Электронно-оптические преобразователи изображения. Поколения приборов ночного видения

Электронно-оптический усилитель рентгеновского изображения - это устройство, предназначенное для многократного увеличения яркости изображения на рентгеновском экране путем преобразования светового изображения в электронное и последующего преобразования его в световое. Такое усиление изображения в электронно-оптическом усилителе достигается с помощью электровакуумного прибора, называемого электронно-оптическим преобразователем. Усилитель рентгеновского изображения применяют главным образом при просвечивании, рентгенокинематографии и использовании телевидения в .

Основным преимуществом электронно-оптического усилителя является резкое снижение дозы при диагностических исследованиях, особенно при рентгенокинематографии, а также возможность благодаря резкому увеличению яркости изображения просвечивать в слабо затемненном помещении, пользуясь при этом маломощными (см.).

Электронно-оптический усилитель рентгеновского изображения - устройство для преобразования рентгеновского изображения в оптическое, во много раз превосходящее по яркости изображение на обычном рентгеновском экране. Увеличение яркости изображения достигается путем промежуточного преобразования рентгеновского изображения в электронное и усиления последнего за счет дополнительно подводимой электрической энергии.

Основным усилительным элементом такого устройства является вакуумный прибор, называемый электронно-оптическим преобразователем. Наиболее широкое применение получили усилители с рентгеновскими электронно-оптическими преобразователями (РЭОП). Первичным приемником рентгеновского излучения является в этом случае люминесцентный экран из ZnS - Ag- или ZnS·CdS - Ag-люминофора внутри вакуумной трубки (рис. 1). Экран находится в оптическом контакте с полупрозрачным сурьмяно-цезиевым или мультищелочным фотокатодом. Экрано-катодный узел вместе с конусообразным анодом и подфокусирующим электродом образует трехэлектродную ускоряющую и фокусирующую систему преобразователя. У основания анодного конуса расположен выходной катодолюминесцентный экран. На анод подается высокий положительный потенциал (25 кВ) относительно катода, на фокусирующий электрод - небольшой потенциал (200-300 В).

Рис. 1. Схема устройства рентгеновского электронно-оптического преобразователя фирмы Филипс с рентгеновским экраном, находящимся в оптическом контакте с фотокатодом: 1 - рентгеновская трубка; 2 - объект исследования; 3 - РЭОП; 4 - входной рентгеновский экран; 5 - фотокатод; 6 - подфокусирующий электрод; 7 - колба; 8 - выходной экран; 9 - защитное стекло; 10 - оптическая система; 11 - глаз исследующего; 12 - телевизионная камера; 13 - кинокамера; 14 - широкоформатная кинокамера.

Пучок рентгеновых лучей, попадая на выходной экран, вызывает его свечение (рентгенолюминесценцию). Под действием квантов света фотокатод испускает (эмиттирует) электроны, причем распределение плотности электронов в пучке воспроизводит распределение освещенности, создаваемой экраном на поверхности фотокатода. В результате световое изображение преобразуется в электронное. Поток электронов, устремляясь к аноду, бомбардирует выходной люминесцентный экран, вызывая его свечение. Таким образом, осуществляется обратное преобразование электронного изображения в световое. Увеличение яркости достигается путем ускорения электронов в электростатическом поле и электронно-оптического уменьшения изображения, что приводит к увеличению плотности потока электронов. Изображение на выходном экране наблюдают через оптическую систему, увеличивающую его размеры до нормальных. Его можно также фотографировать на широкоформатную пленку, на кинопленку или передавать на телевизионную трубку.

Современные усилители с РЭОП обладают коэффициентом усиления, равным 3000 или более. Это означает, что яркость свечения их выходного экрана превосходит яркость свечения обычного экрана для рентгеноскопии в 3000 или более раз. Это основное преимущество усилителя, дающее возможность увеличить степень восприятия информации, заложенной в изображении, благодаря повышению остроты зрения и контрастной чувствительности глаза; сократить время исследования; уменьшить вероятность ошибок, связанных с утомлением глаз; устранить необходимость в затемнении и дополнительной адаптации; уменьшить облучение пациента при рентгеноскопии; производить рентгенокиносъемку, а также применять телевизионные установки с использованием видиконов в качестве передающих трубок.

Недостатком усилителя с РЭОП является относительно небольшой размер рабочего поля (технически сложно сделать РЭОП с диаметром выходного экрана более 220-230 мм). Для увеличения рабочего поля используют усилители яркости рентгеновского изображения иной конструкции со световым электронно-оптическим преобразователем (рис. 2). В этом усилителе рентгеноскопический экран находится вне ЭОП, а изображение, получаемое на экране, проектируется на фотокатод преобразователя светосильной зеркально-линзовой оптикой. Недостатками такой системы являются громоздкость и значительные потери света при переносе изображения с экрана на фотокатод.

Рис. 2. Схема устройства усилителя яркости рентгеновского изображения «Цинеликс» с переносом изображения с рентгеновского экрана на фотокатод при помощи зеркально-линзовой оптики: 1 - рентгеновская трубка; 2 - световой электронно-оптический преобразователь; 3 - входная оптика; 4 - выходная оптика; 5 - рентгеноскопический экран.

Электронно-оптические усилители рентгеновского изображения применяют при исследовании пищеварительного тракта и сердечно-сосудистой системы, для рентгеноскопического контроля при введении
зондов, катетеров и радиоактивных препаратов, для быстрого исследования травматических повреждений и во всех случаях, когда применение обычного метода просвечивания сопряжено с опасностью чрезмерного облучения пациентов и персонала.

