Усилитель изображения

Усилитель изображения или электронно-оптический преобразователь — это вакуумное ламповое устройство для увеличения интенсивности доступного света в оптической системе , позволяющее использовать его в условиях низкой освещенности, например, ночью, для облегчения визуального отображения процессов при слабом освещении, таких как флуоресценция. материалов в рентгеновских лучах или гамма-лучах ( рентгеновский усилитель изображения ) или для преобразования невидимых источников света, таких как ближний инфракрасный или коротковолновый инфракрасный свет, в видимый. Они работают путем преобразования фотонов света в электроны, усиления электронов (обычно с помощью микроканальной пластины ), а затем преобразования усиленных электронов обратно в фотоны для просмотра. Они используются в таких устройствах, как очки ночного видения .

Введение

Электронно-оптические преобразователи (ЭОП) — это оптоэлектронные многим устройствам, таким как приборы ночного видения и устройства медицинской визуализации устройства, которые позволяют функционировать . Они преобразуют низкие уровни света различных длин волн в видимые количества света одной длины волны.

Операция

света Усилители изображения преобразуют небольшое количество фотонов в электроны, усиливают эти электроны , а затем преобразуют электроны обратно в фотоны света. Фотоны из источника слабого освещения попадают в объектив, который фокусирует изображение на фотокатоде . Фотокатод высвобождает электроны посредством фотоэлектрического эффекта , когда поступающие фотоны попадают в него. Электроны ускоряются под действием высокого напряжения в микроканальную пластину (MCP). Каждый электрон высокой энергии, поражающий MCP, вызывает высвобождение множества электронов из MCP в процессе, называемом вторичной каскадной эмиссией . MCP состоит из тысяч крошечных проводящих каналов, наклоненных под углом от нормального , чтобы стимулировать большее количество столкновений электронов и, таким образом, усиливать эмиссию вторичных электронов в контролируемой электронной лавине .

Все электроны движутся прямолинейно из-за разницы высоких напряжений на пластинах, что сохраняет коллимацию , и там, где вошёл один или два электрона, могут выйти тысячи. Отдельная (более низкая) разность зарядов ускоряет вторичные электроны от MCP до тех пор, пока они не ударятся о люминофорный экран на другом конце усилителя, который высвобождает фотон для каждого электрона. Изображение на люминофорном экране фокусируется линзой окуляра . Усиление происходит на стадии микроканальной пластины посредством вторичного каскадного излучения. Люминофор обычно зеленый, потому что человеческий глаз более чувствителен к зеленому цвету, чем к другим цветам, и потому, что исторически исходный материал, используемый для изготовления люминофорных экранов, производил зеленый свет (отсюда солдатское прозвище «зеленый телевизор» для устройств усиления изображения).

История

Разработка электронно-оптических преобразователей началась в 20 веке и продолжалась с момента их создания.

Новаторская работа

Идея электронно-оптической трубки была впервые предложена Г. Холстом и Х. Де Буром в 1928 году в Нидерландах [1] , но первые попытки ее создания не увенчались успехом. Лишь в 1934 году Холст, работая на Philips , создал первую успешную лампу-преобразователь инфракрасного излучения. Эта трубка состояла из фотокатода, расположенного рядом с флуоресцентным экраном. С помощью простой линзы изображение фокусировалось на фотокатоде, а на трубке поддерживалась разность потенциалов в несколько тысяч вольт, в результате чего электроны, вытесненные фотокатодом из фотокатода, попадали на флуоресцентный экран. Это привело к тому, что экран засветился, и изображение объекта сфокусировалось на экране, однако изображение было неинвертирующим. С помощью этой трубки преобразователя изображения впервые стало возможным наблюдать инфракрасный свет в реальном времени.

Поколение 0: первые инфракрасные электрооптические преобразователи изображения

был разработан первый инвертирующий усилитель изображения Разработка продолжалась и в США в 1930-е годы, а в середине 1930-х годов в компании RCA . В этой трубке использовался электростатический инвертор для фокусировки изображения со сферического катода на сферический экран. (Выбор сфер был сделан для уменьшения внеосевых аберраций.) Последующее развитие этой технологии привело непосредственно к созданию первых усилителей изображения поколения 0, которые использовались военными во время Второй мировой войны для обеспечения видения в ночное время с помощью инфракрасного освещения как для стрельбы, так и для стрельбы. индивидуальное ночное видение. Первый военный прибор ночного видения был представлен немецкой армией ^{[ нужна ссылка ]} еще в 1939 году, разрабатываются с 1935 года. Первые приборы ночного видения на основе этих технологий использовались обеими сторонами во Второй мировой войне.

