CH671640A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft Infrarotbildverstärker für den mittleren Infrarotbereich.

Bekannte Nachtsichtbildverstärker für Direktbetrachtung benutzen Photoelektronenemission für den primären Photode-tektionsprozess und sind deshalb auf sichtbare, nahe am Infrarot liegende Wellenlängen beschränkt, welche nicht grösser als 1 micron sind und welche z.B. vom Mondlicht oder vom Licht der Sterne stammen, um die nötige Energie für die Photoelektronenemission zur Verfügung zu haben. In diesen Geräten werden in der Regel Mikrokanalplatten zur Verstärkung der Elektronen verwendet, welche dann auf einen Phosphorbildschirm gerichtet werden, um ein sichtbares Bild zu erzeugen.

Bildsysteme für Strahlung im mittleren Infrarotbereich (d.h. von Hitzequellen hervorgerufen), welche ungenügende Energie für die Photoelektronenemission aufweist, sind indirekte Systeme und verwenden Anordnungen von Halbleiterelementen, welche durch eine Vielzahl von Leitungen mit einer Anzeigeeinrichtung verbunden sind. Diese Systeme sind kompliziert im Aufbau, gross, schwer und kostspielig.

Die Erfindung zielt darauf, diese Nachteile zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist sie, wie in Anspruch 1 beschrieben, definiert.

Bei bevorzugten Ausführungsarten wird der Elektronenfluss von der Mikrokanalplatte auf eine Elektroluminiszenzanzeige gerichtet, um ein sichtbares Bild zu erzeugen; ein Modulator wird vorgesehen, welcher einfallende Strahlung im mittleren Infrarotbereich wiederholterweise durchlässt oder sperrt, und eine Bildextraktionsstufe ist vorgesehen, um Signale zu erzeugen, die von der Differenz des Elektronenflusses von der Mikrokanalplatte beim Durchlass der einfallenden Strahlung im mittleren Infrarotbereich und des Elektronenflusses beim Sperren der einfallenden Strahlung im mittleren Infrarotbereich abhängen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schaubildliche Vertikalschnittansicht eines erfin-dungsgemässen Bildverstärkers für den mittleren Infrarotbereich;

Fig. 2 eine schaubildliche Vertikalschnittansicht einer Bildextraktionsstufe des Verstärkers von Fig. 1;

Fig. 3 ein äquivalentes Schaltbild für eine Einheit der Bildextraktionsstufe von Fig. 2;

Fig. 4 eine schaubildliche, teilweise schematische Vertikalschnittansicht einer weiteren Ausführung der Bildextraktionsstufe;

Fig. 5 eine äquivalente Schaltung für eine Einheit der Extraktionsstufe von Fig. 4.

In Fig. 1 ist ein Bildverstärker 10 für den mittleren Infrarotbereich gezeigt, mit einer für diesen Bereich durchlässigen Linsenanordnung 11, einem für diesen Bereich durchlässigen Fenster 12, einem Bildmodulator 14 (einer Pockelszelle, welche die Strahlung während einer Zeitdauer T0 durchlässt und die Strahlung während eines gleichlangen Zeitraumes in jeder Periode sperrt) für diesen Bereich, einer Mikrokanalplatte 16 (mit leitenden, 50-100 mm microns von Mitte zu Mitte beabstandeten Kanälen, einem maximalen Gewinn von 104 und einem maximalen Ausgang von 108 Elektronen/Kanal-Sekunde), einer an der Vorderseite der Mikrokanalplatte 16 angeordneten Membrane 18 mit einer Siliziumdioxyd aufweisen Tragschicht 19 und einer Kathode 20 (Cs-O-Ag Material, Sl-Code, mit einer tiefen Austrittsarbeit von ca. 1,2 eV), und mit einer Bildextraktionsstufe

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22. Die Teile 12 bis 22 sind im Vakuum angeordnet und eine Vakuumdichtung ist zwischen den Teilen 12 und 22 vorgesehen.

Die Membrane 18 besitzt eine Dicke zwischen 100 Angström und 10 microns, vorzugsweise zwischen 1 und 10 microns; die Membran sollte nicht so dünn sein, dass die Strahlung ohne Absorption hindurchtritt, und nicht so dick, dass sich aufgrund der peripheren Kühlung ein Temperaturgradient über der Membran einstellt. Die Membran zeigt beträchtliche thermionische Emission bei nur geringfügig erhöhter Temperatur und weist genügend elektrische Leitfähigkeit auf, um Elektronenemissionsverluste ohne Entstehung eines störenden elektrischen Lateralfeldes zu ersetzen.

