Що таке співвідношення сигнал/шум підсилювача зображення?
Nov 14, 2023
Залишити повідомлення
Введення в підсилювачі зображення та SNR
Підсилювачі зображення – це електрооптичні пристрої, які підсилюють зображення при слабкому освітленні та перетворюють їх у видимі зображення, які може бачити людське око. Вони працюють, перетворюючи фотони, що надходять у пристрій, на електрони, прискорюючи електрони, щоб вдарити по люмінофорному екрану, який випромінює світло, яке багаторазово посилюється порівняно з початковим рівнем світла, що надходить у пристрій. Це дозволяє користувачам бачити зображення в умовах дуже слабкого освітлення, які інакше були б надто темними, щоб побачити їх неозброєним оком.
Одним з важливих параметрів продуктивності підсилювачів зображення є співвідношення сигнал/шум (SNR). SNR порівнює рівень бажаного сигналу з рівнем фонового шуму. Він вказує, наскільки чітким є посилене зображення порівняно з шумом, створеним процесом посилення. Вищий SNR означає чіткіше зображення з меншим шумом. Збільшення SNR має вирішальне значення для отримання високоякісних зображень від ЕОП.
Є кілька факторів, які впливають на SNR ЕОП:
Ключові фактори, що впливають на SNR
1. Чутливість фотокатода
Фотокатод — це фотоемісійна поверхня всередині ЕОП, яка перетворює вхідні фотони в електрони. Квантова ефективність фотокатода визначає, наскільки ефективно він може перетворювати фотони в електрони. Фотокатоди, виготовлені з матеріалів з вищою квантовою ефективністю, можуть витягувати більше сигнальних електронів для заданої кількості вхідних фотонів. Це покращує силу сигналу відносно шуму, збільшуючи SNR. Звичайні матеріали для фотокатодів, такі як S20 і S25, мають високу квантову ефективність понад 20%.
2. Підсилення мікроканальної пластини
Мікроканальна пластина (MCP) — це тонкий скляний диск із мікроскопічними каналами, покритими зсередини напівпровідниковим матеріалом. Він примножує електрони, випущені з фотокатода, на коефіцієнт 1000 або більше для посилення сигналу. Коефіцієнт посилення мікроканальної пластини залежить від напруги, що прикладається до неї. Більший коефіцієнт підсилення створює більше електронів для генерування сильнішого сигналу зображення, але також посилює шум. Оптимальний рівень підсилення близько 1000 збалансованого посилення з шумом.
3. Ефективність люмінофорного екрану
Посилені електрони, що виходять з MCP, потрапляють на люмінофорний екран, який перетворює електрони назад у фотони для формування видимого зображення. Люмінофорні екрани, виготовлені з таких матеріалів, як P20, мають високу ефективність перетворення, виробляючи більше фотонів світла на електрон. Це збільшує потужність сигналу без посилення додаткового шуму.
4. Напруга живлення
Для роботи компонентів підсилювача зображення потрібні певні рівні напруги. Блок живлення забезпечує ці робочі напруги. Вищі напруги зазвичай збільшують посилення та силу сигналу, але також збільшують шум. Робота на оптимальних рівнях напруги покращує SNR. Пульсації та коливання джерела живлення також створюють шум, який може погіршити SNR.
5. Рівні освітленості
Вищі рівні вхідного світла містять більше сигнальних фотонів, які посилюються підсилювачем зображення. Це збільшує посилений сигнал відносно шуму. Однак підсилювачі зображення розроблені для роботи при дуже слабкому освітленні. Надмірно яскраве світло може перевантажити підсилювач і фактично знизити SNR через ефект насичення. Правильне керування освітленням максимізує SNR.
6. Робоча температура
Компоненти інтенсифікатора чутливі до перепадів температури. Більш високі робочі температури збільшують термічний шум темнового струму в фотокатодах і MCP. Охолодження корпусу підсилювача зображення зменшує цей шум темнового струму та покращує SNR, особливо в довгохвильових (ближньому інфрачервоному) підсилювачах.
7. Вторинна електронна емісія
Напівпровідникове покриття каналу MCP має характерну криву вторинної емісії електронів. Робота на піку цієї кривої максимізує посилення розмноження електронів і посилення сигналу. Зміщення нижче піку зменшує підсилення та SNR, а зміщення за межі піку вносить надлишковий шум. Потрібне ретельне калібрування посилення.
