Общие принципи електронного усиления яркости изображения.

Электронно-оптические методы киносъемки при низких уровнях освещенности основаны на использовании электронно-оптических усилителей яркости изображения или же высокочувствительных пе­редающих телевизионных трубок.

Электронно-оптическое усиление яркости изображения играет в оптике ту же роль, какую играют электронные усилители в акус­тике.

Электронно-оптический усилитель яркости изображения — это высоковакуумная стеклянная колба, отчасти со спайками стекло — металл. Одна сторона колбы имеет окно для входа световых лучей, на внутреннюю сторону которой нанесен полупрозрачный фотока­тод. Если спроецировать с помощью объектива оптическое изобра­жение на фотокатод, то в вакуум будут вылетать электроны в зави­симости от интенсивности падающего света на каждую отдельную точку поверхности фотокатода. Электроны подвергаются высокому ускоряющему напряжению и с помощью электронно-оптических средств образуют изображение на флуоресцирующем слое, нанесен­ном на противоположную сторону колбы.

Изображение на флуоресцирующем экране выгодно получать уменьшенное, так как яркость его свечения возрастает пропорци­онально квадрату масштаба изображения.

В световой оптике уменьшение масштаба изображения объекта не ведет к увеличению его яркости, то есть к увеличению светового потока в пространстве изображения, испускаемого единицей поверх­ности в единичном телесном угле. Уменьшение величины изображе­ния здесь сопровождается увеличением телесного угла, в котором распространяется световое излучение, поэтому яркость изображе­ния остается неизменной.

В электронном усилителе яркости изображения дело обстоит иначе. Уменьшение электронного изображения в п раз увеличивает яркость, или светимость, изображения в п² раз, так как в электрон­ной оптике уменьшение изображения не сопровождается потерей электронов.

Повышение яркости свечения флуоресцирующего экрана дости­гается также за счет ускоряющего поля в связи с увеличением энер­гии электронов.

В результате действия этих двух факторов изображение на флу­оресцирующем экране имеет яркость во много раз большую, чем яркость изображения, спроецированного на фотокатод.

Если применить фотокатод, чувствительный к лучистой энергии, которую человеческий глаз не может воспринимать, например уль­трафиолетовые или инфракрасные лучи, то на флуоресцирующем экране можно получить изображение в видимых лучах. В этом слу­чае прибор будет работать как преобразователь излучения из од­ного спектрального диапазона в другой. Поэтому такой прибор на­зывают электронно-оптическим преобразователем изображения. Причем и в этом случае независимо от способа применения дейст­вует эффект усиления.

Совершенствование техники телевидения, рост чувствительности передающих телевизионных трубок и возможность получения ярких изображений на экране кинескопа позволяют рассматривать и теле­визионную систему как своего рода усилитель яркости изображе­ния. Как и в электронных усилителях яркости изображения, усиление получается за счет энергии источников питания видеоусилите­лей и приемной трубки — кинескопа.

Усиление яркости изображения с помощью телевизионной систе­мы происходит в связи с преобразованием светового изображения в электрические сигналы. Однако усилители яркости изображения обладают существенными преимуществами, а именно: большей раз­решающей способностью, относительной простотой, меньшими габаритами и массой, ничтожным расхо­дом мощности.

В усилителе яркости изображения происходит одновременный перенос все­го изображения электронно-оптическим методом, без ка­кого-либо сканирования.

Фокусирование элект­ронного изображения осу­ществляется одним из трех способов: электростатиче­ским, магнитным или равно­мерным электрическим по­лем.

Принципиальное устрой­ство усилителя яркости

изображения с электростатической фокусировкой изображено на рис. 11-1.

