Электровакуумные или полупроводниковые приборы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, называют фотоэлектронными.
Основной параметр фотоэлемента - его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Эта величина в вакуумных фотоэлементах достигает значения порядка 100 мкА/лм.
Схема ФЭУ приведена на рис. 1. Падающие на фотокатод К фотоны эмиттируют электроны, которые фокусируются на первом электроде (диноде) Э 1 . В результате вторичной электронной эмиссии с этого динода вылетает больше электронов, чем падает на него, т. е. происходит как бы умножение электронов. Умножаясь на следующих динодах, электроны в итоге образуют усиленный в сотни тысяч раз ток по сравнению с первичным фототоком.
Рис. 1.
ФЭУ применяют главным образом для измерения малых лучистых потоков, в частности ими регистрируют сверхслабую биолюминесценцию, что важно при некоторых биофизических исследованиях.
Рис. 2.
На внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического преобразователя (ЭОП), предназначенного для преобразования изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений. Схема простейшего ЭОП приведена на рис. 2. Световое изображение объекта 1, проецированное на полупрозрачный фотокатод К, преобразуется в электронное изображение 2. Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электродов Э электроны попадают на люминесцентный экран Е. Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое 3.
В медицине ЭОП применяют для усиления яркости рентгеновского изображения, это позволяет значительно уменьшить дозу облучения человека.
Если сигнал с ЭОП подать в виде развертки на телевизионную систему, то на экране телевизора можно получить «тепловое» изображение предметов. Части тела, имеющие разные температуры, различаются на экране либо цветом при цветном изображении, либо светом, если изображение черно-белое. Такая техническая система, называемая тепловизором, используется в термографии.
Фотоколори́метр
Оптический прибор для измерения концентрации веществ в растворах. Действие колориметра основано на свойстве окрашенных растворов поглощать проходящий через них свет тем сильнее, чем выше в них концентрация окрашивающего вещества. В отличие от спектрофотометра, измерения ведутся в луче не монохроматического, а полихроматического узко спектрального света, формируемого светофильтром.Применение различных светофильтров с узкими спектральными диапазонами пропускаемого света позволяет определять по отдельности концентрации разных компонентов одного и того же раствора.
Колориметры разделяются на визуальные и объективные (фотоэлектрические) - фотоколориметры. В визуальных колориметрах свет, проходящий через измеряемый раствор, освещает одну часть поля зрения, в то время как на другую часть падает свет, прошедший через раствор того же вещества, концентрация которого известна. Изменяя толщину l слоя одного из сравниваемых растворов или интенсивность I светового потока, наблюдатель добивается, чтобы цветовые тона двух частей поля зрения были неотличимы на глаз, после чего по известным соотношениям между l, I и с может быть определена концентрация исследуемого раствора.
Фотоэлектрические колориметры (фотоколориметры) обеспечивают большую точность измерений, чем визуальные; в качестве приёмников излучения в них используются фотоэлементы (селеновые и вакуумные), фотоэлектронные умножители, фоторезисторы (фотосопротивления) и фотодиоды. Сила фототока приемников определяется интенсивностью падающего на них света и, следовательно, степенью его поглощения в растворе (тем большей, чем выше концентрация). Измерения с помощью колориметра отличаются простотой и быстротой проведения. Точность их во многих случаях не уступает точности других, более сложных методов химического анализа. Нижние границы определяемых концентраций в зависимости от метода составляют от 10 −3 до 10 −8 моль/л.
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.
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 .
Как разобраться в терминологии? Что выбрать? Какие пополения бывают? Разберемся в ночном видении! это специальные приборы, которые в условиях недостаточной освещенности усиливают имеющийся свет или в полной темноте усиливают инфракрасную (ИК) подсветку от ИК фонарей. Мы видим на картинке изображение с ПНВ, ночью в условиях низкой освещенности. Поскольку эти приборы усиливают свет, то на заднем плане мы видим очень яркие пятна от фонарей. Ночное видение используются в разных областях, от обычных камер видеонаблюдения, до . Стоимость приборов лежит в диапазоне от 5 000 до 500 000 рублей. Все приборы различаются используемыми технологиями.
