Поколения электронно-оптических преобразователей.
Есть несколько классификаций ЭОПов (по характеристикам, по внутренней структуре, и т.п.), но лично я придерживаюсь классификации по внутренней структуре ЭОПов, т.к. кроме чувствительности есть и другие немаловажные характеристики.
На данный момент существует 4 основных поколения электронно-оптических преобразователей.
Стакан Холста
Самый первый вариант электронно-оптического преобразователя, впервые был создан в 1934 году. Изначально в нем применялся серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод S-1 с интегральной чувствительностью 20-70 мкА/лм, впервые разработанный в 1929 году; и использовалось электростатическое ускорение электронов для увеличения яркости изображения. Из-за разлета электронов между фотокатодом и экраном четкость изображения была невысокой.
Для наблюдения в ПНВ с подобным ЭОПом была необходима мощная инфракрасная подсветка, но уже во время WWII немцы начали использовать ночные прицелы не только на танках, но и переносные ПНВ на снайперских винтовках.
Достоинства - позволяет видеть в темноте.
Недостатки - очень низкая чувствительность, коэффициента усиления равен единице, требует мощной ИК-подсветки, высокий уровень шумов, невысокая четкость изображения.
0 поколение
Для улучшения качества изображения была разработана "электростатическая линза", позволившая не только фокусировать электроны, но и разгонять их для усиления изображения, при этом обеспечивая усиление порядка сотен раз с одновременным оборачиванием изображения. Дальнейшие работы привели к созданию "мультищелочного фотокатода" S-20 с интегральной чувствительностью около 200 мкА/лм.
Достоинства - позволяет видеть в темноте без активной подстветки.
Недостатки - низкие чувствительность и коэффициент усиления, искажения по краям изображения, сильная засветка яркими источниками света.
1 поколение
Для удаления искажения по краям были применены волоконно-оптические плоско-вогнутые линзы на входе и выходе ЭОПа, что в сочетании с применением фотокатода S-20 позволило уменьшить некоторые недостатки 0 поколения.
Достоинства: хорошая четкость изображения, нет искажений по краям, нет боковой засветки.
Недостатки: низкие чувствительность и коэффициент усиления, сильная засветка яркими источниками света.
Многокаскадные ЭОП
Несколько последовательно объединенных ЭОПов позволили существенно увеличить коэффициент усиления многокаскадного ЭОПа (до 10000000 в экспериментальных экземплярах), но и увеличивает шумы и искажения изображения по краям. Применение оптоволоконных линз между составными ЭОПами позволяет уменьшить эти искажения.
Достоинства: высокий коэффициент усиления.
Недостатки: большой размер многокаскадного ЭОПа, сильная засветка яркими источниками света, сильные искажения по краям изображения без оптоволоконных линз.
1+ поколение
После появления 2 поколения и разработки нового фотокатода S-25, появилась возможность улучшить ЭОПы и первого поколения. В 1+ поколении используется фотокатод S-25, интегральная чувствительность которого практически не изменилась по сравнению с 1 поколением (150-200 мкА/лм), но появилась чувствительность порядка 10 мА/Вт на длине волн 830-850 нм.
Зачастую российские производители называют 1+ поколением на самом деле 1 поколение (с фотокатодом S-20 и волоконно-оптическими линзами), что дает им возможность продавать устаревшее 0 поколение как 1 поколение. В отдельных случаях за 1+ поколение производителями выдается 0 поколение с фотокатодом S-25 (без волоконно-оптических линз).
Достоинства: выше коэффициент усиления.
Недостатки: невысокая чувствительность, сильная засветка яркими источниками света.
Супер 1+ поколение
1 поколение с фотокатодом S-25R, у которого интегральная чувствительность порядка 250-350 мкА/лм, чувствительность на длине волн 830-850 нм порядка 25-35 мА/Вт. Коэффициенты усиления ЭОПов 1+ и супер 1+ поколений составляют от 200 до 1000. Но ресурс использования фотокатода S-25R достаточно мал - 3000 часов, он быстро деградирует.
Достоинства: выше коэффициент усиления и чувствительность.
Недостатки: небольшой ресурс, сильная засветка яркими источниками света.
