DE3617929A1 - Bildverstaerker fuer das mittlere infrarot - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Bildverstärker für den im folgenden kurz als "Mittel-Infrarot" bezeichneten Infrarotbereich mittlerer Wellenlängen.

Die derzeitigen Bildverstärker nützen die Photoelektronenemission als Primärphotodetektionsprozeß aus und sind daher auf die 1 Mikrometer nicht überschreitenden Wellenlängen des sichtbaren und des nahen Infrarots beschränkt, die zum Beispiel im Mondlicht oder Sternenlicht zur Verfügung stellen und die für die Photoelektronenemission notwendige Energie aufweisen. Bei diesen Einrichtungen werden •typischerweise Mikrokanalplatten verwendet, um die Elektronen zu verstärken, welche dann zur Erzeugung eines sichtbaren Bildes auf einen Leuchtschirm gelenkt werden.

Für Strahlung des mittleren Infrarotbereiches (d. h. durch Wärme erzeugte Strahlung), welche nicht genügend Energie für eine Photoelektronenemission aufweist, werden indirekte Abbildungssysteme verwendet, die Anordnungen von Halbleiterelementen enthalten die, über eine Vielzahl von Drähten mit Anzeigevorrichtungen verbunden sind. Diese Systeme sind daher kompliziert, groß, schwer und teuer.

Es wurde gefunden, daß eine Bildverstärkung im mittleren Infrarotbereich bei Raumtemperatur und ohne die Notwendigkeit eines Kühlsystems erreicht werden kann, indem mittels einer Linse ein Mittel-Infrarotbild auf einer thermionisch emittierenden Membran erzeugt wird und die von der Rückseite der Membran als Folge der auf die Vorderseite der Membrane fallenden Mittel-Infrarotstrahlung emittierten Elektronen in den Kanälen einer Mikrokanalplatte vervielfacht werden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen wird der Elektronenstrom von der Mikrokanalplatte zur Erzeugung eines sichtbaren Bildes auf eine elektrolumineszierende Anzeigevorrichtung gelenkt; ferner kann ein Modulator verwendet werden, um sich wiederholend die einfallende

Mittel-Infrarotstrahlung passieren zu lassen und zu sperren, und eine Bilderzeugungsstufe dient dann dazu, Signale zu erzeugen, welche in Relation stehen zur Differenz zwischen dem Elektronenstrom von der Mikrokanalplatte, wenn die eintretende Mittel-Infrarotstrahlung durchgelassen wird, und dem Elektronenstrom, wenn die eintretende Mittel-Infrarotstrahlung gesperrt wird.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Vertikalschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bildverstärkers für das mittlere Infrarot;

Fig. 2 einen schematischen Vertikalschnitt einer Ausführungsform einer Bilderzeugungsstufe der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 die Ersatzschaltung für eine Einheit der Bilderzeugungsstufe gemäß Fig. 2;

Fig. 4 einen schematischen Vertikalschnitt einer anderen erfindungsgemäßen Bilderzeugungsstufe, und

Fig. 5 eine Ersatzschaltung für eine Einheit der Bilderzeugungsstufe gem. Fig. 4.

In Fig. 1 ist ein Bildverstärker (10) für das mittlere Infrarot dargestellt, der ein für das mittelere Infrarot transparentes Linsensystem (11), ein für das mittelere Infrarot transparentes Fenster (12), einen Mittel-InfrarotbiIdmodulator (14), (z. B. eine

Pockels-Zelle, welche für die Strahlung während einer Periode T ,

durchlässig ist und während einer genau so langen Periode während eines jeden Zyklus für Strahlung undurchlässig ist, eine

MikrokanaLpLatte (16) mit 50 bis 100 Mikrometer von Mitte zu Mitte

4 beabstandeten Leitenden KanäLen, einer MaximaLverstärkung von 10 und einer maximaLen AusgangsLeistung von 10 ELektronen pro KanaL und Sekunde, eine auf der Vorderseite der MikrokanaLpLatte (16) angebrachte, eine SiLiciumdioxidträgerschicht (19) und eine Kathode (20) (CS-O-Ag-MateriaL Typ S1, mit einer niedrigen Austrittsarbeit von ungefähr 1,2 eV) und eine BiLdextraktions- oder BiLderzeugungsstufe (22) enthäLt. Die Komponenten (12) bis (22) sind von einer zwischen den Komponenten (12) und (22) ausgebiLdeten Vakuumabdichtung umgeben.

