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.

Основу электронно-оптической зрительной трубы составляет ЭОП. Электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) изображения называется электровакуумное устройство, преобразующее оптическое изображение одного спектрального состава (например, УФ, ИК) в промежуточное электронного изображение, а затем из электронного в видимое.

Электронно-оптические преобразователи (ЭОП) относятся к группе электровакуумных приборов с холодным фотоэлектронным катодом.

Электронно-оптические преобразователи (ЭОП) классифицируются по ряду признаков.

По характеру воздействия на поток излучения от объекта :

Спектральные преобразователи (активные ПНВ);

Усилители яркости (пассивные ПНВ).

По рабочей области спектра:

Для видимой области спектра;

Для ближней инфракрасной области;

Для ближней ультрафиолетовой области;

Преобразователи рентгеновских лучей.

По схеме построения (конструкции):

По числу камер или каскадов усиления;

Принципу фокусировки электронных пучков;

Методу усиления фотокатода.

Принцип действия электронно-оптических преобразователей, несмотря на большое разнообразие схем, и конструкций, основан на физических явлениях, возникающих при работе фотокатодов, систем электронной фокусировки и люминесцирующих экранов.

Простейший ЭОП представляет собой стеклянный цилиндрический сосуд, вакуумированный до давления 10 -3 ПА...10 -4 ПА на одной торцевой стороне которого расположен полупрозрачный фотокатод, а на другой флуоресцирующий экран (рис.6).

Рис. 6. - Схема устройства ЭОП

1 - колба; 2 - фотокатод; 3 - катодное кольцо;

4 – диафрагма; 5 – анодный цилиндр; 6 - экран

Между экраном и фотокатодом создается электростатическое поле с разностью потенциалов между ними в 10...30 кВ.

Высокое ваккумирование обеспечивает практически беспрепятственное движение электронов фотокатода к аноду (экрану).

Фотокатод.

В качестве фотокатодов в ЭОП применяют тонкие полупрозрачные слои полупроводников сложной структуры, обладающие свойством внешнего фотоэффекта при действии светового потока.

Полупрозрачные фотокатоды работают на "просвет" , когда световой поток проходит через стеклянное или кварцевое основание фотокатода и вызывает эмиссию электронов с внутренней поверхности фотокатода, обращенной к экрану (аноду).

Поэтому толщина полупрозрачных фотокатодов мала и составляет несколько сотен молекулярных слоев.

В ЭОП применяются фотокатоды трех типов:

Серебряно - кислородно - цезиевые - для однокамерных ЭОП, которые обычно применяются в активных ПНВ;

Многощелочные фотокатоды, применяемые в первой камере многокамерных ЭОП пассивных ПНВ ;

Сурьмяно - цезиевые фотокатоды, применяемые в последующих каскадах многокамерных ЭОП;

Арсенид галлия.

Экран.

В качестве экрана в ЭОП применяется слой люминофора, нанесенный на заднюю стенку колбы или на закрепленную в ней стеклянную или слюдяную пластинку.

Вещество люминофора состоит из трех компонентов:

Основного вещества (сернистые и селенистые соединения цинка и кадмия);

Активатора, обеспечивающего требуемый спектр и в значительную степень интенсивность свечения (примеси меди, марганца и других металлов);

Плавня, обеспечивающего однородность и прочность люминофора (соли лития, натрия, калия и др.).

Толщина слоя люминофора должна быть такой, чтобы свечение, обусловленное действием электронных лучей, проходило через толщину экрана.

Разрешающая способность экрана зависит, в конечном счете, от его зернистости.

Световой поток, попадая на фотокатод, выбирает электрон, который под действием электростатического поля направляется на экран и приобретает кинетическую энергию

необходимую для пробивания алюминиевой пленки и возбуждения люминофора экрана. В результате возбуждения изучаются фотоны.

Если световым потоком на фотокатоде построено изображение предмета, то очевидно, что поток электронов будет нести информацию об этом изображении.

