Электронно-оптические преобразователи

§ - освещенность объекта; А - относительное отверстие (отношение диаметра входного зрачка системы к фокусному расстоянию).
Например, с помощью ЭОП с чувствительностью КГ³ лк можно наблюдать объекты на местности с освещенностью, равной

если р = 0,1; т = 0,5 и А = 1,1.
3. Коэффициент преобразования ц - отношение потока, излучаемого экраном во внешнюю полусферу, к потоку излучения, попавшему на фотокатод:

где ?» - 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 = 1Лф = US_K). Иногда светоотдачу выражают в кд Вт, в этом случае ^'= t^/к кд Вт, так как световой поток, излучаемый экраном, равен Ф_э = к_э, где 1_э - сила света, излучаемая экраном, лм/Вт t,_v'= Ф_э/Р_эл; U - ускоряющее напряжение, В.

• 
  4. Электронно-оптическое увеличение Г_э характеризуется увеличением или сжатием линейных размеров изображения предмета на экране по сравнению с размерами изображения на фотокатоде.
  
• 
  5. Коэффициент яркости //_L - отношение яркости экрана к освещенности (облученности) фотокатода:
  

Яркость р в числителе формулы введена потому, что глаз при наблюдении протяженных объектов реагирует на яркость изображения на экране.
Усиления яркости изображения на ЭОП можно добиться уменьшением масштаба изображения, а также повышением коэффициента преобразования и увеличением светосилы объектива.

• 
  6. Разрешающая способность N определяется по штриховым таблицам (мирам) как минимальное расстояние между штрихами, которое еще можно различить при наблюдении этой миры на экране ЭОП, и выражается числом штрихов, различаемых раздельно на участке в 1 мм (штр мм). Разрешающая способность ЭОП ограничивается зернистостью люминофора, фотокатода и аберрациями изображения.
  
• 
  7. Яркость темпового фона Lo 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

8. Инерционность t_H в основном определяется инерционностью экрана ЭОП и характеризуется длительностью возбуждения люминофора после появления электронного луча и длительностью послесвечения экрана после прекращения облучения (зависит от типа люминофора и может быть от нескольких микросекунд до нескольких часов.
Для увеличения чувствительности ЭОП используют такое последовательное соединение нескольких ЭОП, чтобы поток, излучаемый экраном первого, попадал на фотокатод второго и т.д., в этом случае второй и 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.
Отдельную группу оптико-электронных систем визуализации ИК-изображений составляют приборы ночного видения (ПНВ).
На рис. 3.9 представлена функциональная схема ПНВ с ЭОП нулевого поколения, где 1 - объектив, строящий инфракрасное изображение пространства объектов на фотокатоде 2, нанесенном на внутреннюю поверхность вакуумированной стеклянной колбы 3; 4 - система формирования электронного изображения (фокусирующая и ускоряющая система); 5 - люминесцентный экран; 6 - окуляр; 7 - глаз или какое-либо устройство для регистрации видимого изображения (телевизионная камера, ПЗС-матрица, фотопленка и т.п.).

Рис. 3.9. Функциональная схема ПНВ с ЭОП нулевого поколения {а)
и его внешний вид (б)
Конструкция блока питания ЭОП обычно состоит из двух частей: низковольтного источника («внешнего») и преобразователя низкого напряжения в высокое, необходимое для создания большой разности потенциалов (до десятков киловольт) между анодом и фотокатодом, а также между электродами фокусирующей и ускоряющей системы и фотокатодом («внутренний» источник питания). Потребляемый при этом ток очень мал.
Основные параметры ЭОП и ПНВ определяются свойствами основных узлов ЭОП: фотокатода, фокусирующей и отклоняющей систем, экрана-анода.
На рис. ЗЛО приведены спектральные характеристики наиболее употребляемых в ЭОП фотокатодов.

