электронно-оптический преобразователь

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ЭОП) - электровакуумный прибор для преобразования невидимого глазом изображения объекта (в ИК-, УFи рентг. лучах) в видимое и для усиления яркости изображения.

В ЭОП (рис. 1) происходит двойное преобразование изображения: оптич. или рентг. изображение с помощью фотокатода 1 преобразуется в электронное, к-рое далее на люминесцентном экране 3 преобразуется в видимое или в изображение большей яркости. Испускаемые катодом электроны ускоряются электрич. полем 2 и приобретают энергию, достаточную для возбуждения свечения экрана. Так происходит усиление яркости изображения.

Рис. 1. Схема плоского электронно-оптического преобразователя: 1-фотокатод; 2-электрическое поле; 3-люминесцентный экран.

Спектральные характеристики чувствительности фотокатода и яркости свечения люминесцентного экрана могут иметь максимумы в разл. диапазонах длин волн, поэтому, в общем случае, происходит перенос изображения из одной спектральной области в другую.

Если электроны, испускаемые отд. малым элементом фотокатода, переносятся электрич. полем на соответствующий малый элемент люминесцентного экрана, то на экране создаётся изображение, состоящее из множества светящихся элементов, геометрически подобное изображению, проецируемому на фотокатод. Поскольку ток с каждого элемента фотокатода пропорционален падающему на него световому потоку, а яркость свечения элементов экрана (при умеренной плотности тока) линейно связана с величиной приходящего на него тока, распределение яркости свечения по экрану достаточно точно воспроизводит распределение освещённости по фотокатоду. T. о., изображение на экране и по форме и по яркости воспроизводит изображение, проецируемое на фотокатод.

Параметры ЭОП. Осн. параметром ЭОП является коэф. преобразования, или величина усиления светового потока h_Ф, определяемая как отношение светового потока, излучаемого экраном Ф_э, к световому потоку, падающему на фотокатод Ф_к. При чувствительности фотокатода k_ф, ускоряющем (анодном) напряжении U_a и световой отдаче экрана k_э коэф. преобразования

ЭОП, используемые для усиления яркости изображения, характеризуются коэф. усиления яркости h_В, определяемым как отношение яркости свечения экрана к освещённости фотокатода и измеряемым в кд/м² · лк. При одинаковых размерах экрана и фотокатода (переносе изображения в масштабе 1:1) величины коэф. усиления яркости и коэф. преобразования связаны соотношением h_В = h_Ф/p. Для увеличения яркости свечения экрана при тех же значениях параметров k_ф, k_э, U_a часто используют перенос изображения с уменьшением. Если линейный размер (диаметр) экрана в 1/Г раз (Г - коэф. увеличения) меньше диаметра фотокатода, яркость свечения экрана возрастает в Г² раз, т. е. коэф. усиления яркости увеличивается в Г² раз (см. Увеличение оптическое).

Вторым параметром ЭОП, характеризующим сохранение чёткости изображения, является разрешающая способность R. Предел разрешения ЭОП оценивается наибольшим числом чередующихся светлых и тёмных полос (линий) штрихового тест-объекта на 1 мм изображения, видимых раздельно. Единица измерения предела разрешения- пара линий/мм. Качество изображения, создающегося на экране ЭОП, оценивается также сохранением контраста ,определяемого как отношение разности яркостей наиб. светлых и наиб. тёмных участков изображения к сумме яркостей. При сохранении контраста возможно раздельное видение элементов изображения с незначительно различающимися яркостями.

К параметрам ЭОП относят также отношение сигнал/шум. Шум, наблюдаемый в виде беспорядочных флуктуации яркости элементов экрана, объясняется статистич. природой выхода электронов из фотокатода и излучения квантов света экраном. При соизмеримости величин сигнала и шума изображение перестаёт быть различимым, поэтому величина шума определяет мин. освещённость объектов, необходимую для их наблюдения с помощью ЭОП.