Die Dicke der Membran (18) beträgt zwischen 10 Nanometer und 10 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 1 und 10 Mikrometer; sie soLLte nicht so dünn sein, daß sie für StrahLung ohne Absorption durchLässig ist und sie soLLte nicht so dick sein, daß in ihr ein Temperaturgradient infoLge einer KühLung des Außenbereiches auftritt. Sie zeigt eine beträchtLiche thermionische Emission bereits bei geringfügig erhöhten Temperaturen und hat eine ausreichende eLektrische Leitfähigkeit, um die VerLuste durch ELektronenemission ohne Erzeugung eines störenden LateraLen eLektrischen FeLdes auszugLeichen.

Wie Fig. 2 zeigt, enthäLt eine erste Ausführungsform der BiLderzeugungsstufe (22) ein GLasausgangsfenster (24), weLches eine Schicht (26) aus vakuumaufgedampftem, transparentem, eLektrisch Leitfähigem Zinnoxid trägt, über die OberfLäche der Zinnoxidschicht (26) verteiLt sind Einheiten (23) angebracht, weLche jeweils ungefähr 80 Mikrometer breit, voneinander um 100 Mikrometer von Mitte zu Mitte beabstandet, und in der Draufsicht im wesentLichen quadratisch sowie zeiLen- und spaLtenweise auf dem GLasfenster (24) angeordnet sind. Jede Einheit (23) enthäLt eine eLektroLumineszierende Schicht (28), (z. B., aus einem eLektroLumineszierenden MateriaL aus einem MitgLied der FamiLie der ZinksuLfide und z. B. zwischen 10 und 100 Mikrometer dick, darüber eine eLektrisch Leitfähige, metaLLische Schicht (30),

ζ. B. aus einer unter der Handelsbezeichnung "Inconel" erhältlichen Nickel-Chrom-Legierung, darüber eine 1 bis 10 Mikrometer dicke Glasschicht (32), darüber eine elektrisch leitfähige, metallische Kollektorschicht (34), und ein an die Lagen (28) bis (32) angrenzendes und unter die Kollektorschicht (34) reichendes Widerstandsmaterial (36).

In Fig. 3, welche die Ersatzschaltung für eine einzelne Einheit (23) zeigt, stellt I den auf die Kollektorschicht (34) auftreffenden Elektronenstrom dar. Ein Widerstand FL wird durch die Glasschicht (32) und eine Kapazität (C.) durch die Glasschicht (32) und die auf deren gegenüberliegenden Seiten befindlichen leitenden Schichten (30) und (34) gebildet. Ein Widerstand (Rp) wird durch die Zinksulfidschicht (28) und eine Kapazität (Cp) durch die Zinksulfidschicht (28) und die auf deren gegenüberliegenden Seiten sich überlappenden Bereiche der leitfähigen Schichten (26) und (30) gebildet. Das Material (36) bildet einen überbrückungs- oder Ableitwiderstand R,. Außerhalb der abgedichteten Komponenten des Intensitätsverstärkers (10) und mit der Zinnoxidschicht (26) verbunden, befindet sich eine Kapazität (C,). Eine Stromversorgung P ist über einen äußeren Widerstand (R.) mit der Zinnoxidschicht (26) verbunden. Die Materialien und Dimensionen der Komponenten in jeder Einheit (23) sind so ausgewählt, daß sich die gewünschten elektrischen Eigenschaften ergeben. Der Wert des Widerstandes (R_-.) ist sehr viel größer als der Wert des Widerstandes (Rp); um dies zu erreichen, ist die Glasschicht (32) so ausgeführt, daß ihr Leckstrom so gering wie möglich ist. Der Wert der Kapazität (C₁) ist sehr viel größer als der Wert der Kapazität (Cp) und der Wert der Kapazität (C,) ist sehr viel größer als der Wert der Kapazität (C₂), so daß das Verhältnis 1:(1 + C₂/C₃ + C₂ZC₁), welche den Bruchteil der modulierten Komponente des Elektronenstroms, der auf die elektrolumineszierende Schicht (28) auftrifft, so hoch ist, wie möglich. Das Produkt aus dem Wert der Kapazität (Cp) und dem Wert des Widerstandes (R.,) ist sehr viel größer als der Wert von 1/w , wobei

w /2 πdie EingangsstrahLungsmoduLationsfrequenz des Modulators (14)

ist. Die tatsächlichen Werte sind wie folgt:

C₁ 10"¹³F

C₂ 10"¹⁴F

R₁ 10¹⁵ Ohm

R₂ 10¹³ Ohm

R₃ 5 χ 10¹² Ohm

Dadurch wird der Wert der Relaxationszeitkonstante der elektrolumineszierenden Schicht (28) groß verglichen mit der Strahlungsmodulationsperiode, wodurch die Widerstandsverluste des modulierten Signals minimiert werden. Die maximal notwendige Durchschlagsfestigkeit der Kapazitäten beträgt 10 Volt/cm.

