Pimeänäkölaitteet - Osat ja Terminologia

Nykyiset (Gen2, Gen3, Gen4) laitteet toimivat kolmessa erillisessä vaiheessa

1) Muutetaan objektiivilinssin tai kuituoptiikan kautta sisään tuleva valo fotokatodin avulla elektroneiksi
2) Kasvatetaan elektroneiden määrää keinotekoisesti mikrokanavalevyn avulla
3) Muutetaan elektronit fosforiverhon avulla takaisin silmälle soveltuvaksi valoksi

Vasemmalta oikealle: Fotokatodi, mikrokanavalevy sekä fosforiverho. Kuva: Photonis.

Photokatodi, Photokathode

" Fotokatodi” on puolijohde ja valonvahvistinputken ensimmäinen osa jonka valo kohtaa perinteisten objektiivilinssien ja/tai kuituoptiikan läpi tultuaan. Osan ainoa tehtävä on muuttaa valo, ts fotonit, mahdollisimman suureksi määräksi elektroneja. Silmälle näkyvä valo on aallonpituuksilla 390nm - 700nm, vaikkakin 650nm yläpuolella silmän havainnointikyky laskee jyrkästi. Koska tähtitaivaan pimeänäkölaitteille tarjoama taustavalaisu jatkuu näkyvältä n. 500nm valolta ”near-infrared” – alueelle, vastaava fotokatodin tehokas toiminta-alue on toivottavaa. Tyypillisen määritelmän mukaan 700-1000nm aluetta kutsutaan ”near-infrared”, eli ”lähellä infrapunaa” – alueeksi. Alue on lämpökameroille tyypillisen n. 900–15.000nm infrapuna-alueen alapuolella.

Fotokatodin herkkyyttä (sensitivity, photoresponse) mitataan yksiköllä µA/lm. Yksikkö kertoo montako mikroampeeria sähkövirtaa yhden lumenin valomäärällä kyetään tuottamaan. Toinen fotokatodin suorituskykyyn liittyvä termi on ”kathode quantum efficiency” (QE)” tai ”katodin kvanttihyötysuhde”. QE kertoo kuinka paljon toivottuja elektroneita pystytään synnyttämään suhteessa fotokatodiin saapuviin fotoneihin.

Fotokatodin käytännön toimintaa voidaan tehostaa ”perinteisin” keinoin, yksinkertaisesti objektiivin halkaisijaa kasvattamalla.

Gen0, 1939

Käyttää tyyppiä S-1, valmistettu Hopea-Cesium-Happiseoksesta. Herkkyys n. 60 µA/lm. QE noin 1% ultraviolettialueella ja noin 0.5% infrapuna-alueella. Laitteita ei voinut käyttää ilman tehokasta infrapunavalaisinta.

Gen1, 1950- luku

Toimintaperiaate säilyi täsmälleen samana kuin Gen0 – laitteissa, mutta parempien materiaalien myötä katodin herkkyyttä ja koko laitteen vahvistuskerrointa onnistuttiin kasvattamaan merkittävästi. 1936 keksitty S-11 Cesium-antimonikatodi nosti herkkyyden 80µA/lm tasolle, sekä QE:n 20%:iin punaisen näkyvän valon alueella. Vuonna 1956 keksityt S-20 Antimoni-kaksoisalkalit (kalium-cesium-antimoni ja natrium-kalium-antimoni) laajensivat katodin toiminta-alueen tehokkaasti sekä infrapuna- että näkyvän valon alueelle yhtä aikaa. S-20 katodin herkkyys oli noin 150-200µA/lm. Uusi katodi mahdollisti laitteen käyttämisen sekä pelkässä kuutamonvalossa että erillisen infrapunavalaisimen kanssa. Gen2 laitteisiin kehitettyä uutta S-25 katodia käytettiin myös myöhemmissä Gen1 laitteissa.