Принцип усиления света приборов ночного видения
Принцип работы ПНВ - усиление улавливаемого света в сотни и тысячи раз. Весь спектр видимого света лежит в диапазоне от 400 до 760 нм - это тот свет, который мы можем увидеть, а излучение в диапазоне от 760 -инфракрасное излучение, которое является для человека и животных невидимым излучением. Как раз в инфракрасном спектре работают многие ПНВ.
Как я написал выше, принцип работы ПНВ - усиление улавливаемого света в сотни и тысячи раз. Весь спектр видимого света лежит в диапазоне от 400 до 760 нм - это тот свет, который мы можем увидеть. Спектр, в котором хорошо видят приборы ночного видения лежит в районе 760-1000 нм, причем для разных поколений спектр разный, его можно изобразить как график. Далее подробнее изучим поколения и технологии ПНВ.
Подсветку для ночного прицела надо выбирать в зависимости от поколения прибора и спектра в котором работает выбранный осветитель.
Полезные советы
Конструкция приборов ночного видения
Приборы ночного видения делятся на поколения в зависимости от технологии применяемой в приборе. Существуют следующие поколения ночных прицелов:
Выбранный порядок соответствует качеству получаемого изображения. Для того чтобы понять, что отвечает за качество картинки и по какому параметру прибор можно отнести к тому или иному поколению, разберемся из чего состоит ПНВ.
- Входная линза прибора, через который в прибор поступает свет небольшой порции или отраженный свет от встроенного ИК фонарика (4)
- Электронно-оптический-преобразователь (ЭОП) главная часть прибора, которая преобразует и усиливает свет
- Окуляр для наблюдения
- Блок питания
- Корпус прибора
ЭОП как определяющая часть прибора ночного видения
Электронно-оптический преобразователь (далее ЭОП) служит для многократного усиления света. Именно ЭОП определяет поколение ПНВ. Как уже упоминалось,все ЭОП можно упрощенно разделить на поколения I,I+,II,II+и III они весьма существенно отличаются друг от друга по своей конструкции, техническим характеристикам и стоимости. Текущие разработки в области ночного видения притормозились из-за большой стоимости производства ЭОПов 2 и 3 поколения,а также удешевлением в производстве конкурирующей технологии тепловизионного видения. Качество изображения в приборе ночного видения зависит от трех ключевых характеристик ЭОПа - коэффициента усиления света, чувствительность фотокатода, разрешение ЭОПа.
Коэффициент усиления света в ЭОПе
Одной из важнейших характеристик ЭОПа, от которой зависит дальность видения ПНВ, является коэффициент усиления по свету. Для ЭОПов 1 и 1+ поколений коэффициент усиления света может быть в пределах от 500 до 1000 крат и зависит от увеличения ЭОП, чувствительности фотокатода и светоотдачи люминофора. По сути это коэффициент показывает во сколько крат ярче будет изображение после прохождения света через ЭОП. Коэффициент усиления по свету тем больше,чем больше чувствительность фотокатода.
Чувствительность фотокатода
Вторая по важности характеристика, от которой зависит усиления света в ЭОПе. За чувствительность ЭОПа отвечает фотокатод. Эта величина рассчитывается как отношение фототока к величине светового потока, вызвавшего его. Фотокатод реагирует на интенсивность светового потока и его частоту, поэтому его чувствительность разделяется на интегральную и спектральную. Интегральная чувствительность (SA) характеризует способность фотокатода реагировать на воздействие всего светового потока, содержащего световые колебания различных частот. Обычно для измерения интегральной чувствительности используется лампа накаливания с цветовой температурой вольфрамовой нити 2800К. Интегральная чувствительность измеряется в А/лм. Спектральная чувствительность фотокатода (Sλ) – отношение величины фототока к монохроматическому лучистому потоку. Это совсем сложная величина ее для покупки прицела ночного видения знать не обязательно. Спектральные характеристики фотокатодов в реальных приборах ограничены коротковолновым пределом оптической прозрачности материала входного окна фотоэмиттера. Красная граница спектральной характеристики фотокатода определяется порогом фотоэффекта материала и зависит от его энергетической структуры и состояния поверхности. Эта граница может немного смещаться в зависимости от деталей технологического процесса изготовления фотокатода или при изменении внешних условий. Чтобы погрузится в эти технологии можно изучить нижеприведенный график для материалов фотоэмиссионного материала и используемого стекла:
Разрешение ЭОПа