В отличие от более поздних технологий, устройства ночного видения раннего поколения 0 не могли значительно усилить доступный окружающий свет, и поэтому для их полезности требовался источник инфракрасного излучения. В этих устройствах использовался фотокатод S1 или фотокатод « серебро - кислород - цезий », открытый в 1930 году, который имел чувствительность около 60 мкА/лм (микроампер на люмен) и квантовую эффективность около 1% в ультрафиолетовой области и около 0,5. % в инфракрасной области. Следует отметить, что фотокатод S1 имел пики чувствительности как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом спектре и с чувствительностью более 950 нм был единственным материалом фотокатода, который можно было использовать для просмотра инфракрасного света с длиной волны выше 950 нм.

Солнечные слепые преобразователи

Солнечные слепые преобразователи, также известные как солнечные слепые фотокатоды, представляют собой специализированные устройства, которые обнаруживают ультрафиолетовый (УФ) свет с длиной волны ниже 280 нанометров (нм). Этот УФ-диапазон называется «солнечной слепотой», поскольку он короче длин волн солнечного света, который обычно проникает в атмосферу Земли. Открытые в 1953 году Тафтом и Апкером [2] солнечные слепые фотокатоды первоначально были разработаны с использованием теллурида цезия . В отличие от технологий ночного видения, которые классифицируются по «поколениям» в зависимости от их военного применения, солнечные слепые фотокатоды не вписываются в эту категорию, поскольку их применение не является в первую очередь военным. Их способность обнаруживать УФ-излучение в диапазоне солнечной слепоты делает их полезными для применений, требующих чувствительности к УФ-излучению без помех со стороны видимого солнечного света.

Поколение 1: значительное усиление

С открытием более эффективных материалов фотокатодов, у которых увеличилась как чувствительность, так и квантовая эффективность, стало возможным достичь значительного уровня выигрыша по сравнению с устройствами поколения 0. В 1936 году Горлихом был открыт катод С-11 ( цезий - сурьма ), обеспечивающий чувствительность примерно 80 мкА/лм при квантовой эффективности около 20%; сюда включена только чувствительность в видимой области с пороговой длиной волны примерно 650 нм.

Так продолжалось до разработки двухщелочных антимонидных фотокатодов ( калий - цезий -сурьма и натрий -калий-сурьма), открытых А.Х. Зоммером, и его более позднего многощелочного фотокатода (натрий-калий-сурьма-цезий) фотокатода S20, случайно открытого в 1956 году. что трубки обладали как чувствительностью к инфракрасному излучению, так и усилением видимого спектра, чтобы быть полезными в военных целях. Фотокатод S20 имеет чувствительность около 150–200 мкА/лм. Дополнительная чувствительность позволила использовать эти трубки при ограниченном освещении, например лунном свете, но при этом их можно было использовать при слабом инфракрасном освещении.

Каскадные (пассивные) ЭОП

Фотосравнение каскадной трубки первого поколения и пластинчатой трубки второго поколения, в которых используется электростатическая инверсия, 25-мм фотокатод из того же материала и один и тот же объектив F2.2 55 мм. Каскадная лампа первого поколения демонстрирует подушкообразные искажения, тогда как лампа второго поколения имеет коррекцию искажений. Все лампы инверторного типа, включая версии третьего поколения, страдают от некоторых искажений.