Gen2, 1970- luku ->

Mikrokanavalevyn ja myöhemmässä vaiheessa uuden S-25 Natrium-Kalium-Antimoni-Cesium multialkalifotokatodin myötä valonvahvistimien tehokkuus nousi kokonaan uudelle tasolle sekä resoluution että vahvistuskertoimien suhteen. Multialkaleja käytettiin myös viimeisissä Gen1 katodeissa, mutta myöhemmässä Gen2 vaiheessa S25 fotokatodikerrosta paksunnettiin. Menetelmän avulla katodin värisävyherkkyys siirtyi siniseltä paremmin toimivalle (infra)punaiselle alueelle. Edelleen Gen2 kehitysvaiheessa fotokatodin Cesium korvattiin paremmin toimivalla Cesiumoksidilla (CsO2). Ratkaisu pidensi laitteiden elinikää merkittävästi. Kerrospaksuuden lisääminen paransi etenkin QA:ta, mutta myös herkkyyden n. 250 µA/lm arvoon. Seuraavat isot harppaukset tehtiin vuonna 1989 (700µA/lm) sekä 1990 –luvun loppupuolella. Viimeisimpien suorituskyvystä ei ole varmistettua tietoa- mutta tiettävästi 1000µA/lm rajapyykki on edelleen rikkomatta. Gen2 kehityksen kärjessä jatkava Photonis kutsuu uusinta fotokatodia S-25 S – nimellä. Myös S-20 katodi on edelleen käytössä - vaikkakin oletettavasti parannuksin.

Gen2 laitteissa käytettyjen fotokatodeiden suhteellinen ”radiant” -herkkyys erilaisilla (valon) aallonpituuksilla. Kuvaajat eivät kerro suoraan vertailukelpoista µA/lm –herkkyyttä laitesukupolvien välistä vertailua varten. Kuva: Photonis

Gen3, 1982 ->

Kaikkien Gen3 laitteiden fotokatodit on valmistettu GalliumArseenista (GaAs). GaAs- fotokatodi otetiin käyttöön koska se muuttaa fotoneita elektroneiksi erittäin hyvällä hyötysuhteella. GaAs katodin tehokkain toiminta-alue on aallonpituuksilla 450-950 nanometriä. Alue siis alkaa näkyvästä valosta ja päättyy ”near infrared regionille” eli ”lähelle-infrapunaa” - alueelle. GaAs oli sekä S-20 että S-25 katodia herkempi juurikin near-infrared- alueella- mikä oli toivottavaa tähtienvalon aallonpituuksien hyödyntämisessä. Viimeisimpien Gen3 fotokatodien herkkyys on 2000 µA/lm- josta edempänä selostettu ionieste tosin hävittää osan harakoille. Hävikki oli +50 % alkupään laitteissa ja tiettävästi viimeisimmissäkin saatavilla olevissa ”thin-film” versioissa yhä noin 20 %.

Ion Barrier (ainoastaan Gen3 valonvahvistimissa)

”Ionieste” sijaitsee mikrokanalevyn pinnalla.

Käytännössä estettä tarvitaan ainoastaan Gen3 laitteiden kohdalla. Ioniesteen tarkoitus on -nimensä mukaisesti- estää positiivisesti varautuneiden ioneiden ”takaisinvirtaus” GaAs fotokatodia kohti. Ionit syntyvät edempänä selitetyssä mikrokanavalevyssä ei-toivottuna sivutuotteena, ja niiden liikesuunta on positiivisesta varauksestaan johtuen täsmälleen vastakkainen elektroneihin nähden- siis kohti fotokatodia.

Ionit siis kuluttavat GaAs fotokatodia, lyhentäen laitteen käyttöikää merkittävästi. Ensimmäisissä 1970- luvun lopulla käyttöönotetuissa Gen3 laitteissa ei ollut ioniestettä- ja pian huomattiinkin että laitteiden käyttöikä on turhan lyhyt- murto-osa silloisten Gen2 sukupolveen kuuluvien laitteiden +2000h eliniästä. Käytännössä 100 käyttötuntia riitti tuhoamaan GaAs pinnan pisteeseen jossa suorituskyky oli alle silloisten Gen2 laitteiden suorituskyvyn. Ioniesteen lisäämisen myötä käyttöikä saatiin kasvatettua n. +10000 tuntiin.

Kiusallista kyllä, ionieste haittaisi myös mikrokanavien toimintaa laskien GaAs fotokatodeilla varustettujen laitteiden suorituskykyä 50 % ja ylikin.

Myöhemmin lääkkeeksi kiusalliseen ongelmaan keksittiin ohennettu ionieste. Menetelmän ansioista suorituskyvyn alenema saatiin pienemmäksi- pitäen silti samalla laitteiden käyttöikä järkevänä. Valmistajat käyttävät parannetusta ioniesteteknologiasta nimeä ”Thin film ion barrier”, eli ”ohutkerros-ionieste”. Silti viimeisimpienkin Omnibus VIII laitteiden ohutkalvoesteeseen pysähtyy tiettävästi noin 20% elektroneista ei-toivotusti.

