ФОТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2013 года по МПК H01L31/48 H01J31/50 

Предлагаемое изобретение относится к области электронно-оптической и полупроводниковой техники и может быть использовано при изготовлении оптико-электронных наблюдательных и регистрирующих приборов, предназначенных для эксплуатации в условиях естественных освещенностей (от сумерек до глубокой ночи).

Известна [1] конструкция высокочувствительного гибридного телевизионного прибора УПЗС (унифицированный прибор с зарядовой связью) производства ОАО "Электрон", РФ, г. Санкт-Петербург. Прибор представляет собой фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС), совмещенный с бипланарным электронно-оптическим преобразователем (ЭПО) 2+ поколения, содержащий расположенные в металлокерамическом корпусе фотокатод, нанесенный на входное окно прибора, волоконно-оптическую пластину (ВОП) и сформированный на ее выходной поверхности катодолюминесцентный экран.

Недостатком прибора, ухудшающим его пороговые характеристики и разрешающую способность, является стыковка ФПЗС с ЭПО через две волоконно-оптические пластины с иммерсионной жидкостью между ними.

Известен [1] высоко-чувствительный малогабаритный гибридный телевизионный прибор (ОАО "Электрон", РФ, г.Санкт-Петербург) на основе электронно-чувствительного прибора с зарядовой связью (ПЗС), представляющий собой пленарный ЭОП: металлокерамический корпус с вакуумом, на входе которого установлено плоское стекло с фотокатодом, нанесенным на его внутреннюю поверхность, а на выходе - электронно-чувствительная ПЗС. Недостатком прибора является наличие отраженного от ПЗС обратного света, попадающего на фотокатод и снижающего пороговую чувствительность и разрешение прибора, а также низкая долговечность, обусловленная влиянием на чувствительность ПЗС рентгеновского излучения.

Наиболее близким по совокупности сходных существенных признаков является известный прибор [1, RU, заявка №2005100169/09 (000177) от 11.01.2005 г.], содержащий фотокатод, электронно-оптический преобразователь с электронным выходом, внутри которого размещена ФПЗС-матрица с активной поверхностью. Благодаря оптическому контакту ЭОП и ФПЗС свечение люминофора воспринимается непосредственно ФПЗС-матрицей.

Недостатками принятого за прототип электронно-оптического преобразователя (ЭОП) являются:

1) низкое (в 5-10 раз ниже по сравнению с центром) значение разрешающей способности по краю поля зрения, так как использована схема ЭОП 0-го поколения с электростатической фокусирующей линзой (электрод);

2) снижение контрастной чувствительности прибора вследствие того, что катодолюминесцентный экран (алюминиевая пленка на люминофоре, нанесенном на изолирующий слой активной поверхности матрицы ФПЗС) обладает высоким коэффициентом отражения прошедшего через фотокатод внутри ЭПО света, что приводит к засветке фотокатода обратным рассеянным светом;

3) наличие на выходе ЭОП штырьковой ножки, что усложняет конструкцию ЭОП, повышает стоимость и снижает надежность, увеличивая вероятность ухудшения вакуума;

4) появление рентгеновского излучения и снижение долговечности ФПЗС за счет того, что напряжение питания ЭОП составляет 15-18 кВ.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении эффективности фотоэлектронных устройств, использующихся в наблюдательных и регистрирующих приборах.

Основной технический результат, получаемый при осуществлении заявленного изобретения, состоит в улучшении технических характеристик устройства: контрастной чувствительности и разрешающей способности с обеспечением одинакового разрешения по всему полю зрения.

Указанный технический результат достигается тем, что фотоэлектронное устройство представляет собой электронно-оптический преобразователь (ЭОП), содержащий установленные в вакуумном объеме металлокерамического корпуса фотокатод, нанесенный на выходную поверхность входного окна устройства, и волоконно-оптическую пластину (ВОП) с катодолюминесцентным экраном на ее входной поверхности, светопропускание которого с алюминиевым и поглощающим свет покрытием, имеющим коэффициент поглощения не менее 0,97, составляет не более 0,01%, и состыкованный с фоточувствительным прибором с зарядовой связью (ФПЗС) путем совмещения через слой иммерсионной жидкости площадки чувствительного элемента ФПЗС с площадкой, сформированной на выходной поверхности ВОП ЭОП, при этом расстояние между поверхностью площадки чувствительного элемента ФПЗС и поверхностью площадки, сформированной на выходной поверхности ВОП, не должно превышать 1 мкм при показателе преломления иммерсии около 1,5; наружная поверхность ВОП за пределами вакуумного блока, за исключением площадки под площадку чувствительного элемента ФПЗС, покрыта поглощающим свет покрытием с коэффициентом поглощения не менее 0,97; металлокерамический корпус ЭПО жестко связан посредством крепежного устройства с корпусом ФПЗС, который установлен в пазе крепежного устройства и соединен с ним с помощью компаунда; свободное пространство между наружной поверхностью ВОП, стенками корпуса ФПЗС и корпуса крепежного устройства заполнено компаундом со светопропусканием не более 0,03 в направлении выходной поверхности ВОП; а расстояние между нижней поверхностью паза для ФПЗС в крепежном устройстве и корпусом ФПЗС на 0,2÷0,5 мм больше расстояния между поверхностью площадки чувствительного элемента ФПЗС и поверхностью площадки, сформированной на ВОП.