In Fig. 4 ist ein teilweise schematisierter Vertikalschnitt einer zweiten Ausführungsform (22') der Bilderzeugungsstufe (22) dargestellt. Sie enthält ein unteres Glasausgangsfenster (50), auf das eine transparente, elektrisch leitfähige Zinnoxidschicht (52) aufgebracht ist. Diese trägt Einheiten (54), die jeweils ungefähr Mikrometer breit, von den benachbarten Einheiten ungefähr 100 Mikrometer von Mitte zu Mitte entfernt, in der Draufsicht im wesentlichen quadratisch und zeilen- und spaltenweise auf dem Glasfenster (50) angeordnet sind. Jede Einheit (54) enthält eine Glasschicht (58), darauf eine elektrisch leitfähige, metallische Schicht (60), darauf eine elektrolumineszierende Schicht (62) und als oberen Abschluß eine elektrisch leitfähige Kollektorschicht (64). Neben den Schichten (58) bis (64) befinden sich eine elektrisch leitfähige Kollektorschicht (66) sowie Dioden (D₁, D_) und ein Widerstand (R,), welche unter der Schicht (66) liegen und in Fig. 4 schematisch dargestellt sind. Zwischen 100 Mikrometer und 1 mm über den Kollektorschichten (64), (66) und mit diesen fluchtend, sind Wolframdrähte (68) mit einem Durchmesser von ungefähr 10 Mikrometer aufgespannt.

In Fig. 5 ist die Ersatzschaltung für eine Einheit (54) gezeigt. Durch die elektrolumineszierende Schicht (62) und die auf deren

gegenüberLiegenden Seiten angebrachten Leitfähigen Schichten (60) und (64) wird eine Kapazität (C.) gebi Ldet. Eine Kapazität (C₁.) wird in erster Linie durch die GLasschicht (58) und durch auf deren gegenüberLiegenden Seiten befindLichen, sich überLappende Bereiche der Leitfähigen Schichten (52) und (60) sowie auch durch überLappende Bereiche der Leitfähigen Schichten (52) und (66) und die Komponenten zwischen diesen gebiLdet. Die MateriaLien und Dimensionen der Komponenten sind so gewähLt, daß der Wert des Widerstandes (R.)

12 13 13

zwischen 10 und 10 Ohm Liegt und vorzugsweise 10 Ohm beträgt und

-U -15 der Wert der Kapazität (C₅) zwischen 10 und 10 Farad Liegt,

ferner ist der Wert der Kapazität (C_) mindestens zehnmaL größer aLs der Wert der Kapazität (C,); die maximaLe DurchschLagsstärke der

5 ^
Kapazitäten beträgt 10 VoLt/cm.

Beim Betrieb wird MitteL-InfrarotstrahLung durch das Linsensystem (11) auf die Frontmembrane (18) projiziert, um dort ein MitteL-InfrarotbiLd zu erzeugen, durch die einzeLnen SteLLen der Membrane in verschiedenem Maße erwärmt werden. Der ModuLator (14) Läßt wiederhoLt die eintretende MitteL-InfrarotstrahLung für eine Zeitspanne (T.) passieren bzw. sperrt die eintretende MitteL-InfrarotstrahLung, ebenfaLLs für eine Zeitspanne (T.), die Frequenz beträgt dabei 100 Hz. Von der Rückseite der Membran (18) werden ELektronen emittiert, wobei das Maß der Emission von der Temperatur der SteLLen der Membran, von denen die Emission erfoLgt, abhängt. Die ELektronen treten in die verschiedenen KanäLe der MikrokanaLpLatte (16) ein, wo sie vervieLfacht werden. Der ELektronenstrom von der MikrokanaLpLatte (16) wird auf die BiLdextraktions- oder BiLderzeugungsstufe (22) geLenkt, wo der von der thermoionischen Hintergrundemission herrührende (d.h. der nicht durch das auf der Membran (18) gebiLdete BiLd bewirkte) ELektronenstrom von Gesamtstrom abgezogen wird. Das sichtbare, von der Stufe (22) wiedergegebene BiLd basiert auf dem Differenzstrom.

