Электронно-оптический преобразователь

 

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) относится к электронной технике и предназначен для усиления яркости изображения и (или) переводу изображения из одной спектральной области в другую. Техническим результатом является повышение разрешающей способности и уменьшение световых потерь. ЭОП содержит корпус, входное и выходное окна, фотокатод и элемент электронной оптики, снабжен светофильтрами на входном окне и цветовоспроизводящим экраном в виде прибора зарядовой связи. 2 ил.

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для усиления яркости изображения и (или) перевода изображения из одной спектральной области в другую.

Известно, что электронно-оптические преобразователи (ЭОП) предназначены для преобразования изображения, создаваемого на фотокатоде рентгеновскими, ультрафиолетовыми, видимыми или инфракрасными лучами в видимое изображение на флуоресцирующем экране. Результатом такого преобразования может являться усиление яркости изображения, перенос изображения из одной спектральной области в другую либо из одной плоскости в другую.

Простейший ЭОП выполнен в виде стеклянного, металлокерамического корпуса, вакуумированного до давления 1,33•10^-3 ..., 1,33•10^-4 Па, с входным и выходным окнами. За входным окном расположен фотокатод, а выходное окно снабжено флуоресцирующим экраном. Между экраном и фотокатодом приложено напряжение 10-15 кВ (прототип).

Под действием видимого или невидимого излучения от объекта, попадающего на фотокатод, последний излучает электроны в сторону экрана. Число электронов, испускаемых каждой точкой фотокатода, пропорционально ее освещенности. Следовательно, яркость изображения на экране зависит от освещенности фотокатода, степени эмиссии фотокатода, а также от качества фокусирующей системы. Для того чтобы хорошо различать детали изображения на экране ЭОП, его яркость должна быть не менее десятков кандел на квадратный метр.

Кроме яркости изображения, важнейшими характеристиками ЭОП являются также коэффициент преобразования, т. е. отношение величины светового потока, излучаемого экраном (в люменах), к величине светового потока (в люменах), падающего на фотокатод от источника. К ним также относятся коэффициент яркости, т.е. отношение величины яркости экрана к соответствующей величине освещенности фотокатода, а также разрешающая способность, интегральная и спектральная чувствительность и др.

Условно перечисленные характеристики ЭОП возможно охарактеризовать как степень информативности изображения, получаемого на экране ЭОП. Например, увеличение коэффициента яркости достигается, в частности, за счет введения так называемых каскадных ЭОП [1]. Они представляют собой многокамерный ЭОП, где экран предыдущего ЭОП сочленен с фотокатодом последующего. Так, трехкамерные ЭОП при использовании многоцелевого входного фотокатода дают усиление яркости до 10⁶ раз.

Однако разрешающая способность каскадных ЭОП резко изменяется в пределах площади фотокатода из-за искривления поверхности изображения в камерах. Если в центре фотокатода двухкамерного ЭОП разрешающая способность составляет 18 лин/мм, то на расстоянии 10 мм от центра фотокатода она уменьшается до 4 лин/мм.

Для улучшения разрешения по полю при соединении камер применяются волоконные световоды. Так, трехкамерные ЭОП с волоконным светопроводом фирм "Electro-Optical Sistems", "RCA" и др. обеспечивают при освещенности местности звездами (~ 10^-5 - 10^-3 лк) и коэффициенте усиления яркости в (40-60)•10³ разрешающую способность 20 лин/мм в центре и 18 лин/мм по краям изображения.

Другой тип ЭОП с высокими коэффициентами усиления и разрешающей способностью оснащен канальным электронным умножителем [1], выполненным в виде блока полых трубок диаметром 0,1-0,8 мм и установленным на пути электронного потока. При соответствующем соотношении между диаметром канала и величиной приложенного к трубке напряжения вторичные электроны совершают многократные акты вторичной эмиссии, в результате чего ток на выходе канального умножителя во много раз превышает ток на его входе.

