ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК H01J31/52 

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к электронно-оптическим преобразователям инфракрасного излучения в видимое излучение или в электрический сигнал.

Известен электронно-оптический преобразователь (ЭОП) с пироэлектрической мишенью, чувствительной к инфракрасному излучению в диапазоне длин волн 8-14 мкм [патент США N 4032783, НКИ 250/333, опубл. 28.06.77 г.].

Известный пироэлектрический ЭОП содержит вакуумированную колбу, входное окно, прозрачное в инфракрасной области спектра, источник электронов, представляющий собой фотокатод, пироэлектрическую мишень, включающую поглощающий слой, пироэлектрический слой и управляющий электрод, и устройство регистрации двумерного электронного изображения. Пироэлектрический слой представляет собой пластину монокристаллического танталата лития, на поверхности которой, обращенной к входному окну, нанесен сплошной электрод с покрытием, поглощающим инфракрасное излучение. На противоположную сторону пластины из танталата лития нанесен сетчатый электрод. Фотокатод нанесен на сетчатый электрод.

Недостатком известного пироэлектрического ЭОП является низкая разрешающая способность, обусловленная тем, что в качестве пироэлектрического слоя используется толстая сплошная монокристаллическая пластина с большой теплопроводностью вдоль слоя, из-за чего тепловая картина, спроецированная на пироэлектрическую мишень, "размывается".

Недостатками известного пироэлектрического ЭОПа являются также низкая чувствительность за счет малой площади фотокатода, поскольку фотокатод нанесен на сетчатый электрод. Это не позволяет получать достаточный фототок, что ограничивает сигнал.

Кроме того, для возбуждения эмиссии фотокатода необходимо освещение пироэлектрической мишени дополнительным источником света. При этом свет дополнительно нагревает мишень, что приводит к такому недостатку известного пироэлектрического ЭОПа, как возникновение фонового (шумового) сигнала.

Задачей настоящего изобретения является повышение разрешающей способности и чувствительности одновременно с устранением фонового (шумового) сигнала.

Указанная задача решается тем, что в пироэлектрическом ЭОП, содержащем в вакуумированной колбе входное окно, прозрачное в инфракрасной области спектра, источник электронов, представляющий собой фотокатод, устройство регистрации двумерного электронного изображения, пироэлектрическую мишень, включающую пироэлектрический слой, управляющий электрод, поглощающий слой, фотокатод выполнен сплошным из материала, прозрачного в инфракрасном диапазоне, и расположен на входном окне со стороны пироэлектрической мишени, пироэлектрическая мишень дополнительно содержит несущую диэлектрическую пленку, причем пироэлектрический слой, управляющий электрод, несущая диэлектрическая пленка и поглощающий слой пироэлектрической мишени расположены друг за другом по направлению от входного окна к устройству регистрации двумерного электронного изображения, пироэлектрический слой выполнен состоящим из отдельных дискретных элементов, управляющий электрод содержит щелевые отверстия, расположенные между дискретными элементами пироэлектрического слоя, несущая диэлектрическая пленка выполнена непрерывной и содержит щелевые отверстия, примерно совпадающие со щелевыми отверстиями управляющего электрода, поглощающий слой выполнен в виде дискретных элементов, примерно совпадающих по конфигурации с дискретными элементами пироэлектрического слоя.

Указанная задача решается также тем, что в пироэлектрическом ЭОП, содержащем в вакуумированной колбе входное окно, прозрачное в инфракрасной области спектра, источник электронов, устройство регистрации двумерного электронного изображения, пироэлектрическую мишень, включающую пироэлектрический слой, управляющий электрод, поглощающий слой, в качестве источника электронов содержится автоэлектронный катод с дополнительной электропроводящей мелкоструктурной сеткой, автоэлектронный катод выполнен сплошным из материала, прозрачного в инфракрасном диапазоне, и расположен на входном окне со стороны пироэлектрической мишени, мелкоструктурная сетка расположена между катодом и мишенью, а пироэлектрическая мишень дополнительно содержит несущую диэлектрическую пленку, причем пироэлектрический слой, управляющий электрод, несущая диэлектрическая пленка и поглощающий слой пироэлектрической мишени расположены друг за другом по направлению от входного окна к устройству регистрации двумерного электронного изображения, пироэлектрический слой выполнен состоящим из отдельных дискретных элементов, управляющий электрод содержит щелевые отверстия, расположенные между дискретными элементами пироэлектрического слоя, несущая диэлектрическая пленка выполнена непрерывной и содержит щелевые отверстия, примерно совпадающие со щелевыми отверстиями управляющего электрода, поглощающий слой выполнен в виде дискретных элементов, примерно совпадающих по конфигурации с дискретными элементами пироэлектрического слоя.