Ва­куумная трубка содержит полупрозрачный фотокатод 1, конусооб­разный анод 2 и флуоресцирующий экран 3. Объектив 4 образует оптическое изображение на фотокатоде. Кванты света, упавшие на фотокатод, вызывают эмиссию фотоэлектронов, которые ускоряются в электрическом поле с разностью потенциалов порядка 10—30 кВ. Пройдя диафрагму анода, электроны ударяются о флуоресцирую­щий экран с металлизацией, вызывая его свечение. Изображение на флуоресцирующем экране будет перевернутое. Общее усиление световой энергии относительно энергии на входе может достигать 100 и более, в зависимости от ускоряющего напряжения и других параметров прибора. Можно создавать увеличенное или уменьшен­ное изображение.

Схема усилителя яркости изображения с магнитной фокусиров­кой приведена на рис. 11-2. В этом приборе вакуумная трубка с полупрозрачным фотокатодом 1, кольцевыми анодами 2 и флуорес­цирующим экраном 3 помещена внутрь фокусирующей катушки (соленоида) 4. Оптическое изображение, образованное объективом 5 на фотокатоде, вызывает эмиссию фотоэлектронов, которые уско­ряются возрастающим напряжением каждого последующего коль­цевого электрода при их движении к экрану.

Рис11.2 Схема усилителя яркости изображения с магнитнолй фокусировкой

Рис. 11-1. Усилитель яркости изображения: 1 — фотокатод; 2 — конусообразный анод; 3— флуоресцирующий экран; 4 —объектив; 5-репродукционный объектив; 6-кинопленка

Совместное действие большой разности потенциалов, направленной вдоль оси трубки, и магнитного поля заставляет электроны двигаться по спирали. На определенном расстоянии от фотокатода, зависящем от разно­сти потенциалов, благодаря делителю напряжения 6 и напряженно­сти магнитного поля электроны фокусируются и образуют элек­тронное изображение соответствующих точек оптического изобра­жения на фотокатоде. Оно проецируется объективами 7 на кинопленку 8.

В усилителе яркости изображения с магнитной фокусировкой изображение остается прямым. Общее усиление световой энергии зависит от напряженности электрического и магнитного полей и может достигать 100. Изменение масштаба изображения в прибо­рах с магнитной фокусировкой, как правило, не применяется в свя­зи с техническими трудностями.

В усилителях яркости изображения с фокусировкой равномер­ным электрическим полем фотокатод и флуоресцирующий экран с металлизацией, являющийся одновременно и анодом, располагают­ся близко друг к другу. Между ними создается сильное электрическое поле, под действием ко­торого электроны, вылетев­шие из любой точки фотока­тода, благодаря минималь­ному расстоянию и очень высокой разности потенциа­лов между катодом и ано­дом не претерпевают значи­тельного рассеяния и созда­ют на экране достаточно резкое изображение. Одна­ко разрешающая способ­ность приборов этого типа невысокая.

Для получения большого общего усиления создают многокамерные усилители яркости изображения. На рис. 11-3 показан один из способов каскадного сочле­нения трех однокамерных усилителей яркости изобра­жения, расположенных один за другим. Перенос изображения между каскадами здесь осуществ­ляется с помощью стекловолоконных планшайб, а места их соеди­нения заполняются жидкостью с показателем преломления, близ­ким к показателю преломления стеклянных волокон, для уменьше­ния отражений.

В многокаскадном усилителе яркости изображения с электро­статической фокусировкой, выполненном в виде одной колбы, пере­нос изображения между каскадами осуществляется следующим образом: на очень тонкую прозрачную пластинку наносят с одной стороны люминофор, а с другой — фотокатод. Создаваемый люми­нофором световой поток проходит сквозь подложку и возбуждает фотокатод следующего каскада.

Рис. 11-3. Многокамерный усилитель яркости оизбражения. Однокамерные усилители сочлене­ны с помощью стекловолоконных планшайб.

Рис. 11-4. Схема устройства усилителя яркос­ти изображения с магнитной фокусировкой и усилением за счет вторичной электронной эмиссии: 1 — объектив; 2 — фотокатод; 3 — электроды (аноды); 4 — делитель напряжения; 5 — диноды (люминофор-фотокатод); 6 — катушка электромагнита; 7 —люминофорный экран; 8 — репродукционные объективы; 9 — кино­пленка

Имеются усилители яркости изображения, в которых большое усиление достигается за счет вторичной эмиссии электронов (рис. 11-4).

