영상 증폭 장치의 신호 대 잡음비는 무엇입니까?
Nov 14, 2023
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이미지 강화기 및 SNR 소개
영상 증폭 장치는 저조도 영상을 증폭하여 사람의 눈으로 볼 수 있는 가시 영상으로 변환하는 전기 광학 장치입니다. 이 장치는 장치에 들어오는 광자를 전자로 변환하고 전자를 가속하여 인광체 스크린에 부딪히는 방식으로 작동합니다. 인광체 스크린은 장치에 들어오는 빛의 원래 수준보다 여러 배 증폭된 빛을 방출합니다. 이를 통해 사용자는 너무 어두워서 육안으로 볼 수 없는 매우 낮은 조명 조건에서도 이미지를 볼 수 있습니다.
이미지 강화기의 중요한 성능 매개변수 중 하나는 신호 대 잡음비(SNR)입니다. SNR은 원하는 신호의 레벨을 배경 잡음 레벨과 비교합니다. 이는 증폭 과정에서 발생하는 노이즈와 비교하여 증폭된 이미지가 얼마나 선명한지를 나타냅니다. SNR이 높을수록 노이즈가 적고 이미지가 더 선명해집니다. 영상 증폭 장치에서 고품질 영상을 얻으려면 SNR을 최대화하는 것이 중요합니다.
이미지 강화기의 SNR에 영향을 미치는 몇 가지 요소가 있습니다.
SNR에 영향을 미치는 주요 요인
1. 광전 음극 감도
광전 음극은 들어오는 광자를 전자로 변환하는 이미지 강화 튜브 내부의 광 방출 표면입니다. 광전 음극의 양자 효율은 광자를 전자로 얼마나 효율적으로 변환할 수 있는지를 결정합니다. 양자 효율이 더 높은 재료로 만들어진 광전 음극은 주어진 수의 들어오는 광자에 대해 더 많은 신호 전자를 추출할 수 있습니다. 이는 잡음에 비해 신호 강도를 향상시켜 SNR을 증가시킵니다. S20 및 S25와 같은 일반적인 광전 음극 재료는 20%가 넘는 높은 양자 효율을 가지고 있습니다.
2. 마이크로채널 플레이트 이득
마이크로채널 플레이트(MCP)는 내부가 반도체 재료로 코팅된 미세한 채널이 있는 얇은 유리 디스크입니다. 광음극에서 방출된 전자를 1000배 이상 증폭하여 신호를 증폭합니다. 마이크로채널 플레이트 이득은 플레이트에 적용된 전압에 따라 달라집니다. 게인이 높을수록 더 많은 전자를 생성하여 더 강한 이미지 신호를 생성하지만 노이즈도 증폭됩니다. 1000 주변의 최적 게인 레벨은 증폭과 잡음의 균형을 맞춥니다.
3. 형광체 스크린 효율
MCP에서 나오는 증폭된 전자는 인광체 스크린에 충돌하여 전자를 다시 광자로 변환하여 가시 이미지를 형성합니다. P20과 같은 재료로 만든 형광체 스크린은 변환 효율이 높아 전자당 더 많은 광자를 생성합니다. 이는 추가 노이즈를 증폭시키지 않고 신호 강도를 증가시킵니다.
4. 전원 전압
이미지 강화기 구성 요소가 작동하려면 구성 요소 전체에 적용되는 특정 전압 레벨이 필요합니다. 전원 공급 장치는 이러한 작동 전압을 제공합니다. 전압이 높을수록 일반적으로 이득과 신호 강도가 증가하지만 잡음도 증가합니다. 최적의 전압 레벨에서 작동하면 SNR이 향상됩니다. 전원 공급 장치 리플 및 변동으로 인해 SNR이 저하될 수 있는 잡음도 발생합니다.
5. 조명 수준
입력 조명 수준이 높을수록 이미지 증폭 장치에 의해 증폭되는 신호 광자가 더 많이 포함됩니다. 이는 잡음에 비해 증폭된 신호를 증가시킵니다. 그러나 영상 증폭 장치는 매우 낮은 조명 수준에서도 작동하도록 설계되었습니다. 지나치게 밝은 조명은 강화 장치에 과부하를 걸 수 있으며 포화 효과로 인해 SNR이 실제로 감소할 수 있습니다. 적절한 조명 관리는 SNR을 극대화합니다.
