ОПТОВОЛОКОННЫЙ ФОСФОРНЫЙ ЭКРАН С УГЛОВЫМ ФИЛЬТРОМ Российский патент 2015 года по МПК H01J29/89 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к общей области оптоволоконных фосфорных экранов, то есть касается экранов, содержащих фосфорный слой в виде тонкой пленки и оптоволоконную пластину (fiber optic faceplate на английском языке).

В частности, изобретение находит свое применение для трубок-усилителей яркости изображений, например, для рентгеновских трубок, используемых в медицине, или для трубок, используемых в приборах ночного видения.

Уровень техники

Оптоволоконные фосфорные экраны находят свое применение во многих устройствах. Это касается, в частности, трубок-усилителей яркости изображений, применяемых в аппаратуре ночного видения.

Обычно эти устройства содержат три основных элемента, а именно: фотокатод, микроканальную пластину и фосфорный экран, например, оптоволоконного типа.

Фотокатод воспринимает падающие фотоны, поступающие из внешней окружающей среды, для их преобразования в фотоэлектроны в виде повторяющегося рисунка, соответствующего изображению наблюдаемой окружающей среды.

Микроканальная пластина умножает фотоэлектроны, которые фосфорный экран затем преобразует в световой сигнал повышенной яркости.

Оптоволоконный фосфорный экран содержит также оптоволоконную пластину, которая передает световой сигнал наружу трубки, например, на средства визуализации для пользователя этого устройства ночного видения.

Таким образом, этот оптоволоконный фосфорный экран содержит слой фосфора и оптоволоконную пластину.

Как правило, фосфорный слой выполняют путем нанесения фосфорного порошка на поверхность оптоволоконной пластины. Порошок можно наносить при помощи одной из известных специалисту технологий, таких как осаждение, нанесение кистью (brushing на английском языке), декантация (settling на английском языке), напыление (spraying на английском языке) и т.д. Размер частиц фосфора обычно колеблется от 1 мкм до 10 мкм, и средняя толщина фосфорного слоя примерно составляет 5 мкм.

Однако этот фосфорный экран на основе порошка имеет ряд недостатков. Порошок имеет большую общую площадь, которая способствует выделению большого количества газа из компонентов фосфора. Этого выделения газа следует избегать при использовании фосфорного экрана в окружающей среде, находящейся в условиях сверхвысокого вакуума (порядка 10^-10 торр). Кроме того, для обеспечения удержания частиц фосфора на оптоволоконной пластине необходимо использовать связующее, например, клей, что усложняет процесс изготовления устройства и может привести к изменению его оптических свойств. Кроме того, порошковая структура создает эффект зернистости на уровне получаемого оптического изображения.

В альтернативном варианте фосфорный слой может быть фосфорным слоем в виде тонкой пленки, образованным твердой пленкой незернистого фосфора. В отличие от слоя фосфора в виде порошка фосфорный слой в виде пленки выполнен из сплошного, то есть несыпучего и незернистого материала. Его можно получить при помощи технологий физического осаждения из паровой фазы, например, путем испарения или напыления (sputtering на английском языке), или при помощи технологий химического осаждения из паровой фазы.

Таким образом, оптоволоконный фосфорный экран этого типа содержит фосфорный слой в виде тонкой пленки и оптоволоконную пластину, как схематично показано в поперечном разрезе на фиг. 1.

Как известно, оптоволоконная пластина 20 образована большим количеством оптических волокон, объединенных в пучок. Каждое оптическое волокно содержит сердцевину 21, окруженную оболочкой 22. Оптические волокна проходят по толщине пластины 20 между передней стороной 23 и задней стороной 24.

Фосфорный слой 10 в виде тонкой пленки находится в контакте с передней стороной 23 оптоволоконной пластины 20 и расположен на ней, полностью ее закрывая.

На границе раздела между фосфорным слоем в виде тонкой пленки и сердцевиной оптических волокон можно определить две угловых апертуры, а именно конус пропускания в сердцевину оптических волокон световых лучей, испускаемых фосфорным слоем в виде тонкой пленки, и числовую апертуру оптических волокон.