Хотя первоначально эксперименты с ними проводились немцами во время Второй мировой войны, только в 1950-х годах США начали проводить первые эксперименты с использованием нескольких ламп в «каскаде», соединяя выход инвертирующей лампы со входом другой лампы, что позволило увеличить усиление света просматриваемого объекта. Эти эксперименты сработали намного лучше, чем ожидалось, и устройства ночного видения, основанные на этих трубках, смогли уловить слабый свет звезд и создать пригодное для использования изображение. Однако размер этих трубок - 17 дюймов (43 см) в длину и 3,5 дюйма (8,9 см) в диаметре - был слишком большим, чтобы их можно было использовать в военных целях. Известные как «каскадные» трубки, они позволили создать первые по-настоящему пассивные прицелы ночного видения. С появлением оптоволоконных жгутов в 1960-х годах появилась возможность соединять трубки меньшего размера вместе, что позволило разработать первые настоящие прицелы Starlight в 1964 году. Многие из этих трубок использовались в AN / PVS-2 винтовочном прицеле . который нашел применение во Вьетнаме.

Альтернатива каскадной лампе, исследованной в середине 20-го века, включает оптическую обратную связь , при которой выходной сигнал лампы подается обратно на вход. Эта схема не использовалась в винтовочных прицелах, но успешно использовалась в лабораторных условиях, где допустимы блоки усилителей изображения большего размера. ^{[ 1 ]}

Поколение 2: микроканальная пластина

В усилителях изображения второго поколения используется тот же многощелочной фотокатод, что и в трубках первого поколения, однако за счет использования более толстых слоев тех же материалов был разработан фотокатод S25, который обеспечивает расширенный красный отклик и уменьшенный синий отклик, что делает его более подходящим для военного применения. Он имеет типичную чувствительность около 230 мкА/лм и более высокую квантовую эффективность, чем материал фотокатода S20. Окисление цезия в оксид цезия в более поздних версиях улучшило чувствительность аналогично фотокатодам третьего поколения. Та же технология, которая позволила создать оптоволоконные жгуты, позволившая создать каскадные трубки, позволила, с небольшими изменениями в производстве, производство микроканальных пластин , или МКП. Микроканальная пластина представляет собой тонкую стеклянную пластину с нихромовым электродом с обеих сторон, к которой приложена большая разность потенциалов до 1000 вольт.

Пластина изготавливается из многих тысяч отдельных полых стеклянных волокон, ориентированных под углом «смещения» к оси трубки. Микроканальная пластина устанавливается между фотокатодом и экраном. Электроны, которые ударяются о стенку «микроканала», проходя через него, вызывают вторичные электроны, которые, в свою очередь, вызывают дополнительные электроны, когда они тоже ударяются о стенки, усиливая сигнал. Используя MCP с трубкой с бесконтактной фокусировкой, стало возможным усиление до 30 000 раз с одним слоем MCP. Увеличивая количество слоев MCP, можно добиться дополнительного усиления более чем в 1 000 000 раз.

Инверсия устройств поколения 2 была достигнута одним из двух способов. В инверторной лампе используется электростатическая инверсия, как и в лампах первого поколения, с включенным MCP. Трубки второго поколения, ориентированные на близость, также можно инвертировать, используя пучок волокон, повернутый на 180 градусов.

Поколение 3: высокая чувствительность и улучшенная частотная характеристика

Трубка усилителя изображения третьего поколения с наложенными деталями.

Хотя лампы третьего поколения по своей сути были такими же, как и второе поколение, у них было два существенных различия. Во-первых, они использовали фотокатод GaAs — CsO — AlGaAs , который более чувствителен в диапазоне 800–900 нм, чем фотокатоды второго поколения. Во-вторых, фотокатод обладает отрицательным сродством к электрону (NEA), что позволяет фотоэлектронам, возбужденным в зоне проводимости , свободно перемещаться в вакуумную зону, поскольку слой оксида цезия на краю фотокатода вызывает достаточный изгиб зоны . Это делает фотокатод очень эффективным при создании фотоэлектронов из фотонов. Однако ахиллесова пята фотокатодов третьего поколения заключается в том, что они серьезно разрушаются из-за отравления положительными ионами. Из-за высоких напряжений электростатического поля в трубке и работы микроканальной пластины это привело к выходу из строя фотокатода в течение короткого периода времени - всего за 100 часов, прежде чем чувствительность фотокатода упала ниже уровня Gen2. Для защиты фотокатода от положительных ионов и газов, образующихся МКП, была введена тонкая пленка из спеченный оксид алюминия, прикрепленный к MCP. Высокая чувствительность этого фотокатода, превышающая 900 мкА/лм, позволяет более эффективно реагировать при слабом освещении, хотя это компенсируется тонкой пленкой, которая обычно блокирует до 50% электронов.

