李曉峰，杜木林，徐傳平，黃麗書，陳俊宇，常樂

（北方夜視技術(shù)股份有限公司，昆明650214）

夜間景物亮度太低，為使人眼在夜間也能看到景物，需要借助一些輔助手段，如對景物進行照明。然而在一些特殊應用場合，如在夜間對野生動物進行觀察時，為了不驚擾野生動物；及在夜間對罪犯進行跟蹤或取證時，為了不暴露自身目標，均不能對目標進行照明。因此在不能對景物進行照明時，為了在夜間或黑暗中觀察景物，必須借助微光夜視儀。微光夜視儀的核心是像增強器［1-4］。像增強器通過光電效應原理實現(xiàn)對景物亮度的增強，從而實現(xiàn)人眼在夜間對景物進行觀察的目的。隨著微光像增強器技術(shù)的發(fā)展，像增強器的等效背景照度已從過去的10-7lx 數(shù)量級降低到了10-8lx，甚至10-9lx 數(shù)量級。等效背景照度的降低，意味著像增強器可以探測到更低的亮度閾值。然而，要探測更低的亮度閾值，像增強器需要具有更高的亮度增益。對于采用超二代像增強器的頭盔式夜視儀，如果觀察10-3lx 數(shù)量級照度的景物，需要104cd·m-2·lx-1數(shù)量級的亮度增益；觀察10-4lx 數(shù)量級照度的景物，需要105cd·m-2·lx-1數(shù)量級的亮度增益；觀察更低照度的景物，則需要更高的像增強器亮度增益。目前超二代像增強器的亮度增益在104cd·m-2·lx-1數(shù)量級，還不能滿足對更低照度或更遠距離目標的觀察要求。但在提高超二代像增強器亮度增益方面，與提高超二代像增強器分辨力［5-8］、信噪比［9-12］相比較，研究進展相對緩慢，影響了超二代像增強器觀察距離的進一步提高。關(guān)于如何提高超二代像增強器的亮度增益，一般認為只要提高微通道板（Microchannel Plate，MCP）工作電壓（簡稱板壓）即可。提高MCP 的板壓可以提高MCP 的增益，同時也就提高了超二代像增強器的亮度增益。然而提高MCP 板壓是否存在極限，以及提高MCP 的板壓對超二代像增強器的其他性能是否會有影響，這方面的研究還未見報道，所以有必要對影響超二代像增強器最高亮度增益的因數(shù)進行分析。

1 理論分析

根據(jù)像增強器的相關(guān)理論［13-14］，超二代像增強器的亮度增益與光電陰極靈敏度、微通道板電子增益（簡稱增益）、熒光屏發(fā)光效率（簡稱屏效）以及熒光屏電壓（簡稱屏壓）有關(guān)，它們之間遵循

式中，G為像增強器的亮度增益，單位為cd·m-2·lx-1；S為陰極靈敏度，單位為μA·lm-1；GM為微通道板增益；η為熒光屏的屏效，單位：lm·W-1；Va為熒光屏的屏壓，單位：V；M為像增強器的幾何放大率。由于超二代像增強器為雙近貼聚焦的結(jié)構(gòu)，因此其幾何放大率M為1，所以式（1）可以簡化為

通常情況下，MCP 的板壓每增加50 V，MCP 的增益就可以增加1 倍，即MCP 增益與其板壓之間遵循

式中，GM為MCP 增益，GM0為800 V 板壓時的MCP 增益，VM為MCP 板壓。以下將MCP 在800 V 板壓時的增益稱為MCP 固有增益。將式（3）代入式（2），可得

從式（4）可以看出，影響超二代像增強器亮度增益的因數(shù)包括光電陰極的陰極靈敏、屏效、屏壓、MCP 固有增益以及MCP 板壓。其中陰極靈敏度、屏效、屏壓以及MCP 固有增益對像增強器亮度增益的影響是線性的，即其中之一只要提高10%，那么像增強器的亮度增益也會提高10%。而MCP 板壓對像增強器亮度增益的影響卻是指數(shù)型的。所以從影響像增強器亮度增益的角度看，在式（4）中所涉及的5 個影響因數(shù)中，MCP 板壓對像增強器亮度增益的影響最大。