2 поколение
В 70-е годы с США для дополнительного коэффициента усиления были разработаны микроканальные пластины. Попадая в канал, электрон испытывает соударения со стенкой и выбивает вторичные электроны. В тянущем электрическом поле этот процесс многократно повторяется, позволяя получить коэффициент усиления Nх10000 раз. Для получения каналов МКП используется разнородное по химическому составу оптическое волокно. После получения шайбы сердцевины волокон растворяются в химических реактивах.
В качестве фотокатода применялся S-25. Интегральная чувствительность 220-300 мкА/лм, коэффициент усиления 25000-30000, чувствительность на длинах волн 830-850 нм - 18-25 мА/Вт.
Оборот изображения все еще выполняется за счет электростатической линзы, как и в 0-1 поколениях.
1 – фотокатод; 2 – анод; 3 – микроканальная пластина; 4 – экран
Достоинства: выше коэффициент усиления и чувствительность.
Недостатки: сильная засветка яркими источниками света.
2+ поколение
В поколении 2 основной коэффициент усиления достигался за счет микроканальной пластины, и было решено избавиться от устаревшей электростатической линзы, что позволило избавиться от засветки сильными источниками света. В результате получился очень компактный ЭОП с характеристиками, ненамного хуже по характеристикам 2 поколения. Коэффициент усиления порядка 20000-30000, присутствует автоматическая регулировка яркости в зависимости от внешнего освещения. Кроме того, отсутствие разгонной камеры позволяет получить более четкое изображение.
1 - фотокатод; 2 - микроканальная пластина; 3 - экран
Т.к. оборачивающую электростатическую линзу убрали, пришлось добавлять дополнительные линзы в окуляр чтобы изображение было правильным. Но благодаря компактности ЭОПа удалось сделать конструкцию очков ночного видения (ОНВ) псевдобинокулярной системы, где изображение с одного ЭОП разводится на два окуляра с помощью светоделительной призмы. Оборот изображения здесь осуществляется в дополнительных мини-объективах.
Также оборот изображения может быть произведен при помощи особой волоконно-оптической пластины. В ЭОПах для монокуляров эта оборачивающая пластина обычно встроена в ЭОП.
Некоторые электроны не попадают в каналы МКП, отражаются от стенок и попадают в соседние каналы. В результате вокруг ярких источников света образуются гало - и чем дальше находится фотокатод от микроканальной пластины - тем больше гало, а чем тоньше каналы в МКП - тем гало ярче.
Достоинства: отсутствие засветки, компактные размеры, выше разрешающая способность.
Недостатки: чувствительность и усиление хуже, нужна дополнительная оборачивающая оптика, гало вокруг точечных источников света.
Супер 2+ поколение
Иногда называют 2++ поколение. В них используется фотокатод S-25R и часто ставятся микроканальные пластины с бОльшим числом каналов, что повысило разрешающую способность до 50-55 штр/мм. Интегральная чувствительность 350-700 мкА/лм, чувствительность на длинах волн 830-850 нм 30-40 мА/Вт, коэффициент усиления 30000-40000. Фактически по своим характеристикам супер 2+ поколение сравнилось с начальными ЭОПами 3 поколения, но фотокатод S-25R у супер 2+ деградирует за 3000 часов, в отличие от 3 поколения.
Достоинства: выше коэффициент усиления, чувствительность и разрешающая способность.
Недостатки: небольшой ресурс.
3 поколение
Используется фотокатод на основе арсенида галлия. Фотокатод основе арсенида галлия очень требователен к величине остаточного давления внутри ЭОПа и легко подвержен "отравлению" ионами газов, что приводит к падению чувствительности фотокатода и сокращению срока службы ЭОП. Для защиты фотокатода на основе арсенида галлия используется ионно-барьерная пленка, нанесенная на входную поверхность МКП, которая предотвращает выход из каналов МКП положительных ионов и нейтральных газов (которые создаются в процессе бомбардировки электронами внутри каналов МКП) и тем самым сохраняет фотокатод, что увеличивает срок службы прибора.
Интегральная чувствительность 1000-1800 мкА/лм, чувствительность на длинах волн 830 нм - 100-190 мА/Вт, коэффициент усиления 40000-70000, максимальное разрешение 45-64 штр/мм, соотношение сигнал-шум 16-21, срок службы 10000 часов.
Достоинства: выше коэффициент усиления, чувствительность и разрешающая способность, длительный срок службы, высокая устойчивость к перегрузкам.
Недостатки: ионно-барьерная пленка ухудшает максимальные характеристики.
