Усилитель изображения или электронно-оптический усилитель изображения — это вакуумное ламповое устройство для увеличения интенсивности доступного света в оптической системе , чтобы обеспечить использование в условиях слабого освещения, например, ночью, для облегчения визуального отображения процессов при слабом освещении, таких как флуоресценция материалов в рентгеновских лучах или гамма-лучах ( рентгеновский усилитель изображения ), или для преобразования невидимых источников света, таких как ближний инфракрасный или коротковолновый инфракрасный, в видимый. Они работают путем преобразования фотонов света в электроны, усиления электронов (обычно с помощью микроканальной пластины ), а затем преобразования усиленных электронов обратно в фотоны для просмотра. Они используются в таких устройствах, как очки ночного видения .
Усилители изображения (ЭОП) — это оптоэлектронные устройства, которые позволяют функционировать многим устройствам, таким как приборы ночного видения и медицинские устройства визуализации. Они преобразуют низкие уровни света с различными длинами волн в видимое количество света на одной длине волны.
Усилители изображения преобразуют низкие уровни фотонов света в электроны, усиливают эти электроны , а затем преобразуют электроны обратно в фотоны света. Фотоны из источника с низкой освещенностью попадают в объектив, который фокусирует изображение на фотокатоде . Фотокатод испускает электроны посредством фотоэлектрического эффекта , когда входящие фотоны попадают на него. Электроны ускоряются через высоковольтный потенциал в микроканальной пластине (МКП). Каждый высокоэнергетический электрон, который ударяется о МКП, вызывает высвобождение множества электронов из МКП в процессе, называемом вторичной каскадной эмиссией . МКП состоит из тысяч крошечных проводящих каналов, наклоненных под углом от нормали, чтобы стимулировать больше столкновений электронов и, таким образом, усиливать эмиссию вторичных электронов в контролируемой электронной лавине .
Все электроны движутся по прямой линии из-за разницы высокого напряжения на пластинах, что сохраняет коллимацию , и там, где вошли один или два электрона, могут появиться тысячи. Отдельный (более низкий) дифференциал заряда ускоряет вторичные электроны от МКП, пока они не попадут на фосфорный экран на другом конце усилителя, который высвобождает фотон для каждого электрона. Изображение на фосфорном экране фокусируется линзой окуляра . Усиление происходит на этапе микроканальной пластины посредством ее вторичной каскадной эмиссии. Люминофор обычно зеленый, потому что человеческий глаз более чувствителен к зеленому цвету, чем к другим цветам, и потому что исторически исходный материал, используемый для производства фосфорных экранов, давал зеленый свет (отсюда и прозвище солдат «зеленый телевизор» для устройств усиления изображения).
Разработка электронно-оптических преобразователей началась в 20 веке и непрерывно совершенствовалась с момента их создания.
Идея электронно-лучевой трубки была впервые предложена Г. Холстом и Х. Де Буром в 1928 году в Нидерландах [1], но первые попытки создать ее не увенчались успехом. Только в 1934 году Холст, работая в компании Philips , создал первую успешную инфракрасную преобразовательную трубку. Эта трубка состояла из фотокатода, расположенного рядом с флуоресцентным экраном. Используя простую линзу, изображение фокусировалось на фотокатоде, и на трубке поддерживалась разность потенциалов в несколько тысяч вольт, заставляя электроны, выбиваемые фотонами из фотокатода, попадать на флуоресцентный экран. Это заставляло экран загораться, а изображение объекта фокусировалось на экране, однако изображение было неинвертирующим. С помощью этой электронно-лучевой трубки впервые стало возможным наблюдать инфракрасный свет в реальном времени.
Развитие продолжалось и в США в 1930-х и середине 1930-х годов, первый инвертирующий усилитель изображения был разработан в RCA . Эта трубка использовала электростатический инвертор для фокусировки изображения со сферического катода на сферический экран. (Выбор сфер был обусловлен необходимостью уменьшения внеосевых аберраций.) Последующее развитие этой технологии привело непосредственно к первым усилителям изображения поколения 0, которые использовались военными во время Второй мировой войны, чтобы обеспечить ночное видение с инфракрасным освещением как для стрельбы, так и для личного ночного видения. Первые военные приборы ночного видения были представлены немецкой армией [ требуется ссылка ] 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, ранние устройства ночного видения поколения 0 не могли значительно усиливать доступный окружающий свет и поэтому, чтобы быть полезными, требовали инфракрасного источника. Эти устройства использовали фотокатод S1 или фотокатод « серебро - кислород - цезий », открытый в 1930 году, который имел чувствительность около 60 мкА/лм (микроампер на люмен) и квантовую эффективность около 1% в ультрафиолетовой области и около 0,5% в инфракрасной области. Следует отметить, что фотокатод S1 имел пики чувствительности как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом спектре и с чувствительностью более 950 нм был единственным фотокатодным материалом, который можно было использовать для наблюдения инфракрасного света выше 950 нм.
