的有效工作。 1997年，美国国际电话电报公司和 Litton系统公司在美国陆军的支持下，寻求既不用离子壁垒膜，又能保护光电阴极不受破坏，同时，能减小晕光效应及成像质量优良的新技术。 1998年，Litton系统公司首先成功研制了无膜 MCP(Bulk Conductive Glass MCP，BCG-MCP)像管，并对有膜 MCP和 Litton公司生产的高性能无膜 MCP的工作可靠性进行了大量的实验。实验结果表明无膜 MCP的工作寿命和电特性已达到有膜 MCPⅢ代的水平。根据图1.6所示的成像实验结果，无膜 MCP的成像质量较有膜 MCP得到了很大改善。其关键技术涉及了新型高性能的无膜 MCP、光电阴极与 MCP之间采用的自动脉冲门控电源和无晕成像技术等。 2000年，美国陆军已对 Litton系统公司的该类像管进行了合格检验实验，并将其用于 M4A1卡宾枪的夜视瞄具中，认可了其所产生的