3 поколение без пленки
Для решения проблемы с отравлением фотокатода на основе арсенида галлия и исключении ионно-барьерная пленки было применено несколько сложных технических ухищрений: изготовление МКП по стандартной технологии с нанесением на входную и выходную поверхности МКП металлического покрытия из нихрома; обезгаживание МКП в вакууме; термического и электронного обезгаживания экрана в вакууме; формирование фотокатода из полупроводника с GaAs или InGaAS слоем, термическая очистка фотокатода при высокой температуре с удалением окисных слоев с последующая активация фотокатода цезием и кислородом по стандартной технологии с осаждением на фотокатод оптимального количества цезия; термическое обезгаживание МКП, экрана и корпуса ЭОП в вакууме; электронное обезгаживание МКП и экрана пучком высокой энергии в корпусе ЭОП в течение длительного времени с принятием мер по сохранению целостности экрана; заполнение цезием корпуса ЭОП; герметизация фотокатода с корпусом ЭОП; активации проволочного Ti/Ta газопоглотителя для удаления остаточных газов. Изготовленный ЭОП питается от стробируемого источника питания, благодаря чему удалось избавиться от влияния ярких источников света на ЭОП.
За счет удаления пленки удалось повысить чувствительность в 2 раза (в том числе и в диапазоне 850-880 нм), но в результате срок службы составил всего 7500 часов, а при перегрузках (например, отдача при выстреле) происходило повреждение фотокатода.
После выхода данного типа ЭОПа, компанией-создателем спешно было объявлено что это 4 поколение. Но когда обнаружились проблемы с отдачей - поставки пришлось приостановить и срочно решать обнаруженную проблему, и после создания ЭОПов 3 поколения с тонкой пленкой эта система тоже была обозначена как 3 поколение, потому что разница между ними была незначительна.
Поврежденный от отдачи ЭОП - по центру черное пятно:
Достоинства: очень высокая чувствительность.
Недостатки: меньший срок службы, низкая устойчивость к перегрузкам.
3 поколение с тонкой пленкой
Иногда его называют 3+ поколением.
Вместо удаления ионно-барьерной пленки ее сделали в три раза тоньше, применили улучшенную МКП, а также поставили стробируемый источник питания ЭОПа с уменьшенным напряжением.
В результате удалось существенно повысить характеристики ЭОП без уменьшения срока службы и устойчивости к перегрузкам. Благодаря стробируемому источнику питания удалось избавиться от влияния ярких источников света на ЭОП.
Интегральная чувствительность 2000-2700 мкА/лм, чувствительность на длинах волн 830 нм - 190-250 мА/Вт, чувствительность на длинах волн 880 нм - 80-120 мА/Вт, коэффициент усиления 50000-80000, максимальное разрешение 64-72 штр/мм, соотношение сигнал-шум 25-28, срок службы 10000 часов.
Достоинства: выше коэффициент усиления и чувствительность, меньше гало.
Недостатки: ионно-барьерная пленка ухудшает максимальные характеристики.
3 поколение без пленки дубль 2
Известен ЭОП, патентная заявка США № 2007100462/28(000486), принятый за прототип, который не содержит ионно-барьерной пленки и имеет заявленную долговечность 15000 ч. ЭОП содержит заполненный цезием корпус, фотокатод, МКП, приемник изображения, люминесцентный экран, проволочный газопоглотитель, источник питания, индивидуальные газопоглотители в каналах МКП в виде нанесенного в вакууме покрытия на стенки каналов МКП со стороны входа, выхода МКП или с обеих сторон из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы, а также индивидуальные газопоглотители между каналами МКП на входной, выходной поверхностях МКП или с обеих сторон и на экране в виде нанесенного в вакууме покрытия из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью.
Использование индивидуальных газопоглотителей в каналах МКП и между каналами МКП в соответствии с данным техническим решением существенно повышает долговечность беспленочного ЭОП 3 поколения, уменьшает рабочее напряжение на МКП и улучшает отношение сигнал/шум. Однако существующая технология изготовления МКП пока не обеспечивает стабильности состояния входной и выходной поверхностей МКП, а также стабильности состояния поверхностей каналов МКП, что приводит к разбросу по сопротивлению и рабочему напряжению МКП и, соответственно, к разбросу параметров ЭОП по долговечности, величине рабочего напряжения МКП и отношению сигнал/шум.
Из моей коллекции
.