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Beeldversterker
Dieser Artikel behandelt elektronische Bildverstärker oder Restlichtverstärker. Sehr helle Ferngläser für den Nachteinsatz finden Sie unter Nachtsicht.
Zwei amerikanische Soldaten während des Irakkriegs 2003, fotografiert mit einem Bildverstärker
Eine helmmontierte Nachtsichtbrille

EIN Bildverstärkerröhre oder Restlichtverstärker oder Helligkeitsverstärker ist ein Elektronenröhre die die Intensität des verfügbaren Lichts in einem optischen System bei schlechten Lichtverhältnissen, beispielsweise nachts, verstärken kann. Anwendungen liegen im militärischen Bereich und in der Erforschung schwacher Fluoreszenzphänomene. Infrarot- oder ultraviolettes Licht kann auch in sichtbares Licht umgewandelt werden. Im letzteren Fall spricht man auch von Bildwandler.

Vorwort

Bildverstärkerröhren (IIT) sind elektrooptische Komponenten, die in verschiedenen Instrumenten verwendet werden, wie z Nachtsichtgeräte und medizinische Bildgebung. Sie wandeln Licht verschiedener Wellenlängen bei einer einzigen Frequenz in sichtbare Intensitäten um.

Geschichte

Die Entwicklung von Bildverstärkerröhren begann im 20. Jahrhundert. Seitdem wurden sie kontinuierlich weiterentwickelt.

Pionierarbeit

Die Idee für eine Bildverstärkerröhre wurde erstmals 1928 von den Niederländern vorgeschlagen Gilles Holst und H. de Boer,[1] aber Versuche, eine zu bauen, schlugen zunächst fehl. Erst 1934 gelang es Holst, bei Philips die erste erfolgreiche Infrarot-Konverterröhre zu bauen. Dieses Rohr enthielt a Fotokathode kurz vor a Leuchtschirm. Mit einem einfachen Linse Ein Bild wurde auf die Photokathode projiziert, während eine Spannung von mehreren tausend Volt über die Röhre angelegt wurde, wodurch Elektronen aus der Photokathode und auf den Fluoreszenzschirm gezogen wurden. Dadurch wurde der Bildschirm mit einem Bild des auf der Photokathode abgebildeten Objekts beleuchtet. Allerdings wurde das Bild um 180° gedreht. Mit dieser Art von Bildwandler war es erstmals möglich, ein Infrarotbild in Echtzeit zu sehen.

Zero Generation – Die ersten elektrooptischen Infrarot-Bildwandler

Auch in den USA setzte sich die Entwicklung fort, und Mitte der 1930er Jahre RCA den ersten Bildverstärker mit aufrechtem Bild entwickelt. Die Röhre verwendete eine elektrostatische Bildumkehr, um das Bild einer kugelförmigen Kathode auf einen kugelförmigen Bildschirm zu fokussieren. (Kugelförmige Oberflächen wurden gewählt, um Bildfehler zu begrenzen). Die Weiterentwicklung dieser Technologie führte direkt zu den ersten Bildverstärkern der „Generation 0“, die Zweiter Weltkrieg wurden von den Streitkräften zur Nachtsicht mit Infrarotbeleuchtung und zum Schießen verwendet. Das erste technologiebasierte Nachtsichtgeräte wurde auf beiden Seiten eingesetzt und war in Okinawa ein Erfolg, als er auf japanische Soldaten abzielte, die nachts ihre Bunker verließen. Der Nachteil einer solchen "aktiven Nachtsicht" (dh mit Infrarotbeleuchtung) ist, dass sie für jeden anderen, der mit dieser Technik vertraut ist, offensichtlich ist.

