Wzmacniacze obrazu

Rys.1 Wypaczenie MCP i błąd jitteru

Pojęcie wzmacniacz obrazu (image intensifier) określa bardzo szeroką gamę urządzeń dostępnych zarówno w cenie 100 dolarów, jak i 50 tys. dolarów. Wzmacniacz obrazu składa się w najprostszym przypadku z fotokatody, wzmacniacza i ekranu wyjściowego. Fotokatoda jest płytką typu metal-półprzewodnik, która po przyłożeniu stałego napięcia elektrycznego generuje tzw. fotoelektrony pod wpływem padającego promieniowania elektromagnetycznego (światła) z zakresu UV-NIR (od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni).

Wzmacniacz składa się najczęściej z dwóch lub trzech płytek mikrokanalikowych MPC (Micro-Channel Plate). Są to szklane, przeważnie okrągłe płytki o grubości poniżej 1mm, pokryte milionami równoodległych, metalizowanych otworów (kanalików) o średnicy od czterech do kilkunastu mikrometrów. Otwory wykonuje się pod kątem kilkunastu stopni do powierzchni. Po przyłożeniu do zewnętrznych powierzchni MCP napięcia, fotoelektrony uderzają w ściany kanalików i zostają powielone (1000× lub 10000×) na skutek gradientu pola. Tak duża grupa elektronów wypada z MCP i uderza w fosforowy ekran, który z kolei generuje błysk światła w zakresie widzialnym, podobnie jak w starych oscyloskopach analogowych lub czarno-białych telewizorach CRT.

Wzmacniacz obrazu realizuje dwie funkcje:

• wzmacnia sygnał świetlny do poziomu rejestrowanego przez inne detektory (kamera, oko),

• konwertuje promieniowanie z zakresów „niewidzialnych”, jak UV czy NIR, do zakresu widzialnego.

Współczesne wzmacniacze zawierają jeszcze wiele dodatkowych elementów zwiększających ich niezawodność i elastyczność oraz poprawiających parametry. Warto wspomnieć o dwóch blokach istotnych dla użytkownika, a mianowicie module kontrolującym wzmocnienie oraz płytce światłowodowej. Moduł zabezpiecza przed zniszczeniem wzmacniacza zbyt dużym natężeniem promieniowania, a płytka realizuje efektywnie sprzężenie optyczne z detektorem wyjściowym. Dodatkowo może obracać obraz, co jest korzystne przy stosowaniu wzmacniacza obrazu w goglach noktowizyjnych.

HISTORIA

Rys.2 Rekombinacja mniejszościowych nośników w tranzystorze

Wzmacniacze obrazu mają dość długą historię. Ich rozwój zaczął się już w latach 40. XX wieku od tzw. generacji zero, ale dopiero generacja pierwsza (GenI), wciąż z rurą CRT jako wzmacniaczem sygnału, została zastosowana na szerszą skalę w czasach wojny wietnamskiej. Wzmacniacze pierwszej generacji wciąż pozostają w użytku szczególnie w tanim sprzęcie amatorskim, a kolejne generacje GenII oraz GenII+ (określana też jako super GenII) w sprzęcie obserwacyjnym i naukowym.

Przełomem było wprowadzenie na przełomie lat 60. i 70. XX w. wzmacniaczy GenII z MCP jako wzmacniaczem oraz nowymi typami fotokatod. Dopiero generacja druga jest generacją w pełni pasywnych wzmacniaczy niewymagających dodatkowego doświetlenia obserwowanego obiektu. Dostępny zakres spektralny (katody S-1 i S-25) pozwolił na rozszerzenie aplikacji o fluorescencję w bliskiej podczerwieni. We wzmacniaczach GenIII wprowadzono przede wszystkim dwie nowe fotokatody półprzewodnikowe, dzięki którym czułość wzrosła kilkadziesiąt razy. Dodatkowo, zwiększono żywotność wzmacniacza.

W ciągu ostatnich 10 lat zaczęto mówić o kolejnej generacji (GenIV), która jest konstrukcyjną modyfikacją GenIII o podwyższonej czułości i zwiększonym stosunku sygnał-szum. Zwiększa ona rozdzielczość przestrzenną prawie do granic technologicznych możliwości MCP.

KLUCZOWE KOMPONENTY

Rys.3 Emisja plazmy (podany czas od włączenia napięcia na elektrodach)

Analizując budowę wzmacniacza obrazu, warto przyjrzeć się kluczowym komponentom stanowiącym duże wyzwanie technologiczne. O użyteczności wzmacniacza decydują dwa komponenty – fotokatoda i płytka mikrokanalikowa. Rynek zrewolucjonizowały fotokatody z arsenku galu o sprawności kwantowej (QE) do 50% i zakresie czułości spektralnej do 720nm oraz fotokatody z fosforowego arsenku galu o sprawności kwantowej 25% i czułości spektralnej do 920nm. Taka sprawność kwantowa jest porównywalna z matrycami FI-CCD (Front Illuminated CCD) budowanymi na krzemie.

