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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Bildverstärkervorrichtung sowie auf ein Verfahren zur
Herstellung einer solchen Vorrichtung.
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Bildverstärkervorrichtungen vervielfachen die Menge
des von ihnen empfangenen Lichtes und schaffen damit
eine Erhöhung des Ausgangslichtes, das zu einer Kamera
oder direkt zu den Augen eines Betrachters befördert
werden kann. Diese Vorrichtungen sind besonders
nützlich zum Schaffen von Bildern von dunklen Bereichen
und finden sowohl industrielle als auch militärische
Anwendung. Zum Beispiel werden diese Vorrichtungen zum
Verbessern der Nachtsicht von Flugzeugführern, zum
Photographieren von Himmelskörpern sowie zur Schaffung
von Nachtsicht für Personen, die an Retinitis
pigmentosa (Nachtblindheit) leiden.
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Moderne Bildverstärkervorrichtungen beinhalten drei
Hauptkomponenten, nämlich eine Photokathode, ein
Leuchtstoffschirm (Anode) und eine zwischen
Photokathode und Leuchtstoffschirm positionierte
Mikrokanalplatte (MCP). Diese Komponenten sind in einer Röhre
untergebracht. Die Photokathode ist extrem empfindlich
gegenüber niedrigen Strahlungspegeln von Infrarotlicht
im Spektralbereich von 580 bis 590 nm (rot). Bei der
Mikrokanalplatte handelt es sich um eine dünne
Glasplatte mit einer Anordnung sich durch diese
hindurcherstreckender, mikroskopischer Löcher. Jedes Loch ist
dazu in der Lage, als kanalartiger
Sekundärelektronenvervielfacher zu wirken. Wenn die Mikrokanalplatte in
der Ebene eines Elektronenbildes einer Verstärkerröhre
plaziert wird, kann man eine Verstärkung von bis zu
mehreren Tausend erzielen. Da jeder Kanal in einer
Mikrokanalplatte nahezu unabhängig von allen anderen
Kanälen arbeitet, sättigt eine helle punktförmige
Lichtquelle einige Kanäle, wobei jedoch keine
Ausbreitung über benachbarte Bereiche erfolgt. Diese
Eigenschaft einer "lokalen Sättigung" macht diese
Röhren stärker immun gegen eine Überhellung an hellen
Bereichen.
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Die Anode der Bildverstärkerröhre beinhaltet ein
Ausgangsfenster und ein Leuchtstoffschirm, der auf einer
Oberfläche des Fensters ausgebildet ist. Bekannte
Röhren beinhalteten die Verwendung eines ebenen
Glasfensters als Ausgangsschirm für den Bildverstärker.
Die beiden parallelen Glasoberflächen des Fensters
verursachen jedoch Reflektionen und Geisterbilder, die
durch die Verwendung von
Anti-Reflektions-Beschichtungen nicht eliminiert werden können. Zur Überwindung
des Reflektionsproblems wird normalerweise anstatt
eines ebenen Ausgangsfensters aus Glas ein
Faseroptik-Ausgangselement verwendet.
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Das Faseroptik-Fenster besteht aus einer Matrix sehr
dünner Kernglasstäbe, die von einem beschichteten Glas
umgeben sind. Es stellt einen hohen Kostenfaktor dar.
Außerdem sind ca. 35 % der Oberfläche des
faseroptischen Fensters aufgrund der Matrixausbildung
hinsichtlich des Empfangs von Licht blockiert. Dadurch
verschlechtert sich die Leistung der Vorrichtung in
erster Linie aufgrund der relativ geringen offenen
oder optisch nutzbaren Fläche des Faseroptik-Fensters,
wobei diese typischerweise ca. 60 % beträgt.
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Die US-PS 4 406 973 offenbart ein Beispiel einer
Bildverstärkerröhre, die an ihrem Ausgangsende einen
Faseroptik-Inverter mit einem Bündel optischer Fasern
aufweist, an deren Eingangsenden ein Leuchtstoffschirm
der Anode angebracht ist und deren Ausgangsenden eine
konkave Fläche zum Aufnehmen eines Linsenelements
definieren.
