КОМПАКТНАЯ ТРУБКА-УСИЛИТЕЛЬ ЯРКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ И СИСТЕМА НОЧНОГО ВИДЕНИЯ, СНАБЖЕННАЯ ТАКИМ УСИЛИТЕЛЕМ Российский патент 2014 года по МПК H01J31/50 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системам ночного видения ,и в частности к усилителю яркости изображения, входящему в состав системы ночного видения.

Уровень техники

Системы ночного видения используют во многих областях, к примеру в военном деле, промышленности и даже быту, когда необходимо видеть в темноте. К примеру, очки или бинокли ночного видения, надеваемые на голову, можно использовать ночью в личных или профессиональных целях.

Система ночного видения включает в себя устройство усиления яркости изображения, способное делать изображение, различимым для наблюдателя. Более конкретно, устройство усиления яркости изображения улавливает излучение от окружающих предметов, в частности небольшое количество видимого света и инфракрасное излучение, и усиливает их, в результате чего на выходе формируется изображение окружающих предметов, различимое человеческим глазом. Световой сигнал на выходе устройства усиления яркости изображения может быть записан записывающим устройством, отображен на внешнем мониторе или просмотрен непосредственно наблюдателем. В последнем случае устройства для усиления яркости изображения входят в состав очков или биноклей ночного видения, надеваемых на голову, при этом выходной световой сигнал поступает непосредственно в глаза. Обычно требуется, чтобы система ночного видения была компактной и легкой.

Обычно устройство усиления яркости изображения выполнено в виде трубки с тремя главными элементами, расположенными в корпусе трубки. Корпус трубки закрыт с обоих концов вдоль осевой линии трубки и ограничивает внутреннюю вакуумную камеру. Три элемента представляют собой фотокатод, микроканальную пластину (МКП) и фосфорный экран. Фотокатод улавливает фотоны извне и преобразует их в фотоэлектроны в соответствии с изображением окружающих предметов. МКП увеличивает количество и энергию фотоэлектронов, которые преобразуются фосфорным экраном в усиленный световой сигнал.

Фотокатод содержит фоточувствительный полупрозрачный слой, в котором может происходить фотоэлектрический эффект; при попадании на данный слой фотонов с достаточной энергией он испускает поток фотоэлектронов, который поступает вглубь трубки, при этом интенсивность потока зависит от интенсивности излучения. Испущенные фотоэлектроны попадают в электростатическое поле, которое ускоряет их в направлении МКП.

МКП представляет собой вторично-электронный умножитель с высоким коэффициентом умножения; данный умножитель обычно выполнен в виде тонкой пластины, которая содержит сеть сквозных трубок или микроканалов, соединяющих входную поверхность, обращенную к фотокатоду, с выходной поверхностью, обращенной к фосфорному экрану. К двум поверхностям МКП прикладывается разность потенциалов, создающая второе электростатическое поле. Когда фотоэлектрон попадает в микроканал и соударяется с его внутренней стенкой, образуются вторичные электроны, которые также соударяются с внутренней стенкой, в результате чего образуются другие вторичные электроны. Второе электростатическое поле ускоряет электроны, направляя их к выходу из канала, расположенному на внешней поверхности МКП. Между МКП и фосфорным экраном создано третье электростатическое поле, которое ускоряет электроны в направлении фосфорного экрана.

Фосфорный экран расположен вблизи выходной поверхности МКП, в результате чего электроны, генерированные МКП, соударяются с данным экраном. Фосфорный экран содержит слой фосфора или любого другого материала, способного испускать фотон за счет флуоресценции, когда с данным слоем соударяется электрон с достаточной энергией. Таким образом, поступающие электроны воспроизводят внешнее изображение, а фосфорный экран преобразует данное изображение в световой сигнал. Фосфорный экран соединен с выходным окном или оптическим волокном, которое передает световой сигнал за пределы трубки, к примеру, к средствам отображения видеосигнала, входящим в состав биноклей ночного видения.

Фотокатод, МКП и фосфорный экран расположены в корпусе трубки, который механически удерживает от распада три данных элемента, герметизирует вакуумную камеру трубки и подает напряжение к различным электродам для создания вышеупомянутых электрических полей. Обычно корпус трубки состоит из ряда диэлектрических колец, к которым припаяны твердым припоем металлические кольца для подачи напряжения к различным электродам.

На фиг.1 изображен разрез усилителя А01 яркости изображения, который соответствует известному уровню техники. Секущая плоскость параллельна оси А усилителя. Усилитель представлен в прямоугольной системе координат (R, Z), где R - радиальная ось усилителя А01, а Z - его продольная ось, которая практически совпадает с направлением перемещения фотонов и электронов. Вдоль оси Z усилителя расположены входное окно 11, через которое усиливаемый световой сигнал попадает снаружи в усилитель, и фотокатод А10, нанесенный на внутреннюю сторону входного окна А11. Кроме того, усилитель А01 содержит МКП А20 и фосфорный экран А30, нанесенный на внутреннюю сторону выходного окна А31. Расстояния от фотокатода А10 до МКП А20 и от МКП А20 до фосфорного экрана А30 составляют порядка десятых долей миллиметра. На фотокатод А10, МКП А20 и фосфорный экран А30 поданы различные электрические потенциалы для создания электрических полей, которые ускоряют электроны в нужном направлении.