Бомбардировка электронами экрана вызывает свечение последнего. В результате люминесценции на поверхности экрана возникает светящееся изображение объектов, спроецированных на фотокатоде.

Так как энергия электронов приблизительно пропорциональна ускоряющемуся напряжению, то яркость экрана увеличивается с увеличением этого напряжения. Это дает возможность рассматривать простейший ЭОП как усилитель яркости и создавать многокамерные ЭОП, представляющие собой последовательное соединение однокамерных ЭОП.

Многокамерные преобразователи состоят из двух, трех и более камер, расположенных так, чтобы фотокатод последующей камеры нанесен на одну пластину с экрана предыдущей камеры. В ЭОП, применяемых в ПНВ, все элементы каскадов расположены в одной общей для них стеклянной колбе.

Камеры в многокамерных ЭОП могут соединяться между собой так же с помощью промежуточных линзовых систем или стекловолоконной оптики.

Изображение на экране простейшего ЭОП менее отчетливо и менее контрастно, чем на фотокатоде. Это объясняется тем, что каждая точка изображения на фотокатоде при ее переносе электронами на экран преобразуется в пятно, которое называется кружком рассеяния.

Кружок рассеяния возникает потому, что электроны, вылетающие из фотокатода, имеют различные по величине и направлению векторы линейных скоростей и движущихся по разным траекториям.

Для того, чтобы векторы линейных скоростей были параллельны продольной оси ЭОП, и создается электростатическое поле.

Диаметр кружка рассеяния может быть определен по формуле:

, (3)

где - расстояние между экраном и фотокатодом;

Анодное напряжение;

Наибольшая начальная энергия электрона в электровольтах.

При и величина кружка рассеивания

Диаметром кружка рассеяния определяется разрешающая способность ЭОП, которая оценивается по стандартным мирам.

Диаметр рассеяния уменьшить путем уменьшения L или увеличения U a не представляется возможным из-за уменьшения контраста с увеличением яркости и возможности электрического пробоя ЭОП.

Поэтому для уменьшения кружка рассеяния и улучшения качества изображения на экране применяют специальные фокусирующие системы .

Фокусирующие системы.

Они могут быть трех видов:

Электрические;

Магнитные;

Смешанные.

В общем случае в фокусирующих системах создается электростатическое или магнитное поле, которое изменяет траекторию движения электронов аналогично изменению хода оптических лучей оптическими деталями.

Поэтому устройство, обеспечивающие изменение траектории электронов в фокусирующих системах, называют электростатическими и магнитными электронными линзами.

В последнее время применяется 2 новых типа ЭОП с высоким коэффициентом усиления, которые можно отнести к каскадным и многокамерным:

ЭОП с использованием вторичной эмиссии электронов на "прострел";

ЭОП с высоким коэффициентом усиления основанный на использовании диодной схемы с распределенным эмиттером.

Однокамерные ЭОП с микроканальным усилителем и волоконными шайбами.

1. ЭОП с использованием вторичной эмиссии электронов на "прострел".

Он состоит из входного фотокатода, ряда тонких пленочных диодов и экрана.

Фотоэлектроны, допускаются на наружной слой первого диода и вызывает вторичную эмиссию электронов с противоположной стороны диода с коэффициентом вторичной эмиссии около 6. Даже процесс уменьшения электронов повторяется...

Преимущество - простота изготовления, обусловлена наличием одного фотокатода.

Недостатки:

Большая хроматическая аберрация из-за большей начальной скорости вторичных электронов;

Меньший контраст изображения;

Низкая механическая прочность тонких диодов;

Большой вес и потребляющая мощность системы магнитной фокусировки.

Для устранения данных недостатков разработаны ЭОП с диодами из пленок малой плотности. Пористая структура пленок (эмиттер KC1 на алюминиевой пленке) позволяет извлечь большую часть вторичных электронов.

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ЭОП) - для преобразования невидимого глазом изображения объекта (в ИК-, УFи рентг. лучах) в видимое и для усиления яркости изображения.