Gemäss Fig. 2 besitzt eine erste Ausführungsform der Bild-extrationsstufe 22 ein gläsernes Ausgangsfenster 24, welches Schichten 26 von vakuumabgelagertem transparentem, elektrisch leitendem Zinnoxyd trägt. Auf der Oberfläche der Zinn-oxydbeschichtung 26 sind Elemente 23 angeordnet, welche jeweils ca. 80 microns breit sind, deren Mitten voneinander um 100 microns beabstandet sind, welche in Draufsicht im wesentlichen quadratisch sind und die in Reihen und Kolonnen auf dem Glasfenster 24 angeordnet sind. Jedes Element weist eine Elek-troluminiszenzschicht 28 auf (welche z.B. ein Mitglied aus der Zinksulfid-Familie der Elektroluminiszenzmaterialien ist und eine Dicke zwischen 10 und 100 microns aufweist), eine darauf angeordnete elektrisch leitende metallische Schicht 30 (z.B. aus einer Nickel-Chrom-Liegerung, welche unter dem Handelsnamen Inconel bekannt ist), eine darauf angeordnete 1 bis 10 microns dicke Glasschicht 32, eine darauf angeordnete metallische Kollektorschicht 34 und Widerstandsmaterial 36, welches seitlich an den Schichten 28-32 anliegt und unter der Kollektorschicht 34 liegt.

Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer zu einem einzelnen Element 23 äquivalenten Schaltung, wobei Ie den Elektronenfluss darstellt, welcher auf die Kollektorschicht aufprallt. Der Widerstand Ri wird von der Glasschicht 32 gebildet und die Kapazität Ci von der Glasschicht 32 und den leitenden Beschichtungen 30, 34 beidseitig der Glasschicht. Der Widerstand R2 wird von der Zinksulfidschicht 28 gebildet und die Kapazität C2 von den sich überdeckenden Teilen der leitenden Schichten 26, 30 auf gegenüberliegenden Seiten der Zinksulfidschicht 28. Der Parallelwiderstand R3 wird vom Material 36 gebildet. Die Kapazität C3 wirkt ausserhalb der luftdicht verschlossenen Teile des Verstärkers 10 und ist mit der Zinnoxydschicht 26 verbunden. Die Stromversorgung Ps ist über den externen Widerstand R4 ebenfalls mit der Zinnoxydschicht verbunden. Die Materialien und Dimensionen jeder Einheit sind derart gewählt, dass bestimmte elektrische Eigenschaften gegeben sind. Der Widerstandswert von Ri ist viel grösser als der Widerstands wert R2; um dies zu erreichen wird die Glasschicht 32 mit kleinstmöglichem Leckstrom gewählt. Der Kapazitätswert der Kapazität Q ist viel grösser als der Kapazitätswert der Kapazität C2 und der Wert der Kapazität C3 ist viel grösser als derjenige von C2, so dass das Verhältnis 1: (1 + C2/C3 + C2/Ci), so gross als möglich ist, welches den Anteil der modulierten Komponente des Elektronenflusses, welcher an die Elektroluminiszenzschicht 28 abgegeben wird, bestimmt.

Das Produkt des Kapazitätswertes der Kapazität C2 mit dem Widerstand R2 ist viel grösser als der Wert l/wm, wobei wm/27t die Modulationsfrequenz der Eingangsstrahlung durch 14 ist. Die tatsächtlichen Werte sind wie folgt:

Ci 10"13F C2 10"14F Ri IO15 Ohm R2 1013 Ohm R3 5 x IO12 Ohm

Damit ist die Erholungszeitkonstante der Elektroluminiszenzschicht 28 lang im Vergleich zur Strahlungsmodulationspe-riode, um resistive Verluste des modulierten Signals minimal zu halten. Die maximal erforderliche Durchschlagfestigkeit der Kondensatoren ist 105V/cm.