Рис. ЗЛО. Спектральные характеристики фотокатодов типов: S-l (1);
Super S-25 (2); S-25 (3); GaAs (4); GaAs:In (5)
В ЭОП первого поколения, работающих в ИК-области спектра, обычно используются серебряно-кислородноцезиевые фотокатоды (чувствительные в диапазоне длин волн до 1,3... 1,4 мкм). Их средний квантовый выход составляет около 0,5 %, а интегральная чувствительность - до 1000 миллиампер на люмен.
К числу важнейших параметров люминесцирующих экранов- анодов относятся: спектральная характеристика излучения экрана; интегральная яркость свечения экрана; светоотдача, разрешающая способность; размер экрана; инерционность или время послесвечения люминофора; яркость темпового фона, т е. яркость экрана в отсутствие облучения фотокатода, но при наличии номинального рабочего питающего ЭОП напряжения.
По времени послесвечения экраны иногда делят условно на группы, а временной дипазон составляет от 1(Г⁵ до 16 с.
Для визуального наблюдения обычно выбирают люминофоры на базе легированных медью и серебром соединений ZnS, создающие желто-зеленое свечение.
Кроме ЭОП ПНВ различают преобразователи нулевого поколения инверторного типа, т.е. с оборачиванием изображения (в США их также называют ЭОП первого поколения - GEN1), имеющие плоские входные и выходные окна вакуумированного корпуса Их коэффициенты преобразования достигают 1000, а оновным недостатком является неравномерное разрешение по полю изображений и сложность оптической системы.
Для улучшения равномерности разрешающей способности применяют на входе и (или) на выходе ЭОП волоконно-оптических элементов (ВОЭ) - плосковогнутых волоконно-оптических пластин. Такие приборы относят к ЭОП первого поколения (в США - ОЕМ1⁺), но они заметно дороже, так как более 30 % его стоимости приходится на ВОЭ. Кроме того, применение ВОЭ ведет к дополнительным оптическим потерям.
Другим решением проблемы является установка мелкоструктурной сетки в отверстии диафрагмы, размещаемой перед анодом ЭОП. Такая система фокусировки позволяет уменьшить длину ЭОП при неизменном диаметре фотокатода и улучшить качество изображения по полю. Примером эффективности этого конструктивного решения явилась разработка малогабаритного ЭОП О-Бирег с рабочим диаметром фотокатода 14 мм при общем диаметре ЭОП 30 мм и длине 24 мм. Разрешение ЭОП в центре поля составило 40 - 45, а на диаметре 12 мм - 15 - 20 линий на миллиметр. Чувствительность фотокатода с фильтром К-17 >160 мкА/лм, коэффициент усиления яркости > 500, яркость темнового фона менее 2• 10^-3 кд/м².
Для увеличения коэффициента преобразования ЭОП выполняют каскадирование ЭОП (модулей). В качестве примера на рис. 3.11 показано устройство трехкаскадного ЭОП первого поколения. Входное (ИК- или УФ-) изображение формируется объективом на передней поверхности ВОЭ - 1 и передается на фото катод 2 первого каскада I.
Электронно-оптическая система 3 ускоряет и фокусирует испускаемые за счет фотоэмиссии электроны с люминесцентного экрана 4. Полученное в каскаде I изображение передается через однотипные каскады II и III с большим усилением по яркости на выходной экран 5 (экран каскада III) и выходной ВОЭ, оптические ускоряющие системы и экраны-аноды увеличиваются от каскада к каскаду, достигая нескольких десятков киловольт.

Рис. 3.11. Трехкаскадный ЭОП первого поколенияВ ЭОП второго поколения для увеличения коэффициентов преобразования и яркости применяется микроканальный усилитель вторичной эмиссии - микроканальная пластина (МКП), показанная на рис. 3.12//.

