ЭОП как основная часть приборов ночного видения

ЭОП служит для многократного усиления света, являясь одновременно приемником, преобразователем, усилителем и передатчиком излучения. Как уже упоминалось, все ЭОП можно упрощенно разделить на поколения I, II, II+ и III (ЭОП поколений I+ и II++ являются улучшенным вариантом ЭОП поколений II+ и III) которые весьма существенно отличаются друг от друга по своей конструкции, техническим характеристикам и стоимости. Рассмотрим их подробнее.

Поколение I, I+
ЭОП поколения I и I+ представляет собой герметично запаянную стеклянную или металлостеклянную колбу, из которой откачан воздух. Степень вакуума внутри колбы весьма велика. ЭОП имеют различные модификации, но принцип работы их одинаков..

Рассмотрим принцип работы ЭОП с электростатической фокусировкой в стеклянном корпусе, схематично изображенном на схеме 8.

Фотокатод — это очень тонкий слой фотоэмиссионного вещества, напыленного на внутреннюю поверхность фотокатодного стекла. Люминофор способен светиться при бомбардировке его отрицательно заряженными частицами — электронами так же, как светится экран телевизора. Между фотокатодом и анодом ЭОП создается разность потенциалов, для чего в прибор ночного видения имеется специальный высоковольтный блок питания. Если на ЭОП подать заданное (расчетное напряжение), то внутри ЭОП образуется электронная линза, аналогичная оптической, в которой роль преломляющих поверхностей выполняют линии электростатического поля, которые направляют и фокусируют электроны так же, как и оптическая линза фокусирует световые лучи.

Принцип работы. Объектив приборов ночного видения собирает слабый свет, исходящий от объекта наблюдения, и передает его на поверхность фотокатода — строит изображение наблюдаемых объектов, иначе говоря — создает на поверхности фотокатода определенное распределение освещенности. При этом с противоположной стороны фотокатода возникает фотоэлектронная эмиссия с аналогичным пространственным распределением плотности электронного тока (чем больше освещен участок фотокатода, тем большее количество электронов выбивается). Если между фотокатодом и экраном создается разность потенциалов (ЭОП подключается к источнику высокого напряжения), то под ее влиянием электроны фотоэмиссии разгоняются и с большой кинетической энергией ударяют в люминофор экрана. В результате люминесценции на поверхности экрана возникает светящееся перевернутое изображение объекта или картины, спроецированной объективом на фотокатод, которое можно рассматривать через окуляр приборов ночного видения как через лупу.

Следует отметить, что процесс выхода электронов из фотоэмиссионного слоя фотокатода происходит вне зависимости от того, подключен ЭОП к источнику питания, или нет. Если внутри ЭОП не создать фокусирующего электростатического или электромагнитного поля, то электроны постепенно возвращаются в слой фотокатода

У ЭОП поколения I и I+ фотокатод, как правило, многощелочной, а люминофоры желто-зеленого свечения.

Одной из важнейших характеристик ЭОП, от которой зависит дальность видения ПНВ, является коэффициент усиления по свету. Для ЭОП I и I+ он может быть от 500 до 2000 крат и зависит от увеличения ЭОП, чувствительности фотокатода и светоотдачи люминофора. Коэффициент усиления по свету тем больше, чем больше чувствительность фотокатода и светоотдача люминофора и чем меньше увеличение. Увеличение ЭОП может быть от 0,4 до 0,9 крат в зависимости от модификации, а чувствительность фотокатода зависит от качества изготовления ЭОП и может в два раза отличаться для ЭОП одной и той же модификации.