Конус пропускания светового луча в сердцевину оптических волокон обычно определяют путем применения закона Снелла-Декарта на границе раздела «фосфорный слой / сердцевина смежного оптического волокна». Как показано на фиг. 1, он характеризуется первым критическим углом $${\theta }_{th}^{\left(1\right)}=\arcsin \left(n_C/n_P\right)$$ . В данном случае n_C и n_p обозначают оптические показатели или показатели преломления соответственно сердцевины 21 оптических волокон и фосфорного слоя 10 в виде тонкой пленки. Поэтому любой световой луч, угол падения θ_p которого на указанной границе раздела является строго меньшим первого критического угла $${\theta }_{th}^{\left(1\right)}$$ , преломляется в сердцевине 21 волокна. В противном случае световой луч отражается за счет полного внутреннего отражения.

Числовая апертура оптических волокон образует вторую угловую апертуру на границе раздела между фосфорным слоем 10 в виде тонкой пленки и сердцевиной 21 волокон, характеризующуюся вторым критическим углом $${\theta }_{th}^{\left(1\right)}=\arcsin \left(\sqrt{n_C^2-n_G^2}/n_P\right)$$ , где n_G является оптическим показателем оболочки волокон. Поэтому световой луч, который проникает в сердцевину 21 волокна и угол падения 9р которого на указанной границе раздела «фосфорный слой / сердцевина волокна» является меньшим или равным этому второму критическому углу $${\theta }_{th}^{\left(2\right)}$$ , остается локализованным в сердцевине 21 волокна по причине явления полного внутреннего отражения. При этом световой луч направляется волокном без потери, если не считать ослабления, характерного для оптического волокна.

Однако фосфорный экран этого типа имеет ряд недостатков, связанных с этими двумя угловыми апертурами.

Действительно, как видно из самих выражений, первый и второй критические углы не могут быть равными. Кроме того, обычно первый критический угол $${\theta }_{th}^{\left(1\right)}$$ по существу превышает второй критический угол $${\theta }_{th}^{\left(2\right)}$$ .

Например, при обычных значениях оптических показателей сердцевины и оболочки волокна, например, n_C~1,8, n_G~l,4 и n_p~2,2, первый и второй критические углы соответственно составляют примерно 55° и 30°, что дает соотношение $${\theta }_{th}^{\left(2\right)}$$ / $${\theta }_{th}^{\left(1\right)}$$ порядка 0,6.

Таким образом, числовая апертура оптических волокон представляется гораздо более узкой, чем конус пропускания светового луча в сердцевину волокон.

Следовательно, любой световой луч, который исходит из фосфорного слоя 10 в виде тонкой пленки и угол падения θ_p которого находится между двумя критическими углами, проходит в сердцевину 21 оптического волокна, затем преломляется в оболочке 22, образуя таким образом паразитный свет. В предыдущем примере риск того, что световой луч может находиться между этими двумя критическими углами, составляет примерно 70%.

Понятно, что этот риск является исключительно высоким и по существу снижает характеристики фосфорного экрана и, следовательно, характеристики содержащего его оптического устройства. В частности, значительно уменьшается контрастность выходного изображения. Кроме того, в случае, когда световой луч остается захваченным в оптоволоконной пластине и, следовательно, не участвует в формировании выходного изображения, эффективность фосфорного экрана существенно снижается.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения состоит в создании оптоволоконного фосфорного экрана, содержащего слой фосфора в виде тонкой пленки и позволяющего снизить риски преломления световых лучей, первоначально попадающих в сердцевину оптического волокна, находящейся в соответствующей оболочке.

В связи с этим объектом изобретения является оптоволоконный фосфорный экран, содержащий слой фосфора в виде тонкой пленки и пластину из оптических волокон, собранных в пучок и ориентированных по толщине указанной пластины, при этом каждое оптическое волокно содержит сердцевину с оптическим показателем n_C, охваченную оболочкой с оптическим показателем n_G при этом указанный фосфорный слой в виде тонкой пленки расположен на одной стороне пластины.

Согласно изобретению, указанный оптоволоконный фосфорный экран содержит угловой фильтр, содержащий, по меньшей мере, один слой, расположенный между указанным фосфорным слоем в виде тонкой пленки и указанной стороной пластины таким образом, чтобы световой луч, исходящий из фосфорного слоя в виде тонкой пленки и проходящий через угловой фильтр, проникал в сердцевину смежного оптического волокна с углом преломления, меньшим или равным π/2-arcsin(n_G/n_C).

