Усилитель изображения - Image intensifier
Усилитель изображения или трубка усилителя изображения - это устройство с вакуумной трубкой для увеличения интенсивности доступного света в оптической системе, что позволяет использовать его в условиях низкой освещенности, например ночью, для облегчения визуализации процессов при слабом освещении, таких как флуоресценция. материалов в рентгеновских лучей или гамма - лучей ( рентгеновское изображение усиливающих ), или для преобразования без видимых источников света, таких как ближней инфракрасной или короткой волны инфракрасного до видимой. 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 .
Вступление
Оптические преобразователи (IITs) являются оптоэлектронные устройства , которые позволяют многие устройства, такие как приборы ночного видения и медицинской визуализации устройств функционировать. Они преобразуют низкие уровни света с различной длиной волны в видимые количества света с одной длиной волны.
Операция
Усилители изображения преобразуют световые фотоны низкого уровня в электроны, усиливают эти электроны , а затем преобразуют электроны обратно в фотоны света. Фотоны от источника слабого света попадают в линзу объектива, которая фокусирует изображение на фотокатоде . Фотокатод высвобождает электроны за счет фотоэлектрического эффекта, когда на него попадают фотоны. Электроны ускоряются за счет высокого напряжения в микроканальной пластине (MCP). Каждый высокоэнергетический электрон, который ударяется о MCP, вызывает высвобождение большого количества электронов из MCP в процессе, называемом вторичной каскадной эмиссией . МСР состоит из тысяч крошечных проводящих каналов, наклоненных под углом от нормали к способствовать более электронных столкновениям и тем самым повысить эмиссию вторичных электронов в управляемой лавине электронов .
Все электроны движутся по прямой линии из-за разницы высокого напряжения на пластинах, которая сохраняет коллимацию , и когда один или два электрона входят, могут появиться тысячи. Отдельный (более низкий) дифференциал заряда ускоряет вторичные электроны от MCP до тех пор, пока они не попадут в люминофорный экран 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).
История
Разработка ламп для усилителей изображения началась в 20 веке, и с самого начала они постоянно совершенствовались.
Новаторская работа
Идея электронно-лучевой трубки была впервые предложена Г. Холстом и Х. Де Боером в 1928 г. в Нидерландах [1] , но первые попытки создать ее 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.
Поколение 0: первые инфракрасные электрооптические преобразователи изображений
Разработка продолжалась и 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 в ночное время с инфракрасным освещением как для стрельбы, так и для съемки. личное ночное видение. 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.
В отличие от более поздних технологий, устройства ночного видения раннего поколения 0 не могли значительно усилить доступный окружающий свет, поэтому для их использования требовался источник инфракрасного излучения. Эти устройства использовали фотокатод S1 или « серебряный - кислород - цезий » фотокатод, открытый в 1930 году, который имел чувствительность около 60 мкА / лм (микроампер на люмен) и квантовую эффективность составляет 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 преобразователи жалюзи
Солнечные слепые фотокатоды не имели прямого военного назначения и не принадлежат «поколениям». Обнаруженные в 1953 году Тафтом и Апкером [2] , они изначально были сделаны из теллурида цезия . Характеристикой фотокатодов типа «солнечно слепых» является отклик ниже 280 нм в ультрафиолетовом спектре, что меньше длины волны света, через которую проходит атмосфера от солнца.
Поколение 1: значительное усиление
С открытием более эффективных фотокатодных материалов, у которых повысилась как чувствительность, так и квантовая эффективность, стало возможным достичь значительных уровней усиления по сравнению с устройствами поколения 0. В 1936 году S-11 катода ( цезий - сурьма ) был обнаружен Gorlich, который обеспечил чувствительность приблизительно 80 мкА / лм с квантовой эффективностью около 20%; это включало только чувствительность в видимой области с пороговой длиной волны приблизительно 650 нм.
Он не был до развития Bialkali антимониды фотокатоды ( калий - цезий -antimony и натрий -potassium-сурьма) обнаружил А.Х. Sommer и его позже многощелочного фотокатод (натрий-калий-сурьма-цезий) S20 фотокатод обнаружены в 1956 году случайно, что трубки обладают подходящей чувствительностью к инфракрасному излучению и усилением видимого спектра, чтобы быть полезными 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.
Каскадные (пассивные) ЭОП лампы
Хотя первоначально немцы экспериментировали с ними 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, которая позволили 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 для использования в военных целях. Известные как «каскадные» лампы, они позволили создать первые по-настоящему пассивные прицелы ночного видения. С появлением волоконно-оптических пучков в 1960-х годах стало возможным соединять вместе меньшие трубки, что позволило в 1964 году разработать первые настоящие прицелы Starlight . Многие из этих трубок использовались в прицеле AN / PVS-2. которые нашли применение 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 успешно применялась в лабораторных условиях, где приемлемы узлы усилителя изображения большего размера.
Поколение 2: микроканальная пластина
В усилителях изображения второго поколения используется тот же многощелочной 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 трубки, позволила, с небольшими изменениями в производстве, производить микроканальные пластины или MCP. Пластина с микроканалом представляет собой тонкую стеклянную пластину с нихромовым электродом с обеих сторон, к которой 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 способов. В лампе инвертора 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.
Поколение 3: высокая чувствительность и улучшенная частотная характеристика
В то время как третье поколение ламп в основном было таким же, как второе поколение, они имели два существенных отличия. Во-первых, они использовали фотокатод GaAs - CsO - AlGaAs , который более чувствителен в диапазоне 800-900 нм, чем фотокатоды второго поколения. Во- вторых, фотокатод имеет отрицательное сродство к электрону (СВА), который обеспечивает фотоэлектроны, которые возбуждаются к проводимости полосе свободную езду к вакуумному полосе в качестве слоя Цезий оксида на границе фотокатода вызывает достаточную полосу -bending. 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 ввели тонкую пленку из 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.