Die in Fig. 2 und Fig. 3 genauer gezeigte BiLderzeugungsstufe (22) kann verwendet werden, wenn die vom MitteL-InfrarotbiLd herrührende

thermionische Emission in ihrer Stärke mit der Hintergrundemission der Membran (18) bei Raumtemperatur vergleichbar ist- Die in Fig. 4 und Fig. 5 genauer gezeigte BiLderzeugungsstufe (22¹) kann verwendet werden, wenn die vom Mittel-Infrarotbild herrührende thermionische Emission wesentlich geringer ist als die Hintergrundemission der Membran (18) bei Raumtemperatur.

Beim Betrieb der in Fig. 2 und 3 dargestellten Bilderzeugungsstufe fließt, da der Wert des Widerstandes (R..) sehr groß ist, im wesentlichen die gesamte Gleichstromkomponente des Elektronenstromes I der Mikrokanalplatte durch den Nebenschlußwiderstand (R,) und nur die vom Mittel-Infrarotbild auf der Membran (18) herrührende Wechselstromkomponente des Elektronenstromes wird auf die elektrolumineszierende Schicht (28) gelenkt und erzeugt ein sichtbares Abbild des Mittel-InfrarotstrahlungsbiLdes auf der Membran (18).

Beim Betrieb der in Fig. 4 und 5 gezeigten Bilderzeugungsstufe werden die den KoILektorschichten (64) zugeordneten Drähte (68) und die den KoLLektorschichten (66) zugeordneten Drähte. (68) abwechselnd in Synchronisation mit dem Durchlassen und dem Sperren der Infrarotstrahlung durch den Modulator (14) zwischen positiven und negativen Spannungen umgeschaltet. Wenn die Mittel-Infrarotstrahlung vom Modulator (14) durchgelassen wird, werden die Elektronen von der MikrokanaLplatte (16) durch das Anlegen einer positiven Spannung an die Drähte gegenüber den KoLLektorschichten (64) und einer negativen Spannung an die Drähte gegenüber den KoLLektorschichten (66) alle auf die KoLLektorschichten (64) umgelenkt. Wenn die Mittel-InfrarotstrahLung vom Modulator (14) gesperrt wird, werden die Elektronen von der MikrokanalpLatte (16) durch Anlagen einer negativen Spannung an die Drähte gegenüber den KbLlektorschichten (64) und einer positiven Spannung an die Drähte gegenüber den Kollektorschichten (66) aLle auf die KoL lektorschichten (66) geLenkt.

Wird keine MitteL-InfrarotstrahLung auf die Membran (18) projiziert, so sind die die Kollektorschichten (64) und (66) treffenden ELektronenströme gleich; die Potentiale an den Kollektorschichten (64) und (66) sind gleich, und es gibt kein Querpotential an der elektrolumineszierenden Schicht (62) (Kapazität C, in Fig. 5). Wenn ein Mittel-Infrarotbild auf die Membran (18) projiziert wird, dann unterscheiden sich die die Kollektorschichten (64) und (66) treffenden Elektronenströme und an der elektrolumineszierenden Schicht (62) tritt eine dem Produkt aus der Differenz der Elektronenströme und dem Wert des Widerstandes (R.) gleiche Potentialdifferenz auf und bewirkt die Wiedergabe eines sichtbaren Bildes.

Die oben beispielsweise beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung lassen sich selbstverständlich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Beispielsweise können andere Membran- und Kathodenmaterialen verwendet werden (abhängig, z. B. vom den Betriebstemperaturen und der zu erfassenden Strahlung), und es können abweichende Vorrichtungen verwendet werden, um aus dem Elektronenstrom die mit den Infrarotbildern in Beziehung stehenden Signale zu erzeugen. Das oben beschriebene Cs-O-Ag-Kathodenmaterial hat um 300 K eine brauchbare thermionische Emission; (BaO/SrO)-Ni hat im Bereich von 400 K bis 700 K eine brauchbare Emission und Ba-W hat im Bereich von 375 K bis 500 K eine verwendbare Emission. Andere mögliche Kathodenmaterialien mit niedriger Austrittsarbeit sind in Tabelle 4.1 bei Bleaney et al., "Electricity and Magnetism" (Oxford at the Clarendon Press, 1965), S. 92 aufgelistet.

