تکنولوِژی دید در شب ( night vision)


تکنولوِژی دید در شب ( night vision)

نوشتهاز سوی alpha2020 در جمعه 30 فروردين 1392 - 09:36

به نام خدا
امروز می خوام کمی در مورد تکتولوژی دید شب و تیوب های تقویت کننده تصویر مختصر اطلاعاتی بدم. دوستان اگر دوست داشتین برام میل بزنید تا اطلاعات بیشتری بدم.:دوستان این نوشته فصل اول پایان نامه خودمه.
harzav65@yahoo.com


دید در شب

در سال 1950 در طی جنگ جهانی دوم، برای اولین بار سیستم های دید شب مورد استفاده قرار گرفت. هسته اصلی سیستم های دید شب از یک تیوب تقویت کننده تصویر تشکیل شده است. تیوب یک مجموعه الکترواپتیکی با قطر 16تا 40 میلیمتر است که نور بازتابي از محيط را در سطوح شدت پایین و در طول موج های مرئی تا فروسرخ نزديك دريافت و به نوری سبز رنگ با شدت بیشتر تبدیل می کند. دردهانه ورودی تیوب، مقدار تابش بازتاب شده از صحنه مد نظر توسط یک لنز شئی با سطح یک فوتوکاتد برخورد می کند و باعث ساطع شدن الکترونهایی به داخل محفظه خلاء تیوب مي شود. به دليل وجود اختلاف پتانسیل بين اين دو سطح، الكترون ها شتاب گرفته و با برخورد به صفحه فسفری، تصویری با شدت روشنایی بیشتر تولید می شود. در نسل های جدیدتر این تیوب ها، در میانه راه تعداد این الکترونها با برخورد به یک صفحه میکرو کانالی بشدت افزایش می یابد و تحت یک ولتاژ بالا شتاب دار می شوند و با برخورد به صفحه فسفری، تصویری با کیفت بالاتر از تصاویر نسل های قدیمی تر از صحنه مورد نظر تشکیل می شود.
با پیشرفت روزافزون علم در دهه های اخیر این تیوب ها نیز ارتقا یافته و نسل های جدیدی از این تیوب ها با کارایی بهتر تولید شده اند. تیوب ها به پنج نسل طبقه بندی می شوند: نسل صفرم، نسل اول، نسل دوم، نسل سوم، نسل چهارم[1]. از آنجا که در یک شب تاریک عمده بیناب رسیده به چشم بیناب فروسرخ نزدیک می باشد، نسل های جدید تر این تیوب ها برای کارایی بیشتر در نواحی فروسرخ نزدیک بهینه شده اند.
- 1 اجزای تشکیل دهنده تیوب تقویت کننده تصویر
همانطور که در شکل 2- 1 نشان داده شده است، به طور کلی یک تیوب تقویت کننده تصویر مدرن از یک پنجره ورودي، فوتوكاتد ، فیلم سد یونی ، صفحه میکرو کانالی ، صفحه نمایش فسفری، پنجره خروجی، منبع تغذیه و یک محفظه سرامیک- فلزی محافظ تشکیل شده است[2]. در ادامه به بررسی و معرفی چهار جزء عملياتي تیوب های تقویت تصویر می پردازیم.


شکل 2-1: اجزاء تیوب تقویت کننده تصویر[1].
1-1 فتوکاتد
اولین مولفه مهم از یک تقویت کننده تصویر فتوکاتد می باشد. فتوکاتد فوتون های نور فرودی را به الکترون تبدیل می کند. بازده کوانتومی فتوکاتد بیان می کند که چه درصدی از نور فوتون های فرودی به بار الکتریکی تبدیل می شوند[3]. در تيوب های تقویت کننده تصویر اولیه از فتوکاتد های قلیایی چندگانه استفاده می شد. حساسیت این فتوکاتد ها بیشتر در ناحیه فرابنفش و مرئی قرار دارد. امروزه از فتوکاتد های نیمه رسانا استفاده می شود. فتوكاتد گاليم آرسنايد و آلومینیم- گالیم- آرسناید در تقویت کننده های نسل سوم به کار برده می شود. این فتوکاتد در ناحیه فروسرخ نزدیک بیشترین حسایت را دارد.

