Zesilovače jasu obrazu

Ing. Miroslav Jedlička, CSc.,
Česká a Slovenská společnost pro fotoniku

Jas je významná fotometrická veličina, která definuje vlastnost plošného zdroje světla. Je-li jas svítící plochy rozložen v ploše nerovnoměrně a je funkcí souřadnic plochy a popř. také času, může být takto svítící plocha zdrojem informace a smysluplným obrazem. Schopnost využít informaci uloženou v obraze je závislá na velikosti jeho jasu. Ze zkušenosti je známo, že při pozorování scén za šera bývá část informace pro pozorovatele ztracena. Zařízení, která umožňují pozorovat obrazy (scény) s velmi malým jasem bez podstatné ztráty informace, se nazývají zesilovače jasu obrazu [7]. Většinou jsou to elektronky, které pro svou funkci využívají fotoelektrickou emisi, sekundární emisi a luminiscenci, tedy fotokatody, sekundární emitery a luminiscenční stínítka. Čtenáři, kteří nejsou s problematikou těchto jevů seznámeni natolik, aby porozuměli textu, mohou nahlédnout do literatury [1] až [6].

Obr. 1. Základní princip funkce zesilovače jasu obrazu (e – fotoelektrony)

Základní principiální schéma zesilovače jasu obrazu, platné pro všechny jeho druhy, je naznačeno na obr. 1. Obraz scény je promítnut na průhledné vstupní okno elektronky. Na evakuované straně tohoto okénka – tedy uvnitř elektronky – je nanesena tenká poloprůhledná fotoemisní vrstva – fotokatoda. Záření absorbované ve fotokatodě způsobí emisi elektronů, které se podle jejich vzniku často nazývají fotoelektrony. Na druhém konci elektronky proti fotokatodě je umístěno luminiscenční stínítko a mezi tímto stínítkem a fotokatodou je elektrické pole, vyvolané přiloženým napětím. Toto pole zrychlí emitované fotoelektrony a zvýší jejich energii natolik, aby po dopadu na stínítko vybudily luminiscenci. Jas luminiscenčního záření je ve výstupním okénku elektronky rozložen plošně stejně jako v obrazu scény na vstupu elektronky, ale je podstatně větší než na vstupu.

V několika posledních letech se zesilovače jasu obrazu rozdělují do čtyř skupin, nazývaných generace I až IV. Každá generace má své výhody a nevýhody.

I. generace zesilovačů jasu

Elektronky této generace vynikají vysokou rozlišovací schopností, velkým dynamickým rozsahem (schopností zpracovávat rozsah mezi jasnými a tmavými místy obrazu) a malým šumem. Jejich zesílení, vyjádřené poměrem dopadajícího a vystupujícího světelného toku, je řádově několik stovek lumenů na lumen. První generace využívá pouze jedno elektrické pole pro zrychlení fotoelektronů na jejich cestě od fotokatody ke stínítku.

Obr. 2. Proximitní fokusace fotoelektronů e do roviny stínítka
Obr. 3. Fokusace fotoelektronů e do roviny stínítka elektronovou optikou
Obr. 6. Zesilovač jasu II. generace s proximitní fokusací a jednou kanálkovou destičkou (a) nebo dvěma destičkami v tzv. uspořádání v kupě (V-Stack) (b)

Pro fokusaci (zaostření) elektronového obrazu do roviny stínítka se používá jedna ze dvou metod:

• Luminiscenční stínítko se umístí velmi blízko k emitujícímu povrchu fotokatody. Toto uspořádání je označováno jako proximitní (blízkostní) fokusace (obr. 2).

• Pro fokusaci fotoelektronů do roviny stínítka se použije elektronová čočka (obr. 3).

II. generace zesilovačů jasu

Hlavním rozdílem mezi I. a II. generací zesilovačů jasu je použití násobiče elektronů založeného na využití jevu sekundární elektronové emise. V takovém uspořádání se kromě zvýšení energie původních fotoelektronů uplatňuje i zvětšení počtu elektronů vystupujících z násobiče ve srovnání s počtem fotoelektronů. Elektrony se násobí v tzv. kanálkové destičce, často označované zkratkou MCP (podle anglického názvu microchannel plate). Ta je tvořena tenkou destičkou z polovodivého skla, v níž je velké množství miniaturních otvorů, tvořících soustavu jakýchsi kanálků. Průměr jednotlivých kanálků je 6 až 10 µm a délka okolo 0,5 mm. Na vnitřních stěnách kanálků bývá tenká vrstva CsI nebo CuI, popř. jiného vhodného materiálu, jehož koeficient sekundární emise je dostatečně velký.

