Войти
усилитель изображения или трубка усилителя изображения представляет собой вакуумную трубку устройство для увеличения интенсивности доступного света в оптической системе, позволяющее использовать его в условиях низкой освещенности, например ночью, для облегчения визуализации процессов в условиях низкой освещенности, таких как флуоресценция материалов в рентгеновских лучах или гамма-лучи (усилитель рентгеновского изображения ), или для преобразования невидимых источников света, например, ближнего инфракрасного или коротковолнового от инфракрасного до видимого. Они работают путем преобразования фотонов света в электроны, усиления электронов (обычно с помощью микроканальной пластины ) и последующего преобразования усиленных электронов обратно в фотоны для просмотра. Они используются в таких устройствах, как очки ночного видения.
ЭОП - это оптоэлектронные устройства, которые позволяют многим устройствам, таким как приборы ночного видения и устройства медицинской визуализации, использовать функция. Они преобразуют слабые уровни света с различной длиной волны в видимое количество света с одной длиной волны.
Фотоны от источника слабого света попадают в линзу объектива (слева) и попадают на фотокатод (серая пластина). Фотокатод (с отрицательным смещением) выпускает электроны, которые ускоряются к пластине микроканала с более высоким напряжением (красный). Каждый электрон вызывает высвобождение множества электронов из микроканальной пластины. Электроны притягиваются к люминофорному экрану с более высоким напряжением (зеленый). Электроны, попадающие на люминофорный экран, заставляют люминофор производить фотоны света, видимые через линзы окуляра. Усилители изображения преобразуют низкие уровни света фотоны в электроны, усиливают эти электроны, а затем преобразовать электроны обратно в фотоны света. Фотоны от источника слабого света попадают в линзу объектива, которая фокусирует изображение на фотокатод . Фотокатод высвобождает электроны посредством фотоэлектрического эффекта , когда на него попадают входящие фотоны. Электроны ускоряются за счет высокого напряжения в микроканальной пластине (MCP) . Каждый электрон высокой энергии, который ударяется о MCP, вызывает высвобождение множества электронов из MCP в процессе, называемом вторичной каскадной эмиссией. MCP состоит из тысяч крошечных проводящих каналов, наклоненных под углом от нормали, чтобы способствовать большему количеству столкновений электронов и, таким образом, усилить эмиссию вторичных электронов в контролируемой электронной лавине.
Все электроны движутся по прямой линии из-за разницы высокого напряжения на пластинах, которая сохраняет коллимацию, и при входе одного или двух электронов могут появиться тысячи. Отдельный (более низкий) дифференциал заряда ускоряет вторичные электроны от MCP до тех пор, пока они не попадут на экран люминофор на другом конце усилителя, который высвобождает фотон для каждого электрона. Изображение на люминофорном экране фокусируется линзой окуляра . Усиление происходит на стадии микроканальной пластинки за счет вторичного каскадного излучения. Люминофор обычно зеленый, потому что человеческий глаз более чувствителен к зеленому, чем к другим цветам, и потому, что исторически исходный материал, используемый для производства люминофорных экранов, давал зеленый свет (отсюда солдатское прозвище «зеленый телевизор» для устройств усиления изображения).
Разработка электронно-оптических усилителей изображения началась в 20-м веке, и с самого начала они продолжались.
Идея трубки изображения была впервые предложена Г. Холстом и Х. Де Боером в 1928 г. в Нидерландах [1], но первые попытки создать его не увенчались успехом. Только в 1934 году Холст, работая на Philips, создал первую успешную лампу с инфракрасным преобразователем. Эта трубка состояла из фотокатода в непосредственной близости от флуоресцентного экрана. Используя простую линзу, изображение фокусировалось на фотокатоде, и на трубке поддерживалась разность потенциалов в несколько тысяч вольт, в результате чего электроны, выбитые фотонами из фотокатода, попадали на флуоресцентный экран. Это заставило экран загореться с изображением объекта, сфокусированного на экране, однако изображение не было инвертирующим. С помощью этой трубки с преобразователем изображения впервые стало возможным видеть инфракрасный свет в реальном времени.