Одинаковое значение разрешающей способности по всему полю зрения фотоэлектронного устройства обеспечивается за счет использования планарной конструкции ЭОП.

Благодаря нанесению на алюминиевое покрытие катодолюминесцентного экрана поглощающего свет покрытия происходит существенное снижение влияния на чувствительность и разрешающую способность фотоэлектронного прибора прошедшего через фотокатод (~ 50% света поглощается фотокатодом) рассеянного света. Для снижения отражения прошедшего через фотокатод внутри ЭПО света и, соответственно, улучшения контрастной чувствительности прибора, с учетом минимальной контрастной чувствительности глаза 0,03 (отн. ед.), значение которой используется при расчете разрешающей способности, коэффициент поглощения покрытия должен быть не менее 0,97:

F×тф.к×(1-Кпог.)≤0.03F,

где F - световой поток на фотокатод;

тф.к. - светопропускание фотокатода;

Кпог. - показательно поглощения покрытия.

Ухудшение контрастной чувствительности и разрешения фотоэлектронного устройства вызывает свет от катодолюминесцентного экрана, прошедший алюминиевое и поглощающее покрытие и попавший на фотокатод. Поскольку излучение экрана усилено в (φ×V×γ) раз (где φ - чувствительность фотокатода, V - напряжение между фотокатодом и экраном (в нашем случае не более 10 кВ), γ - светоотдача экрана), коэффициент светопропускания экрана должен быть не более 0,01% (для контрастной чувствительности глаза 0,03).

При работе фотоэлектронного устройства свет проникает за счет рассеяния через наружную поверхность ВОП и может вызвать засветку ФПЗС, поэтому наружная поверхность ВОП за пределами вакуумного блока (за исключением площадки под площадку чувствительного элемента ФПЗС) покрывается поглощающим свет покрытием (например, аквадагом) с коэффициентом поглощения не менее 0,97.

Так как экран светится по всей наружной поверхности, где нанесен катодолюминофор, а не только на поверхности ВОП, совмещенной с поверхностью чувствительного элемента ФПЗС, свободное пространство между наружной поверхностью ВОП, стенками крепежного устройства и стенками корпуса ФПЗС заполнено компаундом, имеющим светопропускание не более 0,03 в направлении выходной поверхности ВОП.

С учетом разрешающей способности планарного ЭОП, совмещенного с ФПЗС, которая составляет 65÷70 штр/мм, расстояние между поверхностью площадки чувствительного элемента ФПЗС и поверхностью площадки ВОП не должно превышать 1 мкм при показателе преломления иммерсии около 1,5. Это обеспечивается выбранной конструкцией фотоэлектронного устройства. В этом случае с учетом мер по подавлению рассеянного света (покрытие наружной поверхности ВОП поглощающим счет покрытием заполнение свободного пространства между наружной поверхностью ВОП и стенками корпусов крепежного устройства и ФЗПС) суммарная разрешающая способность и контрастная чувствительность фотоэлектронного устройства незначительно (на 3-5%) отличается от разрешающей способности и контрастной чувствительности ФПЗС, что недостижимо в аналогах (в аналогах ухудшение разрешающей способности и контрастной чувствительности ФПЗС составляет в лучшем случае 10÷15%).

Металлокерамический корпус ЭПО жестко связан посредством крепежного устройства с корпусом ФПЗС, который установлен в пазе крепежного устройства и соединен с ним с помощью компаунда, при этом иммерсионная жидкость заполняет свободное пространство между крепежным устройством и корпусом ФПЗС.

