Способ повышения стабильности формируемого изображения в устройствах ночного видения и устройства для его реализации Российский патент 2020 года по МПК H01J31/50 H01J29/46 

Изобретение относится к технике ночного видения, а более конкретно к способу повышения стабильности формирования изображения прибором ночного видения (ПНВ), электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) со схемой электропитания, схемой электропитания ЭОП, а также к устройству ПНВ, ЭОП со схемой электропитания, схемы электропитания ЭОП, реализующих предлагаемый способ.

Приборы ночного видения используется для улучшения видимости в условиях недостаточной освещенности. Существуют ПНВ выполненные на базе ЭОП, на базе тепловизионных датчиков и ПЗС или ССД матрицах. В настоящем описании речь идет о ПНВ с использованием ЭОП. Для увеличения яркости наблюдаемой сцены в ПНВ используют ЭОП, который за счет спектрального преобразования и усиления увеличивает яркость в тысячи раз. Прибор ночного видения в общем виде, содержит объектив, ЭОП со схемой электропитания или отдельную схему электропитания и окуляр. Свет от наблюдаемой сцены с использованием объектива направляется на фотокатод ЭОП, который под действием фотонов испускает фотоэлектроны в образе, копирующем сцену. Фотоэлектроны, под действием электрического поля, ускоряются к микроканальной пластине (МКП) и, попадая в каналы МКП, вызывают поток вторичных электронов в образе, копирующем сцену. Выходя из каналов МКП, поток вторичных электронов, увеличенный в тысячи раз, ускоряются к экрану ЭОП, и, попадая на экран, производит усиленное в тысячи раз по яркости видимое изображение, копирующее сцену, которое пользователь ПНВ рассматривает с использованием окуляра. В некоторых случаях в состав окуляра могут входить устройства, преобразующие изображение в цифровой вид, выполняющие дополнительную обработку изображения и его передачу на расстояния. Схема электропитания вырабатывает необходимые напряжения для подачи на электроды ЭОП, которые подаются на фотокатод, на вход и выход МКП и на экран, что обеспечивает создание необходимых электрических полей, под действием которых, фотоэлектроны и вторичные электроны движутся в ЭОП. Напряжение между фотокатодом и входом МКП обычно составляет примерно 200 В для ЭОП 2⁺ поколения или примерно 800 В для ЭОП 3 поколения. Напряжение между входом и выходом МКП обычно находится в диапазоне от 800 В до 1200 В. Напряжение между выходом МКП и экраном обычно находится в диапазоне от 4000 В до 6000 В. Кроме создания необходимых напряжений, схема электропитания содержит схему автоматической регулировки яркости (АРЯ) изображения, формируемого на экране ЭОП при изменении освещенности фотокатода. При проведении работ с ПНВ, освещенность местности может изменяться в широких пределах, например, от 1×10^-6 лк до 5×10⁴ лк, при этом освещенность фотокатода обычно составляет 0,1 от освещенности местности, т.е. от 1×10^-7 лк до 5×10³ лк. Высокая освещенность фотокатода может быть при свете фар, вспышках, а низкая освещенность может быть при работе в пещерах, подвалах или в безлунную облачную ночь. В зависимости от уровня освещенности фотокатода формирование изображения на экране ЭОП имеет свои особенности и условно разделяется на два диапазона освещенностей фотокатода. В первом диапазоне, до срабатывания схемы АРЯ, освещенность фотокатода имеет малую величину (примерно от 1×10^-7 лк до 5×10^-4 лк). При очень низких уровнях освещенности наблюдатель вообще не видит никакого изображения, а видит только шумы, преимущественно в виде сцинтилляционных вспышек. При увеличении освещенности, первоначально становятся видимыми большие детали объекта, а малые детали объекта еще скрываются в шумах. При увеличении освещенности становятся видимыми и малые детали объекта. В этом диапазоне освещенности, качество формируемого изображения главным образом определяется коэффициентом усиления яркости (коэффициентом преобразования ЭОП), отношением сигнал/шум и разрешением. Улучшить качество изображения за счет увеличения коэффициента преобразования ЭОП (путем увеличения напряжения на МКП) в известных решениях не представляется возможным. Это связано с тем, что при увеличении коэффициента преобразования, увеличивается яркость наблюдаемого объекта при одновременном увеличении яркости шумов. Шумы изображения пользователь видит преимущественно в виде сцинтилляционных вспышек, количество и яркость которых возрастает с увеличением коэффициента преобразования, при этом контраст объекта практически не улучшается и соответственно не увеличивается дальность работы ПНВ. ПНВ, имеющий при оптимальной освещенности фотокатода предел разрешения 64 штр/мм, при освещенности 1×10^-6 лк, будет иметь разрешение примерно 8÷12 штр/мм, а при освещенности равной 1×10^-7 лк 2÷4 штр/мм.