Солнечные слепые преобразователи, также известные как солнечные слепые фотокатоды, представляют собой специализированные устройства, которые обнаруживают ультрафиолетовый (УФ) свет с длиной волны менее 280 нанометров (нм). Этот УФ-диапазон называется «солнечным слепым», потому что он короче длин волн солнечного света, которые обычно проникают в атмосферу Земли. Открытые в 1953 году Тафтом и Апкером [2], солнечные слепые фотокатоды изначально были разработаны с использованием теллурида цезия . В отличие от технологий ночного видения, которые классифицируются на «поколения» на основе их военного применения, солнечные слепые фотокатоды не вписываются в эту классификацию, потому что их полезность не является в первую очередь военной. Их способность обнаруживать УФ-свет в солнечном слепом диапазоне делает их полезными для приложений, требующих чувствительности к УФ-излучению без помех от видимого солнечного света.
С открытием более эффективных фотокатодных материалов, которые увеличили как чувствительность, так и квантовую эффективность, стало возможным достичь значительного уровня усиления по сравнению с устройствами поколения 0. В 1936 году Горличем был открыт катод S-11 ( цезий - сурьма ), который обеспечивал чувствительность около 80 мкА/лм с квантовой эффективностью около 20%; это включало чувствительность только в видимой области с пороговой длиной волны около 650 нм.
Только после разработки бищелочных антимонидных фотокатодов ( калий - цезий -сурьма и натрий -калий-сурьма), открытых А. Х. Зоммером, и его более позднего многощелочного фотокатода (натрий-калий-сурьма-цезий) S20 фотокатода, открытого случайно в 1956 году, трубки имели как подходящую инфракрасную чувствительность, так и усиление видимого спектра, чтобы быть полезными в военных целях. Фотокатод S20 имеет чувствительность около 150-200 мкА/лм. Дополнительная чувствительность сделала эти трубки пригодными для использования при ограниченном освещении, таком как лунный свет, в то же время оставаясь пригодными для использования при низкоуровневом инфракрасном освещении.
Хотя изначально экспериментировали с ними немцы во время Второй мировой войны, только в 1950-х годах США начали проводить ранние эксперименты с использованием нескольких трубок в «каскаде», соединяя выход инвертирующей трубки со входом другой трубки, что позволяло увеличить усиление света наблюдаемого объекта. Эти эксперименты прошли намного лучше, чем ожидалось, и приборы ночного видения на основе этих трубок смогли улавливать слабый звездный свет и создавать 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 военного использования. Известные как «каскадные» трубки, они обеспечили возможность создания первых по-настоящему пассивных прицелов ночного видения. С появлением оптоволоконных жгутов в 1960-х годах появилась возможность соединять вместе более мелкие трубки, что позволило разработать в 1964 году первые настоящие прицелы Starlight . Многие из этих трубок использовались в прицеле винтовки AN/PVS-2, который применялся во Вьетнаме.
Альтернатива каскадной трубке, исследованной в середине 20-го века, включает оптическую обратную связь , когда выход трубки подается обратно на вход. Эта схема не использовалась в прицелах винтовок, но она успешно применялась в лабораторных приложениях, где приемлемы более крупные сборки усилителей изображения. [1]
Усилители изображения второго поколения используют тот же многощелочной фотокатод, что и трубки первого поколения, однако, используя более толстые слои тех же материалов, был разработан фотокатод S25, который обеспечивает расширенный красный отклик и уменьшенный синий отклик, что делает его более подходящим для военных применений. Он имеет типичную чувствительность около 230 мкА/лм и более высокую квантовую эффективность, чем материал фотокатода S20. Окисление цезия до оксида цезия в более поздних версиях улучшило чувствительность аналогично фотокатодам третьего поколения. Та же технология, которая производила волоконно-оптические пучки, которые позволили создать каскадные трубки, позволила, с небольшим изменением в производстве, производить микроканальные пластины , или МКП. Микроканальная пластина представляет собой тонкую стеклянную пластину с нихромовым электродом с обеих сторон, через которую подается большая разность потенциалов до 1000 вольт.