Таким образом, любой световой луч, испускаемый фосфорным слоем и пропускаемый угловым фильтром в сердцевину смежного оптического волокна, остается локализованным в сердцевине за счет полного внутреннего отражения между сердцевиной и оболочкой волокна. Иначе говоря, световой луч, который попадает в смежное оптическое волокно, принадлежит к числовой апертуре волокна. В отличие от вышеупомянутого известного примера изобретение позволяет значительно уменьшить паразитный свет, присутствующий внутри оболочки различных оптических волокон. Эффективность фосфорного экрана повышается, и выходное изобретение, формируемое фосфорным экраном, имеет лучший контраст.

Под слоем фосфора в виде тонкой пленки следует понимать фосфорный слой в виде тонкой пленки из несыпучего или незернистого материала.

Под смежным оптическим волокном следует понимать оптическое волокно, расположенное напротив зоны входа светового луча в угловой фильтр.

Под тонким слоем следует понимать слой, толщина которого является незначительной по сравнению с ее размерами длины и ширины. Обычно его толщина составляет примерно от нескольких нанометров до нескольких сот нанометров.

В данном случае эффективность фосфорного экрана определяется как соотношение между числом световых лучей или фотонов, испускаемых фосфорным слоем в виде тонкой пленки и действительно участвующих в формировании изображения, и полным числом световых лучей или фотонов, испускаемых фосфорным слоем в виде тонкой пленки. Понятно, что световые лучи, преломляемые оболочкой оптического волокна, могут не участвовать в формировании выходного изображения, что приводит к снижению эффективности фосфорного экрана и/или к уменьшению контрастности выходного изображения.

Предпочтительно указанный угловой фильтр входит в прямой контакт с фосфорным слоем в виде тонкой пленки, с одной стороны, и с указанной стороной оптоволоконной пластины, с другой стороны, Предпочтительно указанный угловой фильтр имеет по существу постоянную толщину. Предпочтительно каждое оптическое волокно выходит по существу перпендикулярно на уровне указанной стороны пластины.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, указанный угловой фильтр является интерференционным фильтром, содержащим упаковку тонких слоев, оптические показатели и толщина которых предусмотрены для пропускания светового луча в сердцевину смежного оптического волокна с углом преломления, меньшим или равным π/2-arcsin(n_G/n_C).

Предпочтительно фосфор фосфорного слоя в виде тонкой пленки испускает почти монохроматическое излучение. Интерференционный фильтр может быть полосно-пропускающим фильтром или фильтром нижних частот.

Предпочтительно указанное множество тонких слоев интерференционного фильтра содержит первый набор тонких слоев из первого материала и второй набор тонких слоев из второго материала, имеющего меньший оптический показатель, чем первый материал. Первый материал можно выбирать, например, из TiO₂ и Ta₂O₅, и второй материал можно выбирать, например, из MgF₂, CaF₂ и SiO₂.

Первый материал и/или второй материал могут представлять собой пористую среду или непористую среду. В случае пористой среды указанные первый и второй материалы могут представлять собой наностержни из SiO₂ и/или из TiO₂.

Согласно второму варианту выполнения изобретения, указанный угловой фильтр содержит единственный слой.

Предпочтительно указанный единственный слой углового фильтра имеет оптический показатель, меньший или равный $$\sqrt{n_C^2-n_G^2}$$ .

Материал единственного слоя углового фильтра может представлять собой непористую среду или, в варианте, - пористую среду. В случае пористой среды указанный слой углового фильтра может быть образован множеством наностержней из SiO₂.

Предпочтительно указанный фосфорный слой в виде тонкой пленки представляет собой множество площадок из фосфора, расположенных таким образом, чтобы каждая из них перекрывала сердцевину находящегося напротив волокна или смежного оптического волокна согласно представленному выше определению. Указанные площадки пространственно отделены друг от друга.

Под площадкой следует понимать слой, толщина которого является достаточно существенной по отношению к двум другим размерам длины и ширины. Толщина площадки может быть того же порядка величины, что и ее длина и/или ее ширина.

Предпочтительно угловой фильтр представляет собой множество площадок, расположенных таким образом, чтобы каждая из них была перекрыта фосфорной площадкой.

