أنابيب تكثيف الصورة

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

أنابيب تكثيف الصورة

انابيب تكثيف صوره

Image intensifier tubes - Tubes intensificateurs d'image

أنابيب تكثيف الصورة

مبدأ عمل أنابيب تكثيف الصور وبنيتها

الخواص المميزة لأنابيب تكثيف الصور

الأجيال المتعاقبة وتقنيات التصنيع

استخدامات أنابيب تكثيف الصور في علم الفلك

أنابيب تكثيف الصور(ITT) Image Intensifier Tubes (مكونات إلكتروبصرية (electro-optics، تسمح بالرؤية في ظروف الإضاءة الضعيفة. وقد طُورت هذه الأنابيب للاستخدام في منظومات الرؤية الليلية العسكرية بوجهٍ خاص، إلا أنها أصبحت تُستخدم الآن في مجالاتٍ أخرى كالطب والصناعة والفلك.

مبدأ عمل أنابيب تكثيف الصور وبنيتها:

يعتمد مبدأ عمل أنابيب تكثيف الصورة على الأثر الكهرضوئي photoelectric effect، حيث تتشكل الصورة ذات الإضاءة الضعيفة وذات أطوال موجة محددة على مَهْبِط ضوئي photocathode، فتتحرر الإلكترونات من مختلف نقاط هذا المَهبط. بعد ذلك تُسرَّع هذه الإلكترونات وتُبَأَّر focusing على شاشة فسفورية بوساطة عدسة كهرساكنة electrostatic lens ومَصْعَد anode. وتُحوِّل الشاشةُ الفسفورية الطاقةَ الحركية للإلكترونات إلى فوتونات ثانيةً مشكلةً صورةً ضوئيةً أكثر إضاءة من الصورة الأصلية.

يبيّن الشكل 1 المكوّنات الأساسية لأنابيب تكثيف الصور، التي تشتمل على:

- عدسة جسمية objective lens لتشكيل صورة المشهد على المهبط الضوئي لأنبوب تكثيف الصورة.

- عدسة كهرساكنة ومهبط.

- شاشة فسفورية تشع باللون الأخضر.

- عدسة عينية لتكبير الصورة الضوئية النهائية.

الشكل (1): المكونات الرئيسية لأنبوب تكثيف الصور.

الخواص المميزة لأنابيب تكثيف الصور:

تتميز أنابيب تكثيف الصور بالخواص الآتية:

1 - المَيْز (lpN) resolution : يعبر عن قدرة تمييز الأنبوب للمشهد. ويقدَّر بعدد أزواج الخطوط البيضاء والسوداء التي يستطيع المشاهد تمييزها في الميليمتر الواحد line (lp/m)pairs/mm . ويبيّن الشكل (2) هدفاً target يتضمن عدة مجموعات من الشبكات الخطية تُمثل كل واحدةٍ منها عدداً محدداً من أزواج الخطوط في الميليمتر.

الشكل (2): صورة هدف خاص لاختبار ميز أنابيب تكثيف الصور كما تظهره الشاشة الفسفورية.

2 - حساسية المَهبط الضوئي (S) photocathode sensitivity : وهي تعبر عن قدرة المَهبط الضوئي على تحويل الضوء إلى تيار إلكتروني. ويُستخدم مقداران للتعبير عن هذه الحساسية، أولهما الحساسية الضوئية phS photometric وواحدتها lm/Aμ، وتساوي التيار الإلكتروني الناجم عن سقوط ضوء استطاعته لومن واحد lumen على المَهبط الضوئي. وتُقاس هذه الحساسية بقياس استجابة الأنبوب عند تعريضه لإضاءة مصباح حراري حرارته K2856؛ الذي يشابه طيفه طيف الإضاءة الطبيعية الليلية، وثانيهما الحساسية الإشعاعية الطيفية spectral radiometric Sr وواحدتها W/Aμ، وتساوي التيار الإلكتروني الناجم عن سقوط ضوء استطاعته واط واحد على المَهبط الضوئي.

3 - ربح النصوع (G) luminance gain : وهي النسبة بين الشدة الضوئية الصادرة من واحدة سطح الشاشة الفسفورية إلى إضائية illuminance الدخل الواردة على المَهبط الضوئي ( lux/cd2-m).

4 - الإضائية الخلفية المكافئة (EBI) equivalent background illuminance : وتعبر هذه الخاصة عن الضجيج الذاتي للأنبوب، وهو تيار إلكتروني عشوائي ينجم عن الانبعاث الحراري thermal emission للمهبط الضوئي. ويضيف هذا التيار على صورة المشهد ضجيجاً يقلل من حساسية الأنبوب وميْزه.

5 - نسبة الإشارة إلى الضجيج (SNR) signal-to-noise ratio وتعطى بالعلاقة (1):

$الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\170\Image370467.jpg$

حيث $الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\170\Image374083.jpg$ الاستطاعة الضوئية في واحدة سطح المهبط الضوئي والصادرة عن المشهد، وN استطاعة الضجيج في واحدة السطح. وهي تعبر عن إمكانية كشف الأهداف في شروط الإضاءة الضعيفة.