Принцип действия этого усилителя яркости изображения сле­дующий. Объектив образует на фотокатоде оптическое изображе­ние. Фотоэлектроны, вылетающие из фотокатода под действием света, ускоряются напряжением, прилагаемым к кольцевым элек­тродам делителя напряжения, расположенным между динодами. Падающие на первый динод фотоэлектроны вызывают увеличен­ную эмиссию вторичных электронов с противоположной его сторо­ны. Эти вторичные электроны ускоряются и движутся к следующе­му диноду, при ударе о него, снова вызывая вторичную эмиссию электронов. Такое лавинное умножение электронов продолжается до последнего каскада, где электроны возбуждают люминофор, вы­зывая флуоресценцию, то есть свечение экрана.

Электронное изображение фокусируется на каждом диноде и на флуоресцирующем экране с помощью магнитного поля, созда­ваемого многовитковой катушкой (соленоидом), окружающей трубку.

Характеристики электронно-оптического усиления яркости изо­бражения. Общее усиление световой энергии с помощью усилителей яркости изображения может быть очень большое. Однокамерный усилитель, в зависимости от ускоряющего напряжения, может дать усиление от 25- до 100-кратного. С помощью двухкамерного при­бора достигается усиление от 500 до 1500 крат. Трехкамерные при­боры способны дать усиление яркости изображения в 50 000— 100 000 раз (см. рис. 11-3).

Существенным препятствием для увеличения коэффициента уси­ления является фоновый шум или темновой ток, вызывающий по­стоянное фоновое свечение флуоресцирующего экрана. Этот шум ограничивает рабочее напряжение, а следовательно, и усиление яркости изображения.

Фоновый шум вызывается электростатической эмиссией электро­нов с электродов прибора, а также бомбардировкой фотокатода по­ложительными ионами остаточного газа в трубке. Другой причиной может быть интенсивная обратная связь между флуоресцирующим экраном и фотокатодом. Свет излучается люминофором по всем направлениям и некоторая часть этого света может попадать на фо­токатод, вызывая дополнительную эмиссию фотоэлектронов, кото­рые направляются снова к флуоресцирующему экрану, вызывая в свою очередь дополнительное его свечение. Кроме того, материал фотокатода полупрозрачный и не поглощает весь падающий на не­го свет и часть света от объектива может проходить сквозь него и попадать на флуоресцирующий экран или его алюминиевую подложку. Диффузное рассеяние этого света обратно к фотокатоду уси­ливает уровень фонового шума.

Коэффициент обратной связи между флуоресцирующим экра­ном и фотокатодом можно уменьшить снижением усиления. Поэто­му при работе с электронно-оптическим усилителем яркости изображения не следует применять усиление большее, чем это необ­ходимо в данном случае.

Пригодность электронно-оптических усилителей яркости изобра­жения для хроникально-документальных или научных киносъемок зависит от того, насколько они удовлетворяют требованиям к ка­честву изображения на флуоресцирующем экране. Существенно важное значение имеют высокая разрешающая способность, боль­шой интервал яркостей, отсутствие заметных геометрических иска­жений, быстрое затухание свечения, цветочувствительность фото­катода и цвет свечения люминофора.

Разрешающая способность электронно-оптических усилителей яркости изображения может быть получена достаточно высокой — порядка 50 лин/мм и выше. Такая разрешающая способность срав­нима с разрешающей способностью высокочувствительной кино­пленки, которая воспроизводит не более 60 лин/мм. Это удовлетво­рительная разрешающая способность. Хорошей разрешающей спо­собностью в настоящее время считают такую, которую обеспечивает мелкозернистая кинопленка, а именно 150 лин/мм.

