устройство регистрации изображений в широком диапазоне освещенности

Формула изобретения

Устройство регистрации изображения в широком диапазоне освещенности включает усилитель яркости, выполненный из двух ЭОП бипланарного типа с микроканальным усилением, соединенных так, что выход первого ЭОП оптически состыкован с входом второго ЭОП, ПЗС матрицу с кадровым переносом, оптически состыкованную с выходом усилителя яркости, имеющую максимальный размер пиксела и выполненную такой, что максимум спектральной характеристики принимаемого ею излучения совпадает с максимумом спектральной характеристики сигнала, получаемого с выхода усилителя яркости, а также блок питания и блок управления, выполненный с возможностью генерировать различные схемы питания усилителя яркости, заключающиеся как в подаче постоянного напряжения, так и в подаче импульсного напряжения на усилитель яркости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам регистрации изображений в широком диапазоне освещенности. Устройство может быть использовано в различных оптоэлектронных системах, служащих для научных и специальных применений, для регистрации изображений в выделенных диапазонах спектра излучения, например в инфракрасном (ИК) или ультрафиолетовом (УФ) диапазоне. Например, данное устройство может быть использовано в системах обнаружения реактивных объектов по характерному УФ следу, остающемуся за соплом реактивного двигателя.

Известны устройства регистрации изображений, выполненные на основе соединения усилителя яркости с матричным фотоприемником, например прибором с зарядовой связью (ПЗС матрицей).

Так, в патенте США № 5220164 от 30.04.1992 (заявитель General Atomics) описан лидарный ресивер, служащий для формирования изображения и измерения расстояния до объектов. Ресивер представляет собой усилитель яркости, состоящий из прозрачного фотокатода, электронного умножителя в виде микроканальной пластины (МКП) и анода, покрытого люминофором и имеющего тонкий металлический слой. Данный ресивер оптически соединен с ПЗС камерой и интегрирован в систему слежения лидарного типа. Технический результат данного изобретения заключается в том, что лидарный ресивер служит одновременно как для формирования изображения наблюдаемого объекта, так и для получения информации о расстоянии до него. Это достигается за счет использования металлического слоя на аноде, благодаря которому можно регистрировать мгновенный ток сигнала, и обрабатывая его определенным образом, получать информацию о расстоянии до регистрируемого объекта.

Недостаток данного технического решения заключается в том, что устройство не обеспечивает достаточного усиления изображения, необходимого для решения задач современного уровня техники. Устройство работает только в системах с мощной лазерной подсветкой объекта наблюдения. Оно не способно зарегистрировать слабый световой сигнал, исходящий непосредственно от объекта, т.е. данное устройство не может эффективно регистрировать сигналы в так называемом пассивном режиме работы (без лазерной подсветки).

Известен патент РФ на изобретение № 2446613 от 26.05.2010 «Устройство регистрации изображений, сформированных с помощью излучения». Данное устройство предназначено для использования в системах скоростной цифровой съемки быстропротекающих процессов.

Устройство включает усилитель яркости в виде импульсного электронно-оптического преобразователя (ЭОП) бипланарного типа, принимающего электромагнитное излучение (ЭМИ) видимого диапазона, узел переноса изображения с экрана ЭОП на вход матрицы, чересстрочную ПЗС матрицу, блок управления и блок питания. Блок управления содержит формирователь прямоугольных высоковольтных импульсов напряжением 10-15 кВ, являющийся запитывающим узлом для ЭОП, и формирователь длительности импульсов, служащий для синхронизации времени работы ЭОП с ПЗС матрицей. Данное устройство имеет увеличенный динамический диапазон регистрируемого изображения за счет большого регулируемого коэффициента усиления, который обеспечивается возможностью изменять напряжение на ЭОП в широком диапазоне значений. Устройство принято в качестве прототипа.

Недостатком данного технического решения является необходимость формирования очень больших импульсных напряжений (10÷15 киловольт) для работы ЭОП. Время включения и выключения (фронты) таких высоковольтных импульсов достаточно большое. Во время фронтов устройство работает с изменяющимся коэффициентом усиления, что отрицательно влияет на сформированное изображение, уменьшая его контраст и отношение сигнал/шум. В прототипе используется чересстрочная матрица, недостаток которой заключается в пониженной светочувствительности, связанной с относительно малой эффективной рабочей площадью пикселов, воспринимающих свет. Также недостаток использования чересстрочной матрицы заключается в том, что два телевизионных поля, образующих кадр изображения, формируются последовательно, т.е. в разное время, и для быстропротекающих процессов и движущихся с большой скоростью объектов наблюдения будут получаться "смазанные" изображения.

