CC BY
109
УДК 621.383,8
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
© 2007 г. Е.Н. Козырев, И.Н. Гончаров, В.А. Маркина
Describing the most important factors, which determine quantity signal/noise of image intensifier tubes, the main elements of night vision devices. Among this factors: effeciensy of photocathode, microchannel plate, screen, optical system etc.
Тщательный анализ вопроса показывает, что в конечном итоге важнейшим фактором, определяющим качество электронного изображения ЭОП, является такой параметр, как отношение сигнал/шум изделия. Действительно, абсолютной мерой эффективности любой зрительной системы, и прибора ночного видения в частности, служит отношение информации, пропущенной этой системой, к информации, содержащейся в падающем на вход системы потоке света. Повышению актуальности данного фактора способствует и малая контрастность объектов наблюдения, а также стохастический характер процесса испускания фотонов.
Инверторный ЭОП с микроканальным усилением - сложная система (рисунок), поэтому его обобщенные шумовые характеристики складываются из многих составляющих. Среди них следует выделить эффективность фотокатода, люминесцентного экрана, электронно-оптической системы, микроканальной пластины (МКП) как вторично-электронного умножителя; достигнутый и поддерживаемый уровень вакуума в блоке изделия; совершенство оптики ПНВ.
Представляется, что конкурентоспособность ЭОП родственных поколений, выпускаемых различными предприятиями, определяется прежде всего эффективностью их фотокатодов. Чтобы флуктуации или уровень шума не превышали величину сигнала, который необходимо обнаружить, в первую очередь надо увеличить плотность падающих фотонов, а следовательно, и квантовый выход фотокатода. Расчеты показывают, что при попытке передать менее контрастное изображение, т.е. при переходе от черного пятна к серому, контраст которого по отношению к фону составляет 1 %, число фотонов (фотоэлектронов), требуемых для изображения одного пятна, должно увеличиться в 100 раз при условии случайного характера распределения фотонов. Статистические характеристики процесса фотоэмиссии могут быть описаны биномиальным распределением.
Способность создавать эффективные фотокатоды того или иного класса в наибольшей степени характеризует технологические возможности
каждого отдельного предприятия, выпускающего электронно-оптические преобразователи. Спектр используемых фотокатодов в настоящее время велик: от многощелочных в изделиях первого и второго поколений, интегральная ф2 и спектральная фкс-17 чувствительности которых достигают более 600 и 300 мкА/лм, до фотокатодов с отрицательным электронным сродством с ф^ >2000 мкА/лм. Очевидно, что ПНВ, построенные на ЭОП с различными фотокатодами, даже при отличающихся в разумных пределах прочих условиях и особенностях конструкции не могут конкурировать друг с другом по дальности видения и комфортности наблюдения.
Схема прибора ночного видения: 1 - объектив; 2 - фотокатод; 3 - фокусирующий электрод ЭОП; 4 - анод; 5 - микроканальная пластина; 6 - люминесцентный экран; 7 - окуляр; 8 -блок питания; 9 - вакуумный блок ЭОП; 10 - корпус ПНВ
Весьма значительно на параметр сигнал/шум ЭОП влияние микроканальной пластины. Общеизвестно, что основной источник шума в ЭОП 2; 2+ и 3-го поколений - МКП. Она обладает пока не очень высокой прозрачностью (до 65 %), значительным газосодержанием, вероятностным характером процессов вторично-электронного умножения, далеко не полной идентичностью геометрических и электрических характеристик отдельных каналов. Проблематичны вопросы сохраняемости данной продукции, а значит стабильности ее параметров.
Следует отметить, что различают структурный и временной шум МКП. Структурный, т.е. фактор усиления каналов, создает повышенный фон на экране ЭОП, который снижает предел разрешающей способности. С уменьшением входной освещенности возрастает роль временного шума: фотонного шума входного сигнала и внутренних шумов ЭОП. Отношение сигнал/шум на выходе МКП К2 связано с соответствующим параметром на входе пластины К1 следующим образом: К2 = К\/
где К\ - отношение сигнал/шум на входе МКП; К2 - отношение сигнал/шум на выходе МКП; Б -фактор шума МКП, Б = (\ + 52(М))/ю; ю - прозрачность входа; 52(М) - относительная дисперсия усиления МКП.
Величина 52(М) напрямую зависит от коэффициента вторичной эмиссии при первом соударении электронов со стенками каналов МКП, который у многих образцов при условии надлежащей энергетики фотоэлектронов достигает 4. Значение Б у современных микроканальных пластин таким образом составляет порядка 2,5.