Например, микроканальный электронный умножитель (пластина), выполненный в виде шайбы диаметром 30 мм и толщиной 2 мм, составленный из параллельных канальных умножителей диаметром 55 мкм, обеспечивает коэффициент усиления по яркости 1,4•10⁶, а коэффициент усиления по току такой же, как в трехкамерной ЭОП с оптическим контактом. Диаметры каналов современных микроканальных пластин лежат в пределах от 6 до 12 мкм.

Шайба расположена на расстоянии 1,5 мм от люминесцентного экрана при разности потенциалов между ними 5 кВ. Тем не менее, всем перечисленным системам присущ один и тот же недостаток - все они формируют изображение на длине волны порядка 0,55 мкм, что не позволяет получить высокую степень информативности, которую создают цветные системы.

Задачей настоящего изобретения является повышение разрешающей способности преобразователя и уменьшение световых потерь.

Эта задача решается тем, что в ЭОП, содержащем корпус с входным и выходным окнами, фотокатод, элемент электронной оптики и экран, перед фотокатодом установлена совокупность светофильтров, выполненных в виде мозаично чередующихся триад, предназначенных для выделения основных длин волн в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом диапазонах спектра, экран выполнен цветовоспроизводящим, в виде свечения. Экран выполнен в виде размещенной внутри корпуса ЭОП электронно-возбуждаемого прибора зарядовой связи, обращенного пикселями светочувствительной площадки к выходному окну ЭОП.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство, а на фиг.2 - вид А.

Цветной ЭОП (фиг.1) содержит герметичный металло-стеклокерамический корпус 1, вакуумированный до давления 10^-3-10^-4 Па, что необходимо для беспрепятственного движения электронов. Входное окно 2 выполнено в виде газонепроницаемой волоконно-оптической пластины (ВОП) 3.

Ближайшие друг к другу волокна 4, ВОП 3 образуют триады и выполнены в виде светофильтров 5, например, красного (R), синего (В) и зеленого (G) цветов. Триады RGB фильтров сгруппированы в теле ВОП 3 таким образом, чтобы каждый элементарный фильтр 5 был окружен чередующимися фильтрами двух других цветов (фиг.2). В частном случае триады RGB фильтров 5 могут быть размещены на входной (по ходу излучения) поверхности ВОП 3 соосно с волокнами 4 ВОП 3. Каждый из элементарных RGB фильтров 5 предназначен для пропускания света только в определенной спектральной полосе с максимумом на соответствующей длине волны λ_R = 0,65 мкм, λ_G = 0,53 мкм и λ_в = 0,43 мкм (для видимого диапазона спектра).

На входную поверхность ВОП 3 (фиг.1) нанесен полупрозрачный фотокатод 7, имеющий относительно равномерную чувствительность в спектральном диапазоне 0,3-0,7 мкм.

Во внутреннем объеме корпуса 1 ЭОП за фотокатодом 6 установлен элемент электронной оптики, выполненный, например, в виде микроканальной пластины 7 (МКП), каналы которой имеют тот же диаметр, что и элементарные фильтры 5 ВОП 3.

Структура входных отверстий каналов МПК 7 геометрически подобна структуре фильтров 5 ВОП 3, т.е. фильтры 5 ВОП 3 и каналы МКП 7 попарно соосны.

Каналы МКП 7 расположены под углом α = 11-13^o к оси ЭОП и покрыты внутри тонким эмиссионным слоем. На поверхности МКП 7 с обеих ее сторон нанесены токопроводящие пленки 8, причем пленка, обращенная к фотокатоду является ионно-барьерной и служит для предотвращения бомбардировки фотокатода положительными ионами.

Выходное окно 9 включает стеклянный экран 10 с полупрозрачной токопроводящей пленкой 11 и нанесенные на нее со стороны входа ЭОП пятна люминофора 12 красного (R), синего (В) и зеленого (G) свечения, которые также сгруппированы в RGB-триады и равномерно распределены по поверхности экрана.