Второй диапазон освещенности начинается после срабатывания схемы АРЯ (при освещенности примерно 5×10^-4 лк). В этом диапазоне освещенность фотокатода может изменяется от 5×10^-4 лк до 5×10³ лк. Качество формируемого изображения в этом диапазоне освещенности определяется разрешением, частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ) ПНВ и работой схемы АРЯ. После срабатывания схемы АРЯ, яркость свечения экрана при увеличении освещенности фотокатода, остается примерно одинаковой, а разрешение ухудшается. Величина яркости экрана в режиме работы АРЯ устанавливается производителем обычно в диапазоне от 5 кд/м² до 15 кд/м², а предел разрешения при увеличении освещенности может снизаться с 64 штр/мм до 20 штр/мм. Ухудшение разрешения связано с необходимостью уменьшения напряжения на фотокатоде, которое необходимо для обеспечения сохранности фотокатода при больших освещенностях. Выше описанные особенности формирования изображения относятся к способу формирования изображения при подаче на электроды ЭОП не импульсных напряжений.

Известен способ формирования изображения в ПНВ путем подачи импульсного напряжения на фотокатод и не импульсных напряжений на МКП и экран. Такой способ формирования изображения описан в патентах США №4882481 от 21.11.1989 г, №5146077 от 08.09.1992 г, №5883381 от 16.03.1999 г, №5949063 от 07.09.1999 г, №6087649 от 11.07.2000 г, №6121600 от 19.09.2000 г, №6157021 от 05.12.2000 г, №6278104 от 21.08.2001 г, №6279494 от 02.10.2001 г, №6320180 от 20.11.2001 г, №6690098 от 10.02.2004 г.

Наиболее близким к предлагаемому способу, является способ формирования изображения ПНВ, предложенный в патенте США №6087649 от 11.07.2000 г. (аналог). В соответствии с данным способом, формирование изображения прибором ночного видения, производится следующим образом. Схема электропитания обеспечивает поочередную подачу на фотокатод отрицательных и положительных импульсов напряжения, а на МКП и экран ЭОП подаются не импульсные напряжения. При увеличении освещенности, длительность отрицательного (рабочего) импульса уменьшается. После достижения минимальной длительности рабочего импульса примерно равного 1×10^-4% от полной длительности цикла, производится не импульсное уменьшение напряжения на МКП с использованием «последовательного элемента», в качестве которого обычно используется транзистор. Таким образом, обеспечивается формирование изображения на экране ЭОП, а, следовательно, и формирование изображения в ПНВ, которое пользователь рассматривает с использованием окуляра. Данный способ не требует уменьшения напряжения фотокатода и позволяет существенно улучшить разрешение при больших освещенностях фотокатода в режиме работы АРЯ. При использовании данного способа формирования изображения типичное уменьшение разрешения, при росте освещенности с 1×10^-3 лк до 200 лк, составляет примерно 10%÷12%, т.е. ухудшение разрешения в 3 раз меньше, чем при использовании только не импульсных напряжений.

Данный способ формирования изображения позволяет улучшить разрешение при большой освещенности фотокатода. Производители ПНВ и ЭОП, использующие данный способ формирования изображения (autogating), заявляют динамический диапазон освещенности местности, в котором обеспечивается работоспособность ПНВ и ЭОП от 1×10^-6 лк до 5×10⁴ лк. Однако данный способ не позволяет использовать единый алгоритм управления напряжениями при формировании изображения во всем заявленном динамическом диапазоне освещенности. В этом способе, при увеличении освещенности фотокатода примерно до 200 лк, уменьшается длительность рабочего импульса, а затем производится не импульсное уменьшение напряжения на МКП. Известен также патент США №6278104 от 21.08.2001 г, в котором первоначально производится не импульсное уменьшение напряжения на МКП, а затем, при увеличении освещенности фотокатода примерно до 0,1 лк, уменьшается длительность рабочего импульса. Эти изменения алгоритма при формировании изображения, могут привести к сбоям в управлении напряжениями и резким изменениям яркости экрана, т.е. к нестабильному изображению, что экспериментально подтверждено.

Таким образом, способ формирования изображения предлагаемый в аналоге с подачей импульсного напряжения только на фотокатод имеет недостаточную стабильность формируемого изображения.