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Die US-PS 3 030 514 dagegen offenbart eine
Bildverstärkerröhre, die die Verwendung eines faseroptischen
Ausgangsfensters umgeht, bei der das Ausgangsfenster
jedoch durch eine Glasscheibe definiert ist, an deren
einen Seite ein Leuchtstoffschirm der Anode angebracht
ist und deren andere Seite vollständig linsenförmig
gerastert ist, um eine Vielzahl kugelig gerundeter
Oberflächen zu schaffen, die jeweils von einem
lichtreflektierenden Material mit einer darin vorhandenen
zentralen Öffnung zum Übertragen von Licht
undurchsichtig gemacht oder überdeckt sind.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit in
der Schaffung einer einfach ausgebildeten und relativ
kostengünstigen Bildverstärkervorrichtung mit einem
optischen Fenster mit geringer Reflektion.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht
in der Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen eines
solchen Ausgangsfensters in sehr wirtschaflicher und
effizienter Weise.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine
Bildverstärkerröhre mit einer Photokathode geschaffen, die
ein Eingangsfenster aufweist, das auf optischem
Material gebildet ist und eine planare
Lichtempfangsoberfläche besitzt und eine gegenüberliegende planare
Lichtübertragungsoberfläche, auf der sich eine
lichtemittierende Einrichtung zum Emittieren von Elektronen
in Abhängigkeit von an der lichtemittierenden
Einrichtung
empfangenem Licht befindet, mit einer der
lichtemittierenden Einrichtung benachbart angeordneten
Verstärkereinrichtung zum Verstärken der Zahl der von der
lichtemittierenden Einrichtung emittierten Elektronen,
mit einer der Verstärkereinrichtung benachbart
angeordneten Wandlereinrichtung zum Umwandeln der Energie
von den verstärkten Elektronen in Licht, um ein Bild
zu erzeugen, und mit einem der Ausgabe des Bildes von
der Wandlereinrichtung dienenden Ausgangselement mit
einer Einrichtung zur Verhinderung von Reflektionen
des Bildes zwischen dem Ausgangselement und der
planaren Lichtübertragungsoberfläche des Eingangsfensters
in Form eines Linsenelementes aus Massivglas oder
einem anderen optischen Material, das der
Wandlereinrichtung benachbart angeordnet ist und eine zur
planaren Lichtübertragungsoberfläche des Eingangsfensters
parallele planare Oberfläche zum Empfangen des Bildes
von der Wandlereinrichtung und eine einzige
durchsichtige sphärische oder asphärische Oberfläche am Ausgang
der Verstärkerröhre für die Übertragung des Bildes
hiervon ohne Reflektionen aufweist.
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Ein Verfahren zur Erzeugung einer
Bildverstärkervorrichtung umfaßt folgende Schritte: Erzeugung einer
Photokathode zum Empfangen von Eingangslicht und zum
Emittieren von Elektronen in Abhängigkeit von dem
empfangenen Licht, wobei die Photokathode ein
Eingangsfenster mit beabstandeten, parallelen planaren
Oberflächen aufweist, Vorsehen einer Einrichtung zum
Verstärken der Anzahl Elektronen, die von der
Photokathode emittiert werden, Anordnen einer Glasplatte in
Nachbarschaft der Verstärkereinrichtung, Erzeugen
eines Leuchtstoffschirms auf einer Oberfläche der
Glasplatte, um eine Anode zu schaffen, die zur
Verstärkereinrichtung weist, um die verstärkten Elektronen in
ein Bild umzuwandeln, Umgeben der Photokathode, der
Verstärkereinrichtung und der Anode mit einem Gehäuse
mit zwei entgegengesetzten Enden, wobei die
Photokathode in einem Ende und die Glasplatte im anderen Ende
angeordnet ist, und Vorsehen einer Einrichtung zur
Verhinderung von Reflektionen des Bildes zwischen der
Glasplatte und der planaren Oberfläche der
Photokathode, indem ein Linsenelement aus Massivglas oder
einem anderen optischen Material mit einer zur anderen
Oberfläche der Glasplatte gerichteten planaren
Oberfläche und einer einzigen durchsichtigen sphärischen
oder asphärischen Oberfläche am Ausgang der
Vorrichtung für das Übertragen des Bildes hiervon ohne
Reflektionen zugefügt wird.