目前對于采用普通玻璃窗的超二代像增強器，陰極靈敏度在800 μA·lm-1～1 100 μA·lm-1之間，短期內(nèi)再進一步提高較困難。對于熒光屏而言，屏效（P22 型號熒光粉）一般在16 lm·W-1～20 lm·W-1之間。如果要進一步提高熒光屏的屏效，就需要增大熒光粉粒度，而這又會影響熒光屏的分辨力，所以短期內(nèi)，熒光屏的屏效只能保持在目前的水平。對屏壓而言，因為屏壓的進一步提高會帶來熒光屏或MCP 高壓擊穿的問題，由此會降低像增強器的制造良品率。所以超二代像增強器的屏壓一般只能保持在6 000V 的水平上。至于MCP（直徑為25 mm，孔徑為6 μm，節(jié)距為8 μm）的固有增益，一般在100～300 之間，短期內(nèi)進一步提高也比較困難。綜上所述，由于陰極靈敏度、屏效、屏壓以及MCP 的固有增益在短期內(nèi)可以認為是相對固定的，因此其對像增強器亮度增益的影響也是相對是固定的，所以在式（4）中它們可以被認為是常量。也就是說在超二代像增強器的陰極靈敏度、屏效、屏壓以及MCP 的固有增益一定的條件下，理論上講，提高MCP 的板壓是提高超二代像增強器亮度增益的方法之一。

假設像增強器陰極靈敏度為900 μA·lm-1，屏效為18 lm·W-1，MCP 固有增益為250。那么根據(jù)式（4）可以計算出，MCP 的板壓只需要達到879 V，像增強器的亮度增益就可以達到20 000 cd·m-2·lx-1。同理可以計算出，MCP 的板壓只需要達1 046 V，像增強器的亮度增益即可達到194 400 cd·m-2·lx-1，接近2×105cd·m-2·lx-1數(shù)量級。但以上僅是理論分析，能否無條件地通過提高MCP 板壓來提高超二代像增強器的增益，另外在提高MCP 的板壓以后，是否會對超二代像增強器的其他性能參數(shù)產(chǎn)生影響，還需要通過實驗來驗證。

2 實驗結(jié)果及分析

從實驗上研究MCP 板壓對超二代像增強器亮度增益的影響，選取有效陰極直徑為18 mm 的超二代像增強器進行試驗。超二代像增強器采用多堿陰極［15-18］，即S25 光電陰極。首先對244#樣品進行試驗，測量其亮度增益隨MCP 板壓變化的關(guān)系。244#樣品的陰極靈敏度、等效背景照度（Equivalent Background Illumination，EBI）、分辨力（Resolution）、信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）以及屏效的具體參數(shù)見表1。

表1 試驗樣品的性能參數(shù)Table 1 Parameters of testing samples

測量儀器采用符合像增強器測試標準的像增強器亮度增益測試儀。包括光源、濾光片盒、暗箱（樣品室）和光度計。輸入光經(jīng)過濾光片衰減后投射在像增強器的光電陰極面上，經(jīng)過像增強器增強，從熒光屏輸出。熒光屏的輸出光再被光度計接收，從而測量出像增強器熒光屏的亮度。熒光屏的亮度與光電陰極面上的輸入照度之比即為像增強器的亮度增益。測量儀器的光源為2 856 K 色溫的鎢絲燈。濾光片盒中有一組不同透過率的中性密度濾光片，包括從ND0.5、ND1、ND2、ND3 的不同透過率的濾光片，另外還包括擋板。濾光片和擋板在濾光片盒中可以移動。當在測量過程中需要對輸入光進行衰減時，可以將不同的濾光片或濾光片組合推入光路。同樣當在測量過程中需要增加光電陰極面上的輸入照度時，可以將不同的濾光片或濾光片組合拉出光路。當在測量過程中不需要輸入光照時，可以將擋板推入光路，反之則可以拉出光路。亮度計為美國Pritchard 公司生產(chǎn)。測量儀器的結(jié)構(gòu)如圖1（a），像增強器測量所用高壓電源如圖1（b）。高壓電源的輸出電壓通過高壓電纜連接到樣品的測試夾具上，再通過測試夾具施加在測量樣品上。高壓電源包括三組電壓輸出，第一組為陰極電壓，第二組為MCP 板壓，第三組為屏壓。MCP 的輸出端為地，因此屏壓為正高壓，MCP 板壓和陰極電壓均為負高壓。即MCP 輸入端電位比輸出端電位低，而陰極電位又比MCP 輸入端電位低。

