Применение фотоэффекта в медицине. Электронно-оптические преобразователи изображения Конструкция приборов ночного видения

Устройство ЭОП

Я уже вкратце рассказывал о принципах работы приборов ночного видения (ПНВ). Теперь настало время более детально разобраться с их устройством, а также с наиболее важными и интересными с точки зрения любителя электроники элементами.

Как уже говорилось, основой прибора ночного видения является электронно-оптический преобразователь, сокращённо ЭОП. На западе такие приборы называют Photomultiplier tube (сокращённо PMT ). На первый взгляд может показаться, что ЭОП - это что-то вроде электронной лампы. Кинескоп телевизора я бы назвал родственником электронно-оптического преобразователя. Дальше вы узнаете, почему.

Рассмотрим устройство ЭОП’а на примере конкретной модели - ЭП-33 (EP33). Точно утверждать не могу, но косвенно предполагаю, что в мои руки попал именно этот экземпляр или его модификация. К сожалению, при демонтаже маркировка на нём была повреждена.

Принцип действия электронно-оптического преобразователя.

Суть работы любого электронно-оптического преобразователя заключается в следующем. Как мы знаем, в ночное время суток внешнее освещение отсутствует. Внешнее освещение - это видимое человеческим глазом излучение от Солнца, ламп накаливания и других приборов освещения.

Но, кроме видимого излучения, проще говоря - света, есть ещё инфракрасное излучение (ИК), которое исходит от нагретых предметов, тел, строений. Оно невидимо для человеческого глаза. Инфракрасное излучение также исходит от Луны и звёзд. Попадая в атмосферу, оно рассеивается и создает некую инфракрасную подсветку. Вот это то излучение и улавливает электронно-оптический преобразователь. Стоит отметить, что ЭОП сам по себе бесполезен. Для его работы необходим объектив. Он проецирует изображение на небольшую площадь фотокатода.

На фото - объектив от охотничьего прицела Dedal 164 Night Vision.

Простейший ЭОП представляет собой стеклянный цилиндр, из которого откачан воздух. Одна из стенок цилиндра является полупрозрачным фотокатодом . На плоскость фотокатода проецируется невидимое инфракрасное излучение от объекта с помощью объектива.

Упрощённая схема работы ЭОП.

Вот так выглядит плоскость фотокатода. Как видим, его поверхность прозрачна.

Под действием инфракрасного излучения, благодаря фотоэлектрической эмиссии у поверхности фотокатода образуется электронное облако, плотность которого точно соответствует изображению, полученного с объектива. Далее это «электронное изображение» необходимо преобразовать в видимое человеческим глазом.

Для этого на другой стороне стеклянного цилиндра нанесён люминофорный слой . Круглая белая поверхность - это плоскость экрана с нанесённым слоем люминофора.

При «бомбардировке» электронами этого слоя, он начинает светиться зеленовато-жёлтым цветом которое видно человеческим глазом.

Свечение экрана электронно-оптического преобразователя (объектив снят).

Изображение на экране ЭОП, полученное с помощью объектива (Охотничий прицел Dedal 164 Night Vision).

Изображение, полученное на экране ЭОП.

Чтобы перенести «электронное изображение» с плоскости фотокатода, электроны в «облаке» необходимо разогнать и сфокусировать на плоскость люминофорного слоя. Это делается за счёт электрического поля. Оно создаётся ускоряющим постоянным напряжением в 12 - 17 киловольт, которое приложено между электродом фотокатода и анодом со стороны люминофорного слоя.

Чтобы изображение на экране с люминофорным слоем было более чётким, внутрь ЭОП’а устанавливается специальная фокусирующая система .

Умножитель напряжения ЭОП.

Как уже говорилось, для работы ЭОП требуется высоковольтный источник питания. В простейшем случае это генератор, который нагружен на повышающий трансформатор. Генератор работает на частоте в несколько килогерц. Далее снимаемое переменное напряжение со вторичной обмотки трансформатора дополнительно повышается с помощью многозвенного диодно-ёмкостного умножителя. В результате на выходе такого преобразователя получается постоянное напряжение величиной в 10 - 17 кВ.

На фото - умножитель напряжения без ЭОП от прибора ночного видения. Все элементы умножителя напряжения залиты герметиком и надёжно изолированы от металлического основания прицела. Так как преобразователь рабочий, то до "косточек" я его разбирать не стал. Несмотря на это, сквозь прозрачный герметик можно разглядеть некоторые его элементы.

Печатная плата выполнена в виде гибкого основания, на котором смонтированы автогенератор и трансформатор . Диодно-ёмкостной умножитель собран на SMD конденсаторах и расположен отдельно. Компактный размер прицела накладывает ограничения на габариты умножителя напряжения.

На выходе умножителя можно менять величину высокого напряжения между анодом (экраном) и катодом (фотокатодом) ЭОП"а.

Вот простейшая схема повышающего преобразователя. Как видим, схема довольно примитивна.

