За останні роки в науці і техніці широкий розвиток отримали електронні методи посилення яскравості зображень. Застосування деяких з них в астрономії дозволяє значно скоротити час витримки при фотографуванні і збільшити проницающую силу сучасних оптичних телескопів, а в ряді випадків вести спостереження в таких областях спектра (інфрачервона область), в яких навіть спеціальні фотографічні пластинки мало придатні.
Інтервали освітленостей зображень, з якими доводиться стикатися астроному при фотографуванні небесних об'єктів, дуже великі. Ця обставина визначає необхідний час витримки фотопластинки для отримання негативів хорошої якості. Залежно від яскравості об'єкта час витримки може змінюватися від сотих, а іноді і менших часток секунди (для Сонця) до десятків годин (для слабких туманностей та ін.). Зменшення часу витримки, зокрема при фотографуванні планет, дозволяє підвищити якість зображення. Як відомо, тривалий фотографування дає нечіткі зображення на негативах через перешкоди від атмосферної турбуленции.
Час витримки можна скоротити або збільшенням діаметра вхідного отвору телескопа, що іноді буває важко зробити, або використанням фотоелектричних світлоприймач більш чутливих, ніж миска. Їх відносна чутливість в більшості випадків незмінна, в той час як у фотопластинки при тривалих експозиціях вона падає. Виграш в чутливості в порівнянні з фотопластинкою при середній освітленості реєстрованого зображення може бути близько 300 разів.
В даний час в техніці широко застосовуються три способи посилення яскравості зображення: електролюмінесцентний, електронно-оптичний, телевізійний. Деякі з них використовуються і в астрономії.
На основі першого способу розроблені електролюмінісцентні підсилювачі яскравості (ЕЛУ). Вони складаються з багатошарової системи чергуються між собою фотосопротивлений і люмінофорів, що живляться електричним струмом. Ці підсилювачі, незважаючи на надзвичайну простоту поводження з ними і майже повна відсутність в них елементів настройки, поки не використовуються в астрономії, так як мають малу роздільну здатність і відносно малою світловий чутливістю. Однак параметри ЕЛУ швидко поліпшуються і, ймовірно, скоро стануть задовольняти вимогам астрономічних спостережень.
Другий спосіб посилення яскравості полягає в перетворенні оптичного зображення за допомогою електронно-оптичного перетворювача (ЕОП) спочатку в електронне, а потім знову в видиме.
Може бути використаний також і принцип електронної фотографії (Е Ф). В ЕФ оптичне зображення проектується на напівпрозорий фотокатод. Останній під дією світла випромінює електрони. У світлих місцях зображення їх випромінюється більше, в темних - менше. Таким чином фотокатод утворює електронний потік. За допомогою додаткового електричного поля напругою 20 кв потік електронів прискорюється і фокусується на фотоплівці, утворюючи електронне зображення. При ударі електронів в фотоемульсію створюється ефект, подібний до дії світла. Такий прилад може мати дуже високою роздільною силою. Чіткість одержуваного на фотопластинці зображення обмежується лише її зернистістю.
Залежно від матеріалу фотокатода перетворювач може мати різну чутливість в різних променях світла, т. Е. Мати різну спектральної чутливістю. Так, наприклад, широко поширений сурьмяно-цезієвий фотокатод має максимум чутливості в синіх променях. Киснево-цезієвого фотокатод має два максимуму чутливості - перший в синіх променях, другий - в інфрачервоних. Це дає можливість застосовувати перетворювач для фотографування зображення в невидимих оку променях світла. Киснево-вісмутовий-цезієвий фотокатод має максимальну чутливість в зелених променях, подібно спектральної чутливості людського ока. Найбільш ефективним, як видно з графіка, є многощелочной фотокатод.