In Fig. 4 ist eine teilweise schematische Vertikalschnittansicht einer zweiten Ausführungsart der Bildextraktionsstufe 22 gezeigt, welche mit 22' bezeichnet wird. Sie beinhaltet das untere gläserne Ausgangsfenster 50, auf welchem die transparente, elektrisch leitfähige Zinnoxydschicht 52 aufgebracht ist. Darauf sind die Einheiten 54 angeordnet, jeweils ca. 80 microns breit, . deren Mitten jeweils 100 microns voneinander beabstandet sind und welche in Aufsicht im wesentlichen quadratisch sind und die in Reihen und Kolonnen auf dem Glasfenster 50 angeordnet sind. Jede Einheit 54 umfasst eine Glasschicht 58, eine darauf angeordnete elektrisch leitende, metallische Schicht 60, eine darauf angeordnete Elektroluminiszenzschicht 62 und zuoberst die elektrisch leitende Kollektorschicht 64. Seitlich anschliessend an die Schichten 58-64 sind die elektrisch leitende Kollektorschicht 66 und unterhalb dieser die Dioden Di, D2 und Widerstand R4 vorgesehen, welche in Fig. 4 schematisch gezeigt sind. 100 microns bis 1 mm oberhalb der Kollektorschichten 64, 66 und zu diesen ausgerichtet, sind Wolframdrähte 68 aufgehängt, deren Durchmesser ca. 10 microns beträgt.

In Fig. 5 ist die äquivalente Schaltung einer Einheit 54 gezeigt. Die Kapazität C4 wird durch die Elektroluminiszenzschicht 62 und die beidseitigen leitenden Schichten 60, 64 gebildet. Die Kapazität C5 wird hauptsächlich von der Glasschicht 58 und den überdeckenden Abschnitten der leitenden Schichten 52, 60 auf den beiden Seiten der Glasschicht 58 gebildet und auch von den überdeckenden Abschnitten der leitenden Schichten 52, 66 und den dazwischenliegenden Komponenten. Die Materialen und Dimensionen sind derart, dass der Wert des Widerstandes R4 zwischen 1012 und 1013 Ohm liegt und vorzugsweise 1013 Ohm beträgt, dass der Kapazitätswert der Kapazität C5 zwischen 10"14 und 10~15 Farad beträgt, dass der Wert der Kapazität C5 mindestens 10 mal grösser als der Wert der Kapazität C4 und dass die maximale Durchschlagfestigkeit der Kondensatoren 105 V/cm beträgt.

Im Betrieb wird die Infrarotstrahlung im mittleren Bereich durch die Linsenanordnung auf die Vorderseite der Membrane 18 projiziert und bildet dort ein Bild im mittleren Infrarotbereich, wobei Abschnitte der Membran in unterschiedlichem Mass aufgeheizt werden. Der Modulator 14 lässt wiederholterweise die einfallende Infrarotstrahlung im mittleren Bereich während einer Zeit Ta durch und sperrt die einfallende Strahlung während einer Zeit Ta, mit einer Frequenz von 100 Hz. Elektronen werden von der Rückseite der Membrane 18 emittiert, in einer Menge, welche von der Temperatur der Membrane am Emissionsort abhängt und diese Elektronen treten in mehrere der Kanäle der Mikrokanalplatte 16 ein. Innerhalb der Kanäle der Mikrokanalplatte 16 werden die Elektronen vervielfacht. Der Elektronenfluss aus der Mikrokanalplatte 16 wird zur Bildextraktionsstufe 22 gegeben, worin der Elektronenfluss resultierend von thermionischer Grundemission (d.h. der nicht vom Bild auf der Membrane 18 hervorgerufene Fluss) vom totalen Fluss subtrahiert wird. Das von der Stufe 22 dargestellte sichtbare Bild basiert auf der gebildeten Differenz.

Die Bildextraktionsstufe 22 gemäss Fig. 2 und 3 wird verwendet, wenn die thermionische Emission basierend auf dem Bild im mittleren Infrarotbereich in der Grössenordnung vergleichbar zur Grundemission der Membrane 18 bei Raumtemperatur ist. Die Bildextraktionsstufe 22' gemäss den Fig. 4 und 5 wird verwendet, wenn die Emission aufgrund des Infrarotbildes viel kleiner ist als die Grundemission der Membrane bei Raumtemperatur.