Телевизионные установки с усилителем позволяют производить одновременное наблюдение группой врачей и осуществлять рентгенологический контроль при операциях непосредственно у операционного стола.

Рентгенокиносъемка при помощи усилителя сочетает в себе одно из важных преимуществ рентгенографии - документальность с возможностью функциональных исследований различных органов. Двухканальная выходная оптическая система позволяет визуально контролировать процесс киносъемки.

При использовании новейших усилителей рентгеновского изображения интегральная доза при рентгеноскопии в ряде случаев уменьшается в 10-15 раз.

Стремление свести к минимуму облучение пациентов и персонала и расширить возможности рентгенодиагностики приводит к ограничению сферы применения обычного рентгенологического исследования с заменой его исследованием при помощи электронно-оптического усилителя рентгеновского изображения. См. также Рентгеновские аппараты, Рентгенодиагностика, Рентгенотехника.



(ЭОП), вакуумный фотоэлектронный прибор для преобразования невидимого глазом изображения объекта (в ИК, УФ и рентг. лучах) в видимое либо для усиления яркости видимого изображения. В основе действия ЭОП лежит преобразование оптич. или рентг. изображения в электронное с помощью фотокатода, а затем электронного изображения в световое (видимое), получаемое на катодолюминесцентном экране (см. КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ , ЛЮМИНОФОРЫ).

В ЭОП (рис.) изображение объекта А проецируется с помощью объектива О на фотокатод Ф (при использовании рентг. лучей теневое изображение объекта проецируется на фотокатод непосредственно). Излучение от объекта вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности фотокатода, причём величина эмиссии с разл. участков последнего изменяется в соответствии с распределением яркости спроецированного на него изображения. Фотоэлектроны ускоряются электрич. полем на участке между фотокатодом и экраном, фокусируются электронной линзой (ФЭ - фокусирующий электрод) и бомбардируют экран Э., вызывая его люминесценцию. Интенсивность свечения отдельных точек экрана зависит от плотности потока фотоэлектронов, вследствие чего на экране возникает видимое изображение объекта. Различают ЭОП одно- и многокамерные (каскадные); последние представляют собой последоват. соединение двух или более однокамерных ЭОП.

Наиб. распространение получили ЭОП с электростатич. фокусировкой, у к-рых изображение переносится неоднородным осесимметричным электростатич. полем - полем электронной линзы. В этих ЭОП поле иммерсионной (катодной) линзы формируется между фотокатодом и анодом, выполняемым обычно в виде усечённого конуса, обращённого меньшим основанием к катоду; потенциал анода равен потенциалу экрана, расположенного непосредственно за анодом. Линза собирает электроны, испускаемые каждой точкой фотокатода, в узкие пучки, к-рые на экране создают светящееся изображение, геометрически подобное изображению, проецируемому на . ЭОП с фокусирующими системами создают достаточно хорошие изображения с разрешением в неск. десятков линий/мм. Линза переносит изображение с уменьшением в неск. раз, что увеличивает яркость свечения экрана в >=10 раз; наличие анодного электрода с небольшим отверстием со стороны катода заметно уменьшает оптич. обратную связь, экранируя катод от засвечивания излучением экрана.

Разрешающая способность ЭОП с электростатич. фокусировкой и плоскими катодом и экраном ограничивается аберрациями электронных линз: двумя геометрическими - астигматизмом и искривлением поверхности изображения- и хроматической, вызываемой разбросом скоростей и углов вылета электронов, испускаемых фотокатодом. Уменьшение аберраций диафрагмированием в ЭОП принципиально невозможно, т. к. перенос изображения осуществляется широким электронным пучком, выходящим со всей поверхности катода и воспринимаемым всей поверхностью экрана. Аберрации наиб. заметно снижают предел разрешения на периферийной части экрана, по мере удаления от оси разрешение уменьшается в 10-15 раз. При использовании широких пучков проявляется также дисторсия.

Качество изображения улучшилось в ЭОП с фотокатодом и экраном вогнутой формы. Такие ЭОП с искривлёнными поверхностями объекта (катода) и изображения (экрана) позволили получать при h Ф (35)·10 2 предел разрешения до 40-50 пар линий/мм в центре и до 15-20 пар линий/мм у края экрана. Недостатком таких ЭОП являлось неудобство, связанное с необходимостью проецировать изображение на выпуклый фотокатод и рассматривать его на выпуклом экране.

Дальнейшее повышение h Ф было достигнуто совмещением двух преобразователей в одной вакуумной оболочке. В этих приборах между входным фотокатодом и выходным экраном устанавливается прозрачная перегородка, на одной стороне к-рой (со стороны входного фотокатода) создаётся люминесцентный экран, а на другой (со стороны выходного экрана) - фотокатод, освещаемый через прозрачную перегородку светом, излучаемым внутр. экраном. Такие ЭОП имели h Ф ~10 4 , предел разрешения до 50 пар линий/мм в центре и до 10-15 пар линий/мм у краёв экрана. Эти ЭОП не нашли широкого распространения из-за технол. трудностей, связанных с необходимостью получения в одном вакуумном объёме двух достаточно эффективных фотокатодов и двух люминесцентных экранов.