Известен способ формирования изображения, в котором импульсные напряжения подаются на фотокатод и МКП, а на экран подается не импульсное напряжение, патент РФ №2346353 от 27.07.07 г, прототип. Данный способ обеспечивает формирование изображения за счет импульсного изменения напряжений на фотокатоде и МКП. Причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде. Во время рабочего цикла, то есть при подаче на фотокатод отрицательного импульса напряжения, микроканальную пластину с ее умножителем напряжения подключают к источнику питания, а при подаче на фотокатод положительного импульса напряжения, микроканальную пластину с ее умножителем напряжения отключают от источника питания. А подключение и отключение микроканальной пластины с ее умножителем напряжения от источника питания производят с использованием коммутатора микроканальной пластины и усилителя обратной связи коммутатора микроканальной пластины.

Предложенный способ формирования изображения, путем подачи импульсных напряжений на фотокатод и МКП имеет преимущества перед ранее рассмотренными способами. Данный способ обеспечивает высокое разрешение при большой освещенности фотокатода и позволяет уменьшить энергопотребление более чем в 2 раза по сравнению с аналогом. Однако, импульсное изменение напряжения на МКП в зависимости от тока экрана или МКП происходит с нестабильным задним фронтом импульса напряжения на МКП. Это происходит из-за особенностей формирования импульсов тока экрана или МКП при формировании изображения путем подачи импульсных напряжений на фотокатод и МКП. Импульсы тока экрана или МКП являются сигналами регулирования, т.к. величина этих импульсов определяет длительность рабочего цикла и амплитуду импульсов напряжений, подаваемых на МКП. Более подробно об образовании помех в сигнале регулирования, приводящих к нестабильности заднего фронта импульсов напряжения на МКП, будет объяснено далее. Нестабильность заднего фронта импульсов напряжения на МКП приводит к изменению их длительности и амплитуды при неизменной освещенности фотокатода. Соответственно, изменение длительности и амплитуды импульсов напряжения на МКП при неизменной освещенности фотокатода приводит к изменению яркости свечения экрана, что может восприниматься пользователем как нестабильность изображения.

Таким образом, способ формирования, предлагаемый в прототипе, с подачей импульсного напряжения на фотокатод и МКП, имеет тот же недостаток, что и аналог, т.е. недостаточную стабильность формируемого изображения.

Задачей изобретения является реализация следующих технических решений:

- создание способа повышения стабильности формируемого изображения ПНВ, ЭОП со схемой электропитания и схемой электропитания ЭОП, при любой освещенности фотокатода;

- создание устройств типа ПНВ, ЭОП со схемой электропитания, схема электропитания ЭОП, использующих предлагаемый способ повышения стабильности формируемого изображения.

1. Поставленная задача решается тем, что в известном способе формирования изображения прибором ночного видения, включающем: указанный прибор ночного видения, имеющий объектив, получающий свет от наблюдаемой сцены и направляющий этот свет на электронно-оптический преобразователь, обеспечивающий видимое изображение наблюдаемой сцены и окуляр, обеспечивающий пользователю прибора ночного видения это видимое изображение, указанный электронно-оптический преобразователь включает фотокатод, получающий фотоны от сцены, и испускающий фотоэлектроны в образе, копирующем сцену, микроканальную пластину, получающую фотоэлектроны и обеспечивающую поток вторичных электронов в образе, копирующем сцену, экран, получающий поток вторичных электронов производящих видимое изображение копирующее сцену и схему электропитания, формирующую изображение путем формирования необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя, заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины неизбежно имеют нестабильный задний фронт обусловленный спецификой его формирования дополнительно выполняют формирование сигнала регулирования пропорционального величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины и свободного от помех любым известным методом, что обеспечивает стабильность заднего фронта импульсов напряжения на микроканальной пластине и стабильность формируемого изображения.

2. Известный способ формирования изображения электронно-оптическим преобразователем со схемой электропитания, включающем: указанный электронно-оптический преобразователь, содержащий фотокатод, получающий фотоны от сцены, и испускающий фотоэлектроны в образе, копирующем сцену, микроканальную пластину, получающую фотоэлектроны и обеспечивающую поток вторичных электронов в образе, копирующем сцену, экран, получающий поток вторичных электронов производящих видимое изображение копирующее сцену и схему электропитания, формирующую изображение путем формирования необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя, заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины неизбежно имеют нестабильный задний фронт обусловленный спецификой его формирования дополнительно выполняют формирование сигнала регулирования пропорционального величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины и свободного от помех любым известным методом, что обеспечивает стабильность заднего фронта импульсов напряжения на микроканальной пластине и стабильность формируемого изображения.