圖1 增益測量儀器Fig.1 Test set for gain of image intensifier

像增強器的亮度增益測量在暗室中進行。環(huán)境溫度為常溫，相對濕度低于45%。另外測量暗箱中通有干燥氮氣，以保證測量過程中不產(chǎn)生高壓放電。光電陰極面上的輸入照度為4.7×10-5lx，樣品的陰極電壓為200 V，屏壓為6 000 V。在測量過程中，陰極電壓和屏壓保持不變，僅變化MCP 板壓。每變化一次MCP 板壓，測量一次像增強器的亮度增益。在測量得到樣品的亮度增益后，根據(jù)式（2）及樣品的陰極靈敏度、屏效及屏壓計算出該樣品的MCP 增益。

244#樣品MCP 增益的計算結(jié)果如圖2。從圖2 中曲線244#可以看出，隨著MCP 板壓的增加，樣品的MCP 增益隨之增加，并且符合式（3）的規(guī)律。但隨著MCP 板壓的不斷增加，當MCP板壓增加到1 020 V 時，樣品的MCP 增益變化速率突然增大，見圖2 中曲線244#上的點A。所以隨著MCP 板壓的不斷提高，244#樣品MCP 增益的變化可分為兩個區(qū)域，低于點A的區(qū)域為稱為量變區(qū)，高于點A的區(qū)域稱為突變區(qū)。在突變區(qū)，像增強器圖像的對比度、分辨力消失，其他參數(shù)如EBI、信噪比也不能正常測量。可以認為點A所對應的板壓即為MCP 所能施加的最高板壓，對應的MCP 增益即為MCP 的最高增益。

圖2 MCP 增益隨板壓VM的變化Fig.2 Gain of MCP with the variation of VM

為分析244#樣品MCP 增益發(fā)生突變的原因，在樣品無輸入照度條件下，通過光度計的目鏡觀察其熒光屏的暗背景，即在測量光路中推入擋板的條件下對其熒光屏暗背景隨MCP 板壓變化情況進行觀察。在244#樣品暗背景的觀察過程中，發(fā)現(xiàn)熒光屏上會有一些閃爍點。例如，在MCP 板壓為800 V 條件下，熒光屏圖像如圖3（a）。熒光屏上的閃爍點是光電陰極暗發(fā)射所造成的。因為暗發(fā)射在位置上和時間上是隨機的，因此其在熒光屏上的圖像，即閃爍點在位置上和時間上也是隨機的。為了進一步觀察暗背景的變化，在800 V板壓基礎上，不斷增加MCP 板壓。在此過程中，熒光屏上仍為一些閃爍點，不同的是這些閃爍點的亮度更亮，同時數(shù)量也更多，并且板壓越高，閃爍點的亮度越亮，數(shù)量越多。圖3（b）為MCP 板壓為950 V 時在熒光屏上所觀察到的圖像。熒光屏上閃爍點亮度更亮的原因是MCP 增益的增加，數(shù)量更多的原因是原來被MCP 輸入面電極俘獲的暗發(fā)射電子也參與倍增。

圖3 不同MCP 板壓下的熒光屏圖像Fig.3 The images of phosphor screen on different voltages of MCP

在950 V 電壓的基礎上進一步提高MCP 板壓，熒光屏上的圖像仍然由閃爍點組成。當MCP 的板壓提高到1 020 V 時，熒光屏的發(fā)光狀態(tài)發(fā)生突變，從只有閃爍點的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€熒光屏呈現(xiàn)一個自激發(fā)光狀態(tài)，并且亮度可達到10 cd·mm-2以上，如圖3（c）。從理論上講，如果像增強器沒有輸入光，熒光屏上除光電陰極的暗發(fā)射所產(chǎn)生的不連續(xù)、隨機的閃爍點外，不應該有連續(xù)而穩(wěn)定的輸出光。但實際情況是，當MCP 的板壓達到一定的數(shù)值時，熒光屏會發(fā)生自激發(fā)光，輸出連續(xù)而穩(wěn)定的光。由于當MCP 板壓達到最高板壓時，像增強器會產(chǎn)生自激發(fā)光，受這一因數(shù)的影響，像增強器的亮度增益變化速率會隨之發(fā)生突變，而根據(jù)式（2），可得出MCP 增益變化速率會發(fā)生突變的結(jié)論。對于MCP 而言，實際上其增益變化的速率并未發(fā)生突變，之所以MCP 的增益變化發(fā)生突變，是根據(jù)式（2）計算的結(jié)果。