Каждый набор, образованный упаковкой из фосфорной площадки и площадки углового фильтра, может быть расположен в выемке передней стороны оптоволоконной пластины и может быть ограничен в боковом направлении выступающей частью оболочки оптического волокна. Указанные наборы площадок физически отделены друг от друга. Предпочтительно боковую поверхность выступающей части оболочки оптического волокна покрывают слоем металлического материала. Таким образом, этот слой является отражающим по отношению к световым лучам, исходящим из фосфорных площадок.

В альтернативном варианте каждый набор, образованный упаковкой из фосфорной площадки и площадки углового фильтра, может быть ограничен в боковом направлении присоединенными стенками, при этом каждая стенка расположена таким образом, что по существу перекрывает оболочку смежного оптического волокна. Указанные наборы площадок физически отделены друг от друга. Стенки могут быть выполнены из отражающего или поглощающего материала по отношению к световым лучам, исходящим из фосфорных площадок.

Предпочтительно указанный фосфорный слой в виде тонкой пленки покрыт на своей стороне, противоположной угловому фильтру, слоем, отражающим световые лучи, исходящие из указанного фосфорного слоя в виде тонкой пленки. Предпочтительно указанный отражающий слой выполнен из алюминия.

Объектом изобретения является также оптическое устройство, содержащее фотокатод, воспринимающий излучение и испускающий в ответ электроны, и оптоволоконный фосфорный экран согласно любому из предыдущих признаков для формирования изображения при помощи указанных электронов.

Оптическое устройство может дополнительно содержать средства умножения электронов, расположенные между указанным фотокатодом и указанным фосфорным экраном.

Указанное устройство может быть трубкой-усилителем яркости изображения, например, для ночного видения.

Другие преимущества и отличительные признаки изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания.

Краткое описание чертежей

Далее следует описание вариантов осуществления изобретения, представленных в качестве неограничивающих примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 (уже описана) показан оптоволоконный фосфорный экран согласно известному примеру выполнения, схематичный вид в поперечном разрезе;

на фиг. 2 показан фосфорный экран в соответствии с изобретением, схематичный вид в поперечном разрезе;

на фиг. 3 показан фосфорный экран согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, в котором угловой фильтр является интерференционным фильтром, схематичный вид в поперечном разрезе;

на фиг. 4А и 4В представлено изменение оптической прозрачности углового фильтра в области длин волны в зависимости от угла падения светового луча (фиг. 4А) и соответствующее отношение оптической прозрачности в зависимости от угла падения указанного луча (фиг.4В);

на фиг. 5 показан фосфорный экран согласно второму варианту осуществления изобретения, в котором угловой фильтр образован единственным слоем материала, представляющего собой пористую или непористую среду, схематичный вид в поперечном разрезе;

на фиг. 6 показан фосфорный экран согласно еще одному варианту осуществления изобретения, в котором угловой фильтр и фосфорный слой в виде тонкой пленки выполнены в виде площадок слоев, перекрывающих сердцевину каждого оптического волокна и ограниченных в боковом направлении частями оболочки волокон, схематичный вид в поперечном разрезе;

на фиг. 7 показан фосфорный экран согласно еще одному варианту осуществления изобретения, который отличается от предыдущего варианта тем, что площадки слоев ограничены стенками из нанесенного материала, схематичный вид в поперечном разрезе;

на фиг. 8А-8Е представлены различные этапы осуществления способа производства фосфорного экрана, изображенного на фиг. 7.

Раскрытие изобретения

На фиг. 2 показан оптоволоконный фосфорный экран в соответствии с изобретением, который может входить, например, в состав трубки-усилителя яркости изображения.

Фосфорный экран в соответствии с изобретением содержит фосфорный слой 10 в виде тонкой пленки и оптоволоконную пластину 20.

Оптические волокна пластины 20 объединены в пучок и ориентированы по толщине указанной пластины.

Каждое оптическое волокно содержит сердцевину 21 с оптическим показателем n_C, охваченную оболочкой 22 с оптическим показателем n_G.

Считается, что материалы, образующие сердцевину 21 и оболочку 22 оптических волокон оптоволоконной пластины 20 являются идентичными для каждого из волокон.

Оптические волокна выходят по существу перпендикулярно на уровне передней стороны 23 пластины.

Фосфорный слой 10 в виде тонкой пленки расположен на указанной передней стороне 23 пластины 20. Он покрывает переднюю сторону 23 оптоволоконной пластины 20 однородно или прерывисто, не входя с ней в контакт.

