Усилитель изображения - Image intensifier

An усилитель изображения или же трубка усилителя изображения это вакуумная труба устройство для увеличения интенсивности доступного света в оптической системе, позволяющее использовать в условиях низкой освещенности, например, ночью, для облегчения визуализации процессов при слабом освещении, таких как флуоресценция материалов в Рентгеновские лучи или же гамма излучение (Усилитель рентгеновского изображения ), или для преобразования невидимых источников света, таких как ближнийинфракрасный или короткие волны от инфракрасного до видимого. Они работают, преобразовывая фотоны света в электроны, усиливая электроны (обычно с микроканальная пластина ), а затем преобразовать усиленные электроны обратно в фотоны для просмотра. Они используются в таких устройствах, как очки ночного видения.

Вступление

Трубки усилителя изображения (IIT) оптоэлектронный устройства, которые позволяют использовать множество устройств, например приборы ночного видения и медицинская визуализация устройства, чтобы функционировать. Они преобразуют слабые уровни света с различной длиной волны в видимые количества света с одной длиной волны.

Операция

Фотоны от источника слабого света попадают в линзу объектива (слева) и попадают на фотокатод (серая пластина). Фотокатод (с отрицательным смещением) высвобождает электроны, которые ускоряются к пластине микроканала с более высоким напряжением (красная). 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 слабый свет фотоны в электроны, усилить те электроны, а затем преобразовать электроны обратно в фотоны света. Фотоны от источника при слабом освещении попадают в линзу объектива, которая фокусирует изображение в фотокатод. Фотокатод выпускает электроны через фотоэлектрический эффект когда входящие фотоны попадают в него. Электроны ускоряются за счет высокого напряжения в микроканальная пластина (МКП). Каждый электрон высокой энергии, ударяющийся о MCP, вызывает высвобождение множества электронов из MCP в процессе, называемом вторичное каскадное излучение. В MCP состоит из тысяч крошечных проводящих каналов, наклоненных под углом от нормали, чтобы стимулировать большее количество столкновений электронов и, таким образом, усилить эмиссию вторичных электронов в контролируемом Электронная лавина.

Все электроны движутся по прямой из-за большой разницы напряжений на пластинах, что сохраняет коллимация, а когда вошел один или два электрона, могут появиться тысячи. Отдельный (нижний) дифференциал заряда ускоряет вторичные электроны от МКП до тех пор, пока они не попадут в люминофор экран на другом конце усилителя, который высвобождает фотон на каждый электрон. Изображение на люминофорном экране фокусируется линза 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 усилителей изображения началась в 20-м 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. Нидерланды [1], но первые попытки создать его не увенчались успехом. Только в 1934 году Холст, работая на Philips, создали первую успешную лампу инфракрасного преобразователя. 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 Вторая Мировая Война чтобы обеспечить видение в ночное время с инфракрасным освещением как для съемки, так и для личного ночного видения. Первые военные прибор ночного видения были введены немецкой армией^{[нужна цитата ]} еще в 1939 году, разрабатывались с 1935 года. Ранние устройства ночного видения, основанные на этих технологиях, использовались обеими сторонами во Второй мировой войне. Однако обратная сторона активного ночного видения (когда 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 полезности требовался источник инфракрасного излучения. В этих устройствах использовался фотокатод S1 или "серебро -кислород -цезий "фотокатод, открытый в 1930 году, который имел чувствительность около 60 мкА / лм (микроампер на люмен) и квантовая эффективность около 1% в ультрафиолетовый 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 наблюдения за инфракрасным светом выше 950 нм.

Солнечные преобразователи жалюзи

Солнечные слепые фотокатоды не имели прямого военного назначения и не принадлежат «поколениям». Обнаружен в 1953 году Тафтом и Апкером. [2], они изначально были сделаны из теллурид цезия. Фотокатоды типа «солнечные слепые» имеют 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 катод С-11 (цезий -сурьма ) был открыт Горлихом и 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 двухщелочного антимонида (калий -цезий -сурьма и натрий -калий-сурьма), открытый А.Х. Зоммером, и его более поздний мультищелочной фотокатод (натрий-калий-сурьма-цезий) фотокатод S20 случайно обнаружил в 1956 году, что трубки обладают подходящей чувствительностью к инфракрасному излучению и усилением в видимом спектре 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.

Каскадные (пассивные) ЭОП лампы

Фотографическое сравнение каскадной трубки первого поколения и полупроводниковой трубки второго поколения, использующих электростатическую инверсию, 25-миллиметровый фотокатод из того же материала и один и тот же 55-миллиметровый объектив F2.2. Каскадная лампа первого поколения демонстрирует подушкообразное искажение, в то время как лампа второго поколения корректируется. Все лампы инверторного типа, включая версии третьего поколения, имеют некоторые искажения.