Obr. 4. Kanálková destička. Fotoelektrony z fotokatody vstupují do jednotlivých kanálků a jsou v nich urychlovány ve směru k výstupnímu otvoru kanálku elektrickým polem, přitom dopadají na vnitřní povrch kanálku a působí emisi sekundárních elektronů, které jsou opět urychlovány směrem k výstupu. Jeden fotoelektron může způsobit emisi čtyř až šesti elektronů na výstupu destičky.

Na obr. 4 je vidět uspořádání kanálkové destičky.

Do zesilovačů se vkládá jedna až tři kanálkové destičky. Se zvětšujícím se počtem destiček roste celkové zesílení, ale klesá rozlišovací schopnost, jež je závislá na rozptylu elektronů vystupujících z předcházející a vstupujících do následující destičky.

Obr. 5. Snímek části povrchu kanálkové destičky s roztečí kanálků 10 µm a průměrem kanálku přibližně 5 µm

Dosažitelná rozlišovací schopnost a celkový dynamický rozsah jsou u II. generace menší než u I. generace, zato zisk vyjádřený poměrem světelných toků je podstatně větší (bývá až 104 lm/lm u elektronek s jednou destičkou a až 107 lm/lm u zesilovačů se dvěma destičkami). Způsob použití kanálkové destičky u zesilovačů s fokusací elektronovou optikou je zřejmý z obr. 7.

III. generace zesilovačů jasu

Třetí generace zesilovačů využívá proximitní fokusaci, kanálkovou destičku a galium-arsenidovou fotokatodu, která patří mezi fotokatody s tzv. negativní elektronovou afinitou, často označované jako fotokatody NEA. Emitující povrch těchto fotokatod je speciálně upraven; to podstatně zmenšuje velikost výstupní práce, kterou musí mít emitující elektron k dispozici, aby mohl vystoupit z fotokatody do vakua. To posunuje dlouhovlnnou mez k větším vlnovým délkám. Integrální citlivost fotokatod NEA je asi 1 200 µA/lm místo 300 µA/lm u kvalitních multialkalických fotokatod, obvykle používaných u I. nebo II. generace. Hlavní výhodou je citlivost v blízkém infračerveném oboru, nevýhodou je náchylnost k tepelnému šumu. Fotokatody NEA v zesilovačích jsou často téměř slepé na modré světlo, v zeleném je jejich citlivost malá, jsou ale výtečné v blízké infračervené oblasti okolo 900 až 1 300 nm.

Obr. 7. Zesilovač jasu II. generace v diodovém uspořádání (fokusace fotoelektronů e elektronovou optikou)
Obr. 8. Srovnání spektrálních charakteristik různých fotokatod: multialkalické fotokatody o složení Sb-Na-K-Cs, bialkalické o složení Sb-Na-K, „slepé“ fotokatody Te-Cs, nejstarší známé technicky využitelné fotokatody Ag-O-Cs a fotokatod NEA: GaAs, InGaAs, InP/InGaAsP, InP/InGaAs a GaAsP. Fotokatody jsou tenké vrstvy, které je možné osvětlovat ze strany jejich obvykle skleněné podložky (T – zpětné osvětlení) nebo ze strany emitujícího povrchu (R – přímé osvětlení).
Obr. 9. Příklady vazby proximitního zesilovače jasu s televizním snímacím senzorem CCD