Со вторичной обмотки повышающего трансформатора L1 снимается повышенное напряжение. Но оно недостаточно для работы ЭОП. Для дальнейшего его повышения используется каскадный диодно-ёмкостной умножитель на диодах VD1, VD2, VD3…VDN и конденсаторах C1, C2, C3…CN. Число ступеней умножения около 20.

Трансформатор наматывается на Ш-образном сердечнике марки М2000НП сечением около 30 мм 2 . Обмотка L2 состоит из 30 витков, а L2 из 35 витков. Для их намотки используется провод ПЭЛШО-0,15. Для намотки обмотки L1 используется провод марки ПЭЛШО-0,07. Число витков - 2300.

Данный умножитель напряжения рассчитан на работу с ЭОП типа «МИНИ-1» отечественного производства.

В серийных приборах ночного видения применяются более сложные схемы умножителя напряжения, но схемотехника и принцип действия, как правило, схож с тем, который описан.

Инфракрасная подсветка.

Так как светоусиление ЭОП первого поколения недостаточно при глубоком затемнении, то применяется инфракрасная подсветка. Это устройство типа фонарика или прожектора, только светит он в инфракрасном диапазоне волн. Длина волны ~ 780 - 810 нм.

В качестве излучателя используется ИК-диод. Для регулирования яркости подсветки последовательно с диодом включается резистор . Обычно применяются несколько резисторов с разным номинальным сопротивлением, которые коммутируются переключателем. Так достигается ступенчатая регулировка интенсивности излучения.

Работу ИК-подсветки проверить легко. Область кристалла излучающего диода при работе светится мягким красноватым оттенком. Его видно невооружённым глазом. Если навести камеру смартфона или фотоаппарата на линзу ИК-диода, то на дисплее покажется фиолетовое свечение - это и есть инфракрасное излучение, которое улавливает матрица фотокамеры. Аналогичным образом можно проверить работу ИК-пульта дистанционного управления от телевизора.

При проверке ЭОП’а или ПНВ стоит соблюдать одно очень важное правило. Ни в коем случае нельзя включать эти приборы при естественном или искусственном освещении.

На протяжении всей истории своего развития, человек стремился стать совершеннее. Не имея крыльев, он построил крылатые машины, и стал летать как птица. Он изобрел акваланг и научился плавать и погружаться в пучины океана, как рыба. Извечной мечтой человека оставалось видеть в темноте, как кошка.

Но осуществление этой мечты стало одной из наиболее трудных задач, так как потребовало серьезной научной подготовки и значительной технико-экономической базы. Предпосылкой для создания приборов ночного видения стало открытие в 19 веке инфракрасного (теплового) излучения. Однако, устройство, способное "видеть" предметы не в оптическом (видимом), а в инфракрасном (тепловом) диапазоне спектра было создано лишь в 1934 г.

Этот момент принято считать началом эры ночного видения. Развитие приборов ночного видения можно разбить на ряд этапов, с которыми связано появление их определенных поколений. Каждое последующее поколение отличалось от предыдущего большей дальностью видения, лучшим качеством изображения, снижением массы и габаритов, увеличением времени работы, повышением стойкости к воздействию световых помех и целым рядом других преимуществ.

Главным признаком, по которому различаются поколения приборов ночного видения (ПНВ), является их основной элемент – электронно-оптический преобразователь (ЭОП), предназначенный для преобразования невидимого глазом инфракрасного изображения в видимое и усиления его по яркости.

0 поколение “Стакан Холста”

Первый работоспособный электронно-оптический преобразователь (ЭОП) был разработан Холстом с соавторами в исследовательском центре фирмы “Филипс” (Голландия) в 1934 году. Он остался известен как “стакан Холста”. Его схема, иллюстрирующая принцип действия, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Принцип действия “стакана Холста”

Этот ЭОП представлял собой два вложенных друг в друга стакана, на плоское дно которых и наносились фотокатод и люминофор. Приложенное к ним высоковольтное напряжение, создавало электростатическое поле, обеспечивающее прямой перенос электронного изображения с фотокатода на экран с люминофором.

В качестве фоточувствительного слоя в “стакане Холста” использовался серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод (или S-1), имевший довольно низкую чувствительность, хотя и работоспособный в диапазоне до 1,1 мкм. К тому же, этот фотокатод обладал высоким уровнем шумов, для устранения которых требовалось охлаждение до минус 40 оС.

Эти недостатки позволяли использовать ЭОП только в активном режиме, то есть с подсветкой наблюдаемого изображения инфракрасным (ИК) прожектором.

Появление первых ЭОП в условиях предвоенной обстановки вызвало значительный интерес. “Стакан Холста” был доработан до уровня серийного производства фирмой EMI (Англия), и с 1942 по 1945 год их было выпущено несколько тысяч штук. (рис.2).

Рис. 2. Первые серийные образцы “стакана Холста”.

Из-за недостатков первых ЭОП приборы ночного видения (ПНВ) отличались большой массой и габаритами, а также невысоким качеством изображения.