Хотя изначально 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 позволил 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 трубки меньшего размера, что позволило впервые Прицелы Starlight должны быть разработаны в 1964 году. Многие из этих трубок использовались в АН / ПВС-2 прицел, который использовался во Вьетнаме.

Альтернатива каскадной трубе, исследованная в середине 20 века, включает: оптическая обратная связь, с выходом трубки, возвращаемым на вход. Эта схема не использовалась в оптических прицелах, но успешно применялась в лабораторных условиях, где приемлемы узлы усилителя изображения большего размера.^[1]

Поколение 2: микроканальная пластина

В усилителях изображения второго поколения используется тот же мультищелочной фотокатод, что и в лампах первого поколения, однако с использованием 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 Преобразование цезия в оксид цезия в более поздних версиях улучшило чувствительность аналогично фотокатодам третьего поколения. Та же технология, которая использовалась для производства волоконно-оптических жгутов, позволившая создавать каскадные трубки, позволила, с небольшими изменениями в производстве, производить микроканальные пластины, или МКП. Пластина микроканалов представляет собой тонкую стеклянную пластину с Нихром электрод, с обеих сторон которого 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 боковую 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

Трубка усилителя изображения третьего поколения с наложенными деталями

Хотя третье поколение ламп в основном было таким же, как второе поколение, они имели два существенных отличия. Во-первых, они использовали GaAs —CSO —AlGaAs фотокатод, который более чувствителен в диапазоне 800-900 нм, чем фотокатоды второго поколения. Во-вторых, фотокатод показывает отрицательные электронное сродство (NEA), который обеспечивает фотоэлектроны, возбужденные до проводимости группа бесплатный проезд к вакуумной ленте, поскольку слой оксида цезия на краю фотокатода вызывает достаточное группа -гибание. 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, выделяемых МКП, они ввели тонкую пленку спеченный оксид алюминия прикреплен к МКП. 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 отношения открытой площади 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.

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 г. NVESD отменил обозначение четвертого поколения для безпленочных трубок, и тогда 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 (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.

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 должен был соответствовать ЭОП.

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

Электронный стробирующий (или «стробирующий») - это средство, с помощью которого усилитель изображения может включаться и выключаться управляемым образом. Трубка усилителя изображения с электронным стробированием работает как затвор камеры, позволяя изображениям проходить через них, 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.

Есть много 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. Можно уловить только часть света отраженный от цели, когда импульсный луч света попадает в 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.

ПТГ (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 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

Чувствительность трубки усилителя изображения измеряется в микроамперы на просвет (мкА / лм). Он определяет, сколько электронов производится на количество света, попадающего на фотокатод. Это измерение следует производить при определенном цветовая температура, например, «при цветовой температуре 2854 К». В цветовая температура , на котором проводится этот тест, имеет тенденцию незначительно отличаться от производителя. Обычно также указываются дополнительные измерения на определенных длинах волн, особенно для устройств Gen2, например, на 800нм и 850 нм (инфракрасный).

Как правило, чем выше значение, тем более чувствительна лампа к свету.

Разрешение

Точнее известен как ограничение разрешения, разрешение трубки измеряется в парах линий на миллиметр или lp / мм. Это мера того, сколько линий различной интенсивности (от светлых до темных) можно разрешить в пределах одного миллиметра области экрана. Однако само предельное разрешение является мерой функции передачи 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. Военная спецификация или Milspec трубки 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. канделы на квадратный метр на люкс. Более старое соглашение - Fl / Fc (фут-ламберты на фут-свеча ). Это создает проблемы при сравнительных измерениях 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 фактически очевидна. число Пи или приблизительно 3,142x. Это означает, что усиление 10 000 кд / м² / лк равно 31,42 Fl / Fc.

MTBF (среднее время наработки на отказ )

Это значение, выраженное в часах, дает представление о том, как долго обычно должна служить трубка. Это довольно распространенная точка сравнения, однако она принимает во внимание множество факторов. Во-первых, лампы постоянно портятся. 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, причем первоочередной задачей являются батареи, а не срок 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)

В передаточная функция 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 это процентное соотношение при заданной частоте (интервале) светлых и темных линий. Например, если вы посмотрите на белые и черные линии с MTF 99% при 2 lp / мм, то выход темных и светлых линий будет на 99% таким же темным или светлым, как при просмотре черного изображения или белого. 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 лампы. 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.