شکل 2- 2: نمودار بازده کوانتومی فتوکاتد گالیم آرسناید[2].
1- 2 صفحه ميكروكانالی
با استفاده از تکنولوژی ساخت فیبر نوری می توان یک سری تیوب آبشاری تولید کرد. این تیوب شامل صفحاتی است که هزاران حفره ریز به قطر6 تا 10 میکرو متر در آن تعبیه شده است. این صفحات کوچک به صورت آرایه های موازی با یکدیگر قرار می گیرند و الکترونهای رسیده از فوتوکاتد را به شدت تکثیر می کنند. قطر حفره ها 6-12 میکرومتر می باشد و طول آنها 40 تا 200 میکرومتر است[4]. در شکل زیر ساختار یک صفحه ميكروكانالی را می بینید. براي انجام اين حالت كانال ها با يك لايه گسيل كننده الكترون رسانا، لايه نشاني مي شود. زماني كه فوتوالكترونها به ديواره كانال برخورد مي كنند در فرآيند گسيل ثانويه الكترونهاي اضافي گسيل مي شود. سطح جلويي و عقبي صفحه ميكروكانالی بوسيله يك لايه نازك فلزي الکترود نیکل- کرومي پوشانده مي شود تا اختلاف پتانسیلی در حدود 1000 ولت را بین کانال ها برقرار سازد [4] و [14] .

شکل 2- 3: شماتیک صفحه میکروکانالی[3].
بهره الكترون خارج شده از صفحه ميكروكانالی تابعي از ولتاژ مي باشد. يك راه مناسب براي تنظيم بهره كل تيوب تصوير تنظيم بهره صفحه ميكروكانالی مي باشد. برخی از این صفحات، الکترونها را با بهره 〖10〗^3 تا 〖10〗^6 تکثیر می کنند. قطر، طول و فاصله مرکز به مرکز این صفحات بر روی رزولوشن تصویر نقش دارند[4].

شکل 2- 4: گسیل الکترون ثانویه از حفره صفحه میکروکانالی[4].
زماني كه فوتوالكترونهاي خروجي از فوتوكاتد با ديواره هاي كانال برخورد مي كنند، يونهاي گازي شكل از اين ديوراه ها به محيط خلا تيوب پرتاب مي شود. برخي از اين يون هاي توسط ميدان الكتريكي موجود در تيوب به سمت كاتد شتاب مي گيرند و با انرژي زيادي به آن برخورد مي كنند. اين موضوع باعث افت عملكرد لايه سزيم اكسيد روي فوتوكاتد شده و سريعا بازده كاتد را كاهش مي دهد. برای کاهش این اثر، صفحات ميكروكانالی تحت یک فرآیندساخت و پولیش توسط يك جريان بالای بمباران الكتروني انرژي بالا در یک محفظه خلا قبل نصب در تیوب، قرار می گیرند[5].

2-1-3 صفحه نمایش فسفري
مشابه تکنولوژی به کار رفته در تلویزیون های قدیمی، تصویر خروجی از تقویت کننده بر روی یک صفحه نمایش فسفری تشکیل می شود. الکترون های خروجی از صفحه ميكروكانالی در یک ولتاژ 4 تا 6 کیلو ولت شتاب دار شده و با برخورد به صفحه نمایش فسفری به فوتونهای سبز رنگ تبدیل می شوند. انواع مختلفي از صفحات نمایش فسفري در تيوب هاي تقويت كننده تصوير مورد استفاده قرار مي گيرد. اين انتخاب بر پايه رنگ، نور گسيلي و بازده صفحه فسفري در زمان واپاشي مي باشد. معمولا از p43 بعلت داشتن بازده بيشتر در مدت زمان واپاشي استفاده مي كنند[2].