圖4 是244#樣品在無輸入照度條件下，陽極電流Ia隨MCP 板壓的變化曲線。從該曲線可以看出，隨著MCP 板壓的增加，陽極電流隨之增加，但增加的速率較低。但當MCP 板壓達到1 020 V 時，陽極電流突然增大到0.5 μA。因此從陽極電流隨MCP 板壓變化的角度也可以看出，當MCP 增益或板壓達到某一最高值時，像增強器會產(chǎn)生自激發(fā)光。

圖4 陽極電流隨MCP 板壓的變化Fig.4 Anode current of screen with the variation of VM

像增強器發(fā)光的原因可以從其倍增機理上來分析。超二代像增強器主要由光電陰極、MCP、熒光屏等組成，是一種近貼聚焦結(jié)構(gòu)的像增強器，如圖5。光電陰極發(fā)射的光電子經(jīng)過MCP 倍增，從MCP 輸出端輸出，之后在電場作用下加速，獲得動能，穿透熒光屏的鋁膜并轟擊熒光屏發(fā)光。熒光屏所發(fā)射的光透過輸出窗而向外發(fā)射。因為熒光屏發(fā)光的光通量超過光電陰極輸入的光通量，因此像增強器可以實現(xiàn)光的增強作用。

圖5 近貼聚焦像增強器示意Fig.5 Diagram of proximity-focused image intensifier

像增強器熒光屏由熒光粉層（Phosphor layer）和鋁膜（Aluminum film）所組成，如圖6。當電子e 轟擊熒光屏時，電子e 首先穿透鋁膜，然后再撞擊熒光粉顆粒，將電子動能轉(zhuǎn)換為光能。熒光粉顆粒發(fā)光時，發(fā)光是360°全方位的，即不僅有向輸出窗方向的，而且還有向鋁膜方向的。由于鋁膜的存在，向鋁膜方向傳輸?shù)墓饩€會被鋁膜反射，即將向鋁膜方向傳輸?shù)墓夥瓷浠剌敵龃胺较?。為表述方便，將向鋁膜方向傳輸?shù)墓夥Q為反向光。盡管熒光屏的鋁膜會反射反向光，但熒光屏中的鋁膜對反向光的反射率并不是100%，另外鋁膜并不是無限厚，因此反向光中仍會有極少一部分反向光p 透過鋁層，之后再穿透MCP，最終入射在光電陰極上。這些入射在光電陰極上的反向光p 會使光電陰極發(fā)射光電子e。光電子e 經(jīng)過MCP 倍增，會再次激發(fā)熒光屏發(fā)光，由此完成一個光的循環(huán)，如圖5。隨著光循環(huán)的不斷進行，當光電陰極的光電流和MCP 的增益達到某一值時，像增強器內(nèi)部將形成正反饋，最終促使熒光屏產(chǎn)生自激發(fā)光。這一過程類似電子電路中的正反饋。

圖6 熒光屏結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Sketch of phosphor screen in image intensifier

為進一步分析影響MCP 最高增益的因數(shù)，再另外選擇119#和176#超二代像增強器進行試驗。119#和176#樣品的參數(shù)如表1。119#、176#樣品與244#樣品的制作工藝相同，因此具有可比性。119#和176#樣品的試驗結(jié)果分別如圖2 中的曲線119#和曲線176#。從圖2 中可以看出，119#樣品的試驗結(jié)果與244#樣品的試驗結(jié)果相類似，當119#樣品的MCP 增益達到一定的最高值時，像增強器也發(fā)生自激發(fā)光，并且MCP 最高增益與244#樣品的MCP 最高增益基本相同，如圖2 中曲線119#上的點B和曲線244#上的點A，點B和點A的高度基本相同。119#樣品的陰極靈敏度為802 μA·lm-1，EBI 為0.3×10-7lx。244#樣品的陰極靈敏度為797 μA·lm-1，EBI 為1.2×10-7lx。兩個樣品相比較，最大區(qū)別在于EBI，兩者相差1 個數(shù)量級。由于兩個樣品發(fā)生自激發(fā)光的MCP 最高增益基本相同，因此可以認為EBI 不是影響樣品MCP 最高增益的主要因數(shù)。