Второй важнейшей характеристикой, влияющей на дальность видения, является разрешение. В зависимости от модификации ЭОП и качества его изготовления разрешение в центре поля зрения, как правило, может быть от 30 штр/мм до 50 штр/мм. Ближе к краю поля зрения разрешение в ЭОП I-го поколения намного меньше. На краю поля зрения оно может составлять до 5 штр/мм. Кроме того, чем дальше расположено изображение предмета от центра поля зрения, тем больше нарушается его подобие предмету. Например, если рассматривать квадрат, вписанный в поле зрения, то он будет выглядеть как «подушка». Это ни в коем случае не дефект оптики прибора, как можно подумать сразу. Оптика здесь ни при чем, искажение дает ЭОП. Однако при хорошем подборе объектива и окуляра для конкретного ЭОП и использования только центральной части рабочего поля фотокатода удается получить достаточно качественное изображение и в ПНВ с этими ЭОП.

В ЭОП поколения I+ разрешение на краю поля зрения мало отличается от разрешения в центре, а искажения формы предметов практически незаметно. Равномерное разрешение по полю в этом ЭОП достигается путем использования специальной плоско — вогнутой волоконно-оптической пластины (ВОП), на вогнутой (обращенной внутрь колбы) поверхности которой нанесен фотокатод. В связи с потерями света в ВОП ЭОП поколения I+, как правило, имеют меньшее увеличение, а поэтому и прибор ночного видения с ними не удается сделать одновременно и компактными и с достаточным увеличением. Кроме того, стоимость ЭОП поколения I+ с ВОП в среднем в 5–7 раз выше, а коэффициент усиления по свету такой же, то понятно, почему на рынке ПНВ гражданского назначения эти ЭОП не получили широкого распространения.

Сравнительно недавно появилась новая разработка — ЭОП поколения I+, в котором за счёт оригинального технического решения — сферическая форма фотокатода без использования ВОП совместно с новым объективом. Это позволило получать достаточно четкое изображение по всему полю зрения без потери света, а значит и сохранить коэффициент усиления по свету при одновременном сохранении увеличения ЭОП. ПНВ же с новым ЭОП поколения I+ лишь незначительно дороже чем с обычным ЭОП I-го поколения.

ПНВ с ЭОП I-го и I+ поколений достаточно хорошо работают в условиях естественной ночной освещенности соответствующей наличию . Луны на небе. При более низкой освещенности необходимо объекты наблюдения освещать специальным ИК осветителем.

Существующая технология изготовления ЭОП не позволяет получить исключительно равномерную яркость свечения всей поверхности экрана и полное отсутствие каких либо темных или светлых точек. Поэтому, если в прибор ночного видения наблюдать равномерно освещенную белую поверхность, то можно видеть в поле зрения мелкие черные точки, сероватые полоски или незначительное отличие по яркости участков экрана, которые практически не видны при работе ночью, особенно при наблюдении на местности. Эти точки и неравномерность яркости не влияют на надежность (длительную стабильную работу) ЭОП и не является браком. Ресурс работы ЭОП I поколения составляет около 1000 часов, этого хватает простому любителю природы примерно на 3–5, а иногда и более, лет эксплуатации. В дальнейшем чувствительность ЭОП падает, снижается яркость и контрастность изображения. Примерно такой эффект можно наблюдать с кинескопами старых телевизоров.

Надо помнить, что очень немногие модели ПНВ с ЭОП I-го поколения выпускаются с электронной защитой от случайной засветки. Поэтому при эксплуатации прибора, в случае внезапного появления в поле зрения яркого источника света (фонарь, фары автомобиля, внезапно включенный свет, случайно снятые в дневное время с включенного прибора защитные крышки), необходимо немедленно отвести объектив прибора в сторону, и закрыть его крышкой или на крайний случай рукой. В противном случае, многократное увеличение освещенности фотокатода приведет к лавинообразному увеличению количества выбитых из него электронов, усиленных в сотни раз приложенным напряжением, и в результате — прожиганию проводящего слоя фотокатода и выгоранию люминофора. Как правило, подобные случаи признаются нарушением правил эксплуатации, не являются гарантийными и ремонт ПНВ выльется в значительные материальные затраты потребителя.