Третей, важнейшей характеристикой, влияющей на дальность видения, является разрешение ЭОПа. В зависимости от модификации ЭОП и качества его изготовления разрешение в центре поля зрения, как правило, может быть от 30 штр/мм до 50 штр/мм. Ближе к краю поля зрения разрешение в ЭОП 1-го поколения намного меньше. На краю поля зрения оно может составлять до 5 штр/мм. Кроме того,чем дальше расположено изображение предмета от центра поля зрения, тем больше нарушается его подобие предмету. К примеру, если вы будете рассматривать квадрат через ПНВ, то он будет выглядеть как подушка - растянутый по краям. Это ни в коем случае не дефект оптики прибора, как можно подумать сразу. Оптика здесь ни при чем, искажение дает ЭОП 1 поколения. Зрительно это выглядит так:
Поколения приборов ночного видения
1 поколение
ЭОП 1 поколения представляет собой герметично запаянную стеклянную трубку,из которой откачан воздух. Степень вакуума внутри колбы весьма велика. Рассмотрим принцип действия ЭОПа:
Грубо говоря ЭОП это усилитель света, свет усиливается за счет бомбардировки фотонами люминофорного экрана на фотокатоде, который расположен ближе к объективу прибора. Фотокатод преобразует фотоны в электроны, которые ускоряются и увеличивают свою энергию под действием наведенного электрического напряжения в рабочей камере ЭОПа. После прохождения ускорительной камеры электроны попадают на маленький экран в окуляре прибора, на который нанесено фосфорицирующее покрытие (зеленого или белого фосфора), которое под действием электронов вспыхивает в нужных местах, формируя видимое вами изображение.
Подробнее о принципе работы ЭОПа ночного видения 1 поколения.
В объектив прибора попадает слабый свет от объекта. Этот свет в виде фотонов попадает на поверхность фотокатода. Задача фотокатода преобразовывать фотоны света в электроны. Фотокатод это очень тонкий слой фотоэмиссионного вещества,напыленного на внутреннюю поверхность фотокатодного стекла. Фотокатод строит изображение наблюдаемых объектов, создавая на своей поверхности распределение освещенности от объекта наблюдения. При этом, с противоположной стороны фотокатода возникает фотоэлектронная эмиссия с аналогичным пространственным распределением плотности электронного тока что и на входе.
Фотоэмиссия - испускание электронов из фотоэмиссионного вещества под действием света.
Определение из справочника.
Таким образом фотокатод преобразует пучки света от объекта в пучки электронов,той же плотности и распределения что и на входе. Дальше, полученные на выходе фотокатода электроны попадают в рабочую камеру ЭОПа.
В рабочей камере ЭОПа создается разность потенциалов(напряжение), для чего используется специальный высоковольтный трансформатор, который преобразует 3В от блока питания в 16 кВ, кстати говоря, как раз трансформатор создает тот писк, который можно услышать при включении и работе прибора. В рабочей камере ЭОПа под действием напряжения электроны вышедшие из фотокатода ускоряются под действием электрического поля. Ускоряясь электроны увеличивают свою кинетическую энергию и с высокой энергией ударяются в экран окуляра, на который нанесен люминофор. Под действием электронов люминофор начинает светится - испускать фотоны света, которые мы уже наблюдаем в виде изображения через линзу окуляра как через лупу.
Надо отметить, что в рабочей области ЭОПа под действием напряжения образуется электронная линза, аналогичная оптической, в которой роль преломляющих поверхностей выполняют линии электростатического поля, которые направляют и фокусируют электроны так же, как и оптическая линза фокусирует световые лучи. Поэтому на поверхности экрана окуляра возникает светящееся перевернутое изображение, которое можно рассматривать через окуляр ПНВ как через лупу.
В некоторых случаях производители ставят оборачивающую линзу внутри прибора,таким образом на выходе вы получаете нормально изображение, которое не надо переворачивать. Это влияет на точность позиционирования видимого изображения относительно фактической оптической оси, поскольку не все ЭОПы идеально центрированы и имеют симметричное изображение относительно оптической оси. Такая технология применяется только в приборах 2 и 3 поколений.
Процесс вылета электронов из фотоэмиссионного слоя фотокатода происходит всегда, вне зависимости от того, подключен ЭОП к источнику питания или нет. Если внутри ЭОП не создавать фокусирующего электростатического или электромагнитного поля, то электроны постепенно возвращаются в слой фотокатода. Эта особенность проявляется когда при выключении прибора на экране прибора сохраняется зеленое свечение.