Как было указано выше, фосфорный слой 10 в виде тонкой пленки представляет собой сплошную среду, то есть несыпучую и незернистую среду, в отличие от сыпучей среды фосфорного слоя из порошка. Его толщина составляет от нескольких десятых микрон до нескольких десятков микрон, например, от 0,5 мкм до 50 мкм.

Материал фосфорного слоя в виде тонкой пленки может содержать, например, Gd2O2S:Tb (GOS:Tb) или легированный церием иттриево-алюминиевый гранат (YAG).

Его можно получить при помощи технологий физического осаждения из паровой фазы, например, путем испарения или напыления (sputtering на английском языке), или при помощи технологий химического осаждения из паровой фазы, например, таких как атомное осаждение ALD (Atomic Layer Deposition на английском языке). Оптический показатель фосфорного слоя 10 обозначается пр.

Фосфорный экран содержит также угловой фильтр 30, содержащий, по меньшей мере, один слой, расположенный между указанным фосфорным слоем 10 в виде тонкой пленки и указанной стороной 23 пластины 20.

Указанный угловой фильтр входит в непосредственный контакт с фосфорным слоем 10 в виде тонкой пленки, с одной стороны, и с указанной стороной 23 оптоволоконной пластины 20, с другой стороны. Предпочтительно угловой фильтр имеет по существу постоянную толщину.

Согласно изобретению, угловой фильтр 30 обеспечивает, чтобы любой испускаемый фосфорным слоем 10 в виде тонкой пленки и проходящий через него световой луч, проникал затем в сердцевину 21 смежного оптического волокна с углом преломления, меньшим или равным π/2-arcsin(n_G/n_C).

Таким образом, любой световой луч, исходящий из фосфорного слоя 10 в виде тонкой пленки, который проникает в сердцевину 21 оптического волокна с таким углом преломления, принадлежит к числовой апертуре этого волокна.

Условно угол падения и угол преломления всегда определяют по отношению к нормали к границе раздела между двумя средами с разными оптическими показателями.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, угловой фильтр 30 является интерференционным фильтром. Как показано на фиг. 3, он содержит упаковку из множества тонких слоев 31.

Под тонким слоем следует понимать слой, размер которого по толщине является незначительным по сравнению с размерами длины и ширины. Как правило, его толщина составляет примерно от нескольких нанометров до нескольких сот нанометров.

Предпочтительно указанное множество тонких слоев содержит, по меньшей мере, два набора 31A, 31B тонких слоев, при этом тонкие слои одного набора выполнены из одинакового материала. Материалы разных наборов имеют разные оптические показатели.

Значения толщины и материалы выбирают таким образом, чтобы любой световой луч, проходящий через угловой фильтр 30, проникал в сердцевину смежного оптического волокна с углом преломления, меньшим или равным к π/2-arcsin(n_G/n_C).

Множество тонких слоев может содержать первый набор 31А тонких слоев из первого материала с высоким оптическим показателем n_H и второй набор 31В тонких слоев из второго материала с низким показателем n_L, меньшим оптического показателя первого материала.

Тонкие слои 31 расположены таким образом, чтобы тонкие слои первого набора 31А чередовались с тонкими слоями второго набора 31В.

Первый и второй материалы могут представлять собой, каждый, сплошную среду. Их можно выбирать, например, в случае первого материала из TiO₂ (n~1,81) и Ta₂O₅ (n~2,50) и в случае второго материала - из MgF₂ (n~l,39), CaF₂ (n~1,44) и SiO₂ (n~1,55).

Тонкие слои 31 могут иметь толщину в четверть волны в зависимости от длины волны световых лучей, испускаемых фосфорным слоем 10 в виде тонкой пленки. Таким образом, отражательная способность интерференционного фильтра уменьшилась.

Интерференционный фильтр 30 является полосно-пропускающим фильтром или фильтром нижних частот, и фосфорный слой 10 в виде тонкой пленки испускает монохроматическое или квазимонохроматическое световое излучение.

Фосфор Gd2O2S:Tb, для которого длина волны составляет примерно 550 нм, является, например, материалом, испускающим квазимонохроматическое излучение. Можно также использовать фосфор, содержащий иттриево-алюминиевый гранат (YAG), легированный церием, характеризующийся длиной волны порядка 550 нм.