ЭОП значительно усовершенствовались с использованием плоско-вогнутых стекловолоконных пластин. Проецируемое на плоскую сторону входной волоконно-оптич. пластины (ВОП) изображение (рис. 2) без искажений переходит на её вогнутую сторону, на к-рой сформирован фотокатод. Электронной линзой изображение переносится на экран, созданный на вогнутой стороне выходной ВОП, а изображение наблюдается на её плоской стороне. Вогнутая форма катода и экрана позволяет перенести изображение с мин. искажениями. Однокамерные ЭОП с ВОП на входе и выходе наз. модульными ЭОП (модули) и широко используются в приборах ночного видения. Возможно создание двух- и трёхмодульных ЭОП, в к-рых плоская сторона выходной ВОП первого модуля оптическим контактом соединяется с входной ВОП второго модуля. Двухмодульные ЭОП обеспечивают усиление яркости до (4 -6)·10 3 кд/м 2 ·лк при разрешении в центре экрана до 50 пар линий/мм и до 25-30 пар линий/мм у краёв экрана. При таких усилениях возможна регистрация вылета из фотокатода отд. электронов, поэтому дальнейшее усиление яркости нецелесообразно, т. к. не расширяет объёма преобразуемой информации.

Рис. 2. Схема ЭОП с электростатической фокусировкой: 1-входная волоконно-оптическая пластина (ВОП); 2- фотокатод; 3 - выходная ВОП; 4-экран; 5 - .

Наряду с усовершенствованием ЭОП с электростатич. фокусировкой совершенствовались плоские приборы. Особенно высокие параметры получены у плоских ЭОП (рис. 3), в к-рых перенос изображения с катода на экран осуществляется канальным вторичным электронным умножителем - микроканальной пластиной (МКП). Микроканальные пластины, изготавливаемые из стекла с высоким коэф. вторичной эмиссии, усиливают проходящий сквозь каналы электронный поток в ~10 3 раз. За счёт усиления в МКП общий коэф. преобразования ЭОП достигает (20-25)·10 3 при разрешении до 40 пар линий/мм.

Рис. 3. Схема ЭОП с микроканальной пластиной: 1 - фотокатод; 2 - экран; 3 - микроканальная пластина.

ЭОП с магн. фокусировкой не получили широкого распространения из-за громоздкости и большого веса магн. фокусирующих систем.

Рентг. ЭОП (РЭОП) существенно отличаются от оптических. В них происходит трёхкратное преобразование изображения: оптич. изображение, получаемое на первичном люминесцентном экране за счёт рентг. лучей, прошедших сквозь исследуемый объект, возбуждает фотоэлектронную эмиссию фотокатода; электронное изображение электрич. полем переносится на выходной люминесцентный экран, возбуждая его свечение. Первичный люминесцентный экран формируется на тонкой прозрачной плёнке, на обратной стороне к-рой создаётся фотокатод, что обеспечивает перенос изображения с первичного экрана на фотокатод с мин. искажениями. Электронное изображение с фотокатода переносится на экран с десятикратным уменьшением. Общее усиление в РЭОП достигает неск. тысяч кд/м 2. лк.

В нек-рых типах ЭОП изображение регистрируется матрицей из электроночувствит. элементов (в количестве 10- 100), используемой вместо люминесцентного экрана.

ЭОП применяются в ИК-технике, спектроскопии, медицине, ядерной физике, телевидении, для преобразования УЗ-изображения в видимое (см. Визуализация звуковых полей).

Лит.: Козелкин В. В., Усольцев И. Ф., Основы инфракрасной техники, 3 изд., M., 1985; Зайдель И. H., Курен-ков Г. И., Электронно-оптические , M., 1970.

А. А. Жигарев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

. - (ЭОП) фотоэлектронный вакуумный прибор, предназначенный для преобразования невидимого излучения (инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского) в видимое и одновременно усиливающий его яркость. Простейший ЭОП состоит (см. .) из стеклянного… … Большая политехническая энциклопедия

Вакуумный фотоэлектронный прибор для преобразования невидимого глазом изображения объекта (в инфракрасных, ультрафиолетовых или рентгеновских лучах) в видимое изображение либо для усиления яркости видимого изображения. Электронно оптический… … Энциклопедия техники

- (ЭОП), вакуумный фотоэлектронный прибор для преобразования невидимого глазом изображения объекта (в ИК, УФ или рентгеновских лучах) в видимое либо для усиления яркости видимого изображения. В ЭОП оптическое или рентгеновское изображение… … Энциклопедический словарь

электронно-оптический преобразователь - elektroninis optinis keitiklis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. electron optical converter; electrooptical transducer vok. elektronenoptischer Wandler, m rus. электронно оптический преобразователь, m pranc. convertisseur… … Automatikos terminų žodynas

электронно-оптический преобразователь - elektroninis optinis keitiklis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electron optical converter vok. elektronenoptischer Wandler, m rus. электронно оптический преобразователь, m pranc. convertisseur électronique optique, m; transformateur… … Fizikos terminų žodynas

- (ЭОП) вакуумный фотоэлектронный прибор, предназнач. для преобразования невидимого глазом изображения (в ИК, УФ или рентгеновских лучах) в видимое либо служащий для усиления яркости видимого изображения. Простейший ЭОП состоит из полупрозрачного… … Большой энциклопедический политехнический словарь

- (ЭОП) прибор, основанный на фотоэлектрическом эффекте, предназначенный для преобразования невидимого глазом изображения в видимое или для усиления видимого изображения; в медицине применяется при исследованиях в инфракрасном или ультрафиолетовом… … Большой медицинский словарь

Так сокращенно называются электронно-оптические преобразователи. Их применяют в рентгенотехнике в качестве усилителей, что позволяет получать при обследовании больного изображение значительно большей яркости и в то же время уменьшить вредную для здоровья больного интенсивность рентгеновского излучения.

