Каково разрешение электронно-оптического преобразователя?

Введение в усилители изображения

Усилители изображения — это электрооптические устройства, которые позволяют просматривать изображения в условиях низкой освещенности. Впервые они были разработаны в 1950-х годах для использования в военных целях, но с тех пор нашли множество других применений. В этой статье я предоставлю обзор того, как работают усилители изображения, и обсудю ключевой параметр производительности — разрешение усилителя изображения.

 

 

Принципы работы ЭОП

Основной принцип работы усилителя изображения заключается в увеличении количества падающего света от сцены так, чтобы тускло освещенную сцену можно было увидеть человеческим глазом или зафиксировать камерой. Это достигается за счет сочетания специализированных материалов и компонентов.

 

Основными компонентами ЭОП являются фотокатод, микроканальная пластина (МКП) и люминофорный экран. Фотокатод представляет собой фотоэмиссионный материал, который преобразует фотоны из сцены при слабом освещении в электроны посредством фотоэлектрического эффекта. Затем электроны ускоряются по направлению к MCP посредством электростатического поля.

 

 

МКП представляет собой тонкую стеклянную пластинку, содержащую миллионы микроскопических каналов. Каждый канал функционирует как независимый электронный умножитель. Когда электроны из фотокатода попадают в каналы, они ударяются о стенки канала, вытесняя дополнительные электроны посредством вторичной эмиссии. Этот каскадный эффект приводит к большому усилению электронов — до 30,000 раз.

 

Умноженные электроны, выходящие из MCP, ударяются о люминофорный экран, где они преобразуются обратно в фотоны видимого спектра. Это более яркое изображение можно затем наблюдать через линзу окуляра.

 

Ключевые факторы, влияющие на разрешение усилителя изображения

Разрешение усилителя изображения означает его способность различать мелкие детали изображения. На разрешение влияет несколько факторов, в том числе:

 

Размер входного фотокатода. Фотокатоды большего размера позволяют захватывать больше пространственных деталей.

Конструкция MCP. Плотность, диаметр и длина микроканалов влияют на разрешение. Меньшие по размеру и более плотно упакованные каналы обеспечивают более высокое разрешение.

Выходной люминофорный экран. Более мелкие люминофоры сохраняют больше деталей. Близость к МКП также важна.

Оптическая связь между компонентами. Согласование показателей преломления обеспечивает эффективную передачу пространственной информации.

Электронный датчик изображения. Если он присутствует, размер и количество пикселей устанавливают фундаментальный предел разрешения.

 

Количественная характеристика разрешения

Существует несколько ключевых показателей, используемых для количественной оценки разрешения усилителей изображения:

 

Пар линий на миллиметр (LP/мм) — определяется путем визуализации тестового шаблона из черных и белых линий на различных частотах. Максимальное количество разрешаемых пар линий на мм указано в технических характеристиках.

Минимальная разрешимая разница температур (MRTD). Измеряет разницу температур, необходимую для того, чтобы отличить объект от фона. Более высокое разрешение соответствует более низким значениям МСПД.

Функция передачи модуляции (MTF) — оценивает сохранение контраста как функцию пространственной частоты. Кривые MTF позволяют напрямую сравнивать характеристики разрешения.

Факторы, ограничивающие разрешение усилителя изображения

Хотя современные усилители изображения могут разрешать 50-100 пл/мм, существуют определенные факторы, которые существенно ограничивают их разрешение:

 

Размер пор микроканальной пластины. Определяет диаметр электронного облака, вызывающего размытие изображения. Размер пор обычно составляет 3-10 мкм.

Рассеяние электронов в МКП. Столкновения в каналах расширяют распределение электронов, снижая резкость. Более высокие ускоряющие напряжения минимизируют рассеяние.

Неравномерное освещение люминофора. Изменения выходной яркости по экрану ухудшают качество изображения. Это можно улучшить за счет уменьшения размера зерна фосфора.

Источники собственного шума. Темновой токовый шум в фотокатоде и MCP устанавливает нижнюю границу разрешения. Охлаждение может помочь снизить термический шум.

Требования к разрешению для различных приложений

Необходимое разрешение во многом зависит от предполагаемого применения усилителя изображения. Некоторые типичные варианты использования и связанные с ними требования:

 

Очки ночного видения: 25-35 LP/мм обеспечивают достаточную осведомленность о ситуации и мобильность пользователя.

Системы камер: 50-100 LP/мм позволяют обнаруживать и распознавать военные цели на полезных дистанциях.

Просмотр звездного света: максимально возможное разрешение позволяет различать тусклые звезды и небесные объекты. 60-70 LP/мм является типичным.

Fluorescence imaging: Require the highest possible resolution (>70 LP/мм) для визуализации наноразмерных биологических структур.

Рентгеновская визуализация: разрешения около 10 пл/мм достаточно при обнаружении крупных внутренних структур.

 

Заключение

Таким образом, разрешение усилителя изображения зависит от деталей его конструкции и отдельных компонентов. Хотя современные устройства способны разрешать очень мелкие детали, существуют физические факторы, которые накладывают фундаментальные ограничения. При применении усилителей изображения пользователь должен учитывать разрешение, необходимое для его конкретных потребностей. Тщательное тестирование и сравнение с такими показателями, как LP/мм, MRTD и MTF, позволяют правильно выбрать устройство и обеспечить оптимальную производительность системы.

 

Рекомендации

Хольст, Джеральд К. Производительность электрооптической системы визуализации. СПАЙ Пресс, 2018.

Ярчук О. и др. «Разрешение ЭОПов». Оптическая инженерия 34.1 (1995): 242-249.

Уильямс, Джеральд О. «Кошачий глаз, оптимизированная сетчатка для ночного видения». Труды IEEE 58.11 (1970): 1937-1948.