Ohutkalvotekniikasta ei ole teknisiä tietoja saatavilla, mutta ITT mainitsee nykyisen kerrospaksuuden olevan ”1/10000 ihmisen hiuksen paksuudesta”- karkeasti 2-3 millin miljoonasosaa. Kalvoja ei siis synny helposti edes Laihialaisella pärehöylällä - etenkään kun ne valmistetaan pii- tai alumiinioksidista (Si0₂₎ / Al₂O₃).

Micro Channel Plate (MCP)

Mikrokanavalevyä käytetään ainoastaan Generaatio 2 ja 3 laitteissa. MCP:n käyttöönotto käytännössä ratkaisi Gen0/Gen1 laitteita vaivanneet kuvan vääristymäongelmat, määrällisesti lähes lukemattomilla mikrokanavaputkilla on luontainen elektroneita kollimoiva tai ”kohdistava” vaikutus.

Kun valo on ensin muutettu elektroneiksi ja elektronit ovat läpäiseet ioniesteen (ainoastaan Gen3 laitteissa), tulee järjestyksessä seuraavaksi vastaan itse vahvistinosa- MCP. Levy on valmistettu lasista ja on paksuudeltaan n. 0.5mm. Levy sisältää lukemattomia 5-8 asteen kulmaan tehtyjä reikiä joiden läpi kaikki fotokatodissa synnytetyt elektronit kulkevat. Loivassa kulmassa olevat reiät paitsi kiihdyttävät edempänä selitettävän ketjureaktion etenemistä, myös estävät viimeisenä kohtana selostetun fosforiverhon synnyttämiä ioneita sekä näkyvää valoa aiheuttamasta lisäongelmia valonvahvistinputken alkupäässä.

Jokaisen mikrokanavareiän pituus on n. 40-50 kertaa reiän halkaisija. MCP -kuten ioniestekin- pidetään alipaineessa, niin lähellä tyhjiötä kuin mahdollista. Erään valmistajan mukaan paine valonvahvistinputken sisällä on barin biljoonasosa- siis 0.000000000001 baria.

Mikrokanavalevyn kummallakin puolella on NiCr metallista valmistetut elektrodit. Näihin elektrodeihin johdetaan useiden kilovolttien suuruinen korkeajännite jonka polariteettieron avulla fotokatodissa synnytetyt elektonit kiihdytetään mikrokanavalevyn läpi. Kanavan läpi kulkiessaan elektronit aiheuttavat ketjureaktion. Jokainen yksittäinen elektronin törmääminen mikrokanavaputken seinämään irrottaa seinämärakenteen atomeista useita uusia elektroneja. Elektronien nopeus myös kasvaa jokaisella törmäyksellä. Uudet elekronit puolestaan vapauttavat nekin seinämästä lukuisia uusia elektroneja- ja kiihdyttävät nopeutta entisestään. Lopputuloksena, yksittäinen mikrokanavaan päätynyt elektroni saa matkalla mukaansa tuhat uutta kaveria.

Mikrokanavalevyn reikämäärä vaikuttaa sekä MCP:n kykyyn lisätä läpikulkevien elektronien määrää (vahvistuskerroin) että laitteen resoluutioon - mutta pelkkä määrä ei silti automaattisesti takaa tai kerro kumpaakaan.

ITT:n viimeisimmissä Gen3 Pinnacle / Omnibus VIII valonvahvistinyksikön halkaisijaltaan noin 10mm MCP:ssä reikiä on 10.6 miljoonaa kappaletta. Saman valmistajan ”edeltävissä laitteissa” (?) reikiä oli 3.14 miljoonaa. Tasaveroisella resoluutiolla kilpailevan Photoniksen XR5 lippulaivan MCP:n reikämääräksi on mainittu jossakin yli 6 miljoonaa.

Phosphor Screen

”Fosforiverho” on valonvahvistinyksikön viimeinen osa. Myös fosforiverhossa on yksikön sisäisen virtalähteen aikaansaama korkeajännite jonka avulla elektronisuihkun nopeutta kasvatetaan. Mikrokanavalta lähtevä ”monistettu” ja nopeudeltaan kiihdytetty elektroniryöppy iskeytyy linssin sisäpinnalla olevaan fosforiin virittäen sen atomit korkeammalle energiatasolle. Kun atomi hetken päästä palaa normaalille energiatasolleen, luovuttaa se ylimääräisen energiansa näkyvänä valona- fotoneina. Nämä fotonit- joita on nyt kymmeniä tuhansia kertaa enemmän kun valonvahvistinputkeen tuli fotoneita objektiivista sisälle aloitustilanteessa ohjataan okulaarin kautta silmälle katseltavaksi.