Корпус А40 усилителя А01 закрыт и герметизирован с первой стороны с помощью входного окна А11, а со второй стороны, противоположной первой - с помощью выходного окна А31. Для улучшения прохождения электронов через усилитель А01 в его корпусе А40 создан вакуум.

Как видно из фиг.1, корпус А40 усилителя включает в себя ряд кольцевых элементов, которые расположены друг на друге и герметично закреплены между собой. Входное окно А11 герметично соединено с первым токопроводящим кольцом А41, которое расположено под данным окном на первом конце корпуса А40 усилителя. Таким образом, опорное кольцо А41 может быть выполнено из металла или диэлектрика, на который нанесена металлическая пленка. На внутреннюю поверхность входного окна А11 и на границу раздела входного окна А11 и фотокатода А10 нанесена металлическая пленка для подачи на фотокатод первого фиксированного потенциала снаружи корпуса А40 усилителя.

Первая кольцевая диэлектрическая прокладка А45 из стекла или керамики зафиксирована на опорном кольце А41 путем пайки твердым припоем. Пайка твердым припоем позволяет герметично зафиксировать между собой два элемента - А41 и А45. На конце прокладки А45, не граничащем с кольцом А41, зафиксировано второе токопроводящее кольцо А50. Оно соединено с входной поверхностью А21 МКП А20 с помощью металлического опорного кольца А51, которое расположено радиально относительно оси А, и металлического контактного кольца А52 для подачи на входную поверхность А21 второго заданного потенциала. Вторая кольцевая диэлектрическая прокладка А55 отделяет второе токопроводящее кольцо А50 от третьего токопроводящего опорного кольца А60. Третье кольцо А60 расположено радиально относительно оси А и вплотную прилегает к выходной поверхности МКП А20 для подачи на данную поверхность третьего заданного потенциала.

Третья диэлектрическая прокладка А65 зафиксирована между третьим токопроводящим кольцом А60 и газопоглотителем А70. Газопоглотитель А70 создает в камере усилителя А01 вакуум. Четвертая прокладка А75 зафиксирована между газопоглотителем и средствами А80 крепления, которые фиксируют усилитель А01 на устройстве для усиления яркости изображения (не показано). На выходном конце корпуса А40 усилителя расположена втулка А85, которая герметично закреплена на средствах А80 крепления и выходном окне A31.

Таким образом, усилитель яркости изображения по известному уровню техники включает в себя корпус, состоящий из большого количества металлических или диэлектрических частей, которые расположены друг на друге и зафиксированы между собой. Ряд недостатков непосредственно связан со сложной конструкцией корпуса усилителя.

Длина усилителя по оси А велика и составляет, к примеру, порядка 20 мм, что объясняется большим количеством частей, из которых состоит корпус усилителя, при этом вес усилителя также велик. Большая длина усилителя обусловлена, в частности, необходимостью использования толстых диэлектрических прокладок для предотвращения пробоя между металлическими пластинами. Усилитель же, напротив, должен быть малогабаритным и легким, чтобы его можно было использовать в очках ночного видения, обычно надеваемых на голову.

Кроме того, важно, чтобы соответствующие расстояния между фотокатодом, МКП и фосфорным экраном (составляющие порядка десятых долей миллиметра) были одинаковыми вдоль радиальной оси усилителя. Существует погрешность расстояний между тремя главными элементами, которая складывается из погрешностей длин различных частей корпуса усилителя. Таким образом, расстояния между тремя данными элементами характеризуются высокой погрешностью, которая может привести, в частности, к неоднородности электростатических полей в пространстве и ухудшению качества выходного светового сигнала.

Корпус усилителя должен также обеспечивать вакуум во всем усилителе, поэтому различные части корпуса усилителя герметично закреплены между собой. Однако из-за большого количества соединительных участков возможны локальные протечки, которые ухудшают качество вакуума в усилителе, что ведет к искажению выходного сигнала.

Наконец, из-за большого количества составных частей процесс изготовления усилителя яркости изображения удлиняется, а значит, стоимость усилителя возрастает.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является, по меньшей мере, частичное устранение вышеупомянутых недостатков и, в частности, обеспечение компактной трубки-усилителя яркости изображения и системы ночного видения, снабженной такой трубкой.

Для решения этой задачи предложена трубка-усилитель яркости изображения, которая принимает внешние фотоны для формирования на выходе видимого изображения, причем трубка содержит:

- трубчатый корпус, ограничивающий вакуумную камеру, который герметично закрыт с первого конца входным устройством, принимающим падающий световой сигнал, а со второго конца, противоположного первому вдоль осевого направления трубки - устройством вывода светового сигнала;

- фотокатод, расположенный на внутренней поверхности входного устройства, который принимает фотоны для генерации фотоэлектронов;

- средства умножения для приема указанных фотоэлектронов и формирования в ответ выходных вторичных электронов;

- фосфорный экран, расположенный на внутренней поверхности указанного выходного устройства и принимающий указанные вторичные электроны для формирования ответного видимого изображения.

Согласно изобретению трубчатый корпус содержит многослойную керамическую подложку, герметично прикрепленную к входному устройству и выходному устройству, причем на данной подложке закреплены средства умножения, подложка выполнена с возможностью подачи на средства умножения различных электрических потенциалов.