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Die vorstehend genannten sowie weitere Merkmale und
Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch die
nachfolgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die
Begleitzeichnungen noch verdeutlicht. In den
Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer
Bildverstärkervorrichtung des Standes der Technik;
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform
einer Bildverstärkervorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer alternativen
Ausführungsform einer
Bildverstärkervorrichtung gemaß der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 1 zeigt eine Bildverstärkerröhre 10 des Standes
der Technik, die ein Eingangsfenster, das entweder aus
Glas oder faseroptisch ausgebildet sein kann, einen
mit dem Fenster 12 verbundenen lichtemittierenden
Wafer
14, eine Mikrokanalplatte 16 und ein
Ausgangsfenster 18 aufweist. Das Ausgangsfenster besitzt einen
Leuchtstoffschirm 20, der auf einer der
Mikrokanalplatte 16 benachbarten Oberfläche des Ausgangsfensters
angeordnet ist. Bei dem Ausgangsfenster 18 handelt es
sich um ein Faseroptik-Element. Während das
Faseroptik-Fenster eine Übertragung von Bildern von seiner
Eingangsseite zu seiner Ausgangsseite mit sehr
geringer Schwächung ermöglicht, leidet der Nutzeffekt
des Fensters aufgrund eines relativ geringen
Öffnungsflächenanteils.
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Fig. 2 zeigt eine Bildverstärkerröhre 22 gemäß der
vorliegenden Erfindung. Wie zu sehen ist, umfaßt die
Röhre 22 drei Hauptkomponenten: einen
lichtemittierenden Wafer 26, der auf einem als Kathode wirkenden
Eingangsfenster bzw. Frontplatte 28 schichtartig
aufgebracht ist; eine Mikrokanalplatte (MCP) 30 sowie eine
Anode mit einem Leuchtstoffschirm 32, der auf einem
als Anode wirkenden Ausgangsfenster 34 aufgebracht
ist. Diese Komponenten sind in einem Gehäuse 24
angeordnet. Dem lichtemittierenden Wafer 26, der
Mikrokanalplatte 30 und dem Leuchtstoffschirm 32 wird
elektrische Energie entweder durch in das Gehäuse 24
integrierte oder durch extern von diesem vorgesehene
Mittel zugeführt. Das Eingangsfenster 28 ist
normalerweise in dem Gehäuse 24 dicht eingeschlossen und von
einem umlaufenden Flansch 36 umgeben. Elemente 38
halten das Eingangsfenster 28 in dem Gehäuse 24. Ein
Festhaltering 40 schließt das Ende der Röhre 22 dicht
ab und trägt das Ausgangsfenster in dem Gehäuse 24.
Die Mikrokanalplatte 30 ist aus einem Glasmaterial
gebildet, das Sekundäremissionseigenschaften sowie
Leitfähigkeitseigenschaften besitzt.
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Die Frontplatte 28 empfängt und überträgt Licht.
Lichtstrahlen treten in die Frontplatte 28 ein und
werden auf den lichtemittierenden Wafer 26 gelenkt,
der die Lichtphotonen in Elektronen umwandelt. Die
Elektronen werden auf die Mikrokanalplatte 30
übertragen, die eine Vervielfachung der Anzahl von Elektronen
bewirkt, wobei all dies in Übereinstimmung mit
bekannten Prinzipien erfolgt. Bei dem üblichen
lichtemittierenden Wafer handelt es sich um eine geeignete
Galliumarsenid- (GaAs-)Vorrichtung, doch es können
auch andere geeignete Materialien verwendet werden.