Käytetyin ulostulevan valon sävy on fosforin luontaisesta sävystä johtuen yleensä vihreä. Photoniksen vakioväri on vihreä P-22. Saatavana ovat myös P45 musta-valko sekä U.S. Armyn vuodesta 1990 alkaen käyttämä P43 kellertävän vihreä - seokset. Valonvahvistimen nimelliseen suorituskykyyn värillä ei ole vaikutusta, vaikkakin joissakin erikoistarpeissa voi musta-valko näkymä olla paremmin toimiva kuin vihreän sävyt.

Termit

Automatic Brightness Control (ABC)

Automaattinen kirkkauden säätö. Mikrokanavalevyn käyttöjännite vaikuttaa osaltaan kuvan yleiseen kirkkauteen. Dynaamisissa tilanteissa taustavalon määrä saattaa muuttua paljonkin. ABC säätää kuvan kirkkauden (MCP:n jännitteen) optimaaliseksi kaikkiin tilanteisiin suojellen samalla valonvahvistinta vaurioitumiselta. Säätö ei kuitenkaan toimi silmänräpäyksessä, eikä toimi riittävän hyvin ääritilanteissa. Tällaisia ovat esimerkiksi kiväärin suuliekki, näkökentässä vilahtavan ajoneuvon valot, siirtyminen säkkipimeästä kirkkaasti valaistuun huoneeseen jne. Toiminto löytyy vasta Gen2 –> laitteista.

Bright-Source Protection (BSP)

Kirkasvalosuojaus. Myös tämä suojaus laskee tarvittaessa fotokatodin käyttöjännitettä automaattisesti. Toiminto pidentää fotokatodin elinikää sekä suojaa sitä ylikuormittumiselta. Fotokatodin käyttöjännitteen laskeminen heikentää yleensä laitteen resoluutiota tilapäisesti, jopa neljännekseen tai viidennekseen nimellisresoluutiosta. Ääritilanteessa, valmistajasta riippuen, fotokatodi saatetaan kytkeä automaattisesti kokonaan pois päältä.

Auto-Gate (ATG, AG)

Edellä mainittujen heikkouksien ratkaisemiseksi kehitetty järjestelmä. Lyhyesti sanottuna, auto-gate, tai ”automaattinen portti” katkaisee ja kytkee fotokatodia päälle/pois erittäin nopealla syklillä. Oikein toteutettuna toiminnon aktivoituminen ei laske valonvahvistimen resoluutiota edes tilapäisesti.

Toiminnosta on suuri apu dynaamisissa valaisutilanteissa- esimerkiksi käytettäessä valonvahvistintähtäintä konekiväärissä. Nopealla taajuudella vilkkuva kirkas suuliekki ei sokaise ATG –järjestelmällä varustettua valonvahvistinta. Ilman ATG –järjestelmää toimiva valonvahvistin ylikuormittuu pahimmillaan jopa sekunneiksi näkökenttässä vilahtavan tai siihen jäävän kirkkaan valon vuoksi. Ylikuormitustilasta seuraava laitteen ”sokaistuminen” ei silti vaaranna käyttäjän silmää. AG -toiminto vähentää myös kirkkaiden kohteiden ympärille syntyvää ”halo” –ilmiötä.

Auto-gate toiminto aktiivisena. Vasemmalta alkaen: Fotokatodi, mikrokanavalevy sekä fosforiverho. Kuva: Photonis

Blooming, Halo

Ilmiölle ei ole suoraa käännöstä. Tarkoittaa kirkkaiden valopisteiden ympärille syntyvää vaaleaa “huntua” tai “kehää”. Ilmoitetaan lukuarvona ”millimetriä”. Pahimmillaan yksi kirkas valopiste voi levittää vaalean ”huntunsa” koko näkökentän alalle. Seurauksena paitsi itse kirkkaan pisteen ääriviivojen paha sumentuminen ja ääritilanteessa myös muiden näkökentässä olevien kohteiden peittyminen hunnun alle. Koska väärään paikkaan ”pursunneet” elektronit jatkavat edelleen matkaansa mikrokanavalevyltä fosforiverholle suorinta reittiä, näkyy ilmiö käyttäjälle katseltavan (yli)kirkkaan kohteen leviämisenä sekä samentumisena.