Пластина изготовлена из многих тысяч отдельных полых стеклянных волокон, выровненных под углом «смещения» к оси трубки. Микроканальная пластина помещается между фотокатодом и экраном. Электроны, которые ударяются о боковую часть «микроканала», проходя через него, вызывают вторичные электроны, которые, в свою очередь, вызывают дополнительные электроны, когда они также ударяются о стенки, усиливая сигнал. Используя МКП с трубкой с фокусировкой на близком расстоянии, можно было добиться усиления до 30 000 раз с одним слоем МКП. Увеличивая количество слоев МКП, можно было добиться дополнительного усиления до более чем 1 000 000 раз.
Инверсия устройств поколения 2 достигалась одним из двух различных способов. Инверторная трубка использует электростатическую инверсию, как и трубки первого поколения, с включенным МКП. Трубки второго поколения с фокусировкой на приближении также могли быть инвертированы с использованием пучка волокон с поворотом на 180 градусов.
Хотя третье поколение трубок было в принципе таким же, как и второе поколение, они обладали двумя существенными отличиями. Во-первых, они использовали фотокатод GaAs — CsO — AlGaAs , который более чувствителен в диапазоне 800 нм-900 нм, чем фотокатоды второго поколения. Во-вторых, фотокатод проявляет отрицательное электронное сродство (NEA), что обеспечивает фотоэлектронам, которые возбуждаются в зоне проводимости , свободный проход в вакуумную зону, поскольку слой оксида цезия на краю фотокатода вызывает достаточный изгиб зоны . Это делает фотокатод очень эффективным в создании фотоэлектронов из фотонов. Однако ахиллесовой пятой фотокатодов третьего поколения является то, 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 фотокатода из строя в течение короткого периода времени - всего за 100 часов до того, как чувствительность фотокатода упала ниже уровня Gen2. Для защиты фотокатода от положительных ионов и газов, производимых МКП, они ввели тонкую пленку спеченного оксида алюминия , прикрепленную к МКП. Высокая чувствительность этого фотокатода, более 900 мкА/лм, обеспечивает более эффективную реакцию на слабый свет, хотя это было компенсировано тонкой пленкой, которая обычно блокировала до 50% электронов.
Хотя официально не признано в категориях поколения США, Super Second Generation или SuperGen было разработано в 1989 году Жаком Дюпюи и Джеральдом Вользаком. Эта технология улучшила трехщелочные фотокатоды, более чем вдвое увеличив их чувствительность, а также улучшила микроканальную пластину, увеличив коэффициент открытой площади до 70% и снизив уровень шума. Это позволило трубкам второго поколения, которые более экономичны в производстве, достичь сопоставимых результатов с трубками усилителей изображения третьего поколения. С чувствительностью фотокатодов, приближающейся к 700 мкА/лм и расширенной частотной характеристикой до 950 нм, эта технология продолжала разрабатываться за пределами США, в частности компанией Photonis, и теперь составляет основу для большинства производимых за пределами США высококачественных приборов ночного видения.
В 1998 году американская компания Litton разработала беспленочную электронно-оптическую трубку. Первоначально эти трубки были изготовлены для контракта Omni V и вызвали значительный интерес у американских военных. 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 известны как Gen III Filmless. Эти трубки по-прежнему производятся для специальных целей, таких как авиация и специальные операции; однако они не используются для целей установки на оружие. Чтобы преодолеть проблемы отравления ионами, они улучшили методы очистки во время производства MCP (основной источник положительных ионов в пластинчатой трубке) и внедрили автостробирование, обнаружив, что достаточный период автостробирования приведет к выбросу положительных ионов из фотокатода до того, как они смогут вызвать отравление фотокатода.
Технология безпленочной съемки третьего поколения все еще производится и используется сегодня, но официально усилителей изображения четвертого поколения не существует.