Щоб порівняти чутливість фотопластинки і фотокатода як приймачів світла, необхідно визначити загальні для них якісні показники. Зазвичай для порівняння беруть коефіцієнти корисної дії, вводячи поняття про квантовий вихід светоприемника. Для фотокатода це - число фотоелектронів, що випромінюються під дією одного кванта світла, що потрапляє на його поверхню; для фотопластинки - число зерен металевого срібла, яке можна виявити після прояву. Квантовий вихід виявиться дорівнює 100%, якщо кожен квант світла викликає випромінювання одного електрона або поява одного зерна металевого срібла в фотоемульсії. Найбільшим квантовим виходом володіє сурьмяно-цезієвий фотокатод. У максимумі його спектральної чутливості квантовий вихід досягає 30% теоретичного, прийнятого за 100%. Для чутливої фотопластинки необхідно близько 1000 квантів, щоб отримати одне зерно металевого срібла. Таким чином, квантовий вихід фотоемульсії становить близько 0,1%. Чутливість фотокатода вище чутливості фотопластинки в максимумі квантового виходу в 300 разів. Якщо вважати середній квантовий вихід фотокатода рівним 10%, тоді виграш в світлочутливості знизиться до 100 разів. Це означає, що півметровий телескоп з фотокатодом, який використовується в якості светоприемника, виявиться еквівалентним телескопу з дзеркалом діаметром 5 ж, але обладнаному тільки чутливої фотопластинкою.
Реальний виграш часу витримки в результаті застосування ЕОП, очевидно, також може бути від 300 до 100 разів при масштабі збільшення 1: 1.
Перетворювач для електронної фотографії вперше був виготовлений французьким астрономом А. Лаллемандом в 1936 р і використаний для фотографування слабо світяться зірок і ін. В зв'язку з тим, що зображення на фотопластинці приладу є результатом впливу на емульсію НЕ світлового потоку, а пучка фотоелектронів, що вилітають з фотокатода, новий метод посилення яскравості і фотографування був названий електронної фотографією, а прилад - електронним телескопом.
Один з перших типів перетворювача зображення Лаллеманда: перетворювач складається з скляної посудини, зібраного з двох частин, з'єднаних між собою повітронепроникним пристроєм. У першій його частині оптичне зображення небесного об'єкта проектується на сферичну поверхню судини, внутрішня частина якого утворює напівпрозорий фотокатод. Електронний перетворювач 120-сантиметрового телескопа в обсерваторії Хаут Провенс (Франція) використовується з 1956 р для посилення яскравості зображень при спектральних астрономічних спостереженнях слабких об'єктів. Перетворювач встановлений на спектрографі, змонтованому в прямому фокусі. Такий телескоп дає хороші фотознімки спектрів астрономічних об'єктів при експозиції 15 хв. Звичайна фотозйомка того ж спектру на тому самому телескопі з використанням тільки фотопластинки зажадала б значно більшою витримки.
Подальше вдосконалення електронного перетворювача призвело до створення конструкції з трьох секцій з проміжною алюмінієвою плівкою. Перша секція являє собою камеру з високим вакуумом, в якій міститься фотокатод. Замість фотопластинки застосована алюмінієва плівка товщиною в кілька мікрон. Призначення її - зберігати вакуум в першій секції і при фотографуванні пропускати електрони від фотокатода до фотопластинці, щільно прилягає до плівки. Між плівкою і фотокатодом докладено висока прискорює напруга до 30-35 кв. Електрони під впливом електричного поля набувають велику швидкість і легко проходять через металеву плівку, бомбардуючи фотоемульсію на платівці. У другій і третій секціях є проміжний вакуум. Секції повідомляються між собою і з зовнішнім повітрям через щільно закриваються вікна.
Фотопластинка поступово проходить усі секції і щільно притискається до плівки. Її рух відбувається не відразу, а поступово: спочатку її вставляють в третю секцію і зовнішнє вікно щільно закривають. З цієї секції викачують повітря. Коли тиск у другій і третій секціях стане однаковим, відкривають друге вікно і фотопластинку вводять в другу секцію. Після закінчення зйомки фотопластинку в зворотному порядку виймають з приладу. Всі ці операції проводять за допомогою зовнішнього електромагніту, що, звичайно, ускладнює експлуатацію приладу. Удосконалення перетворювача для електронної фотографії призвело до деякого спрощення його конструкції.
В існуючих конструкціях ЕОП розмір вихідного зображення може бути більше або менше вхідного, але частіше масштаб збільшення роблять рівним одиниці. При зменшенні його електронний потік ущільнюється, підвищуючи яскравість зображення на екрані.
Збільшення яскравості зображення супроводжується одночасним появою на екрані розсіяного світла. Контрастність і чіткість зображення погіршуються. Для усунення цього недоліку люмінесцентний екран з внутрішньої сторони, зверненої до фотокатоду, покривають плівкою алюмінію завтовшки 0,08 мк. Електрони вільно проходять через неї і досягають екрану, а розсіяне світло поглинається нею. В результаті чіткість і контрастність зображення на люмінесцентному екрані поліпшуються.