3. Известный способ формирования изображения схемой электропитания электронно-оптического преобразователя, формирующей изображение путем создания необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины неизбежно имеют нестабильный задний фронт обусловленный спецификой его формирования дополнительно выполняют формирование сигнала регулирования пропорционального величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины и свободного от помех любым известным методом, что обеспечивает стабильность заднего фронта импульсов напряжения на микроканальной пластине и стабильность формируемого изображения.

4. Известный прибор ночного видения, имеющий объектив, получающий свет от наблюдаемой сцены и направляющий этот свет на электронно-оптический преобразователь, обеспечивающий видимое изображение наблюдаемой сцены и окуляр, обеспечивающий пользователю прибора ночного видения это видимое изображение, указанный электронно-оптический преобразователь включает фотокатод, получающий фотоны от сцены, и испускающий фотоэлектроны в образе, копирующем сцену, микроканальную пластину, получающую фотоэлектроны и обеспечивающую поток вторичных электронов в образе, копирующем сцену, экран, получающий поток вторичных электронов производящих видимое изображение копирующее сцену и схему электропитания, формирующую изображение путем формирования необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя, заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины неизбежно имеют нестабильный задний фронт обусловленный спецификой его формирования дополнительно содержит схему формирования сигнала регулирования пропорционального величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины и свободного от помех любым известным методом, что обеспечивает стабильность заднего фронта импульсов напряжения на микроканальной пластине и стабильность формируемого изображения.

5. Известный электронно-оптический преобразователь со схемой электропитания, содержащий фотокатод, получающий фотоны от сцены, и испускающий фотоэлектроны в образе, копирующем сцену, микроканальную пластину, получающую фотоэлектроны и обеспечивающую поток вторичных электронов в образе, копирующем сцену, экран, получающий поток вторичных электронов производящих видимое изображение копирующее сцену и схему электропитания, формирующую изображение путем формирования необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя, заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины неизбежно имеют нестабильный задний фронт обусловленный спецификой его формирования дополнительно содержит схему формирования сигнала регулирования пропорционального величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины и свободного от помех любым известным методом, что обеспечивает стабильность заднего фронта импульсов напряжения на микроканальной пластине и стабильность формируемого изображения.

6. Известная схема электропитания электронно-оптического преобразователя, формирующая изображение путем создания необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя и обеспечивающая поочередную подачу на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменение длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменение напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производится импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины неизбежно имеют нестабильный задний фронт обусловленный спецификой его формирования дополнительно содержит схему формирования сигнала регулирования пропорционального величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины и свободного от помех любым известным методом, что обеспечивает стабильность заднего фронта импульсов напряжения на микроканальной пластине и стабильность формируемого изображения.

Предлагаемые решения, на наш взгляд, являются новыми и не следуют явным образом из уровня техники, т.к. влияние совокупности отличительных признаков на технический результат из уровня техники не известен.

На фиг. 1 схематично показаны графики изменения напряжений на фотокатоде и МКП в зависимости от освещенности местности

а) низкая освещенность фотокатода, примерно 5×10^-4 лк÷10^-4 лк (область «а»);

б) высокая освещенность фотокатода (вспышка), примерно 10³÷10⁴ лк (область «б»).

На фиг. 2 схематично показаны графики формирования сигнала регулирования и графики импульсов напряжения на МКП и фотокатоде в прототипе.