將176#樣品的試驗結(jié)果分別與119#和244#樣品的相比較，可以看出176#樣品MCP 的最高增益更高，如圖2 中曲線176#上的點C，即點C的增益高于點A和點B。176#樣品的陰極靈敏度為507 μA·lm-1，244#和119#樣品的陰極靈敏度分別為709 μA·lm-1和802 μA·lm-1。176#樣品的陰極靈敏度最低，而其MCP 的最高增益最高，由此可以認為在熒光屏相同的條件下，陰極靈敏度是影響MCP 的最高增益的主要因數(shù)，同時MCP 的最高增益與光電陰極的靈敏度成反比，陰極靈敏度越高，MCP 的最高增益越低。

為進一步驗證陰極靈敏度與MCP 最高增益的相關(guān)性，在以上3 個超二代像增強器樣品試驗的基礎上，再另外選擇347#樣品進行試驗。347#樣品為單MCP 的日盲紫外像增強器，采用Cs2Te日盲紫外光電陰極［19-21］，其陰極靈敏度為32 mA·W-1（254 nm），其他參數(shù)見表1。347#日盲紫外像增強器，除光電陰極外，其結(jié)構(gòu)、MCP、熒光屏等與244#、119#以及176#樣品完全相同。347#樣品的試驗結(jié)果如圖2 中的曲線347#。從圖2 中的曲線347#可以看出，347#樣品在MCP 板壓為1 250 V 時，仍未出現(xiàn)自激發(fā)光的現(xiàn)象。由此可以判斷，347#樣品的MCP 最高增益遠遠高于176#、119#和244#樣品。需要說明的是，由于目前MCP 耐壓的限制，在347#樣品的試驗過程中，MCP 的板壓僅僅增加到1 250 V，未在1 250 V 的基礎上進一步增加，因此未能測量到MCP 的最高增益。因為如果再進一步增加MCP 板壓，那么MCP 容易發(fā)生擊穿。347#樣品的熒光屏與176#、119#和244#樣品一樣，即其熒光粉和鋁膜厚度均相同。熒光粉為P22 型號的熒光粉，而其發(fā)光的光譜峰值波長約在515 nm，如圖7，176#、119#和244#樣品使用S25 多堿陰極，其光譜響應范圍在350～960 nm 之間。由于S25 光電陰極的光譜響應范圍與熒光屏的發(fā)射光譜范圍存在交疊，因此S25 光電陰極可以對熒光屏所發(fā)射的反向光響應，即光電陰極會因反向光的作用而發(fā)射光電子。而347#樣品使用Cs2Te日盲紫外陰極，其光譜響應范圍（石英窗）在180～320 nm 之間。盡管兩者之間的光譜范圍從圖7 中看不存在重疊，但實際上兩者的光譜范圍是存在重疊的。因為Cs2Te日盲紫外陰極存在帶外光譜響應，即在320 nm波長之后，仍然有一定的響應，只不過響應非常低而已。因此其對熒光屏所發(fā)射的反向光響應極低，所以對反向光作用而發(fā)射光電子的數(shù)量極低，即比176#、119#和244#樣品光電陰極發(fā)射光電子的數(shù)量低得多，因此要形成正反饋的MCP 最高增益較176#、119#和244#樣品都高。347#日盲紫外像增強器的試驗結(jié)果再次證明，陰極靈敏度越低，發(fā)生自激發(fā)光的MCP 最高增益越高；陰極靈敏度越高，發(fā)生自激發(fā)光的MCP 最高增益越低。目前雙MCP 的日盲紫外像增強器的MCP 增益可達106以上，這也從另外一方面印證了在熒光屏相同的條件下，光電陰極靈敏度是影響MCP 最高增益主要因數(shù)的結(jié)論。

圖7 光電陰極光譜響應與熒光屏發(fā)射光譜Fig.7 Spectral response of photocathode and emission spectral of phosphor screen