Перетворювачі з зменшеним масштабом зображення застосовують рідко, так як зображення екрану зазвичай не розглядають візуально, а фотографують. Для цього використовують светосильние фотографічні об'єктиви, які дозволяють знизити великі світлові втрати. Наприклад, при об'єктиві з відносним отвором 1: 1 використовується тільки близько 8% світла від екрану перетворювача, інша частина марно розсіюється, не потрапляючи на фотопластинку. Таким чином, використання фотооб'єктива зменшує реальне посилення яскравості електронно-оптичного перетворювача приблизно до 7 разів.
З метою збільшення коефіцієнта використання світла в ряді країн створено перетворювач для контактної фотодруку, що має досить тонку і міцну прозору стінку, на яку наноситься люмінофор.
Недолік перетворювачів, які використовують для підкладки екрану тонку слюдяну плівку, полягає в неможливості збільшення діаметра вихідного зображення. Якщо діаметр екрану більше 10 мм, міцність плівки стає недостатньою, і вона руйнується під дією атмосферного тиску.
В даний час перетворювачі такого типу широко використовуються в астрономії для фотографування зірок і туманностей.
Подальша розробка та удосконалення конструкцій ЕОП привели до створення каскадних схем. У них зображення на екрані першого перетворювача проектується светосильной оптикою на фотокатод другого, а з екрану другого перетворювача фотографується фотокамерою. Така схема дає скорочення експозиції приблизно в 12-15 разів. Однак наявність великої кількості лінз в проміжній оптиці викликає поява розсіяного світла, що знижує контрастність і чіткість зображення.
Значно більше посилення можна отримати, якщо застосувати два перетворювача без проміжної оптики. Для цієї мети роблять загальну скляну пластинку малої товщини (0,05-0,02 мм), що є основою для двошарового елемента. На одну її сторону наносять матеріал екрану першого перетворювача, а на іншу - напівпрозорий фотокатод другого. Кожен каскад отримує напругу 12-15 кв, а двохкаскадний блок 24-30 кв. Фотографування зображення з екрану такого перетворювача зменшує час витримки в 100-140 разів.
Для отримання дуже великого посилення яскравості число каскадів доводять до 3-4. Однак подальшого збільшення їх перешкоджають технологічні труднощі виготовлення, а також зниження контрастності зображення і збільшення перешкод в самому приладі. Так, в багатокаскадних перетворювачах (корисне посилення до 100 000 разів) темнові струми першого фотокатода викликають внутрішні перешкоди у вигляді світлого фону. Він утворюється з великого числа світних точок, безладно переміщаються в усіх напрямках по екрану. Кожна точка виникає від удару одного або декількох електронів про люмінесцентний екран. Очевидно, коефіцієнт посилення яскравості 100 000 виявляється граничним. Подальше його збільшення тільки погіршує роботу приладу. Мінімальна освітленість зображення на фотокатоде, при якій можливо виявити зображення на екрані перетворювача, становить близько 10-6 л / с. Приблизно така ж освітленість спостерігається на поверхні Землі в сильно хмарну і безмісячну ніч.
Крім перерахованих конструкцій ЕОП відомі лабораторні зразки та інших типів. До одного з них відноситься перетворювач, в якому використовується метод вторинної емісії від ряду дінодов, розташованих на однаковій відстані в проміжку між фотокатодом і люмінесцентним екраном. Діноди можуть мати форму тонких металевих плівок, що володіють досить великим ко-коефіцієнтом вторинної електронної емісії. Потік електронів, що летить від фотокатода до люмінесцентному екрану, вибиває багато вторинних електронів з дінодов. Це сильно збільшує його щільність, внаслідок чого відбувається посилення яскравості зображення на екрані перетворювача.
В іншому типі перетворювача з вторинною емісією електронів в якості дінодов використовуються дрібні металеві сітки. Принцип його дії не відрізняється від першого типу. Такі підсилювачі яскравості поки не знайшли застосування на практиці, тому що не забезпечують хорошою чіткості зображення.
На закінчення слід зазначити, що, наприклад, застосування ЕОП з роздільною силою 0,1 мм дає виграш в витримці, необхідної для отримання фотографії небесного об'єкта.