Кстати, почему в ночное видение мы видим зеленое изображение? Все потому,что у ЭОПа люминофоры, которыми покрыт экран в окуляре прибора как правило имеют зеленое свечение.
Глазу легче приспособиться к зеленому свету, поэтому предпочтительней выбирать ЭОП зеленого цвета, однако черно-белый ЭОП показывает контрастнее.
Из личных наблюдений.
Основные параметры ПНВ 1 поколения
Достоинства 1 поколения: цена
Недостатки 1 поколения: искажения изображения по краям, малое усиление светаЛичные наблюдения
Изображение из 1 поколения
В приборе ночного видения 1 поколения главный недостаток - искаженное изображение по краям картинки. Это выглядит так:
1+ поколение
В ЭОПе 1+ поколения разрешение на краю поля зрения мало отличается от разрешения в центре, а искажения формы предметов практически незаметно. Равномерное разрешение по полю в этом ЭОП достигается путем использования фотокатода со специальной плоско-вогнутой волоконно-оптической пластины (ВОП), на вогнутой поверхности которой нанесен фотоэмиссионный материал.
Сравнительно недавно появилась новая разработка - ЭОП поколения Супер 1+,в котором за счёт оригинального технического решения - сферическая форма фотокатода без использования ВОП совместно с новым объективом. Это позволило получать достаточно четкое изображение по всему полю зрения без потери света, а значит и сохранить коэффициент усиления по свету при одновременном сохранении увеличения ЭОПа.
ПНВ с ЭОПами 1-го и 1+поколений достаточно хорошо работают в условиях естественной ночной освещенности соответствующей наличию ¼ Луны на небе. При более низкой освещенности необходимо включать ИК подсветку.
Существующая технология изготовления ЭОП не позволяет получить исключительно равномерную яркость свечения всей поверхности экрана и полное отсутствие каких либо темных или светлых точек. Поэтому,если в ПНВ наблюдать равномерно освещенную белую поверхность, то можно видеть в поле зрения мелкие черные точки, сероватые полоски или незначительное отличие по яркости участков экрана, которые практически не видны при работе ночью. Эти точки и неравномерность яркости не влияют на надежность (длительную стабильную работу) ЭОП и не являются браком. Ресурс работы ЭОП 1 поколения составляет около 1000 часов,этого хватает простому любителю природы примерно на 3 –5,а иногда и более,лет эксплуатации. В дальнейшем чувствительность ЭОП падает, снижается яркость и контрастность изображения. Примерно такой эффект можно наблюдать с кинескопами старых телевизоров.
Надо помнить, что очень мало моделей ПНВ с ЭОП 1-го поколения выпускаются с защитой от случайной засветки прибора. Поэтому при эксплуатации прибора,в случае внезапного появления в поле зрения яркого источника света (фонарь,фары авто, внезапно включенный свет в помещении, случайно снятые в дневное время с включенного прибора защитные крышки), необходимо немедленно отвести объектив прибора в сторону и закрыть его крышкой или на крайний случай рукой.
В противном случае, многократное увеличение освещенности фотокатода приведет к лавинообразному увеличению количества выбитых из него электронов, усиленных в сотни раз приложенным напряжением, и в результате - прожиганию проводящего слоя фотокатода и выгоранию люминофора. Как правило,подобные случаи признаются нарушением правил эксплуатации и не являются гарантийными, ремонт ПНВ выльется в значительные материальные затраты потребителя.
Сравнение 1 и 1+ поколения приборов ночного видения.
Главным недостатком 1 поколения считается низкая ударостойкость - из-за стеклянного корпуса ЭОПа 1 поколение невозможно использовать в прицелах ночного видения на оружии с высокой отдачей. Также в 1 поколении получаемое изображение искажено по краям за счет эффекта электронной линзы, которая возникает в рабочей камере ЭОПа. В 1+ поколении, за счет использования металло-керамических корпусов ЭОПа решена проблема ударостойкости и прицелы с ЭОПом 1+ поколения можно использовать на различных калибрах. Также решена проблема искаженного изображения по краям картинки за счет использования волоконно-оптических плоско-вогнутых линз на входе и выходе ЭОПа, поэтому ПНВ 1+ поколения рекомендуются к покупке и установке на оружие. Покупать 1-е поколение для охоты мы бы никому не советовали, это пустая трата денег,задуматься стоит о покупке 1+ поколения. Зачастую китайские производители называют 1+ поколением 1 поколение но с волоконно-оптическими линзами,что дает им возможность продавать устаревшее 0 поколение как 1 поколение. В отдельных случаях за 1+ поколение производителями выдается 0 поколение с фотокатодом без волоконно-оптических линз. При покупке китайских приборов имейте это ввиду.