Таким образом, количество частей в трубчатом корпусе сведено к минимуму, поскольку трубчатый корпус по настоящему изобретению содержит одну многослойную керамическую подложку, в отличие от известных устройств, где трубчатый корпус содержит несколько изолирующих прокладок, которые чередуются с металлическими кольцами. В результате трубка по настоящему изобретению может быть короче, поэтому компактнее и легче, чем трубка из уровня техники. Кроме того, уменьшается количество операций при изготовлении, а значит, существенно уменьшаются производственные издержки. Исключены любые риски электрического пробоя, поскольку в трубчатом корпусе не используются металлические кольца. Электрические поля равномернее распределены в трубке, что улучшает качество выходного сигнала. Кроме того, уменьшено количество соединительных участков крепления, обеспечивающих герметичность усилителя, что уменьшает риск протечек и позволяет обойтись без газопоглотителя, который является обязательным элементом в известных устройствах. Таким образом, сохраняется вакуум, а значит, и качество выходного сигнала. Наконец, уменьшается погрешность расстояния между указанными средствами умножения и фотокатодом, поскольку она теперь зависит только от погрешности толщины многослойной керамической подложки, а не от суммы погрешностей толщин различных частей, находящихся в трубчатом корпусе, известном из уровня техники.

Предпочтительно указанные средства умножения представляют собой микроканальную пластину.

В качестве альтернативы указанные средства умножения представляют собой тонкую пленку или мембрану, выполненную из полупроводникового материала. Предпочтительно полупроводниковый материал имеет кристаллическую структуру. Предпочтительно полупроводниковый материал выбирается из группы материалов, включающей в себя монокристаллический или поликристаллический алмаз, CaF, MgO, AlN, BN, GaN, InN, SiC и нитридные сплавы, содержащие два или несколько компонентов из Al, В, Ga и In. Предпочтительно тонкая пленка является алмазной пленкой.

Трубка-усилитель яркости изображения может содержать одну или несколько микроканальных пластин и по меньшей мере одну алмазную пленку.

Указанная многослойная керамическая подложка может быть выполнена с возможностью подачи на фотокатод и фосфорный экран различных электрических потенциалов.

Предпочтительно подложка содержит ряд керамических слоев и по меньшей мере один внутренний электрический контакт, расположенный между двумя керамическими слоями.

Предпочтительно по меньшей мере два внутренних электрических контакта, оба расположены между одними и теми же соседними керамическими слоями указанной многослойной керамической подложки.

Предпочтительно подложка содержит центральное отверстие, проходящее вдоль радиального направления трубки, так чтобы фотоэлектроны могли проходить от указанных средств умножения к указанному фосфорному экрану.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения подложка герметично прикреплена к внутренней поверхности входного устройства с помощью первого электропроводящего средства крепления.

Точно так же подложка может быть герметично прикреплена к внутренней поверхности выходного устройства с помощью второго электропроводящего средства крепления.

Предпочтительно первое и второе электропроводящие средства крепления представляют собой уплотнители, выполненные из материала индий-олово, индий-висмут или из чистого индия.

Предпочтительно подложка содержит первый и второй внутренние электрические контакты, через которые на первое и второе электропроводящие средства крепления подается заданный электрический потенциал.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения указанные средства умножения прикреплены к подложке с помощью нескольких электропроводящих средств крепления.

Предпочтительно указанные средства умножения содержат входную поверхность и выходную поверхность вдоль оси трубки, а подложка содержит верхнюю поверхность и нижнюю поверхность вдоль оси трубки, при этом указанная выходная поверхность указанных средств умножения прикреплена к указанной верхней поверхности подложки с помощью нескольких электропроводящих средств крепления.

Предпочтительно электропроводящие средства крепления расположены на одинаковых расстояниях друг от друга и на одинаковом расстоянии от отверстия вдоль радиального направления трубки.

Предпочтительно каждое электропроводящее средство крепления расположено в выемке на верхней поверхности подложки, так чтобы обеспечивался контакт данного средства по меньшей мере с одним внутренним контактом подложки.

Предпочтительно на выходную поверхность указанных средств умножения подается заданный потенциал от первого набора электропроводящих средств крепления через третий внутренний электрический контакт.

Предпочтительно на входную поверхность указанных средств умножения подается заданный потенциал от второго набора электропроводящих средств крепления через четвертый внутренний электрический контакт.

Предпочтительно указанные третий и четвертый контакты расположены по существу в одной и той же плоскости, перпендикулярной осевому направлению трубки, а более конкретно - между двумя соседними керамическими слоями указанной подложки.

Предпочтительно указанные средства умножения содержат сквозные отверстия, проходящие сквозь пластину от ее входной поверхности к выходной поверхности, при этом каждое сквозное отверстие контактирует со средствами крепления из второго набора, так чтобы подавать заданный потенциал на входную поверхность указанных средств умножения.

Предпочтительно каждое средство крепления первого набора чередуется со средствами крепления второго набора. Если на пластину подается сигнал с высокой частотой, то благодаря чередованию средств крепления исключаются любые сдвиги фаз между потенциалами входной поверхности и выходной поверхности пластины.

В качестве альтернативы средства крепления первого набора расположены в первом заданном секторе отверстия, а средства крепления второго набора расположены во втором секторе отверстия, отличном от указанного первого сектора. При этой конфигурации наборы средств крепления имеют форму подковы и расположены вокруг центрального отверстия подложки.