6. 작동 온도
증압기 부품은 온도 변화에 민감합니다. 작동 온도가 높을수록 광전 음극과 MCP에서 열적으로 생성되는 암전류 잡음이 증가합니다. 영상 증압기 하우징을 냉각하면 암전류 잡음이 줄어들고 특히 장파장(근적외선) 증압기에서 SNR이 향상됩니다.
7. 2차 전자 방출
반도체 MCP 채널 코팅은 특징적인 2차 전자 방출 곡선을 가지고 있습니다. 이 곡선의 정점에서 작동하면 전자 증폭 이득과 신호 증폭이 최대화됩니다. 피크 아래로 바이어싱하면 이득과 SNR이 감소하고, 피크를 넘어서 바이어싱하면 과도한 잡음이 발생합니다. 신중한 게인 교정이 필요합니다.
8. MCP 스트립 전류
작동 중에 MCP 채널을 통한 스트립 전류가 너무 높으면 포화 상태가 되고 소음이 증가할 수 있습니다. 스트립 전류를 제한하면 채널의 전하 고갈을 방지하고 이득과 SNR 성능을 최적화할 수 있습니다. 스트립 전류는 MCP의 전압과 저항에 의해 관리됩니다.
9. 이미지 강화 해상도
더 작은 픽셀 크기와 더 높은 해상도의 강화 장치는 이미지의 더 많은 공간적 세부 사항을 보존하지만 픽셀당 더 적은 양의 빛을 수집합니다. 이는 저해상도 장치에 비해 신호 강도와 SNR을 줄일 수 있습니다. 약 25미크론의 픽셀 크기는 해상도와 빛 수집 간의 적절한 균형을 제공합니다.
10. MCP 기공 크기
MCP 기공은 광전자를 증식시킵니다. 기공 크기(10-12미크론)가 작을수록 전자를 더 많이 얻을 수 있지만 더 많은 전자를 후방 산란시켜 소음이 증가합니다. 더 큰 기공 크기(25미크론)는 노이즈가 낮지만 게인도 낮습니다. 12-15 미크론 기공은 소음 대비 최적의 게인을 제공합니다.
이미지 강화 장치에서 높은 SNR 달성
위의 요소를 기반으로 이미지 강화 시스템에서 높은 SNR을 달성하기 위한 주요 단계는 다음과 같습니다.
GaAs, InGaAs 또는 높은 QE S20/S25와 같은 높은 양자 효율 광전 음극 재료를 사용하십시오.
약 1000X의 최적 이득으로 MCP를 작동하십시오.
고효율 P20 형광체 스크린 사용
권장 작동 전압에서 이미지 강화기에 전원을 공급합니다.
신호 광자를 최대화하기 위해 조명 수준을 관리합니다.
암전류 노이즈를 줄이기 위해 영상 강화 하우징 냉각
SEM 곡선의 정점에서 MCP를 조심스럽게 교정하고 작동하십시오.
전하 고갈을 방지하기 위해 MCP 스트립 전류를 제한하십시오.
픽셀 크기가 약 25미크론인 고해상도 강화 장치를 사용하십시오.
기공 크기가 12-15미크론인 MCP를 선택하세요.
이러한 매개변수를 주의 깊게 최적화하면 고성능 3세대 이미지 강화 튜브는 20dB 이상의 SNR 수준을 달성할 수 있어 0.001lux 미만의 극히 낮은 조명 조건에서도 뛰어난 이미지 품질을 제공할 수 있습니다. SNR에 영향을 미치는 요소를 올바르게 이해하고 제어하는 것은 이미지 강화 시스템에서 얻을 수 있는 이미지 품질을 최대화하는 데 중요합니다.
결론
요약하면, 영상 증폭 장치의 신호 대 잡음비를 결정하는 주요 매개변수는 광음극 및 인광체 스크린 구성 요소의 효율성, 마이크로채널 플레이트의 이득 및 작동 조건, 입력 조명 수준, 작동 온도, 2차 전자 특성, 전력입니다. 공급 전압, 분해능 및 기공 크기. 이러한 모든 요소를 신중하게 최적화하면 최신 이미지 강화 장치가 가장 까다로운 저조도 조건에서도 뛰어난 이미지 품질 증폭을 제공하는 매우 높은 SNR로 작동할 수 있습니다.
참고자료
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