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Die Mikrokanalplatte 30 ist in der Röhre 22 derart
montiert, daß sowohl ihre Eintrittsfläche als auch
ihre Austrittsfläche parallel zu dem
lichtemittierenden Wafer 26 bzw. dem Leuchtstoffschirm 32 verlaufen.
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Im Betrieb verursacht ein auf die Photokathode
auftreffendes Strahlungsbild eine Emission von
Elektronen, die zu der Mikrokanalplatte hin angezogen werden,
das auf einem höheren positiven Potential als die
Photokathode gehalten wird. Jedes auf die
Mikrokanalplatte 30 auftreffendes Elektron führt zur Emission einer
Anzahl von Sekundärelektronen, wodurch wiederum die
Emission von noch mehr Sekundärelektronen verursacht
wird. Die Elektronenverstärkung oder die
Elektronenvervielfachung innerhalb der Mikrokanalplatte 30 wird
in erster Linie durch die Potentialdifferenz
gesteuert, die zwischen Eingangsoberfläche und
Ausgangsoberfläche der Mikrokanalplatte 30 anliegt. Die aus
der Mikrokanalplatte 30 austretenden und die
Eingangsstrahlung-Bildinformation enthaltenden Elektronen
treffen auf den Leuchtstoffschirm 32 auf, wodurch der
Schirm zum Fluoreszieren und zum Reproduzieren des
Eingangsbildes gebracht wird.
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Man hat festgestellt, daß ein Ausbilden des
Ausgangsfensters in Form eines Sammellinsenelements oder eines
Zerstreuungslinsenelements zu einem verbesserten
Ausgangsbild führt, das eine stärkere optische Auflösung
und bessere Bildqualität bei geringeren Kosten
besitzt.
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Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem das Ausgangsfenster 34 zwei Bereiche aufweist.
Bei dem einen Bereich handelt es sich um ein ebenes
(planes) Glaselement 42. Das Glaselement 42 besitzt
eine der Mikrokanalplatte 30 benachbart angeordnete
Eingangsfläche 44 sowie eine Ausgangsfläche 46. Bei
dem Glas dieses Elements kann es sich um ein
beliebiges optisches Glas hoher Qualität handeln.
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Bei dem zweiten Bereich des Ausgangsfensters 34
handelt es sich um ein plankonvexes Linsenelement 48. Das
Linsenelement 48 ist an seiner planen Oberfläche 49
mit der Oberfläche 46 des Glaselements 42 verbunden.
Der Leuchtstoffschirm 32 ist auf der Oberfläche 44 auf
dem Glaselement angeordnet. Das Linsenelement 48 kann
entweder plankonvex oder plankonkav mit einer
sphärisch oder asphärisch gerundeten Oberfläche sein.
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Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der
Erfindung, bei dem ein Ausgangsfenster in Form eines
einzelnen optischen Elements vorliegt. Eine
Bildverstärkerröhre 50 besitzt dieselbe Struktur, wie sie in
Fig. 2 gezeigt ist, mit der Ausnahme, daß es sich bei
dem Ausgangsfenster 92 um ein Linsenelement 54 mit
einer plankonvexen Konfiguration handelt. Das
Linsenelement 54 ist derart positioniert, daß seine planare
Oberfläche 36 einer Mikrokanalplatte 58 benachbart
angeordnet ist. Das Element 54 wird in einem Gehäuse
60 durch einen Festhaltering 62 festgehalten. Ein
Leuchtstoffschirm 64 ist auf der planaren Oberfläche
56 positioniert.
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Die Linsenelemente 48, 54 sind aus irgendeinem
geeigneten optischen Material gebildet, welches Glas und
Kunststoff einschließt.
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Die Linsenelemente 48 und 54 sind zwar als positive
Linsenelemente (oder Sammellinsenelemente)
dargestellt, jedoch können auch negative Linsenelemente
(oder Zerstreuungslinsenelemente) verwendet werden.