Разработка продолжалась также в США в течение 1930-х и середины 1930-х годов, первый инвертирующий усилитель изображения был разработан в RCA. В этой трубке использовался электростатический инвертор для фокусировки изображения со сферического катода на сферический экран. (Сферы были выбраны для уменьшения внеосевых аберраций.) Последующее развитие этой технологии привело непосредственно к появлению первых усилителей изображения поколения 0, которые использовались военными во время Второй мировой войны для обеспечения видения ночью с помощью инфракрасное освещение как для съемки, так и для личного ночного видения. Первые военные приборы ночного видения были представлены немецкой армией еще в 1939 году, разрабатывались с 1935 года. Ранние приборы ночного видения, основанные на этих технологиях, использовались обеими сторонами во Второй мировой войне. Однако обратная сторона активного ночного видения (когда используется инфракрасный свет) заключается в том, что это совершенно очевидно для всех, кто использует эту технологию.
В отличие от более поздних технологий, устройства ночного видения раннего поколения 0 не могли значительно усилить доступный окружающий свет, и поэтому для их использования 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 квантовой эффективностью 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 спектрах, а 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 фотокатоды не предназначались для прямого военного использования и не охватываются "поколениями". Обнаруженные в 1953 году Тафтом и Апкером [2], они изначально были сделаны из. Фотокатоды типа «солнечные слепые» имеют отклик ниже 280 нм в ультрафиолетовом спектре, что меньше длины волны света, через которую проходит атмосфера от солнца.
С открытием более эффективных фотокатодных материалов, которые увеличили как чувствительность, так и квантовую эффективность, стало возможным достичь значительных уровней усиления по сравнению с устройствами поколения 0. В 1936 году Горлих открыл катод S-11 (цезий - сурьма ), который обеспечивал чувствительность около 80 мкА / лм с квантовой эффективностью около 20%; это включало только чувствительность в видимой области с пороговой длиной волны приблизительно 650 нм.
Только после разработки фотокатодов на основе двущелочного антимонида (калий - цезий -сурьма и натрий -калия-сурьма), открытый А. Х. Зоммер и его более поздний мультищелочной фотокатод (натрий-калий-сурьма-цезий) фотокатод S20 в 1956 году случайно обнаружили, что лампы обладают подходящей инфракрасной чувствительностью и усилением видимого спектра, что делает их пригодными для использования в военных целях. Фотокатод S20 имеет чувствительность от 150 до 200 мкА / лм. Дополнительная чувствительность сделала эти трубки пригодными для использования при ограниченном освещении, например при лунном свете, но при этом они были пригодны для использования при низкоуровневом инфракрасном освещении.
Фотографическое сравнение каскадной трубки первого поколения и полупроводниковой трубки второго поколения, использующих электростатическую инверсию, 25-миллиметровый фотокатод из того же материала и того же F2.2 Объектив 55 мм. Каскадная лампа первого поколения демонстрирует подушкообразное искажение, в то время как лампа второго поколения корректируется. Все лампы инверторного типа, включая версии третьего поколения, страдают некоторыми искажениями. Хотя изначально с ними экспериментировали немцы во время Второй мировой войны, только в 1950-х годах США начали проводить первые эксперименты с использованием нескольких ламп в «каскаде». путем соединения выхода инвертирующей трубки со входом другой трубки, что позволило увеличить усиление видимого света объекта. Эти эксперименты сработали намного лучше, чем ожидалось, и устройства ночного видения на основе этих трубок 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 подходить для использования в военных целях. Известные как «каскадные» лампы, они позволили создать первые по-настоящему пассивные прицелы ночного видения. С появлением волоконно-оптических жгутов в 1960-х годах стало возможным соединять меньшие трубки вместе, что позволило в 1964 году разработать первые настоящие прицелы Starlight. Многие из этих трубок использовались в прицелах., который использовался во Вьетнаме.
Альтернатива каскадной лампе, исследованная в середине 20-го века, включает оптическую обратную связь, при которой выходной сигнал лампы подается обратно на вход. Эта схема не использовалась в оптических прицелах, но она успешно применялась в лабораторных условиях, где приемлемы блоки усилителя изображения большего размера.
усилители изображения второго поколения использовать тот же мультищелочной фотокатод, что и в лампах 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 военных приложений. Он имеет типичную чувствительность около 230 мкА / лм и более высокую квантовую эффективность, чем фотокатодный материал S20. Окисление цезия до оксида цезия в более поздних версиях улучшило чувствительность аналогично фотокатодам третьего поколения. Та же технология, которая использовалась для изготовления жгутов волоконно-оптических кабелей, позволившая создавать каскадные лампы, позволила, с небольшими изменениями в производстве, производить микроканальные пластины или MCP. Пластина с микроканалом представляет собой тонкую стеклянную пластину с электродом из нихрома с обеих сторон, к которому приложена большая разность потенциалов до 1000 вольт.