Предпочтительно средства крепления, расположенные между пластиной и подложкой, представляют собой индиевые шарики.

Предпочтительно с верхней поверхностью подложки и внутренней поверхностью входного устройства контактирует по меньшей мере одна прокладка, так чтобы ограничивать расстояние между фотокатодом и указанными средствами умножения и точно фиксировать расстояние между ними.

В качестве альтернативы подложка содержит по меньшей мере одну прокладку, расположенную на верхней поверхности подложки и соприкасающуюся с выходной поверхностью фотокатода, так чтобы поддерживать постоянное расстояние между фотокатодом и указанными средствами умножения.

Настоящее изобретение относится также к системе ночного видения, которая содержит трубку-усилитель яркости изображения, определенный в соответствии с одной из вышеописанных характеристик.

Другие преимущества и характеристики настоящего изобретения будут очевидны из примерного подробного его описания, приведенного ниже.

Краткое описание чертежей

Ниже описаны примерные варианты выполнения настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.2 - схематичный разрез трубки-усилителя яркости изображения, согласно настоящему изобретению, вдоль вертикальной плоскости;

фиг.3 - вид в перспективе многослойной керамической подложки трубки, согласно настоящему изобретению;

фиг.4 - разрез части микроканальной пластины, а более конкретно - сквозное отверстие, расположенное в сплошном крае.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

На фиг.2 изображена трубка-усилитель 1 яркости изображения, которая соответствует предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения. Форма трубки 1 вдоль оси А является по существу цилиндрической или трубчатой. Однако сечение трубки 1 может быть и квадратным, прямоугольным, шестиугольным или иметь любую другую форму. На фигуре изображена система координат (R, Z), где R - радиальная ось усилителя, а Z - его продольная ось, параллельная оси А. Ось Z может считаться осью, совпадающей с направлением распространения фотонов и электронов в трубке 1.

Трубка 1 включает в себя три главных элемента, которые расположены вдоль оси Z: входное устройство 10, микроканальную пластину (МКП) 20 и выходное устройство 30. Трубка 1 также включает в себя корпус 40 для механического удержания от распада трех вышеупомянутых элементов 10, 20 и 30, ограничения герметичной камеры 2, взаимодействующей с элементами 10 и 30, и подачи напряжения к различным электродам, что будет описано ниже. Три элемента 10, 20, 30 расположены по существу последовательно вдоль оси А трубки.

Входное устройство 10 включает в себя входное окно 11, через которое фотоны проникают из внешней среды в трубку 1. Прозрачное входное окно 11 может быть выполнено, к примеру, из стекла или заменено оптическим волокном. Входное окно 11 включает в себя внутреннюю поверхность 12, на которую нанесен фотоэмиссионный слой фотокатода 15. Фотокатод включает в себя входную поверхность 15Е, которая прилегает к внутренней поверхности 12 входного окна 11, и выходную поверхность 15S, противоположную входной поверхности 15Е вдоль оси Z. Когда на входную поверхность 15Е фотоэмиссионного слоя поступают фотоны, с его выходной поверхности 15S за счет фотоэлектрического эффекта испускаются фотоэлектроны, которые перемещаются к МКП 20.

МКП 20 обращена к фотокатоду и расположена на заданном расстоянии от нее, при этом она поддерживается корпусом 40 трубки. МКП 20 включает в себя входную поверхность 20Е, которая параллельна и обращена к выходной поверхности 15S фотокатода 15, и выходную поверхность 20S, противоположную входной поверхности 20Е вдоль оси Z. МКП 20 включает в себя первую центральную часть 21, которая называется полезной областью, и вторую периферийную часть 22, которая называется сплошным краем, причем две данные части 21 и 22 расположены вдоль оси R трубки. Полезная область 21 содержит ряд микроканалов 23, проходящих через МКП 20, соединяя ее входную поверхность 20Е с выходной поверхностью 20S. Сплошной край 22 расположен по периферии МКП 20, окружая ее полезную область 21. Сплошной край 22 предназначен для фиксации МКП 20 на корпусе 40 трубки и подвода на ее входную поверхность 20Е и выходную поверхность 20S заданных электрических потенциалов, т.е. приложения к МКП напряжения. Когда фотоэлектрон попадает в микроканал 23 и соударяется с его внутренней стенкой 24, образуются вторичные электроны, которые также соударяются со стенкой 24, в результате чего образуются другие вторичные электроны. Электростатическое поле придает электронам направленное движение, ускоряя их к выходу микроканала, расположенному на выходной поверхности 20S МКП 20. Затем электростатическое поле ускоряет электроны в направлении фосфорного экрана 31.