Типы ЭОП. По способу переноса электронного изображения с фотокатода на люминесцентный экран ЭОП разделяются на три вида: ЭОП с параллельным переносом изображения однородным электростатич. полем (плоские ЭОП), ЭОП с электростатич. фокусировкой и ЭОП с магн. фокусировкой.

Простейшие ЭОП с плоскопараллельными фотокатодом и экраном и переносом изображения однородным электростатич. полем не получили распространения из-за ряда недостатков: сравнительно небольшого коэф. преобразования, недостаточной разрешающей способности, малой контрастности изображения. Увеличение h_Ф и R повышением ускоряющего (анодного) напряжения ограничено возможностью электрич. пробоя и возникновения автоэлектронной эмиссии с катода. Снижение контрастности объясняется оптич. обратной связью: излучение экрана освещает фотокатод, испускаемые катодом электроны возбуждают рассеянное свечение экрана (фон), снижающее контраст.

Наиб. распространение получили ЭОП с электростатич. фокусировкой, у к-рых изображение переносится неоднородным осесимметричным электростатич. полем - полем электронной линзы. В этих ЭОП поле иммерсионной (катодной) линзы формируется между фотокатодом и анодом, выполняемым обычно в виде усечённого конуса, обращённого меньшим основанием к катоду; потенциал анода равен потенциалу экрана, расположенного непосредственно за анодом. Линза собирает электроны, испускаемые каждой точкой фотокатода, в узкие пучки, к-рые на экране создают светящееся изображение, геометрически подобное изображению, проецируемому на катод. ЭОП с фокусирующими системами создают достаточно хорошие изображения с разрешением в неск. десятков пар линий/мм. Линза переносит изображение с уменьшением в неск. раз, что увеличивает яркость свечения экрана в >=10 раз; наличие анодного электрода с небольшим отверстием со стороны катода заметно уменьшает оптич. обратную связь, экранируя катод от засвечивания излучением экрана.

Разрешающая способность ЭОП с электростатич. фокусировкой и плоскими катодом и экраном ограничивается аберрациями электронных линз: двумя геометрическими - астигматизмом и искривлением поверхности изображения- и хроматической, вызываемой разбросом скоростей и углов вылета электронов, испускаемых фотокатодом. Уменьшение аберраций диафрагмированием в ЭОП принципиально невозможно, т. к. перенос изображения осуществляется широким электронным пучком, выходящим со всей поверхности катода и воспринимаемым всей поверхностью экрана. Аберрации наиб. заметно снижают предел разрешения на периферийной части экрана, по мере удаления от оси разрешение уменьшается в 10-15 раз. При использовании широких пучков проявляется также дисторсия.

Качество изображения улучшилось в ЭОП с фотокатодом и экраном вогнутой формы. Такие ЭОП с искривлёнными поверхностями объекта (катода) и изображения (экрана) позволили получать при h_Ф(35)·10² предел разрешения до 40-50 пар линий/мм в центре и до 15-20 пар линий/мм у края экрана. Недостатком таких ЭОП являлось неудобство, связанное с необходимостью проецировать изображение на выпуклый фотокатод и рассматривать его на выпуклом экране.

Дальнейшее повышение h_Ф было достигнуто совмещением двух преобразователей в одной вакуумной оболочке. В этих приборах между входным фотокатодом и выходным экраном устанавливается прозрачная перегородка, на одной стороне к-рой (со стороны входного фотокатода) создаётся люминесцентный экран, а на другой (со стороны выходного экрана) - фотокатод, освещаемый через прозрачную перегородку светом, излучаемым внутр. экраном. Такие ЭОП имели h_Ф~10⁴, предел разрешения до 50 пар линий/мм в центре и до 10-15 пар линий/мм у краёв экрана. Эти ЭОП не нашли широкого распространения из-за технол. трудностей, связанных с необходимостью получения в одном вакуумном объёме двух достаточно эффективных фотокатодов и двух люминесцентных экранов.