2-х и 3-х каскадные ЭОП
В условиях очень низкой освещенности усиления однокамерного ЭОП оказалось недостаточно и для его увеличения однокамерные ЭОП стали соединять — на наружной стороне экранного стекла первого ЭОП (каскада) наносился фотокатод следующего, присоединенного к первому, каскада. Комбинация «экран — фотокатод» называется каскадом усиления. Коэффициент усиления резко увеличивался, но разрешение при удал ении от центра поля зрения резко снижалось. Применение ВОП для стыковки каскадов позволило его выровнять. Коэффициент усиления в зависимости от количества каскадов и типа фотокатода составлял от 3000 до 30 000.

Массовое применение каскадных ЭОП в Советском Союзе приходится на период 50 – 60-х годов. Каскадные ЭОП с ВОП успешно производились рядом зарубежных фирм.

Из-за увеличенных размеров таких ЭОП растут размеры и вес самих приборов, что делает их громоздкими и неудобными. Поэтому в последние годы они практически не применяются и их вытеснили более компактные, имеющие лучшие характеристики и близкую стоимость ЭОП II-го поколения.

Поколение II.
Отличается от ЭОП поколения I и I+ тем, что в его конструкции после разгонной камеры устанавливается специальный усилитель электронов — микроканальная пластина (МКП). Усиление света в ЭОП II поколения происходит в два этапа, сначала в разгонной камере, как в ЭОП поколения I и I+ , а затем, основное, в микроканальной пластине (МКП).

МКП представляет собой сито с регулярно расположенными каналами диаметром 6-10 мкм и толщиной не более 1 мм. Обе поверхности МКП полируются и металлизируются, между нами прикладывается напряжение в несколько сотен вольт. Попадая в канал, электрон испытывает соударения со стенкой и выбивает вторичные электроны. В тянущемся электрическом поле процесс многократно повторяется, позволяя получить высокий коэффициент усиления. Если в ЭОП поколения I и I+ один электрон, вылетевший из фотокатода, движется в вакууме разгонной камеры, и так, в одиночку, и долетает до люминесцентного экрана (анода), то в канале МКП каждый электрон, вылетевший из фотокатода, «привозит» с собой целый рой дополнительных электронов. Коэффициент усиления света достигает 25 000-50 000

Фокусировка электронов электростатическая (с электронной линзой), фотокатод многощелочной, экран желто-зеленого свечения. Изображение на экране перевернутое (за счет т.н. «электронной линзы»). Разрешение от 30 до 45 штр/мм. Если на входе имеется ВОП, то разрешение по полю равномерное, если ВОП на входе нет, то присутствуют все недостатки качества изображения. ЭОП I-го поколения. В хороших ЭОП II-го поколения устанавливают ВОП как на входе так и на выходе (перед экраном), что позволяет получить качество изображения и разрешение на самом краю такое же как и в центре.

В последние годы производители ПНВ используют ЭОП II поколения все реже, отдавая предпочтение поколению II+.

Поколение II+, Super GenII+
Это ЭОП бипланарной конструкции, то есть без электростатической линзы, с прямым переносом изображения с фотокатода на экран. Схематично устройство ЭОП изображено на схеме 9.

Расстояния между слоем фотокатода и входом МКП, выходом МКП и слоем люминофора достаточно малые. Напряжения, подаваемые на фотокатод, вход и выход МКП зависят от конкретной конструкции ЭОП, а напряжения на выходе МКП отличаются для одного и того типа ЭОП и регулируются в процессе изготовления для достижения максимального разрешения.

Изображение на экране ЭОП получается прямым. Для того, чтобы его перевернуть вместо плоской стеклянной пластины, на которой нанесен внутри люминофор, применяют волоконно-оптическую пластину, волокна которой являются световодами и закручены таким образом, что изображение переворачивается на 180°. При отсутствии такой пластины необходимо перед окуляром ставить оборачивающую систему (ОС). Изображение на экране ЭОП в этом случае рассматривается через микроскоп (ОС + окуляр = микроскоп) и за окуляром уже имеется выходной зрачок (висит в воздухе светлый кружок), которого при использовании переворачивающего изображение ВОП нет, так как окуляр в этом случае работает как лупа и выходным зрачком является глаз.