شکل2- 5: نمودار بازده روشنایی خروجیصفحه نمایش فسفري [1].
معمولا پنجره خروجی در تیوب تقویت کننده تصویر از یک المان فیبر نوری تشکیل شده است. این المان فیبری تصویر تولید شده برروی صفحه نمایش را مستقیما به یک عدسی چشمی منتقل می کند.
نوع رنگ بهره وابسته ( داخل محدوده حساسیت CCD) زمان تخلیه
P20((Zn,Cd)S:Ag or (Zn,Cd)S:Cu) زرد- سبز 1 50 میلی ثانیه
P43 (Gd2O2S:Tb)
سبز 0.9 1میلی ثانیه
P46(Y3Al5O12:Ce)
سبز 0.3 1میکرو ثانیه
P47(Y2SiO5:Ce)
آبی 0.25 100 نانو ثانیه
جدول 2- 1: صفحات فسفری به کار رفته در تیوب تقویت کننده تصویر
2- 1- 4 منبع تغذيه
اين منبع تغذيه با ولتاژ مستقيم 3 ولت باطري عمل مي كند و ولتاژ مورد نياز تقويت كننده تصوير را فراهم ميكند. عملكرد ولتاز در تيوب تقويت كننده تصوير بوسيله دو بخش ولتا‍‍ژ بالاي خاص بررسي مي شود:
الف) ولتاژ بین صفحه نمایش فسفری و صفحه ميكروكانال: اين بخش، ولتاژ kv 6 را بين mcp و صفحه فسفري برقرار مي كند تا فوتوالكترون ها را به سمت صفحه فسفري شتاب دهد. همچنين يك ولتا‍‍ژ 0-1000 ولت را بين mcp ايجاد مي كند. بهره تقويت كننده با اين ولتاز رابطه مستقيم دارد. ولتا‍ژ MCP به طور خارجي با يك تنظيم ولتاژ 0 تا 3 ولتي كنترل مي شود.
ب) ولتاژ پالسی:اين بخش ولتاز بين فوتوكاتد و MCP را از 50 ولت تا -180- ولت تغيير مي دهد. در تقویت کننده های نسل جدید، این بخش با تغییر ولتاژ سطح نور وارد شده به فوتوكاتد تيوب را طوري تنظيم مي كند كه سطح روشنايي خروجي ثابت باشد. همچنين تيوب تقويت كننده را از تخريب بوسيله منابع با روشنايي بالا حفظ مي كند[6].
2- 2 طبقه بندی تیوب تقویت کننده تصویر
2- 2- 1 نسل صفرم
با توجه به محدودیت های بینایی ایجاد شده در یک شب تاریک در میدان نبرد، اولین نسل از تیوب تقویت کننده تصویر در طول جنگ جهانی دوم ساخته شد. این تیوب شامل یک مبدل تصویر بود که توسط یک محیط خلا احاطه شده بود. در این نسل از فوتوکاتد s-1 ( نقره-اکسیژن- سزیم) استفاده شده است. حساسیت فوتوکاتد در حد 60 میکرو آمپر بر لومان است و و در ناحیه فرابنفش بازده کوانتومی ان 1 % و در ناحیه فروسرخ در حدود 0.5% می باشد[7]. تقویت تصویر در این نسل به علت شتاب دار شدن الکترونهای گسیل شده از فوتوکاتد توسط یک اختلاف پتانسیل بالا می باشد که نهایتا این الکترونها با برخورد به صفحه نمایش فسفری منجر به تشکیل تصویر تقویت شده می شوند. این تیوب ها در سیستم های دید در شب با یک نورافکن به کار گرفته می شوند. هم اکنون این نسل منسوخ شده و در موزه های جنگ جهانی دوم نمونه هایی از این نسل مشاهده می شود[1]. از معایب این نسل می توان به موارد زیر اشاره کرد:
الف) توان بالای لامپ تنگستن فیلتر شده و در نتیجه مانع فرستادن تابش مرئی نورافکن به تیوب می شود.
ب) اندازه حجیم و بزرگ
ج) تصاویر با کیفیت پایین و ....