Тем не менее, на основе первых ЭОП было создано большое число приборов ночного видения: ночных прицелов, ночных биноклей, систем ночного вождения автотранспорта. В канун второй мировой войны в Германии появились ночные прицелы (бильдвандлер) (рис.3), которые давали возможность вести стрельбу по цели ночью на расстоянии 50-70 м.

Рис. 3 Немецкий электронно-оптический прицел (бильдвандлер), (1942 г.).

Весьма успешно Германия применяла ПНВ для обеспечения действий своих танков и боевых машин. В результате Советская армия понесла серьезные потери в боях в районе венгерского озера Балатон. Чтобы уравнять шансы и лишить противника возникшего преимущества, советское командование вынуждено было подсветить зенитными прожекторами поле боя при форсировании реки Одер.

Именно желание «засветить» ночные прицелы противника, а не пресловутая «психическая» атака была истинной причиной применения зенитных прожекторов в ночном танковом бою.

Последующее развитие приборов ночного видения привело к открытию “мультищелочного фотокатода” (S-20), состоящего из арсенидов натрия и калия, активированных цезием. Такой фотокатод уже 40 лет служит основой большинства ЭОП практически всех типов.

Сегодня ЭОП нулевого поколения сняты с производства во всем мире и заменены более эффективными, но и более дорогими преобразователями последующих поколений. Только в России и некоторых странах СНГ еще можно купить ПНВ 0-го поколения. Их стоимость обычно составляет $100-200. Слабые характеристики позволяют рассматривать такие приборы только как сувениры или игрушки. Тем не менее, они нашли свою нишу на рынке, определив нижний ценовой диапазон ПНВ.

I поколение

Данные ЭОП имеют стеклянную вакуумную колбу с чувствительностью фотокатода 120-250 мкА/лм. Усиление света у них составляет 120-1000, разрешение в центре 25-35 штрих/мм.

Отличительная особенность данного типа ЭОП состоит в том, что четкое изображение наблюдается только в центре, с искажением и меньшим разрешением по краям. Кроме этого, если в поле зрения попадают яркие источники света, например, фонари, светящиеся окна домов и т.п., происходит засветка всего изображения, что мешает наблюдению.

Из-за низкого усиления однокаскадные приборы I-го поколения очень критичны к светосиле оптики и параметрам ЭОП. При наличии? луны на небе, эти приборы еще кое-как работают. При более низкой освещенности необходима дополнительная инфракрасная (ИК) подсветка. Для увеличения коэффициента усиления ЭОП иногда последовательно стыкуют два, три или более изделий, собирая конструктивно их в один корпус (рис.4).

Рис. 4. Конструкция трехкаскадного ЭОП с электростатической фокусировкой электронов.

Коэффициент усиления света трехкаскадного ЭОП составляет 20 000-50 000. Однако при стыковке сильно растут искажения, и падает разрешение по краям поля изображения. Приборы, построенные на основе многокаскадных ЭОП, получаются очень громоздкими и тяжелыми, поэтому в последнее время их практически вытеснили малогабаритные приборы I + и II-го поколения, имеющие лучшие характеристики и близкую стоимость. Приборы, созданные на основе однокаскадного ЭОП I-го поколения, еще можно встретить в магазинах по цене $ 300-400.

I+ поколение

Развитие волоконной оптики в США в 60-е годы позволило усовершенствовать ЭОП I-го поколения. В этих приборах на входе (иногда на выходе) вместо плоского стекла стали устанавливать волоконно-оптическую пластину (ВОП), внутренняя сторона которой имела форму сферы. ВОП представляет собой множество микроскопических стеклянных световодов, способных передавать изображение с большой четкостью.

Это изобретение позволило увеличить разрешение по краям поля зрения и уменьшить дисторсию (искажение формы), а также защитило изображение от засветок боковыми точечными источниками света, что позволило работать этим приборам в городских условиях. При изготовлении этих ЭОП стал использоваться чувствительный фотокатод S-25.

Коэффициент усиления яркости у таких ЭОП составляет 1000, а разрешение в центре не хуже 45 штрих./мм. Приборы поколения I +, отличаются от приборов первого поколения большей четкостью картинки, и большей дальностью действия в пассивном и активном режиме и работают при уровнях освещенности, соответствующих 1/4 луны на небе. Приборы, созданные на основе ЭОП поколения I +, продаются по ценам $ 600-800.

II поколение

В 70-е годы на основе технологии волоконной оптики, фирмами США был разработан вторично-эмиссионный усилитель в виде микроканальной пластины (МКП). МКП представляет собой тонкую пластинку с наклонными микроканалами, число которых более 1млн, а диаметр 10-12 мкм. Обе поверхности МКП полируются и металлизируются, между ними прикладывается напряжение в несколько сотен вольт.

Принцип действия МКП изображен на рис. 5. Электрон, выбитый с катода ЭОП, разгоняется в разгонной камере, затем попадает в канал МКП и ударяясь о ее наклонную стенку, выбивает вторичные электроны. В приложенном электрическом поле этот процесс многократно повторяется, позволяя получить коэффициент усиления в десятки тысяч раз.

