ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2008 года по МПК H01J40/14 

Изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано при изготовлении приборов ночного видения для самых разнообразных условий эксплуатации, в частности, в большом диапазоне изменения освещенности наблюдаемого объекта.

В настоящее время существуют приборы, в которых используются усилители яркости, позволяющие осуществлять автоматическое управление яркостью (automatic brightness control - АВС) и защиту по яркости (bright source protection - BSP). ABC регулирование относительно установленного уровня яркости на входе и BSP регулирование осуществляется с использованием отклонений значений тока с экрана или с выхода микроканальной пластины (МКП) при соответствующих отклонениях уровней освещенности (яркости) наблюдаемой сцены.

Известен электронно-оптический преобразователь, в котором решена задача защиты от перегрузок ограничения тока входного фотокатода ЭОПа и МКП путем включения в их цепи ограничивающих сопротивлений (электронно-оптический преобразователь ЭПМ 50Г. АГСР433240.014 ТУ, производство ФГУП "НПО Геофизика-НВ" 107016, Москва, Матросская тишина 23, стр.2). Аналогичное решение применяют в ЭОП XD4 и XR5 производство фирмы Photonis - DEP (www.photonis-dep.com).

Наиболее близкий аналог настоящего изобретения, выбранный в качестве прототипа, описан в патенте США №6297494.

Устройство содержит усилитель яркости в виде вакуумного блока, в котором последовательно расположены фотокатод, микроканальная пластина и экран, снабженные выводами, генераторы синусоидальных напряжений, выходы которых через соответствующие высоковольтные умножители, соединенные последовательно, подключены к выводу экрана, входному и выходному выводам микроканальной пластины, схему управления состоянием фотокатода, содержащую два последовательно соединенных источника напряжения, средняя точка которых подключена к входному выводу микроканальной пластины, переключатель состояния фотокатода, выход которого соединен с выводом фотокатода, два его потенциальных входа подключены соответственно к вторым выходам последовательно соединенных источников напряжения, а управляющий вход подключен к выходу схемы циклического управления состоянием фотокатода, при этом на входе вакуумного блока размещен объектив, а на его выходе - окуляр, сопряженный с экраном.

В данном устройстве, используя значение токов экрана и МКП, производят дополнительно к традиционным методам АВС и BSP управление подачей напряжения на фотокатод таким образом, что фотокатод может находиться в состоянии «on» (включено), когда фотоэлектроны от фотонов изображения покидают фотокатод, и в состоянии «off» (выключено), когда фотоэлектроны от фотонов изображения не покидают фотокатода. При отклонении тока экрана (или выхода МКП) от установленного номинального значения производится циклическое регулирование длительности интервала «on» таким образом, чтобы в результате свести это отклонение к минимуму.

Следует отметить, что по начальному отклонению тока нельзя определить, какому отклонению освещенности оно соответствует, поэтому регулирование осуществляется принципиально за несколько циклов переключения состояний фотокатода, при этом при отклонении тока экрана в сторону увеличения, для избежания перегрузок фотокатода по отбираемому заряду, необходимо осуществлять перерегулирование (т.е. значительное уменьшение длительности интервала «on» - состояния фотокатода) с последующим «плавным» увеличением длительности интервала «on» до значения, соответствующего минимальному отклонению от установленного значения тока. При этом чрезмерное уменьшение интервала «on» может привести к значительному снижению яркости наблюдаемого на экране изображения, т.е. снижению его качества и мельканиям с частотой циклов регулирования.

Технической задачей данного изобретения является создание фотоприемного устройства, обеспечивающего получение качественного видеоизображения наблюдаемых объектов с визуально воспринимаемой постоянной яркостью, независимо от уровней освещенности наблюдаемого объекта, путем осуществления автоматического управления яркостью при отклонениях уровней освещенности (яркости) наблюдаемой сцены.

Поставленная задача достигается в фотоприемном устройстве, содержащем усилитель яркости, включающем последовательно размещенные фотокатод, микроканальную пластину и экран, снабженные выводами, объектив, установленный перед фотокатодом усилителя яркости, окуляр, размещенный соосно с экраном усилителя яркости, генератор синусоидальных напряжений, выходы которого через первый и второй высоковольтные умножители, соединенные последовательно, подключены соответственно к выводу экрана и входному и выходному выводам микроканальной пластины, два последовательно соединенных источника разнополярных напряжений, средняя точка которых подключена к входному выводу микроканальной пластины, переключатель, выходной контакт которого подсоединен к выводу фотокатода, потенциальные контакты - к вторым выходам последовательно соединенных источников разнополярных напряжений, а управляющий вход - к выходу блока циклического управления состоянием фотокатода, в которое согласно изобретению введен фотодатчик с дополнительным объективом на входе, выход которого подсоединен к входу блока циклического управления состоянием фотокатода, который содержит последовательно соединенные генератор циклов управления, преобразователь код-длительность и схему запрета состояния «включено», а также аналого-цифровой преобразователь и компаратор, выходы которых подключены к вторым входам преобразователя код-длительность и схеме запрета состояния «включено», а их входы объединены и являются входом блока циклического управления состоянием фотокатода, выходом которого является выход схемы запрета состояния «включено».