Для обеспечения проникновение иммерсии и компаунда между пазом крепежного устройства и корпусом ФПЗС расстояние между нижней поверхностью паза для ФПЗС в крепежном устройстве и корпусом ФПЗС должно быть на 0,2÷0,5 мм больше расстояния между поверхностью площадки чувствительного элемента ФПЗС и поверхностью площадки, сформированной на ВОП.

Предпочтительно, чтобы размер сформированной на выходной поверхности ВОП площадки соответствовал размеру площадки чувствительного элемента ФПЗС.

Предлагаемое техническое решение за счет конструкции и рабочего напряжения (напряжение питания ЭОП), которое не превышает 10 кВ, исключает влияние рентгеновского излучения, приводящего к снижению разрешающей способности, пороговой чувствительности ФПЗС и долговечности (дополнительный технический результат) устройства (по оценкам долговечность и стоимость фотоэлектронного устройства оценивается на уровне ЭОП 2+ поколения).

Для пояснения сущности заявленного изобретения представлена фиг.1 с оптико-механической схемой заявленного фотоэлектронного устройства.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, представлены на примере описания конструкции заявленного фотоэлектронного устройства, которое представляет собой (фиг.1) состыкованный с ФПЗС 1 бипланарный ЭОП 2. ЭОП 2 содержит размещенные в вакуумном объеме металлокерамического корпуса 3 фотокатод 4, нанесенный на выходную поверхность входного окна 5 устройства, и ВОП 6 с катодолюминесцентным экраном 7 на ее входной поверхности.

ВОП представляет собой совокупность отдельных волокон, каждое из которых содержит жилу и две оболочки. Диаметр волокна и показатель преломления жилы определяют числовую апертуру, светопропускание и разрешение ВОП. Диаметр волокна не должен превышать размеров чувствительного элемента ФПЗС. Поверхность ВОП, на которую нанесен катодолюминесцентный экран, называется входной, поверхность ВОП, совмещаемая с ФПЗС, называется выходной.

На поверхность катодолюминесцентного экрана 7 нанесено алюминиевое покрытие 8 (выполняет роль плоского электрода в планарной конструкции ЭОП) и поглощающее свет покрытие (окисленный хром или алюминий или т.п.) 9 с коэффициентом поглощения не менее 0,97.

На выходной поверхности (противоположной поверхности, на которую нанесен катодолюминесцентный экран) ВОП сформирована площадка 10, с которой через слой иммерсионной жидкости (иммерсионная жидкость по показателю преломления должна быть равна или превышать показатель преломления жилы) 11 совмещена чувствительная площадка 12 ФПЗС 1. Размер площадки 10 ВОП соответствует размеру чувствительной площадки 12 ФПЗС 10.

Корпус 13 ФПЗС располагается и крепится при помощи компаунда 14 в пазе 15 крепежного устройства 16, с помощью которого он соединяется с металлокерамическим корпусом 3 ЭОП 2. Таким образом, корпус ФПЗС 13, крепежное устройство 16 и металлокерамический корпус ЭОП 2 составляют единый блок.

Свободное пространство между корпусом 13 ФПЗС и поверхностью паза 14 заполнено иммерсионной жидкостью для исключения вытекания иммерсии с мест стыковки площадки 10 с площадкой 12 чувствительного элемента ФПЗС при воздействии смены температур.

Наружная поверхность 17 ВОП за пределами вакуумного блока за исключением выходной площадки ВОП под площадку чувствительного элемента ФПЗС покрыта поглощающим свет покрытием 18.

Расстояние между нижней поверхностью паза 14 для корпуса ФПЗС 1 в крепежном устройстве 16 и корпусом 13 ФПЗС 10 на 0,2÷0,5 мм больше расстояния между поверхностью 12 площадки чувствительного элемента ФПЗС 1 и поверхностью выходной площадки 10 ВОП для обеспечения проникновения иммерсии 11 и компаунда 15 между пазом 13 и корпусом ФПЗС 12.

Прилегающее к наружной поверхности 17 ВОП (за пределами вакуумного блока) в крепежном устройстве 16 и корпусе 13 ФПЗС свободное пространство заполнено поглощающим свет компаундом 18.

ООО МЭЛЗ-ЭВП г. Москва и ОАО РОМЗ г. Ростов-Ярославский совместно изготовили и испытали макетные образцы фотоэлектронного устройства на основе ФПЗС 1CX429ALL.

Испытания образцов показали, что фотоэлектронное устройство:

1) обладает стойкостью к воздействию одиночных ударов 500g;

2) устойчиво к воздействию смены температур;

3) его пороговая чувствительность в 30-50 раз превышает пороговую чувствительность ФПЗС 1CX429ALL (SONY), что на порядок выше, чем у аналогов;

4) разрешающая способность одинакова по всему полю зрения.