Im Gegensatz zu späteren Technologien waren Nachtsichtgeräte der Generation 0 nicht in der Lage, das vorhandene Umgebungslicht ausreichend zu verstärken. Dies machte die Infrarotbeleuchtung notwendig, um die Geräte nutzbar zu machen. Diese Geräte verwendeten eine S1-Photokathode oder eine 1930 erfundene Silber-Sauerstoff-Cäsium-Photokathode mit einer Empfindlichkeit von ungefähr 60 µA/lm (Mikroampere pro Lumen) und a Quanteneffizienz von ca. 1% im ultraviolett Bereich und ca. 0,5% im Infrarotbereich. Bezeichnenderweise hatte die S1-Photokathode Empfindlichkeitsspitzen sowohl im Infrarot- als auch im Ultraviolettbereich des Spektrums und war das einzige Photokathodenmaterial für Infrarot über 950nm war brauchbar.

Solarunempfindliche Wechselrichter

Da sonnenunempfindliche Photokathoden nicht direkt von militärischer Bedeutung waren, werden sie nicht in die gemeinsamen „Generationen“ eingeordnet. Sie werden von Taft und Apker entwickelt[2] und wurden aus Cäsiumtellurid. Diese sonnenunempfindlichen Photokathoden zeichnen sich durch eine Reaktion unter 280 nm im Ultravioletten aus, was unter den Wellenlängen der noch durch die Atmosphäre durchgelassenen Sonnenstrahlung liegt.

Erste Generation – Bessere Verstärkung

Die Entdeckung besserer Photokathodenmaterialien, die sowohl die Empfindlichkeit als auch die Quanteneffizienz verbesserten, ermöglichte eine deutlich bessere Verstärkung als Geräte der Generation 0. Gorlich entwickelte 1936 die S11-Photokathode (Cäsiumantimonid), die allein im sichtbaren Bereich eine Empfindlichkeit von etwa 80 µA/lm und eine Quanteneffizienz von etwa 20 % bei einer Schwellenwellenlänge von etwa 50 nm lieferte.

Erst mit der Entwicklung von A.H. Sommer der Bialkali-Antimonid-Photokathoden (Kalium-Cäsium-Antimonid und Natrium-Kalium-Antimonid) und seine später zufällig entdeckte Multi-Alkali-Photokathode im Jahr 1956 (Natrium-Kalium-Cäsium-Antimonid) S20 wurden die Rohre sowohl im Infrarot- als auch im sichtbaren Bereich militärisch verstärkt. Die S20-Photokathode hatte eine Empfindlichkeit von etwa 150 bis 200 µA/lm. Die höhere Empfindlichkeit machte diese Röhren bei schlechten Lichtverhältnissen wie Mondlicht nützlich, während sie immer noch für den Einsatz bei schwacher Infrarotbeleuchtung geeignet sind.

Bildverstärkerröhren (passiv) in Kaskade

Die Deutschen experimentierten bereits während des Zweiten Weltkriegs damit, aber erst in den 1950er Jahren begannen die USA, die Möglichkeiten der Kaskadierung verschiedener Röhren (nacheinander) auszuloten. Der Ausgang einer bildumkehrenden Röhre wurde mit dem Eingang einer anderen Röhre gekoppelt, so dass sich der Verstärkungsfaktor erhöhte. Dies funktionierte viel besser als erwartet, und Nachtsichtgeräte auf Basis dieser Röhren konnten selbst schwaches Sternenlicht verarbeiten und ein brauchbares Bild erzeugen. Die Abmessungen dieses Geräts mit 43 cm Länge und 8,9 cm Durchmesser waren für den militärischen Einsatz zu groß. Sie wurden Kaskadenröhren und waren die ersten, die echte passive Nachtsicht (d. h. ohne zusätzliche Lichtquelle) ermöglichten. Mit dem Aufkommen von Glasfaserbündeln in den 1960er Jahren konnten kleinere Röhren miteinander verbunden werden, was 1964 zur Entwicklung des ersten echten Nachtsichtgeräts führte. Viele dieser Rohre wurden als Visiere für die AN/PVS-2Gewehr, das in Vietnam weit verbreitet war.

