Усилители изображения

Описание

↑ Введение

Краткость данной главы никак не снижает ее важности, она скорее обусловлена простотой затрагиваемых в ней вопросов и сравнительно высоким уровнем совершенства существующих усилительных устройств.

Конечная цель применения любого детектора света состоит в счете отдельных фотонов. Фотоэмиттеры в комбинации с фотоумножителями позволили достигнуть данной - цели (для одноэлементных устройств)' уже в 30-е годы. В принципе, казалось бы, возможным осуществить это и с помощью электронно-оптических преобразователей (ЭОП) уже на сравнительно ранней стадии их разработки. На практике же потребовались годы работы по усовершенствованию технологии ЭОП, прежде чем удалось создать современные высокочувствительные, многоступенчатые усилители изображения. Усовершенствования касались увеличения квантовой эффективности фотокатодов и эффективности люминесценции фосфоров, уменьшения термически генерируемого темнового тока, разработки компактных источников высокого напряжения и методов соединения последовательных ступеней с помощью элементов волоконной оптики.

Разработки вакуумных усилителей началась давно, причем сравнительно быстро удалось достигнуть значительных успехов. Однако реализация подобного умножителя на твердом теле в значительно более компактной форме оказалась делом весьма трудным. Как известно, в вакуумном умножителе фотоэлектрон ускоряется до энергий в сотни и тысячи электрон-вольт простым приложением к устройству соответствующего электрического напряжения.

Средняя длина свободного пробега электрона в вакууме есть расстояние между катодом и анодом, и его можно сделать сколь угодно большим, тогда как средняя длина свободного пробега фотовозбужденного электрона в твердом теле составляет всего лишь несколько ангстрем, и на этом расстоянии электрон приобретает энергию порядка сотых долей электрон-вольта. Чрезвычайно трудно сообщить электрону энергию даже в несколько электрон-вольт, необходимую для ударной ионизации в материалах, обладающих достаточными изолирующими свойствами, и при этом избежать нежелательного увеличения темнового тока за счет полевой эмиссии.

Интересно также сопоставить энергию фотона, Возбуждающего электрон, с энергией уже освобожденного электрона, когда он оказывается на управляющем электроде усилительного триода. Энергия фотона в видимой области спектра равна примерно 2 эВ. Это в сто раз превышает среднюю энергию теплового движения при комнатной температуре. Следовательно, вероятность теплового возбуждения электрона с передачей ему энергии 2 эВ исчезающе мала. Число переходов атома или молекулы в возбужденное состояние с энергией 2 эВ за счет тепловых колебаний в 1 с равно



где наибольшее значение V есть частота колебаний решетки, равная 10¹⁴ с^-1. По этой причине при фотовозбуждении в видимой области спектра конкурирующий процесс теплового возбуждения почти совершенно не сказывается.
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Когда освобожденный электрон попадает на управляющий электрод усилительного триода, «сигнальное напряжение», которое можно приписать электрону, падает с первоначальной величины 2 В до величины порядка нескольких микровольт и ниже, в зависимости от емкости управляющего электрода. Это напряжение определяется соотношением V = е/С и равно 10^-8 В при С = 10^-11 Ф. И тогда «сигнальное напряжение» электрода теряется .в тепловых шумах сопротивления, присоединенного к управляющему электроду. Если бы мы захотели увеличить «сигнальное напряжение» электрона до исходных 2 В, то размеры управляющей сетки пришлось бы довести примерно до 1А (10^-8 см), то есть до атомных размеров, которые характерны для связанного электрона.

В следующей главе при рассмотрении твердотельных счетчиков фотонов мы вернемся к этому вопросу. Сейчас же мы только хотели бы обратить внимание читателя на тот факт, что энергия электрона резко уменьшается за время между освобождением электрона из связанного состояния и попаданием его на управляющий электрод.