ЭОП — электровакуумный прибор. В нем имеются катод, анод и сетка, которые помещены в герметической колбе. На катод наносится слой специального люминофора, а затем второй слой сурьмяно-цезиевый фотокатод. Под действием рентгеновского излучения экран начинает светиться. Его свет вырывает с фотокатода электроны, число которых пропорционально освещенности прилегающего участка рентгеновского экрана.

Так создается электронное изображение — своеобразная копия невидимого изображения в пучке рентгеновских лучей до их попадания на экран катода. Благодаря сферической форме катода, фокусирующей электронной линзе анода и сетке, выполняющей роль «ловушки» электронов, их пучок на пути к аноду фиксируется. Ударяясь о покрытый слоем люминофора экран на наружной стенке анода, электроны вызывают свечение.

Появляется то же изображение, что на рентгеновском экране, но только уменьшенное и намного более яркое — как вследствие уменьшения, так и потому что на пути от катода к аноду под действием приложенного электрического поля скорость электронов возрастает во много раз.

«Медицина сегодня», В.Шапоров

Тема 16. Электронно-оптические преобразователи. Структура ОЭС с электронно-оптическим преобразователем, принцип работы ЭОП, основные характеристики и параметры ЭОП, формирование информационных сигналов. Приборы ночного видения.

Устройство и принцип действия. Электронно-оптическими преобразователями изображения называются электровакуумные устройства, преобразующие оптическое изображение одного спектрального состава (например, УФ или ИК) в промежуточное электронное изображение, а затем из электронного в видимое. ЭОП широко применяют в различной аппаратуре для научных исследований и в приборах ночного видения.

Схема простейшего электронно-оптического преобразователя показана на рис.1 ЭОП выполнен в виде стеклянной колбы с параллельными передней и задней стенками. На переднюю стенку нанесен полупрозрачный кислородно-цезиевый фотокатод, а на заднюю – флюоресцирующий экран из сернистого цинка. Катод и экран нанесены на серебряные полупрозрачные подложки, которые являются электродами преобразователя. Между электродами прикладывают ускоряющее напряжение до 10 000 В.

Рис.1. Схема простейшего электронно-оптического преобразователя:1 – объект наблюдения; 2- объектив; 3 – фотокатод; 4 – стеклянная колба; 5 - экран

Изображение объекта в инфракрасных лучах проецируется объективом 2 на фотокатод 3. при этом облученность фотокатода оказывается пропорциональной темным и светлым участкам объекта. Поэтому излучение более ярких участков возбуждает на фотокатоде большее количество электронов и большую их эмиссию, чем темных участков, от которых фотоэмиссия меньше. Вылетающие из фотокотода электроны, попадая в электрическое поле между катодом и экраном, ускоряют свое движение и, бомбардируя экран, вызывают его свечение. Интенсивность свечения отдельных точек экрана зависит от интенсивности электронного потока. А так как интенсивность потока в, свою очередь, зависит от интенсивности облучения соответствующих участков фотокатода, то в результате на экране возникает видимое изображение объекта. Чтобы электроны двигались от анода к экрану без столкновений с молекулами воздуха, в стеклянной колбе ЭОПа создан вакуум порядка 10 -2 …10 -3 Па.

Так как в такой конструкции простейшего преобразователя электроны, исходящие из одной точки фотокатода, не фокусируются электрическим полем, а лишь переносятся этим полем на экран, то изображение точки на экране получается в виде кружка рассеяния. Это происходит в результате того, что электроны движутся между катодом и экраном не параллельно друг другу, а по параболическим траекториям и наконечном участке пути вследствие разброса начальных скоростей электронов происходит некоторое рассеяние электронного пучка. Диаметр кружка рассеяния можно определить по формуле

где U 0 – напряжение, определяющее начальную энергию электронов (для кислородно-серебряноцезиевого фотокатода U 0 = 0,3 В), U y – ускоряющее напряжение, l – расстояние между фотокатодом и экраном.

Рис.2. Траектория движения электрона

Ускоряющее напряжение , где Ē – напряженность электрического поля, а траектория движения электрона описывается формулой:

Если v 0 = 0, то и время пролета электрона:

В электронно-оптическом преобразователе с электростатической фокусирующей системой электронные пучки фокусируются электрическим полем, создаваемым электронной линзой. Электронная линза состоит из двух металлических электродов.

Так как напряженность электрического поля возрастает от катода к экрану постепенно, плавно, а экран отнесен на большое расстояние от фотокатода, то становится возможным применение больших ускоряющих напряжений без опасности возникновения автоэлектронной эмиссии с катода или межэлектродных пробоев. Меняя соотношение размеров между фокусирующими электродами, можно изготовлять ЭОПы с увеличением и уменьшением изображения. При уменьшении изображения возрастает яркость свечения экрана и усиливается яркость изображения за счет увеличения потока плотности тока.

Разрешающая способность ЭОПов такого типа 40-60 штр/мм в центре поля зрения. В ЭОПах с плоским фотокатодом разрешающая сила сильно падает на краях катода вследствие кривизны эквипотенциальных линий вблизи поверхности катода. Для улучшения разрешающей силы по полю катод можно сделать не плоским, а выпуклым. Однако выпуклый катод нуждается в сложной специальной оптике, что в ряде случаев может представлять неудобства.