Pääasiassa ilmiö johtuu mikrokanavalevyn ominaisuudesta. Kaikki fotokatodilla synnytetyt elektronit eivät osu suoraan levyn kanaviin, vaan pieni osa niistä iskeytyy levyn reikiä ympäröivään tasaiseen pintaan. Nämä elektronit ”pursuavat” osuman jälkeen ympäröiviin kanaviin - poiketen siten alkuperäiseltä reitiltään. Mitä isompi elektronimäärä (=kirkkaampi valo näkökentässä), sitä kauemmaksi elektroniryöppy ”leviää” alkuperäisestä osumapaikastaan.

Toinen syy ilmiölle on mikrokanavaputken ja fotokatodin välillä syntyvä optinen heijastuma. Näkökentässä huntuna ilmenevän ilmiön halkaisija on noin neljä kertaa fotokatodin ja mikrokanavalevyn pinnan (anodin) välinen etäisyys. Koska Gen3 valonvahvistimien mikrokanavalevyssä on lisäpinnoite, kasvattaa se fotokatodin ja mikrokanavalevyn välistä etäisyyttä ja pahentaa ilmiötä Gen2 laitesukupolven pinnoittamattomaan mikrokanavalevyyn verrattuna.

Parhaimpien Gen2 (Photonis XD4/XR5) yksiköiden ilmoitettu Halo on 0.8mm. Uusimmalle 11/2010 julkaistulle US-Army Omnibus VIII yksikölle ilmoitettu arvo on ”1 tai parempi”- joidenkin lähteiden mukaan 0.95mm. Edeltävälle, Omni VI laitteelle ilmoitettu halo on, merkillistä kyllä, parempi 0.8mm.

Generaatio 0 ja 1 sukupolven laitteissa ei ole mikrokanavalevyä mutta ne kärsivät silti vastaavasta ilmiöstä- paljon pahemmin kuin Gen2 tai 3 valonvahvistinyksiköt. Juurisyy on kaikilla laitteilla sama, eli liiallinen määrä synnytettyjä elektroneja tietyllä näkökentän alueella tai alueilla.

Esimerkki ”Halon” vaikutuksesta. ylhäällä tyypillinen Gen3 GaAs katodilla varustettu valonvahvistin. Alhaalla sama näkymä Photoniksen Gen2 valonvahvistimen läpi kuvattuna. Kuva: Photonis

Resoluutio (lp/mm)

Yhdessä ”signal-to-noise ration ja MTF:n kanssa valonvahvistimen tärkeimpiä ominaisuuksia. Valonvahvistinyksikön resoluutio ilmoitetaan yksiköllä ”viivaparia per millimetri” (line pairs / millimeter). Suurempi luku tarkoittaa parempaa resoluutiota. Yksiköllä tarkoitetaan itse valonvahvistinyksikön resoluutiota- eikä se siten kerro kokonaisen järjestelmän käytännön suorituskykyä resoluution suhteen. lp/mm resoluutiotesti perustuu ”yleensä” Yhdysvaltain ilmavoimien (USAF) 1951 käyttöönottamaan testitauluun. Koe koostuu sarjasta erilaisia viivatestejä. Jokaisen erillisen resoluution viivatesti puolestaan kostuu kolmesta vaaka- ja kolmesta pystyviivasta. Toisten lähteiden mukaan resoluutio on absoluuttinen. Siten isommalla halkaisijalla tehdyn, esimerkiksi 64lp/mm yksikön resoluutio olisi todellisuudessa parempi kuin pienemmällä halkaisijalla oleva muutoin identtinen 64lp/mm yksikkö. Varmaa kuitenkin on että nykyisille valonvahvistinyksiköille ilmoitetut resoluutiot ovat keskenään verrannollisia- varauksin. Periaatteessa (yli)kirkas kuva heikentää resoluutiota, ja kaikki valmistajat eivät ilmoita minkälaisessa valaistuksessa resoluutio on mitattu. Resoluutio saatetaan myös ilmoittaa erikseen kuvan keskiosalta ja reunoilta koska resoluutio on yleensä heikompi kuva-alan reunoilla.