Супер второе поколение

Хотя официально оно не признано в категориях поколений США, Super Second Generation или SuperGen было разработано в 1989 году Жаком Дюпюи и Джеральдом Вользаком. Эта технология улучшила чувствительность трехщелочных фотокатодов более чем вдвое, а также улучшила микроканальную пластину за счет увеличения коэффициента открытой площади до 70% при одновременном снижении уровня шума. Это позволило трубкам второго поколения, более экономичным в производстве, достичь результатов, сопоставимых с электронно-оптическими преобразователями третьего поколения. Благодаря чувствительности фотокатодов, приближающейся к 700 мкА/лм, и расширенной частотной характеристике до 950 нм, эта технология продолжала разрабатываться за пределами США, в частности компанией Photonis, и теперь составляет основу для большинства высококачественного оборудования ночного видения, производимого за пределами США.

Поколение 4

В 1998 году американская компания Litton разработала безпленочный кинескоп. Эти лампы изначально были изготовлены по контракту Omni V и вызвали значительный интерес со стороны военных США. Однако во время испытаний лампы сильно пострадали из-за хрупкости, и к 2002 году NVESD отозвал обозначение четвертого поколения для безпленочных трубок, после чего они стали просто называться Gen III Filmless. Эти трубки до сих пор производятся для специального использования, например, в авиации и специальных операциях; однако они не используются для установки на оружие. Чтобы преодолеть проблемы ионного отравления, они усовершенствовали методы очистки во время производства MCP (основного источника положительных ионов в пластинчатой трубке) и внедрили автозатвор, обнаружив, что достаточный период автозапуска приведет к выбросу положительных ионов из фотокатода. прежде чем они смогут вызвать отравление фотокатода.

Беспленочная технология поколения III все еще производится и используется, но официально не существует усилителей изображения четвертого поколения.

Тонкая пленка третьего поколения

Также известная как поколение 3 Omni VII и поколение 3+, после проблем, возникших с технологией поколения IV, технология тонких пленок стала стандартом для современной технологии усилителей изображения. В тонкопленочных усилителях изображения толщина пленки уменьшается примерно с 30 Ангстрем (стандарт) до примерно 10 Ангстрем, а напряжение фотокатода снижается. Это приводит к остановке меньшего количества электронов, чем при использовании трубок третьего поколения, сохраняя при этом преимущества трубки с пленкой.

Технология тонких пленок третьего поколения в настоящее время является стандартом для большинства усилителей изображения, используемых в вооруженных силах США.

4G

В 2014 году французский производитель кинескопов PHOTONIS опубликовал первую глобальную открытую спецификацию производительности; «4G». В спецификации содержалось четыре основных требования, которым должен был соответствовать усилитель изображения.

Спектральная чувствительность от менее 400 нм до более 1000 нм
Минимальная добротность FOM1800
Высокое световое разрешение выше 57 лин/мм.
Размер ореола менее 0,7 мм.

Терминология

Существует несколько общих терминов, используемых для трубок усилителей изображения.

ворота

Электронное стробирование (или «стробирование») — это средство, с помощью которого ЭОП можно включать и выключать контролируемым образом. Электронно-усилительная трубка работает как затвор камеры, позволяя изображениям проходить через них, когда электронные «ворота» включены. Продолжительность стробирования может быть очень короткой (наносекунды или даже пикосекунды). Это делает ЭОПи со стробированием идеальными кандидатами для использования в исследовательских средах, где необходимо фотографировать очень кратковременные события. Например, чтобы помочь инженерам в разработке более эффективных камер сгорания, использовались стробирующие трубки визуализации для регистрации очень быстрых событий, таких как фронт волны горения топлива в двигателе внутреннего сгорания.

Часто стробирование используется для синхронизации трубок визуализации с событиями, начало которых невозможно контролировать или предсказать. В таком случае операция стробирования может быть синхронизирована с началом события с использованием «электроники стробирования», например, высокоскоростных цифровых генераторов задержки. Электроника стробирования позволяет пользователю указать, когда трубка будет включаться и выключаться относительно начала события.