На фиг. 1 схематично приведены графики изменения импульсных напряжений, подаваемых на фотокатод и МКП, которые соответствуют предлагаемому способу повышения стабильности формирования изображения. Область «а» соответствует низкой освещенности (примерно 5×10^-3 лк÷10^-3 лк на местности, что примерно соответствует освещенности фотокатода 5×10^-4 лк÷10^-4 лк). При малой освещенности фотокатода длительность рабочего цикла в области «а» (Тр.ц.а.) может составить 0,95÷0,85 от длительности полного цикла (Тп.ц.), а длительность нерабочего цикла в области «а» (Тн.р.ц.а.) соответственно составит 0,05÷0,15 от длительности полного цикла. В момент окончания отрицательного (рабочего) импульса напряжения на фотокатоде, то есть в момент окончания рабочего цикла, МКП с ее умножителем напряжения отключается от источника питания. При ее отключении, МКП начинает разряжаться до начала нового рабочего цикла. Новый рабочий цикл начнется при подаче на фотокатод следующего отрицательного импульса напряжения. МКП с ее умножителем напряжения вновь подключается к источнику питания, и напряжение на МКП восстанавливается до максимального значения соответствующего данному полному циклу. Источник питания, соответствующий предлагаемому способу формирования изображения, имеет малую мощность, обычно порядка 30 мВт ÷ 45 мВт, поэтому рост напряжения на МКП происходит более медленно, чем в идеальном случае (при бесконечной мощности источника питания и нулевом сопротивлении проводников). Область «б», представленная на фиг. 1, соответствует высокой освещенности фотокатода (примерно 10³÷10⁴ лк), которая может быть при освещении фарами, вспышке и т.д. В области «б» выполняется автоматическая регулировка яркости (АРЯ) и длительность нерабочего цикла (Тн.р.ц.б.) может быть близка к длительности полного цикла (Тп.ц.), поэтому к моменту окончания рабочего цикла напряжение на МКП будет уменьшаться в течение длительного промежутка времени, равного (Тн.р.ц.б.). При этом напряжение на МКП может уменьшиться значительно, а длительность рабочего импульса (Тр.ц.б.), может составлять 0,05÷0,15 от длительности полного цикла. Поэтому средняя величина напряжения на МКП за время полного цикла в области «б» может уменьшиться значительно и значительно уменьшится коэффициент усиления МКП. Однако во всем динамическом диапазоне освещенностей, заявленном изготовителями ЭОП и ПНВ от 1×10^-6 лк до 5×10⁴ лк, регулировка только за счет уменьшения длительности рабочего цикла не обеспечивает приемлемое качество изображения. Поэтому в диапазоне освещенностей от 5×10^-4 лк до 5×10⁴ лк приходится дополнительно задействовать автоматическую регулировку яркости (АРЯ). В качестве сигнала регулирования, как в импульсных схемах электропитания, так и в не импульсных, используется ток экрана или МКП. В не импульсных схемах электропитания и в импульсных схемах, используемых в аналогах, ток экрана или МКП не является импульсным и не содержит помех, поэтому схемы АРЯ достаточно просты и настроены на ограничение максимальной величины тока.

В прототипе использована схема электропитания с подачей импульсных напряжений на фотокатод и МКП. Как будет показано ниже, при подаче импульсных напряжений на МКП и фотокатод, значительно усложняется получение качественного сигнала регулирования, не содержащего помехи. На фиг. 2, на верхнем графике, схематически показано как образуются помехи в сигнале регулирования и как данные помехи приводят к нестабильности сигнала регулирования и нестабильности заднего фронта импульсов напряжения на МКП и фотокатоде. Для получения сигнала регулирования необходимо проводить накопление заряда, который образуется при подаче на накопительное устройство импульсов тока экрана или МКП. В качестве накопительного устройства можно использовать специальные схемы накопления заряда или просто накопительный конденсатор. Накопительное устройство накапливает заряд за время каждого полного цикла. Далее сигнал подается на нагрузку на которой происходит разряд накопительного конденсатора, а изменение величины напряжения на нагрузке во время разряда является сигналом регулирования. Формирование сигнала регулирования начинается при начале рабочего цикла, и при достижении амплитуды сигнала регулирования, уровня, заданного схемой АРЯ, происходит окончание рабочего цикла и начинается не рабочий цикл. Рассмотрим, как происходит заряд накопительного конденсатора. Особенностью всех схем электропитания, используемых в переносных ПНВ, является их миниатюрность и малая мощность, что позволяет использовать только резонансный характер формирования напряжений на основе преобразователей. Обычно частота преобразователей составляет 15 кГц ÷ 30 кГц и сигнал этой частоты подается на умножители напряжения МКП, экрана и фотокатода для их накачки. Так как импульсы тока экрана или МКП, подаваемые на схему АРЯ для заряда накопительного конденсатора, снимаются обычно с какого-либо умножителя напряжения, то и заряд накопительного конденсатора происходит на частоте преобразователя. Частота полного цикла задается схемой электропитания и обычно находится в диапазоне от 30 Гц до 200 Гц. Длительность рабочего цикла определяется величиной освещенности фотокатода и уровнем задаваемым схемой АРЯ. В качестве примера, примем частоту преобразователя равной 25 кГц, а длительность рабочего импульса 5 мс при длительности полного цикла 10 мс, что соответствует частоте 100 Гц. и частоте рабочего цикла 200 Гц. В этом случае заряд конденсатора будет происходить 125 раз в течение одного рабочего цикла, т.е. заряд в течение рабочего цикла будет увеличиваться не монотонно, а маленькими скачками, что схематично изображено на фиг. 2 на верхнем графике. Преобразователь вырабатывает сигнал близкий к синусоиде, поэтому при положительной полуволне синусоиды происходит заряд конденсатора, а при отрицательной полуволне происходит разряд конденсатора, поэтому эти маленькие скачки имеют и соответствующую форму в виде кривых заряда - разряда конденсатора и являются сигналами помехи. Синхронизировать сигнал помехи с сигналом регулирования не представляется возможным, т.к. каждый преобразователь имеет свою частоту, определяемую частотой резонанса конкретной схемы электропитания, которая к тому же изменяется при изменении нагрузки, т.е. частота преобразователя изменяется при изменении освещенности фотокатода. Таким образом, сигнал регулирования всегда содержит помехи с частотой преобразователя и имеет изрезанный характер. В связи с невозможностью синхронизации сигнала помехи с сигналом регулирования, сигнал помехи присутствует постоянно и передвигается на сигнале регулирования, причем сигнал помехи может передвигаться как в сторону возрастания сигнала регулирования, так и в сторону убывания сигнала регулирования. В результате данного передвижения сигнала помехи по сигналу регулирования, момент окончания сигнала регулирования постоянно изменяется, что приводит к нестабильности заднего фронта сигнала регулирования, и изменению длительности рабочего импульса. Изменение длительности сигнала регулирования приводит к изменению длительности рабочего импульса, подаваемого на МКП и фотокатод при неизменной освещенности фотокатода. На фиг. 2, на среднем графике схематично показано возможное изменение длительности рабочего импульса на МКП, на нижнем графике схематично показано возможное изменение длительности рабочего импульса на фотокатоде. Изменение длительности рабочего импульса на фотокатоде практически не сказывается на качестве формируемого изображения. А вот изменение длительности рабочего импульса на МКП, соответственно приводит к изменению амплитуды и длительности импульса на МКП и изменению яркости свечения экрана при неизменной освещенности фотокатода, что может восприниматься пользователем как недостаточно стабильное.