S využíváním fotokatod s negativní elektronovou afinitou je však spojen velký problém. Malé výstupní práce je dosahováno velmi důmyslným zpracováním emitujícího povrchu. Jakmile je jednou emisní povrch v termodynamické rovnováze, je velmi citlivý na jakékoliv své fyzikální nebo chemické změny. Takové změny snadno způsobí rychlé ionty zbytkových plynů, vznikající v elektronce ionizací atomů zbytkových plynů vlivem poměrně intenzivního elektrického pole mezi fotokatodou a kanálkovou destičkou a mezi destičkou a stínítkem. Takové ionty velmi rychle emitující povrch ničí. Citlivost galium-arsenidové fotokatody potom po několika málo hodinách provozu klesá na bezvýznamnou hodnotu a elektronka není k použití. Aby se tomuto škodlivému jevu předešlo, opatřuje se povrch kanálkové destičky odvrácený k fotokatodě tenkou vrstvičkou oxidu hliníku nebo hořčíku, který funguje jako iontová past a blokuje ionty. Vrstvička ovšem musí být tak tenká, aby umožňovala průnik fotoelektronů do kanálkové destičky. Iontová past prodlužuje životnost elektronek III. generace na stejnou hodnotu jako u II. generace. Nicméně iontová past způsobí, že se uplatní jen asi polovina fotoelektronů směřujících ke kanálkové destičce a je také omezen průnik nízkoenergetických sekundárních elektronů z čelních stěn kanálků do jejich dutiny. Rovněž napětí mezi fotokatodou a kanálkovou destičkou – u II. generace asi 200 V – u III. generace vzroste až na 800 V z důvodu lepšího pronikání fotoelektronů iontovou pastí. A to zase usnadňuje ionizaci zbytkových plynů. Ve srovnání s I. generací potřebuje III. generace pro dosažení stejné kvality obrazu nejméně dvojnásobnou citlivost fotokatody, aby se překonaly interní ztráty. Nakonec je tomu tak, že zázračná III. generace s 30% kvantovou účinností fotokatody často neposkytne o mnoho lepší výsledky než elektronky I. generace s kvalitní multialkalickou fotokatodou. V modrém oboru spektra není III. generace o mnoho lepší než II. generace.

Přesto velmi kvalitní zesilovače III. generace s fotokatodou NEA umožnily pozorování scén až k osvětlením řádu 10^–5 lx (zatažená noční obloha).

IV. generace zesilovačů jasu

Evropští výrobci zesilovačů většinou tvrdí, že zesilovače IV. generace jsou jen marketingovým termínem amerických firem, který má představovat největší technický boom v zesilování jasu obrazu v posledních patnácti letech. Evropské firmy toto označení většinou nepoužívají; vlastnosti americké IV. generace se objevují u speciálně označených zesilovačů III. generace. Zesilovače IV. generace, které byly zavedeny v USA v roce 1999, jsou v podstatě zesilovače III. generace, ale bez iontové pasti. Aby mohla být iontová bariéra odstraněna, je třeba radikálně zmenšit obsah zbytkových plynů (hlavně kyslíku a dusíku) v elektronce. Toho se údajně dosahuje dlouhodobým odplyňováním elektronek ve vysokém vakuu a při vysokých teplotách za stálého čerpání velmi účinnými moderními vývěvami, přičemž povrchy součástek uvnitř elektronky jsou bombardovány elektronovým svazkem. Uvedené technologické postupy před zhotovením fotokatody údajně umožňují očištění vnitřních povrchů do hloubky asi 100 nm; to následně asi stonásobně zmenší obsah zbytkových plynů a prodlouží životnost elektronek i bez iontové pasti. Odstraněním iontové pasti se zvýší citlivost fotokatody na hodnotu odpovídající možnostem úplného vstupu fotoelektronů a od nich vznikajících sekundárních elektronů do kanálkové destičky. Velké zvýšení citlivosti vede k výborným vlastnostem při extrémně nízkých hladinách osvětlení (lepší odstup signálu od šumu a také nejméně trojnásobně zvětšená rozlišovací schopnost oproti klasické III. generaci).

Vazba s televizní kamerou

Nutnost pozorovat výstupní obraz zesilovače jasu obrazu klasickým okulárem může být v mnohých případech nevýhodná, protože vyžaduje těsný kontakt pozorovatele se zařízením. Tuto nevýhodu může odstranit vazba zesilovače jasu s televizní kamerou. Příklady takové vazby jsou na obr. 9 (9a, 9b, 9c).

