Wie groß ist das Signal-Rausch-Verhältnis des Bildverstärkers?

Einführung in Bildverstärker und SNR

Bildverstärker sind elektrooptische Geräte, die Bilder bei schwachem Licht verstärken und in sichtbare Bilder umwandeln, die für das menschliche Auge sichtbar sind. Sie funktionieren, indem sie in das Gerät eintretende Photonen in Elektronen umwandeln und die Elektronen beschleunigen, so dass sie auf einen Leuchtstoffschirm treffen, der Licht aussendet, das um ein Vielfaches gegenüber dem ursprünglichen Lichtpegel, der in das Gerät eindringt, verstärkt wird. Dadurch können Benutzer Bilder bei sehr schlechten Lichtverhältnissen sehen, die sonst zu dunkel wären, um sie mit bloßem Auge zu erkennen.

 

Ein wichtiger Leistungsparameter von Bildverstärkern ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). SNR vergleicht den Pegel des gewünschten Signals mit dem Pegel des Hintergrundrauschens. Es gibt an, wie klar das verstärkte Bild im Vergleich zu dem durch den Verstärkungsprozess verursachten Rauschen ist. Ein höherer SNR bedeutet ein klareres Bild mit weniger Rauschen. Die Maximierung des SNR ist entscheidend, um qualitativ hochwertige Bilder von einem Bildverstärker zu erhalten.

 

Es gibt mehrere Faktoren, die das SNR eines Bildverstärkers beeinflussen:

 

Schlüsselfaktoren, die das SNR beeinflussen

 

 

1. Photokathodenempfindlichkeit

Die Fotokathode ist die fotoemittierende Oberfläche innerhalb der Bildverstärkerröhre, die die einfallenden Photonen in Elektronen umwandelt. Die Quanteneffizienz der Photokathode bestimmt, wie effizient sie Photonen in Elektronen umwandeln kann. Photokathoden aus Materialien mit höherer Quanteneffizienz können bei einer gegebenen Anzahl einfallender Photonen mehr Signalelektronen extrahieren. Dies verbessert die Signalstärke im Verhältnis zum Rauschen und erhöht das SNR. Gängige Fotokathodenmaterialien wie S20 und S25 weisen hohe Quanteneffizienzen von über 20 % auf.

 

2. Mikrokanalplattenverstärkung

Die Mikrokanalplatte (MCP) ist eine dünne Glasscheibe mit mikroskopisch kleinen Kanälen, die innen mit einem halbleitenden Material beschichtet ist. Es vervielfacht die von der Fotokathode emittierten Elektronen um den Faktor 1000 oder mehr, um das Signal zu verstärken. Die Verstärkung der Mikrokanalplatte hängt von der an ihr angelegten Spannung ab. Eine höhere Verstärkung erzeugt mehr Elektronen, um ein stärkeres Bildsignal zu erzeugen, verstärkt aber auch das Rauschen. Optimale Verstärkungsstufen um 1000 gleichen Verstärkung und Rauschen aus.

 

3. Effizienz des Phosphorschirms

Die verstärkten Elektronen, die das MCP verlassen, treffen auf einen Leuchtstoffschirm, der die Elektronen wieder in Photonen umwandelt, um das sichtbare Bild zu erzeugen. Leuchtstoffschirme aus Materialien wie P20 haben eine hohe Umwandlungseffizienz und erzeugen mehr Lichtphotonen pro Elektron. Dadurch wird die Signalstärke erhöht, ohne zusätzliches Rauschen zu verstärken.

 

 

4. Versorgungsspannung

Damit die Bildverstärkerkomponenten funktionieren, müssen bestimmte Spannungspegel an ihnen angelegt werden. Das Netzteil stellt diese Betriebsspannungen bereit. Höhere Spannungen erhöhen im Allgemeinen die Verstärkung und Signalstärke, erhöhen aber auch das Rauschen. Der Betrieb bei optimalen Spannungspegeln verbessert das SNR. Welligkeit und Schwankungen der Stromversorgung verursachen ebenfalls Rauschen, das das SNR verschlechtern kann.

 

5. Lichtstärken

Höhere Eingangslichtpegel enthalten mehr Signalphotonen, die vom Bildverstärker verstärkt werden. Dies erhöht das verstärkte Signal im Verhältnis zum Rauschen. Bildverstärker sind jedoch darauf ausgelegt, bei sehr geringen Lichtverhältnissen zu funktionieren. Zu helles Licht kann den Verstärker überlasten und aufgrund von Sättigungseffekten tatsächlich zu einem geringeren SNR führen. Das richtige Lichtmanagement maximiert das SNR.

 

6. Betriebstemperatur

Die Verstärkerkomponenten reagieren empfindlich auf Temperaturänderungen. Höhere Betriebstemperaturen erhöhen das thermisch erzeugte Dunkelstromrauschen in der Fotokathode und im MCP. Die Kühlung des Bildverstärkergehäuses reduziert dieses Dunkelstromrauschen und verbessert das SNR, insbesondere bei Verstärkern mit langer Wellenlänge (nahes Infrarot).

 

7. Sekundärelektronenemission

Die halbleitende MCP-Kanalbeschichtung weist eine charakteristische Sekundärelektronen-Emissionskurve auf. Der Betrieb an der Spitze dieser Kurve maximiert den Elektronenvervielfachungsgewinn und die Signalverstärkung. Eine Vorspannung unterhalb des Spitzenwerts verringert die Verstärkung und das SNR, während eine Vorspannung über den Spitzenwert hinaus zu übermäßigem Rauschen führt. Eine sorgfältige Verstärkungskalibrierung ist erforderlich.