Eine Alternative zu Kaskadenröhren, die Mitte des 20. Jahrhunderts erforscht wurde, basiert auf optischer Rückkopplung, bei der das Ausgangssignal der Röhre auf den Eingang zurückgeführt wird. Dies wurde noch nie in Zielfernrohren verwendet, wurde jedoch erfolgreich im Laborbereich verwendet, wo größere Instrumente akzeptabel sind.[3]

Zweite Generation – Die Mikrokanalplatte

Bildverstärker der zweiten Generation verwenden dieselbe Multi-Alkali-Photokathode wie die der ersten Generation. Mit dickeren Schichten des gleichen Materials konnte jedoch die Photokathode S-25 entwickelt werden, die eine bessere Rot- und etwas weniger Blau-Empfindlichkeit aufwies und damit für den militärischen Einsatz besser geeignet war. Die Empfindlichkeit lag im Durchschnitt bei 230 µA/lm und hatte eine höhere Quanteneffizienz als der S20. Oxidation von Cäsium zu Cäsiumoxid in späteren Versionen verbesserte die Empfindlichkeit in ähnlicher Weise wie bei Photokathoden der dritten Generation.

Die gleiche Technologie, die für die Glasfaserbündel in den Kaskadenrohren verwendet wurde, konnte mit nur geringfügigen Modifikationen verwendet werden Mikrokanalplattendetektoren (Mikrokanalplatte, MCP). Diese Mikrokanalplatte ist eine dünne Glasplatte mit einer Van-Elektrode auf beiden Seiten Nickel-Chromlegierung, wo eine beträchtliche Spannung von bis zu etwa 1000 V angelegt wird. Die Platte selbst besteht aus vielen Tausend einzelnen Hohlglasfasern, die in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse stehen. Die Mikrokanalplatte wird zwischen Photokathode und Bildschirm platziert. Elektronen, die auf ihrem Weg durch einen solchen Mikrokanal auf seine Wand treffen, setzen Sekundärelektronen frei, die dann noch mehr Sekundärelektronen freisetzen, wenn sie ebenfalls auf die Wand treffen. Mit einer Mikrokanalplatte sind bis zu 30.000-fache Amplifikationen möglich. Mit mehreren Schichten von Mikrokanalplatten übereinander kann eine weitere Verstärkung von weit über 1.000.000 Mal erreicht werden.

Die Bildumkehrung in Geräten der zweiten Generation wurde auf zwei Arten erreicht. Zum einen wurde wie bei den Röhren der ersten Generation die elektrostatische Bildinversion verwendet. Darüber hinaus wurden auch um 180° gedrehte Glasfaserbündel verwendet.

Dritte Generation – Hohe Empfindlichkeit und verbesserter Frequenzgang

Die Röhren der dritten Generation waren im Grunde die gleichen wie die der zweiten Generation, es gab jedoch zwei wesentliche Unterschiede. Zuerst benutzten sie eine Photokathode von GaAs/CsO/AlGaAs, die im Bereich zwischen 800 nm und 900 nm empfindlicher ist als die Photokathoden der zweiten Generation. Zweitens, um die Photokathode vor Ionen und Gasen zu schützen, die von der Mikrokanalplatte freigesetzt werden, haben sie eine dünne Schicht Aluminiumoxid auf der Mikrokanalplatte. Die hohe Empfindlichkeit dieser Photokathode von mehr als 900 µA/lm ergibt ein besseres Ansprechverhalten bei geringer Lichtintensität. Andererseits stoppt die dünne Schicht im Durchschnitt bis zu 50% der Elektronen.

Verbesserte zweite Generation

Entwickelt 1989 Jacques Dupuy und Gerard Wolzak eine verbesserte Version der zweiten Generation. Da es formal nicht in die amerikanischen Generationenkategorien eingeordnet ist, wird es als das . bezeichnet verbesserte zweite Generation erwähnt. Diese Technologie verbessert die Trialkali-Photokathoden auf mehr als die doppelte Empfindlichkeit, während sie gleichzeitig die Mikrokanalplatte auf einen Öffnungsprozentsatz von 70 % und einen reduzierten Geräuschpegel verbessert. Dadurch konnten mit kostengünstiger herzustellenden Röhren der zweiten Generation vergleichbare Ergebnisse mit denen der dritten Generation erzielt werden. Diese Technologie wurde insbesondere außerhalb der USA weiterentwickelt, insbesondere von OldelftTochtergesellschaft Delft Electronic Products in Roden (Dr.), mit einer Empfindlichkeit von fast 700 μA/lm und einem Frequenzbereich bis 950 nm und bildet heute die Grundlage für die meisten Nachtsichtgeräte außerhalb der USA.