Указанная задача решается также тем, что пироэлектрический слой мишени выполнен в виде пленки толщиной 0,5-3,0 мкм из пироэлектрического материала, напыляемого в вакууме, например, органического пироэлектрика. Более тонкая пленка имеет большую емкость и, следовательно, потенциальный рельеф меньшей глубины. Большая толщина приводит к увеличению теплопроводности пленки и ее теплоемкости. Размер элементов пироэлектрического слоя должен быть не менее 15-20 мкм и не более 30-40 мкм.

Указанная задача решается также тем, что управляющий электрод содержит щелевые отверстия шириной 2-3 мкм.

Указанная задача решается также тем, что управляющий электрод выполнен в виде пленки, материал и толщину которой выбирают так, чтобы обеспечить максимальные значения электропроводности и коэффициента поглощения инфракрасного излучения, а также минимальные значения коэффициента отражения инфракрасного излучения и теплопроводности одновременно, например нихрома толщиной 0,1 мкм, кантала, сплавов типа RS.

Указанная задача решается также тем, что несущая диэлектрическая пленка выполнена из органического материала, например из полиимида, лавсана или целлюлозы толщиной не более 1 мкм.

Указанная задача решается также тем, что поглощающий слой выполнен из электропроводящего материала с максимальным коэффициентом поглощения при минимальной теплоемкости, например пленок нихрома толщиной 0,15-0,2 мкм.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, 2 и 3.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение предлагаемого пироэлектрического ЭОП в разрезе, где: 1 - вакуумированная колба, 2 - входное окно, 3 - фотокатод, 4 - пироэлектрическая мишень, 5 - пироэлектрический слой, 6 - сигнальный электрод, 7 - несущая диэлектрическая пленка, 8 - поглощающий слой, 9 - щелевидные отверстия, 10 - устройство регистрации двумерного электронного изображения, 11 - устройство вспомогательного освещения.

На фиг. 2 приведено схематическое изображение предлагаемого пироэлектрического ЭОП в разрезе, где: 1 - вакуумированная колба, 2 - входное окно, 3 - автоэлектронный катод, 4 - пироэлектрическая мишень, 5 - пироэлектрический слой, 6 - управляющий электрод, 7 - несущая диэлектрическая пленка, 8 - поглощающий слой, 9 - щелевидные отверстия, 10 - устройство регистрации двумерного электронного изображения, 11 - мелкоструктурная сетка.

На фиг. 3 приведено схематическое изображение пироэлектрической мишени в разрезе, где: 9 - щелевидные отверстия, 5 - пироэлектрический слой, 6 - управляющий электрод, 7 - несущая диэлектрическая пленка и 8 - поглощающий слой.

Предлагаемый пироэлектрический ЭОП содержит в вакуумированной колбе 1 входное окно 2, прозрачное для ИК излучения, например из германия, источник электронов 3, пироэлектрическую мишень 4, включающую пироэлектрический слой 5, управляющий электрод 6, несущую диэлектрическую пленку 7 и поглощающий слой 8, устройство регистрации двумерного электронного изображения 10, например катодолюминесцентный экран, устройство вспомогательного освещения 11, например, лампа накаливания или светодиод. В качестве источников электронов могут быть использованы фотокатоды, например кислородно-цезиевый фотокатод, или автоэлектронные катоды, например, автоэлектронный катод на основе алмазоподобных тонких пленок. Устройство вспомогательного освещения может быть расположено как внутри вакуумированной колбы ЭОПа, так и вне ее.

В пироэлектрической мишени 4, изображенной на фиг. 3, управляющий электрод 6 содержит щелевидные отверстия 9, расположенные между дискретными элементами пироэлектрического слоя 5, который состоит из отдельных дискретных элементов. Размер пироэлектрического элемента должен быть не менее 15-20 мкм и не более 30-40 мкм. Нижний предел ограничивается длиной волны инфракрасного излучения примерно 15 мкм. Увеличение размера элемента будет способствовать снижению разрешающей способности мишени. Несущая диэлектрическая пленка 7 выполнена непрерывной и содержит щелевые отверстия, примерно совпадающие со щелевыми отверстиями управляющего электрода 6. Поглощающий слой 8 выполнен в виде дискретных элементов, примерно совпадающих по конфигурации с дискретными элементами пироэлектрического слоя.