8. Струм стрічки МКП
Занадто високий струм смуги через канали MCP під час роботи може призвести до насичення посилення та збільшення шуму. Обмеження струму смуги запобігає виснаженню заряду в каналах і оптимізує коефіцієнт посилення та SNR. Струм смуги керується напругою та опором MCP.
9. Роздільна здатність ЕОП
Підсилювачі вищої роздільної здатності з меншим розміром пікселів зберігають більше просторових деталей зображення, але також збирають менше світла на піксель. Це може зменшити потужність сигналу та SNR порівняно з пристроями з меншою роздільною здатністю. Розміри пікселів близько 25 мікрон забезпечують хороший баланс між роздільною здатністю та збором світла.
10. Розмір пор MCP
Пори MCP розмножують фотоелектрони. Менші розміри пор (10-12 мкм) забезпечують більший приріст електронів, але також розсіюють більше електронів, збільшуючи шум. Більший розмір пор (25 мікрон) має менший шум, але також менший коефіцієнт посилення. 12-15 мікронні пори забезпечують оптимальне посилення порівняно з шумом.
Досягнення високого SNR в ЕОП
Виходячи з наведених вище факторів, ключовими кроками для досягнення високого SNR у системі підсилення зображення є:
Використовуйте матеріал фотокатода з високою квантовою ефективністю, як-от GaAs, InGaAs або S20/S25 з високим QE
Експлуатуйте MCP з оптимальним посиленням близько 1000X
Використовуйте високоефективний люмінофорний екран P20
Живіть підсилювач зображення за рекомендованої робочої напруги
Керуйте рівнями освітлення, щоб максимізувати фотони сигналу
Охолодіть корпус підсилювача зображення, щоб зменшити шум темнового струму
Ретельно відкалібруйте та використовуйте MCP на піку кривої SEM
Обмежте струм стрічки MCP, щоб запобігти виснаженню заряду
Використовуйте підсилювачі високої роздільної здатності з розміром пікселя близько 25 мікрон
Виберіть MCP з розміром пор 12-15 мкм
Завдяки ретельній оптимізації цих параметрів високоефективні ЕОП третього покоління можуть досягати рівнів SNR понад 20 дБ, забезпечуючи виняткову якість зображення навіть в умовах надзвичайно слабкого освітлення нижче 0,001 люкс. Правильне розуміння та контроль факторів, що впливають на SNR, має вирішальне значення для максимізації якості зображення, яке можна отримати від систем підсилення зображення.
Висновок
Таким чином, ключовими параметрами, які визначають співвідношення сигнал/шум підсилювача зображення, є ефективність його фотокатода та компонентів люмінофорного екрана, коефіцієнт підсилення та умови роботи його мікроканальної пластини, рівні вхідного світла, робоча температура, характеристики вторинних електронів, потужність напруга живлення, роздільна здатність і розмір пор. Ретельна оптимізація всіх цих факторів дозволяє сучасним підсилювачам зображення працювати з дуже високим співвідношенням сигнал/шум, що забезпечує чудове посилення зображення навіть у найскладніших умовах слабкого освітлення.
Список літератури
[1] Bangstad, T., Pust, N., & Petersen, A. (2019). Технологія підсилювачів зображення. У Photonics Technologies for Robot Vision Systems (стор. 107-144). Спрінгер, Чам.
[2] Кул, Дж., Ліч, Р. (2018). Теорія квантової ефективності ЕОП. Оптична інженерія, 57(5), 1.
[3] Конструкція ЕОП для військових приладів нічного бачення. https://www.semanticscholar.org/paper/Design-of-image-intensifier-tubes-for-military-Feng-Gong/2c3f363110609b1d25a3b81bf3b4a7604fb5417f
[4] Bangstad, T., Pust, N., & Petersen, A. (2019). Покоління та характеристики ЕОП. У Photonics Technologies for Robot Vision Systems (стор. 71-105). Спрінгер, Чам.
[5] Лян, Е., Лю, X., і Лю, Х. (2017). Підсилювачі зображення з низькою освітленістю високої роздільної здатності. National Science Review, 4(3), 422-432.
[6] Jiang, M., Liu, X., Liu, H., & Liang, E. (2020). Високоефективний ЕОП з роздільною здатністю 47-lp/mm. Оптика Експрес, 28(10), 14760-14772.