Управление степенью отбора фотоэлектронов с фотокатода в данном устройстве осуществляется независимо от самого тока с фотокатода по измеряемому с помощью дополнительного фотодатчика в каждом цикле управления текущему интегральному значению освещенности E_t наблюдаемой сцены. Поле зрения фотодатчика и спектральная чувствительность соответствующим образом сопряжены с полем зрения и спектральной чувствительностью усилителя яркости системы видения.

Независимость регулирования от фототока фотокатода усилителя яркости и возможность измерения перепада освещенности наблюдаемой сцены с помощью фотодатчика позволяет оптимально устанавливать режим управления и осуществлять его за минимальное время (принципиально возможно за один цикл регулирования).

Измеренное текущее значение освещенности E_t наблюдаемой сцены позволяет с высокой точностью регулировать и поддерживать постоянство отбираемого с фотокатода заряда от фотонов изображения наблюдаемой сцены и, следовательно, обеспечивать постоянство яркости визуально наблюдаемого изображения на экране прибора, при этом отпадает необходимость в традиционно применяемых методах АВС и BSP, что позволяет упростить исполнение источников питания МКП и экрана.

Введение дополнительного фотодатчика позволяет осуществлять защиту от импульсных пересветок фотокатода вплоть до длительностей световых импульсов микросекундного диапазона, при этом в зависимости от установленного порогового уровня защиты от пересветок компаратор по сигналу фотодатчика вырабатывает импульс, по переднему фронту которого состояние фотокатода "моментально" устанавливается в положение "отключено" независимо от состояния, в котором оно находилось на этот момент, независимо от временного положения импульса компаратора в периодическом цикле управления состоянием фотокатода.

На чертеже приведена структурная электрическая схема фотоприемного устройства.

Фотоприемное устройство содержит усилитель яркости 1, состоящий из последовательно размещенных фотокатода 2, микроканальной пластины (МКП) 3 и экрана 4, снабженных выводами, объектив 5, установленный перед фотокатодом 1, окуляр 6, размещенный соосно с экраном 4, генератор синусоидальных напряжений 7, выходы которого через первый и второй высоковольтные умножители 8, 9, соединенные последовательно, подключены соответственно к выводу экрана 4 и входному и выходному выводам МКП 3, два последовательно соединенных источника разнополярных напряжений 10, 11, средняя точка которых подключена к входному выводу МКП 3, переключатель 12, выходной контакт которого подсоединен к выводу фотокатода 2, потенциальные контакты - соответственно к вторым выходам последовательно соединенных источников разнополярных напряжений 10, 11, а управляющий вход переключателя 12 подключен к выходу блока 13 циклического управления состоянием фотокатода, фотодатчик 14 с дополнительным объективом 15 на входе, выход которого подсоединен к входу блока 13 циклического управления состоянием фотокатода, который содержит последовательно соединенные генератор 16 циклов управления, преобразователь код-длительность 17 и схему запрета состояния «включено» 18, а также аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 19 и компаратор 20, входы которых объединены и являются входом блока 13 циклического управления состоянием фотокатода, выходом которого является выход схемы запрета состояния «включено» 18.

Устройство работает следующим образом.

Изображение 21 наблюдаемой сцены посредством объектива 5 проецируется на фотокатод 2, который в зависимости от положения переключателя 12 находится в состоянии "включено" или "выключено". В состоянии "включено" электроны от фотонов изображения 21 покидают фотокатод 2, ускоряются под действием электрического поля промежутка фотокатод 2 - вход МКП 3, усиливаются в МКП 3 за счет вторичной эмиссии под действием тянущего поля источника питания МКП 3 - высоковольтного умножителя 9, далее ускоряются в промежутке выход МКП 3 - экран 4 под действием напряжения источника питания экрана 4 - высоковольтного умножителя 8 и преобразуются в видеоизображение на экране 4 с результирующим усилением по яркости.

В состоянии фотокатода 2 "выключено" фотоэлектроны от изображения 21 не покидают фотокатод 2.

Управление состояниями фотокатода 2 осуществляется следующим образом.

Посредством объектива 15 на рабочей поверхности фотодатчика 14 производится формирование фотонов от изображения 21 наблюдаемой сцены в тех же границах поля зрения, что и на фотокатоде 2. Посредством фотодатчика 14 и АЦП 19 производится измерение текущего интегрального значения освещенности E_t наблюдаемой сцены.

Генератор 16 циклов управления обеспечивает периодические циклы преобразования код АЦП - длительность состояния фотокатода 2 "включено-выключено", при этом в начале каждого цикла производится установка фотокатода 2 в состояние "включено" путем подключения его с помощью переключателя 12 к источнику отрицательного напряжения 11.

Отключение фотокатода 2 от источника 11 и подключение его к источнику положительного напряжения 10 (окончание интервала времени "включено" и включение состояния "выключено") осуществляется переключателем 12 через время τ_on, определяемое в соответствии с алгоритмом:

τ_on(t)=С/E_t,

где С - некоторая наперед устанавливаемая постоянная.