Также известная как Generation 3 Omni VII и Generation 3+, после проблем, возникших с технологией поколения IV, технология тонкой пленки стала стандартом для современных усилителей изображения. В усилителях изображения на основе тонкой пленки толщина пленки уменьшается с примерно 30 ангстрем (стандарт) до примерно 10 ангстрем, а напряжение фотокатода снижается. Это приводит к остановке меньшего количества электронов, чем в трубках третьего поколения, при этом обеспечивая преимущества пленочной трубки.
Тонкопленочная технология третьего поколения в настоящее время является стандартом для большинства усилителей яркости изображения, используемых в армии США.
В 2014 году французский производитель ЭОП PHOTONIS выпустил первую глобальную, открытую спецификацию производительности; «4G». В спецификации было четыре основных требования, которым должна была соответствовать ЭОП.
Для обозначения усилителей яркости изображения используется несколько общепринятых терминов.
Электронное стробирование (или «стробирование») — это средство, с помощью которого ЭОП может быть включена и выключена контролируемым образом. Электронно-стробируемый ЭОП функционирует как затвор камеры, позволяя изображениям проходить через него, когда электронный «строб» включен. Длительность стробирования может быть очень короткой (наносекунды или даже пикосекунды). Это делает стробируемые ЭОП идеальными кандидатами для использования в исследовательских средах, где необходимо фотографировать очень короткие события. Например, для того, чтобы помочь инженерам в проектировании более эффективных камер сгорания, стробируемые ЭОП использовались для записи очень быстрых событий, таких как волновой фронт горящего топлива в двигателе внутреннего сгорания.
Часто стробирование используется для синхронизации трубок визуализации с событиями, начало которых невозможно контролировать или предсказать. В таком случае операция стробирования может быть синхронизирована с началом события с помощью «стробирующей электроники», например, высокоскоростных цифровых генераторов задержки. Стробирующая электроника позволяет пользователю указать, когда трубка будет включаться и выключаться относительно начала события.
Существует множество примеров использования стробируемых трубок визуализации. Благодаря сочетанию очень высоких скоростей, на которых может работать стробируемая трубка, и их способности усиления света стробируемые трубки могут регистрировать определенные части светового луча. Можно захватить только часть света, отраженного от цели, когда импульсный луч света выстреливается в цель, управляя параметрами стробирования. Устройства Gated-Pulsed-Active Night Vision (GPANV) являются еще одним примером приложения, использующего эту технологию. Устройства GPANV могут позволить пользователю видеть интересующие его объекты, которые скрыты за растительностью, листвой и/или туманом. Эти устройства также полезны для обнаружения объектов в глубокой воде, где отражения света от близлежащих частиц от непрерывного источника света, такого как подводный прожектор высокой яркости, в противном случае затенили бы изображение.
Автоматическое стробирование — это функция, обнаруженная во многих усилителях изображения, произведенных для военных целей после 2006 года, хотя она существует уже некоторое время. Автоматически стробируемые трубки стробируют усилитель изображения внутри, чтобы контролировать количество света, которое проходит через микроканальную пластину. Стробирование происходит на высокой частоте, и путем изменения рабочего цикла для поддержания постоянного тока, потребляемого микроканальной пластиной, можно эксплуатировать трубку в более ярких условиях, таких как дневной свет, не повреждая трубку или не приводя к преждевременному выходу из строя. Автоматическое стробирование усилителей изображения имеет военную ценность, поскольку оно позволяет продлить рабочие часы, обеспечивая улучшенное зрение в сумеречные часы, а также обеспечивая лучшую поддержку солдатам, которые сталкиваются с быстро меняющимися условиями освещения, например, при штурме здания.
Чувствительность усилителя изображения измеряется в микроамперах на люмен (мкА/лм). Она определяет, сколько электронов производится на единицу количества света, падающего на фотокатод. Это измерение должно проводиться при определенной цветовой температуре , например, «при цветовой температуре 2854 К». Цветовая температура , при которой проводится этот тест, имеет тенденцию немного различаться у разных производителей. 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 известное как предельное разрешение , разрешение трубки измеряется в парах линий на миллиметр или lp/мм. Это мера того, сколько линий различной интенсивности (от светлого до темного) может быть разрешено в пределах миллиметра площади экрана. Однако само предельное разрешение является мерой функции передачи модуляции. Для большинства трубок предельное разрешение определяется как точка, в которой функция передачи модуляции становится равной трем процентам или менее. Чем выше значение, тем выше разрешение трубки.