Достоинства 1+ поколения: ударная стойкость, нет искажений по краям
Недостатки 1+ поколения: малое усиление света в сравнении с 2+ поколениемПо горячим следам
2+ поколение
Это поколение создано на ЭОПе бипланарной конструкции, то есть без электростатической линзы, с прямым переносом изображения с фотокатода на экран. В ЭОПе для усиления света используется МКП. Схематично устройство ЭОПа изображено на схеме:
Расстояния между слоем фотокатода и входом МКП (микроканальной пластины),выходом МКП и слоем люминофора достаточно малые. Напряжения, подаваемые на фотокатод, вход и выход МКП зависят от конкретной конструкции ЭОПа,а напряжения на выходе МКП отличаются и регулируются в процессе изготовления для достижения максимального разрешения. Изображение на экране ЭОП получается прямым. Для того, чтобы его перевернуть, вместо плоской стеклянной пластины,на которой нанесен внутри люминофор, применяют волоконно-оптическую пластину,волокна которой являются световодами и закручены таким образом, что изображение переворачивается на 180°. При отсутствии такой пластины необходимо перед окуляром ставить оборачивающую систему (ОС). Изображение на экране ЭОП в этом случае рассматривается через микроскоп (ОС +окуляр =микроскоп) и за окуляром уже имеется выходной зрачок (висит в воздухе светлый кружок),которого при использовании переворачивающего изображение ВОП нет, так как окуляр в этом случае работает как лупа и выходным зрачком является глаз.
В поколении 2 основной коэффициент усиления достигался за счет микроканальной пластины, и было решено избавиться от устаревшей электростатической линзы,что позволило избавиться от засветки сильными источниками света. В результате получился очень компактный ЭОП с характеристиками, ненамного хуже по характеристикам 2 поколения. Коэффициент усиления порядка 20000-30000, присутствует автоматическая регулировка яркости в зависимости от внешнего освещения. Кроме того, отсутствие разгонной камеры позволяет получить более четкое изображение.
МКП
МКП представляет собой сито с регулярно расположенными каналами диаметром 6-10 мкм и длиной не более 1 мм. Обе поверхности МКП полируются и металлизируются,между ними прикладывается напряжение в несколько сотен вольт. Попадая в канал такого сита, электрон испытывает соударения со стенками МКП и выбивает вторичные электроны. Процесс многократно повторяется на всей длине пролета электрона(1мм), это позволяет получить высокий коэффициент усиления света(x10 000), намного превосходящий 1 и 1+ поколение. Для получения микрометровых каналов в МКП используется оптическое волокно, которое под воздействием химических реакций приобретает вид сита. Если в ЭОПе поколения 1 или 1+ одиночный электрон, вылетевший из фотокатода, движется в вакууме разгонной камеры, и в одиночку, долетает до экрана (анода), то в канале МКП каждый электрон, вылетевший из фотокатода, генерирует целый рой электронов которые многократно ударяются в экран. За счет этой технологии коэффициент усиления света достигает 25 000-30 000 раз.
