Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Электронно-оптические преобразователи изображения

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



, (1)

где U0 – напряжение, определяющее начальную энергию электронов (для кислородно-серебряноцезиевого фотокатода U0 = 0,3 В ), Uy – 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:

(2)

Если v0 = 0, то и время пролета электрона:

(3)

Из формулы (1) видно, что для увеличения разрешающей способности ЭОПа следует увеличивать ускоряющее напряжение и уменьшать расстояние между катодом и экраном. Однако это положение оказывается справедливым только до определенных пределов. При напряженности поля у фотокатода порядка 10 кВ/см начинается автоэлектронная эмиссия с катода, вызывающая свечение экрана и резко снижающая контрастность изображения. Увеличение ускоряющего напряжения и уменьшение расстояния между фотокатодом и экраном может привести к электронному пробою между ними и выходу ЭОПа из строя; кроме того уменьшение l приводит к обратной засветке фотокатода от излучения экрана и появлению паразитного фона. Эти факторы ограничивают разрешающую способность двухэлектродных преобразователей. Максимальная разрешающая способность, которую с ними удавалось получить, составляла не более 10 – 12 штр/мм. Для улучшения разрешающей способности ЭОПов было предложено ввести электростатическую или магнитную фокусировку электронов.

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 Тс=2854 К), попавшему на фотокатод:

,

где S выражается в мкА/лм.

Спектральная чувствительностьSλ равна отношению величины фототока iλ к величине потока от источника монохроматического излучения Фλ и определяет область спектра, в которой может работать данный ЭОП.

Иногда чувствительность ЭОПа характеризуют в единицах облученности. Освещенность на фотокатоде

,

где Ек выражается в лк; ρ – коэффициент отражения наблюдаемого объекта; τ – коэффициент пропускания оптической системы, используемой с ЭОПом; Еоб – 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

лк,

если ρ = 0,1; τ = 0,5 и А = 1,1.

Коэффициент преобразованияη – отношение потока, излучаемого экраном во внешнюю полусферу, к потоку излучения, попавшему на фотокатод:

,

где ξυ – световая отдача экрана, представляющая собой отношение светового потока, излучаемого экраном, к мощности облучающего экран электронного потока (мощность электронного пучка, попадающего на экран равна Рэл = Uiф = USФк. Иногда светоотдачу выражают в кд/Вт, в этом случае ξυ´= ξυ/π кд/Вт, так как световой поток, излучаемый экраном Фэ = πIэ, где Iэ – сила света, излучаемая экраном), лм/Вт, ξυ´= Фээл; U – ускоряющее напряжение, В.

Электронно-оптическое увеличение Гэ характеризуется увеличением или сжатием линейных размеров изображения предмета на экране по сравнению с размерами изображения предмета на фотокатоде.

Коэффициент яркостиηL – 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 способностьN 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 Lо 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

.

Инерционностьtи 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.

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
| Электронно-оптические преобразователи изображения

Дата добавления: 2014-01-05; Просмотров: 840; Нарушение авторских прав?;


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:


Читайте также:



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2017) год. Не является автором материалов, а предоставляет студентам возможность бесплатного обучения и использования! Последнее добавление ‚аш ip: 54.224.128.175
Генерация страницы за: 0.088 сек.