الأجيال المتعاقبة وتقنيات التصنيع:

أ ـ الجيل الصفري: تُعد أجهزة الرؤية الليلية الفعَّالة active التي تعمل بإضاءة الأهداف بالأشعة تحت الحمراء infrared radiation، والتي طُوِّرت في الأربعينيات من القرن العشرين بداية أنابيب تكثيف الصور. فقد ساعد تطور تقانات الخلاء vacuum والمهابط الضوئية والشاشات الفسفورية على تصنيع أنابيب مزودة بمهابط ضوئية من مادة Ag-O-Cs تتحسس بالأشعة تحت الحمراء تدعى بمبدلات الصور image converters (الشكل 3). وقد استُخدمت هذه الأنابيب في تصنيع أجهزة رؤية ليلية. وبعد تطوير الأجيال اللاحقة أُطلق على هذه الأجهزة الجيل الصفري generation 0. وتميزت هذه الأنابيب بحساسية وربح منخفضين وبقيم نموذجية $الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\170\Image379349.jpg$ لم تكن كافية لتلبية المتطلبات العسكرية من حيث المدى وإمكانية التخفي نظراً لإمكانية كشفها.

الشكل (3): أنبوب مبدل للصورة (الجيل الصفري).

ب ـ الجيل الأول: وفي بداية الستينيات من القرن العشرين ظهر الجيل الأول من أنابيب تكثيف الصور، إذ سمح التقدم التقاني بتطوير أنابيب ذات مواصفات تفوق مواصفات مبدلات الصور من حيث الحساسية باستخدام مهبط ضوئي متعدد العناصر القلوية multialkali (Na-K-Sb-Cs) . ويرمز له أيضاً بالرمز (S-20)، وتبلغ حساسيىة هذه المادة .وقد وضعت شريحة مستوية كروية من الألياف البصرية في مقدمة الأنبوب لتحسين جودة الصورة ، فساعد ذلك على تحسين جودة الخيال الذي تشكله العدسة الكهرساكنة لصورة المشهد (الشكل 4)، وبلغ ربح أنبوب من هذا الجيل $الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\170\Image387323.jpg$ .

الشكل (4): أنبوب تكثيف الصور من الجيل الأول.

وسمح جمع ثلاثة أنابيب من هذا الجيل على التسلسل (الشكل 5) بالحصول على ربح قدره $الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\170\Image330.jpg$ ، إلا أن ذلك كان على حساب انخفاض الميْز، إذ انخفض من 50 lp/mm إلى 30 lp/mm. وقد طُورت أجهزة رؤية ليلية تَستعمل ضوء النجوم، اعتماداً على هذه التقنية.

الشكل (5): أنبوب تكثيف الصور من الجيل الأول بثلاث مراحل.

وعاب الجيل الأول كبر الحجم والوزن، كما أن انتشار البقعة المضيئة في الصورة إلى جوارها يؤدي إلى حجب بعض تفاصيل المشهد، إضافة إلى تشوه الصورة النهائية نتيجة عيوب الأخيلة المُشَكَّلة بالعدسات الكهرساكنة.

ج ـ الجيل الثاني: وبهدف تصغير الحجم والوزن طور في نهاية الستينيات من القرن العشرين عنصر إلكتروني قادر على مضاعفة إلكترونات الصورة بأكثر من 105 مرة. ويتألف هذا العنصر من صفيحة قناة صِغْرية (MCP) micro channel plate من سيليكات الرصاص lead silicate glass، قطر كل أنبوب 6 μm، وطوله 300 μm كما هو مبيّن في الشكل (6). وعند اصطدام إلكترون مسرّع بالسطح الداخلي لهذه الأنابيب يصدر إلكترونٌ ثانوي secondary electron، وتُسرَّع الإلكترونات الثانوية بوساطة حقل كهرساكن يُطبَّق بين وجهي الصفيحة، ويستمر تضاعف الإلكترونات الثانوية إلى حين خروجها من الوجه الآخر للصفيحة.

الشكل (6): صفيحة قناة صِغْرية.

وقد أدى استعمال مثل هذه الصفيحة إلى تطوير أنابيب تكثيف صور بربح كافٍ مقداره 60000. وهناك نوعان من أنابيب الجيل الثاني، نوع يشبه الجيل الأول من حيث استخدام عدسة كهرساكنة لتبئير الصورة الإلكترونية المنبعثة عن المهبط الضوئي على صفيحة القناة الصغرية (الشكل 7- أ)، أما في النوع الثاني فيكون التبئير من دون عدسة إلكترونية، وذلك بتقريب صفيحة القناة الصغرية من المهبط الضوئي (التبئير بالتقريب proximity focused) (الشكل 7- ب). وقد استُخدمت في النوع الثاني ألياف بصرية مضفورة twisted fiber optics لقلب الصورة المكثفة المنبعثة من الشاشة الفسفورية.