Рис. 3.12. Устройство и принцип работы МКП: а - общий вид МКП, б - схема процесса вторичной электронной эмиссии, в - МКП в разрезе
Диаметры каналов современных МКП D_K составляют менее 5 - 6 мкм при периодах размещения отдельных элементов D„ 6,5 - 7,5 мкм. Поскольку использование МКП исключает дисторсию изображения, что очень важно, разрешение современных ЭОП с МПК достигает 64 лин/мм и более.
Возникновение «обратного» потока положительных ионов, бомбардирующих фотокатод (рис. 3.12,6), укорачивает срок службы таких ЭОП. Для ослабления этого потока используются ионнобарьерные пленки, препятствующие приходу ионов на фотокатод
(однако пленки ослабляют поток эмиттируемых фотокатодом электронов, что уменьшает коэффициенты преобразования и яркость).
Чтобы эмиттируемые электроны не пролетали сквозь капилляры МКП без соударения со стенками, на которые нанесен фотоэмиссионный слой, оптические оси капилляров располагают под некоторым углом ос относительно нормали к торцевой поверхности МКП (рис. 3.12,в).
Коэффициент усиления ЭОП с МКП зависит от диаметра капилляров D_K и угла ос, а также от отношения длины (толщины) МКП Ь_мкп к ее диаметру D_MKn и составляет от 4-10³ до 210⁸.
Структура ЭОП с МКП показана на рис. 3.13. Благодаря применению МКП удалось существенно уменьшить продольные размеры ЭОП и использовать их в нашлемных ПНВ, очках и биноклях ночного видения.

Рис. 3.13. Структура ЭОП второго поколения с микроканальным усилителем (МКП-4): 1 - волоконно-оптический элемент; 2 - фотокатод; 3 - электронно-оптическая фокусирующая система; 4 - микроканальная волоконно-оптический пластина; 5 - волоконно- оптический элемент; 6 - катодолюминесцентный экран;
7 - корпус с вакуумными спаями Поскольку при большой облученности фотокатоды ЭОП могут разрушаться, многие ПНВ с ЭОП оснащаются системой автоматической регулировки яркости (АРЯ) и системой защиты от ярких источников облучения. Система АРЯ управляет напряжением, питающим МКП, а система защиты от ярких источников, использующая регулируемые диафрагмы и заслонки (обтюраторы), может даже отключать источник питания ЭОП.
В ЭОП второго поколения (ЭОП II или GEN II) используются мультищелочные фотокатоды, чувствительные в ближнем ИКдиапазоне (С25 и C25R), позволяющие обнаруживать лазерное излучение (лазерную подсветку) на длине волны А, = 1,06 мкм.
В таких бипланарных конструкциях (ЭОП III или GEN III) (рис. 3.14) используют плоскопараллельный волоконно-оптический элемент ВОЭ 1, плосковогнутый волоконно-оптический элемент ВОЭ 2, а также плоскопараллельный, оборачивающий изображение ВОЭ 3 и микроканальную пластину МКП.

Рис. 3.14. Схемы ЭОП бипланарных конструкций
В качестве примера в табл. 3.1 приведены параметры некоторых МКП для ЭОП II, предназначенных как для преобразования изображений, так и для обнаружения подсветки ПНВ противником.
В настоящее время в ответственных системах ПНВ широко используются ЭОП III, технология изготовления которых требует обеспечения строгой параллельности фотокатода, торцев МКП и экрана-анода, ультравысокого вакуума при сборке (до 1СГ¹⁰ Торр) и крайне сложна. Такие ЭОП III в несколько раз дороже ЭОП II, но срок службы их гораздо больше.
В настоящее время в ответственных системах ПНВ широко используются ЭОП ///, технология изготовления которых требует обеспечения строгой параллельности фотокатода, торцев МКП и экрана-анода, ультравысокого вакуума при сборке (до КГ¹⁰ Торр) и крайне сложна. Такие ЭОП III в несколько раз дороже ЭОП II, но срок службы их гораздо больше.
Таблица 3.1
Параметры МКП фирмы GALILEO

Входной диаметр, мм

Диаметр МКП, мм

Межцентровое расстояние капилляров Dw, мкм

Диаметр капилляра DK, мкм

Угол наклона ос,