Drugim istotnym komponentem jest płytka mikrokanalikowa (MPC). Jej jakość decyduje o wzmocnieniu, szumach, rozdzielczości przestrzennej i czasowej oraz dystorsji. Średnice kanalików wynoszą w lepszych modelach 4, 6 lub 12μm. Patrząc na jeden z głównych parametrów wzmacniacza: rozdzielczość przestrzenną wyrażoną w liczbie par linii przypadających na jeden milimetr, widać, jaki wpływ ma średnica kanalika. Dla najlepszych wzmacniaczy obrazu parametr ten wynosi 64lp/mm lub więcej, co daje grubość linii poniżej 8μm.

Rozmiar kanalików decyduje także o sprawności (efekt współczynnika wypełnienia) oraz o czasowej niepewności pomiaru (jitter), a więc rozdzielczości czasowej. Ten ostatni parametr ma krytyczne znaczenie w spektroskopii masowej (patrz rys. 1). Różnica w grubości powierzchni MPC w granicach 20μm powoduje błąd jitteru rzędu 0,5ns. Wartość ta daje przy średnicy od 18 do 50mm błąd poniżej jednego promila, a jej utrzymanie jest niezwykle skomplikowane od strony technologicznej i konstrukcyjnej przy grubości MCP wynoszącej 0,2...0,3mm.

Suma aberracji polowych w nowoczesnym wzmacniaczu wizyjnym wynosi obecnie poniżej 1%, a standardowo osiągane czasy bramkowania nie przekraczają 10ns. Właściwe materiały i obróbka (jak np. odgazowanie) powodują, że wydatnie wzrasta trwałość płytki. Wzmacniacze GenIII i GenIV potrafią rejestrować natężenie oświetlenia na poziomie 10–6 luksa. Dla większości elektronicznych technologii obrazowych jest to wynik nieosiągalny. Tu warto szerzej przyjrzeć się innej dostępnej technologii.

PORÓWNANIE TECHNOLOGII ICCD I EM-CCD

Rys.4 Nocne gogle

Wzmacniacze obrazu i kamery ICCD (ze wzmacniaczami obrazu) są ostatnio często porównywane z kamerami i technologią EM-CCD (Electron Multiplying CCD). Rozwiązania stosowane w aplikacjach badawczych charakteryzują się z reguły wyższą ceną i mniejszą rozdzielczością przestrzenną oraz mniejszą sprawnością kwantową, szczególnie w stosunku do technologii BT EM-CCD (Back-Th inned lub inaczej Back-Illuminated CCD). Z drugiej strony dają możliwość bardzo szybkiego bramkowania i w przypadku korzystania z zewnętrznego wzmacniacza wizyjnego są bardziej elastyczne.

Porównanie wzmacniaczy obrazu i EM-CCD w bardziej mobilnych aplikacjach wypada zdecydowanie na korzyść tych pierwszych. EM-CCD nie może pracować bez schłodzenia powielającej elektroniki nawet do 170K, choć zwykle temperatura –50…–60°C jest wystarczająca. Takie chłodzenie wymaga zmierzenia się z problemem kondensacji oraz zasilania – trudno jest zasilać elementy Peltiera bateryjnie.

Dodatkowo niezbędna jest dobra stabilizacja chłodzenia, bo zmiana temperatury EM-CCD o 1°C powoduje zmianę wzmocnienia o około 7%. Rozdzielczość rzędu 470 linii TV jest porównywalna z 60lp/mm, tak samo jak sprawność kwantowa w zakresie 700...800nm. Natomiast ani wymiary kamer EM-CCD, ani ich waga wciąż nie pozwalają na zastosowania w osobistym sprzęcie przenośnym.

ZAKRES ZASTOSOWAŃ

Można powiedzieć, że wzmacniacze obrazu i kamery ICCD są od lat stosowane w pomiarach, gdzie brakuje czasu lub światła, tj. obserwuje się bardzo szybkie bądź bardzo nikłe zjawiska (rys. 2). Są to obserwacje astronomiczne, wszelkiego typu fluorescencja (szczególnie obiektów biologicznych), rejestracja wybuchów, plazmy (rys. 3), szybkich odkształceń, jak również widzenie nocne w zastosowaniu cywilnym i militarnym (rys. 4). Wzmacniacze obrazu okazują się niezastąpione w wielu aplikacjach, w których potrzebny jest silny impuls wzbudzający lub oświetlający (np. range-gated imaging czy wspomniana fluorescencja) i nie ma możliwości odizolowania się od niego. Podobnie w przypadku pomiaru małych zmian na tle bardzo silnego oświetlenia z otoczenia, kiedy bramkowanie i synchronizacja są niezbędne.

Najnowszym zastosowaniem, nad którym pracują intensywnie najbogatsze gospodarki, jest automatyczne monitorowanie wyładowań koronowych w sieciach wysokiego napięcia. Obserwacje w tym przypadku przeprowadza się w zakresie ultrafioletu.

Jarosław Baszak

Hamamatsu Photonics Deutschland

www.hamamatsu.de