Задача настоящего изобретения состоит в создании универсального устройства, работающего в "пассивном" и "активном" режимах, для регистрации изображений в широком диапазоне освещенности. Технический результат заявляемого изобретения заключается в расширении регулируемого динамического диапазона интенсивностей регистрируемых изображений, а также в увеличении пороговой чувствительности прибора и улучшении отношения сигнал/шум.

Это достигается за счет того, что устройство регистрации изображения в широком диапазоне освещенности включает усилитель яркости, выполненный из двух ЭОП бипланарного типа с микроканальным усилением, соединенных так, что выход первого ЭОП оптически состыкован с входом второго ЭОП, ПЗС матрицу с кадровым переносом, оптически состыкованную с выходом усилителя яркости, имеющую максимальный размер пиксела и выполненную такой, что максимум спектральной характеристики принимаемого ею излучения совпадает с максимумом спектральной характеристики сигнала, получаемого с выхода усилителя яркости, а также блок питания и блок управления, выполненный с возможностью генерировать различные схемы питания усилителя яркости, заключающиеся как в подаче постоянного напряжения, так и в подаче импульсного напряжения на усилитель яркости.

В усилителе яркости каждый ЭОП содержит фотокатод для приема излучения и преобразования его в поток электронов, как минимум одну микроканальную пластину (МКП), работающую как электронный умножитель, и анод, покрытый люминесцентным слоем (люминофором), служащим для преобразования усиленного потока электронов в оптическое изображение. Благодаря наличию МКП требуется приложение значительно меньшего напряжения для достижения требуемых коэффициентов усиления.

Первый ЭОП служит, как правило, для выделения сигнала исследуемой области спектра излучения (например, ИК или УФ), преобразования его в оптический сигнал и усиления. Второй ЭОП служит для дополнительного усиления сигнала. Усиление в каждом ЭОП обеспечивается как за счет увеличения потока электронов на самой МКП, так и за счет приложенной к промежутку между МКП и анодом разности потенциалов, увеличивающей энергию потока электронов. Количество электронов, вылетающих из микроканальной пластины, также зависит от приложенного к МКП напряжения. То есть коэффициент усиления можно регулировать за счет изменения напряжения на МКП, при этом прикладывая к МКП значительно меньшее напряжение по сравнению с прототипом.

Усилитель яркости оптически состыкован с ПЗС матрицей с кадровым переносом, имеющей максимальный размер пиксела и выполненной такой, что максимум спектральной характеристики принимаемого ею излучения совпадает с максимумом спектральной характеристики люминофора экрана второго ЭОП. Принцип действия ПЗС матрицы с кадровым переносом таков: заряд, образованный изображением, спроецированным на фоточувствительную поверхность матрицы, перемещается в промежуточную буферную область с защитным экраном. Когда изображение текущего кадра считывается из буферной области, матрица регистрирует следующий кадр. Все вышеописанные недостатки чересстрочных матриц здесь отсутствуют, при этом данные матрицы имеют также наибольшую эффективную площадь пиксела. Чем больше размер пиксела, тем больше чувствительность матрицы к принимаемому излучению.

Для увеличения чувствительности матрицы к принимаемому излучению, матрицу изготавливают с максимально возможным для данной системы размером пиксела. Максимальный размер пиксела матрицы однозначно определяется по размерам фоточувствительной области матрицы и значению кадровой частоты - частоты считывания сигнала с матрицы. Размеры фоточувствительной области матрицы определяются из условия, что матрица должна принимать максимальный объем излучения с выхода УЯ. Для этого размеры фоточувствительной области ПЗС матрицы должны совпадать с габаритами оптического выхода УЯ.

Т.о., чтобы достичь наибольшей чувствительности, необходимо, чтобы матрица принимала максимальный объем излучения с выхода УЯ. Для этого, во-первых, размеры фоточувствительной области ПЗС матрицы должны соответствовать габаритам оптического выхода УЯ, во-вторых, размер пиксела должен быть максимально возможным для данной системы, а в-третьих, спектр регистрируемого матрицей излучения должен максимально соответствовать спектру излучения выхода УЯ.