1 - фотокатод; 2 - микроканальная пластина; 3 - экран
Т.к. оборачивающую электростатическую линзу убрали, пришлось добавлять дополнительные линзы в окуляр чтобы изображение было правильным. Но благодаря компактности ЭОПа удалось сделать конструкцию очков ночного видения (ОНВ) с псевдобинокулярной системы, где изображение с одного ЭОП разводится на два окуляра с помощью светоделительной призмы. Оборот изображения здесь осуществляется в дополнительных мини-объективах. Также оборот изображения может быть произведен при помощи особой волоконно-оптической пластины. В ЭОПах для эта оборачивающая пластина обычно встроена в ЭОП. Некоторые электроны не попадают в каналы МКП, отражаются от стенок и попадают в соседние каналы. В результате вокруг ярких источников света образуются гало - и чем дальше находится фотокатод от микроканальной пластины - тем больше гало, а чем тоньше каналы в МКП - тем гало ярче. Гало можно увидеть на этой картинке вокруг фонарей освещения:
Если с ПНВ приходится работать в условиях, где возможны боковые засветки,то на входе вместо стеклянной устанавливается волоконно-оптическая пластина,защищающая фотокатод от боковых засветок и позволяющая получить более контрастное изображение. Малые габаритные размеры ЭОП 2+ позволяют значительно уменьшить габаритные размеры и вес ПНВ по сравнению с ЭОП 2-го поколения. Ресурс работы ЭОП поколения 2 и 2+ составляет порядка от 1000 до 3000 часов,что втрое больше, чем у ЭОП 1-го поколения. Встроенные источники питания ЭОП поколений 2 и 2+ имеют автоматическую регулировку яркости свечения экрана и встроенную электронную защиту фотокатода от световых перегрузок, а сами ЭОП - хорошее качество изображения без искажений по всему полю зрения и могут работать в условиях очень низкой освещенности - при отсутствии луны,а лишь наличии звезд и то в легких облаках. Стоимость ПНВ с ЭОП поколений 2, 2+ в 5-10 раз выше, чем стоимость приборов с ЭОП 1-го поколения,и редко бывает ниже 2000 долларов США. Высокая стоимость ЭОП 2+ (а также и ЭОП 3-го поколения) обусловлена как технологией их изготовления (в специальных сверхчистых вакуумных камерах с высокой степенью вакуума), так и стоимостью производства МКП и ВОП.
Характеристики ЭОПов 1, 1+, 2+ поколения
Достоинства 2+ поколения: отсутствие засветки, компактные размеры, выше разрешающая способность.
Недостатки 2+ поколения: нужна дополнительная оборачивающая оптика, гало вокруг точечных источников света.Из личного опыта
Поколение 3
Отличается от ЭОП поколения 2+ тем, что фотокатод выполнен на основе арсенида галлия(AsGa), что позволило увеличить его интегральную чувствительность до 900-1600 мкА/лм, а чувствительность в инфракрасной области до 190 мкА/лм (в инфракрасной области в 10 раз больше по сравнению с ЭОП 2+ и в 6 раз больше по сравнению Super Gen 2+). Разрешение 42-64 штр/мм. Ресурс работы до 10 000 часов,что втрое больше чем у ЭОП 2 и 2+,и в 10 раз больше чем у ЭОП 1.
Приборы на базе ЭОП 3-го поколения очень хорошо работают в условиях предельно низкой освещенности.Картинка в приборе насыщенная,четкая,с хорошим контрастом и проработкой деталей.В отличие от ЭОП 2+на входе отсутствует волоконно-оптическая шайба,поэтому нет защиты от боковых засветок,что затрудняет их использование в городских условиях.Из-за высокой стоимости,в 1,5-2,5 раза выше,чем II+,приборы на ЭОП 3 поколения в свободной продаже встречаются редко,и в основном применяются в спецтехнике (военные,спецслужбы и т.д.).
Производители ЭОП 3 признают, что не существует принципиальных различий в эффективности между новыми системами 3 поколений. Преимущества преобразователей третьего поколения становятся очевидными при старении этих устройств, так фотокатоды 2+ теряют чувствительность (деградируют) по мере использования. Ресурс таких ЭОП составляет около 3 000 часов.
Для быстрого ориентирования в рамках рассмотренной классификации следует
воспользоваться таблицей, в которой сведены основные характеристики ЭОП.
Однако для более полной оценки необходимо получить представление о специфических
требованиях, предъявляемых к оптическим узлам и конструкции таких приборов.
Достигнутое качество оптических компонентов не лимитировало разработку
ЭОП. Предел разрешения, определяющий минимальные угловые размеры доступного
для наблюдения объекта, определяется разрешающей способностью применяемых
МКП, то есть диаметром каналов. Сегодня ПНВ в среднем обеспечивает 30-40
штр./мм, лучшие образцы ЭОП III, предназначенные в основном для авиации,достигают 64 штр./мм. Диаметр пор в таких МКП составляет 5-6 мкм при толщине
в сотые доли мм. В связи с высокой хрупкостью эти пластинки чрезвычайно
сложны в изготовлении и обработке. Светоусиление в этих ЭОПах достигает
50 000-70 000 раз.