Рис. 5. Принцип действия вторично-эмиссионного усилителя в виде микроканальной пластины.

Из-за наличия разгонной камеры, ЭОП II-го поколения имеет большой коэффициент усиления яркости, но при этом и большую длину.

Характеристики: усиление света 25 000-50 000, минимальная чувствительность фотокатода 240 мкА/лм, разрешение в центре поля 32-38 штр/мм. Ресурс 1000-3000 часов. Приборы, созданные на основе ЭОП поколения I +, продаются по ценам $ 1000-1500.

II+ поколение

Отличительной особенностью этих приборов, от приборов II-го поколения, является отсутствие разгонной камеры. Поэтому электрон, выбитый с катода ЭОП, попадает непосредственно на МКП, а затем на люминофорный экран.

Из-за отсутствия разгонной камеры, ЭОП поколения II + имеет меньший коэффициент усиления яркости, чем ЭОП поколения II. Но он обладает повышенной более чем в 2 раза чувствительностью фотокатода и высокой чувствительностью в инфракрасном диапазоне. Кроме того, отсутствие разгонной камеры, позволяет получить более четкую картинку. В результате, приборы поколения II +, работают на открытой местности лучше, чем приборы II поколения.

Из-за отсутствия разгонной камеры, ЭОП поколения II+ называется планарным (плоским). Приборы поколения II + имеют автоматическую регулировку яркости, защиту от засветок точечными источниками света и хорошее качество изображения по всему полю экрана. Коэффициент усиления яркости у таких ЭОП до 35000, но чувствительность фотокатода достигает величины 600 мкА/лм и смещена в большую ИК-область, разрешение 40-45 штр/мм. Ресурс 2000-5000 часов.

Эти приборы относятся к классу профессиональной техники и в настоящее время находятся на вооружении армий большинства западных стран, так как работают при очень низких уровнях освещенности, соответствующих звездному небу и звездному небу в легких облаках. Приборы, созданные на основе ЭОП поколения II +, продаются по ценам $ 2200-5000.

III поколение

На выставке вооружений в 1982 году был представлен ЭОП, принципиально отличающийся от своих предшественников высокоэффективным полупроводниковым фотокатодом на основе арсенида галлия, с ещё большим смещением пика чувствительности в инфракрасную область. По совокупности параметров, новый ЭОП на основе AsGa фотокатода был отнесен к следующему, III-му поколению.

Однако производство оказалось достаточно сложным и состояло из более 400 технологических операций. Из-за быстрого окисления поверхности фотокатода на воздухе, сборка проводилась с помощью манипуляторов, в вакууме, порядка 10-10 – 10-11 мм рт. ст. Все это определило чрезвычайно высокую стоимость этих преобразователей.

Сегодня ЭОП III-го поколения выпускают всего три производителя в мире - один российский и два американских - фирмы ITT и LITTON. Чувствительность ЭОП III-го поколения российского производства составляет 1200 мкА/лм, при весьма слабой разрешающей способности - 45 штр/мм, американские ЭОП III-го поколения имеют чувствительность до 2700 мкА/лм, разрешающую способность до 75 штр/мм и ресурс до 15 000 часов, что в 3 раза выше, чем у российских ЭОП.

Высокая чувствительность ЭОП III-го поколения позволяет приборам на их основе видеть при освещенности 5х10-4 лк, что соответствует звездному небу в облаках.

ЭОП III-го поколения является ключевой военной технологией. Их применение создает армии и авиации огромное преимущество над потенциальным противником в боевых действиях в ночное время.

Распространение такой высокотехнологичной продукции контролируется всеми без исключения государствами, которые путем пономерного учета выпускаемых ЭОП, препятствуют попаданию подобных изделий в гражданский оборот.

Поэтому, если какая-либо отечественная или иностранная фирма, пусть даже за очень большие деньги, предлагает обыкновенному покупателю приобрести ночной прицел, или очки, оснащенные ЭОП III-го поколения и не требует при этом предоставить сертификат конечного пользователя (обязательный при такой процедуре), то покупателю стоит всерьез задуматься над тем, ЭОП какого поколения на самом деле будет установлен в такое изделие, и за что он заплатит свои деньги.

Необходимо также учитывать, что приборы на основе ЭОП III-го поколения боятся засветки боковыми источниками света, так как не имеют в своей конструкции волоконно-оптической пластины (ВОП). В связи с этим, не рекомендуется приобретать приборы III-го поколения, если угодья, где происходит охота, граничат пусть даже с далекой автомобильной трассой, либо на горизонте есть огни дачного поселка или города.

Стоимость приборов на основе ЭОП III-го поколения составляет от $ 5000-10000.

поколение SUPER II+ и SUPER II++ (по западной классификации Super Gen II+)

В связи с высокой стоимостью ЭОП III-го поколения, сравнимой с ценой отечественного легкового автомобиля, было принято решение разработать ЭОП, полностью аналогичный конструкции ЭОП III-го поколения, (включая оптические и электрические параметры), но с хорошо освоенным и более дешевым мультищелочным фотокатодом.