Далее следует описание оптического свойства углового фильтрования интерференционного фильтра 30.

Обычно ширину полосы Δ интерференционного фильтра определяют при нулевом угле падения θ=0° на основании изменения T(λ) оптической прозрачности фильтра в зависимости от длины волны падающего излучения.

Известно, что при световом луче, имеющем не равный нулю угол падения, ширина полосы Δ_θ меняется и имеет, в частности, смещение к малым длинам волны. Это изменение связано с тем, что видимая толщина тонких слоев фильтра увеличивается вместе с углом падения.

Смещение ширины полосы Δ_θ фильтра к малым длинам волны выражается смещением к малым длинам волны значения или значений ограничения фильтра. Действительно фильтр нижних частот имеет только одно значение ограничения, а полосно-пропускающий фильтр имеет два значения ограничения - верхнее и нижнее.

Под значением ограничения ширины полосы следует понимать значение длины волны, при которой оптическая прозрачность ниже 50% от ее максимального значения или 20%, 10% и даже 5%.

Например, в случае полосно-пропускающего фильтра отношение между длиной центральной волны фильтра и углом падения можно представить следующим выражением:

$${\lambda }_{\theta }={\lambda }_0\sqrt{1-\left(\frac{n_P}{n*}\right){\sin }^2\theta }$$ ,

где θ обозначает угол падения светового луча, исходящего из фосфорного слоя в виде тонкой пленки, на границе раздела с интерференционным фильтром, λ₀ является значением длины центральной волны фильтра при нулевом угле падения, n_P является оптическим показателем фосфорного слоя в виде тонкой пленки, и n* является значением действительного оптического показателя фильтра.

Например, при значении верхнего ограничения порядка 570 нм при нулевом угле падения для полосно-пропускающего интерференционного фильтра и при оптических показателях nP~2,2 и n*~2 значение ограничения становится примерно 480 нм для угла падения 30°.

Таким образом, в этом примере интерференционный фильтр является пропускающим для излучения с длиной волны 550 нм, исходящего с нулевым углом падения из фосфорного слоя в виде тонкой пленки, и не пропускающим, когда это излучение имеет угол падения 30°.

Очевидно, как показано на фиг. 4А и 4В, что полосно-пропускающий фильтр (фиг.4А) или фильтр нижних частот в области длин волны T(λ) является эквивалентным фильтру нижних частот (фиг. 4В) в области углов падения T(θ) при определенной длине волны.

Действительно, если смещение полосы пропускания Δ_θ к малым длинам волны является достаточным, длина волны λ_P излучения фосфорного слоя в виде тонкой пленки находится за пределам полосы пропускания. При этом можно определить угол падения ограничения θ_C, который характеризует фильтр нижних частот в области углов падения T(θ) для длины волны λ_P. В этом случае световой луч отражается и больше не принадлежит к конусу пропускания смежного оптического волокна. Угол падения ограничения можно также обозначить $${\theta }_{th}^{\left(1\right)}$$ согласно определению этого угла, которое будет раскрыто ниже.

Кроме того, учитывая известность оптических показателей n_H, n_L тонких слоев 31, образующих интерференционный фильтр 30, отношение θ_R(θ_P) между углом падения θ_p, исходящего из фосфорного слоя 10 в виде тонкой пленки, и углом преломления θ_R в сердцевине 21 смежного оптического волокна этого же преломленного светового луча определяется непосредственно законом Снелла-Декарта.

Поэтому интерференционный фильтр 30 выполняют, и фосфорный слой 10 в виде тонкой пленки выбирают таким образом, чтобы угол падения ограничения θ_C интерференционного фильтра приводил к углу преломления, меньшему или равному π/2-arcsin(n_G/n_C), в сердцевине 21 смежного оптического волокна.

При выполнении интерференционного фильтра, поскольку для получения полосы пропускания необходимо множество переменных, предпочтительно при помощи компьютерной программы вычисляют оптическую прозрачность в зависимости от длины волны, а также оптическую прозрачность в зависимости от угла падения.

Например, в случае фосфорного слоя 10 Gd2OS:Tb интерференционный фильтр 30 может содержать множество тонких слоев в виде упаковки слоев TiO₂ и слоев MgF₂. Интерференционный фильтр может содержать пять тонких слоев, а именно слой MgF₂ толщиной 218 нм, слой TiO₂ толщиной 102 нм, слой MgF₂ толщиной 210 нм, слой TiO₂ толщиной 230 нм и, наконец, слой MgF₂ толщиной 218 нм.

