книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

ответственно с красным, зеленым и синим цветами свечения. Воспроизводимая на.экранах «красная», «зеленая» и «синяя» ин­ формация совмещается оптическим путем на большом экране. По­ скольку все три цветные изображения проектируются одновремен­ но, удается получить удовлетворительную яркость на экране раз­ мером 3X4 м. Недостатком этой системы является сложность оптического совмещения трех изображений и весьма высокие тре­ бования к отклоняющим системам проекционных кинескопов, обе­ спечивающих строгую идентичность растров на экранах трех тру­ бок. Достаточно яркое цветное изображение на большом экране получается с помощью телевизионного проектора типа «Эйдофор», снабженного вращающимся цветным светофильтром. Хотя в этом случае цвета воспроизводятся последовательно, большая мощность источника света позволяет получать хорошие изображения на эк­ ране площадью до 40 м2.

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ИУСИЛИТЕЛИ ЯРКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ

§10.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

ИУСИЛЕНИЯ ЯРКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) называется при­ бор, предназначенный для преобразования оптического изображе­ ния из одной (обычно невидимой) в другую (видимую) область спектра. Усилители яркости служат для значительного увеличения яркости оптического изображения без существенного изменения спектральной области. В основе действия ЭОПов и усилителей яр­ кости лежит двойное преобразование — светового изображения в электронное и электронного изображения в видимое световое изо­ бражение. Для преобразования светового изображения в электрон­ ное служит фотокатод, достаточно чувствительный для используе­ мой в данном ЭОПе области спектра. Электронное изображение преобразуется в световое с помощью экрана, покрытого люмино­ фором, эффективно преобразующим кинетическую энергию элек­ тронов в световое излучение.

В результате двойного преобразования можно перенести изо­ бражение из одной спектральной области в другую и получить зна­ чительное увеличение яркости. Конечно, фотокатод и экран имеют коэффициент полезного действия меньше единицы, однако, уско­ ряя электроны между фотокатодом и экраном при помощи элек­ тростатического поля, можно не только полностью скомпенсиро­ вать потери энергии на фотокатоде и экране, но также получить заметный выигрыш в яркости.

Простой расчет показывает, какая величина освещенности фото­ катода может вызвать заметное свечение экрана ЭОПа. Допустим, что все электроны, испускаемые фотокатодом, достигают экрана. Обозначим площадь фотокатода 5ф, площадь экрана 5Э, ускоряю­ щее напряжение Ua, чувствительность фотокатода йф, световую от­ дачу экрана т). Рассчитаем, как зависит яркость свечения экрана В от освещенности фотокатода Е. Ток фотокатода

где Ф — световой поток, падающий на фотокатод.

Мощность, приносимая электронами на экран при ускоряющем напряжении f/a, равна

Яркость свечения экрана определяется как сила света (J), ис­ пускаемого экраном, отнесенная к его поверхности:

Входящие в выражение (10.3) величины имеют следующие раз­ мерности: Ьф— мка/лм, г] — св/вт, Е — лк, Ua— в. Чтобы получить для яркости В размерность нит, необходимо ввести переводной множитель, равный 10_6. Таким образом, яркость экрана

Выражение (10.4) позволяет оценить минимальную освещен­ ность фотокатода, при которой можно заметить свечение экрана. Хорошо адаптированный глаз может различить на абсолютно чер­ ном фоне освещенную площадку, имеющую яркость порядка 10-5 нт. Чувствительность фотокатодов, работающих на просвет,

Полученный результат дает минимальное значение освещенно­ сти фотокатода. Практический интерес представляет минимальная освещенность объекта, который еще может быть различным при помощи ЭОПа. Освещенность объекта

где Во— яркость объекта; 0 — апертурный угол объектива.

Если поверхность объекта идеально рассеивающая, то величи­ на пВо есть освещенность объекта в люксах. Апертурный угол 0

Приведенный расчет дает несколько заниженное значение ми­ нимальной освещенности объекта. В реальных условиях при пол­

ностью затемненном фотокатоде экран слегка светится за счет не­ значительной термо- и автоэлектронной эмиссии катода. Конечно, в этом случае минимально различимая яркость изображения бу­ дет существенно выше 10-5 нт, и, следовательно, должна быть со­ ответственно увеличена пороговая освещенность наблюдаемого объекта.

Эффективность преобразования изображения характеризуется коэффициентом преобразования лучистого потока Оф, определяе­ мым как отношение светового потока Фэ, излучаемого экраном ЭОПа, к световому потоку Фк, падающему на фотокатод:

ЧУк

Предполагая, что спектральный состав излучения экрана оди­ наков со спектральным составом потока, воспринимаемого фото­ катодом (что приближенно выполняется в усилителях яркости изображения), можно просто рассчитать величину коэффициента преобразования лучистого потока. Допустим, что на фотокатод па­ дает лучистый поток Фк. При чувствительности катода &ф фототок катода

а мощность, приносимая на экран фотоэлектронами, ускоренными в ЭОПе разностью потенциалов U,

Как видно из выражения (10.10), коэффициент преобразования тем больше,чем выше чувствительность фотокатода,эффективность экрана ичем выше ускоряющее напряжение. В современных ЭОПах, использующих многощелочные фотокатоды и сульфидные люминофоры, при ускоряющих напряжениях порядка 10 кв коэф­ фициент преобразования достигает нескольких десятков, т. е. воз­ можно усиление лучистого потока в несколько десятков раз.