Es können verschiedene Materialien und Koponenten verwendet werden, um die in Fig. 3 und 5 dargestellten Ersatzschaltungen zu erhalten und es können Modifikationen dieser Schaltungen vorgenommen werden, welche auf denselben Prinzipien für die Extraktion von Bildsignalen basieren. Auch kann in der Bilderzeugungsstufe ein sichtbares Bild

durch Leuchtdioden hervorgerufen werden, Flüssigkristalle oder Plasmazellenkanäle (siehe z. B. in G.F. Weston und R. Bittleston, "Alphanumeric DispLays" McGraw HiLL, 1982), können anstatt der elektroLumineszierenden Materialien verwendet werden. Die Helligkeit einer durch eine dieser Einrichtungen erzeugten Darstellung kann durch eine zweite Bildverstärkerstufe oder sogar durch eine zweite und eine dritte Bildverstärkerstufe erhöht werden, so wie es bei einigen bekannten Nachsichtgeräten üblich ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den von der Mikrokanalplatte austretenden Elektronenstrom direkt auf einen Leuchtschirm treffen zu lassen und aus der sich ergebenden sichtbaren Darstellung mittels bekannter optischer Bildverarbeitungstechniken das Infrarotbild zu extrahieren.

- Leerseite -

Claims (12)

1. PATENTANSRÜCHE

   '. Bildverstärker für das mittlere Infrarot ("Mittel-Infrarot"),

   gekennzeichnet durch

   eine bilderzeugende Mikrokanalplatte (16), eine vor der MikrokanaLplatte befindliche thermionisch emittierende Membran (18), welche bei Bestrahlung durch Mittel-Infrarotstrahlung Elektronen emittiert und

   ein ein Mittel-Infrarotbild auf die Membran abbildendes Linsensystem

   wobei die von der Membran emittierten Elektronen in den Kanälen der Mikrokanalplatte vervielfacht werden.
2. 2. Bildverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (22) zur Erzeugung eines sichtbaren Abbildes des Mittel-Infrarotbildes aufgrund des von der Mikrokanalplatte (16) gelieferten Elektronenstromes.
3. 3. BiIdverstärker nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Modulator (14), der wiederholt Mittel-Infrarotstrahlung zur Membran durchläßt bzw. von der Membran fernhält, und eine Bildextrahiereinrichtung (22; 22'), durch die Signale gewonnen werden, deren Stärke von der Differenz des Elektronenstromes ohne auf die Membran abgebildetes Mittel-Infrarotbild und des Elektronenstromes mit auf die Membran abgebildetem Mittel-Infrarotbild abhängt.
4. 4. Bildverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Bildextraktion und zur Erzeugung eines sichtbaren Bildes (22; 22') eine Vielzahl von durch eine Glasplatte (24; 50) getragene Einzeleinheiten (23; 54) enthalten, wobei jede Einheit ein sichtbares Licht erzeugendes Element (28; 62) enthält.
5. 5. BiIdverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einheit (23) eine R/C-Schaltung (R₂, C.) enthält, so daß die sich verändernde Komponente des ELektronenstromes von der MikrokanalpLatte (16) an dem sichtbares Licht erzeugenden Element (28) auftritt und die sich nicht verändernde Komponente durch andere elektrische Komponenten der Einheit abfließt.
6. 6. Bildverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einheit (54) zwei den Elektronenstrom aufnehmende Kollektoren (64, 66) enthält und daß eine Einrichtung (68) vorgesehen ist, durch die der ELektronenstrom in Synchronisation mit der durch den Modulator (14) zur Membran durchgelassenen und von dem Auftreffen auf die Membran gehinderten Mittel-Infrarotstrahlung alternierend auf den einen Kollektor (64) und dann auf den anderen Kollektor (66) gelenkt wird.
7. 7. Bildverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einheit (54) Einrichtungen (D₁, D^) enthält, durch die dem sichtbares Licht erzeugenden Element (62) (Signale zugeführt werden, die bezüglich ihrer Stärke von der Differenz der von den Kollektoren (64, 66) aufgenommenen Elektronenflüsse abhängen.
8. 8. Bildverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

   daß Elektroden (60, 64) des sichtbares Licht erzeugenden Elementes direkt verbunden mit den oder Bestandteil der beiden Kollektoren (64, 66) sind, welche jeweils mit einem gemeinsamen Widerstand

   (R-) verbunden sind,
   4
9. 9. Bildverstärker nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das sichtbares Licht erzeugende Element (28; 62) ein elektrolumineszierendes Element ist.
10. 10. BiLdverstärker nach Anspruch 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das sichtbares Licht erzeugende Element (28; 62) aus einem eLektroLuminszierenden Material aus der Familie der ZinksuLfidverbindungen hergestellt ist.
11. 11. BiIdverstäker nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das sichtbare Licht erzeugende Element (28; 62) eine Leuchtdiode, ein Flüssigkristallelement oder ein Plasmaplattenelement enthält.
12. 12. Bildverstärker nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (18) als Kathodenmaterial Cs-O-Ag, ( BaO/SrO)-Ni oder Ba-W enthält.