Разработка ЭОП нового поколения проводилась с учетом технологических достижений, применявшихся при производстве ЭОП всех поколений, в результате чего был создан мультищелочной фотокатод сверхминиатюрной конструкции с особо высокой чувствительностью в инфракрасной области (S-25R). На базе таких фотокатодов были выпущены ЭОП поколений SUPER II+ и SUPER II++.

Созданный мультищелочной фотокатод оказался более стойким соединением по сравнению с AsGa фотокатодами III-го поколения и практически не деградировал под действием положительных ионов, возникающих в каналах микроканальной пластины (МКП) и бомбардирующих фотокатод. Это позволило отказаться от нанесения на вход МКП защитной ионно-барьерной пленки, применяемой в ЭОП III-го поколения.

В результате, эффективность работы ЭОП повысилась на 30-50 %, а значение фактора шума было снижено до 1,5, в то время как для ЭОП III-го поколения эта величина составляет 3,0-3,5.

Интегральная чувствительность повысилась до 500-650 мкА/лм (в стандартных ЭОП поколений II и II+ это значение не превышает 280-350 мкА/лм).

Кроме того, в конструкции были применены микроканальные пластины с большим количеством каналов, что повысило разрешающую способность ЭОП поколения SUPER II+ до 50-55 штр/мм, а ЭОП поколения SUPER II++ до 60-75 штр/мм, при частотно- контрастной характеристике, не уступающей ЭОП III-го поколения.

Наибольшего успеха в разработке ЭОП поколения SUPER II++ достигла компания DEP-photonis (Голландия). Поэтому некоторые достаточно известные, но не очень порядочные производители ПНВ (особенно российские) запросто обманывают своих покупателей, выдавая ЭОПы поколения SUPER II++, производимые этой компанией, за ЭОПы III-го поколения.

Следует отметить, что компания DEP никогда не производила и не производит ЭОП третьего поколения. Такие названия, как SuperGen, XD-4, XR-5, на самом деле являются торговыми марками модификаций ЭОП поколения SUPER II++. Эти ЭОПы отличаются низкими шумами, высокой разрешающей способностью – до 75 штр/мм (XR-5) и высокой чувствительностью фотокатода – до 600-700 мкА/Лм, что приближает их к ЭОП 3-го поколения.

Вышеуказанный рост параметров обеспечил приборам с ЭОП поколения SUPER II++ практически те же дальности действия, что и с ЭОП III-го поколения (Таблица 1). Таким образом, ЭОП новейшего поколения SUPER II++ из "временно замещающего" превратился в самостоятельную и более дешевую альтернативу ЭОП III-го поколения.

Сегодня производители ЭОП III-го поколения признают, что не существует принципиальных различий в эффективности между ПНВ с ЭОП поколений Super II++ и III.

Несмотря на довольно выдающиеся параметры, приборы, созданные на основе ЭОП поколения SUPER II++, продаются по ценам, всего на 10-15% выше, чем приборы поколения II+

Приборы ночного видения с ЭОП, вы можете увидеть в разделах: , и .

Электровакуумные или полупроводниковые приборы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, называют фотоэлектронными.

Основной параметр фотоэлемента - его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Эта величина в вакуумных фотоэлементах достигает значения порядка 100 мкА/лм.

Схема ФЭУ приведена на рис. 1. Падающие на фотокатод К фотоны эмиттируют электроны, которые фокусируются на первом электроде (диноде) Э 1 . В результате вторичной электронной эмиссии с этого динода вылетает больше электронов, чем падает на него, т. е. происходит как бы умножение электронов. Умножаясь на следующих динодах, электроны в итоге образуют усиленный в сотни тысяч раз ток по сравнению с первичным фототоком.

Рис. 1.

ФЭУ применяют главным образом для измерения малых лучистых потоков, в частности ими регистрируют сверхслабую биолюминесценцию, что важно при некоторых биофизических исследованиях.

Рис. 2.

На внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического преобразователя (ЭОП), предназначенного для преобразования изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений. Схема простейшего ЭОП приведена на рис. 2. Световое изображение объекта 1, проецированное на полупрозрачный фотокатод К, преобразуется в электронное изображение 2. Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электродов Э электроны попадают на люминесцентный экран Е. Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое 3.

В медицине ЭОП применяют для усиления яркости рентгеновского изображения, это позволяет значительно уменьшить дозу облучения человека.

Если сигнал с ЭОП подать в виде развертки на телевизионную систему, то на экране телевизора можно получить «тепловое» изображение предметов. Части тела, имеющие разные температуры, различаются на экране либо цветом при цветном изображении, либо светом, если изображение черно-белое. Такая техническая система, называемая тепловизором, используется в термографии.