شکل 2- 6: تیوب تقویت کننده تصویر نسل صفرم[5].
2- 2- 2 نسل اول
با کشف مواد جدیدتر برای فوتوکاتد ها، امکان ساخت تیوب هایی با بهره و حساسیت بیشتر فراهم شد. در تیوبهای نسل اول از از فوتوکاتدهای قلیایی آنتیموان استفاده شده است. این فوتوکاتدها دارای حسایت های بیشتر از 80 میکرو آمپر بر لومن و بازده کوانتومی 20 % بودند. آستانه طول موجی آنها در حدود 650 میکرون می باشد. فوتو کاتد آنها )s-10 پتاسیم –سزیم – آنتیموان و سدیم –پتاسیم – آنتیموان) و )s-20 سدیم –پتاسیم – انتیموان- سزیم) بود. این فوتو کاتد ها داراي حساسیتی در حد 150 تا 200 میکرو آمپر بر لومن هستند و می توان از این تیوب ها در نور ماه و تابش های ضعیف فرو سرخ استفاده کرد[7].
از ویژگی های مثبت این تیوب ها می توان به موارد زیر اشاره نمود:
رزولوشن تقریبا خوب در حد 25-30 lp/mm
محدوده دینامیکی وسیع ( توانایی تولید قسمتهای تاریک و روشن یک تصویر)
نویز کم
بهره در حد میانه و خوب

.
شکل 2- 6: تیوب تقویت کننده تصویر نسل اول [5].
همانطور که در شکل زير مشاهده می کنید عمل فوکوس در داخل این تیوب از طریق یک لنز الکترونی انجام می شود که الکترونها تولید شده بوسیله فوتوکاتد را بر روی صفحه نمایش فسفری متمرکز می کند.


شکل 2- 7: لنز الکترونی در تیوب تقویت کننده تصویر نسل اول [1].
این لنز الکترونی بوسیله ترکیب یک میدان الکتريكي و یک میدان مغناطیسی بوجود می آید. میدان مغناطیسی یکنواخت می تواند روزلوشن بالايي از تصویر را روی کل صفحه نمایش ایجاد کرده و اعوجاجات تصویر را کاهش دهد. در انتهای تیوب، یک پنجره فیبر نوری وجود دارد كه افت رزولوشن حاصل از لبه تیوب را جبران می کند[3]. همچنین با استفاده از این فيبر می توان تیوب را به تیوب های تصویری دیگری مرتبط کرد.بهره روشنایی این تیوب ها از مرتبه 500 تا 1000 است، در حالی که برای داشتن دید خوب در یک شب تاریک با نور ستارگان به بهره روشنایی در حد 〖10〗^5 نیاز داریم. این نوع از تیوبها صرفا برای کاربردهای تجاری ساخته می شوند و به ندرت در سیستم های نظامی از آنها استفاده می شود[1].
2- 2- 3 نسل دوم
تیوب هاي نسل دوم مشابه تیوب های نسل اول از فوتوکاتدهایی با مواد قلیایی ساخته شده اند. فوتوکاتد آنها s-25 با لایه های ضخیم تر نسبت به نسل اول مي باشد. پاسخ دهی بیناب سرخ آنها زیادتر و پاسخ دهی آبی آنها کمتر شده است كه این ويژگي برای کاربردهای نظامی بسیار سودمند است.

شکل 2- 8: تیوب تقویت کننده تصویر نسل دوم [6].
حساسیت آنها از 240 تا450 میکرو آمپر بر لومن تغيير مي كند. به علت وجود صفحات ميكرو کانال(شكل زير)، بهره روشنایي این نوع از تیوب ها در محدوده 18000 تا30000 cd/m^2/lx می باشد. این تیوبها همچنین به یک کنترل بهره خودکار و محافظ لکه روشن مجهز شده اند[7].
2- 2- 4 نسل سوم
نسل سوم این تیوب ها، از لحاظ ساختاری، تفاوت زیادی با نسل دوم ندارد. تنها تفاوت آنها در جنس فوتوکاتدهاي آنها است. در اين نسل از فوتوکاتدهایی با جنس گالیم- آرسناید و آلومینیم- گالیم- آرسناید استفاده می شود. پاسخ دهی آنها بیشتر در ناحیه 8/0 تا 9/0 میکرومتر قرار دارد. بعلت الکترون خواهی منفی این فوتوکاتدها، الکترونها از باند رسانش بوسيله فوتونها به سرعت به باند تخلیه رفته و در نتيجه تعداد فوتونهاي دریافتی از تصویر زياد مي شود[8].

