Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 30 )

Рис. 5.12. Схема работы одного пиксела двухцветного фотодиодного МПИ с

одновременным (а) и последовательным (б) считыванием сигнала

На базе тройных соединений HgCdTe и PbSnTe, а также структур с квантовыми ямами созданы как двух-, трех - и даже четырехдиапазонные приемники [17,18].

5.8. Электронно-оптические преобразователи

Электровакуумное устройство, работающее на основе внешнего фотоэффекта и преобразующее изображение, создаваемое на фотокатоде рентгеновскими, видимыми, ультрафиолетовыми или инфракрасными лучами в промежуточное электронное, а затем в видимое изображение на флюоресцирующем экране, называют электронно-оптическим преобразователем.

На рис. 5.13. представлена функциональная схема ОЭП с ЭОП так называемого «нулевого» поколения, где 1 – объектив, строящий инфракрасное изображение пространства объектов на фотокатоде 2, нанесенном на внутреннюю поверхность вакуумированной стеклянной колбы 3; 4 – система формирования электронного изображения (фокусирующая и ускоряющая система); 5 – люминесцентный экран; 6 – окуляр; 7 – глаз или какое-либо устройство для регистрации видимого изображения (телевизионная камера, ПЗС-матрица, фотопленка и т. п.).

Рис. 5.13. Функциональная схема ОЭП с ЭОП «нулевого» поколения

Конструкция блока питания ЭОП обычно состоит из двух частей: низковольтного источника («внешнего») и преобразователя низкого напряжения в высокое, необходимое для создания большой разности потенциалов (кВ и десятки кВ) между анодом и фотокатодом, а также между электродами фокусирующей и ускоряющей системы и фотокатодом («внутренний» источник питания). Потребляемый при этом ток очень мал.

Многие параметры ЭОП определяются через параметры основных узлов ЭОП – фотокатода, фокусирующей и отклоняющей системы, экрана – анода. На рис.5.14 приведены спектральные характеристики наиболее употребляемых в ЭОП фотокатодов.

Рис.5.14. Спектральные характеристики фотокатодов ЭОП

Важными параметрами и характеристиками фотокатодов являются также: интегральная и спектральная чувствительности, которые часто в литературе и каталогах приводятся по отношению к световому потоку, (например, в мкА/лм) и поэтому для ИК - диапазона спектра должны быть пересчитаны по известным методикам (см. §5.4) к потоку излучения (например, в мкА/Вт); плотность темнового тока при рабочей температуре фотокатода; линейность характеристики фотокатода (энергетической); пороговая чувствительность или облученность фотокатода; размер (рабочий диаметр) фотокатода и ряд других.

К числу важнейших параметров люминесцирующих экранов-анодов современных ЭОП относятся: спектральная характеристика излучения экрана; интегральная яркость свечения экрана (максимальная, минимальная, в режиме автоматической регулировки яркости экрана); светоотдача, т. е. отношение энергии, излучаемой единицей площади экрана, к мощности облучающих ее электронов; разрешающая способность или пространственно-частотная характеристика; размер экрана; инерционность или время послесвечения люминофора; яркость темнового фона, т. е. яркость экрана в отсутствие облучения фотокатода, но при наличии номинального рабочего питающего ЭОП напряжения (напряжения между экраном-анодом и фотокатодом).

Для визуального наблюдения обычно выбирают люминофоры, создающие желто-зеленое свечение. Это люминофоры на базе соединений ZnS и ZnSe, ZnS и CdS, легированных медью и серебром.

Большинство перечисленных параметров и характеристик используется для описания ЭОП в целом или определяет важнейшие специфические параметры и характеристики всего ОЭП. К их числу обычно относят:

- коэффициент преобразования потока излучения (h) – отношение светового потока, излучаемого экраном, к потоку излучения, пришедшему на фотокатод;

- коэффициент яркости ЭОП (hL) – отношение энергетической яркости экрана, оцененной заданным приемником при заданных условиях облученности фотокатода, и энергетической яркости идеальной диффузно отражающей пластины, оцененной тем же приемником при таких же условиях облучения;

- яркость темнового фона ЭОП – яркость свечения экрана ЭОП при отсутствии облучения фотокатода;

- размеры рабочих полей (поверхностей) фотокатода и экрана ЭОП;

- электронно-оптическое увеличение ЭОП (Гэ), равное отношению размера изображения объекта на экране ЭОП к размеру соответствующего ему изображения на фотокатоде;

- динамический диапазон облученности, в котором работает ОЭП;

- увод, поворот и эксцентриситет изображения, характеризующие несовпадение систем координат изображений на фотокатоде и экране ОЭП;

- общее увеличение, которое обычно определяется как Г= Гэ (f’об/f’ок), где f’об и f’ок – фокусные расстояния объектива и окуляра прибора, соответственно;

- коэффициенты передачи контраста и пространственная частотно-контрастная характеристики ЭОП;

- разрешающая способность (предел разрешения) ЭОП и ОЭП в целом или пространственно-частотные характеристики ЭОП и ОЭП;

- напряжение питания и потребляемый ток ЭОП;

- габаритные размеры и масса;

- минимальное время наработки;

- тип контактов и ряд других параметров и характеристик конструкции ЭОП и ОЭП.