需要說明的是，在像增強器中，光電陰極靈敏度通常指透射式陰極的靈敏度。所謂透射式陰極是指輸入光與發(fā)射電子的方向相同。例如在像增強器中，如圖4所示，輸入光從左向右，而光電子發(fā)射方向也是從左向右，與輸入光的方向相同。而在上述光電陰極對反向光的響應中，光電陰極的光電發(fā)射是一種反射式陰極的光電發(fā)射過程。所謂反射式陰極，是指入射光的方向與光電子的發(fā)射方向相反。例如在圖5 中，反向光是從右向左，而光電子的發(fā)射方向卻是從左向右，與入射光的方向相反。通常情況下，在像增強器中，對于光電陰極而言，透射式的陰極靈敏度越高，其反射式的陰極靈敏度也越高。根據(jù)前面的分析，MCP 的最高增益與光電陰極的靈敏度成反比，而這里的靈敏度是指透射式光電陰極的靈敏度。但像增強器的自激發(fā)射，實質(zhì)上是與反射式陰極的靈敏度直接相關(guān)。因為在像增強器中，反射式的陰極靈敏度與透射式的陰極靈敏度成正比，因此像增強器的自激發(fā)射間接與透射式陰極靈敏度成反比，所以也可以認為MCP 的最高增益與光電陰極透射式的靈敏度成反比。

理論上講，過高的板壓會產(chǎn)生一定的場致發(fā)射，而這一場致發(fā)射對超二代像增強器的自激發(fā)光會有一定的影響。為了驗證MCP 場致發(fā)射對超二代像增強器自激發(fā)光的影響，在像增強器發(fā)生自激發(fā)光時關(guān)閉陰極電壓，僅僅保持MCP 板壓以及屏壓，此時自激發(fā)光現(xiàn)象消失。在關(guān)閉陰極電壓時進一步在提高MCP板壓（提高200 V），自激發(fā)光現(xiàn)象仍并未出現(xiàn)，因此可以說明MCP 的場致發(fā)射不是產(chǎn)生自激發(fā)光的主要原因，即MCP 的場致發(fā)射在產(chǎn)生自激發(fā)光的過程中，貢獻較小。

MCP 的斜切角和離子阻擋膜均會降低MCP 對透光率。目前在超二代像增強器中，斜切角過低會影響MCP 的固有增益，而過高則會影響MCP 的分辨力和均勻性。所以目前對于超二代像增強器所使用的MCP，其斜切角為6°。由于超二代像增強器中MCP 斜切角固定為6 °，所以本研究未涉及MCP 斜切角對自激發(fā)光的影響。理論上講，增大MCP 的斜切角也可以提高MCP 的最高增益。離子阻擋膜主要在三代像增強器中使用，超二代像增強器中不使用離子阻擋膜，所以本研究中也未涉及離子阻擋膜對自激發(fā)光的影響。然而，對三代像增強器而言，也存在自激發(fā)光的現(xiàn)象，這說明盡管離子阻擋膜具有一定的隔光作用，但并不能消除自激發(fā)光的現(xiàn)象，只能在某種程度上提高MCP 的最高增益。

3 討論

根據(jù)以上試驗結(jié)果和分析可知，MCP 的最高增益與光電陰極的靈敏度以及熒光屏鋁膜透過率成反比。因此要提高MCP 的最高增益，在陰極靈敏度一定的條件下，就需要降低熒光屏鋁膜透過率。降低熒光屏鋁膜的透過率，可以采用在現(xiàn)有鋁膜基礎上再鍍制一層黑化的鋁膜、鎳膜或其他的黑色吸光膜的方法。在這方面，已經(jīng)有一些嘗試［22］，但實用化技術(shù)還須進一步研究。降低熒光屏鋁膜的透過率，核心是要阻斷來自熒光屏的光。目前的超二代像增強器技術(shù)，均是在雙近貼聚焦的結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)的。所謂雙近貼聚焦，是指光電陰極與MCP 之間，MCP 與熒光屏之間是通過在空間上近貼的方式來實現(xiàn)電子聚焦的，如圖5。這種聚焦方式的特點是光電陰極與MCP 之間相互面對，因此透過MCP 的光不可避免地會直接照射在光電陰極上。對于靜電聚焦的像增強器，由于聚焦電極可以隔光，因此透過MCP 的光大部分均不能直接照射在光電陰極上，在某種程度上可以提高MCP 的最高增益。