Пластина изготовлена из многих тысяч отдельных полых стеклянных волокон, расположенных под углом "смещения" к оси трубки. Пластина с микроканалом устанавливается между фотокатодом и экраном. Электроны, которые ударяются о сторону «микроканала», когда они проходят через него, вызывают вторичные электроны, которые, в свою очередь, вызывают дополнительные электроны, когда они также ударяются о стенки, усиливая сигнал. При использовании MCP с трубкой, сфокусированной на близком расстоянии, стало возможным усиление до 30 000 раз с одним слоем MCP. Увеличивая количество слоев MCP, может быть достигнуто дополнительное усиление более чем в 1 000 000 раз.
Инверсия устройств поколения 2 была достигнута одним из двух различных способов. В лампе Inverter используется электростатическая инверсия, как и в лампах первого поколения, с включенным MCP. Трубки второго поколения с фокусировкой на близком расстоянии также можно перевернуть, используя пучок волокон с поворотом на 180 градусов.
Трубка усилителя изображения третьего поколения с наложенными деталями Хотя трубки третьего поколения в основном были такими же, как и трубки второго поколения, они обладали двумя существенными отличиями. Во-первых, они использовали фотокатод GaAs - CsO - AlGaAs, который более чувствителен в диапазоне 800-900 нм, чем фотокатоды второго поколения. Во-вторых, фотокатод демонстрирует отрицательное сродство к электрону (NEA), которое обеспечивает возможность фотоэлектронам, возбужденным в полосе проводимости, беспрепятственно перемещаться в вакуумную зону в виде слоя оксида цезия на краю фотокатод вызывает достаточный изгиб ленты. Это делает фотокатод очень эффективным для создания фотоэлектронов из фотонов. Однако ахиллесова пята фотокатодов третьего поколения заключается в том, что они серьезно деградируют 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 до того, как чувствительность фотокатода упала ниже уровней Gen2. Чтобы защитить фотокатод от положительных ионов и газов, производимых MCP, они внедрили тонкую пленку спеченного оксида алюминия, прикрепленную к MCP. Высокая чувствительность этого фотокатода, более 900 мкА / лм, обеспечивает более эффективный отклик при слабом освещении, хотя это компенсируется тонкой пленкой, которая обычно блокирует до 50% электронов.
Хотя оно официально не признано в категориях поколений США, оно было разработано в 1989 году Жаком Дюпюи и Джеральдом Вользаком. Эта технология улучшила трехщелочные фотокатоды, увеличив их чувствительность более чем в два раза, а также улучшила микроканальную пластину за счет увеличения доли открытого сечения до 70% при одновременном снижении уровня шума. Это позволило лампам второго поколения, которые более экономичны в производстве, достичь результатов, сравнимых с лампами усилителей изображения 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 она составляет основу для большинства высокотехнологичного оборудования ночного видения, произведенного за пределами США.
В 1998 году американская компания Litton разработала безпленочную трубку изображения. Эти лампы изначально были изготовлены для контракта с Omni V и вызвали значительный интерес со стороны военных США. Однако трубки сильно пострадали от хрупкости во время испытаний, и к 2002 году NVESD отменил обозначение четвертого поколения для беспленочных трубок, и тогда они стали просто известны как Gen III Filmless. Эти трубки по-прежнему производятся для специальных целей, таких как авиация и специальные операции; однако они не используются в установках для вооружения. Чтобы преодолеть проблемы ионного отравления, они улучшили методы очистки во время производства MCP (основного источника положительных ионов в полупроводниковой трубке) и внедрили автостатирование, обнаружив, что достаточный период автостатирования может вызвать выброс положительных ионов из фотокатода. прежде, чем они могли вызвать отравление фотокатодом.
Бескленочная технология поколения III все еще находится в производстве и используется сегодня, но официально усилителей изображения поколения 4 не существует.
