CC BY
22
УДК 540.344
DOI: 10.33764/2618-981X-2020-6-1-167-172
АНАЛИЗ УСТАНОВОК ПО КОНТРОЛЮ ОТНОШЕНИЯ «СИГНАЛ - ШУМ» ВАКУУМНОГО БЛОКА ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Олег Александрович Квитовский
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры фотоники и приборостроения, тел. (999)464-57-81, e-mail: kvitovskij.O.A@yandex.ru
Дмитрий Михайлович Никулин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры фотоники и приборостроения, тел. (923)240-44-45, e-mail: dimflint@mail.ru
В статье рассмотрены и проведено сравнение различных установок по измерению отношения сигнал-шум электронно-оптического преобразователя. Проанализированы преимущества и недостатки, описанные в ГОСТ 21815.19-90 конструкций установок по контролю отношения сигнал-шум. Обозначены перспективы совершенствования метода измерения отношения сигнал-шум электронно-оптического преобразователя.
Ключевые слова: электронно-оптический преобразователь, отношение сигнал-шум.
ANALYSIS OF INSTALLATIONS TO CONTROL
THE OF RATION SIGNAL-TO-NOISE
OF VACUUM UNIT ELECTRO-OPTICAL CONVERTER
Oleg A. Kvitovskiy
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Graduate, Department of Photonics and Device Engineering, phone: (999)464-57-81, e-mail: kvitovskij.O.A@yandex.ru
Dmitry M. Nikulin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Photonics and Device Engineering, phone: (923)240-44-45, e-mail: dimflint@mail.ru
The article considers and compares different installations to measure the signal-to-noise ratio of the electron-optical converter. Advantages and disadvantages described in State Standard 21815.19-90 of the installations design for signal-to-noise ratio control are analysed. Prospects for improving the method of measuring the signal-to-noise ratio of the electron-optical converter are outlined.
Key words: electron-optical converter, signal-to-noise ratio.
Введение
В реалиях современного рынка возрастают требования к качеству электронно-оптических преобразователей [1-3]. Связано это с конкуренцией и появ-
лением более современных моделей инфракрасной техники и электронной оптики, обладающих высокими техническими характеристиками [4-7]. Это требует от производителей электронно-оптических преобразователей (ЭОП), использующихся в приборах ночного видения (ПНВ), повышать их технические характеристики, в том числе и для приборов низкого ценового сегмента.
Повышение требований потребителей к качеству ПНВ, обязывает производителей к использованию большого количества оборудования, обеспечивающего контроль всех технических характеристик ЭОП на каждом этапе его производства. Это также необходимо и для своевременного внедрения корректирующих действий для исключения издержек на производстве.
В рамках данной статьи рассматриваются методы контроля отношения сигнал-шум в ЭОП согласно ГОСТ 21815.19-90 «Преобразователи электронно-оптические. Методы измерения отношения сигнал-шум».
Отношение сигнал-шум ЭОП - приведенное ко входу отношение средней яркости на выходе ЭОП к среднему квадратическому значению отклонения яркости на выходе от среднего значения, измеренного при заданных освещенности на входе и полосе частот [8].
Сравнение методов
В ГОСТ 21815.19-90 описаны два метода измерения отношения сигнал-шум, отличающиеся, в первую очередь, расположением анализирующей диафрагмы [9].
Первый метод предполагает расположение анализирующей диафрагмы после ЭОП и перед приемным устройством. Схема такой установки представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема установки по первому методу измерения:
1 - источник света; 2 - непрозрачный диск; 3 - держатель; 4 - ЭОП; 5 - блок переноса изображения; 6 - зеркало; 7 - анализирующая диафрагма; 8 - фотоприемное устройство; 9 - измерительный блок; 10 - фильтр нижних частот; 11 - интегратор; 12 - измерительный прибор; 13 - вспомогательный источник света
Второй метод измерений подразумевает установку анализирующей диафрагмы перед ЭОП. Схема такой установки приведена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема установки по второму методу измерения:
I - источник света; 2 - анализирующая диафрагма; 3 - держатель; 4 - ЭОП; 5 - блок переноса изображения; 6 - зеркало; 7 - ограничивающая диафрагма; 8 - фотоприемное устройство; 9 - измерительный блок; 10 - фильтр нижних частот;
II - интегратор; 12 - измерительный прибор; 13 - вспомогательный источник света
Помимо отличия в расположении диафрагм, также существуют особенности, которые требуется учитывать при измерении отношения сигнал-шум.
В первом методе измерения диаметр анализирующей диафрагмы, приведенный ко входу ЭОП (ёа пр), вычисляют по формуле:
ё
Л =-2—, (7)
апр р т^ V /
Г э ' Г бп
где ёа - диаметр калиброванного отверстия анализирующей диафрагмы, мм; Гэ - электронно-оптическое увеличение ЭОП, крат; Гб п - увеличение блока переноса изображения, крат.
Согласно [9], диаметр анализирующей диафрагмы, приведенной ко входу ЭОП не должен быть более 0,25 мм, а из формулы (1) видно, что её размер зависит, как и от характеристики самого ЭОП, так и вспомогательных устройств, входящих в схему измерительной установки. С учетом того, что ее площадь входит в расчет отношения сигнал-шум формула (2), требуется не только выдержать ограничения по размеру, предъявляемые [9], но и точно измерить ее диаметр. Отношение сигнал-шум, приведённое к площадке на входе ЭОП с диаметром 0.2 мм и к освещенности 10-4 лк, рассчитывается по формуле:
кШ и - Цт) -10-2 10-4 (2)
Ф =-12 2 \—л---1Г, (2)
К * и2 - и V А Е
ШС и Ша
где ф - отношение сигнал-шум;
КШ - коэффициент усиления измерительного блока при измерении «шума»;
иС - среднее значение «сигнала» с фотоприемного устройства при освещенном входе ЭОП, В;
ит - среднее значение «сигнала» с фотоприемного устройства при затемненном непрозрачным диском входе ЭОП, В;
КС - коэффициент усиления измерительного блока при измерении «сигнала»;
иШС - среднее значение «шума» при освещенном входе ЭОП, В;
и Ша — среднее значение аппаратурного «шума» при выключенном ЭОП, В;
А — площадь калиброванного отверстия анализирующей диафрагмы, приведенная ко входу ЭОП, мм2;
Е — освещенность, установленная на входе ЭОП, лк.