Литература

1. Медведев А.В., Гринкевич А.Б., Князева С.Н. «Практические достижения в технике ночного видения», издательство ОАО «РОМЗ», 2010 г.

Изобретение относится к области электронно-оптической и полупроводниковой техники и может быть использовано при изготовлении оптико-электронных наблюдательных и регистрирующих приборов, предназначенных для эксплуатации в условиях естественных освещенностей (от сумерек до глубокой ночи). Технический результат - улучшение технических характеристик устройства: контрастной чувствительности и разрешающей способности с обеспечением одинакового разрешения по всему полю зрения. Достигается тем, что фотоэлектронное устройство представляет собой электронно-оптический преобразователь (ЭОП), содержащий установленные в вакуумном объеме металлокерамического корпуса фотокатод, нанесенный на выходную поверхность входного окна устройства, и волоконно-оптическую пластину (ВОП) с катодолюминесцентным экраном на ее входной поверхности, светопропускание которого с алюминиевым и поглощающим свет покрытием, имеющим коэффициент поглощения не менее 0,97, составляет не более 0,01%, и состыкованный с фоточувствительным прибором с зарядовой связью (ФПЗС) путем совмещения через слой иммерсионной жидкости площадки чувствительного элемента ФПЗС с площадкой, сформированной на выходной поверхности ВОП ЭОП, при этом расстояние между поверхностью площадки чувствительного элемента ФПЗС и поверхностью площадки, сформированной на выходной поверхности ВОП, не должно превышать 1 мкм при показателе преломления иммерсии около 1,5; наружная поверхность ВОП за пределами вакуумного блока, за исключением площадки под площадку чувствительного элемента ФПЗС, покрыта поглощающим свет покрытием с коэффициентом поглощения не менее 0,97; металлокерамический корпус ЭПО жестко связан посредством крепежного устройства с корпусом ФПЗС, который установлен в пазе крепежного устройства и соединен с ним с помощью компаунда; свободное пространство между наружной поверхностью ВОП, стенками корпуса ФПЗС и корпуса крепежного устройства заполнено компаундом со светопропусканием не более 0,03 в направлении выходной поверхности ВОП; а расстояние между нижней поверхностью паза для ФПЗС в крепежном устройстве и корпусом ФПЗС на 0,2÷0,5 мм больше расстояния между поверхностью площадки чувствительного элемента ФПЗС и поверхностью площадки, сформированной на ВОП. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Фотоэлектронное устройство, характеризующееся тем, что представляет собой электронно-оптический преобразователь (ЭОП), содержащий установленные в вакуумном объеме металлокерамического корпуса фотокатод, нанесенный на выходную поверхность входного окна устройства, и волоконно-оптическую пластину (ВОП) с катодолюминесцентным экраном на ее входной поверхности, светопропускание которого с алюминиевым и поглощающим свет покрытием, имеющим коэффициент поглощения не менее 0,97, составляет не более 0,01%, и состыкованный с фоточувствительным прибором с зарядовой связью (ФПЗС) путем совмещения через слой иммерсионной жидкости площадки чувствительного элемента ФПЗС с площадкой, сформированной на выходной поверхности ВОП ЭОП, при этом расстояние между поверхностью площадки чувствительного элемента ФПЗС и поверхностью площадки, сформированной на выходной поверхности ВОП, не должно превышать 1 мкм при показателе преломления иммерсии около 1,5, наружная поверхность ВОП за пределами вакуумного блока, за исключением площадки под площадку чувствительного элемента ФПЗС, покрыта поглощающим свет покрытием с коэффициентом поглощения не менее 0,97, металлокерамический корпус ЭОП жестко связан посредством крепежного устройства с корпусом ФПЗС, который установлен в пазе крепежного устройства и соединен с ним с помощью компаунда, свободное пространство между наружной поверхностью ВОП, стенками корпуса ФПЗС и корпуса крепежного устройства заполнено компаундом со светопропусканием не более 0,03 в направлении выходной поверхности ВОП, расстояние между нижней поверхностью паза для ФПЗС в крепежном устройстве и корпусом ФПЗС на 0,2-0,5 мм больше расстояния между поверхностью площадки чувствительного элемента ФПЗС и поверхностью площадки, сформированной на ВОП.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что размер сформированной на выходной поверхности ВОП площадки соответствует размеру площадки чувствительного элемента ФПЗС.

3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что напряжение питания ЭОП не превышает 10 кВ.