Существует множество примеров использования стробируемых томографов. Благодаря сочетанию очень высоких скоростей, на которых может работать закрытая трубка, и их способности усиливать свет, закрытые трубки могут регистрировать определенные части пучка света. можно улавливать только ту часть света, отраженную Управляя параметрами стробирования, от цели, когда на цель направляется импульсный луч света. Устройства Gated-Pulsed-Active Night Vision (GPANV) — еще один пример приложения, использующего эту технику. Устройства GPANV могут позволить пользователю видеть интересующие объекты, которые скрыты за растительностью, листвой и/или туманом. Эти устройства также полезны для обнаружения объектов на глубокой воде, где отражение света от близлежащих частиц от постоянного источника света, такого как подводный прожектор высокой яркости, в противном случае могло бы затемнить изображение.

ATG (автоматическое стробирование)

Автоматическое стробирование — это функция, присутствующая во многих электронно-оптических преобразователях, изготовленных для военных целей после 2006 года, хотя она существует уже некоторое время. Трубки с автоматическим затвором закрывают внутренний усилитель изображения, чтобы контролировать количество света, попадающего на микроканальную пластину. Запирание происходит на высокой частоте, и, изменяя рабочий цикл для поддержания постоянного тока, потребляемого микроканальной пластиной, можно эксплуатировать трубку в более ярких условиях, например, при дневном свете, не повреждая трубку и не приводя к преждевременному выходу из строя. Автоматическое управление усилителями изображения имеет военную ценность, поскольку оно позволяет продлить часы работы, обеспечивая улучшенную видимость в сумеречные часы, а также обеспечивая лучшую поддержку солдат, которые сталкиваются с быстро меняющимися условиями освещения, например, при штурме здания.

Чувствительность

Чувствительность ЭОП измеряется в микроамперах на люмен (мкА/лм). Он определяет, сколько электронов производится на количество света, падающего на фотокатод. Это измерение следует проводить при определенной цветовой температуре , например «при цветовой температуре 2854 К». Цветовая температура , при которой проводится этот тест, у разных производителей немного различается. Обычно также указываются дополнительные измерения на определенных длинах волн, особенно для устройств Gen2, например, на длинах волн 800 нм и 850 нм (инфракрасные).

Обычно, чем выше значение, тем более чувствительна трубка к свету.

Разрешение

Более точно известное как предельное разрешение , разрешение трубки измеряется в парах линий на миллиметр или лин/мм. Это мера того, сколько линий различной интенсивности (от светлых до темных) можно разрешить в пределах миллиметра площади экрана. Однако предельное разрешение само по себе является мерой передаточной функции модуляции. Для большинства ламп предельное разрешение определяется как точка, в которой передаточная функция модуляции становится равной трем процентам или меньше. Чем выше значение, тем выше разрешение трубки.

Однако важным моментом является то, что этот показатель основан на физическом размере экрана в миллиметрах и не пропорционален размеру экрана. Таким образом, трубка диаметром 18 мм с разрешением около 64 пар линий/мм имеет более высокое общее разрешение, чем трубка диаметром 8 мм с разрешением 72 пар линий/мм. Разрешение обычно измеряется в центре и по краям экрана, и на трубках часто указаны значения для обоих. Трубки военной спецификации или MilSpec соответствуют только такому критерию, как «> 64 пар линий на миллиметр» или «Более 64 пар линий на миллиметр».

Прирост

Коэффициент усиления лампы обычно измеряется с использованием одной из двух единиц. Наиболее распространенной единицей измерения (СИ) является кд·м. ⁻²·люкс ⁻¹, т.е. кандел на квадратный метр на люкс . Старое соглашение — Fl/Fc ( фут-ламберты на фут-свечу ). Это создает проблемы со сравнительными измерениями усиления, поскольку ни один из них не является чистым соотношением, хотя оба измеряются как значение выходной интенсивности по сравнению с входной интенсивностью. Это создает двусмысленность в маркетинге приборов ночного видения, поскольку разница между двумя измерениями фактически равна пи или примерно 3,142x. Это означает, что прирост в 10 000 кд/м ²/лк соответствует 31,42 Фл/Фк.