Для фокусировки электронного изображения могут применяться также магнитные линзы. Так как магнитное поле изменяет только направление движения электронов, а не их энергию, то в ЭОПе с магнитной линзой между фотокатодом и экраном располагается ускоряющий электрод, создающий ускоряющее электрическое поле. Дополнительное поле магнитной линзы фокусирует электронный пучок и участвует в формировании изображения на экране.

При магнитной фокусировке увеличиваются масса и габариты прибора с ЭОПом, а для линзы требуется дополнительный источник электрического питания. И хотя ЭОПы с магнитной фокусировкой дают возможность получать изображение с достаточно высоким разрешением по всему полю зрения, из-за указанных недостатков эти ЭОПы используются значительно реже, чем ЭОПы с электростатической фокусировкой.

Фотокатоды ЭОПов изготавливают путем напыления в вакууме нескольких слоев различных металлов на полупрозрачную металлическую (обычно серебряную) подложку. Слой серебра (подложки) напыляется на внутреннюю сторону входного окна колбы ЭОПа. На практике чаще используются слои, образуемые соединением сурьмы с цезием, окисленного серебра с цезием и сурьмы с калием, натрием и цезием.

Для изготовления экранов преобразователей применяют люминофоры из сульфида цинка, сульфид-селенида цинка или силиката цинка (виллемита). При попадании на люминофор электронов они вызывают в нем индуцированное излучение, и возникает свечение – так преобразуется энергия электронов в световую энергию. Цвет свечения зависит от типа люминофора. В ЭОПах для визуального наблюдения применяют люминофоры с желто-зеленым свечением. Для фотографирования с экрана удобнее люминофор с синим свечением, спектральная характеристика свечения которого лучше согласуется со спектральной чувствительностью фотопленки. Для повышения световой отдачи экрана внутреннюю поверхность его покрывают тонким слоем алюминия. Отдача экрана повышается вследствие отражения светового потока экрана от внутренней поверхности алюминиевого слоя, как от зеркала, в сторону наблюдателя.

Качество электронно-оптических преобразователей можно оценить по основным характеристикам.

Параметры и характеристики.

Интегральная чувствительность S характеризуется отношением фототока преобразователя к потоку излучения (чувствительность фотокатодов определяют по излучению лампы накаливания с цветовой температурой Т с =2854 К), попавшему на фотокатод:

где S выражается в мкА/лм.

Спектральная чувствительность S λ равна отношению величины фототока i λ к величине потока от источника монохроматического излучения Ф λ и определяет область спектра, в которой может работать данный ЭОП.

Иногда чувствительность ЭОПа характеризуют в единицах облученности. Освещенность на фотокатоде

где Е к выражается в лк; ρ – коэффициент отражения наблюдаемого объекта; τ – коэффициент пропускания оптической системы, используемой с ЭОПом; Е об – освещенность объекта; А – относительное отверстие (отношение диаметра входного зрачка системы к фокусному расстоянию).

Например, с помощью ЭОПа с чувствительностью 10 -3 лк можно наблюдать объекты на местности с освещенностью

если ρ = 0,1; τ = 0,5 и А = 1,1.

Коэффициент преобразования η – отношение потока, излучаемого экраном во внешнюю полусферу, к потоку излучения, попавшему на фотокатод:

где ξ υ – световая отдача экрана, представляющая собой отношение светового потока, излучаемого экраном, к мощности облучающего экран электронного потока (мощность электронного пучка, попадающего на экран равна Р эл = Ui ф = USФ к. Иногда светоотдачу выражают в кд/Вт, в этом случае ξ υ ´= ξ υ /π кд/Вт, так как световой поток, излучаемый экраном Ф э = πI э, где I э – сила света, излучаемая экраном), лм/Вт, ξ υ ´= Ф э /Р эл; U – ускоряющее напряжение, В.

Электронно-оптическое увеличение Г э характеризуется увеличением или сжатием линейных размеров изображения предмета на экране по сравнению с размерами изображения предмета на фотокатоде.

Коэффициент яркости η L – отношение яркости экрана к освещенности (облученности) фотокатода:

Яркость в числителе формулы введена потому, что глаз при наблюдении протяженных объектов реагирует на яркость изображения на экране.

Усиления яркости изображения на ЭОПе можно добиться уменьшением масштаба изображения, а также повышением коэффициента преобразования и увеличением светосилы объектива, используемого с ЭОПом.

Разрешающая способность N определяется по штриховым таблицам (мирам) как минимальное расстояние между штрихами, которое еще можно различить при наблюдении этой миры на экране ЭОПа. Выражается разрешающая способность числом штрихов, различаемых раздельно на участке в 1 мм (штр/мм).

Разрешающая способность ЭОПов ограничивается зернистостью люминофора и фотокатода, а также аберрациями изображения.

Яркость темнового фона L о характеризуется яркостью свечения экрана при отсутствии облученности фотокатода. Это свечение возникает вследствие термоэмиссии электронов с фотокатода и приводит к снижению контраста при наблюдении изображения.

Снижение контрастности изображения вследствие темнового фона характеризуется коэффициентом контрастности

Инерционность t и в основном определяется инерционностью экрана ЭОПа. Инерционность характеризуется длительностью возбуждения люминофора после появления электронного луча и длительностью послесвечения экрана после прекращения облучения. Продолжительность процессов возбуждения и послесвечения зависит от типа люминофора и может быть от нескольких микросекунд до нескольких часов.