При оценке эффективности усилителей яркости изображения целесообразно ввести коэффициент усиления яркости GB, определя­ емый как отношение яркости Вэ изображения на экране преобра­ зователя к яркости В0объекта:

Предположим, что объект /*о оптическим объективом с действу­ ющим отверстием D проектируется на фотокатод ФК усилителя яркости (рис. 10.1). Электронно-оптическим преобразователем изо­ бражение гк фотокатода переносится на экран Э. Очевидно, вели­ чина изображения на экране равна

где Мо и Мд— линейные увеличения светового объектива и элек­ тронно-оптической системы.

Рис. 10.1. Схема преобразования изображения

Выделим на поверхности объекта элементарную площадку Дзо, расположенную на оси оптической системы. Предположим, что по­ верхность объекта удовлетворяет закону Ламберта. Тогда поток, падающий на элементарную площадку фотокатода Aslt, будет равен

Используя теорему Лагранжа — Гельмгольца [см. (1.152)], мож­

Изображение площадки AsK фотокатода переносится электрон­ но-оптической системой преобразователя на экран. Тогда поток, из­ лучаемый в заднюю полусферу площадкой экрана As3, будет равен

и коэффициент усиления яркости

Величину Ь в знаменателе выражения (10.18), пользуясь соот­ ношениями геометрической оптики, можно выразить через линей­ ное увеличение М0 и фокусное расстояние f светового объектива:

Используя (10.19), получим для коэффициента усиления яркости:

xDz Оф

( 10.20)

D2 + 4 (l — Моур'т

При использовании малых апертурных углов (усилении яркости удаленных объектов) формула (10.20) может быть упрощена:

* э

где D/f — величина относительного отверстия объектива.

При величине относительного отверстия объектива 1 :2 погреш­ ность в определении GB по формуле (10.21) составляет примерно

5%, при (D/f) ^ — погрешность становится меньше 1%.

5

Как видно из полученных выражений, усиление яркости опре­ деляется как самим преобразователем (С?ф, Мэ), так и светоопти­ ческой системой (т, D/f). При использовании светосильных объек­ тивов с коэффициентом пропускания не менее 0,8 и ЭОПов, имею­ щих С ф = 2 0 — 30 и Мэ< 1 , возможно усиление яркости в несколь­ ко раз.

Одним из определяющих параметров систем преобразования изображений является разрешающая способность. Разрешающую способность преобразователей обычно оценивают числом чередую­ щихся светлых и темных линий (штрихов), укладывающихся на 1 мм высоты испытательного объекта (полосатой миры), которые при переносе изображения миры на экран видны раздельно (не сливаются). Для раздельного наблюдения соседних штрихов необ­ ходим контраст не менее 5% или коэффициент передачи контраста не менее 0,05.

Тракт преобразования изображения включает светооптические системы — объектив, проектирующий изображение на фотокатод (иногда и вторую светооптическую систему, через которую наблю­ дается изображение на экране), и собственно ЭОП, состоящей из фотокатода, электронно-оптической системы и экрана. Разрешаю­ щая способность всего преобразователя зависит от свойств каж­ дого элемента преобразовательного тракта.

Каждый элемент преобразовательного тракта можно оценить по его «вкладу» в величину разрешающей способности всей системы, используя так называемые частотно-контрастные характеристики

ПЩ

Рис. 10.2. Частотно-контрастные характеристики:

/ —фотокатода; 2 — светового объектива; 3 — электрон­ ной линзы

(ЧКХ). Частотно-контрастной характеристикой называется кривая, выражающая зависимость коэффициента передачи контраста F(N) от пространственной частоты чередования темных и светлых полос N. С ростом числа штрихов на 1 мм высоты объекта возмож­ ность их раздельного наблюдения снижается, причем для разных элементов свето- и электронно-оптических систем неодинаково. В ка­ честве примера на рис. 10.2 приведены частотно-контрастные ха­ рактеристики некоторых свето- и электронно-оптических элементов.

Как видно из рисунка, в меньшей степени снижает разрешаю­ щую способность фотокатод, в большей — световой объектив и элек­ тронная линза. Частотно-контрастные характеристики могут быть рассчитаны аналитически или найдены экспериментально.

Если известны частотно-контрастные характеристики отдельных элементов преобразовательного тракта, то точки общей (суммар­ ной) частотно-контрастной характеристики системы можно найти перемножением ординат соответствующих точек ЧКХ всех элемен­ тов. По суммарной характеристике преобразовательной системы можно графически определить разрешающую способность преоб­ разователя. Если предположить, что отдельные штрихи могут быть

различимы при контрасте 5% [F(N) =0,05], то разрешающая спо­ собность системы определится абсциссой точки пересечения пря­ мой, проведенной параллельно оси абсцисс на уровне 0,05, с сум­ марной частотно-контрастной характеристикой.

