Intuicija bazirana na fizici vezanom za fotodetekciju, generalno --
Foton pogodi detektor. Ukoliko E_fotona > Emin, foton napravi elektrone u detektoru. Ti elektroni se skupljaju a onda njihov broj izcita charge-intergrating A/D konvertorom. Konverzija fotona u elektrone ima ogranicenu efikasnost (20-80%). A/D konvertor i proces izcitavanja imaju izvestan sum. Izmedju pravljenja elektrona i izcitavanja cesto se umece proces kojim se broj foto elektrona povecava lavinski. Dakle,
1) foton pogodi detektor i napravi u 40% slucajeva 1 elektron
2) taj elektron biva ubrzan elektricnim poljem
3) elektron udari u nesto i napravi jos elektrona. proces se ponavlja par puta. posledica: 1 e- => 1e3 - 1e7 elektrona
4) rezultujici elektroni se iscitavaju A/D konvertorom
Proces lavinske multiplikacije smanjuje znacaj suma A/D konvertora ali takodje sam po sebi unosi statisticki sum (1e- => razliciti broj umnozenih e-). Zato se ovaj proces ne isplati pri jakom svetlu ali postaje jako bitan pri detekciji pojedinih fotona.
Vrste detektora --
CCDs:
CCD senzori osetljivi su u opsegu 400nm-900nm. Uz kvalitetne CCD cipove (Kodak KAF serija, E2V CCDs) i kvalitetan A/D konvertor, moguce je ostvariti efikasnost foton-elektron konverzije od 55-80%, sum detekcije od <1e- tokom ekspozicije od 1s i sum konverzije od 7-9 e- rms. Vecina CCD senzora ne rade lavinsku multiplikaciju elektrona iako su se sada pojavili "ICCD" senzori koji to rade poput serijskog lavinskog busa tokom transfera elektrona do A/D konvertora (google: andor CCD). Ova multiplikacija cini sum konverzije nebitnim pa ovi CCD-ovi postaju bliski *idealnim* detektorima. Mane su im jedino:
- Usled bandgapa, Si CCD-ima pada osetljivost iznad 850nm. InGaAsP uredjaji osetljivi iznad 900nm imaju mnogo veci sum.
- Da bi se ostvarile gorenavedene performanse (sum u mraku), CCD je potrebno hladiti na oko -20C
- sporo izcitavanja piksela (>30fps ali ne puno)
PMTs:
Tehnologija vakuumskih cevi postoji od 1930-ih:
1) foton pogodi katodu koja se nalazi na visokom naponu i koja ja napravljena od metala sa malom radnom funkcijom
2) u 10-30% slucajeva, metal emituje fotoelektron
3) fotoelektron biva ubrzan elektricnim poljem i udari u sledecu elektrodu. dobijes nekoliko elektrona. proces se ponavlja 5-9 puta => 1e5-1e7 elektrona
4) puls nastalih elektrona dovodi se na high-speed transimpedance amp a potom diskriminator.
5) rezultat: 1 foton => u 10-30% slucajeva 5V TTL puls sirok 10ns na izlazu. U mraku dobre cevi daju 50-100 laznih okidanja.
Prednosti:
- veliki lavinski gain deo je funkcionisanja senzora. senzor moze biti kompaktan
- veoma brzi -- fotone je moguce brojati sa rezolucijom od <10ns
- hladjenje nije neophodno za rad u vidljivom i UV opsegu
- osetljivost na deep UV svetlo (<300nm)
Mane:
- mala efikasnost primarne konverzije fotona u elektrone u odnosu na CCD cipove
- jako svetlo moze da ih sprzi putem varnicenja
- sum se povecava ako je potrebna osetljivost iznad 700nm. Hladje postaje skoro neophodno.
- NEMAJU PROSTORNU REZOLUCIJU -- broje fotone, ne prave sliku!
Kvalitetni image intensifiers iz night vision uredjaja su kombinacija vakuumskih cevi i CCD-a:
Povezana sa svakim pikselom CCD-a nalazi se vakuumska cev ili dobro definisan deo iste. 1e4-1e7 elektrona koji nastaju lavinom u tom delu cevi padaju na fosforescentni ekran koji elektrone prevodi ponovo u fotone -- gomilu fotona u sredini opsega osetljivosti CCD-a.
Dakle, fizicka ogranicenja ovih uredjaja teoretski su ista kao kod PMTs. Jedino:
- zahvaljujuci segmentisanoj arhitekturi, image intensifiers imaju prostornu rezoluciju -- stvaraju sliku scene
- nazalost rezolucija je u odnosu na CCD ogranicena sirenjem snopa elektrona i velicinom tacke koje elektroni stvaraju na fosfornom ekranu kao i preslikavanja fosfora na ravan CCD senzora
- brzina izcitavanja ogranicena im je kao kod CCD-a
- proizvodnja segmentisanih vakuumskih cevi i njihova kombinacija sa fosforescentnim ekranom i CCD-om veliki je tehnoloski problem.
Otud tolika prica o upotrebi u vojne svrhe --
Osnovna fizicka ogranicenja su jasna. Medjutim, tehnologija -- vakuumska cev, fotokatodni materijal, dovodjenje visokog napona, usmeravanje elektrona, fosforni ekran, optika... je komplikovana i teska. A to sve treba da bude i malo i portabilno. Medjutim, postoji velika potraznja i velike pare. Stoga, tehnoloski komplikovana, visokooptimizovana, tajna i skupa ali fizicki fundamentalno jednostavna resenja. Npr., gen I/II/III/IV odnosi se iskljucivo na segmentisanu vakuumsku cev i pogotovo na materijal koji se koristi za fotokatode i fosforni ekran -- princip rada mislim da je potpuno isti!
Najveca ironija po mom misljenju je to sto sada mozes da normalnim putem kupis ICCD kameru za $30k (pogledajte
www.andor.com) koja je bolja u vidljivom opsegu (non-IR) od bilo kog image intensifier-a! (po primarnoj konverziji, po rezoluciji, po broju piksela...). A to sve zahvaljujuci razvoju potrosacke Si CCD tehnologije. OK, nije toliko mala kao night vision goggles ali, uz vojne pare i to bi se sigurno dalo resiti.
Po mom misljenju, jos jedan razlog zasto je vojska veliko bacanje resursa covecanstva (cekici od $100).
My 5c.