Выходное устройство 30 включает в себя фосфорный экран 31, нанесенный на внутреннюю поверхность 32I выходного окна 32. Выходное окно 32, выполненное, к примеру, из стекла, излучает за пределы трубки 1 усиленный световой сигнал, который может быть воспринят органами зрения. Выходное окно 32 может быть заменено оптическим волокном. Фосфорный экран параллелен выходной поверхности 20S МКП 20 и обращен к поверхности 20S, в результате чего вторичные электроны, генерируемые МКП 20, соударяются с экраном. Фосфорный экран 31 содержит слой фосфора или любого другого материала, который может излучать фотон при улавливании электрона с достаточной энергией. Таким образом, внешнее изображение воспроизводится фосфорным экраном 31 с помощью фотонов, излучаемых возбужденными атомами фосфора. Фотоны выходят из трубки 1 через выходное окно 32 или оптическое волокно.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения корпус 40 трубки содержит подложку, содержащую ряд слоев керамики. Многослойная керамическая подложка 40 включает в себя ряд тонких слоев керамики, между которыми может быть нанесена металлизация путем трафаретной печати. Подложка является цельной деталью и может быть получена путем совместного спекания слоев или другими способами, известными специалистам в данной области техники. Подложка 40 содержит, по меньшей мере, один внутренний электрический контакт. Предпочтительно подложка содержит четыре внутренних электрических контакта. Каждый контакт может быть расположен между различными керамическими слоями или между одними и теми же керамическими слоями. Предпочтительно контакты расположены между одними и теми же керамическими слоями для уменьшения толщины подложки 40. Таким образом, после совместного спекания различных слоев образуются внутренние электрические контакты, которые могут подводить напряжение к требуемым участкам подложки 40. Электрические контакты соединены с внешним источником электропитания (не показан), который подает на каждый контакт соответствующий потенциал.

Предпочтительно каждый внутренний электрический контакт имеет форму полосы или нити, которые расположены по существу в плоскости, перпендикулярной оси Z. Некоторые из контактов соединены с шариками 44, как описано ниже.

Подложка 40 расположена вдоль оси R и имеет по существу круговую форму, соответствующую форме области 1 трубки. Подложка 40 расположена между входным устройством 10 и выходным устройством 30. В середине подложки 40 расположено отверстие 41, продольная ось которого по существу совпадает с осью А трубки, благодаря чему электроны могут поступать от МКП 20 к фосфорному экрану 31. Таким образом, плоскость отверстия 41 по существу соответствует поверхности полезной области 21 МКП 20. Подложка 40 включает в себя внутреннюю часть 42I, расположенную по периферии отверстия 41, и внешнюю часть 42Е, расположенную вблизи внешней периферии подложки 40. Поверхность, обращенная к фотокатоду 15, называется верхней поверхностью 43S, а поверхность, обращенная к фосфорному экрану 31 - нижней поверхностью 43I. Следует отметить, что верхняя поверхность 43S может быть расположена в плоскости, не перпендикулярной оси А. В любом случае верхняя поверхность 43S по существу параллельна выходной поверхности 15S фотокатода.

МКП 20 опирается на подложку 40, точнее выходная поверхность 20S сплошного края 22 МКП 20 зафиксирована относительно верхней поверхности 43S внутренней части 42I подложки 40. Поверхности скреплены с помощью ряда индиевых шариков 44, вставленных в выемки, которые выполнены на верхней поверхности 43S внутренней части 42I, при этом выемки 45 окружают отверстие 41 и отстоят друг от друга на равные расстояния.

На верхней поверхности 43S внешней части 42Е подложки 40 по внешнему периметру поверхности 43S расположен непрерывный индиево-оловянный уплотнитель 50, который соприкасается с внутренней поверхностью 12 входного окна 11, фиксируя многослойную подложку относительно входного устройства 10 (фиг.2 и 3). Герметичное крепление уплотнителя 50 на поверхностях 43S и 12 может быть выполнено путем пайки твердым припоем. Уплотнитель 50 может быть выполнен и из материала индий-висмут или из чистого индия. Если уплотнитель выполнен из чистого индия, то крепление подложки 40 к входному устройству 10 выполняется с помощью технологии холодного смыкания, известной специалистам в данной области техники.

Точно также для фиксации подложки 40 на устройстве 30, содержащем фосфорный экран, на нижней поверхности 43I внешней части 42Е подложки 40 по внешнему периметру поверхности 43I расположен индиево-оловянный уплотнитель 51, который соприкасается с внутренней поверхностью 32I выходного окна 32. Герметичное крепление уплотнителя 51 на поверхностях 43I и 32I может быть выполнено путем пайки твердым припоем. Уплотнитель 51 может быть выполнен и из материала индий-висмут или из чистого индия. Если уплотнитель выполнен из чистого индия, то подложку 40 прикрепляют к выходному устройству 30 с помощью технологии холодного смыкания, известной специалистам в данной области техники,

Таким образом, два уплотнителя 50 и 51 не только прикрепляют подложку 40 к устройствам 10 и 30, но и герметизируют вакуумную камеру 2. В соответствии с настоящим изобретением цельная деталь 40 и уплотнители 50 и 51 не только механически удерживают от распада входное устройство 10, МКП 20 и выходное устройство 30, но и герметизируют вакуумную камеру 2. Количество частей в корпусе 40 трубки при этом сводится к минимуму.

В трубке 1 создаются различные электростатические поля для ускорения электронов в нужном направлении. Первое электростатическое поле Е1 создается между фотокатодом и входной поверхностью 20Е МКП 20. Второе электростатическое поле Е2 создается между входной поверхностью 20Е и выходной поверхностью 20S МКП 20. Наконец, третье электростатическое поле Е3 создается между выходной поверхностью 20S и фосфорным экраном 31. Электрические поля Е1, Е2 и Е3 создаются путем подачи на различные электроды соответствующих электрических потенциалов.