Также известная как Поколение 3 Omni VII и Поколение 3+, из-за проблем, возникших с технологией поколения IV, технология тонких пленок стала стандартом для современной технологии усилителей изображения. В тонкопленочных усилителях изображения толщина пленки уменьшается с примерно 30 ангстрем (стандарт) до примерно 10 ангстрем, а напряжение на фотокатоде снижается. Это приводит к тому, что меньше электронов останавливается, чем в трубках третьего поколения, обеспечивая при этом преимущества трубки с пленкой.
Технология тонких пленок 3-го поколения в настоящее время является стандартом для большинства усилителей изображения, используемых в армии США.
В 2014 году европейский производитель электронно-лучевых трубок PHOTONIS выпустил первую глобальную открытую спецификацию производительности; «4G». В спецификации было четыре основных требования, которым должен был соответствовать ЭОП.
Существует несколько общих терминов, используемых для трубок усилителя изображения.
Электронное стробирование (или «стробирование») - это средство, с помощью которого лампа усилителя изображения может включаться и выключаться управляемым образом. Трубка усилителя изображения с электронным стробированием работает как затвор камеры, позволяя изображениям проходить через нее, когда электронный «затвор» включен. Длительность стробирования может быть очень короткой (наносекунды или даже пикосекунды). Это делает стробоскопические усилители изображения идеальными кандидатами для использования в исследовательской среде, где необходимо фотографировать очень непродолжительные события. В качестве примера, чтобы помочь инженерам в разработке более эффективных камер сгорания, использовались закрытые трубки формирования изображений для записи очень быстрых событий, таких как волновой фронт горящего топлива в двигателе внутреннего сгорания.
Часто стробирование используется для синхронизации трубок формирования изображений с событиями, начало которых невозможно контролировать или предсказать. В таком случае операция стробирования может быть синхронизирована с началом события с помощью «стробирующей электроники», например высокоскоростные генераторы цифровой задержки. Электроника стробирования позволяет пользователю указать, когда трубка будет включаться и выключаться относительно начала события.
Существует множество примеров использования стробирующих трубок для визуализации. Из-за комбинации очень высоких скоростей, с которыми может работать закрытая лампа, и их способности усиливать свет, закрытые трубки могут записывать определенные части луча света. Возможно захватить только часть света, отраженного от цели, когда импульсный луч света направлен на цель, путем управления параметрами стробирования. Устройства стробируемого импульсного активного ночного видения (GPANV) - еще один пример приложения, в котором используется этот метод. Устройства GPANV могут позволить пользователю видеть интересующие объекты, которые скрыты за растительностью, листвой и / или туманом. Эти устройства также полезны для обнаружения объектов в глубокой воде, где отражение света от близлежащих частиц от непрерывного источника света, такого как подводный прожектор высокой яркости, в противном случае может затемнять изображение.
Автостробирование - это функция, обнаруженная во многих лампах усилителей изображения, изготовленных для военных целей после 2006 года, хотя она существует уже некоторое время. Трубки с автоматической синхронизацией закрывают усилитель изображения внутри, чтобы контролировать количество света, проникающего на микроканальную пластину. Стробирование происходит на высокой частоте, и за счет изменения рабочего цикла для поддержания постоянного тока, потребляемого микроканальной пластиной, можно эксплуатировать лампу в более ярких условиях, таких как дневной свет, без повреждения трубки или преждевременного выхода из строя. Автостробирование усилителей изображения является ценным в военном отношении, поскольку оно позволяет увеличивать продолжительность рабочего времени, обеспечивая улучшенное зрение в сумеречные часы, обеспечивая лучшую поддержку солдатам, которые сталкиваются с быстро меняющимися условиями освещения, например, при нападении на здание.
Чувствительность трубки усилителя изображения измеряется в микроампер на люмен (мкА / лм). Он определяет, сколько электронов производится на количество света, попадающего на фотокатод. Это измерение следует производить при определенной цветовой температуре, например, «при цветовой температуре 2854 K». Цветовая температура , при которой проводится этот тест, имеет тенденцию незначительно отличаться от производителя. Обычно также указываются дополнительные измерения на определенных длинах волн, особенно для устройств Gen2, например, при 800 нм и 850 нм (инфракрасный).
Обычно, чем выше значение, тем более чувствительна трубка к свету.
Более точно известно как предельное разрешение, разрешение трубки измеряется в парах линий на миллиметр или lp / мм. Это показатель того, сколько линий различной интенсивности (от светлых к темным) можно разрешить в пределах одного миллиметра области экрана. Однако само предельное разрешение является мерой передаточной функции модуляции. Для большинства ламп предельное разрешение определяется как точка, в которой передаточная функция модуляции становится не более трех процентов. Чем выше значение, тем выше разрешение трубки.