ЭОП значительно усовершенствовались с использованием плоско-вогнутых стекловолоконных пластин. Проецируемое на плоскую сторону входной волоконно-оптич. пластины (ВОП) изображение (рис. 2) без искажений переходит на её вогнутую сторону, на к-рой сформирован фотокатод. Электронной линзой изображение переносится на экран, созданный на вогнутой стороне выходной ВОП, а изображение наблюдается на её плоской стороне. Вогнутая форма катода и экрана позволяет перенести изображение с мин. искажениями. Однокамерные ЭОП с ВОП на входе и выходе наз. модульными ЭОП (модули) и широко используются в приборах ночного видения. Возможно создание двух- и трёхмодульных ЭОП, в к-рых плоская сторона выходной ВОП первого модуля оптическим контактом соединяется с входной ВОП второго модуля. Двухмодульные ЭОП обеспечивают усиление яркости до (4 -6)·10³ кд/м²·лк при разрешении в центре экрана до 50 пар линий/мм и до 25-30 пар линий/мм у краёв экрана. При таких усилениях возможна регистрация вылета из фотокатода отд. электронов, поэтому дальнейшее усиление яркости нецелесообразно, т. к. не расширяет объёма преобразуемой информации.

Рис. 2. Схема ЭОП с электростатической фокусировкой: 1-входная волоконно-оптическая пластина (ВОП); 2- фотокатод; 3 - выходная ВОП; 4-экран; 5 - анод.

Наряду с усовершенствованием ЭОП с электростатич. фокусировкой совершенствовались плоские приборы. Особенно высокие параметры получены у плоских ЭОП (рис. 3), в к-рых перенос изображения с катода на экран осуществляется канальным вторичным электронным умножителем - микроканальной пластиной (МКП). Микроканальные пластины, изготавливаемые из стекла с высоким коэф. вторичной эмиссии, усиливают проходящий сквозь каналы электронный поток в ~10³ раз. За счёт усиления в МКП общий коэф. преобразования ЭОП достигает (20-25)·10³ при разрешении до 40 пар линий/мм.

Рис. 3. Схема ЭОП с микроканальной пластиной: 1 - фотокатод; 2 - экран; 3 - микроканальная пластина.

ЭОП с магн. фокусировкой не получили широкого распространения из-за громоздкости и большого веса магн. фокусирующих систем.

Рентг. ЭОП (РЭОП) существенно отличаются от оптических. В них происходит трёхкратное преобразование изображения: оптич. изображение, получаемое на первичном люминесцентном экране за счёт рентг. лучей, прошедших сквозь исследуемый объект, возбуждает фотоэлектронную эмиссию фотокатода; электронное изображение электрич. полем переносится на выходной люминесцентный экран, возбуждая его свечение. Первичный люминесцентный экран формируется на тонкой прозрачной плёнке, на обратной стороне к-рой создаётся фотокатод, что обеспечивает перенос изображения с первичного экрана на фотокатод с мин. искажениями. Электронное изображение с фотокатода переносится на экран с десятикратным уменьшением. Общее усиление в РЭОП достигает неск. тысяч кд/м^2.лк.

В нек-рых типах ЭОП изображение регистрируется матрицей из электроночувствит. элементов (в количестве 10- 100), используемой вместо люминесцентного экрана.

ЭОП применяются в ИК-технике, спектроскопии, медицине, ядерной физике, телевидении, для преобразования УЗ-изображения в видимое (см. Визуализация звуковых полей).

Лит.: Козелкин В. В., Усольцев И. Ф., Основы инфракрасной техники, 3 изд., M., 1985; Зайдель И. H., Курен-ков Г. И., Электронно-оптические преобразователи, M., 1970.

А. А. Жигарев.

   <<      Предметный указатель      >>