靜電聚焦的像增強器結(jié)構(gòu)如圖8。它與雙近貼聚焦結(jié)構(gòu)的區(qū)別是在光電陰極與MCP 之間存在一個錐電極（Cone）。該錐電極為漏斗狀，在其頂端有一個小孔。錐電極頂端的小孔，對于電子透鏡而言，其焦點就在小孔的附近，也相當于一個電子光欄。對于來自熒光屏的反向光而言，該小孔相當于一個光欄，可以阻斷大部分來自熒光屏的反向光，從而可以大大提高MCP 的最高增益。雙近貼聚焦結(jié)構(gòu)像增強器光電陰極采用轉(zhuǎn)移陰極的技術(shù)制作，而目前靜電聚焦結(jié)構(gòu)像增強器的光電陰極卻采用原位的技術(shù)制作。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)生產(chǎn)的Φ25 mm 有效輸入直徑、靜電聚焦結(jié)構(gòu)、光纖面板輸入窗的二代像增強器（型號：XX1470），其陰極靈敏度較過去有了較大提高，陰極靈敏度大于500 μA·lm-1的像增強器的比例達到30%以上，并且性能參數(shù)全面合格的像增強器的最高陰極靈敏度達到了672 μA·lm-1。如在此基礎上，借鑒現(xiàn)有的有關(guān)多堿陰極的理論研究成果［15］，進一步優(yōu)化制作工藝，其陰極靈敏度還有進一步提高的可能。只要靜電聚焦結(jié)構(gòu)像增強器的陰極靈敏度、分辨力、信噪比等有提升，再加上其更高亮度增益的優(yōu)點，在某些應用環(huán)境中，可以替代超二代像增強器。

圖8 靜電聚焦像增強器Fig.8 Electro-statically focused image intensifier

另外，在提高MCP 最高增益的同時，像增強器的其他參數(shù)，如分辨力、EBI 以及信噪比仍須滿足要求，否則像增強器亮度增益的提高將失去意義。為了從實驗上了解MCP 板壓變化對像增強器其他性能的影響，在不同板壓下測量了244#、119#和176#樣品的分辨力、EBI 以及信噪比。分辨力、EBI 以及信噪比的測量采用傳統(tǒng)的測量方法［23-24］。測量結(jié)果表明，在低于MCP 最高板壓時，隨著MCP 板壓的增加，三支像增強器的分辨力均保持不變，如圖9。像增強器的分辨力不隨MCP 板壓的變化而變化，這是因為分辨力主要由像增強器的近貼聚焦距離、MCP 的孔徑所決定的，而MCP 的板壓變化并不會改變像增強器的近貼聚焦距離以及MCP 孔徑，因此像增強器的分辨力不隨MCP 的板壓變化而變化。

圖9 分辨力與MCP 板壓的關(guān)系Fig.9 Resolution on different operation voltages of MCP

像增強器EBI 隨MCP 板壓變化的測量結(jié)果如圖10。理論上講，一方面，像增強器的EBI 主要由光電陰極的暗發(fā)射所決定，而MCP 的板壓不會改變光電陰極的暗發(fā)射，因此MCP 的板壓不會改變像增強器的EBI，所以EBI 不會隨MCP 板壓的變化而變化。另一方面，隨著MCP 板壓的增加，暗背景亮度也隨之增加，會出現(xiàn)信號感生背景，所以EBI 會隨著MCP 板壓的增加而增加。但測試結(jié)果表明，在小于MCP 最高增益的條件下，EBI 并未隨MCP 板壓的增加而有較明顯和單調(diào)的增加，僅僅是出現(xiàn)了小幅的波動。超二代像增強器的EBI 測量長期存在的一個問題是，對同一支像增強器，在相同測試條件下，不同時刻所測量得到的數(shù)值會有一定的波動。考慮到這一因數(shù)，可以認為隨著MCP 板壓的增加，EBI 的波動也跟不同時刻測量時出現(xiàn)的波動問題屬于同一類。