↑ Различные типы усилителей изображения

На рис. 40—47 схематически показаны устройства усилителей изображения различных типов; они не требуют особых пояснений. Единственный вариант такого усилителя, в котором используется непрозрачный фотокатод, представлен на рис. 40.

Изображения, формируемые на последовательных ступенях усиления, испытывают сдвиговую дисторсию, которая обычно наблюдается при использовании для фокусировки цилиндрических электрических и магнитных полей. На рис. 41 показана сдвиговая дисторсия, получаемая после одной ступени усиления.

На рис. 42 изображено простое соединение электронно-оптических преобразователей.

Недостаток такой конструкции заключается в больших потерях света между секциями, обусловленных тем, что линзы собирают лишь малую долю света, испускаемого каждым флуоресцентным экраном.

В устройстве, представленном на рис. 43, электронное изображение усиливается с помощью расположенных один за другим экранов, изготовленных из сетки с мелкими ячейками.

Траектории электронов коллимируются аксиальным магнитным полем. Основные недостатки этого устройства — малый коэффициент усиления каждой секции и дефокусировка, возникающая из-за значительного (несколько электрон-вольт) разброса вторичных электронов по энергиям.

На рис. 44 показан усилитель изображения, в котором коллимация электронов осуществляется механически, с помощью набора тонких трубок, или каналов.

На поверхность каналов нанесено покрытие, обладающее достаточно высоким сопротивлением, что позволяет приложить напряжение в несколько тысяч вольт между входом и выходом канала. Разработка технологии изготовления покрытия и сенсибилизация этих каналов потребовали значительных усилий.

Все устройство чрезвычайно компактно. Его недостаток заключается в избыточном шуме, обусловленном самим процессом умножения, а именно число ступеней умножения, которые проходит каждый электрон, существенно зависит от величины и направления скорости, которую электрон приобретает при эмиссии.

В устройстве, изображенном на рис. 45, в качестве вторичных эмиттеров, работающих на пропускание, используются очень тонкие, толщиной всего лишь несколько микрометров, слои материала.

Первичные электроны, падающие на переднюю поверхность такого слоя, возбуждают сотни вторичных электронов в объеме пленки, являющейся эмиттером вторичных электронов, но лишь немногим из этих электронов удается пройти через всю пленку и выйти наружу. Энергия электронов чрезвычайно быстро теряется в твердом теле за счет испускания фононов. Скорость потери энергии за счет эмиссии фононов составляет 10¹³ эВ/с или 10⁶ эВ/см при хаотическом движении электронов. Весьма возможно, что если с помощью современной технологии изготовления эмиттеров с отрицательным сродством к электрону удастся увеличить коэффициент их вторичной эмиссии в режиме работы на пропускание, то подобная конструкция усилителя изображения получит дальнейшее развитие. В таких эмиттерах возбужденные в объеме вторичные электроны, даже если они попадут на дно зоны проводимости, все же могут быть эмиттированы, поскольку дно зоны проводимости находится выше «уровня вакуума» (рис. 46).

На рис. 47 показана более распространенная конструкция, в которой фосфор и фотоэмиттер тесно связаны в каждой ступени, так как они расположены на противоположных сторонах тонкого листка слюды или другого изолятора.

В каждой такой секции достигается усиление порядка 50—100 при напряжении на секции примерно 10⁴ В. Величина этого усиления оценивается произведением эффективности преобразования энергии фосфором (10%) и квантового выхода вторичных электронов, обеспечиваемого эмиттером. Общая эффективность, равная 1%, или 10^-2, означает, что из 10⁴ эВ — энергии падающего на фосфор электрона— в энергию вторичных фотоэлектронов преобразуется 100 эВ. Поскольку при фотоэмиссии в видимой области на один эмиттируемый электрон требуется затратить примерно 2 эВ, то каждая секция эмиттирует приблизительно 50 электронов на каждый падающий первичный электрон. Отметим, что в таком устройстве те же самые 10⁴ В, приложенные к первой секции, можно использовать и во второй, и в третьей секции, если тонкие пластинки изолятора способны выдержать без пробоя напряжение 10⁴ В.