شکل 2- 9: تیوب تقویت کننده تصویر نسل سوم [7].
لازم بذكر است كه وجود یونهای مثبت در میدانهای الکتریکی قوی، در اين نسل، عملکرد MCP را با مشکل مواجه كرده و بازده عمر آنها را به 100 ساعت کاهش می دهند كه اين يكي از نقاط ضعف اين نسل است. براي محافظت فوتوکاتد از یونهای مثبت و گازهای تولید شده درMCP از یک فیلم نازک متخلخل آلومینیم استفاده می شود.از مزایاي اين نسل مي توان به موارد ذيل اشاره كرد:
حساسیت بالای 900 میکروآمپر بر لومن
سطح نویز بسیار پایین
محدوده عملکردی در ناحیه فروسرخ نزدیک
بهره روشنایی از مرتبه 20000 – 90000 cd/m^2/lx


شکل 2- 10: شماتیک 3 بعدی از تیوب تقویت کننده نسل سوم [8].


2- 2- 5 نسل چهارم
اين تیوب ها، اصلاح شده نسل سوم هستند. اختلاف مهم بین اين دو نسل در چگونگی محافظت از سد یونی می باشد. در اين نسل برای محافظت از سد یونی هنگام ساخت MCP از تکنیک های مختلف سایش، شستشو و تصفیه استفاده كرده و صفحات میکروکانالی با خلوص وکیفیت بالا تولید مي كنند. توان و ولتاژ ورودی اين تیوب ها به صورت پالسی می باشد. با استفاده از این ولتاژ سریع و کنترل شده، تیوب های نسل 4 قادرند به طور خودکار برای کار در شرایط مختلف نوری تنظیم شوند. این تیوب ها در زمانی که نور محيط زیاد باشد، توان بسیار کمی را مصرف می کنند. بنابراين در محیط های تاریکتر به توان ورودی بیشتری نیاز دارند. این نوع از تیوب ها بیشتر در کارهای هوایی و فضایی به کار گرفته می شوند و هنوز به طور وسیع در تسلیحات نظامی بكارگيري نشده اند[1].

شکل 2- 11: تیوب تقویت کننده تصویر نسل چهارم[2].

نکته مهمی که باید به آن توجه كرد اين است كه قطر اين تيوب ها عموماً 18، 25 و 40 میلیمتر است. در ایالات متحده امریکا در کاربردهای نظامی بیشتر از نسل هاي 3 و 4 استفاده می شود، در حالی که در آسیا و اروپا از نسل دو استفاده می شود. در این کشورها به جای تغییر تکنولوژی، کارایی تیوب های نسل2 را ارتقا می دهند که می توانند با تیوب های نسل 3 و 4 رقابت کند. در ضمن تیوب های نسل 2 دارای عمر بیشتر و مقاومت بیشتری در شرایط نور شهری هستند[3].

نسل صفرم اول دوم دو ارتقا يافته دو ارتقا يافته
XR-4 دو ارتقا يافته XR-5 سوم چهارم
حساسيت
(mA/lm) 60
150-200 240- 350 500- 700 600- 800 700- 800 800- 1350 1800- 2400
رزولوشن
(lp/mm) 25- 30 32 45- 54 55- 64 64- 70 40-51 64- 70
SNR نويز كم 14 18- 21 20- 24 25- 28 14- 19 25- 28
طول عمر
(ساعت) -- 2000 10000 15000 15000 10000 10000
جدول2- 2: مقایسه نسل های مختلف تیوب های تقویت کننده تصویر
 
سپـاس : 15

ارسـال : 11


نام: محمد
نام نویسی: 92/1/11

مرد

بازگشت به فوتونیک و لیزر

چه کسی هم اکنون اینجاست ؟

کاربرانی که در این تالار هستند: بدون کاربران عضو شده و 9 مهمان