vierte Generation

Bisher gibt es nur eine erfolgreiche Röhre der vierten Generation, da die durchschnittliche Lebensdauer der Prototypen nicht den militärischen Anforderungen entsprach. Mehrere führende Hersteller, darunter L-3 Elektrooptische Systeme, Röhren der vierten Generation. Diese verwenden die gleiche Photokathode wie die der dritten Generation, haben aber keinen Ionensperrfilm mehr. Zudem sind diese schaltbar, sodass sie auch bei Tageslicht oder starkem Kunstlicht eingesetzt werden können.

Die Schaltfunktion deaktiviert die Röhre bei zu hoher Lichtstärke. In der zweiten, dritten und vierten Generation wird dies durch Umkehren der Polarität des Segments, das die Photokathode und die Mikrokanalplatte enthält, erreicht, wodurch Elektronen von der Photokathode auf die Mikrokanalplatte eliminiert werden.

Terminologie

Einige Begriffe aus dem Bereich der Bildverstärker werden hier näher erläutert.

Schalter

Eine Methode zum schnellen Ein- und Ausschalten einer Bildverstärkerröhre, ähnlich einem "Gate" in einem elektronischen Bauteil. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit, mit der dies möglich ist, in der Größenordnung von Nanosekunden und sogar Pikosekunden, werden Bildverstärkerröhren häufig in Forschungsprojekten verwendet, bei denen sehr schnelle Phänomene fotografiert werden müssen. Geschaltete Bildverstärker wurden beispielsweise verwendet, um die Wellenfront der Verbrennung von Benzin in einem Verbrennungsmotor zu verfolgen, so dass bessere Brennkammern entwickelt werden konnten. Durch die erreichbaren sehr hohen Verschlusszeiten und die Möglichkeit der Lichtverstärkung können geschaltete Bildverstärker sogar die Ausbreitung eines Lichtimpulses sehen. Zum Beispiel kann man einen Lichtimpuls auf ein Ziel schießen und nur die Reflexion beobachten, indem man den Verschluss so steuert, dass nur das reflektierte Licht gesammelt wird.

Automatische Umschaltung

Viele seit 2006 für militärische Anwendungen entwickelte Bildverstärkerröhren bieten die Möglichkeit der automatischen Umschaltung („Autogating“), obwohl diese Technik schon länger verfügbar ist. Automatische Umschaltröhren schalten den Bildverstärker ein und aus, um die Lichtmenge zu steuern, die durch die Mikrokanalplatte fällt. Diese Umschaltung erfolgt mit hoher Frequenz, und durch Variation des Tastverhältnisses, so dass der Mikrokanalplatte ein konstanter Strom zugeführt wird, kann die Röhre auch bei helleren Lichtverhältnissen wie Tageslicht verwendet werden, ohne dass die Röhre vorzeitig ausfällt. Dies ist besonders für militärische Anwendungen wertvoll, da es längere Laufzeiten mit verbesserter Sicht in der Dämmerung und bessere Unterstützung für Soldaten bietet, die sich schnell ändernden Lichtverhältnissen ausgesetzt sind, beispielsweise beim Angriff auf ein Gebäude.

Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit einer Bildverstärkerröhre wird gemessen in MikroAmpere pro Lumen (µA/lm) und gibt an, wie viele Elektronen pro auf die Photokathode einfallender Lichteinheit erzeugt werden. Dies sollte zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessen werden FarbtemperaturB. bei einer Farbtemperatur von 2854 K. Die Farbtemperatur, bei der diese Messung durchgeführt wird, kann je nach Hersteller leicht abweichen. Außerdem werden oft zusätzliche Messpunkte bei bestimmten Wellenlängen angegeben, insbesondere bei Geräten der zweiten Generation, wie bei 800 nm und 850 nm (Infrarot). Im Allgemeinen gilt: Je höher die Zahl, desto höher die Empfindlichkeit.

Auflösung

Die Auflösung – genauer: die Grenzauflösung – eines Rohres wird in Strichpaaren pro Millimeter gemessen, also in mm−1. Diese Auflösung ist ein Maß für die Anzahl der Linien unterschiedlicher Intensität (von hell bis dunkel), die innerhalb eines Millimeters des Bildschirms unterschieden werden können. Die Grenzauflösung selbst ist jedoch ein Maß für die Modulationsübertragungsfunktion (MTF). Bei den meisten Röhren ist die Grenzauflösung als der Punkt definiert, an dem die Modulationsübertragungsfunktion höchstens 3% beträgt. Je höher der Wert, desto höher die Auflösung der Röhre.

Eine wichtige Überlegung ist jedoch, dass dies auf der physikalischen Größe des Bildschirms basiert und nicht proportional zur Bildschirmgröße ist. Daher eine Röhre von 18 mm und eine Auflösung von 64 mm−1 höhere Gesamtauflösung als 8mm Röhre mit 72mm−1. Die Auflösung wird normalerweise in der Mitte und am Rand des Bildschirms gemessen, und oft werden beide Zahlen angegeben. Bei Rohren nach Militärspezifikation darf nur „mehr als 64 Leitungspaare pro Millimeter“ angegeben werden.

Stärkung

Die Verstärkung kann auf zwei verschiedene Arten angegeben werden. Am häufigsten wird in Candela pro Quadratmeter pro Lux (cd m−2lx−1). Die andere ist in Fl/Fc (foot-lambert per foot-candle, ein klassisches angelsächsisches Maß). Dies kann beim Vergleich von Gerätespezifikationen zu Missverständnissen führen.

MTTF (mittlere Zeit bis zum Ausfall)

Dieser in Stunden ausgedrückte Wert gibt an, wie lange eine Tube im Durchschnitt hält. Obwohl dies eine übliche Größe ist, hängt sie von vielen Faktoren ab. Erstens bauen die Rohre ständig ab. Dies bedeutet, dass es sich mit der Zeit weniger festigt. Wenn die Verstärkung weniger als 50 % des Neuzustands beträgt, gilt die Röhre als defekt.

Andere Lebensaspekte sind die Umgebung, in der sie verwendet wird, und die dort vorhandene allgemeine Beleuchtungsstärke, einschließlich hellem Mondlicht und Verwendung sowohl bei künstlichem Licht als auch bei Dämmerung, da helles Licht die Lebensdauer der Röhre erheblich verkürzt.

Typische Beispiele für die Lebensdauer sind:

Erste Generation: 1000 Stunden
Zweite Generation: 2000 bis 2500 Stunden
Dritte Generation: 10.000 bis 15.000 Stunden

Anzumerken ist, dass viele der besseren Röhren der zweiten Generation heute eine MTTF von fast 15.000 Stunden erreichen.

Modulationsübertragungsfunktion

Die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) eines Bildverstärkers ist ein Maß für die Ausgangsamplitude von dunklen und hellen Linien auf der Anzeige bei einem gegebenen Eingangspegel von Linien, die an die Photokathode angelegt werden. Die MTF wird normalerweise als Prozentsatz bei einer gegebenen (räumlichen) Frequenz von hellen und dunklen Linien angegeben.

Hinweise und Referenzen

Verweise

  1. ↑http://spie.org/samples/PM165.pdf
  2. ↑http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=josa-43-2-81
  3. ↑Martin L. Perl und Lawrence W. Jones, Bildverstärkungssystem mit optischer Rückkopplung, UNS. Patent 3.154.687 , Okt. 27., 1964.