Для увеличения чувствительности ЭОПов можно использовать такое последовательное соединение двух или нескольких ЭОПов, чтобы поток, излучаемый экраном первого попадал на фотокатод второго и т.д., в этом случае второй с последующие преобразователи служат для усиления яркости изображения. Коэффициент преобразования такой системы может достигать десятков и сотен тысяч, что позволяет вести наблюдение при очень низких уровнях освещенности. Электронно-оптические приборы, состоящие из нескольких последовательно соединенных ЭОПов, получили название каскадных или многокамерных, электронно-оптических преобразователей.

На протяжении всей истории своего развития, человек стремился стать совершеннее. Не имея крыльев, он построил крылатые машины, и стал летать как птица. Он изобрел акваланг и научился плавать и погружаться в пучины океана, как рыба. Извечной мечтой человека оставалось видеть в темноте, как кошка.

Но осуществление этой мечты стало одной из наиболее трудных задач, так как потребовало серьезной научной подготовки и значительной технико-экономической базы. Предпосылкой для создания приборов ночного видения стало открытие в 19 веке инфракрасного (теплового) излучения. Однако, устройство, способное "видеть" предметы не в оптическом (видимом), а в инфракрасном (тепловом) диапазоне спектра было создано лишь в 1934 г.

Этот момент принято считать началом эры ночного видения. Развитие приборов ночного видения можно разбить на ряд этапов, с которыми связано появление их определенных поколений. Каждое последующее поколение отличалось от предыдущего большей дальностью видения, лучшим качеством изображения, снижением массы и габаритов, увеличением времени работы, повышением стойкости к воздействию световых помех и целым рядом других преимуществ.

Главным признаком, по которому различаются поколения приборов ночного видения (ПНВ), является их основной элемент – электронно-оптический преобразователь (ЭОП), предназначенный для преобразования невидимого глазом инфракрасного изображения в видимое и усиления его по яркости.

0 поколение “Стакан Холста”

Первый работоспособный электронно-оптический преобразователь (ЭОП) был разработан Холстом с соавторами в исследовательском центре фирмы “Филипс” (Голландия) в 1934 году. Он остался известен как “стакан Холста”. Его схема, иллюстрирующая принцип действия, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Принцип действия “стакана Холста”

Этот ЭОП представлял собой два вложенных друг в друга стакана, на плоское дно которых и наносились фотокатод и люминофор. Приложенное к ним высоковольтное напряжение, создавало электростатическое поле, обеспечивающее прямой перенос электронного изображения с фотокатода на экран с люминофором.

В качестве фоточувствительного слоя в “стакане Холста” использовался серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод (или S-1), имевший довольно низкую чувствительность, хотя и работоспособный в диапазоне до 1,1 мкм. К тому же, этот фотокатод обладал высоким уровнем шумов, для устранения которых требовалось охлаждение до минус 40 оС.

Эти недостатки позволяли использовать ЭОП только в активном режиме, то есть с подсветкой наблюдаемого изображения инфракрасным (ИК) прожектором.

Появление первых ЭОП в условиях предвоенной обстановки вызвало значительный интерес. “Стакан Холста” был доработан до уровня серийного производства фирмой EMI (Англия), и с 1942 по 1945 год их было выпущено несколько тысяч штук. (рис.2).

Рис. 2. Первые серийные образцы “стакана Холста”.

Из-за недостатков первых ЭОП приборы ночного видения (ПНВ) отличались большой массой и габаритами, а также невысоким качеством изображения.

Тем не менее, на основе первых ЭОП было создано большое число приборов ночного видения: ночных прицелов, ночных биноклей, систем ночного вождения автотранспорта. В канун второй мировой войны в Германии появились ночные прицелы (бильдвандлер) (рис.3), которые давали возможность вести стрельбу по цели ночью на расстоянии 50-70 м.

Рис. 3 Немецкий электронно-оптический прицел (бильдвандлер), (1942 г.).

Весьма успешно Германия применяла ПНВ для обеспечения действий своих танков и боевых машин. В результате Советская армия понесла серьезные потери в боях в районе венгерского озера Балатон. Чтобы уравнять шансы и лишить противника возникшего преимущества, советское командование вынуждено было подсветить зенитными прожекторами поле боя при форсировании реки Одер.

Именно желание «засветить» ночные прицелы противника, а не пресловутая «психическая» атака была истинной причиной применения зенитных прожекторов в ночном танковом бою.

Последующее развитие приборов ночного видения привело к открытию “мультищелочного фотокатода” (S-20), состоящего из арсенидов натрия и калия, активированных цезием. Такой фотокатод уже 40 лет служит основой большинства ЭОП практически всех типов.

Сегодня ЭОП нулевого поколения сняты с производства во всем мире и заменены более эффективными, но и более дорогими преобразователями последующих поколений. Только в России и некоторых странах СНГ еще можно купить ПНВ 0-го поколения. Их стоимость обычно составляет $100-200. Слабые характеристики позволяют рассматривать такие приборы только как сувениры или игрушки. Тем не менее, они нашли свою нишу на рынке, определив нижний ценовой диапазон ПНВ.

I поколение

Данные ЭОП имеют стеклянную вакуумную колбу с чувствительностью фотокатода 120-250 мкА/лм. Усиление света у них составляет 120-1000, разрешение в центре 25-35 штрих/мм.

Отличительная особенность данного типа ЭОП состоит в том, что четкое изображение наблюдается только в центре, с искажением и меньшим разрешением по краям. Кроме этого, если в поле зрения попадают яркие источники света, например, фонари, светящиеся окна домов и т.п., происходит засветка всего изображения, что мешает наблюдению.