الشكل (7): أنبوب تكثيف صور من الجيل الثاني: أ- التبئير بعدسة إلكترونية ب- التبئير بالتقريب.

إضافةَ إلى هذا الاختلاف الجوهري بين الجيل الأول والجيل الثاني استُخدم معالج مادة مهبط ضوئي S-20 لتصبح الأنابيب أكثر حساسية في المجال الطيفي تحت الأحمر القريب لتبلغ 250 /lm Aμ تقريباً، ورمز إليه بالرمز S-25 أو S-20 ER. وتميز الجيل الثاني بصغر الحجم والوزن خاصة النوع المعتمد على التبئير بالتقريب الذي يُستخدم لأجهزة الرؤية الليلية المحمولة على الرأس. وهناك ميزة إضافية لا تقل أهمية وهي عدم انتشار الإضاءة القوية في المشهد إلى جوارها انتشاراً كبيراً وذلك بسبب استخدام صفيحة القناة الصغرية. يبيّن الشكل (8) صورتين للمشهد نفسه باستخدام أنبوب من الجيل الأول (8-أ) وأنبوب من الجيل الثاني (8-ب).

الشكل (8): صورتان للمشهد نفسه باستخدام الجيل الأول( أ) والجيل الثاني (ب).

د ـ الجيل الثالث: استُبدلت في الجيل الثالث مادة المهبط الضوئي استبدالاً كاملاً، سعياً إلى زيادة الحساسية والاقتراب أكثر فأكثر من طيف الأشعة تحت الأحمر القريب الذي يوافق طيف الإضاءة الليلية. وكانت المادة المنتقاة هي نصف الناقل زرنيخ الغاليوم GaAs. وتطلب تشكيل هذا المهبط الضوئي تطويراً في تقانات عديدة منها التنامي الطباقي البلوري epitaxial growth العالي الجودة، وتصنيع أنابيب خلاء عالٍ جداً في كل من الولايات المتحدة الأمريكية وروسيا الاتحادية. وتصل حساسية المهبط الضوئي من زرنيخ الغاليوم GaAS إلى 800 /lm Aμ.

هـ ـ الأجيال اللاحقة: طُورت أجيال محسنة عن الجيلين الثاني والثالث، ومنها +GEN2 بلغت معه الحساسية400 /lm Aμ ، وSuperGEN الذي ارتفعت معه الحساسية إلى 550 /lm Aμ، وHyperGEN2 الذي اقتربت معه الحساسية من حساسية الجيل الثالث 750 /lm Aμ. أما ما يتعلق بالجيل الثالث فقد ظهر GEN3 Ultra ويُعد من أفضل أنابيب الجيل الثالث، ويرمز له أيضاً OMNIBUS. وأخيراً ظهر الجيل الرابع، وهو يَستخدم تقانة الجيل الثالث نفسها، لكنه يتميز بنسبة إشارة إلى ضجيج أعلى ومَيْز أفضل.

استخدامات أنابيب تكثيف الصور في علم الفلك:

تُستخدم أنابيب تكثيف الصور في المقاريب الفلكية (التلسكوبات) لكشف المجرّات البعيدة ورصد الظواهر الفلكية المختلفة. وقد سمحت هذه الأنابيب بتسريع أخذ الصور للمجرّات البعيدة ذات الإضاءة الضعيفة، وبالحصول على مشاهد جديدة نتيجةً لامتداد الحساسية الطيفية لمهبط الأنابيب الضوئية إلى الطيف تحت الأحمر القريب وفوق البنفسجي ultraviolet.

ونظراً لامتصاص الغلاف الجوي الشديد للأشعة فوق البنفسجية استخدمت أنابيب تكثيف الصور في المقاريب الفضائية مثل(UIT) ultraviolet imaging telescope خلال المهمتين أسترو- 1 Astro-1، وأسترو- 2 Astro-2 (الشكل 9) للمخبر الفضائي الأمريكي Spacelab.

الشكل (9): المهمة Astro-2.

يبيّن الشكل (10) صورة للمجرة M101 المأخوذة بالمقراب UIT خلال المهمة Astro-2.

الشكل (10): صورة للمجرة M101 بالأشعة فوق البنفسجية.

وقد طوَّرت الشركات المتخصصة بالمقاريب الأرضية عيْنيَّات eyepieces مخصَّصة للفلكيين مزوَّدة بأنابيب مكثفة للصور من الجيل الثالث يرمز إليها بـ eyepiece3I (الشكل 11).

الشكل (11): عينية I3eyepiece

ويمكن إضافة مصورة (كاميرا) camera عنصر قرْن شحني(CCD)coupled device charged للحصول على إشارة فيديوية يمكن تسجيلها ومعالجة المشاهد لاحقاً لإجراء دراسات أكثر عمقاً من المشاهدة الآنية (الشكل 12)

يبيّن الشكل (13) صورة للمجرة (M13) Hercules Globular Cluster مأخوذة بوساطة مقراب مزود بأنبوب تكثيف الصور.