Какво е съотношението сигнал/шум на усилвателя на изображението?

Въведение в усилвателите на изображението и SNR

Усилвателите на изображението са електрооптични устройства, които усилват изображения при слаба светлина и ги преобразуват във видими изображения, които могат да се видят от човешкото око. Те работят, като преобразуват фотоните, влизащи в устройството, в електрони, ускорявайки електроните, за да ударят фосфорен екран, който излъчва светлина, която се усилва многократно над първоначалното ниво на светлина, влизаща в устройството. Това позволява на потребителите да виждат изображения при много слаба светлина, които иначе биха били твърде тъмни, за да се видят с невъоръжено око.

 

Един важен параметър за ефективност на усилвателите на изображението е съотношението сигнал/шум (SNR). SNR сравнява нивото на желания сигнал с нивото на фоновия шум. Той показва колко ясно е усиленото изображение в сравнение с шума, въведен от процеса на усилване. По-висок SNR показва по-ясно изображение с по-малко шум. Максимизирането на SNR е критично за получаване на висококачествени изображения от усилвател на изображения.

 

Има няколко фактора, които влияят на SNR на усилвателя на изображението:

 

Ключови фактори, влияещи върху SNR

 

 

1. Чувствителност на фотокатода

Фотокатодът е фотоемисионната повърхност вътре в тръбата за усилване на изображението, която преобразува входящите фотони в електрони. Квантовата ефективност на фотокатода определя колко ефективно може да преобразува фотоните в електрони. Фотокатодите, направени от материали с по-висока квантова ефективност, могат да извличат повече сигнални електрони за даден брой входящи фотони. Това подобрява силата на сигнала спрямо шума, увеличавайки SNR. Обичайните фотокатодни материали като S20 и S25 имат висока квантова ефективност от над 20%.

 

2. Усилване на микроканалната пластина

Микроканалната плоча (MCP) е тънък стъклен диск с микроскопични канали, покрити от вътрешната страна с полупроводим материал. Той умножава електроните, излъчени от фотокатода, с фактор 1000 или повече, за да усили сигнала. Усилването на микроканалната пластина зависи от напрежението, приложено върху нея. По-високото усилване произвежда повече електрони за генериране на по-силен сигнал на изображението, но също така усилва шума. Оптимални нива на усилване около 1000 балансирано усилване с шум.

 

3. Ефективност на фосфорния екран

Усилените електрони, излизащи от MCP, удрят фосфорен екран, който преобразува електроните обратно във фотони, за да образуват видимото изображение. Фосфорните екрани, направени от материали като P20, имат висока ефективност на преобразуване, произвеждайки повече светлинни фотони на електрон. Това увеличава силата на сигнала, без да усилва допълнителен шум.

 

 

4. Захранващо напрежение

Компонентите на усилвателя на изображението изискват специфични нива на напрежение, приложени върху тях, за да функционират. Захранването осигурява тези работни напрежения. По-високите напрежения обикновено увеличават усилването и силата на сигнала, но също така увеличават шума. Работата при оптимални нива на напрежение подобрява SNR. Пулсациите и колебанията на захранването също внасят шум, който може да влоши SNR.

 

5. Нива на осветеност

По-високите нива на входна светлина съдържат повече сигнални фотони, които се усилват от усилвателя на изображението. Това увеличава усиления сигнал спрямо шума. Въпреки това, усилвателите на изображението са проектирани да работят при много ниски нива на светлина. Прекалено ярките светлини могат да претоварят усилвателя и всъщност да намалят SNR поради ефектите на насищане. Правилното управление на светлината максимизира SNR.

 

6. Работна температура

Компонентите на усилвателя са чувствителни към температурни промени. По-високите работни температури увеличават термично генерирания шум от тъмен ток във фотокатода и MCP. Охлаждането на корпуса на усилвателя на изображението намалява този шум от тъмен ток и подобрява SNR, особено в усилватели с дълги дължини на вълната (близки инфрачервени).

 

7. Вторична електронна емисия

Полупроводящото MCP канално покритие има характерна вторична крива на емисия на електрони. Работата на върха на тази крива максимизира усилването на умножаването на електрони и усилването на сигнала. Изместването под пика намалява усилването и SNR, докато отклонението над пика въвежда излишен шум. Необходимо е внимателно калибриране на усилването.