Однако важным соображением является то, что это основано на физическом размере экрана в миллиметрах и не пропорционально размеру экрана. Таким образом, 18-миллиметровая трубка с разрешением около 64 пар линий/мм имеет более высокое общее разрешение, чем 8-миллиметровая трубка с разрешением 72 пары линий/мм. Разрешение обычно измеряется в центре и на краю экрана, и трубки часто поставляются с цифрами для обоих значений. Трубки Military Specification или milspec поставляются только с таким критерием, как "> 64 пар линий/мм" или "Более 64 пар линий/миллиметр".
Коэффициент усиления трубки обычно измеряется с использованием одной из двух единиц. Наиболее распространенной единицей (СИ) является кд·м −2 ·лк −1 , т. е. кандела на квадратный метр на люкс . Более старая конвенция — Fl/Fc ( фут-ламберт на фут-свечу ). Это создает проблемы со сравнительными измерениями коэффициента усиления, поскольку ни один из них не является чистым отношением, хотя оба измеряются как значение выходной интенсивности по сравнению с входной интенсивностью. Это создает двусмысленность в маркетинге приборов ночного видения, поскольку разница между двумя измерениями фактически составляет пи или приблизительно 3,142x. Это означает, что коэффициент усиления 10 000 кд/м2 / лк равен 31,42 Fl/Fc.
Это значение, выраженное в часах, дает представление о том, как долго обычно должна работать трубка. Это довольно распространенная точка сравнения, однако она учитывает множество факторов. Во-первых, трубки постоянно деградируют. Это означает, что со временем трубка будет медленно давать меньше усиления, чем когда она была новой. Когда усиление трубки достигает 50% от ее «нового» уровня усиления, трубка считается вышедшей из строя, поэтому в первую очередь это отражает этот момент в жизни трубки.
Дополнительными факторами, влияющими на срок службы трубки, являются среда, в которой она используется, и общий уровень освещенности в этой среде, включая яркий лунный свет, а также воздействие искусственного освещения и использование в периоды сумерек/рассвета, поскольку воздействие более яркого света значительно сокращает срок службы трубки.
Кроме того, MTBF включает только рабочие часы. Считается, что включение и выключение трубки не влияет на сокращение общего срока службы, поэтому многие гражданские лица склонны включать приборы ночного видения только тогда, когда это необходимо, чтобы максимально использовать срок службы трубки. Военные пользователи склонны держать оборудование включенным в течение более длительного времени, как правило, все время, пока оно используется, при этом основной заботой являются батареи, а не срок службы трубки.
Типичные примеры срока службы трубки:
Первое поколение: 1000 часов
Второе поколение: от 2000 до 2500 часов
Третье поколение: от 10000 до 15000 часов.
Средний срок службы многих современных высококачественных ламп второго поколения приближается к 15 000 часов работы.
Функция передачи модуляции усилителя изображения является мерой выходной амплитуды темных и светлых линий на дисплее для заданного уровня входного сигнала от линий, представленных на фотокатод с различным разрешением. Обычно она указывается в процентах при заданной частоте (расстоянии) светлых и темных линий. Например, если вы смотрите на белые и черные линии с MTF 99% при 2 пл/мм, то выход темных и светлых линий будет на 99% таким же темным или светлым, как при просмотре черного изображения или белого изображения. Это значение также уменьшается при заданном увеличении разрешения. На той же трубке, если MTF при 16 и 32 пл/мм составляла 50% и 3%, то при 16 пл/мм сигнал будет только наполовину таким же ярким/темным, как линии при 2 пл/мм, а при 32 пл/мм изображение линий будет только на три процента таким же ярким/темным, как линии при 2 пл/мм.
Кроме того, поскольку предельное разрешение обычно определяется как точка, в которой MTF составляет три процента или меньше, это также будет максимальным разрешением трубки. На MTF влияет каждая часть работы усилителя изображения, а в полной системе на него также влияет качество задействованной оптики. Факторы, которые влияют на MTF, включают переход через любую волоконную пластину или стекло, на экране и фотокатоде, а также через трубку и саму микроканальную пластину. Чем выше MTF при заданном разрешении, тем лучше.