Во втором методе измерения отношения сигнал-шум в схеме установки требуется учитывать не только диаметр анализирующей диафрагмы, приведенной ко входу ЭОП (й& пр), но и расстояния: от входа ЭОП до анализирующей диафрагмы 1д и от источника света до анализирующей диафрагмы Ьд (рис. 2). Расстояние между анализирующей диафрагмой и входом в ЭОП определяется его конструкцией и глубиной посадки фотокатода. Расстояние, на котором должен находиться осветитель, определяется по формуле:
Ь > (а + аН ))Д _ 100 % , (3)
Д &
где ЬД - расстояние между анализирующей диафрагмой и источником света, мм;
)Д - расстояние между отверстием анализирующей диафрагмы и входом ЭОП, мм;
da - диаметр калиброванного отверстия анализирующей диафрагмы, мм;
аН - максимальный размер тела накала лампы или апертурного отверстия источника света, мм;
^ - допуск на размер теневого изображения калиброванного отверстия.
Несмотря на конструктивные отличия методов, алгоритм измерения отношения сигнал-шум не отличается от первого метода и рассчитывается по одной и той же формуле (2).
При соблюдении требований стандарта разные методы измерения отношения сигнал-шум, дают разные погрешности измерения, представленные в таблице.
Относительная погрешность измерения отношения сигнал-шум в зависимости от принципа измерения и типа ЭОП.
Тип ЭОП Максимальная относительная погрешность измерения отношения сигнал-шум, %
первый метод контроля второй метод контроля
Однокамерные ±11 ±18
Двухкамерный ±12 ±20
Трёхкамерный ±14 ±22
С микроканальной пластиной (МКП) ±20 ±32
Заключение
На основании проведенного анализа установок по контролю отношения сигнал-шум, приведенных в [9], можно сделать следующие выводы:
1. Установка по первому методу с анализирующей диафрагмой, устанавливаемой после ЭОП, имеет меньшие габаритные размеры.
2. Установка по первому методу с анализирующей диафрагмой, устанавливаемой после ЭОП, проста в использовании, так как требуется учитывать только диаметр анализирующей диафрагмы в конструкции установки для возможности контролировать различные типы ЭОП.
3. Погрешность измеренного отношения сигнал-шум на установке по первому методу с анализирующей диафрагмой, устанавливаемой после ЭОП, меньше для всех типов ЭОП (табл. 1).
4. Для современных ЭОП с МКП погрешности измерения отношения сигнал-шум для обоих методов являются довольно грубыми: ±20 % и ±32 % соответственно (табл. 1). За 30 лет существования ГОСТ 21815.19-90 появились революционные технические возможности для более точных измерений оптических характеристик ЭОП, например с использованием ПЗС-матрицы и программного обеспечения [10].
БИЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. АО «Катод» каталог электронно-оптических преобразователей [Электронный ресурс]. - URL: http://katodnv.com/ru/catalog/electronno-optical-converters/, (дата обращения: 2.04.2020).
2. АО «Экран-оптические системы» каталог электронно-оптических преобразователей 2+ поколения [Электронный ресурс]. - URL: http://ekran-os.ru/ru/products?id=37#s, (дата обращения: 2.04.2020).
3. Photonis Military Image Intensifier Tubes [Электронный ресурс]. - URL: https://www.photonis.com/products/night-vision-solutions/military-image-intensifier-tubes (дата обращения: 2.04.2020).
4. Государственный научный центр Российской Федерации АО «НПО «Орион» продукция [Электронный ресурс]. - URL: http://orion-ir.ru/production/opticheskie-pribory/ (дата обращения: 2.04.2020).
5. Войцеховский А.В., Кульчицкий Н.А., Мельников А.А., Несмелов С.Н., Неохлаждаемые микроболометры на основе поликристаллического SiGe для инфракрасного диапазона - Материалы Международной научно-технической конференции, 2 - 6 декабря -2013 г - С. 212-221.
6. Кульчицкий Н.А., Наумов А.В., Старцев В.В., Рынок неохлаждаемых микроболометров для ИК-камер: тенденции и перспективы - ЭЛЕКТРОНИКА: НАУКА, ТЕХНОЛОГИЯ, БИЗНЕС - РИЦ Техносфера - 2019 - №1 - С. 156-164
7. Пономаренко В. П., Филачев А. М. Инфракрасная техника и электронная оптика. Становление научных направлений. 1946-2016 - М.: Физматкнига - 2016 — 417 с.
8. ГОСТ 19803-86 Преобразователи электронно-оптические. Термины, определения и буквенные обозначения.
9. ГОСТ 21815.19-90 Преобразователи электронно-оптические. Методы измерения отношения сигнал-шум. - Государственные стандарт СССР - Введ. 22.04.1991 - Издательство стандартов, 1991. - 16 с.
10. Никулин Д.М., Райхерт В.А., Звягинцева П.А. Метод измерения коэффициента неравномерности яркости поля зрения электронно-оптического преобразователя. -Перспективы науки - №10 - 2019 - С.114-117
© О. А. Квитовский, Д. М. Никулин, 2020
