Введение
Устройство на вакуумных лампах для увеличения интенсивности доступного света.
Усилитель изображения или электронно-оптический преобразователь – это устройство на вакуумных лампах, предназначенное для увеличения интенсивности доступного света в оптической системе, что позволяет использовать его в условиях низкой освещенности, например, ночью, для визуализации слабоосвещенных процессов, таких как флуоресценция материалов при воздействии рентгеновского или гамма-излучения (рентгеновский усилитель изображения), или для преобразования невидимого света, например, ближнего или коротковолнового инфракрасного излучения, в видимый свет. Принцип работы основан на преобразовании фотонов света в электроны, усилении этих электронов (обычно с использованием микроканальной пластины) и последующем преобразовании усиленных электронов обратно в фотоны для наблюдения. Они применяются в таких устройствах, как приборы ночного видения.
Введение
Тубы усилителя изображения (IIT) — это оптико-электронные устройства, обеспечивающие работу множества приборов, включая приборы ночного видения и медицинские устройства для визуализации. Они преобразуют слабый свет различных длин волн в видимый свет с единой длиной волны.
Операция
Усилители изображения преобразуют низкие уровни световых фотонов в электроны, усиливают эти электроны и затем преобразуют электроны обратно в фотоны света. Фотоны от источника слабого света попадают в объектив, который фокусирует изображение на фотокатоде. Фотокатод высвобождает электроны посредством фотоэлектрического эффекта при попадании на него входящих фотонов. Электроны ускоряются высоким напряжением в микроканальную пластину (МКП). Каждый высокоэнергетический электрон, сталкиваясь с МКП, вызывает высвобождение множества электронов из МКП в процессе, называемом вторичной каскадной эмиссией. МКП состоит из тысяч крошечных проводящих каналов, наклоненных под углом к нормали для стимулирования большего числа столкновений электронов и, следовательно, усиления эмиссии вторичных электронов в контролируемой электронной лавине. Все электроны движутся по прямой линии благодаря высокой разности потенциалов между пластинами, что обеспечивает коллимацию, и там, где вошли один или два электрона, могут появиться тысячи. Отдельный (более низкий) разностный потенциал ускоряет вторичные электроны от МКП, пока они не достигают фосфорного экрана на другом конце усилителя, который высвобождает фотон на каждый электрон. Изображение на фосфорном экране фокусируется окулярной линзой. Усиление происходит на стадии микроканальной пластины за счет вторичной каскадной эмиссии. Фосфор обычно имеет зеленый цвет, поскольку человеческий глаз более чувствителен к зеленому, чем к другим цветам, а исторически исходный материал, использовавшийся для производства фосфорных экранов, излучал зеленый свет (отсюда и солдатское прозвище "зеленый телевизор" для приборов ночного видения).
История
Разработка электронно-оптических преобразователей началась в 20-м веке и непрерывно продолжается с момента их создания.
Пионерская работа
Идея электронной лампы (или индикаторной трубки) была впервые предложена Г. Холстом и Х. Де Боером в 1928 году в Нидерландах, но первые попытки ее создания не увенчались успехом. Лишь в 1934 году Холст, работая в компании Philips, создал первую успешную инфракрасную преобразовательную лампу. Эта лампа состояла из фотокатода, расположенного вблизи флуоресцентного экрана. С помощью простой линзы изображение фокусировалось на фотокатоде, и поддерживалась разность потенциалов в несколько тысяч вольт между электродами лампы, в результате чего электроны, выбиваемые фотонами из фотокатода, попадали на флуоресцентный экран. Это приводило к тому, что экран светился, отображая изображение объекта, сфокусированного на нем, однако изображение не инвертировалось. С помощью этой лампы-преобразователя изображения впервые стало возможным наблюдать инфракрасное излучение в реальном времени.