Фотоколори́метр

Оптический прибор для измерения концентрации веществ в растворах. Действие колориметра основано на свойстве окрашенных растворов поглощать проходящий через них свет тем сильнее, чем выше в них концентрация окрашивающего вещества. В отличие от спектрофотометра, измерения ведутся в луче не монохроматического, а полихроматического узко спектрального света, формируемого светофильтром.Применение различных светофильтров с узкими спектральными диапазонами пропускаемого света позволяет определять по отдельности концентрации разных компонентов одного и того же раствора.

Колориметры разделяются на визуальные и объективные (фотоэлектрические) - фотоколориметры. В визуальных колориметрах свет, проходящий через измеряемый раствор, освещает одну часть поля зрения, в то время как на другую часть падает свет, прошедший через раствор того же вещества, концентрация которого известна. Изменяя толщину l слоя одного из сравниваемых растворов или интенсивность I светового потока, наблюдатель добивается, чтобы цветовые тона двух частей поля зрения были неотличимы на глаз, после чего по известным соотношениям между l, I и с может быть определена концентрация исследуемого раствора.

Фотоэлектрические колориметры (фотоколориметры) обеспечивают большую точность измерений, чем визуальные; в качестве приёмников излучения в них используются фотоэлементы (селеновые и вакуумные), фотоэлектронные умножители, фоторезисторы (фотосопротивления) и фотодиоды. Сила фототока приемников определяется интенсивностью падающего на них света и, следовательно, степенью его поглощения в растворе (тем большей, чем выше концентрация). Измерения с помощью колориметра отличаются простотой и быстротой проведения. Точность их во многих случаях не уступает точности других, более сложных методов химического анализа. Нижние границы определяемых концентраций в зависимости от метода составляют от 10 −3 до 10 −8 моль/л.

Тема 16. Электронно-оптические преобразователи. Структура ОЭС с электронно-оптическим преобразователем, принцип работы ЭОП, основные характеристики и параметры ЭОП, формирование информационных сигналов. Приборы ночного видения.

Устройство и принцип действия. Электронно-оптическими преобразователями изображения называются электровакуумные устройства, преобразующие оптическое изображение одного спектрального состава (например, УФ или ИК) в промежуточное электронное изображение, а затем из электронного в видимое. ЭОП широко применяют в различной аппаратуре для научных исследований и в приборах ночного видения.

Схема простейшего электронно-оптического преобразователя показана на рис.1 ЭОП выполнен в виде стеклянной колбы с параллельными передней и задней стенками. На переднюю стенку нанесен полупрозрачный кислородно-цезиевый фотокатод, а на заднюю – флюоресцирующий экран из сернистого цинка. Катод и экран нанесены на серебряные полупрозрачные подложки, которые являются электродами преобразователя. Между электродами прикладывают ускоряющее напряжение до 10 000 В.

Рис.1. Схема простейшего электронно-оптического преобразователя:1 – объект наблюдения; 2- объектив; 3 – фотокатод; 4 – стеклянная колба; 5 - экран

Изображение объекта в инфракрасных лучах проецируется объективом 2 на фотокатод 3. при этом облученность фотокатода оказывается пропорциональной темным и светлым участкам объекта. Поэтому излучение более ярких участков возбуждает на фотокатоде большее количество электронов и большую их эмиссию, чем темных участков, от которых фотоэмиссия меньше. Вылетающие из фотокотода электроны, попадая в электрическое поле между катодом и экраном, ускоряют свое движение и, бомбардируя экран, вызывают его свечение. Интенсивность свечения отдельных точек экрана зависит от интенсивности электронного потока. А так как интенсивность потока в, свою очередь, зависит от интенсивности облучения соответствующих участков фотокатода, то в результате на экране возникает видимое изображение объекта. Чтобы электроны двигались от анода к экрану без столкновений с молекулами воздуха, в стеклянной колбе ЭОПа создан вакуум порядка 10 -2 …10 -3 Па.

Так как в такой конструкции простейшего преобразователя электроны, исходящие из одной точки фотокатода, не фокусируются электрическим полем, а лишь переносятся этим полем на экран, то изображение точки на экране получается в виде кружка рассеяния. Это происходит в результате того, что электроны движутся между катодом и экраном не параллельно друг другу, а по параболическим траекториям и наконечном участке пути вследствие разброса начальных скоростей электронов происходит некоторое рассеяние электронного пучка. Диаметр кружка рассеяния можно определить по формуле

где U 0 – напряжение, определяющее начальную энергию электронов (для кислородно-серебряноцезиевого фотокатода U 0 = 0,3 В), U y – ускоряющее напряжение, l – расстояние между фотокатодом и экраном.

Рис.2. Траектория движения электрона

Ускоряющее напряжение , где Ē – напряженность электрического поля, а траектория движения электрона описывается формулой:

Если v 0 = 0, то и время пролета электрона:

В электронно-оптическом преобразователе с электростатической фокусирующей системой электронные пучки фокусируются электрическим полем, создаваемым электронной линзой. Электронная линза состоит из двух металлических электродов.