Диаметр пятен люминофора 12 и их пространственное расположение на поверхности экрана 11 геометрически подобны структуре фильтров 5 ВОП 3. То есть, например, красный светофильтр через соответствующий канал МКП 8 сопряжен с пятном люминофора красного свечения и т.п.

Наклон каналов МКП 7, равный 11-13^o скомпенсирован сдвигом мозаичной структуры пятен люминофора 12 по отношению к структуре фильтров 5 ВОП 3 на величину Х Х = h • tg α, где h - толщина МКП, α - угол наклона канала МКП.

На электроды фотокатода 6, МКП 7 и экрана 10 подается постоянное напряжение, равное соответственно -180 В, +900 В и +6 кВ.

Выходное окно 9 может быть выполнено в виде волоконно-оптической пластины 3, на входную поверхность которой нанесены пятна люминофора 12 красного (R), зеленого (G) и синего (В) свечения, сгруппированные в RGB-триады, расположенные соосно с волокнами 4 ВОП 3 и образующие цветовоспроизводящий экран.

Размеры пикселов матрицы, их расположение, количество и шаг должны быть геометрически подобны соответствующим параметрам RGB-триад входного окна.

При отличии поперечных размеров матрицы от размеров фотокатода вводится соответствующее электронное масштабирование.

Устройство работает следующим образом.

Белый свет от источника низкой интенсивности (звезды, луна и т.п.) падает на цветной объект, отдельные фрагменты которого отражают его на определенных длинах волн. Отраженный свет улавливается апохроматической оптической системой (ОС), которая формирует на поверхности входного окна 2 ЭОП цветное изображение объекта. При этом различным его цветовым фрагментам будут соответствовать электромагнитные колебания различных длин волн. Лучи света, пройдя через фильтры 5 RGB-триад и толщу фотокатода 6, выбивают электроны из поверхности фотослоя. Число электронов, испускаемых каждой из точек фотокатода, нанесенного на соответствующие фильтры RGB-триад, будет пропорционально их освещенности и длине волны (цвету) "накрывающего" их фрагмента изображения.

Электроны, эмитированные фотокатодом, фокусируются, ускоряются электрическим полем и попадают на тыльную сторону (подложку) электронно-возбуждаемой цветной ПЗС-матрицы. Таким образом, на подложке матрицы формируется электронное изображение объекта, плотность отдельных элементов которого зависит от расположения и отражающих свойств цветных фрагментов на поверхности объекта. В результате столкновения первичных электронов с материалом подложки (это, как правило, кремний р-типа) возникает большое количество вторичных электронно-дырочных пар. Вторичные носители заряда (в частности, электроны) диффундируют к фронтальной поверхности ПЗС-матрицы и накапливаются в потенциальных ямах 15, образуя сигнальный заряд. Т.е. кремниевая подложка ПЗС-матрицы выполняет роль микроканальной пластины (МКП) ЭОП, но при этом из-за отсутствия ионно-барьерной пленки практически не вносит шумов в усиливаемый поток электронов. Система фокусировки ЭОП работает таким образом, что электроны, выбитые из фотокатода светом, прошедшим, например, через красный фильтр RGB-триады, аккумулируются в потенциальной яме (ячейке), расположенной под "красным" пикселом ПЗС-матрицы и т.д.

Далее, с помощью блока управления 18 осуществляется поэлементное считывание сигнала с потенциальных ям ПЗС-матрицы, его обработка и формирование видеосигнала. При этом сигналы с ячеек матрицы, расположенных против R-фильтров 5 входного окна 2, подаются на элементы цветного экрана 19 красного свечения, расположенных против G-фильтров, - на элементы зеленого свечения и, наконец, расположенных против В-фильтров, - на элементы синего свечения. Таким образом на экране 19 формируется цветное изображение наблюдаемого объекта. Одна из возможных конфигураций RGB-триад фильтров 5 ячеек цветной ПЗС-матрицы представлена на фиг.2.

