Электронно-оптический преобразователь (ЭОП)

Устройство ЭОП

Я уже вкратце рассказывал о принципах работы приборов ночного видения (ПНВ). Теперь настало время более детально разобраться с их устройством, а также с наиболее важными и интересными с точки зрения любителя электроники элементами.

Как уже говорилось, основой прибора ночного видения является электронно-оптический преобразователь, сокращённо ЭОП. На западе такие приборы называют Photomultiplier tube (сокращённо PMT). На первый взгляд может показаться, что ЭОП – это что-то вроде электронной лампы. Кинескоп телевизора я бы назвал родственником электронно-оптического преобразователя. Дальше вы узнаете, почему.

Рассмотрим устройство ЭОП’а на примере конкретной модели – ЭП-33 (EP33). Точно утверждать не могу, но косвенно предполагаю, что в мои руки попал именно этот экземпляр или его модификация. К сожалению, при демонтаже маркировка на нём была повреждена.

Принцип действия электронно-оптического преобразователя.

Суть работы любого электронно-оптического преобразователя заключается в следующем. Как мы знаем, в ночное время суток внешнее освещение отсутствует. Внешнее освещение  — это видимое человеческим глазом излучение от Солнца, ламп накаливания и других приборов освещения.

Но, кроме видимого излучения, проще говоря – света, есть ещё инфракрасное излучение (ИК), которое исходит от нагретых предметов, тел, строений. Оно невидимо для человеческого глаза. Инфракрасное излучение также исходит от Луны и звёзд. Попадая в атмосферу, оно рассеивается и создает некую инфракрасную подсветку. Вот это то излучение и улавливает электронно-оптический преобразователь. Стоит отметить, что ЭОП сам по себе бесполезен. Для его работы необходим объектив. Он проецирует изображение на небольшую площадь фотокатода.

На фото – объектив от охотничьего прицела Dedal 164 Night Vision.




Простейший ЭОП представляет собой стеклянный цилиндр, из которого откачан воздух. Одна из стенок цилиндра является полупрозрачным фотокатодом. На плоскость фотокатода проецируется невидимое инфракрасное излучение от объекта с помощью объектива.


Упрощённая схема работы ЭОП.

Вот так выглядит плоскость фотокатода. Как видим, его поверхность прозрачна.



Под действием инфракрасного излучения, благодаря фотоэлектрической эмиссии у поверхности фотокатода образуется электронное облако, плотность которого точно соответствует изображению, полученного с объектива. Далее это «электронное изображение» необходимо преобразовать в видимое человеческим глазом.

Для этого на другой стороне стеклянного цилиндра нанесён люминофорный слой. Круглая белая поверхность – это плоскость экрана с нанесённым слоем люминофора.



При «бомбардировке» электронами этого слоя, он начинает светиться зеленовато-жёлтым цветом которое видно человеческим глазом.


Свечение экрана электронно-оптического преобразователя (объектив снят).

Изображение на экране ЭОП, полученное с помощью объектива (Охотничий прицел Dedal 164 Night Vision).


Изображение, полученное на экране ЭОП.

Чтобы перенести «электронное изображение» с плоскости фотокатода, электроны в «облаке» необходимо разогнать и сфокусировать на плоскость люминофорного слоя. Это делается за счёт электрического поля. Оно создаётся ускоряющим постоянным напряжением в 12 – 17 киловольт, которое приложено между электродом фотокатода и анодом со стороны люминофорного слоя.

Чтобы изображение на экране с люминофорным слоем было более чётким, внутрь ЭОП’а устанавливается специальная фокусирующая система.

Умножитель напряжения ЭОП.

Как уже говорилось, для работы ЭОП требуется высоковольтный источник питания. В простейшем случае это генератор, который нагружен на повышающий трансформатор. Генератор работает на частоте в несколько килогерц. Далее снимаемое переменное напряжение со вторичной обмотки трансформатора дополнительно повышается с помощью многозвенного диодно-ёмкостного умножителя. В результате на выходе такого преобразователя получается постоянное напряжение величиной в 10 – 17 кВ.

На фото – умножитель напряжения без ЭОП от прибора ночного видения. Все элементы умножителя напряжения залиты герметиком и надёжно изолированы от металлического основания прицела. Так как преобразователь рабочий, то до "косточек" я его разбирать не стал. Несмотря на это, сквозь прозрачный герметик можно разглядеть некоторые его элементы.



Печатная плата выполнена в виде гибкого основания, на котором смонтированы автогенератор и трансформатор. Диодно-ёмкостной умножитель собран на SMD конденсаторах и расположен отдельно. Компактный размер прицела накладывает ограничения на габариты умножителя напряжения.

На выходе умножителя можно менять величину высокого напряжения между анодом (экраном) и катодом (фотокатодом) ЭОП’а.



Вот простейшая схема повышающего преобразователя. Как видим, схема довольно примитивна.



На транзисторе VT1 и трансформаторе T1 собран автогенератор, который работает на частоте около 1000 Гц. Источником питания автогенератора служит химический источник тока – батарея GB1.

Со вторичной обмотки повышающего трансформатора L1 снимается повышенное напряжение. Но оно недостаточно для работы ЭОП. Для дальнейшего его повышения используется каскадный диодно-ёмкостной умножитель на диодах VD1, VD2, VD3…VDN и конденсаторах C1, C2, C3…CN. Число ступеней умножения около 20.

Трансформатор наматывается на Ш-образном сердечнике марки М2000НП сечением около 30 мм². Обмотка L2 состоит из 30 витков, а L2 из 35 витков. Для их намотки используется провод ПЭЛШО-0,15. Для намотки обмотки L1 используется провод марки ПЭЛШО-0,07. Число витков – 2300.

Данный умножитель напряжения рассчитан на работу с ЭОП типа «МИНИ-1» отечественного производства.

В серийных приборах ночного видения применяются более сложные схемы умножителя напряжения, но схемотехника и принцип действия, как правило, схож с тем, который описан.

Инфракрасная подсветка.

Так как светоусиление ЭОП первого поколения недостаточно при глубоком затемнении, то применяется инфракрасная подсветка. Это устройство типа фонарика или прожектора, только светит он в инфракрасном диапазоне волн. Длина волны ~ 780 — 810 нм.



В качестве излучателя используется ИК-диод. Для регулирования яркости подсветки последовательно с диодом включается резистор. Обычно применяются несколько резисторов с разным номинальным сопротивлением, которые коммутируются переключателем. Так достигается ступенчатая регулировка интенсивности излучения.

Работу ИК-подсветки проверить легко. Область кристалла излучающего диода при работе светится мягким красноватым оттенком. Его видно невооружённым глазом. Если навести камеру смартфона или фотоаппарата на линзу ИК-диода, то на дисплее покажется фиолетовое свечение – это и есть инфракрасное излучение, которое улавливает матрица фотокамеры. Аналогичным образом можно проверить работу ИК-пульта дистанционного управления от телевизора.



При проверке ЭОП’а или ПНВ стоит соблюдать одно очень важное правило. Ни в коем случае нельзя включать эти приборы при естественном или искусственном освещении.