Благодаря наличию каскада усиления, состоящего из двух последовательно установленных ЭОП с МКП, и увеличению чувствительности матрицы, во-первых, увеличивается пороговая чувствительность прибора, то есть появляется возможность регистрировать чрезвычайно слабые сигналы, а во-вторых, расширяется динамический диапазон регистрируемого изображения. Такая конструкция позволяет регистрировать сигнал в широком диапазоне освещенности - от чрезвычайно слабого при ультранизких уровнях освещенности, до достаточно сильного при высокой освещенности. Таким образом, обеспечивается расширение динамического диапазона регистрируемого изображения до 10⁶ против достигнутого в известных устройствах 10⁴.

Данное устройство эффективно при различных режимах работы. Так как оно имеет высокую пороговую чувствительность, его можно использовать в "пассивном" режиме работы, то есть без подсветки наблюдаемого объекта лазерным лучом. Также данное устройство может быть использовано совместно с лазерной подсветкой (т.е. в "активном" режиме). Этот режим обеспечивается подачей импульсного (т.н. стробирующего) напряжения на промежуток фотокатод-вход МКП первого ЭОП. Это позволяет также измерять расстояние до объекта визуализации.

При запирании (стробировании) МКП второго ЭОП в периоды отсутствия полезных сигналов достигается дополнительное отсечение шумов всей системы УЯ в целом от матрицы. Это особенно важно для УФ диапазона, при регистрации которого высокоэнергетические фотоны могут пролетать через фотокатод первого ЭОП на его МКП, создавая фоновый сигнал, уменьшающий динамический диапазон. Таким образом, более чем на порядок улучшается отношение сигнал/шум и, соответственно, увеличивается контрастность формируемого изображения.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется схемой, представленной на рис.1.

Устройство содержит усилитель яркости, состоящий из ЭОП бипланарного типа с микроканальным усилением 1, оптически состыкованного со вторым ЭОП бипланарного типа с микроканальным усилением 2 через соответствующие узлы переноса изображения 8 и 9, выполненные в виде оптоволоконных пластин (планшайб). Первый ЭОП 1 содержит входное окно 3 с фильтром излучения 4, отсекающим лишний диапазон спектра, фотокатод 5, выполненный из материалов, предназначенных для регистрации электромагнитного излучения исследуемого диапазона спектра (например, ультрафиолета), микроканальную пластину 6, люминесцентный экран 7. Таким образом, первый ЭОП 1 служит для выделения сигнала исследуемого диапазона спектра, его усиления и преобразования в изображение оптического диапазона спектра. Второй ЭОП 2 содержит фотокатод для регистрации электромагнитного излучения оптического диапазона спектра 10, микроканальную пластину 11, люминесцентный экран 12.

ЭОП 2 оптически состыкован с ПЗС матрицей 15 через узлы переноса изображения 13 и 14, выполненные в виде оптоволоконных пластин (планшайб). Для достижения наибольшей чувствительности изготавливают специализированную широкоформатную монохроматическую ПЗС-матрицу с кадровым переносом, с максимальным размером пиксела, такую что максимум спектральной характеристики принимаемого ей излучения совпадает с максимумом спектральной характеристики излучения, испускаемого люминесцентным экраном 12. Узел переноса изображения 14, являющийся входным окном ПЗС матрицы 15, прилегает к чувствительному слою матрицы и покрыт специальным прозрачным проводящим покрытием (на рис. не показано) для защиты матрицы от большого потенциала на люминофоре экрана ЭОП 2. Без защитного покрытия потенциал с люминофора люминесцентного экрана 12 может "стечь" на ПЗС матрицу 15 и повредить ее.

Электронно-оптические преобразователи 1, 2 и ПЗС матрица 15 запитаны от блока питания 16, соединенного с блоком управления 17, генерирующим различные схемы управления напряжением на ЭОПах для обеспечения указанных выше режимов работы, а также синхронизации процесса работы УЯ с ПЗС матрицей.