Beim Betrieb der Extraktionsstufe gemäss den Fig. 2, 3 geht aufgrund des hohen Widerstands wertes des Widerstandes Ri im wesentlichen die gesamte Gleichstromkomponente des Mikroka-nalplattenelektronenflusses Ic durch den Parallelwiderstand R3, und nur die Wechselstromkomponente des Elektronenflusses,

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basierend auf dem Infrarotbild auf der Membran 18, gelangt zur Elektroluminiszenzschicht 28 und ergibt ein sichtbares Bild des Infrarotstrahlungsbildes auf der Membrane 18.

Beim Betrieb der Bildextraktionsstufe gemäss den Fig. 4, 5 werden diejenigen Drähte 68, welche zu den Kollektorschichten 64 gehören und diejenigen Drähte 68, welche zu den Kollektorschichten 66 gehören, abwechslungsweise mit positiver und negativer Spannung beaufschlagt, wobei dies synchron mit dem Durchlassen und dem Sperren der Infrarotstrahlung durch den Modulator 14 erfolgt. Wird die Infrarotstrahlung vom Modulator 14 durchgelassen, so werden alle Elektronen von der Mikrokanalplatte 16 zu den Kollektorschichten 64 abgelenkt, indem eine positive Spannung an die Drähte oberhalb der jeweiligen Kollektorschicht 64 angelegt wird und eine negative Spannung an diejenigen Drähte oberhalb der Kollektorschichten 66. Wird die Infrarotstrahlung vom Modulator 14 gesperrt, so werden alle Elektronen von der Mikrokanalplatte 16 auf die Kollektorschichten 66 gerichtet, indem eine negative Spannung an die Drähte oberhalb der KoEektorschichten 64 angelegt wird und eine positive Spannung an die Drähte oberhalb der Kollektorschichten 66.

Wird keine Strahlung im mittleren Infrarotbereich auf die Membrane 18 projiziert, so sind die Elektronenflüsse, welche auf die Kollektorschichten 64, 66 auftreffen gleich gross; die Potentiale an den Schichten 64 und 66 sind gleich, und es stellt sich keine Potentialdifferenz über der Elektroluminiszenzschicht 62 (Kapazität C4 in Fig. 5) ein. Wird ein Bild im mittleren Infrarotbereich auf die Membrane 18 proziziert, so unterscheiden sich die Elektronenflüsse, welche auf die Schichten 64, 66 auftreffen und eine Potentialdifferenz entsprechend dem Produkt der Differenz der Elektronenflüsse mit dem Widerstand R4 stellt sich über der Elektroluminiszenzschicht 62 ein und bewirkt die Anzeige eines sichtbaren Bildes.

Auch andere Membran- und Kathodenmaterialien können verwendet werden (z.B. abhängig von der Betriebstemperatur 5 und der zu betrachtenden Strahlung) und verschiedene Mittel können zur Extraktion der bildabhängigen Signale aus dem Elektronenfluss verwendet werden. Das vorstehend beschriebene Cs-O-Ag Kathodenmaterial zeigt eine nutzbare thermionische Emission im Bereich von 300°K. BaO/SrO-Ni zeigt nutz-10 bare Emission im 400-700°K Bereich und Ba-W zeigt nutzbare Emission im Bereich von 375-500°K. Andere Materialien für Kathoden mit geringer Austrittsarbeit sind bei Bleaney et al, Electricity and Magnetism, Oxford 1965 auf Seite 92 in Tabelle 4.1 aufgelistet.

15 Verschiedene Materialien und Komponenten können zur Bildung der äquivalenten Schaltungen gemäss den Fig. 3 und 5 verwendet werden, wobei diese Schaltungen zur Erfüllung der prinzipiellen Aufgabe der Bildextraktion auch modifiziert werden können. In der Bildextraktionsstufe kann ein sichtbares 20 Bild auch mittels Leuchtdioden, Flüssigkristallen oder Plasmazellenanzeigen anstelle der Elektroluminiszenzmaterialien erzeugt werden (wie z.B. bei G.F. Weston und R. Bittlestone, Alphanumeric Displays, McGraw-Hill, 1982 gezeigt). Die Helligkeitsanzeige jeder dieser Anzeigen kann durch eine zweite Stufe 25 der Bildverstärkung erhöht werden, oder durch eine zweite und dritte Stufe, wie dies bei bekannten Nachtsichtgeräten der Fall ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass der Elektronenfluss aus der Mikrokanalplatte direkt auf einen Phosphorbildschirm auftrifft, wobei das Infrarotbild aus der resultieren-30 den sichtbaren Anzeige durch bekannte optische Bildverarbeitungstechniken gewonnen wird.