Из-за низкого усиления однокаскадные приборы I-го поколения очень критичны к светосиле оптики и параметрам ЭОП. При наличии? луны на небе, эти приборы еще кое-как работают. При более низкой освещенности необходима дополнительная инфракрасная (ИК) подсветка. Для увеличения коэффициента усиления ЭОП иногда последовательно стыкуют два, три или более изделий, собирая конструктивно их в один корпус (рис.4).

Рис. 4. Конструкция трехкаскадного ЭОП с электростатической фокусировкой электронов.

Коэффициент усиления света трехкаскадного ЭОП составляет 20 000-50 000. Однако при стыковке сильно растут искажения, и падает разрешение по краям поля изображения. Приборы, построенные на основе многокаскадных ЭОП, получаются очень громоздкими и тяжелыми, поэтому в последнее время их практически вытеснили малогабаритные приборы I + и II-го поколения, имеющие лучшие характеристики и близкую стоимость. Приборы, созданные на основе однокаскадного ЭОП I-го поколения, еще можно встретить в магазинах по цене $ 300-400.

I+ поколение

Развитие волоконной оптики в США в 60-е годы позволило усовершенствовать ЭОП I-го поколения. В этих приборах на входе (иногда на выходе) вместо плоского стекла стали устанавливать волоконно-оптическую пластину (ВОП), внутренняя сторона которой имела форму сферы. ВОП представляет собой множество микроскопических стеклянных световодов, способных передавать изображение с большой четкостью.

Это изобретение позволило увеличить разрешение по краям поля зрения и уменьшить дисторсию (искажение формы), а также защитило изображение от засветок боковыми точечными источниками света, что позволило работать этим приборам в городских условиях. При изготовлении этих ЭОП стал использоваться чувствительный фотокатод S-25.

Коэффициент усиления яркости у таких ЭОП составляет 1000, а разрешение в центре не хуже 45 штрих./мм. Приборы поколения I +, отличаются от приборов первого поколения большей четкостью картинки, и большей дальностью действия в пассивном и активном режиме и работают при уровнях освещенности, соответствующих 1/4 луны на небе. Приборы, созданные на основе ЭОП поколения I +, продаются по ценам $ 600-800.

II поколение

В 70-е годы на основе технологии волоконной оптики, фирмами США был разработан вторично-эмиссионный усилитель в виде микроканальной пластины (МКП). МКП представляет собой тонкую пластинку с наклонными микроканалами, число которых более 1млн, а диаметр 10-12 мкм. Обе поверхности МКП полируются и металлизируются, между ними прикладывается напряжение в несколько сотен вольт.

Принцип действия МКП изображен на рис. 5. Электрон, выбитый с катода ЭОП, разгоняется в разгонной камере, затем попадает в канал МКП и ударяясь о ее наклонную стенку, выбивает вторичные электроны. В приложенном электрическом поле этот процесс многократно повторяется, позволяя получить коэффициент усиления в десятки тысяч раз.

Рис. 5. Принцип действия вторично-эмиссионного усилителя в виде микроканальной пластины.

Из-за наличия разгонной камеры, ЭОП II-го поколения имеет большой коэффициент усиления яркости, но при этом и большую длину.

Характеристики: усиление света 25 000-50 000, минимальная чувствительность фотокатода 240 мкА/лм, разрешение в центре поля 32-38 штр/мм. Ресурс 1000-3000 часов. Приборы, созданные на основе ЭОП поколения I +, продаются по ценам $ 1000-1500.

II+ поколение

Отличительной особенностью этих приборов, от приборов II-го поколения, является отсутствие разгонной камеры. Поэтому электрон, выбитый с катода ЭОП, попадает непосредственно на МКП, а затем на люминофорный экран.

Из-за отсутствия разгонной камеры, ЭОП поколения II + имеет меньший коэффициент усиления яркости, чем ЭОП поколения II. Но он обладает повышенной более чем в 2 раза чувствительностью фотокатода и высокой чувствительностью в инфракрасном диапазоне. Кроме того, отсутствие разгонной камеры, позволяет получить более четкую картинку. В результате, приборы поколения II +, работают на открытой местности лучше, чем приборы II поколения.

Из-за отсутствия разгонной камеры, ЭОП поколения II+ называется планарным (плоским). Приборы поколения II + имеют автоматическую регулировку яркости, защиту от засветок точечными источниками света и хорошее качество изображения по всему полю экрана. Коэффициент усиления яркости у таких ЭОП до 35000, но чувствительность фотокатода достигает величины 600 мкА/лм и смещена в большую ИК-область, разрешение 40-45 штр/мм. Ресурс 2000-5000 часов.

Эти приборы относятся к классу профессиональной техники и в настоящее время находятся на вооружении армий большинства западных стран, так как работают при очень низких уровнях освещенности, соответствующих звездному небу и звездному небу в легких облаках. Приборы, созданные на основе ЭОП поколения II +, продаются по ценам $ 2200-5000.

III поколение

На выставке вооружений в 1982 году был представлен ЭОП, принципиально отличающийся от своих предшественников высокоэффективным полупроводниковым фотокатодом на основе арсенида галлия, с ещё большим смещением пика чувствительности в инфракрасную область. По совокупности параметров, новый ЭОП на основе AsGa фотокатода был отнесен к следующему, III-му поколению.

Однако производство оказалось достаточно сложным и состояло из более 400 технологических операций. Из-за быстрого окисления поверхности фотокатода на воздухе, сборка проводилась с помощью манипуляторов, в вакууме, порядка 10-10 – 10-11 мм рт. ст. Все это определило чрезвычайно высокую стоимость этих преобразователей.