Если фильтры 5 RGB-триад входного окна 2 ЭОП заменить на фильтры, работающие в инфракрасной (ИК), ультрафиолетовой (УФ) или любой другой области спектра, для которой разработаны фотокатоды (при этом структура выходного окна 2 должна быть оставлена без изменений), то полученное устройство будет формировать изображение с необычным для глаза человека распределением цветов. Однако по уровню "цветовой" информативности ИК или УФ ЭОП с электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицей будет аналогичен описанному выше цветному ЭОП для видимой области спектра, т.е. будет формировать истинное (а не квази-) цветное изображение. Максимумы спектральных характеристик фильтрующих триад для областей спектра, отличных от "видимого диапазона", необходимо подбирать по следующей схеме преобразования цветов (проиллюстрируем ее на примере ИК-области): синему пикселу цветной электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы должен соответствовать наиболее коротковолновый ИК-фильтр; зеленому - фильтр с максимумом пропускания в средней области ИК-диапазона и, наконец, красному - длинноволновый ИК-фильтр.

В предлагаемом устройстве по сравнению с известными достигается повышение качества изображения за счет улучшения разрешающей способности и уменьшения световых потерь.

Достижение поставленной цели обеспечивается исключением в конструкции ЭОП микроканального усилителя первичных электронов на МКП, оптической системы переноса изображения с экрана ЭОП на светочувствительную площадку ПЗС-матрицы для формирования видеосигнала и флуоресцирующего экрана в виде равномерно и дискретно расположенных зерен люминофора.

Наличие МКП существенно ограничивает разрешающую способность ЭОП из-за дискретности и конечного диаметра ее каналов (не менее 6-12 мкм). Кроме того, использование МКП приводит к появлению дополнительных шумов, возникающих из-за наличия на ее поверхности защитной ионно-барьерной пленки. В предлагаемом устройстве усилителем первичных электронов является подложка электронно-возбуждаемой цветной ПЗС-матрицы.

Оптическая система переноса изображения также ухудшает разрешающую способность системы в целом и увеличивает световые потери за счет поглощения, отражения и геометрического ограничения светового потока. В предложенном устройстве в отличие от известных цветных ЭОП осуществляется прямое преобразование электронного изображения в видеосигнал без дополнительного "классического" преобразования "фотон-электрон", Это относится не только к телевизионным системам с ЭОП, но и к визуальным приборам, типа бинокль, прицел ночного видения, в которых функцию оптической системы переноса, как правило, выполняет окуляр.

Флуоресцирующий экран приводит к снижению разрешающей способности из-за зернистой структуры слоя люминофора, нанесенного на внутренней поверхности экрана ЭОП, вторичных отражений света на поверхностях экрана, представляющего собой стеклянную пластину, и как следствие - дополнительное возбуждение и свечение зерен люминофора, воспринимаемое как растекание изображения на экране ЭОП.

Литература 1. D. G. Stearns, J.D. Wiedwald, Response of charge-coupled devices to direct electron bombardment. Rev. Sci. Inctrum. 60 (1989), No. 6, 1095-1103.

Формула изобретения

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) содержащий корпус с входным и выходным окнами, фотокатод, перед которым установлена совокупность светофильтров, элемент электронной оптики и цветовоспроизводящий экран, причем входное окно выполнено в виде волоконно-оптической пластины (ВОП), а на ее входной поверхности соосно с волокнами ВОП размещены мозаично-чередующиеся триады светофильтров основных (R,G,B) длин волн, отличающийся тем, что экран выполнен в виде размещенного внутри корпуса ЭОП электронно-возбуждаемого прибора зарядовой связи, обращенного пикселями светочувствительной площадки к выходному окну ЭОП.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2