圖10 EBI 與MCP 板壓的關(guān)系Fig.10 EBI on different operation voltages of MCP

盡管像增強器的分辨力和EBI 不隨MCP 的板壓變化而變化，但信噪比卻隨著板壓的變化而變化，如圖11。圖11 為244#樣品信噪比隨MCP 板壓變化的曲線。從圖11 中可以看出，在MCP 板壓從700 V 開始增加時，MCP 的增益隨板壓增加而單調(diào)增加，但像增強器的信噪比卻并非隨板壓的增加而單調(diào)增加。像增強器的信噪比起初隨MCP 板壓的增加而增加，并且在860 V 達到最高值。但當在像增強器的信噪比達到最高值以后，又隨著MCP 板壓的增加而降低。由此可以看出，當通過提高MCP 板壓來提高MCP 增益，當MCP板壓超過最高信噪比電壓以后，需要以犧牲信噪比為代價。信噪比降低以后，隨著帶來的問題是圖像的閃爍噪聲增大。例如對于靜電聚焦的二代像增強器（增益的典型值為16 000 cd·m-2·lx-1），由于其增益高于近貼聚焦的像增強器（增益的典型值為10 000 cd·m-2·lx-1），因此其觀察距離較近貼聚焦的像增強器更遠，但其閃爍噪聲更大，對人眼的刺激也更大，更加容易疲勞。正因為受限于提高MCP 板壓，像增強器信噪比會降低的問題，目前超二代像增強器的亮度增益遠遠低于其所能達到的最高增益。所以提高像增強器的亮度增益，不能僅僅依靠采取提高MCP 板壓的辦法，而是需要提高MCP 的固有增益，即800 V 板壓下的MCP 增益。只有MCP 的固有增益提高了，相同MCP 增益下的板壓才能降低，對像增強器信噪比的影響也才能降低。

圖11 信噪比與MCP 板壓的關(guān)系Fig.11 SNR on different operation voltages of MCP

隨著原子層沉積技術(shù)MCP 的出現(xiàn)［25-26］，MCP 的固有增益有了較大的提高，降低了MCP 的板壓，有望解決提高MCP 板壓會降低像增強器信噪比的問題。例如對于采用傳統(tǒng)燒氫技術(shù)MCP 超二代像增強器，當平均陰極靈敏度為850 μA·lm-1，平均屏效為16 lm·W-1，平均亮度增益為14 000 cd·m-2·lx-1時，其平均信噪比為26.7。但對于采用ALD 技術(shù)MCP 超二代像增強器，當平均陰極靈敏度為850 μA·lm-1，平均屏效為16 lm·W-1，平均亮度增益為14 000 cd·m-2·lx-1時，其平均信噪比卻為28.3。采用ALD 技術(shù)的MCP 可以獲得更高的信噪比，原因是ALD 技術(shù)的MCP 具有更高的增益，因此在相同的14 000 cd·m-2·lx-1亮度增益條件下，MCP 的板壓更低，可以獲得更高的信噪比。目前ALD 技術(shù)的MCP 的缺點是，盡管可以獲得更高的增益，通常情況下，增益可以達2 000 以上，較傳統(tǒng)燒氫技術(shù)MCP 的增益高一個數(shù)量級，但其增益和板阻的離散性較大，成本較高，因此目前ALD 技術(shù)的MCP 還不具備大批量應用的條件。

4 結(jié)論

超二代像增強器的陰極靈敏度、MCP 固有增益、屏效以及屏壓均會影響超二代像增強器的最高亮度增益。在陰極靈敏度、屏效和屏壓一定的條件下，提高MCP 的增益可以提高超二代像增強器的最高亮度增益。但MCP 存在一個的最高增益，超過MCP 的最高增益，超二代像增強器的亮度增益的將失去意義。在陰極靈敏度、MCP 固有增益、屏效和屏壓一定的條件下，影響MCP 最高增益的主要原因是熒光屏對反向光的透過率。

通過提高MCP 板壓來提高超二代像增強器增益的方法對分辨力、EBI 均不會產(chǎn)生較大的負面影響，但對信噪比會產(chǎn)生負面的影響。因此如果考慮到超二代像增強器的信噪比，那么超二代像增強器的最高增益需要在信噪比達到要求的條件下考慮，因此信噪比又是在MCP 最高增益因數(shù)下限制像增強器亮度增益提高的又一個因數(shù)。

要降低熒光屏鋁膜的透過率，可以采用在現(xiàn)有熒光屏鋁膜的表面再制作一層黑化層的方法，如黑鋁、黑鎳等。但采取這些技術(shù)以后，會阻擋來自MCP 輸出端的一部分輸出電子，降低熒光屏的屏效，因此需要分析兩者之間的利弊，進行折中。

像增強器技術(shù)在光電陰極靈敏度、分辨力以及信噪比方面，潛力不斷地被挖掘，但在熒光屏方面，挖掘還不充分，因此有必要進一步對熒光屏的發(fā)光材料、制作技術(shù)等進行研究。