Первый электрод 13 расположен между внутренней поверхностью 12 входного окна 11 и фотоэмиссионным слоем фотокатода 15. Электрод 13 может представлять собой металлическую пленку, напыленную способом, известным специалистам в данной области техники. Электрод 13 соединен с индиево-оловянным уплотнителем 50, от которого отходит металлический контакт, нанесенный на поверхность 43S части 42 и соединяющий данный электрод с источником электропитания (не показан).

Аналогично, на внутренней поверхности 32I выходного окна расположен электрод 33, соединяющий фосфорный экран 31 с индиево-оловянным уплотнителем 51. Уплотнитель 51 соединен с источником электропитания через металлический контакт, нанесенный на поверхность 43I части 42Е.

В качестве альтернативы указанные электроды 13 и 33 могут быть соединены с источником электропитания через средства, не нанесенные на подложку. К примеру, электроды 13 и 33 могут быть непосредственно соединены с источником электропитания через провода.

Для создания трех электростатических полей Е1, Е2 и Е3 на входную поверхность 20Е и выходную поверхность 20S МКП 20 подаются различные потенциалы. При этом первый электрод 26Е должен быть нанесен путем металлизации на полезную область 21 входной поверхности 20Е МКП 20, а второй электрод 26S - на полезную область 21 выходной поверхности 20S. Таким образом, электроды 13 и 26Е взаимодействуют между собой, создавая электростатическое поле Е1, электроды 26Е и 26S взаимодействуют между собой, создавая поле Е2, и электроды 26S и 33 взаимодействуют между собой, создавая поле Е3.

В одном примере осуществления настоящего изобретения напряжение подается к электродам 26Е и 26S с помощью индиевых шариков 44 (фиг.2 и 3). С помощью выемок 45 шарики 44 приводятся в соприкосновение с внутренними электрическими контактами, соединенными с источником электропитания. Первый набор 44А шариков соединен с первым внутренним электрическим контактом, а второй набор 44В шариков - со вторым внутренним электрическим контактом, при этом потенциалы на контактах различны. Предпочтительно каждый шарик из одного набора расположен рядом с шариком 44 из другого набора. Другими словами, на один шарик 44 из двух подается первый потенциал, при этом шарики с таким потенциалом образуют первый набор 44А, а на остальные шарики 44 подается второй потенциал, при этом данные шарики образуют второй набор 44В. Первый набор 44А шариков соединен с электродом 26S, расположенным на выходной поверхности 20S.

Предпочтительно указанные первый и второй внутренние электрические контакты расположены в одной и той же плоскости, перпендикулярной оси Z, а более конкретно - между двумя соседними керамическими слоями указанной многослойной керамической подложки 40.

Как видно из фиг.4, чтобы подать на электрод 26Е необходимый потенциал, шарики из второго набора 44В контактируют со сквозными отверстиями 25, соединяющими поверхность 20S с поверхностью 20Е МКП 20. Каждое сквозное отверстие 25 обращено к соответствующему шарику 44 из второго набора 44В и контактирует с соответствующими шариками 44. Таким образом, каждое сквозное отверстие 25 соединено с электродом 26Е, расположенным на поверхности 20Е МКП 20. Сквозные отверстия 25 проходят сквозь МКП вдоль оси Z. Внутренняя стенка 27 сквозного отверстия 25 покрыта металлической пленкой, нанесенной на нее путем напыления, для электрического соединения шарика 44 из набора 44В с электродом 26Е. Предпочтительно диаметр d отверстия 25 по существу равен или превышает толщину е МКП 20, что позволяет покрыть пленкой стенку 27 по всей ее высоте. Таким образом, при напылении металла внутренняя стенка 27 отверстия 25 равномерно покрывается металлической пленкой. Исходя из вышесказанного, на электрод 26Е можно подать потенциал с помощью шариков из второго набора, соединенных с источником электропитания через внутренние электрические проводники, которые расположены в подложке 40.

В другом примере осуществления (не проиллюстрирован) МКП может быть заменена двумя или несколькими МКП, расположенными последовательно, для обеспечения дополнительного коэффициента усиления. В этом случае многослойная керамическая подложка приспособлена для удержания нескольких МКП. К примеру, вертикальная стенка части 42I указанной подложки может содержать пазы, на которых расположены дополнительные шарики 44, соединяемые с МКП. Кроме того, одна из МКП может быть зафиксирована на нижней поверхности 43I подложки 40 также, как и МКП, зафиксированная на верхней поверхности 43S.

В другом примере осуществления (не проиллюстрирован) МКП может быть заменена тонкой пленкой или мембраной из полупроводникового материала, как описано в патенте США №6657385, включенном в настоящее описание путем ссылки.

Предпочтительно полупроводниковый материал имеет кристаллическую структуру и выбран из следующих материалов: монокристаллического или поликристаллического алмаза, CaF, MgO, AlN, BN, GaN, InN, SiC и нитридных сплавов, содержащих два или несколько компонентов из Al, В, Ga и In.

Предпочтительно тонкая пленка выполнена из алмаза.

В другом примере осуществления (не проиллюстрирован) усилитель яркости изображения включает в себя, по меньшей мере, одну МКП и, по меньшей мере, одну алмазную пленку. МКП и алмазная пленка зафиксированы на многослойной керамической подложке. В этом примере подложка предназначена для фиксации этих элементов.

Подложка содержит внутренние электрические контакты для подачи на эти элементы различных потенциалов.