Die Linsenelemente können entweder eine sphärische
oder eine asphärische Konfiguration besitzen. Unter
den verwendbaren Linsenelementen befinden sich auch
"Gradient-Index"- (GRIN-) Linsen.
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Nachfolgend werden zwei Verfahrensweisen zum Bilden
von Bildverstärkerröhren gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Eines der Verfahren erfolgt zum
Zeitpunkt der Montage der fertigen Röhre in der
Bildverstärkervorrichtung und wird unter Bezugnahmne auf
Fig. 2 beschrieben. Bei Verwendung dieses Verfahrens
sind keine wesentlichen Änderungen üblicher
Röhrenherstellungsverfahren sowie Röhrenherstellungswerkzeuge
erforderlich.
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Das zweite Verfahren erfolgt zum Zeitpunkt der
Konstruktion der Röhre und wird unter Bezugnahme auf Fig.
3 beschrieben. Bei diesem Verfahren sind keine
zusätzlichen Verfahrensschritte beim Einbauen der fertigen
Röhre in die Bildverstärkervorrichtung erforderlich.
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Die Struktur der Fig. 2 wird folgendermaßen gebildet.
Der lichtemittierende Wafer 26 wird zur Bildung der
Photokathode auf der Frontplatte 28 gebildet. Der
Leuchtstoffschirm 32 wird zur Bildung der Anode auf
die Oberfläche 44 des Glaselements 42 aufgebracht. Die
Anode wird in dem Festhaltering 40 befestigt. Die
Photokathode, die Mikrokanalplatte 30 und die Anode
werden in dem Gehäuse 24 angeordnet, und das Gehäuse wird
mit einer Vergußmasse gefüllt. Der Festhaltering 40
wird dann an dem Ende der Röhre angebracht, um das
Gehäuse dicht zu verschließen. Die
Röhrenherstellungsschritte erfolgen nach bekannten Verfahrensweisen.
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Vor dem Einsetzen der Röhre in die
Bildverstärkervorrichtung wird das Linsenelement 48 an der Oberfläche
46 des planen Glaselements 42 angebracht. Dies erfolgt
durch Aufbringen eines optischen Klebers auf die
Oberfläche 46 sowie Drücken des Linsenelements 48 in
Berührung mit diesem, wonach man eine ausreichende
Zeitdauer zum Aushärten des Klebers vorsieht.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen auch
andere Kleber, wie unter UV-Einwirkung aushärtende Kleber,
sowie auch andere Verfahrensweisen zum Zusammenfügen
von Glaselement und Linsenelement.
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Der vorstehend beschriebene Verbindungsschritt läßt
sich bei Verwendung des Linsenelements 54 der Fig. 3
eliminieren. Bei diesem Verfahren wird das
Linsenelement 54 derart in dem Festhaltering 62 befestigt, daß
die Oberfläche 56 der Mikrokanalplatte 30 benachbart
ist, wenn sich der Ring in der Röhre in Position
befindet.
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Vorstehend ist zwar die Verwendung des Linsenelements
als Ausgangsfenster beschrieben worden, doch es liegt
auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, ein
Linsenelement als Frontplatte oder Eingangsfenster zu
verwenden.
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Die vorliegende Erfindung findet vielerlei Anwendung
auf dem Gebiet der Sichtgeräte, insbesondere für
kleine Kathodenstrahlröhren-Anzeigen, wie sie in
militärischen und kommerziell genutzten Vorrichtungen
verwendet werden. Diese Vorrichtungen beinhalten auch
unter Wärmewirkung arbeitende
Bildherstellungsvorrichtungen, Videokameras und ähnliche Systeme.
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Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind zwar
unter Bezugnahme auf eine spezielle Vorrichtung
beschrieben worden, doch es versteht sich ganz klar, daß
diese Beschreibung nur als Beispiel und nicht als
Beschränkung des Umfangs der beigefügten Ansprüche zu
verstehen ist.