В зависимости от назначения ЭОПа или усилителя яркости к этим приборам предъявляются различные требования. Например, ЭОПы, предназначенные для преобразования невидимого (обычно инфракрасного) изображения в видимое, должны обеспечивать не­ обходимую чувствительность фотокатода в используемой области спектра. Одним из существенных параметров ЭОПов и усилителей яркости является пороговая чувствительность, позволяющая оце­ нить минимальную освещенность объекта, при которой возможно получение удовлетворительного изображения на экране. Пример­ ная оценка пороговой чувствительности рассмотрена в этом Пара­ графе. В некоторых случаях наряду с высокой разрешающей спо­ собностью требуется высокая контрастность изображения. И, на­ конец, учитывая, что ЭОПы часто используются в передвижных установках, весьма желательно уменьшение габаритов и веса при­ боров и снижение мощности источников питания преобразовате­ лей. Последнее требование во многих случаях заставляет отказать­ ся от применения для фокусировки магнитных электронно-оптиче­ ских систем.

§ 10.2. ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЭОПов

Задачей электронно-оптической системы ЭОПа является перенос электронного изображения с фотокатода на экран с возможно мень­ шими геометрическими искажениями. В процессе переноса электро­ ны, испускаемые фотокатодом, должны приобрести энергию, Доста­ точную для возбуждения яркого свечения люминофора. Перенос изображения должен происходить либо без изменения размеров, либо с небольшим уменьшением. Увеличение изображения нецеле­ сообразно по нескольким причинам. Во-первых, яркость изобра­

=B0‘BT0PbIX’ увеличение экрана увеличивает размеры всего

ЭОПа, что часто нежелательно; в-третьих, получение больших изо­ бражений требует использования более широких электронных пуч­ ков, что приводит к увеличению аберраций. Поэтому электронно­ оптическая система ЭОПа конструируется с расчетом получения уменьшенного (по сравнению с фотокатодом) изображения. В слу­ чае необходимости изображение экрана может быть увеличено оп­ тическими средствами.

Для переноса изображения могут быть использованы различные электронно-оптические системы — от простейших (однородные про­ дольные электростатическое и магнитное поля) до сложных элек-

электроны, переносимые электростатическим полем на экран, по­ вышают яркость его свечения, что в свою очередь увеличивает ос­ вещенность катода. Таким образом, при наличии оптической обрат­ ной связи экран будет светиться даже в отсутствие внешнего освещения фотокатода, т. е. преобразователь не сможет быть ис­ пользован для наблюдения объектов, проектируемых оптическим объективом на фотокатод. Оптическую обратную связь можно зна­ чительно уменьшить, если между катодом и экраном установить диафрагму с небольшим отверстием. Однако в простейших преоб­ разователях применение диафрагмы невозможно, так как электро­ ны с фотокатода движутся практически вдоль силовых линий од­ нородного поля, и при наличии диафрагмы площадь изображения не может быть больше площади отверстия диафрагмы.

Принципиально возможно уменьшить оптическую обратную связь, подбирая спектральные характеристики фотокатода и люми­ нофора так, чтобы максимуму на спектральной характеристике люминофора соответствовал «провал» спектральной чувствитель­ ности фотокатода. Однако практически этот способ мало прием­ лем, так как известные инфракрасные фотокатоды все же имеют не очень малую чувствительность в видимой части спектра. При ускоряющих напряжениях выше 10 кв надежным способом умень­ шения оптической обратной связи является алюминирование эк­ ранов, так как тонкая пленка алюминия, хорошо пропускающая быстрые электроны, практически непрозрачна для света.

Применение для переноса изображения электронных линз по­ зволяет в значительной мере избавиться от недостатков, присущих простейшим преобразователям. С помощью линз удается повысить разрешающую способность до нескольких десятков и далее сотен пар линий на миллиметр (в центре экрана), что вполне достаточно для получения высококачественного изображения. Кроме того, при наличии линз электронный пучок имеет скрещение, в области ко­ торого можно установить диафрагму с малым отверстием, что зна­ чительно уменьшает оптическую обратную связь. Можно сказать, что в преобразователях с линзами система переноса изображе­ ния прозрачна для электронов, идущих с фотокатода на экран, и почти непрозрачна для лучей света, идущих с экрана на фо­ токатод.

Типичной электронно-оптической системой преобразователя яв­ ляется двухлинзовая система. В качестве первой, прикатодной лин­ зы используется иммерсионный объектив, так как для эффективно­ го отбора фотоэлектронов у поверхности катода необходимо уско­ ряющее поле. Вблизи скрещения, образуемого иммерсионным объективом, устанавливается диафрагма. Второй линзой, перено­ сящей изображение на экран, служит иммерсионная или одиноч­ ная линза. Пример электронно-оптической системы преобразовате­ ля с электростатической фокусировкой приведен на рис. 10.3.

В этой системе в пространстве катод — первый анод создается поле иммерсионного объектива; первый и второй аноды образуют иммерсионную линзу.