Далее описан принцип работы трубки усилителя 1 яркости изображения. Фотоны, носящие информацию о внешнем изображении, поступают в трубку 1 через входное окно 11 и сталкиваются с фотокатодом 15, который испускает фотоэлектроны за счет фотоэлектрического эффекта. Фотоэлектроны испускаются в соответствии с усиливаемым изображением. Фотоэлектроны ускоряются в направлении МКП 20 под действием электрического поля Е1. При прохождении через микроканалы 23 МКП 20 фотоэлектроны соударяются с внутренними стенками 24 микроканалов 23, в результате чего испускается большое количество вторичных электронов за счет вторичной электронной эмиссии. Каждый вторичный электрон также соударяется со стенкой 24 микроканала, что приводит к испусканию других вторичных электронов. Вторичные электроны ускоряются в направлении выхода микроканала под действием электрического поля Е2. В каждый микроканал 23 поступает один фотоэлектрон, а выходит поток вторичных электронов. Вторичные электроны затем ускоряются в направлении фосфорного экрана 31 под действием электрического поля Е3. Каждый электрон взаимодействует с флуоресцентным материалом фосфорного экрана 31, что приводит к люминесценции и испусканию фотонов, количество которых зависит от энергии электронов. Испущенные электроны формируют изображение, которое является копией исходного изображения, но характеризуется усиленной яркостью. Фотоны выходят из трубки 1 через выходное устройство 30 и поступают к средствам отображения информации, которыми снабжена система ночного видения (не показаны).

Как сказано выше, в вакуумной камере 2 трубки 1 создается вакуум, который необходим для перемещения электронов от фотокатода 15 к МКП 20 и фосфорному экрану 31.

По сравнению с предыдущим уровнем техники больше не нужен газопоглотитель, поскольку риски протечек сведены к минимуму за счет уменьшения количества частей, из которых состоит корпус 40 трубки. Газопоглотитель обычно используется для поддержания в камере вакуума и компенсации протечек. Принцип действия газопоглотителя известен специалистам в данной области техники и заключается в использовании способности твердых фаз некоторых растворов улавливать молекулы газов, в частности за счет адсорбции или абсорбции. Наличие газопоглотителя в усилителе яркости изображения особенно важно при большом количестве состыкованных между собой частей корпуса трубки, как в случае вышеописанной трубки, соответствующей известному уровню техники. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения корпус 40 трубки содержит по существу многослойную подложку 40, герметично прикрепленную к входному устройству 10 и выходному устройству 30. Таким образом, количество частей корпуса 40 трубки сведено к минимуму, что соответственно уменьшает риск протечек. Кроме того, для поддержания вакуума в трубке использование газопоглотителя уже не обязательно. При изготовлении трубки, соответствующей настоящему изобретению, она закрывается непосредственно в вакууме по технологии, известной специалистам в данной области техники.

В одном примере осуществления настоящего изобретения между выходной поверхностью 15S фотокатода 15 и верхней поверхностью 43S многослойной подложки 40 может быть расположена, по меньшей мере, одна прокладка 60 для пространственного разделения выходной поверхности 15S фотокатода и входной поверхности 20Е пластины 20. Прокладка расположена между уплотнителем 50 и МКП 20 и может представлять собой прокладку из керамики или любого другого диэлектрического материала.

В другом примере осуществления настоящего изобретения фотокатод 15 может быть отделен от МКП 20 с помощью промежуточной части 60 подложки 40, которая расположена на поверхности 43S подложки вдоль оси Z и может соприкасаться с выходной поверхностью 15S фотокатода 15. Промежуточная часть 60 может быть выполнена в виде диска, сомкнутого вокруг отверстия 41, или ряда прокладок, расположенных вокруг отверстия 41 на одинаковых расстояниях друг от друга. Высоту промежуточной части 60 можно регулировать или изменять, если изобретение содержит прокладку, допускающую корректировку ее высоты.

Изобретение относится к трубке-усилителю яркости изображения и системе ночного видения, снабженной такой трубкой. Трубка-усилитель яркости изображения содержит многослойную керамическую подложку, герметично прикрепленную к входному устройству и выходному устройству, так чтобы обеспечить герметизацию вакуумной камеры, ограниченной корпусом трубки. Многослойная подложка также поддерживает микроканальную пластину, расположенную между фотокатодом и фосфорным экраном, и обеспечивает подачу напряжения на фотокатод, пластину и фосфорный экран. Технический результат - упрощение конструкции устройства и повышение надежности его работы. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Трубка-усилитель (1) яркости изображения для приема внешних фотонов и вывода видимого изображения, содержащая:
корпус (40) в виде трубки, ограничивающий вакуумную камеру (2) и герметично закрытый с первого конца входным устройством (10) для приема падающего светового сигнала, а со второго конца, противоположного первому концу вдоль оси (Z) трубки, - выходным устройством (30) для вывода светового сигнала;
фотокатод (15), расположенный на внутренней поверхности (12) входного устройства (10) и выполненный с возможностью приема фотонов для генерации фотоэлектронов;
средства (20) умножения для приема указанных фотоэлектронов и генерирования ответных выходных вторичных электронов;
фосфорный экран (31), расположенный на внутренней поверхности (32I) указанного выходного устройства (32) и выполненный с возможностью приема указанных вторичных электронов для формирования ответного видимого изображения;
при этом указанный корпус (40) в виде трубки содержит монолитную многослойную керамическую подложку (40), содержащую множество тонких керамических слоев, между которыми нанесена металлизация, подложка (40) расположена между входным устройством (10) и выходным устройством (30), причем подложка герметично закреплена на входном устройстве (10) и выходном устройстве (30), при этом на указанной подложке закреплены средства (20) умножения, и указанная подложка выполнена с возможностью подачи на указанные средства (20) умножения различных электрических потенциалов.

2. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.1, характеризующаяся тем, что указанные средства умножения представляют собой микроканальную пластину (20).

3. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.1, характеризующаяся тем, что указанные средства умножения представляют собой алмазную пленку (20).

4. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.1, характеризующаяся тем, что указанная многослойная керамическая подложка (40) выполнена с возможностью подачи на фотокатод (15) и фосфорный экран (31) различных электрических потенциалов.

5. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.1, характеризующаяся тем, что указанная подложка (40) содержит множество керамических слоев и по меньшей мере один внутренний электрический соединитель, расположенный между двумя керамическими слоями.

6. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.5, характеризующаяся тем, что, по меньшей мере два внутренних электрических соединителя расположены между одними и теми же соседними керамическими слоями указанной многослойной керамической подложки (40).

7. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.1, характеризующаяся тем, что указанная подложка (40) герметично прикреплена к внутренней поверхности (12) входного устройства (10) с помощью первого электропроводящего средства (50) крепления, а к внутренней поверхности (32I) выходного устройства (30) - с помощью второго электропроводящего средства (51) крепления.

8. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.7, характеризующаяся тем, что указанные первое и второе электропроводящие средства (50, 51) крепления являются уплотняющими прокладками, выполненными из материала индий-олово, индий-висмут или из чистого индия.

9. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.7, характеризующаяся тем, что указанная подложка (40) содержит первый и второй внутренние электрические контакты для подачи на первое и второе электропроводящие средства (50, 51) крепления заданных электрических потенциалов.

10. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.1, характеризующаяся тем, что указанные средства (20) умножения прикреплены к подложке (40) с помощью ряда электропроводящих средств (44) крепления.

11. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.10, характеризующаяся тем, что указанные средства (20) умножения содержит входную поверхность (20E) и выходную поверхность (20S) вдоль направления оси (Z) трубки, а подложка (40) содержит верхнюю поверхность (43S) и нижнюю поверхность (43I) вдоль направления оси (Z) трубки, при этом указанная выходная поверхность (20S) указанных средств (20) умножения прикреплена к указанной верхней поверхности (43S) подложки (40) с помощью ряда электропроводящих средств (44) крепления.

12. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.10, характеризующаяся тем, что электропроводящие средства (44) крепления расположены на одинаковых расстояниях друг от друга и на одинаковом расстоянии от отверстия (41) вдоль радиальной оси (R) усилителя (1).

13. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.11, характеризующаяся тем, что каждое электропроводящее средство (44) крепления расположено в выемке (45) на верхней поверхности (43S) подложки (40), так чтобы указанные средства (44) крепления контактировали по меньшей мере с одним внутренним электропроводящим контактом подложки (40).

14. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.13, характеризующаяся тем, что на выходную поверхность (20S) указанных средств (20) умножения подается заданный потенциал от первого набора (44А) электропроводящих средств (44) крепления через третий внутренний электрический контакт, а на входную поверхность (20E) указанных средств (20) умножения подается заданный потенциал от второго набора (44B) электропроводящих средств (44) крепления через четвертый внутренний электрический контакт.

15. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.14, характеризующаяся тем, что указанные третий и четвертый контакты расположены, по существу, в одной плоскости, перпендикулярной направлению оси (Z) трубки.

16. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.14, характеризующаяся тем, что указанные средства (20) умножения содержат сквозные отверстия, проходящие сквозь пластину (20) от ее входной поверхности (20Е) к выходной поверхности (20S), при этом каждое сквозное отверстие контактирует с электропроводящими средствами (44) крепления второго набора (44B) для подачи заданного потенциала на входную поверхность (20Е) указанных средств (20) умножения.

17. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.14, характеризующаяся тем, что каждое средство (44) крепления первого набора (44A) чередуется со средствами (44) крепления из второго набора (44B).

18. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.14, характеризующаяся тем, что средства (44) крепления первого набора (44А) выполнены в первом заданном секторе отверстия (41), а средства (44) крепления второго набора (44B) выполнены во втором секторе отверстия (41), отличном от указанного первого сектора.

19. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.11, характеризующаяся тем, что средства (44) крепления представляют собой индиевые шарики.

20. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.1, характеризующаяся тем, что по меньшей мере одна прокладка (60) находится в контакте с верхней поверхностью (43S) подложки (40) и выходной поверхностью (15S) фотокатода (15) для поддержания постоянного расстояния между фотокатодом (15) и указанными средствами (20) умножения.

21. Трубка-усилитель (1) яркости изображения по п.1, характеризующаяся тем, что подложка (40) содержит по меньшей мере одну прокладку (60), расположенную на верхней поверхности (43S) подложки (40) и контактирующую с выходной поверхностью (15S) фотокатода (15), так чтобы поддерживать постоянное расстояние между фотокатодом (15) и указанными средствами (20) умножения.

22. Система ночного видения, содержащая трубку-усилитель (1) яркости изображения по любому из пп.1-21.