Поколение 0: ранние инфракрасные электрооптические преобразователи изображения
Развитие продолжалось в США в 1930-х и в середине 1930-х годов, когда в RCA был разработан первый инвертирующий усилитель изображения. Эта лампа использовала электростатический инвертор для фокусировки изображения со сферического катода на сферический экран. (Сферы были выбраны для уменьшения внеосевых аберраций.) Последующая разработка этой технологии напрямую привела к созданию первых усилителей изображения поколения 0, которые использовались военными во время Второй мировой войны для обеспечения ночного видения с использованием инфракрасного освещения как для ведения огня, так и для индивидуального ночного видения. Первые военные приборы ночного видения были представлены немецкой армией уже в 1939 году, их разработка велась с 1935 года. Ранние приборы ночного видения, основанные на этих технологиях, использовались обеими сторонами во Второй мировой войне. В отличие от более поздних технологий, ранние приборы ночного видения поколения 0 не могли значительно усиливать доступный окружающий свет и, следовательно, для эффективного использования требовался источник инфракрасного излучения. Эти приборы использовали фотокатод S1 или фотокатод "серебряно-кислородно-цезиевый", 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. Важно отметить, что фотокатод S1 имел пики чувствительности как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом спектре, и с чувствительностью выше 950 нм был единственным фотокатодным материалом, который можно было использовать для наблюдения инфракрасного света с длиной волны более 950 нм.
Конверторы солнечных жалюзи
Солнечные слепые преобразователи, также известные как солнечные слепые фотокатоды, – это специализированные устройства, обнаруживающие ультрафиолетовый (УФ) свет с длиной волны менее 280 нанометров (нм). Этот УФ-диапазон называют "солнечно-слепым", поскольку он короче длин волн солнечного света, проникающих в атмосферу Земли. Открытые в 1953 году Тафтом и Апкером, солнечные слепые фотокатоды изначально создавались на основе теллурида цезия. В отличие от технологий ночного видения, классифицируемых по "поколениям" в зависимости от их военного применения, солнечные слепые фотокатоды не подпадают под эту классификацию, так как их основное применение не связано с военной сферой. Их способность обнаруживать УФ-излучение в солнечно-слепом диапазоне делает их полезными в приложениях, требующих чувствительности к УФ-излучению без влияния видимого солнечного света.
Поколение 1: значительное усиление
С открытием более эффективных фотокатодных материалов, которые увеличили как чувствительность, так и квантовую эффективность, стало возможным достичь значительного прироста характеристик по сравнению с приборами поколения 0. В 1936 году Горлих открыл катод S 11 (цезиевый антимонид), обеспечивавший чувствительность приблизительно 80 мкА/лм при квантовой эффективности около 20%; эта чувствительность ограничивалась видимой областью спектра с пороговой длиной волны около 650 нм. Лишь с разработкой биалкальных антимонидных фотокатодов (калий-цезиевый антимонид и натрий-калий-антимонид), открытых А. Х. Зоммером, и его последующего многоалкального фотокатода (натрий-калий-антимонид цезия) S20, обнаруженного в 1956 году случайно, электронно-оптические приборы получили одновременно достаточную инфракрасную чувствительность и усиление в видимом спектре, что сделало их полезными в военных целях. Фотокатод S20 имеет чувствительность около 150–200 мкА/лм. Повышенная чувствительность позволила использовать эти приборы при слабом освещении, например, при лунном свете, сохраняя при этом возможность работы с низкоуровневым инфракрасным освещением.
Каскадные (пассивные) трубки для усиления изображения
Хотя изначально с ними экспериментировали немцы во время Второй мировой войны, только в 1950-х годах США начали проводить ранние эксперименты с использованием нескольких электронно-оптических преобразователей (ЭОП) в "каскаде", соединяя выход инвертирующего ЭОП со входом другого ЭОП, что позволило увеличить усиление света от наблюдаемого объекта. Эти эксперименты оказались намного успешнее, чем ожидалось, и приборы ночного видения, основанные на этих ЭОП, смогли улавливать слабый звёздный свет и формировать полезное изображение. Однако размер этих ЭОП – 43 см в длину и 8,9 см в диаметре – был слишком велик для использования в военной технике. Известные как "каскадные" ЭОП, они обеспечили возможность создания первых действительно пассивных приборов ночного видения. С появлением волоконно-оптических световодов в 1960-х годах стало возможным объединять небольшие ЭОП, что позволило в 1964 году разработать первые полноценные прицелы ночного видения "Звёздный свет". Многие из этих ЭОП использовались в прицеле AN/PVS 2, который применялся во Вьетнаме. Альтернативой каскадному ЭОП, исследованной в середине 20-го века, является схема с оптической обратной связью, при которой выход ЭОП возвращается на его вход. Эта схема не нашла применения в прицелах, но успешно используется в лабораторных установках, где допустимы более крупные узлы усиления изображения.