Устройство, показанное на рис. 48, по существу является копией только что описанного, за тем исключением, что связь между фосфором и фотоэмиттером осуществлена здесь с помощью волоконно-оптических элементов. Последние представляют собой пучки тонких стеклянных волокон, сплавленных в один блок.

Свет, входящий через один торец стеклянного волокна, благодаря полному внутреннему отражению? не может пройти через его боковые поверхности И ВЫ¬ХОДИТ через другой торец с пренебрежимо малым ослаблением. Применение волоконной связи позволяет отдельно изготовлять несколько секций усилителя, благодаря чему значительно повышается выпуск готовой продукции. Волоконная оптика позволяет также использовать фотокатоды с искривленной поверхностью, так что электростатическая фокусировка изображения может быть осуществлена с пренебрежимо малой дисторсией.

На рис. 49 приведен пример изображения, полученного на выходе трехсекционного усилителя при ночном освещении. Относительное отверстие объектива составляет 1 :1,4, а время экспозиции 1/250 с.

↑ Типичные характеристики трехсекционного усилителя

Ниже приводятся характеристики трехсекционных усилителей изображения, разработанных в последнее время фирмой RCA. Эти усилители имеют длину примерно 20 см и диаметр 7—10 см. Фокусировка осуществляется в них однородным магнитным полем в несколько сотых теслы, дающим увеличение 1:1. Общее усиление, то есть отношение числа выходящих из устройства фотонов к числу падающих на него, порядка 5*10⁴. Входной (находящийся в первой секции) фотокатод в видимой области обладает квантовой эффективностью примерно 10% Благодаря достаточно высокому (~40) коэффициенту усиления каждой секции процесс усиления вносит пренебрежимо малый шум. Разрешающая способность составляет примерно 400 телевизионных линий на 1 см, или около 105 элементов изображения на 1 см².

Наконец, представляет интерес величина темнового тока этих устройств, определяющая минимальное значение интенсивности света на входе. Темновой ток первого фотокатода порядка 10⁵ электрон/(см²*с). Это эквивалентно потоку фотонов рассеянного света на первом фотокатоде 10⁶ фотон/см², или 10^-6 лк.

По порядку величины это близко к освещенности сетчатки глаза человека на абсолютном пороге его чувствительности. Величина 10⁵ электрон/см² соответствует также 0,1 электрона на один элемент изображения, разрешаемый в условиях высокой освещенности при времени накопления в зрительном процессе 0,1 с, или, иначе, разрешающей способности примерно 30 линий на 1 см при времени накопления 0,1 с и контрасте тестовой картины 100%. При уменьшении контраста число разрешенных линий на 1 см пропорционально падает. Темновой ток усилителя можно значительно уменьшить путем умеренного охлаждения вплоть до температуры сухого льда.

Усиление, обеспечиваемое трехсекционным усилителем изображения, по-прежнему слишком мало для того, чтобы наблюдать невооруженным глазом следы отдельных фотонов. Однако они должны быть видимы с помощью небольшого увеличительного стекла, если только время послесвечения фосфора менее 0,1 с.

Итак, данный усилитель изображения представляет собой устройство, ограниченное фотонным шумом, которое работает с квантовой эффективностью 10% вплоть до освещенностей 10^-7 лк.

Развитие технологии усилителей изображения позволило получить устройства с высокими характеристиками.

Трехсекционный усилитель изображения обеспечивает усиление света, приближающееся к 1 млн.

Такие устройства могут работать в режиме ограничения фотонным шумом и с квантовой эффективностью 10% вплоть до яркости примерно 10^-11 ламб.



Статья из книги: Зрение человека и электронное зрение А.Роуз 1977
.