Предлагаемый пироэлектрический ЭОП (Вариант 1) работает следующим образом:
Фотокатод 3, расположенный на входном окне, возбуждают источником вспомогательного излучения 11. Фотокатод 3 создает однородный поток электронов. На пути однородного потока электронов находится пироэлектрическая мишень 4.

Часть электронного потока проходит через щелевидные отверстия 9 в пироэлектрической мишени. Прошедший через отверстия 9 электронный поток попадает на устройство регистрации двумерного электронного изображения 10.

Однородный поток фотоэлектронов модулируется потенциалом пироэлектрических элементов вблизи отверстий 9 в пироэлектрической мишени 4. Для этого на управляющий электрод 6 подают положительное относительно фотокатода напряжение приблизительно +5 В, при этом на поверхности пироэлектрических элементов устанавливается небольшой отрицательный относительно фотокатода потенциал. Этот потенциал поддерживается наиболее быстрыми фотоэлектронами, способными преодолеть отталкивание отрицательного потенциала и осесть на мишень.

При нагревании пироэлектрического слоя инфракрасным излучением, сфокусированным в плоскости мишени, внутренняя поляризация пироэлектрического материала изменяется, и потенциал на поверхности пироэлектрического слоя изменяется в положительную или отрицательную сторону, в зависимости от знака начальной поляризации пироэлектрического материала. Изменение потенциала на поверхности пироэлектрического слоя 5 приводит к изменению количества фотоэлектронов, которые смогут пройти сквозь отверстия 9, примыкающие к этому элементу.

Предлагаемый пироэлектрический ЭОП (Вариант 2) работает следующим образом:
На мелкоструктурную сетку 11 подают положительный (по отношению к автокатоду 3) потенциал для вытягивания и ускорения электронов. Прошедший сетку 11 однородный поток электронов попадает на пироэлектрическую мишень 4. Затем однородный поток электронов, попавший на пироэлектрическую мишень, частично проходит в щелевидные отверстия 9 в мишени 4. Доля прошедших электронов определяется потенциалом на поверхности пироэлектрического материала 5.

На управляющий электрод 6 подают положительный относительно автокатода потенциал приблизительно +5 В. Тогда на поверхности пироэлектрических элементов будут оседать электроны до тех пор, пока она не зарядится до отрицательного потенциала, такого, чтобы отталкивать электроны. Но при этом часть электронов может проходить через отверстия 9 в мишени.

Участки мишени, на которые падает больше инфракрасного излучения, нагреваются сильнее. При нагреве изменяется внутренняя поляризация пироэлектрического материала, изменяется потенциал поверхности пироэлектрического слоя и изменяется доля электронов, прошедших через отверстия в пироэлектрическом слое. В результате за пироэлектрической мишенью мы получаем поток электронов, несущий информацию об инфракрасном изображении.

Потенциал поверхности пироэлектрических элементов можно задавать импульсным способом, подавая импульсные напряжения на управляющий электрод 6 или автокатод 3.

В предлагаемом устройстве можно увеличить интенсивность однородного потока электронов, а следовательно, и величину промодулированной части потока, например путем повышения освещенности фотокатода без дополнительного воздействия на пироэлектрическую мишень или увеличения ускоряющего напряжения для автокатода.

Однородный поток электронов направляется ортогонально к поверхности мишени, и, следовательно, эффективность его использования максимальна.

Отверстия 9 в пироэлектрической мишени выполняются щелевидной формы. Это позволяет уменьшить эффективную теплопроводность вдоль пироэлектрического слоя, тем самым повышая разрешающую способность прибора до 20-30 оптических линий/мм, и в то же время сохранить высокую чувствительность пироэлектрической мишени (не ниже 100 мкА/Вт).