Присутствие МКП в ЭОП обостряет проблему газосодержания в вакуумном блоке, что повышает актуальность еще одного фактора шума -ионной обратной связи. На электронном изображении ЭОП она проявляется обилием многоэлектронных сцинтилляций, также возможно появление светлого ионного пятна. Основным источником их возникновения являются остаточные газы в изделии (уровень вакуума в ЭОП должен составлять не менее 5-\0-5 Па). Существует несколько способов борьбы с положительными обратными ионами остаточных газов: предварительное обезгаживание МКП; интенсивная тренировка МКП в составе изделия в различных режимах окружающей температуры, освещенности фотокатода, электрического питания ЭОП; использование высокоэффективных газопоглотителей. Наконец применяются специальные электронно-оптические системы, предотвращающие бомбардировку фотокатода положительными ионами. Существует еще один способ нейтрализации обратной ионной связи - формирование барьерной алюминиевой пленки на входной поверхности МКП, однако в силу определенных причин он в настоящее время не применяется.
Эффективность выходной части ЭОП - люминесцентного экрана - также влияет на его параметр сигнал/шум. Работа по совершенствованию экранов в основном направлена на поиск новых составов и технологий приготовления люминофоров с повышенной светоотдачей, строгое соблюдение баланса при подборе величины
зерна люминофора, а также общей толщины слоя на подложке для обеспечения высоких значений разрешающей способности экрана наряду с максимальной светимостью.
Непосредственное влияние на фактор сигнал/шум ПНВ оказывает оптическая система прибора (объектив). Она предназначена для обеспечения заданного уровня сигнала в виде облученности на фотокатод, образования изображения требуемого качества, выделения полезного сигнала на фоне внешних помех. К основным параметрам и характеристикам оптических систем различных видов, которые важны для оценки возможности решать перечисленные задачи, относятся спектральный рабочий диапазон, спектральный и интегральный коэффициенты пропускания; геометрические параметры: угловое поле, диаметр входного зрачка, фокусное расстояние. Качество изображения определяют также функция рассеяния, описывающая распределение освещенности в изображении точечного объекта, разрешающая способность по критерию Рэлея и по числу Штреля и др.
Параметр сигнал/шум прибора ночного видения и ЭОП, в частности, как видно, - мультипликативный, зависит от совокупности многих факторов весьма сложных по своей природе составляющих. Так, известно выражение, моделирующее уровень сигнал/шум в ПНВ с ЭОП: ц =
А вх ДЩАфп Лfэ) I (Ьоб (X)- Ьф (Х))то(Х)Б (Х)ёХ, где
АЛ
ц - отношение сигнал/шум в приборе ночного видения; Авх - площадь входного зрачка ПНВ; то(Х) - спектральный коэффициент пропускания оптической системы; Афп - площадь чувствительного слоя фотоприемника; Б - удельная об-наружительная способность приемника; Л^ -угловое поле; Л£ - эффективная полоса пропускания шума; X - длина волны излучения; Ьоб -яркость наблюдаемого объекта; Ьф - яркость фона.
Очевидно, что каждое из предприятий (КБ), занимающихся разработкой и выпуском ЭОП (ПНВ), из всего спектра рассмотренных факторов выбирает приоритетные для оптимизации и повышения конкурентоспособности собственной продукции. Например для ФГУП «Гран» г. Владикавказа, имеющего давние традиции, связанные с выпуском инверторных ЭОП различных поколений, а также МКП, приоритетной, по нашему мнению, является задача освоения принципиально новых для данного предприятия фотокатодов с отрицательным электронным сродством на полупроводниковых подложках типа А111 В¥ Этот шаг позволит радикально поднять параметр сигнал/шум, который в настоящее время в лучших образах ЭОП 2-го поколения с многощелочным
фотокатодом, обладающим интегральной и спектральной чувствительностями, равными ф = 320 и фкс-\7 = \40 мкА/лм, не превышает \0 при входной освещенности \0-4лк. Освоение и использование нового фотокатода поднимет значение отношения сигнал/шум не менее чем в \,5 раза, что
гарантирует резкое повышение дальности видения ПНВ с такими ЭОП, а также комфортности наблюдений. Очевидно, что второй важнейшей задачей для предприятия, наряду с ЭОП выпускающего микроканальные пластины, является работа над их совершенствованием.
27 июля 2006 г.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт, г. Владикавказ