Данное устройство работает следующим образом. Регистрируемое излучение поступает на вход первого ЭОП 1, где фильтр изучения 4 формирует требуемую спектральную характеристику, например, "солнечно-слепой" или "видимо-слепой" УФ поддиапазон, отсекая видимые и инфракрасные компоненты излучения. Далее, фотоны выделенного диапазона излучения попадают на фотокатод 5, обладающий, например, высокой чувствительностью к ультрафиолету, и преобразуются в поток электронов. При смещении напряжения на фотокатоде в отрицательную сторону относительно входа МКП поток электронов вылетает из фотокатода 5 и попадает на МКП 6, которая работает как электронный умножитель. Усиленный поток электронов выходит из микроканальной пластины 6 и, разгоняясь под действием разности потенциалов между МКП 6 и экраном 7, попадает на люминесцентный экран 7, где преобразуется в изображение оптического диапазона спектра. Таким образом, ЭОП 1 обеспечивает выделение, например, ультрафиолетовой составляющей изображения из потока поступающего излучения, преобразование в изображение оптического диапазона спектра и его усиление. Далее, через узел переноса изображения 8, являющийся оптическим выходом ЭОП 1, и узел переноса изображения 9, являющийся оптическим входом ЭОП 2, данное изображение попадает на фотокатод 9, преобразующий излучение оптического диапазона спектра, соответствующего спектру свечения люминесцентного экрана 7, в поток электронов. Далее, данный поток электронов под действием разности потенциалов между фотокатодом и входом МКП попадает на МКП 11. В МКП 11 происходит дополнительное усиление потока электронов. Таким образом, в ЭОП 2 происходит дополнительное усиление изображения. Далее, усиленное изображение через узлы переноса изображения 13 и 14 передается на ПЗС матрицу 15, представляющую собой широкоформатную ПЗС-матрицу с кадровым переносом, максимальным размером пиксела, выполненную такой, что максимум спектральной характеристики принимаемого ею излучения совпадает с максимумом спектральной характеристики сигнала, полученного с выхода усилителя яркости.

Данная матрица обеспечивает увеличение чувствительности за счет того, что, во-первых, сигнал регистрируется большей площадью фоточувствительной области, т.к. размеры фоточувствительной области ПЗС матрицы согласованы с габаритами выходного окна УЯ, во-вторых, выходной сигнал регистрируется матрицей с максимальным размером пиксела, а в-третьих, такая матрица максимально чувствительна именно к спектру излучения выхода УЯ, так как максимум спектральной характеристики матрицы совпадает с максимумом спектральной характеристики выхода УЯ.

Блок управления 17 генерирует различные схемы управления напряжением в устройстве, реализуемые блоком питания 16. Напряжение между фотокатодом и входом МКП используется для включения и выключения ЭОП. Если напряжение на фотокатоде смещено в положительную сторону по сравнению с входом МКП, электроны не вылетают из фотокатода и ЭОП находится в выключенном состоянии. Если же напряжение на фотокатоде смещено в отрицательную сторону относительно входа МКП, то поток электронов вылетает из фотокатода по направлению к МКП, и ЭОП включается.

Так, ЭОП находится в выключенном состоянии при напряжении на фотокатоде +50 В относительно входа МКП. Для отпирания фотокатода 5 ЭОП 1 подается напряжение в диапазоне -150 В÷-200 В, при этом вход МКП 6 заземлен. Для усиления потока электронов на МКП 6 подается напряжение в диапазоне +400 В÷+1000 В, а на люминесцентный экран 7 подается напряжение в диапазоне: +5 кВ÷+6 кВ. Схема питания для ЭОП 2 аналогична ЭОП 1.

Для обеспечения импульсного режима работы УЯ (т.н. режима стробирования) на фотокатод 5 подают прямоугольные импульсы с напряжением в диапазоне от -150÷-200 В до +50 В. Это может быть одноразовый импульс (строб) длительностью 10 нс или последовательность импульсов с частотой в диапазоне 50-100 Гц и более. Для обеспечения отсечения темновых токов фотокатода в моменты отсутствия полезных сигналов напряжение на МКП 11 уменьшается до 0 В, в результате чего электроны не вылетают из МКП и МКП оказывается запертой.

Блок управления 17 обеспечивает синхронизацию времени работы УЯ с ПЗС матрицей 15.

Для работы в "пассивном" режиме на все электроды обоих ЭОП 1 и 2 подаются постоянные напряжения. Для работы в "активном" режиме первый ЭОП 1 стробируется импульсами по промежутку "фотокатод - вход МКП", либо для улучшения отношения сигнал/шум дополнительно производится стробирование МКП 11 второго ЭОП 2 импульсами с регулируемой амплитудой.

Благодаря данному техническому решению обеспечивается расширение регулируемого динамического диапазона интенсивностей регистрируемого изображения, а также увеличение пороговой чувствительности прибора и увеличение отношения сигнал/шум.