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1 Blatt Zeichnungen

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Bildverstärker für den mittleren Infrarotbereich, gekennzeichnet durch eine abbildende Mikrokanalplatte (16), eine vor der Mikrokanalplatte angeordnete thermionisch emissive Membran (18), welche Membran bei der Beaufschlagung mit Strahlung im mittleren Infrarotbereich Elektronen emittiert, und eine Linsenanordnung (11), welche ein Bild im mittleren Infrarotbereich auf der Membrane erzeugt, wobei die Membrane dünn genug und so montiert ist, dass sich an ihrer Oberfläche zweidimensionale Temperatur-Unterschiede bilden, welche besagtem Bild im mittleren Infrarotbereich entsprechen, derart dass die Anzahl der von der Membrane emittierten Elektronen von der Temperatur der Membran am Ort ihrer Emission abhängt, und dass diese Elektronen in den Kanälen der Mikrokanalplatte (16) vervielfachbar sind.
2. 2. Bildverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Bildsichtbarmachungsmittel, um aus dem, auf einem von der Mikrokanalplatte erzeugten Elektronenfluss basierenden, Bild im mittleren Infrarotbereich ein sichtbares Bild zu erzeugen.
3. 3. Bildverstärker nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Modulator (14), welcher zum wiederholterweisen Hindurchlassen der Strahlung im mittleren Infrarotbereich der Membrane (18) bzw. zum Fernhalten der Strahlung von der Membrane ausgestaltet ist, und Bildextraktionsmittel zur Erzeugung von Signalen, deren Grösse abhängig von der Differenz des Elektronenflusses beim NichtVorliegen eines Bildes im mittleren Infrarotbereich auf der Membran und des Elektronenflusses beim Vorliegen eines Bildes im mittleren Infrarotbereich auf der Membran ist.
4. 4. Bildverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildsichtbarmachungsmittel und die Bildextraktionsmittel von einer Mehrzahl getrennter, von einer Glasplatte getragener Einheiten (23, 54) gebildet werden, welche jeweils ein Element zur Erzeugung sichtbaren Lichtes aufweisen.
5. 5. Bildverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenfluss einen veränderlichen und einen unveränderlichen Anteil hat, und dass jede Einheit ein Widerstand/Kondensator-Netzwerk aufweist, welches derart ausgestaltet ist, dass die Wechselkomponente des Elektronenflusses aus der Mikrokanalplatte an dem sichtbares Licht erzeugenden Element anlegbar ist und die Gleichkomponente durch weitere elektrische Bauteile der Einheit abführbar ist.
6. 6. Bildverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einheit zwei Kollektoren zum Empfang des Elektronenflusses und Mittel zum abwechslungsweisen Ablenken des Elektronenflusses zu dem einen und dem anderen Kollektor synchron mit dem Hindurchlassen und Sperren der Strahlung im mittleren Infrarotbereich durch den Modulator aufweist.
7. 7. Bildverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einheit Mittel zur Versorgung der sichtbares Licht erzeugenden Elemente mit Signalen aufweist, welche Signale abhängig von der Differenz der Grössen der von den Kollektoren empfangenen Elektronenflüsse sind.
8. 8. Bildverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden des sichtbares Licht erzeugenden Elementes direkt verbunden oder einstückig mit den zwei Kollektoren sind, welche mit einem gemeinsamen Widerstand verbunden sind.
9. 9. Bildverstärker nach Anspruch 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das sichtbares Licht erzeugende Element ein Elektroluminiszenzelement ist.
10. 10. Bildverstärker nach Anspruch 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das sichtbares Licht erzeugende Element von einem Mitglied der Zinksulfidfamilie elektroluminiszierenden Materials gebildet wird.
11. 11. Bildverstärker nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das sichtbares Licht erzeugende Element von einer Leuchtdiode oder einem Flüssigkristallelement oder einem Plasmapaneelelement gebildet wird.
12. 12. Bildverstärker nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane eine Kathode mit einem der Materialien Cs-O-Ag oder (BaO/SrO)-Ni oder Ba-W aufweist.