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для преобразования инфракрасного излучения в видимое излучение или в электрический сигнал. Техническим результатом является повышение чувствительности. Преобразователь содержит вакуумированную колбу с входным окном, источник электронов, устройство регистрации двумерного электронного изображения, пироэлектрическую мишень, включающую пироэлектрический слой, управляющий электрод, несущую диэлектрическую пленку и поглощающий слой. Преобразователь в одном варианте содержит в качестве источника электронов фотокатод, в другом варианте в качестве электронов - автоэлектронный катод и дополнительно между катодом и мишенью мелкоструктурную сетку. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь, содержащий в вакуумированной колбе входное окно, прозрачное в инфракрасной области спектра, источник электронов, представляющий собой фотокатод, устройство регистрации двумерного электронного изображения, пироэлектрическую мишень, включающую пироэлектрический слой, управляющий электрод, поглощающий слой, отличающийся тем, что фотокатод выполнен сплошным из материала, прозрачного в инфракрасном диапазоне, и расположен на входном окне со стороны пироэлектрической мишени, пироэлектрическая мишень со сквозными щелевидными отверстиями для прохождения электронного потока дополнительно содержит несущую диэлектрическую пленку, причем в пироэлектрической мишени пироэлектрический слой из отдельных дискретных элементов, управляющий электрод и несущая диэлектрическая пленка, выполненные непрерывными со сквозными щелевидными отверстиями, и поглощающий слой из отдельных дискретных элементов расположены друг за другом по направлению от входного окна к устройству регистрации двумерного электронного изображения. 2. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что пироэлектрический слой мишени выполнен в виде пленки толщиной 0,5 - 3,0 мкм из пироэлектрического материала, напыляемого в вакууме, например органического пироэлектрика. 3. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что щелевые отверстия управляющего электрода выполнены шириной 2 - 3 мкм. 4. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь по п.1 или 3, отличающийся тем, что управляющий электрод выполнен в виде пленки, материал и толщина которой выбраны такими, чтобы обеспечить максимальные значения электропроводности и коэффициента поглощения инфракрасного излучения, а также минимальные значения коэффициента отражения излучения и теплопроводности одновременно, например нихрома толщиной 0,1 мкм, кантала, сплавов типа RS. 5. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что несущая диэлектрическая пленка выполнена из органического материала, например полиимида, лавсана или целлюлозы, толщиной не более 1 мкм. 6. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что поглощающий слой выполнен из электропроводящего материала с максимальным коэффициентом поглощения при минимальной теплоемкости, например нихрома толщиной 0,15 - 0,2 мкм. 7. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь, содержащий в вакуумированной колбе входное окно, прозрачное в инфракрасной области спектра, источник электронов, устройство регистрации двумерного электронного изображения, пироэлектрическую мишень, включающую пироэлектрический слой, управляющий электрод, поглощающий слой, отличающийся тем, что в качестве источника электронов он содержит автоэлектронный катод с дополнительной электропроводящей мелкоструктурной сеткой, автоэлектронный катод выполнен сплошным из материала, прозрачного в инфракрасном диапазоне, и расположен на входном окне со стороны пироэлектрической мишени, мелкоструктурная сетка расположена между катодом и мишенью, а пироэлектрическая мишень со сквозными щелевидными отверстиями для прохождения электронного потока дополнительно содержит несущую диэлектрическую пленку, причем в пироэлектрической мишени пироэлектрический слой из отдельных дискретных элементов, управляющий электрод и несущая диэлектрическая пленка, выполненные непрерывными со сквозными щелевидными отверстиями, и поглощающий слой из отдельных дискретных элементов расположены друг за другом по направлению от входного окна к устройству регистрации двумерного электронного изображения. 8. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь по п.7, отличающийся тем, что пироэлектрический слой мишени выполнен в виде пленки толщиной 0,5 - 3,0 мкм из пироэлектрического материала, напыляемого в вакууме, например органического пироэлектрика. 9. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь по п.7, отличающийся тем, что щелевые отверстия управляющего электрода выполнены шириной 2 - 3 мкм. 10. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь по п.7 или 9, отличающийся тем, что управляющий электрод выполнен в виде пленки, материал и толщина которой выбраны такими, чтобы обеспечить максимальные значения электропроводности и коэффициента поглощения инфракрасного излучения, а также минимальные значения коэффициента отражения инфракрасного излучения и теплопроводности одновременно, например нихрома толщиной 0,1 мкм, кантала, сплавов типа RS. 11. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь по п.7, отличающийся тем, что несущая диэлектрическая пленка выполнена из органического материала, например полиимида, лавсана или целлюлозы, толщиной не более 1 мкм. 12. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь по п.7, отличающийся тем, что поглощающий слой выполнен из электропроводящего материала с максимальным коэффициентом поглощения при минимальной теплоемкости, например нихрома толщиной 0,15 - 0,2 мкм.