Фотокатод основе арсенида галлия очень требователен к величине остаточного давления внутри ЭОПа и легко подвержен "отравлению" ионами газов, что приводит к падению чувствительности фотокатода и сокращению срока службы ЭОП. Для защиты фотокатода на основе арсенида галлия используется ионно-барьерная пленка, нанесенная на входную поверхность МКП, которая предотвращает выход из каналов МКП положительных ионов и нейтральных газов (которые создаются в процессе бомбардировки электронами внутри каналов МКП) и тем самым сохраняет фотокатод, что увеличивает срок службы прибора. Интегральная чувствительность 1000-1800 мкА/лм, чувствительность на длинах волн 830 нм - 100-190 мА/Вт,коэффициент усиления 40000-70000, максимальное разрешение 45-64 штр/мм,соотношение сигнал-шум 16-21, срок службы 10000 часов.
Характеристики ЭОПов 1, 1+, 2+, 3 поколений.
Достоинства 3 поколения: выше коэффициент усиления, чувствительность и разрешающая способность, длительный срок службы, высокая устойчивость к перегрузкам.
Недостатки 3 поколения:Из общедоступных источников
3+ поколение без пленки
Иногда его называют поколением 3+. Вместо удаления ионно-барьерной пленки ее сделали в три раза тоньше, применили улучшенную МКП, а также поставили импульсный источник питания ЭОПа с уменьшенным напряжением. В результате удалось существенно повысить характеристики ЭОПа без уменьшения срока службы и устойчивости к перегрузкам. Благодаря импульсному источнику питания удалось избавиться от влияния ярких источников света на ЭОП. Интегральная чувствительность лежит в пределах 2000-2700 мкА/лм, чувствительность на длинах волн 830 нм - 190-250 мА/Вт, чувствительность на длинах волн 880 нм - 80-120 мА/Вт,коэффициент усиления 50 000-80 000, максимальное разрешение 64-72 штр/мм,соотношение сигнал-шум 25-28, срок службы 10000 часов.
Характеристики ЭОПов 1, 1+, 2+, 3, 3+ поколений.
Достоинства 3+ поколения: выше коэффициент усиления, меньше гало, выше чувствительность и разрешающая способность, длительный срок службы, высокая устойчивость к перегрузкам.
Недостатки 3+ поколения: ионно-барьерная пленка ухудшает максимальные характеристики.Из общедоступных источников
Цифровое поколение
В последнее время цифровое устройство ночное видения становится более популярным. Принцип работы цифровых приборов ночного видения существенно отличается от предыдущих. Можно сказать что предыдущие способы преобразования светя являются аналоговыми методами. Примерно как аналоговая и цифровая фотография. Принцип действия простой, в приборе стоит цифровая матрица которая работает в ИК спектре излучения и высоком усилении света, через объектив прибора, свет попадает на матрицу и матрица уже преобразует приходящий свет в изображение на цифровом экране прибора. Такие приборы отличаются существенным минусом - неспособность работать в сильной темноте без внешней ИК подсветки. В этом плане 2 поколение приборов существенно лучше. Однако плюсом таких приборов является то что они не боятся засветки и могут работать и днем и ночью.
Характеристики ЭОПов 1, 1+, 2+, 3, 3+, цифровых поколений.
Черные точки на ЭОПах ночного видения.
Черные точки на ЭОПах ночного видения. Несомненно, покупая прибор более чем за 100 тыс. рублей, хочется получить идеальный прибор. Но надо понимать,что это все таки серийное производство и по ГОСТ предусмотрено некоторое количество черных точек. Безусловно, наши специалисты отбирают самые «чистые» приборы. В любом случае черные точки присутствуют на каждом приборе, в одном случае это как укол иголочкой, в другом как звездное небо. На самом же деле, большинство точек в реальных условиях вы даже заметить не сможете. Потому как они заметны только в условиях когда вы смотрите на белую стену,а в условиях ночи в лесу они незаметны совершенно. К тому же, чистота поля зрения далеко не первый и даже не пятый пункт в показателях прибора. Например более «грязный» прибор по большинству показателей будет лучше «чистого».
Выбирайте прибор ночного видения, исходя из полученных знаний! Наш магазин имеет большой каталог приборов ночного видения на любой кошелек и любую задачу! Звоните и покупайте через сайт!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 .