В прототипе использован сигнал регулирования, который содержит вышеописанные помехи, также в прототипе не приняты меры по созданию сигнала регулирования свободного от помех, поэтому изображение, формируемое в прототипе, может восприниматься пользователем как недостаточно стабильное.

Таким образом, основной задачей для повышения стабильности изображения является создание сигнала регулирования свободного от помех. Кроме того, для правильного функционирования схемы электропитания, все ее элементы в конце каждого полного цикла необходимо приводить в некоторое исходное состояние для получения одинаковых результатов выполняемой обработки в последующих циклах. Данная операция выполняется путем формирования контрольного импульса схемой электропитания в конце каждого полного цикла, который производит разрядку и зарядку RC цепей до необходимых уровней.

Одним из аналоговых методов повышения стабильности изображения является использование принципов создания стабилизаторов. В нашем случае сигнал регулирования содержит неизбежные помехи из-за особенностей его образования, которые приводят к нестабильности данного сигнала на входе схемы АРЯ. Как в обычном стабилизаторе, стабилизация осуществляется путем сравнения сигнала регулирования, пропорционального импульсам тока экрана или МКП в каждом полном цикле с заданным значением (опорной величиной). В нашем случае для стабилизации сигнала регулирования, пропорционального импульсам тока экрана или МКП можно использовать сравнение величины сигнала регулирования, содержащего неизбежные помехи, с уровнем усредненного сигнала регулирования (разряд усредненного заряда накопительного конденсатора на нагрузке свободен от помех и является опорной величиной), запомненной схемой АРЯ за несколько предыдущих рабочих циклов. Схема АРЯ, при отличии величины сигнала регулирования от уровня усредненного сигнала регулирования, запомненного схемой АРЯ, вырабатывает сигнал сравнения, усиливает его и в виде управляющего сигнала подает на МКП. МКП формирует сигнал близкий по величине и противофазный сигналам помех, содержащимся в сигнале регулирования, при этом МКП производит суммирование данных сигналов, минимизируют помехи и стабилизируют сигнал регулирования в каждом полном цикле. Роль регулирующего элемента выполняет сама МКП, что обеспечивает необходимую стабильность изображения и яркости свечения экрана, заданной уровнем схемы АРЯ (необходимой яркости экрана ЭОП), в каждом последующем полном цикле при любой освещенности местности.

Другим аналоговым и цифро-аналоговым методом создания сигнала регулирования свободного от помех является создание сигнала регулирования от генератора импульсов. В настоящее время во многих микроконтроллерах (МК) имеются встроенные генераторы импульсов. Исходными данными для генератора импульсов берется усредненная энергетика рабочего импульса (площадь импульса и его форма). По окончании рабочего импульса микроконтроллер передает параметры рабочего импульса на генератор импульсов, который формирует сигнал регулирования подобный сигналу рабочего импульса (изменения величины заряда во времени на нагрузке). Генератор импульсов обычно формирует импульс в цифровом виде, поэтому для повышения точности повторения формы рабочего импульса целесообразно использовать 16 или 32 разрядные МК. Сигнал регулирования, формируемый генератором импульсов, естественно не будет содержать помех.