Способность электронно-оптических усилителей яркости изобра­жения воспроизводить градации серых тонов теоретически значи­тельно выше, чем у фотографического слоя кинопленки. Однако явления рассеяния, свойственные флуоресцирующим экранам, не­сколько снижают градационные характеристики усиленного изобра­жения на люминофорном экране.

Геометрические искажения на флуоресцирующем экране совре­менных электронно-оптических усилителей яркости изображения не­значительны благодаря применению различных методов коррекции этих искажений.

Типичные характеристики спектральной светочувствительности фотокатодов (S-20 и S-25) приведены на рис. 11-5. Как видно из кривых, фотокатоды, применяемые в электронно-оптических усили­телях яркости изображения, воспринимают лучи широкой области видимого спектра. Максимум чувствительности приходится на об­ласть синих лучей (около 400 мкм). Чувствительность плавно пони­жается в сторону более длинноволновых лучей и доходит почти до начала инфракрасной области (760 мкм).

Для электронно-оптических преобразователей, трансформирую­щих инфракрасное излучение в видимое, применяются другие фото­катоды, как, например, S-1, обладающий чувствительностью вплоть до λ = 1100 мкм.

Характеристики спектрального излучения обычно применяемых флуоресцирующих экранов приведены на рис. 11-6.

Время затухания свечения люминофора, так называемое после­свечение, имеет большое значение для определения пригодности образуемого на нем изображения для киносъемки. Если люминофор обладает длительным послесвечением, то при съемке движущихся объектов на последующих кадрах будет фиксироваться постепенно угасающее изображение предыдущих кадров. Эта проблема реша­ется применением люминофора с коротким послесвечением (дли­тельностью порядка 1 мс).

Киносъемка изображения с флуоресцирующего экрана. При ре­продуцировании изображения с флуоресцирующего экрана элект­ронно-оптического усилителя яркости изображения возникают боль-

шие потери света. Объективы, служащие для передачи изображения с плоскости экрана на плоскость светочувствительного слоя кино­пленки, имеют невысокую эффективность. Потери возникают также вследствие рассеяния света слоем люминофора и отражения от окна трубки. Около 50% света, излучаемого люминофором, направляется в сторону, противоположную окну трубки. Для повышения светоот­дачи экрана на слой люминофора наносят тонкий слой алюминия. Но такое покрытие снижает разрешающую способность электронно-оптического усилителя яркости изображения.

В качестве люминофоров используются различные вещества, главным образом сульфиды, силикаты и окислы кадмия, кальция, магния, цинка и вольфрама, активированные металлами. Люмино­форы классифицированы по эффективной яркости, цвету свечения, времени послесвечения и имеют обозначения от Р-1 до Р-35.

Теоретически могут быть получены флуоресцирующие экраны с разрешающей способностью до 300 лин/мм и эффективностью пре­образования энергии 25%. Однако современные экраны обладают невысокими показателями разрешающей способности (около 50 лин/мм) и малой эффективностью преобразования энергии (3— 5%). Кроме того, эти экраны не могут воспроизводить широкий ин­тервал яркостей или уровней контраста. Большинство люминофоров воспроизводят лишь восемь-десять уровней яркости. Поэтому для репродукции изображения с флуоресцирующего экрана электронно-оптического усилителя яркости изображения необходимо применять кинопленку, обладаю­щую высоким коэффи­циентом контраста (γ =1,0 и выше). Цве­точувствительность кинопленки должна бытьсогласована со спект­ральным распределе­нием энергии в спектресвечения люминофора.Так как экраны элект­ронно-оптических уси­лителей яркости изоб­ражения, как прави­ло, имеют желто-зеленое или зеленое свечение, то наиболее подхо­дящим фотографическим материалом является ортохроматическая кинопленка типа РФ-3 или (АС-1).

Для уменьшения потерь света при переносе оптического изобра­жения с флуоресцирующего экрана на кинопленку применяют систе­му, состоящую из двух объективов, поставленных один за другим по способу тандем (см. главу 5 — «Макрокиносъемка»).

Дата добавления: 2015-08-02