Generaation 1 rakenteeseen perustuvilla valonvahvistimilla resoluutio on tyypillisesti 40 lp/mm tai huonompi. Generaation2 laitteilla tyypillinen resoluutio voi olla välillä 25-72 lp/mm. Generaation 3 laitteilla resoluutio on yleensä minimissään 64lp/mm, parhaiden Amerikkalaisten Gen3+ Omnibus VIII mispec –laitteiden ollessa 64 tai 72lp/mm, lähteestä riippuen.

”System resolution”, ”järjestelmän erottelukyky” on yksikkö joka kertoo kokonaisen valonvahvistinlaitteen todellisen resoluution. Yksikkö “Cycles per Milliradian” (cy/mr tai cy/mrad). Laitteella jonka resoluutio on 1 cy/mrad voi havaita 1000m etäisyydeltä kaksi leveydeltään 0.5m kokoista erillistä kappaletta joiden välissä on 0.5m väli. Valonvahvistimen suurempi optinen suurennoskerroin parantaa siten käytännön resoluutiota mikäli muut tekijät pysyvät samana.

Distortion

“Vääristymä”, eli kuvakentän geometriset virheet. Ongelmallinen etenkin Gen0 ja Gen1 laitteiden kohdalla. Pahimpia ovat- yllätys yllätys- neuvostovalmisteiset laitteet. Nykyaikaisissa Gen2 ja Gen3 - laitteissa vääristymät ovat merkityksettömän pieniä, poislukien varhaiset Gen2 laitteet joissa 180 asteen kuvan kääntö toteutettiin elektrostaattisesti kuituoptiikan sijasta. Käytännössä mikrokanavaputkella toteutetussa valonvahvistimessa ei voi olla pahoja geometrisiä virheitä.

Equivalent Background Illumination (EBI)

“Taustavalo”, lumenia neliösenttimetrille (lm/cm2) tai mikroluksia (ulx). Mikäli kaiken valon tulo estetään valonvahvistimen sisälle, jää kuvakenttään silti hieman itse laitteen synnyttämää taustavaloa. Asialla on merkitystä valonvahvistimen äärirajoilla toimittaessa. Mikäli valon määrä on lähes olematon, pienikin laitteesta syntyvä taustavalon määrä saattaa peittää näkökentässä erittäin heikosti näkyvät kohteet. Tyypillisesti Gen3 laitteiden taustavalon määrä on hieman pienempi (=parempi) kuin Gen2 laitteiden. Vertailu valmistajien spesifikaatioiden perustella on hankalaa koska mittaustapa ei ole standardi.

FOM “Figure of Merit”

“Suorituskyvyn lukuarvo”. Keksitty kuvaamaan valonvahvistinyksikön suorituskykyä yhdellä lukuarvolla. Luku lasketaan kahdesta tärkeimmästä yksittäisestä valonvahvistimen suorituskykyyn vaikuttavasta arvosta: signaali-kohinasuhteesta sekä nimellisresoluutiosta. (S/N ratio * lp/mm)

Termiä käytettiin ensimmäistä kertaa virallisessa yhteydessä USA:n ”National Defence Universityn” toimesta vuonna 2001. Laitteiden vientiä ei voitu rajoittaa pelkästään laitegeneraatioon perustuen koska käytännön suorituskyvyt ovat nykyisin käytännössä tasoissa.

USAssa valmistettuja laitteita joiden FOM on yli 1400, ei saa viedä ulos maasta. DTSA (Defence Technology Security Administration) voi myöntää poikkeuksia tapauskohtauksen harkintansa perusteella. Lehtitietojen perusteella näin on toimittu myös Suomeen hankittujen PVS-14 laitteiden kohdalla.

Fixed-Pattern Noise (FPN)

Kuvakentässä näkyvä haamumainen hunajakenno. Johtuu mikrokanavalevyrakenteesta, ja on havaittavissa kaikilla Gen2/Gen3 valonvahvistimilla mikäli näkymä on tarpeeksi kirkas.

Gain

“Tube Gain” (valonvahvistinyksikön vahvistuskerroin) lasketaan jakamalla yksikössä synnytetty valomäärä (fL) yksikköön sisäänmenevän valon määrällä (fc). Kutsutaan myös kirkkausvahvistukseksi (brightness gain) tai lumnanssivahvistukseksi (luminance gain). Nykyisissä Gen2/Gen3 valonvahvistimissa lukuarvo –siis valon vahvistamisen kerroin- on kymmeniä tuhansia.