Еще одним аналоговым, аналого-цифровым и цифро-аналоговым методом создания сигнала регулирования свободного от помех является аналого-цифровое преобразование сигнала регулирования с дальнейшим преобразованием цифрового сигнала в аналоговый вид. Исходными данными для аналого-цифрового преобразования берется усредненная энергетика рабочего импульса (площадь импульса и его форма). Далее с использованием цифро-аналогового преобразования формируется сигнал регулирования подобный сигналу рабочего импульса (изменения величины заряда во времени на нагрузке), который естественно не будет содержать помех.

Существует много других методов создания сигнала регулирования свободного от помех, аналоговых, аналого-цифровых, цифро-аналоговых, цифровых или их совокупностей. Каким методом выполняется создания сигнала регулирования свободного от помех не являются принципиальным развитием предлагаемого способа, а являются лишь примером конкретной реализации предлагаемого способа повышения стабильности формируемого изображения. Формирование сигнала регулирования пропорционального освещенности фотокатода обычно производят с элементов схемы, связанных с умножителями напряжения МКП или экрана с входом или выходом микроканальной пластины, либо с элементов схемы, связанных с экраном или микроканальной пластиной. Указание какого-либо элемента или узла схемы электропитания или нескольких узлов, с которого формируется сигнал, не являются принципиальным развитием предлагаемого способа, а являются лишь примером его конкретной реализации.

Предлагаемый способ повышения стабильности изображения может быть использован в ПНВ, в ЭОП со схемой электропитания, в схеме электропитания ЭОП и на основе данного способа могут быть созданы ПНВ, ЭОП и схема электропитания. Таким образом, задача изобретения по созданию способа повышения стабильности изображения в ПНВ, в ЭОП со схемой электропитания и в схеме электропитания ЭОП при всех уровнях освещенности фотокатода и созданию устройств типа ПНВ, ЭОП, схема электропитания, использующих предложенный способ повышения стабильности изображения выполнена в полном объеме.

Дополнительно проведенные экспериментальные исследования показали, что при подаче импульсных напряжений на МКП и фотокатод снижается уровень сцинтилляционных помех. Снижение уровня сцинтилляционных помех позволяет увеличить коэффициент преобразования ЭОП и увеличить дальность действия ПНВ.

Изобретение относится к технике ночного видения, а более конкретно к способу повышения стабильности формирования изображения прибором ночного видения (ПНВ), электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) со схемой электропитания, схемой электропитания ЭОП, а также к устройству ПНВ, ЭОП со схемой электропитания, схемы электропитания ЭОП, реализующих предлагаемый способ. Предложен способ повышения стабильности формируемого изображения в устройствах ночного видения, который предназначен для оптимизации подачи импульсных напряжений на микроканальную пластину (МКП) и фотокатод. Подача импульсного напряжения только на фотокатод не требует выработки сигнала регулирования, который необходим при подаче импульсных напряжений на МКП. Импульсный сигнал регулирования, который используется для формирования импульсного напряжения на МКП, в каждом рабочем цикле должен быть свободен от помех. Если же импульсный сигнал регулирования будет нестабильным, то и импульсное напряжение на МКП в каждом рабочем цикле будет нестабильным, что приводит к нестабильности изображения, наблюдаемой оператором. В импульсных источниках питания частота полного цикла находится в диапазоне от 30 до 200 Гц, а частота преобразователя - в диапазоне 16000÷25000 Гц, поэтому емкость, используемая для формирования сигнала регулирования, будет заряжаться более 100 раз в течение одного рабочего цикла, т.е. емкость будет заряжаться не монотонно, а маленькими скачками, что приводит к нестабильности заднего фронта импульса регулирования и к нестабильности изображения, наблюдаемой оператором. Предложено обеспечить формирование сигнала регулирования, свободного от помех, любым известным методом, аналоговым, аналого-цифровым, цифровым или их любой совокупностью, что обеспечивает стабильность формируемого изображения. В соответствии с данным способом предложены устройства для ночного видения. 6 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ формирования изображения прибором ночного видения, включающим: указанный прибор ночного видения, имеющий объектив, получающий свет от наблюдаемой сцены и направляющий этот свет на электронно-оптический преобразователь, обеспечивающий видимое изображение наблюдаемой сцены, и окуляр, обеспечивающий пользователю прибора ночного видения это видимое изображение, указанный электронно-оптический преобразователь включает фотокатод, получающий фотоны от сцены и испускающий фотоэлектроны в образе, копирующем сцену, микроканальную пластину, получающую фотоэлектроны и обеспечивающую поток вторичных электронов в образе, копирующем сцену, экран, получающий поток вторичных электронов, производящих видимое изображение, копирующее сцену, и схему электропитания, формирующую изображение путем формирования необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя, заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине, формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины, неизбежно имеют нестабильный задний фронт, обусловленный спецификой его формирования, отличающийся тем, что дополнительно выполняют формирование сигнала регулирования, пропорционального величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины и свободного от помех любым известным методом, что обеспечивает стабильность заднего фронта импульсов напряжения на микроканальной пластине и соответственно стабильность формируемого изображения.