Однако важно учитывать, что он основан на физическом размере экрана в миллиметрах и не пропорционален размеру экрана. Таким образом, 18-миллиметровая трубка с разрешением около 64 линий / мм имеет более высокое общее разрешение, чем 8-миллиметровая трубка с разрешением 72 линий / мм. Разрешение обычно измеряется в центре и на краю экрана, а на трубках часто есть цифры для обоих. Военные спецификации или трубки milspec поставляются только с такими критериями, как «>64 линий / мм» или «Более 64 пар линий / миллиметр».
Коэффициент усиления лампы обычно измеряется с использованием одной из двух единиц. Наиболее распространенная единица измерения (СИ) - кд · м · лк, то есть кандел на квадратный метр на люкс. Старое соглашение - Fl / Fc (фут-ламбертов на фут-свечу ). Это создает проблемы со сравнительными измерениями усиления, поскольку ни одно из них не является чистым соотношением, хотя оба измеряются как значение выходной интенсивности над входной. Это создает неоднозначность в маркетинге устройств ночного видения, поскольку разница между двумя измерениями составляет фактически pi или приблизительно 3,142x. Это означает, что усиление 10 000 кд / м² / лк равно 31,42 Fl / Fc.
Это значение, выраженное в часах, дает представление о том, как долго обычно должна прослужить лампа. Это довольно распространенная точка сравнения, но при этом учитывается множество факторов. Во-первых, лампы постоянно деградируют. Это означает, что со временем лампа будет постепенно давать меньшее усиление, чем когда она была новой. Когда усиление лампы достигает 50% от своего «нового» уровня усиления, лампа считается не удалось, поэтому в первую очередь это отражает этот момент в жизни лампы.
Дополнительные соображения относительно срока службы лампы - это среда, в которой используется лампа, и общий уровень освещения, присутствующий в этой среде, включая яркий лунный свет и воздействие как искусственного освещения, так и использования в периоды заката / рассвета, поскольку воздействие более яркого света значительно сокращает срок службы лампы.
Кроме того, среднее время безотказной работы включает только часы работы. Считается, что включение или выключение лампы не способствует снижению чрезмерного В течение всего срока службы многие гражданские лица, как правило, включают оборудование ночного видения только тогда, когда это необходимо, чтобы максимально использовать жизнь лампы. Военные пользователи, как правило, оставляют оборудование включенным в течение более длительных периодов времени, как правило, все время, пока оно используется, причем первоочередной задачей являются батареи, а не срок службы лампы.
Типичными примерами срока службы трубки являются:
Первое поколение: 1000 часов. Второе поколение: от 2000 до 2500 часов. Третье поколение: от 10000 до 15000 часов.
Многие современные лампы высокого класса второго поколения имеют среднее время безотказной работы, приближающееся к 15 000 часов работы.
передаточная функция модуляции усилителя изображения - это мера выходной амплитуды темных и светлых линий на дисплее для данного уровень входного сигнала от линий, подаваемых на фотокатод, при различных разрешениях. Обычно это процентное соотношение при заданной частоте (интервале) светлых и темных линий. Например, если вы посмотрите на белые и черные линии с MTF 99% @ 2 lp / мм, то выход темных и светлых линий будет на 99% таким же темным или светлым, как при просмотре черного изображения или белого изображения. образ. Это значение также уменьшается при заданном увеличении разрешения. На той же трубке, если бы MTF при 16 и 32 линий / мм составляло 50% и 3%, то при 16 линиях / мм сигнал был бы только вдвое меньше яркости / темноты, чем линии для 2 линий / мм и 32 линий /. мм изображение линий будет только на три процента ярче / темнее, чем линии при 2 lp / мм.
Кроме того, поскольку предельное разрешение обычно определяется как точка, в которой MTF составляет три процента или менее, это также будет максимальное разрешение трубки. На MTF влияет каждая часть работы трубки усилителя изображения, а на всю систему также влияет качество используемой оптики. Факторы, влияющие на MTF, включают переход через любую оптоволоконную пластину или стекло, на экран и фотокатод, а также через трубку и саму микроканальную пластину. Чем выше MTF при заданном разрешении, тем лучше.