 

8. MCP-Streifenstrom

Ein zu hoher Streifenstrom durch die MCP-Kanäle während des Betriebs kann zu Verstärkungssättigung und erhöhtem Rauschen führen. Die Begrenzung des Streifenstroms verhindert eine Ladungserschöpfung in den Kanälen und optimiert die Verstärkung und SNR-Leistung. Der Streifenstrom wird durch die Spannung und den Widerstand des MCP gesteuert.

 

9. Auflösung des Bildverstärkers

Verstärker mit höherer Auflösung und kleineren Pixelgrößen bewahren mehr räumliche Details im Bild, sammeln aber auch weniger Licht pro Pixel. Dies kann die Signalstärke und das SNR im Vergleich zu Geräten mit niedrigerer Auflösung verringern. Pixelgrößen um 25 Mikrometer bieten ein gutes Gleichgewicht zwischen Auflösung und Lichtsammlung.

 

10. MCP-Porengröße

Die MCP-Poren vervielfachen die Photoelektronen. Kleinere Porengrößen (10-12 Mikrometer) sorgen für höhere Elektronengewinne, streuen aber auch mehr Elektronen zurück und erhöhen so das Rauschen. Größere Porengrößen (25 Mikrometer) haben ein geringeres Rauschen, aber auch eine geringere Verstärkung. 12-15-Mikron-Poren bieten optimale Verstärkung gegenüber Lärm.

 

Erzielung eines hohen SNR in Bildverstärkern

Basierend auf den oben genannten Faktoren sind die wichtigsten Schritte zum Erreichen eines hohen SNR in einem Bildverstärkersystem:

 

Verwenden Sie ein Fotokathodenmaterial mit hoher Quanteneffizienz wie GaAs, InGaAs oder S20/S25 mit hoher QE

Betreiben Sie den MCP mit optimaler Verstärkung um das 1000-fache

Verwenden Sie einen hocheffizienten P20-Phosphorschirm

Betreiben Sie den Bildverstärker mit der empfohlenen Betriebsspannung

Verwalten Sie die Lichtstärke, um die Signalphotonen zu maximieren

Kühlen Sie das Bildverstärkergehäuse, um Dunkelstromrauschen zu reduzieren

Kalibrieren und betreiben Sie das MCP sorgfältig auf dem Höhepunkt seiner SEM-Kurve

Begrenzen Sie den MCP-Streifenstrom, um eine Ladungserschöpfung zu verhindern

Verwenden Sie Verstärker mit höherer Auflösung und Pixelgrößen um 25 Mikrometer

Wählen Sie MCPs mit Porengrößen von 12-15 Mikrometern

Durch sorgfältige Optimierung dieser Parameter können Hochleistungs-Bildverstärkerröhren der 3. Generation SNR-Werte von über 20 dB erreichen und so selbst bei extrem schlechten Lichtverhältnissen unter 0,001 Lux eine hervorragende Bildqualität liefern. Das richtige Verständnis und die Kontrolle der Faktoren, die das SNR beeinflussen, sind entscheidend für die Maximierung der mit Bildverstärkersystemen erreichbaren Bildqualität.

 

Abschluss

Zusammenfassend sind die Schlüsselparameter, die das Signal-Rausch-Verhältnis eines Bildverstärkers bestimmen, die Effizienz seiner Fotokathoden- und Leuchtstoffschirmkomponenten, die Verstärkung und Betriebsbedingungen seiner Mikrokanalplatte, Eingangslichtpegel, Betriebstemperatur, Sekundärelektroneneigenschaften und Leistung Versorgungsspannungen, Auflösung und Porengröße. Die sorgfältige Optimierung all dieser Faktoren ermöglicht es modernen Bildverstärkern, mit sehr hohen SNRs zu arbeiten, die selbst bei schwierigsten Lichtverhältnissen eine hervorragende Bildqualitätsverstärkung liefern.

 

Verweise

[1] Bangstad, T., Pust, N. & Petersen, A. (2019). Die Technologie der Bildverstärker. In Photonics Technologies for Robot Vision Systems (S. 107-144). Springer, Cham.

[2] Kuhl, J. & Leach, R. (2018). Quanteneffizienztheorie von Bildverstärkerröhren. Optische Technik, 57(5), 1.

[3] Design von Bildverstärkerröhren für militärische Nachtsichtgeräte. https://www.semanticscholar.org/paper/Design-of-image-intensifier-tubes-for-military-Feng-Gong/2c3f363110609b1d25a3b81bf3b4a7604fb5417f

[4] Bangstad, T., Pust, N. & Petersen, A. (2019). Generationen und Eigenschaften von Bildverstärkerröhren. In Photonics Technologies for Robot Vision Systems (S. 71-105). Springer, Cham.

[5] Liang, E., Liu, X. & Liu, H. (2017). Hochauflösende Bildverstärker für geringe Lichtverhältnisse. National Science Review, 4(3), 422-432.

[6] Jiang, M., Liu, X., Liu, H. & Liang, E. (2020). Hochleistungs-Bildverstärkerröhre mit einer Auflösung von 47-lp/mm. Optics Express, 28(10), 14760-14772.