 

8. Ток на лентата на MCP

Твърде високият ток на лента през MCP каналите по време на работа може да доведе до насищане на усилването и повишен шум. Ограничаването на тока на лентата предотвратява изчерпването на заряда в каналите и оптимизира усилването и производителността на SNR. Токът на лентата се управлява от напрежението и съпротивлението на MCP.

 

9. Разделителна способност на усилвателя на изображението

Усилвателите с по-висока разделителна способност с по-малък размер на пикселите запазват повече пространствени детайли в изображението, но също така събират по-малко светлина на пиксел. Това може да намали силата на сигнала и SNR в сравнение с устройствата с по-ниска разделителна способност. Размерите на пикселите около 25 микрона предлагат добър баланс между разделителна способност и събиране на светлина.

 

10. MCP размер на порите

MCP порите умножават фотоелектроните. По-малките размери на порите (10-12 микрона) осигуряват по-големи печалби на електрони, но също така разсейват обратно повече електрони, увеличавайки шума. По-големите размери на порите (25 микрона) имат по-нисък шум, но и по-ниско усилване. 12-15 микронни пори предлагат оптимално усилване спрямо шума.

 

Постигане на висок SNR в усилвателите на изображението

Въз основа на факторите по-горе, ключовите стъпки за постигане на висок SNR в система за усилване на изображението са:

 

Използвайте фотокатоден материал с висока квантова ефективност като GaAs, InGaAs или високо QE S20/S25

Работете с MCP при оптимално усилване около 1000X

Използвайте високоефективен фосфорен екран P20

Захранвайте усилвателя на изображението при препоръчаните работни напрежения

Управлявайте нивата на светлина, за да увеличите максимално сигналните фотони

Охладете корпуса на усилвателя на изображението, за да намалите шума от тъмния ток

Внимателно калибрирайте и работете с MCP на върха на неговата SEM крива

Ограничете тока на лентата на MCP, за да предотвратите изчерпване на заряда

Използвайте усилватели с по-висока разделителна способност с размери на пикселите около 25 микрона

Изберете MCPs с размер на порите от 12-15 микрона

С внимателно оптимизиране на тези параметри, високопроизводителните тръби за усилване на изображението от поколение 3 могат да постигнат нива на SNR от над 20 dB, осигурявайки изключително качество на изображението дори при условия на изключително слаба светлина под 0,001 лукса. Правилното разбиране и контрол на факторите, влияещи върху SNR, е от решаващо значение за максимизиране на качеството на изображението, което се получава от системите за усилване на изображението.

 

Заключение

В обобщение, ключовите параметри, които определят съотношението сигнал/шум на усилвателя на изображението, са ефективността на неговия фотокатод и компоненти на фосфорния екран, усилването и условията на работа на неговата микроканална плоча, нивата на входната светлина, работната температура, характеристиките на вторичните електрони, мощността захранващи напрежения, разделителна способност и размер на порите. Внимателното оптимизиране на всички тези фактори позволява на съвременните усилватели на изображението да работят с много високи SNR, които осигуряват усилване на изключително качество на изображението дори при най-предизвикателните условия на слаба светлина.

 

Препратки

[1] Bangstad, T., Pust, N., & Petersen, A. (2019). Технологията на усилвателите на изображението. В Photonics Technologies за системи за роботизирано зрение (стр. 107-144). Спрингър, Чам.

[2] Kuhl, J., & Leach, R. (2018). Теория на квантовата ефективност на тръбите за усилване на изображението. Оптично инженерство, 57 (5), 1.

[3] Проектиране на тръби за усилване на изображението за военни устройства за нощно виждане. https://www.semanticscholar.org/paper/Design-of-image-intensifier-tubes-for-military-Feng-Gong/2c3f363110609b1d25a3b81bf3b4a7604fb5417f

[4] Bangstad, T., Pust, N., & Petersen, A. (2019). Генерации и характеристики на тръбата за усилване на изображението. В Photonics Technologies за системи за роботизирано зрение (стр. 71-105). Спрингър, Чам.

[5] Liang, E., Liu, X., & Liu, H. (2017). Усилватели на изображения с висока разделителна способност при ниско ниво на светлина. Национален научен преглед, 4 (3), 422-432.

[6] Jiang, M., Liu, X., Liu, H., & Liang, E. (2020). Високопроизводителна тръба за усилване на изображението с разделителна способност 47-lp/mm. Optics Express, 28 (10), 14760-14772.