”System Gain” (kokonaisen järjestelmän vahvistuskerroin) on lukuarvona pienempi. Se on myös käytännöllisempi koska laskennassa on mukana kokonainen valmis laite. Laskennassa käytetään samaa (fL) yksikköä sekä objektiivista laitteeseen sisäänmenevän että laitteen okulaarista ulostulevan valomäärän suhteen. Nykyisissä laitteissa arvo on 2000-3000. Laadukkailla 1x suurentavilla monokulaareilla ”system gain” on n. 1/10 tube gain arvosta.

Kahta vertailuarvoa tarvitaan jotta sekä valonvahvistinyksiköitä että kokonaisia valmiita laitteita voitaisiin vertailla järkevästi. Valmistajat valitsevat ”Tube Gain” – kertoimeltaan sopivimman yksikön aina sovelluksen mukaan. Valonvahvistuskertoimen kasvattaminen ei paranna suoraan laitteen pimeäsuorituskykyä, molemmilla Gen2 ja Gen3 tekniikoilla päästään tarvittaessa 100000x ”tube gain” vahvistuskertoimiin. Käytännössä pimeänäkölaitteiden suorituskykyä rajoittavat SNR, resoluutio ja fotokatodin (epä)herkkyys, ei vahvistuskerroin.

Useissa laitteissa vahvistuskertoimen voi säätää manuaalisesti, joissakin uudemmissa säätö on automaattinen (ATG, automatic gain control) Säätö on tarpeellinen koska suuri vahvistuskerron (yhdistettynä kirkkaaseen katseltavaan kohteeseen) huonontaa laiteiden resoluutiota sekä lisää kuvan kohinaa.

Modulation transfer function (MTF)

MTF –arvo on laitteen suorituskyvyn kannalta erittäin tärkeä. MTF kertoo prosentuaalisena lukuarvona kuinka hyvin valonvahvistin toistaa katsellun kohteen alkuperäisen kontrastin valmiissa vahvistetussa kuvassa. Koska MTF on aina parempi suhteelliselta kooltaan (lp/mm) isompia kohteita tähystettäessä ja toistokäyrä ei ole lineaarinen, valmistajat ilmoittavat spesifikaatioissaan MTF:n suorituskyvyn usealle eri resoluutiolle. Isompi prosenttiluku tarkoittaa paremmin toistettua kontrastia –siis parempaa suorituskykyä.

Esimerkkinä tämänhetkiset parhaat Gen2/Gen3 milspec -laitteet: Photonis Gen2 XR5 sekä ITT Gen3+ (Gen4) US Omnibus VIII Pinnacle
2.5lp/mm XR5=94% Omni VIII=92%
7.5lp/mm XR5=85% Omni VIII=80%
15lp/mm XR5=70% Omni VIII=61%
25lp/mm XR5=50% Omni VIII=38%
30lp/mm XR5=40% Omni VIII=ei ilmoitettu

Signal-to-noise ratio (S/N, SNR)

Signaali/kohina suhdeluku (prosentteina) on resoluution kanssa tärkein yksittäinen käytännön pimeäsuorituskykyyn vaikuttava arvo- jopa resoluutiotakin tärkeämpi. Karrikoidusti sanottuna, luku kertoo paljonko valonvahvistimen tuottamasta singnaalista on häiriöitä suhteuteessa todelliseen haluttuun signaaliin. Isompi prosenttiluku on parempi. Nykyaikaisissa laitteissa arvo on yli 25%, Photoniksen XR5 ilmoittaa SNR –arvoksi 28%@ 108 µlx valomäärä), viimeisimmistä Amerikkalaisista Omnibus V 21%, VI 25%, VII 28% ja uudemmassa Omnibus VIII vähintään 25%”. Asia ei valitettavasti ole kuitenkaan ihan näin yksinkertainen - Yhdysvaltalaiset valmistajat eivät erittele mittaustapojaan. Esimerkiksi valon kirkkaudella ja/tai valon aallonpituudella on vaikutusta mitattuun prosenttilukuun. Vertailuarvona kuitenkin vähintäänkin erittäin hyvin suuntaa-antava, laitteen valmistusmaasta riippumatta.

Simuloitu kuva SNR:n vaikutuksesta: Ylemmässä kuvassa matalampi SNR, alemmassa kuvassa korkeampi SNR. Kuva: Photonis.