Значение постоянной "С" устанавливается в соответствии с требуемым средним значением фототока фотокатода 2, а частота периодической последовательности циклов состояний фотокатода 2 "включено-выключено" устанавливается не ниже граничного значения при поддерживаемой яркости экрана 4, когда наблюдается мелькание изображения.

Управление переключателем 12 состояния фотокатода осуществляется с выхода схемы запрета состояния «включено» 18, сигналами преобразователя код-длительность 17 или собственно сигналами схемы запрета 18 с приоритетом последних.

Поскольку измерение значения E_t осуществляется периодически в каждом цикле, то практически в каждом цикле будет поддерживаться постоянство E_t·τ_on(t)=const, a значит будет поддерживаться постоянство отбираемого за время τ_on(t) заряда, т.к. фототок от фотонов изображения пропорционален текущему значению E_t, и в конечном счете будет постоянство яркости визуально воспринимаемого с экрана 4 изображения, несмотря на изменяющееся во времени значение освещенности E_t наблюдаемой сцены.

Необходимо заметить, что для отсутствия мелькания изображения на экране 4 необходимо, чтобы частота циклов периодического переключения состояний фотокатода 2 "включено-выключено" составляла не менее 50 Гц (период 20 мс). Откуда следует, что для работы, например, в диапазоне изменения освещенности E_t 10⁴ крат необходим соответствующий диапазон интервала τ_on(t), т.е. минимальное значение τ_on(t) должно составлять 2 мкс.

Защита фотокатода 2 от пересветок осуществляется следующим образом. Если по каким-либо причинам (вспышки, освещение наблюдаемой сцены мощными импульсными источниками и др.) сигнал фотодатчика 14 превысит установленный порог защиты, то на выходе компаратора 20 формируется перепад, подаваемый на схему запрета 18 состояния "включено", по которому производится установка положения переключателя 12 в положение "выключено", если до этого он находился в положении "включено".

При коротких световых вспышках в поле зрения объектива 5 на выходе компаратора 20 формируется такой же длительности импульс превышения порога на выходе компаратора 20 и схема запрета 18 устанавливает положение переключателя 12 в положение "выключено" на все время наличия импульса на выходе компаратора 20, независимо от информации, поступающей с выхода преобразователя код-длительность 17.

Изобретение относится к области оптико-электронной техники. Фотоприемное устройство содержит усилитель яркости в виде последовательно размещенных фотокатода, микроканальной пластины и экрана, снабженных выводами, объектив, установленный перед фотокатодом усилителя яркости, окуляр, размещенный соосно с экраном усилителя яркости, генератор синусоидальных напряжений, выходы которого через первый и второй высоковольтные умножители, соединенные последовательно, подключены соответственно к выводу экрана и входному и выходному выводам микроканальной пластины, два последовательно соединенных источника разнополярных напряжений, средняя точка которых подключена к входному выводу микроканальной пластины, переключатель, выходной контакт которого подсоединен к выводу фотокатода, потенциальные контакты - к вторым выходам последовательно соединенных источников разнополярных напряжений, а управляющий вход - к выходу блока циклического управления состоянием фотокатода, фотодатчик с дополнительным объективом на входе, выход которого подсоединен к входу блока циклического управления состоянием фотокатода, который содержит последовательно соединенные генератор циклов управления, преобразователь код-длительность и схему запрета состояния «включено», а также аналого-цифровой преобразователь и компаратор, выходы которых подключены к вторым входам преобразователя код-длительность и схеме запрета состояния «включено», а их входы объединены и являются входом блока циклического управления состоянием фотокатода, выходом которого является выход схемы запрета состояния «включено». Технический результат - обеспечение получения качественного видеоизображения наблюдаемых объектов с визуально воспринимаемой постоянной яркостью, независимо от уровней освещенности наблюдаемого объекта. 1 ил.

Фотоприемное устройство, содержащее усилитель яркости, включающий последовательно размещенные фотокатод, микроканальную пластину и экран, снабженные выводами, объектив, установленный перед фотокатодом усилителя яркости, окуляр, размещенный соосно с экраном усилителя яркости, генератор синусоидальных напряжений, выходы которого через первый и второй высоковольтные умножители, соединенные последовательно, подключены соответственно к выводу экрана и входному и выходному выводам микроканальной пластины, два последовательно соединенных источника разнополярных напряжений, средняя точка которых подключена к входному выводу микроканальной пластины, переключатель, выходной контакт которого подсоединен к выводу фотокатода, потенциальные контакты - к вторым выходам последовательно соединенных источников разнополярных напряжений, а управляющий вход - к выходу блока циклического управления состоянием фотокатода, отличающееся тем, что в него введен фотодатчик с дополнительным объективом на входе, выход которого подсоединен к входу блока циклического управления состоянием фотокатода, который содержит последовательно соединенные генератор циклов управления, преобразователь код-длительность и схему запрета состояния «включено», а также аналого-цифровой преобразователь и компаратор, выходы которых подключены к вторым входам преобразователя код-длительность и схеме запрета состояния «включено», а их входы объединены и являются входом блока циклического управления состоянием фотокатода, выходом которого является выход схемы запрета состояния «включено».