2. Способ формирования изображения электронно-оптическим преобразователем со схемой электропитания, включающим: указанный электронно-оптический преобразователь, содержащий фотокатод, получающий фотоны от сцены, и испускающий фотоэлектроны в образе, копирующем сцену, микроканальную пластину, получающую фотоэлектроны и обеспечивающую поток вторичных электронов в образе, копирующем сцену, экран, получающий поток вторичных электронов, производящих видимое изображение, копирующее сцену, и схему электропитания, формирующую изображение путем формирования необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя, заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине, формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины, неизбежно имеют нестабильный задний фронт, обусловленный спецификой его формирования, отличающийся тем, что дополнительно выполняют формирование сигнала регулирования, пропорционального величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины и свободного от помех любым известным методом, что обеспечивает стабильность заднего фронта импульсов напряжения на микроканальной пластине и соответственно стабильность формируемого изображения.

3. Способ формирования изображения схемой электропитания электронно-оптического преобразователя, формирующей изображение путем создания необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя, заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине, формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины, неизбежно имеют нестабильный задний фронт, обусловленный спецификой его формирования, отличающийся тем, что дополнительно выполняют формирование сигнала регулирования, пропорционального величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины и свободного от помех любым известным методом, что обеспечивает стабильность заднего фронта импульсов напряжения на микроканальной пластине и соответственно стабильность формируемого изображения.

4. Прибор ночного видения, имеющий объектив, получающий свет от наблюдаемой сцены и направляющий этот свет на электронно-оптический преобразователь, обеспечивающий видимое изображение наблюдаемой сцены, и окуляр, обеспечивающий пользователю прибора ночного видения это видимое изображение, указанный электронно-оптический преобразователь включает фотокатод, получающий фотоны от сцены, и испускающий фотоэлектроны в образе, копирующем сцену, микроканальную пластину, получающую фотоэлектроны и обеспечивающую поток вторичных электронов в образе, копирующем сцену, экран, получающий поток вторичных электронов, производящих видимое изображение, копирующее сцену, и схему электропитания, формирующую изображение путем формирования необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя, заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине, формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины, неизбежно имеют нестабильный задний фронт, обусловленный спецификой его формирования, отличающийся тем, что дополнительно содержит схему формирования сигнала регулирования, пропорционального величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины и свободного от помех любым известным методом, что обеспечивает стабильность заднего фронта импульсов напряжения на микроканальной пластине и соответственно стабильность формируемого изображения.

5. Электронно-оптический преобразователь со схемой электропитания, содержащий фотокатод, получающий фотоны от сцены, и испускающий фотоэлектроны в образе, копирующем сцену, микроканальную пластину, получающую фотоэлектроны и обеспечивающую поток вторичных электронов в образе, копирующем сцену, экран, получающий поток вторичных электронов, производящих видимое изображение, копирующее сцену, и схему электропитания, формирующую изображение путем формирования необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя, заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине, формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины, неизбежно имеют нестабильный задний фронт, обусловленный спецификой его формирования, отличающийся тем, что дополнительно содержит схему формирования сигнала регулирования, пропорционального величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины и свободного от помех любым известным методом, что обеспечивает стабильность заднего фронта импульсов напряжения на микроканальной пластине и соответственно стабильность формируемого изображения.

6. Схема электропитания электронно-оптического преобразователя, формирующая изображение путем создания необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя и обеспечивающая поочередную подачу на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменение длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменение напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производится импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине, формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины, неизбежно имеют нестабильный задний фронт, обусловленный спецификой его формирования, отличающийся тем, что дополнительно содержит схему формирования сигнала регулирования, пропорционального величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины и свободного от помех любым известным методом, что обеспечивает стабильность заднего фронта импульсов напряжения на микроканальной пластине и соответственно стабильность формируемого изображения.