Усилители изображения, сфокусированные на приближении. Часть 6

Kenneth R. Spring, John C. Long и Michael W. Davidson

Усилители изображения были разработаны для использования в военных целях для улучшения нашего ночного видения, и их часто называют вафельными трубками или усилителями, ориентированными на близость . Они имеют плоский фотокатод, разделенный небольшим зазором на входной стороне электронного умножителя микроканальной пластины ( MCP ) и фосфоресцентный выходной экран на обратной стороне MCP.

Для работы используйте ползунок « Усиление», чтобы отрегулировать количество электронов, воздействующих на поверхность заряженного устройства. Фотоны (желтые сферы), попадающие в окно, вызывают образование электронов (красные сферы) фотокатодом, которые затем направляются в МКП, где они размножаются и направляются через оптоволоконные световоды на поверхность ПЗС-матрицы, расположенную с фотодиодные ворота обращены к световодам.

Значительные напряжения присутствуют в небольших зазорах между фотокатодом, фосфоресцентным выходным экраном и MCP, что требует тщательной конструкции устройств, чтобы гарантировать, что они не загрязнены и могут поддерживать высокий внутренний вакуум. Усилители, ориентированные на приближение, не имеют геометрических искажений или затенений, поскольку фотоэлектроны следуют коротким прямым путям между катодом, выходным экраном и МКП, а не фокусируются электродами. Входные и выходные окна обычно имеют диаметр около 18 миллиметров и состоят из многокалиевого или двухкалийного фотокатода (усилители Gen II) или арсенидного фотокатода галлия (усилители Gen III и Gen IV) и выходного люминофора P20. Общее усиление фотонов этих устройств в среднем составляет около 10000, что рассчитывается по формуле :

где QE - квантовая эффективность фотокатода (от 0,1 до 0,5 электронов / фотон), G (мкп) - коэффициент усиления микроканальной пластины (в среднем от 500 до 1000), V (p) - напряжение между МСР и выходным люминофором (около 2500 -5000 вольт), а E (p) - эффективность преобразования люминофора в электронное излучение (0,08-0,2 фотона / электрон). Когда падение напряжения между MCP и выходным люминофором уменьшается ниже 2500 вольт, люминофор перестает отвечать на запросы.

Фотокатод в последнем поколении этих устройств, хотя и похож на фотокатод в фотоэлектронных умножителях, имеет более высокую квантовую эффективность (до 50 процентов) в сине-зеленом конце спектра. Усиление микроканальной пластины регулируется в широком диапазоне с типичным максимумом около 80000 (обнаруженный фотон на входе приводит к импульсу 80000 фотонов с люминофорного экрана). Люминофор соответствует спектральной чувствительности глаза и часто не идеален для ПЗС. Разрешение усиленной ПЗС зависит как от усилителя, так и от ПЗС, но обычно ограничивается геометрией микроканальной пластины усилителя примерно до 75 процентов от геометрии только ПЗС. Усилители изображения последнего поколения используют микроканалы меньшего размера (диаметр 6 микрон) и лучшую геометрию упаковки, чем в предыдущих моделях, что приводит к значительному увеличению разрешения и устранению шума фиксированной формы из проволочной сетки, который преследовал более ранние устройства.

Усилители изображения имеют уменьшенный внутрисценовый динамический диапазон по сравнению с ПЗС-камерой с медленным сканированием, и трудно получить более чем 256-кратный диапазон интенсивности (8 бит) от усиленной ПЗС-камеры. Усиление усилителя может быть быстро и воспроизводимо изменено для приспособления к изменениям яркости сцены, тем самым увеличивая динамический диапазон между сценами. Действительно, поскольку усилители изображения могут быстро стробироваться (выключаться или включаться в течение нескольких наносекунд), относительно яркие объекты можно визуализировать с помощью сокращения времени включения. В продаже имеется стробирующая ПЗС-камера с переменным усилением и динамическим диапазоном 12 порядков. Вращающиеся усиленные ПЗС-камеры требуются для большинства приложений флуоресцентной микроскопии с временным разрешением, потому что детектор должен включаться и выключаться в наносекундах или его усиление должно быстро модулироваться синхронно с источником света.

Тепловой шум от фотокатода, а также шум умножения электронов от микроканальной пластины снижают отношение сигнал / шум в усиленной ПЗС-камере до уровня, меньшего, чем у ПЗС с медленным сканированием. Вклад этих компонентов в шум, создаваемый статистической природой потока фотонов, зависит от коэффициента усиления устройства и температуры фотокатода. Как правило, уменьшение коэффициента усиления ступени усиления используется для ограничения шума, хотя усиленные ПЗС-камеры доступны с охлаждаемым фотокатодом.

Усиленные ПЗС-камеры имеют очень быстрый отклик, ограниченный постоянной времени выходного люминофора, и часто считывание ПЗС-камеры является самым медленным шагом в получении изображения. Из-за слабых световых потоков, исходящих от флуорохромов, связанных с живыми клетками или внутри них, усиленные ПЗС-камеры часто используются для изучения динамических событий и для визуализации отношения ионно-чувствительных флуорохромов. Одновременное или почти одновременное получение двух изображений с различными длинами волн возбуждения или излучения требуется для формирования изображения с соотношением, а усиленные ПЗС-камеры имеют необходимую скорость и чувствительность.