Супер второе поколение
Хотя он официально не признан в категориях поколений США, Super Second Generation или SuperGen был разработан 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 площади 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, производимого за пределами США.
Поколение 4
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, после чего они стали просто называться 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 (первичный источник 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 4-го поколения не существует.
Тонкая пленка 3-го поколения
Также известная как Generation 3 Omni VII и Generation 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.
4G
В 2014 году европейский производитель электронно-лучевых трубок PHOTONIS выпустил первую глобальную открытую спецификацию производительности; «4G». В спецификации было четыре основных требования, которым должна была соответствовать лампа усилителя 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
Для трубок-усилителей изображения используется несколько общих терминов.
Ворота
Электронное стробирование (или «стробирование») - это средство, с помощью которого электронно-оптический усилитель 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 исследовательских средах, где необходимо фотографировать очень непродолжительные события. В качестве примера, чтобы помочь инженерам в разработке более эффективных камер сгорания, использовались стробоскопические трубки 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 высокоскоростных цифровых генераторов задержки. Электроника стробирования позволяет пользователю указать, когда лампа будет включаться и выключаться относительно начала события.
Есть много примеров использования стробирующих трубок для визуализации. Из-за комбинации очень высоких скоростей, на которых может работать закрытая лампа, и их способности усиливать свет, закрытые трубки могут записывать определенные части луча света. Можно 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 постоянного источника света, такого как подводный прожектор высокой яркости, в противном случае может затемнять изображение.
ATG (автостробирование)
Автостробирование - это функция, которая присутствует 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 с высокой частотой, 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 позволяет увеличивать продолжительность рабочего времени, улучшая обзор в сумеречные часы, обеспечивая лучшую поддержку солдатам, которые сталкиваются с быстро меняющимися условиями освещения, например, при нападении на здание.
Чувствительность
Чувствительность трубки усилителя изображения измеряется в микроамперах на люмен (мкА / лм). Он определяет, сколько электронов производится на количество света, попадающего на фотокатод. Это измерение следует проводить при определенной цветовой температуре , например, «при цветовой температуре 2854 K». Цветовая температура , при которой производится этот тест , как правило, слегка отличаться между производителями. Обычно также указываются дополнительные измерения на определенных длинах волн, особенно для устройств Gen2, например, на длинах волн 800 и 850 нм (инфракрасный).
Как правило, чем выше значение, тем более чувствительна лампа к свету.
разрешение
Более точно известное как предельное разрешение , разрешение трубки измеряется в парах линий на миллиметр или lp / мм. Это мера 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 важным соображением является то, 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 таким критерием, как «> 64 линий / мм» или «Более 64 пар линий / миллиметр».
Прирост
Коэффициент усиления лампы обычно измеряется с использованием одной из двух единиц. Самая распространенная единица (СИ) - кд · м −2 · лк −1 , т. Е. 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 по отношению к входной. Это создает неоднозначность в маркетинге устройств ночного видения, поскольку разница между двумя измерениями составляет фактически пи или приблизительно 3,142x. Это означает, что усиление 10 000 кд / м 2 / лк равно 31,42 Fl / Fc.
MTBF ( среднее время наработки на отказ )
Это значение, выраженное в часах, дает представление о том, сколько обычно должна длиться трубка. Это довольно распространенная точка сравнения, однако она принимает во внимание множество факторов. Во-первых, лампы постоянно деградируют. Это означает, что со временем лампа будет постепенно давать меньший прирост, чем когда она была новой. Когда коэффициент усиления лампы достигает 50% от «нового» уровня усиления, лампа считается неисправной, поэтому в первую очередь это отражает этот момент в жизни лампы.
Дополнительными соображениями относительно срока службы трубки являются среда, в которой используется трубка, 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 уменьшается. срок службы лампы значительно.
Кроме того, MTBF включает только часы работы. Считается, что включение или выключение лампы не способствует сокращению общего срока службы, поэтому многие гражданские лица, как правило, включают оборудование ночного видения только тогда, когда это необходимо, чтобы максимально использовать срок службы лампы. Военные пользователи, как правило, оставляют оборудование включенным в течение более длительных периодов времени, обычно все время, пока оно используется, при этом в первую очередь заботятся о батареях, а не о сроке службы лампы.
Типичные примеры срока службы трубки:
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 теперь имеют среднее время безотказной работы, приближающееся к 15 000 часов работы.
MTF (функция передачи модуляции)
Функция передачи модуляции усилителя изображения - это мера 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% @ 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. изображение. 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 меньше, это также будет максимальное разрешение трубки. На MTF влияет каждая часть работы трубки усилителя изображения, а в системе в целом также влияет качество используемой оптики. Факторы, влияющие на MTF, включают переход через любую оптоволоконную пластину или стекло, на экране и фотокатоде, а также через трубку и саму микроканальную пластину. Чем выше MTF при заданном разрешении, тем лучше.
Смотрите также
использованная литература
- Историческая информация о развитии и зарождении ИИТ [3]
- Открытие других фотокатодных материалов [4]
- Сделано несколько ссылок на исторические данные, отмеченные в «Image Tubes» Илеса П. Чорбы ISBN 0-672-22023-7
- Избранные статьи на электронно-лучевых трубках ISBN 0-8194-0476-4
- Сделать Время для звезд по Antony Cooke
- Майкл Лэмптон (1 ноября 1981 г.). «Микроканальный усилитель изображения». Scientific American . 245 (5): 62–71. DOI : 10.1038 / Scientificamerican1181-62 .