Если с ПНВ приходится работать в условиях, где возможны боковые засветки, то на входе вместо стеклянной устанавливается волоконно-оптическая пластина, защищающая фотокатод от боковых засветок и позволяющая получить более контрастное изображение.

ЭОП II+ и Super Gen II+ поколений отличаются типом фотокатода. Если в стандартных ЭОП II+ фотокатод многощелочной типа S-25 с интегральной чувствительностью 250-350 мкА/лм, то в ЭОП Super Gen II+ фотокатод S-25R с интегральной чувствительностью до 650 мкА/лм, выше в два раза она и в дальней красной области. Поэтому при очень низкой освещенности как без ИК подсветки, так и с ИК подсветкой в ПНВ с ЭОП Super II+ видно значительно лучше, чем в ПНВ с ЭОП II+.

Коэффициент усиления по света у ЭОП II+ составляет, как правило, 20 000-30 000, а у Super GenII+ порядка 30 000-40 000. Разрешение зависит от качества МКП и ВОП и может составлять у самых худших ЭОП 35 штр/мм, а у лучших — до 50 штр/мм, оставаясь при этом практически неизменным по всему полю зрения.

Малые габаритные размеры ЭОП II+ и Super GenII+ позволяют значительно уменьшить габаритные размеры и вес приборов ночного видения по сравнению с ЭОП II-го поколения. Ресурс работы ЭОП поколения II и II+ составляет порядка от 1000 до 3000 часов, что втрое больше, чем у ЭОП I-го поколения. Встроенные источники питания ЭОП поколений II и II+ и Super Gen II+ имеют автоматическую регулировку яркости свечения экрана и встроенную электронную защиту фотокатода от световых перегрузок, а сами ЭОП хорошее качество изображения без искажений по всему полю зрения и могут работать в условиях очень низкой освещенности — при отсутствии луны, а лишь наличии звезд и то в легких облаках. Стоимость ПНВ с ЭОП поколений II, II+ в 5-10 раз выше, чем стоимость приборов с ЭОП I-го поколения, и редко бывает ниже 2000 долларов США, а с ЭОП поколения Super GenII+ еще выше. В тоже время приборы ночного видения с ЭОП Super GenII+ по дальности видения практически не уступают ПНВ с ЭОП III-го поколения, которые значительно дороже и о которых мы поговорим чуть позже.

Высокая стоимость ЭОП II+ и Super GenII+ (а также и ЭОП III-го поколения) обусловлена как технологией их изготовления (в специальных сверхчистых вакуумных камерах с высокой степенью вакуума), так и стоимостью МКП и ВОП.

Поколение III
Отличается от ЭОП поколения II+ и Super GenII+ тем, что фотокатод выполнен на основе арсенида галлия, что позволило увеличить его интегральную чувствительность до 900-1600 мА/лм, а чувствительность в инфракрасной области до 190 мкА/лм (в инфракрасной области в 10 раз больше по сравнению с ЭОП II+ и в 6 раз больше по сравнению Super Gen-
II+). Разрешение 42-64 штр/мм. Ресурс работы до 10 000 часов, что втрое больше чем у ЭОП II и II+, и в 10 раз больше чем у ЭОП I.

Приборы на базе ЭОП III-го поколения очень хорошо работают в условиях предельно низкой освещенности. Картинка в приборе насыщенная, четкая, с хорошим контрастом и проработкой деталей. В отличие от ЭОП II+ на входе отсутствует волоконно-оптическая шайба, поэтому нет защиты от боковых засветок, что затрудняет их использование в городских условиях. Из-за высокой стоимости, в 1,5-2,5 раза выше, чем II+, приборы на ЭОП III поколения в свободной продаже встречаются редко, и в основном применяются в спецтехнике (военные, спецслужбы и т.д.).