Поколение 2: микроканальная пластина
Усилители изображения второго поколения используют тот же многощелочный фотокатод, что и трубки первого поколения, однако, за счет использования более толстых слоев тех же материалов, был разработан фотокатод S25, обеспечивающий расширенный спектральный отклик в красной области и пониженный – в синей, что делает его более подходящим для военных приложений. Он имеет типичную чувствительность около 230 мкА/лм и более высокую квантовую эффективность по сравнению с материалом фотокатода S20. Окисление цезия до оксида цезия в более поздних версиях повышало чувствительность аналогичным образом, как и в фотокатодах третьего поколения. Технология, использовавшаяся для производства волоконно-оптических пучков, позволявших создавать каскадные трубки, с незначительными изменениями в производственном процессе, позволила начать производство микроканальных пластин (MCP). Микроканальная пластина представляет собой тонкую стеклянную подложку с электродом из никель-хромового сплава (Nichrome) с обеих сторон, к которым прикладывается значительная разность потенциалов – до 1000 вольт. Подложка состоит из множества тысяч отдельных полых стеклянных волокон, выровненных под углом к оси трубки. Микроканальная пластина располагается между фотокатодом и экраном. Электроны, сталкиваясь со стенками "микроканала" при прохождении через него, вызывают эмиссию вторичных электронов, которые, в свою очередь, при столкновении со стенками генерируют дополнительные электроны, тем самым усиливая сигнал. При использовании MCP в трубке с фокусировкой по близости, достигалось усиление до 30 000 раз с одним слоем MCP. Увеличение количества слоев MCP позволяло добиться усиления более чем в 1 000 000 раз. Инверсия устройств второго поколения достигалась одним из двух способов. В инвертирующей трубке используется электростатическая инверсия, аналогичная применяемой в трубках первого поколения, с включенным MCP. Трубки второго поколения с фокусировкой по близости также могли быть инвертированы с помощью волоконно-оптического пучка с поворотом на 180 градусов.
Поколение 3: высокая чувствительность и улучшенный частотный отклик
В то время как электронно-оптические преобразователи третьего поколения были в основном такими же, как и второго поколения, они имели два существенных отличия. Во-первых, они использовали фотокатод на основе GaAs—CsO—AlGaAs, который обладает большей чувствительностью в диапазоне 800–900 нм, чем фотокатоды второго поколения. Во-вторых, фотокатод демонстрирует отрицательное сродство к электронам (NEA), что позволяет фотоэлектронам, возбужденным в зону проводимости, беспрепятственно переходить в вакуумную зону благодаря достаточному изгибу зон, вызванному слоем оксида цезия на краю фотокатода. Это делает фотокатод очень эффективным в генерации фотоэлектронов из фотонов. Однако слабостью фотокатодов третьего поколения является их сильная деградация под воздействием отравления положительными ионами. Из-за высоких электростатических напряжений внутри трубки и работы пластины микроканалов (MCP) это приводило к выходу фотокатода из строя в короткие сроки – всего за 100 часов, после чего его чувствительность падала ниже уровня фотокатодов второго поколения. Для защиты фотокатода от положительных ионов и газов, выделяемых MCP, была применена тонкая пленка из спеченного оксида алюминия, прикрепленная к MCP. Высокая чувствительность этого фотокатода, превышающая 900 мкА/лм, обеспечивает более эффективную реакцию на слабое освещение, однако это компенсировалось тонкой пленкой, которая обычно блокировала до 50% электронов.
Супер второе поколение
Хотя официально не классифицированный в рамках американской системы поколений, Super Second Generation или SuperGen был разработан в 1989 году Жаком Дюпуем и Джеральдом Вользаком. Эта технология более чем вдвое повысила чувствительность триалкальных фотокатодов, а также улучшила микроканальную пластину за счет увеличения коэффициента открытой площади до 70% и снижения уровня шума. Это позволило трубкам второго поколения, которые более экономичны в производстве, достигать результатов, сопоставимых с лампами усиления изображения третьего поколения. Благодаря чувствительности фотокатодов, приближающейся к 700 мкА/лм, и расширенному частотному диапазону до 950 нм, эта технология продолжала развиваться за пределами США, в частности, компанией Photonis, и в настоящее время является основой для большинства высококачественного оборудования ночного видения, производимого не в США.