В ЭОП (рис. 1) происходит двойное преобразование изображения: оптич. или рентг. изображение с помощью 1 преобразуется в электронное, к-рое далее на люминесцентном экране 3 преобразуется в видимое или в изображение большей яркости. Испускаемые катодом электроны ускоряются электрич. полем 2 и приобретают энергию, достаточную для возбуждения свечения экрана. Так происходит усиление яркости изображения.

Рис. 1. Схема плоского электронно-оптического преобразователя: 1-фотокатод; 2-электрическое поле; 3-люминесцентный экран .

Спектральные характеристики чувствительности фотокатода и яркости свечения люминесцентного экрана могут иметь максимумы в разл. диапазонах длин волн, поэтому, в общем случае, происходит перенос изображения из одной спектральной области в другую.

Если электроны, испускаемые отд. малым элементом фотокатода, переносятся электрич. полем на соответствующий малый элемент люминесцентного экрана, то на экране создаётся изображение, состоящее из множества светящихся элементов, геометрически подобное изображению, проецируемому на фотокатод. Поскольку ток с каждого элемента фотокатода пропорционален падающему на него световому потоку, а яркость свечения элементов экрана (при умеренной тока) линейно связана с величиной приходящего на него тока, распределение яркости свечения по экрану достаточно точно воспроизводит распределение освещённости по фотокатоду. T. о., изображение на экране и по форме и по яркости воспроизводит изображение, проецируемое на фотокатод.

Параметры ЭОП . Осн. параметром ЭОП является коэф. преобразования, или величина усиления светового потока h Ф, определяемая как отношение , излучаемого экраном Ф э, к световому потоку, падающему на фотокатод Ф к. При чувствительности фотокатода k ф, ускоряющем (анодном) U a и световой отдаче экрана k э коэф. преобразования

ЭОП, используемые для усиления яркости изображения, характеризуются коэф. усиления яркости h В , определяемым как отношение яркости свечения экрана к освещённости фотокатода и измеряемым в кд/м 2 · лк. При одинаковых размерах экрана и фотокатода (переносе изображения в масштабе 1:1) величины коэф. усиления яркости и коэф. преобразования связаны соотношением h В = h Ф /p. Для увеличения яркости свечения экрана при тех же значениях параметров k ф, k э, U a часто используют перенос изображения с уменьшением. Если линейный размер (диаметр) экрана в 1/Г раз (Г - коэф. увеличения) меньше диаметра фотокатода, яркость свечения экрана возрастает в Г 2 раз, т. е. коэф. усиления яркости увеличивается в Г 2 раз (см. Увеличение оптическое) .

Вторым параметром ЭОП, характеризующим сохранение чёткости изображения, является разрешающая способность R . Предел разрешения ЭОП оценивается наибольшим числом чередующихся светлых и тёмных полос (линий) штрихового тест-объекта на 1 мм изображения, видимых раздельно. Единица измерения предела разрешения- пара линий/мм. Качество изображения, создающегося на экране ЭОП, оценивается также сохранением контраста ,определяемого как отношение разности яркостей наиб. светлых и наиб. тёмных участков изображения к сумме яркостей. При сохранении контраста возможно раздельное видение элементов изображения с незначительно различающимися яркостями.

К параметрам ЭОП относят также отношение сигнал/шум. Шум, наблюдаемый в виде беспорядочных флуктуации яркости элементов экрана, объясняется статистич. природой выхода электронов из фотокатода и излучения квантов света экраном. При соизмеримости величин сигнала и шума изображение перестаёт быть различимым, поэтому величина шума определяет мин. освещённость объектов, необходимую для их наблюдения с помощью ЭОП.

Типы ЭОП . По способу переноса электронного изображения с фотокатода на люминесцентный экран ЭОП разделяются на три вида: ЭОП с параллельным переносом изображения однородным электростатич. полем (плоские ЭОП), ЭОП с электростатич. фокусировкой и ЭОП с магн. фокусировкой.