MTBF ( среднее время наработки на отказ )

Это значение, выраженное в часах, дает представление о том, как долго обычно должна работать трубка. Это достаточно распространенная точка сравнения, однако она учитывает множество факторов. Во-первых, трубки постоянно изнашиваются. Это означает, что со временем лампа будет постепенно давать меньше усиления, чем когда она была новой. Когда усиление лампы достигает 50% от «нового» уровня усиления, считается, что лампа вышла из строя, поэтому в первую очередь это отражает этот момент в сроке службы лампы.

Дополнительными факторами, влияющими на срок службы трубки, являются окружающая среда, в которой она используется, и общий уровень освещенности в этой среде, включая яркий лунный свет и воздействие как искусственного освещения, так и использование в периоды сумерек/рассвета, поскольку воздействие более яркого света снижается. срок службы трубки значительно.

Кроме того, среднее время безотказной работы включает только часы работы. Считается, что включение или выключение трубки не способствует сокращению общего срока службы, поэтому многие гражданские лица склонны включать приборы ночного видения только тогда, когда им это необходимо, чтобы максимально использовать срок службы трубки. Военные пользователи, как правило, оставляют оборудование включенным в течение более длительных периодов времени, обычно все время, пока оно используется, причем основной задачей являются батареи, а не срок службы лампы.

Типичными примерами срока службы трубок являются:

Первое поколение: 1000 часов
Второе поколение: с 2000 до 2500 часов.
Третье поколение: с 10 000 до 15 000 часов.

Многие последние высококачественные лампы второго поколения теперь имеют среднее время безотказной работы, приближающееся к 15 000 часов работы.

MTF (функция передачи модуляции)

Передаточная функция модуляции усилителя изображения представляет собой меру выходной амплитуды темных и светлых линий на дисплее для заданного уровня входного сигнала от линий, представленных на фотокатод с различным разрешением. Обычно он выражается в процентах при заданной частоте (интервале) светлых и темных линий. Например, если вы посмотрите на белые и черные линии с MTF 99% при 2 лин./мм, то вывод темных и светлых линий будет на 99% таким же темным или светлым, как при просмотре черного или белого изображения. изображение. Это значение также уменьшается при данном увеличении разрешения. На той же трубке, если бы MTF при 16 и 32 лин/мм составлял 50% и 3%, то при 16 лин/мм сигнал был бы вдвое менее ярким/темным, чем линии при 2 лин/мм и при 32 лин/мм. мм изображение линий будет всего на три процента более ярким/темным, чем линии при 2 пл/мм.

Кроме того, поскольку предельное разрешение обычно определяется как точка, в которой MTF составляет три процента или меньше, это также будет максимальное разрешение трубки. На MTF влияет каждая часть работы ЭОП, а на всю систему также влияет качество используемой оптики. Факторы, влияющие на MTF, включают переход через любую волоконную пластину или стекло, на экране и фотокатоде, а также через трубку и саму микроканальную пластину. Чем выше MTF при данном разрешении, тем лучше.

См. также

Прибор ночного видения - устройство, позволяющее визуализировать изображения при уровне освещенности, близком к полной темноте.
Усилитель рентгеновского изображения - усилитель изображения, который преобразует рентгеновские лучи в видимый свет более высокой интенсивности.
Усиленная ПЗС-камера - Устройство для перемещения электрического заряда.

Ссылки

^ Мартин Л. Перл и Лоуренс В. Джонс , Система усиления изображения с оптической обратной связью, патент США № 3 154 687 , 27 октября 1964 г.

Внешние ссылки

Историческая информация о развитии и создании ИИТ [3]
Открытие других фотокатодных материалов [4]
Сделано несколько ссылок на исторические данные, отмеченные в «Image Tubes» Иллеса П. Чорбы. ISBN 0-672-22023-7
Избранные статьи на тюбиках изображений ISBN 0-8194-0476-4
«Найдите время для звезд» Энтони Кук
Майкл Лэмптон (1 ноября 1981 г.). «Микроканальный усилитель изображения». Научный американец . 245 (5): 62–71. doi : 10.1038/scientificamerican1181-62 .

[1] Мартин Л. Перл и Лоуренс В. Джонс , Система усиления изображения с оптической обратной связью, патент США № 3 154 687 , 27 октября 1964 г.

[ 1 ]