Четвертое поколение
В 1998 году американская компания Litton разработала безпленочную электронно-оптическую трубку (ЭОП). Эти трубки были изначально созданы для контракта Omni V и вызвали значительный интерес со стороны американской армии. Однако при испытаниях трубки оказались очень хрупкими, и к 2002 году NVESD лишил безпленочные трубки обозначения "четвертое поколение", после чего они стали просто известны как Gen III Filmless. Эти трубки до сих пор производятся для специализированных применений, таких как авиация и специальные операции, но не используются для установки на оружие. Для решения проблемы ионного отравления улучшили методы очистки при производстве MCP (основного источника положительных ионов в пластинчатой трубке) и внедрили автоматическую регулировку яркости (autogating), обнаружив, что достаточное время автоматической регулировки яркости приводит к выбросу положительных ионов из фотокатода до того, как они успеют вызвать его отравление. Технология безпленочных ЭОП третьего поколения до сих пор производится и используется, но официально четвертого поколения усилителей изображения не существует.
Тонкая пленка 3 поколения
Также известная как Generation 3 Omni VII и Generation 3+, после проблем, возникших с технологией поколения IV, технология тонкой пленки стала стандартом для современной технологии электронно-оптических преобразователей (ЭОП). В ЭОП с тонкой пленкой толщина пленки уменьшается с примерно 30 Ангстрем (стандартного значения) до примерно 10 Ангстрем, а напряжение на фотокатоде снижается. Это приводит к меньшей остановке электронов по сравнению с ЭОП третьего поколения, при этом сохраняются преимущества ЭОП с пленочным покрытием. Технология тонкой пленки третьего поколения в настоящее время является стандартом для большинства ЭОП, используемых вооруженными силами США.
Терминология
Существует несколько общепринятых терминов, используемых для описания электронно-оптических преобразователей (ЭОП).
Вход
Электронное управление затвором (или просто "затвор") – это способ включения и выключения трубки усилителя изображения в управляемом режиме. Трубка усилителя изображения с электронным управлением затвором функционирует как затвор камеры, пропуская изображение только при включенном электронном "затворе". Длительность открытия затвора может быть очень малой (наносекунды и даже пикосекунды). Это делает трубки усилителя изображения с управлением затвором идеальными для использования в исследовательских целях, где необходимо регистрировать события сверхкороткой длительности. Например, для помощи инженерам в разработке более эффективных камер сгорания, трубки с управлением затвором использовались для записи очень быстрых процессов, таких как фронт пламени топлива во двигателе внутреннего сгорания. Часто управление затвором используется для синхронизации трубок с событиями, начало которых невозможно контролировать или предсказать. В таких случаях операция затвора может быть синхронизирована с началом события с помощью "электроники управления затвором", например, высокоскоростных цифровых генераторов задержки. Электроника управления затвором позволяет пользователю задавать моменты включения и выключения трубки относительно начала события. Существует множество примеров применения трубок с управлением затвором. Благодаря сочетанию очень высокой скорости работы и способности к усилению света, такие трубки могут регистрировать отдельные участки светового пучка. Например, можно захватить только свет, отраженный от цели, при облучении ее импульсным световым лучом, контролируя параметры затвора. Устройства активного ночного видения с импульсным управлением затвором (GPANV) – еще один пример применения данной технологии. Устройства GPANV позволяют пользователю видеть объекты, скрытые за растительностью, листвой и/или туманом. Они также полезны для обнаружения объектов под водой, где отражения света от частиц в толще воды от непрерывного источника света, например, мощного подводного прожектора, могли бы затруднить видимость.
ATG (автоматная блокировка)
Автоматическая регулировка яркости – это функция, которая встречается во многих электронно-оптических преобразователях (ЭОП), предназначенных для военных целей и выпускаемых после 2006 года, хотя сама технология появилась раньше. ЭОП с автоматической регулировкой яркости осуществляют внутреннюю регулировку усиления изображения для контроля количества света, достигающего микроканальной пластины. Регулировка происходит на высокой частоте, и путем изменения длительности импульса при сохранении постоянного тока потребления микроканальной пластины, становится возможной работа ЭОП в условиях высокой освещенности, например, при дневном свете, без риска повреждения или преждевременного выхода из строя. Автоматическая регулировка яркости ЭОП имеет важное военное значение, поскольку позволяет увеличить время непрерывной работы, улучшить видимость в сумеречное время и обеспечить лучшую поддержку солдатам, действующим в условиях быстро меняющейся освещенности, например, при штурме здания.