Простейшие ЭОП с плоскопараллельными фотокатодом и экраном и переносом изображения однородным электростатич. полем не получили распространения из-за ряда недостатков: сравнительно небольшого коэф. преобразования, недостаточной разрешающей способности, малой контрастности изображения. Увеличение h Ф и R повышением ускоряющего (анодного) напряжения ограничено возможностью электрич. пробоя и возникновения автоэлектронной эмиссии с катода. Снижение контрастности объясняется оптич. обратной связью: экрана освещает фотокатод, испускаемые катодом электроны возбуждают рассеянное свечение экрана (фон), снижающее контраст.

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 катод. ЭОП с фокусирующими системами создают достаточно хорошие изображения с разрешением в неск. десятков пар 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 , 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 - анод .

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 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, 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 преобразователи, M., 1970.

А. А. Жигарев .

Устройство ЭОП

Я уже вкратце рассказывал о принципах работы приборов ночного видения (ПНВ). Теперь настало время более детально разобраться с их устройством, а также с наиболее важными и интересными с точки зрения любителя электроники элементами.

Как уже говорилось, основой прибора ночного видения является электронно-оптический преобразователь, сокращённо ЭОП. На западе такие приборы называют Photomultiplier tube (сокращённо PMT ). На первый взгляд может показаться, что ЭОП - это что-то вроде электронной лампы. Кинескоп телевизора я бы назвал родственником электронно-оптического преобразователя. Дальше вы узнаете, почему.

Рассмотрим устройство ЭОП’а на примере конкретной модели - ЭП-33 (EP33). Точно утверждать не могу, но косвенно предполагаю, что в мои руки попал именно этот экземпляр или его модификация. К сожалению, при демонтаже маркировка на нём была повреждена.

Принцип действия электронно-оптического преобразователя.

Суть работы любого электронно-оптического преобразователя заключается в следующем. Как мы знаем, в ночное время суток внешнее освещение отсутствует. Внешнее освещение - это видимое человеческим глазом излучение от Солнца, ламп накаливания и других приборов освещения.

Но, кроме видимого излучения, проще говоря - света, есть ещё инфракрасное излучение (ИК), которое исходит от нагретых предметов, тел, строений. Оно невидимо для человеческого глаза. Инфракрасное излучение также исходит от Луны и звёзд. Попадая в атмосферу, оно рассеивается и создает некую инфракрасную подсветку. Вот это то излучение и улавливает электронно-оптический преобразователь. Стоит отметить, что ЭОП сам по себе бесполезен. Для его работы необходим объектив. Он проецирует изображение на небольшую площадь фотокатода.

На фото - объектив от охотничьего прицела Dedal 164 Night Vision.

Простейший ЭОП представляет собой стеклянный цилиндр, из которого откачан воздух. Одна из стенок цилиндра является полупрозрачным фотокатодом . На плоскость фотокатода проецируется невидимое инфракрасное излучение от объекта с помощью объектива.

Упрощённая схема работы ЭОП.

Вот так выглядит плоскость фотокатода. Как видим, его поверхность прозрачна.

Под действием инфракрасного излучения, благодаря фотоэлектрической эмиссии у поверхности фотокатода образуется электронное облако, плотность которого точно соответствует изображению, полученного с объектива. Далее это «электронное изображение» необходимо преобразовать в видимое человеческим глазом.

Для этого на другой стороне стеклянного цилиндра нанесён люминофорный слой . Круглая белая поверхность - это плоскость экрана с нанесённым слоем люминофора.

При «бомбардировке» электронами этого слоя, он начинает светиться зеленовато-жёлтым цветом которое видно человеческим глазом.

Свечение экрана электронно-оптического преобразователя (объектив снят).

Изображение на экране ЭОП, полученное с помощью объектива (Охотничий прицел Dedal 164 Night Vision).

Изображение, полученное на экране ЭОП.