Преобразователи нулевого поколения инверторного типа, т. е. с оборачиванием изображения, имели плоские входные и выходные окна вакуумированного корпуса и обладали неравномерной разрешающей способностью по полю. Их коэффициенты преобразования достигали 1000 крат.

Основным недостатком этих ЭОП является неравномерное разрешение по полю изображений, которое заметно снижается от центра к краю. Способом улучшения равномерности разрешающей способности является размещение на входе и (или) на выходе ЭОП волоконно-оптических элементов (ВОЭ) – плоско-вогнутых волоконно-оптических пластин. Такие приборы называют ЭОП первого поколения.

Для увеличения коэффициента преобразования ЭОП может состоять из нескольких каскадов (модулей). В качестве примера на рис. 5.15 показано устройство трехкаскадного ЭОП первого поколения.

 

Рис. 5.15. Устройство трехкаскадного ЭОП

Входное ИК изображение строится объективом на передней поверхности ВОЭ – 1 и передается на фотокатод 2 первого каскада I. Испускаемые за счет фотоэмиссии электроны ускоряются и фокусируются с помощью электронно-оптической системы 3 на люминесцентном экране 4. Полученное таким образом в каскаде I изображение передается через однотипные каскады II и III с большим усилением по яркости на выходной экран 5 (экран третьего каскада) и выходной ВОЭ 6. Напряжения, подаваемые на электронно-оптические ускоряющие системы и экраны-аноды, увеличиваются от каскада к каскаду, достигая нескольких десятков киловольт.

В следующем поколении ЭОП для увеличения коэффициентов преобразования и яркости применяется микроканальный усилитель вторичной эмиссии - микроканальная пластина (МКП), состоящая из отдельных полых капилляров, внутренние поверхности которых покрыты фотоэмиссионным слоем. Диаметры капилляров современных МКП составляют 5…6 мкм при периодах укладки отдельных элементов 6,5…7,5 мкм. Для того, чтобы эмиттируемые из фотокатода электроны не пролетали насквозь в отверстия капилляров МКП без соударения со стенками, на которые нанесен фотоэмиссионный слой, оптические оси капилляров расположены под некоторым углом a относительно нормали к торцевой поверхности МКП. Очень важно, что использование МКП исключает дисторсию изображения. Поэтому разрешение современных ЭОП достигает 64 лин/мм и более.

Расстояния между фотокатодом и МКП и между МКП и экраном должны выбираться как можно меньшими, так как это увеличивает разрешающую способность ЭОП. Применение МКП позволяет существенно уменьшить продольные габариты ЭОП. Это позволило создать первые малогабаритные ЭОП для нашлемных ПНВ, очков и биноклей ночного видения.

Поскольку фотокатоды ЭОП могут повреждаться при большой их облученности, многие ОЭП с ЭОП оснащаются системой автоматической регулировки яркости (АРЯ) и системой защиты от ярких источников облучения. Система АРЯ управляет напряжением, питающим МКП, а защита от ярких источников может осуществляться путем применения регулируемых диафрагм и заслонок (обтюраторов), а также отключением питания ЭОП.

В последнее десятилетие появились сведения о разработках фотокатодов из GaAs, легированного In, у которых длинноволновая граница чувствительности достигает 1,6…1,7 мкм. Это позволяет ОЭП работать при более высокой естественной ночной облученности, поскольку в диапазоне 1,4…1,8 мкм эта облученность в безлунную ночь на два порядка выше, чем в диапазоне 0,4…0,9 мкм. Кроме того, при переходе к диапазону 1,4…1,8 мкм уменьшается влияние атмосферного рассеяния (см. главу 3), а контрасты многих объектов на естественных фонах выше и более стабильны, чем в диапазоне 0,4…0,9 мкм, где работает большинство современных ЭОП

Начиная с 1970-х г. г. у нас в стране и за рубежом успешно разрабатывались конструкции гибридно-модульных преобразователей (ГМП). В таких устройствах модуль ЭОП с МКП преобразует инфракрасное изображение в видимое, а затем с помощью проекционного объектива или ВОЭ, состыкованного с экраном-анодом, это изображение поступает на ПЗС или матричный МПИ.

Достоинствами таких систем являются модульная конструкция, позволяющая заменять дефектные ЭОП или ПЗС, возможность изменять масштаб изображения в достаточно больших пределах (до 10 крат и более), возможность проецировать на ПЗС-матрицу с помощью переключающихся или дихроичных зеркал изображение не только ИК, но и дневного канала оптической системы. Такие ГМП могут работать при низких уровнях освещенности (до 10-5 лк), а их динамический диапазон в непрерывном режиме работы достигает 105. Поскольку ЭОП на входе ГМП ограничивает сверху динамический диапазон сигналов, увеличение этого диапазона (до 1011) возможно только при использовании импульсного режима (режима стробирования).