Так как напряженность электрического поля возрастает от катода к экрану постепенно, плавно, а экран отнесен на большое расстояние от фотокатода, то становится возможным применение больших ускоряющих напряжений без опасности возникновения автоэлектронной эмиссии с катода или межэлектродных пробоев. Меняя соотношение размеров между фокусирующими электродами, можно изготовлять ЭОПы с увеличением и уменьшением изображения. При уменьшении изображения возрастает яркость свечения экрана и усиливается яркость изображения за счет увеличения потока плотности тока.

Разрешающая способность ЭОПов такого типа 40-60 штр/мм в центре поля зрения. В ЭОПах с плоским фотокатодом разрешающая сила сильно падает на краях катода вследствие кривизны эквипотенциальных линий вблизи поверхности катода. Для улучшения разрешающей силы по полю катод можно сделать не плоским, а выпуклым. Однако выпуклый катод нуждается в сложной специальной оптике, что в ряде случаев может представлять неудобства.

Для фокусировки электронного изображения могут применяться также магнитные линзы. Так как магнитное поле изменяет только направление движения электронов, а не их энергию, то в ЭОПе с магнитной линзой между фотокатодом и экраном располагается ускоряющий электрод, создающий ускоряющее электрическое поле. Дополнительное поле магнитной линзы фокусирует электронный пучок и участвует в формировании изображения на экране.

При магнитной фокусировке увеличиваются масса и габариты прибора с ЭОПом, а для линзы требуется дополнительный источник электрического питания. И хотя ЭОПы с магнитной фокусировкой дают возможность получать изображение с достаточно высоким разрешением по всему полю зрения, из-за указанных недостатков эти ЭОПы используются значительно реже, чем ЭОПы с электростатической фокусировкой.

Фотокатоды ЭОПов изготавливают путем напыления в вакууме нескольких слоев различных металлов на полупрозрачную металлическую (обычно серебряную) подложку. Слой серебра (подложки) напыляется на внутреннюю сторону входного окна колбы ЭОПа. На практике чаще используются слои, образуемые соединением сурьмы с цезием, окисленного серебра с цезием и сурьмы с калием, натрием и цезием.

Для изготовления экранов преобразователей применяют люминофоры из сульфида цинка, сульфид-селенида цинка или силиката цинка (виллемита). При попадании на люминофор электронов они вызывают в нем индуцированное излучение, и возникает свечение – так преобразуется энергия электронов в световую энергию. Цвет свечения зависит от типа люминофора. В ЭОПах для визуального наблюдения применяют люминофоры с желто-зеленым свечением. Для фотографирования с экрана удобнее люминофор с синим свечением, спектральная характеристика свечения которого лучше согласуется со спектральной чувствительностью фотопленки. Для повышения световой отдачи экрана внутреннюю поверхность его покрывают тонким слоем алюминия. Отдача экрана повышается вследствие отражения светового потока экрана от внутренней поверхности алюминиевого слоя, как от зеркала, в сторону наблюдателя.

Качество электронно-оптических преобразователей можно оценить по основным характеристикам.

Параметры и характеристики.

Интегральная чувствительность S характеризуется отношением фототока преобразователя к потоку излучения (чувствительность фотокатодов определяют по излучению лампы накаливания с цветовой температурой Т с =2854 К), попавшему на фотокатод:

где S выражается в мкА/лм.

Спектральная чувствительность S λ равна отношению величины фототока i λ к величине потока от источника монохроматического излучения Ф λ и определяет область спектра, в которой может работать данный ЭОП.

Иногда чувствительность ЭОПа характеризуют в единицах облученности. Освещенность на фотокатоде

где Е к выражается в лк; ρ – коэффициент отражения наблюдаемого объекта; τ – коэффициент пропускания оптической системы, используемой с ЭОПом; Е об – освещенность объекта; А – относительное отверстие (отношение диаметра входного зрачка системы к фокусному расстоянию).

Например, с помощью ЭОПа с чувствительностью 10 -3 лк можно наблюдать объекты на местности с освещенностью

если ρ = 0,1; τ = 0,5 и А = 1,1.

Коэффициент преобразования η – отношение потока, излучаемого экраном во внешнюю полусферу, к потоку излучения, попавшему на фотокатод:

где ξ υ – световая отдача экрана, представляющая собой отношение светового потока, излучаемого экраном, к мощности облучающего экран электронного потока (мощность электронного пучка, попадающего на экран равна Р эл = Ui ф = USФ к. Иногда светоотдачу выражают в кд/Вт, в этом случае ξ υ ´= ξ υ /π кд/Вт, так как световой поток, излучаемый экраном Ф э = πI э, где I э – сила света, излучаемая экраном), лм/Вт, ξ υ ´= Ф э /Р эл; U – ускоряющее напряжение, В.

Электронно-оптическое увеличение Г э характеризуется увеличением или сжатием линейных размеров изображения предмета на экране по сравнению с размерами изображения предмета на фотокатоде.

Коэффициент яркости η L – отношение яркости экрана к освещенности (облученности) фотокатода:

Яркость в числителе формулы введена потому, что глаз при наблюдении протяженных объектов реагирует на яркость изображения на экране.