Чтобы перенести «электронное изображение» с плоскости фотокатода, электроны в «облаке» необходимо разогнать и сфокусировать на плоскость люминофорного слоя. Это делается за счёт электрического поля. Оно создаётся ускоряющим постоянным напряжением в 12 - 17 киловольт, которое приложено между электродом фотокатода и анодом со стороны люминофорного слоя.

Чтобы изображение на экране с люминофорным слоем было более чётким, внутрь ЭОП’а устанавливается специальная фокусирующая система .

Умножитель напряжения ЭОП.

Как уже говорилось, для работы ЭОП требуется высоковольтный источник питания. В простейшем случае это генератор, который нагружен на повышающий трансформатор. Генератор работает на частоте в несколько килогерц. Далее снимаемое переменное напряжение со вторичной обмотки трансформатора дополнительно повышается с помощью многозвенного диодно-ёмкостного умножителя. В результате на выходе такого преобразователя получается постоянное напряжение величиной в 10 - 17 кВ.

На фото - умножитель напряжения без ЭОП от прибора ночного видения. Все элементы умножителя напряжения залиты герметиком и надёжно изолированы от металлического основания прицела. Так как преобразователь рабочий, то до "косточек" я его разбирать не стал. Несмотря на это, сквозь прозрачный герметик можно разглядеть некоторые его элементы.

Печатная плата выполнена в виде гибкого основания, на котором смонтированы автогенератор и трансформатор . Диодно-ёмкостной умножитель собран на SMD конденсаторах и расположен отдельно. Компактный размер прицела накладывает ограничения на габариты умножителя напряжения.

На выходе умножителя можно менять величину высокого напряжения между анодом (экраном) и катодом (фотокатодом) ЭОП"а.

Вот простейшая схема повышающего преобразователя. Как видим, схема довольно примитивна.

Со вторичной обмотки повышающего трансформатора L1 снимается повышенное напряжение. Но оно недостаточно для работы ЭОП. Для дальнейшего его повышения используется каскадный диодно-ёмкостной умножитель на диодах VD1, VD2, VD3…VDN и конденсаторах C1, C2, C3…CN. Число ступеней умножения около 20.

Трансформатор наматывается на Ш-образном сердечнике марки М2000НП сечением около 30 мм 2 . Обмотка L2 состоит из 30 витков, а L2 из 35 витков. Для их намотки используется провод ПЭЛШО-0,15. Для намотки обмотки L1 используется провод марки ПЭЛШО-0,07. Число витков - 2300.

Данный умножитель напряжения рассчитан на работу с ЭОП типа «МИНИ-1» отечественного производства.

В серийных приборах ночного видения применяются более сложные схемы умножителя напряжения, но схемотехника и принцип действия, как правило, схож с тем, который описан.

Инфракрасная подсветка.

Так как светоусиление ЭОП первого поколения недостаточно при глубоком затемнении, то применяется инфракрасная подсветка. Это устройство типа фонарика или прожектора, только светит он в инфракрасном диапазоне волн. Длина волны ~ 780 - 810 нм.

В качестве излучателя используется ИК-диод. Для регулирования яркости подсветки последовательно с диодом включается резистор . Обычно применяются несколько резисторов с разным номинальным сопротивлением, которые коммутируются переключателем. Так достигается ступенчатая регулировка интенсивности излучения.

Работу ИК-подсветки проверить легко. Область кристалла излучающего диода при работе светится мягким красноватым оттенком. Его видно невооружённым глазом. Если навести камеру смартфона или фотоаппарата на линзу ИК-диода, то на дисплее покажется фиолетовое свечение - это и есть инфракрасное излучение, которое улавливает матрица фотокамеры. Аналогичным образом можно проверить работу ИК-пульта дистанционного управления от телевизора.

При проверке ЭОП’а или ПНВ стоит соблюдать одно очень важное правило. Ни в коем случае нельзя включать эти приборы при естественном или искусственном освещении.

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