Чувствительность
Чувствительность трубки усилителя изображения измеряется в микроамперах на люмен (μА/lm). Она определяет количество электронов, генерируемых на единицу светового потока, попадающего на фотокатод. Это измерение должно проводиться при определенной цветовой температуре, например, "при цветовой температуре 2854 К". Цветовая температура, при которой выполняется данное измерение, может незначительно отличаться у разных производителей. Обычно также указываются дополнительные измерения при определенных длинах волн, особенно для приборов Gen2, например, при 800 нм и 850 нм (в инфракрасном диапазоне). Как правило, чем выше значение, тем выше светочувствительность трубки.
Резолюция
Более точно известная как предельное разрешение, разрешение трубки измеряется в парах линий на миллиметр или lp/mm. Это показатель того, сколько линий различной интенсивности (от светлых к темным) можно различить на миллиметре площади экрана. Однако само предельное разрешение является мерой функции передачи модуляции (ФПМ). Для большинства трубок предельное разрешение определяется как точка, в которой ФПМ опускается до трех процентов или ниже. Чем выше это значение, тем выше разрешение трубки. Важно учитывать, что это значение основано на физическом размере экрана в миллиметрах и не пропорционально его общей площади. Таким образом, 18-мм трубка с разрешением около 64 lp/mm имеет более высокое общее разрешение, чем 8-мм трубка с разрешением 72 lp/mm. Разрешение обычно измеряется в центре и по краю экрана, и трубки часто поставляются с данными для обоих измерений. Трубки, соответствующие военным спецификациям (milspec), обычно имеют только критерий, такой как "> 64 lp/mm" или "Более 64 пар линий на миллиметр".
Прибыль
Увеличение в трубке обычно измеряется одной из двух единиц. Наиболее распространенной (СИ) единицей является кд·м−2·лк−1, то есть кандела на метр квадратный на люкс. Более старая единица измерения – Fl/Fc (фут-ламбертов на фут-свечу). Это создает проблемы при сравнительных измерениях увеличения, поскольку ни одна из них не является чистым отношением, хотя обе измеряются как значение выходной интенсивности по отношению к входной интенсивности. Это вносит неоднозначность в рекламу приборов ночного видения, так как разница между двумя измерениями фактически равна числу пи или приблизительно 3,142. Это означает, что увеличение в 10 000 кд/м²/лк эквивалентно 31,42 Fl/Fc.
MTF (функция передачи модуляции)
Функция передачи модуляции (MTF) усилителя изображения – это мера амплитуды выходного сигнала светлых и темных линий на дисплее при заданном уровне входного сигнала от линий, подаваемых на фотокатод при различных разрешениях. Обычно она выражается в процентах при определенной частоте (шаге) чередования светлых и темных линий. Например, если вы рассматриваете чередующиеся белые и черные линии с MTF 99% при 2 lp/mm, то выходной сигнал от темных и светлых линий будет на 99% таким же темным или светлым, как при просмотре сплошного черного или белого изображения. Это значение уменьшается с увеличением разрешения. Если на той же лампе MTF при 16 и 32 lp/mm составляет 50% и 3% соответственно, то при 16 lp/mm сигнал будет вдвое менее ярким/темным, чем для линий при 2 lp/mm, а при 32 lp/mm изображение линий будет всего в три процента ярким/темным по сравнению с линиями при 2 lp/mm. Кроме того, поскольку предельное разрешение обычно определяется как точка, при которой MTF составляет три процента или меньше, это также будет являться максимальным разрешением лампы. На MTF влияет каждый этап работы лампы усилителя изображения, а в полной системе – также качество используемой оптики. Факторы, влияющие на MTF, включают прохождение сигнала через любые волоконные пластины или стекло, на экране и фотокатоде, а также через саму лампу и микроканальную пластину. Чем выше MTF при заданном разрешении, тем лучше.