Усиления яркости изображения на ЭОПе можно добиться уменьшением масштаба изображения, а также повышением коэффициента преобразования и увеличением светосилы объектива, используемого с ЭОПом.

Разрешающая способность N определяется по штриховым таблицам (мирам) как минимальное расстояние между штрихами, которое еще можно различить при наблюдении этой миры на экране ЭОПа. Выражается разрешающая способность числом штрихов, различаемых раздельно на участке в 1 мм (штр/мм).

Разрешающая способность ЭОПов ограничивается зернистостью люминофора и фотокатода, а также аберрациями изображения.

Яркость темнового фона L о характеризуется яркостью свечения экрана при отсутствии облученности фотокатода. Это свечение возникает вследствие термоэмиссии электронов с фотокатода и приводит к снижению контраста при наблюдении изображения.

Снижение контрастности изображения вследствие темнового фона характеризуется коэффициентом контрастности

Инерционность t и в основном определяется инерционностью экрана ЭОПа. Инерционность характеризуется длительностью возбуждения люминофора после появления электронного луча и длительностью послесвечения экрана после прекращения облучения. Продолжительность процессов возбуждения и послесвечения зависит от типа люминофора и может быть от нескольких микросекунд до нескольких часов.

Для увеличения чувствительности ЭОПов можно использовать такое последовательное соединение двух или нескольких ЭОПов, чтобы поток, излучаемый экраном первого попадал на фотокатод второго и т.д., в этом случае второй с последующие преобразователи служат для усиления яркости изображения. Коэффициент преобразования такой системы может достигать десятков и сотен тысяч, что позволяет вести наблюдение при очень низких уровнях освещенности. Электронно-оптические приборы, состоящие из нескольких последовательно соединенных ЭОПов, получили название каскадных или многокамерных, электронно-оптических преобразователей.

ЭОП

электрооптические параметры

техн., физ.

Источник: http://chem.kstu.ru/jchem&cs/russian/n4/appl4/yal2000/0sdms60/0sdms60.htm

ЭОП

эндоскопическое оперативное пособие

ЭОП

электронно-оптический планшет

техн., физ.

эффективная отражающая поверхность

связь

Словари: Словарь сокращений и аббревиатур армии и спецслужб. Сост. А. А. Щелоков. - М.: ООО «Издательство АСТ», ЗАО «Издательский дом Гелеос», 2003. - 318 с., С. Фадеев. Словарь сокращений современного русского языка. - С.-Пб.: Политехника, 1997. - 527 с.

в теории радиолокации

ЭОП

эндогенные опиаты

ЭОП

электронный оптический прибор

техн., физ.

ЭОП

электронно-оптический приёмник

техн., физ.

Словарь: С. Фадеев. Словарь сокращений современного русского языка. - С.-Пб.: Политехника, 1997. - 527 с.

ЭОП

электронно-оптический преобразователь

техн., физ.

Словари: Словарь сокращений и аббревиатур армии и спецслужб. Сост. А. А. Щелоков. - М.: ООО «Издательство АСТ», ЗАО «Издательский дом Гелеос», 2003. - 318 с., С. Фадеев. Словарь сокращений современного русского языка. - С.-Пб.: Политехника, 1997. - 527 с.

ЭОП

электронно-оптический прожектор

техн., физ.

Источник: http://www.mini-soft.ru/bemt/3usct_.php

Словарь сокращений и аббревиатур . Академик . 2015 .

Синонимы :

Смотреть что такое "ЭОП" в других словарях:

ЭОП - ЭОП: ЭОП электронно оптический преобразователь. ЭОП эффективная отражающая поверхность. … Википедия

ЭОП - см. Электронно оптический преобразователь. * * * ЭОП ЭОП, см. Электронно оптический преобразователь (см. ЭЛЕКТРОННО ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ) … Энциклопедический словарь

ЭОП Большой Энциклопедический словарь

эоп - сущ., кол во синонимов: 1 преобразователь (39) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

ЭОП - см. Электронно оптический преобразователь … Большой медицинский словарь

ЭОП - см. Электронно оптический преобразователь … Медицинская энциклопедия

ЭОП - см. Электронно оптический преобразователь … Естествознание. Энциклопедический словарь

ЭОП - электронно оптический планшет электронно оптический преобразователь электронно оптический приёмник эффективная отражающая поверхность … Словарь сокращений русского языка

ЭОП с микроканальной пластиной - ЭОП с МКП Ндп. микроканальный ЭОП ЭОП с микроканальным усилением Электронно оптический преобразователь, в котором повышение коэффициента яркости осуществляется при помощи микроканальной пластины. [ГОСТ 19803 86] Недопустимые, нерекомендуемые… …

ЭОП с регулируемым увеличением изображения - Ндп. ЭОП с переменным увеличением Электронно оптический преобразователь, в котором предусмотрена возможность изменения масштаба изображения на выходе путем изменения электронно оптического увеличения. [ГОСТ 19803 86] Недопустимые, нерекомендуемые … Справочник технического переводчика