Obr. 10. Funkční schéma televizního snímacího zařízení ICCD
Obr. 11. Noktovizor v podobě brýlí

Podrobnější obrázek uspořádání varianty s taperem známé pod označením ICCD (Intensified Charge Couple Device) [9] je na obr. 10.

Převáděče obrazu

Zasahuje-li spektrální charakteristika fotokatody použité v zesilovači jasu i do oblastí vlnových délek záření sousedících s viditelným oborem, objeví se na výstupu zesilovače i ta část obrazu, která není normálně zrakem vidět. Nejčastěji jde o blízký infračervený obor záření – oblast mezi 800 nm a 1 300 nm. Na obr. 8 je patrné, že takovými fotokatodami jsou fotokatody NEA nebo historicky nejstarší účinná fotokatoda Ag-O-Cs, často označovaná S 1. Další zajímavý a důležitý spektrální obor je rentgenové záření. V tomto případě však není na vstupu elektronky fotokatoda, ale luminiscenční stínítko těsně vázané s fotokatodou. Rentgenové záření nesoucí informaci o objektu, kterým prošlo (např. lidské tělo), dopadne na stínítko a vybudí v něm luminiscenční obraz, který v přilehlé fotokatodě excituje fotoelektrony nesoucí původní obrazovou informaci; dále jsou zpracovány stejně jako v jiném zesilovači jasu.

Vzhledem k tomu, že tyto elektronky převádějí obraz z neviditelného oboru elektromagnetického záření do viditelného, říká se jim převáděče obrazu. V současné době se téměř veškerá lékařská rentgenová diagnostika opírá o použití těchto převáděčů a každé moderní rentgenové pracoviště je jimi vybaveno. Lze se s nimi setkat také na letištích při každé kontrole zavazadel.

Obr. 12. Obrázek z nočního pozorování noktovizorem

Nejvíce se převáděče z infračerveného oboru využívají ve vojenské technice, kriminalistice a pro pozorování v noci (noktovize) v přírodě [8]. Na obr. 11 je obraz vojenského noktovizoru na přilbě pilota, na obr. 12 příklad zviditelněného infračerveného obrazu automobilu [10], [11].

Závěr

Zesilovače jasu obrazu a převáděče obrazu patří k několika málo druhům elektronek, které přežily rok 2000 – a přežily ho s úspěchem. Zatím není v dohledu jejich rovnocenná nevakuová varianta. V 60. a 70. letech dvacátého století bylo vynaloženo mnoho úsilí na vyvinutí pevnolátkového nevakuového převáděče obrazu nebo zesilovače jasu [12], ale tato zařízení nebyla schopna konkurovat elektronkám především z hlediska setrvačnosti. Procesy závislé na fotoelektrické a sekundární elektronové emisi jsou v podstatě nesetrvačné a setrvačnost luminoforů používaných pro stínítka je velmi malá.

Literatura:
[1] JAREŠ, V. – JEDLIČKA, M.: Optické elektronky. SNTL, Praha, 1964.
[2] REICHEL, T. – JEDLIČKA, M.: Fotokatody. SNTL, Praha, 1963.
[3] JEDLIČKA, M.: Fotoelektrický jev. SNTL, Praha, 1975.
[4] JEDLIČKA, M.: Fotoelektrické a sekundární emitery s negativní elektronovou afinitou. Slaboproudý obzor, 1972, 33, č. 1, s. 44–49.
[5] JEDLIČKA, M: Stav v oboru fotokatod. Slaboproudý obzor, 1985, 46, č. 4, s. 198– 202.
[6] JEDLIKA, M. – KULHÁNEK, P.: Photocathodes – contemporary state and trends. Vacuum, 1986, 36, Převáděče a zesilovače obrazu. Jemná mechanika a optika, 1978, Discovering in the Dark with Image Intensifiers. Europhotonics, 1997, Scientific application open up for ICCDs. Laser Focus World, 2001, Fiber’s Role in Military Night Vision. Photonics Spectra, 1990, . 7, s. 95–98.
[11] SCHAFF, F.: Beyond the Visible: The ABC of IR. Photonics Spectra, 2000, Electronic Image Storage. Academic Press, New York and London, 1968, s. 412–461.
[12] KAZAN, B. – KNOLL, M.: Electronic Image Storage. Academic Press, New York and London, 1968, s. 412–461.