Сегодня ЭОП III-го поколения выпускают всего три производителя в мире - один российский и два американских - фирмы ITT и LITTON. Чувствительность ЭОП III-го поколения российского производства составляет 1200 мкА/лм, при весьма слабой разрешающей способности - 45 штр/мм, американские ЭОП III-го поколения имеют чувствительность до 2700 мкА/лм, разрешающую способность до 75 штр/мм и ресурс до 15 000 часов, что в 3 раза выше, чем у российских ЭОП.

Высокая чувствительность ЭОП III-го поколения позволяет приборам на их основе видеть при освещенности 5х10-4 лк, что соответствует звездному небу в облаках.

ЭОП III-го поколения является ключевой военной технологией. Их применение создает армии и авиации огромное преимущество над потенциальным противником в боевых действиях в ночное время.

Распространение такой высокотехнологичной продукции контролируется всеми без исключения государствами, которые путем пономерного учета выпускаемых ЭОП, препятствуют попаданию подобных изделий в гражданский оборот.

Поэтому, если какая-либо отечественная или иностранная фирма, пусть даже за очень большие деньги, предлагает обыкновенному покупателю приобрести ночной прицел, или очки, оснащенные ЭОП III-го поколения и не требует при этом предоставить сертификат конечного пользователя (обязательный при такой процедуре), то покупателю стоит всерьез задуматься над тем, ЭОП какого поколения на самом деле будет установлен в такое изделие, и за что он заплатит свои деньги.

Необходимо также учитывать, что приборы на основе ЭОП III-го поколения боятся засветки боковыми источниками света, так как не имеют в своей конструкции волоконно-оптической пластины (ВОП). В связи с этим, не рекомендуется приобретать приборы III-го поколения, если угодья, где происходит охота, граничат пусть даже с далекой автомобильной трассой, либо на горизонте есть огни дачного поселка или города.

Стоимость приборов на основе ЭОП III-го поколения составляет от $ 5000-10000.

поколение SUPER II+ и SUPER II++ (по западной классификации Super Gen II+)

В связи с высокой стоимостью ЭОП III-го поколения, сравнимой с ценой отечественного легкового автомобиля, было принято решение разработать ЭОП, полностью аналогичный конструкции ЭОП III-го поколения, (включая оптические и электрические параметры), но с хорошо освоенным и более дешевым мультищелочным фотокатодом.

Разработка ЭОП нового поколения проводилась с учетом технологических достижений, применявшихся при производстве ЭОП всех поколений, в результате чего был создан мультищелочной фотокатод сверхминиатюрной конструкции с особо высокой чувствительностью в инфракрасной области (S-25R). На базе таких фотокатодов были выпущены ЭОП поколений SUPER II+ и SUPER II++.

Созданный мультищелочной фотокатод оказался более стойким соединением по сравнению с AsGa фотокатодами III-го поколения и практически не деградировал под действием положительных ионов, возникающих в каналах микроканальной пластины (МКП) и бомбардирующих фотокатод. Это позволило отказаться от нанесения на вход МКП защитной ионно-барьерной пленки, применяемой в ЭОП III-го поколения.

В результате, эффективность работы ЭОП повысилась на 30-50 %, а значение фактора шума было снижено до 1,5, в то время как для ЭОП III-го поколения эта величина составляет 3,0-3,5.

Интегральная чувствительность повысилась до 500-650 мкА/лм (в стандартных ЭОП поколений II и II+ это значение не превышает 280-350 мкА/лм).

Кроме того, в конструкции были применены микроканальные пластины с большим количеством каналов, что повысило разрешающую способность ЭОП поколения SUPER II+ до 50-55 штр/мм, а ЭОП поколения SUPER II++ до 60-75 штр/мм, при частотно- контрастной характеристике, не уступающей ЭОП III-го поколения.

Наибольшего успеха в разработке ЭОП поколения SUPER II++ достигла компания DEP-photonis (Голландия). Поэтому некоторые достаточно известные, но не очень порядочные производители ПНВ (особенно российские) запросто обманывают своих покупателей, выдавая ЭОПы поколения SUPER II++, производимые этой компанией, за ЭОПы III-го поколения.

Следует отметить, что компания DEP никогда не производила и не производит ЭОП третьего поколения. Такие названия, как SuperGen, XD-4, XR-5, на самом деле являются торговыми марками модификаций ЭОП поколения SUPER II++. Эти ЭОПы отличаются низкими шумами, высокой разрешающей способностью – до 75 штр/мм (XR-5) и высокой чувствительностью фотокатода – до 600-700 мкА/Лм, что приближает их к ЭОП 3-го поколения.

Вышеуказанный рост параметров обеспечил приборам с ЭОП поколения SUPER II++ практически те же дальности действия, что и с ЭОП III-го поколения (Таблица 1). Таким образом, ЭОП новейшего поколения SUPER II++ из "временно замещающего" превратился в самостоятельную и более дешевую альтернативу ЭОП III-го поколения.

Сегодня производители ЭОП III-го поколения признают, что не существует принципиальных различий в эффективности между ПНВ с ЭОП поколений Super II++ и III.

Несмотря на довольно выдающиеся параметры, приборы, созданные на основе ЭОП поколения SUPER II++, продаются по ценам, всего на 10-15% выше, чем приборы поколения II+

Приборы ночного видения с ЭОП, вы можете увидеть в разделах: , и .