Интерференционный фильтр 30 можно выполнить при помощи известных технологий физического осаждения из паровой фазы, например, таких как катодное напыление (sputtering на английском языке), испарение или физическое осаждение из паровой фазы пучком электронов EBPVD (от electron beam physical vapour deposition на английском языке). Можно также использовать известные технологии химического осаждения из паровой фазы, например, такие как атомное осаждение слоя ALD (Atomic Layer Deposition на английском языке), а также известные так называемые гибридные технологии, например, такие как реактивное напыление и ионное осаждение (IBAD от ion beam assisted deposition на английском языке).

В варианте первый и второй материалы интерференционного фильтра могут представлять собой пористую среду. Так, можно использовать интерференционный фильтр, содержащий упаковку наностержней SiO₂ и TiO₂, толщину и оптические показатели которых можно определить точно, как указано в статье Xi et al. "Optical thin-film materials with low refractive index for broadband elimination of Fresnel reflection", 2007, Nat. Photonics, Vol. 1,176-179.

Действительно, применяя технологию физического осаждения из паровой фазы, при которой паровой поток имеет угол наклона к подложке, в данном случае к передней стороне оптоволоконной пластины, можно получить слои SiO₂ или TiO₂ в виде наностержней. Оптические показатели могут колебаться от 1,46 до 1,05 для SiO₂ и от 2,7 до 1,3 для TiO₂.

Кроме того, интерференционный фильтр не ограничен двумя наборами слоев и может содержать три или четыре набора тонких слоев и даже больше.

Согласно второму варианту выполнения, угловой фильтр 30 содержит единственный слой 32, имеющий оптический показатель, обозначенный n_F, как показано на фиг. 2 и 5.

Оптический показатель единственного слоя 32 определяют таким образом, чтобы световой луч, испускаемый фосфорным слоем 10 в виде тонкой пленки и проходящий через угловой фильтр 30, проникал в сердцевину 21 смежного оптического волокна с углом преломления θ_R, меньшим или равным π/2-arcsin(n_G/n_C).

Единственный слой 32 расположен между фосфорным слоем 10 в виде тонкой пленки и передней стороной 23 оптоволоконной пластины 20 и входит с ними в прямой контакт.

Аналогично описанному выше известному примеру на границе раздела 11 между фосфорным слоем 10 в виде тонкой пленки и единственным слоем 32 углового фильтра 30 можно определить две угловых апертуры (фиг. 2).

Первая угловая апертура соответствует конусу пропускания световых лучей, исходящих от фосфорного слоя 10, в тонкий слой углового фильтра 30.

Этот конус пропускания определяется первым критическим углом $${\theta }_{th}^{\left(1\right)}=\arcsin \left(n_F/n_P\right)$$ . Таким образом, любой световой луч, испускаемый фосфорным слоем 10 в виде тонкой пленки и имеющий угол падения на указанной границе раздела 11 «фосфорный слой 10 / единственный слой 32 фильтра 30», строго меньший первого критического угла $${\theta }_{th}^{\left(1\right)}$$ , проходит с преломлением в угловой фильтр 30 или в противном случае отражается за счет полного внутреннего отражения.

Вторая угловая апертура соответствует числовой апертуре оптических волокон, определяемой не на входе оптических волокон, а на границе раздела 11 между фосфорным слоем 10 в виде тонкой пленки и единственным слоем 32 углового фильтра 30.

При применении закона Снелла-Декарта числовая апертура характеризуется вторым критическим углом $${\theta }_{th}^{\left(2\right)}=\arcsin \left(\sqrt{n_C^2-n_G^2}/n_P\right)$$ . Любой световой луч, исходящий из фосфорного слоя 10 в виде тонкой пленки и имеющий угол падения 0р по отношению к указанной границе раздела 11, меньший или равный указанному второму критическому углу, проходит в сердцевину 21 смежного оптического волокна и остается локализованным в сердцевине 21 за счет полного внутреннего отражения между сердцевиной 21 и оболочкой 22 рассматриваемого волокна.

Оптический показатель n_F единственного слоя углового фильтра можно выбрать таким образом, чтобы $${\theta }_{th}^{\left(1\right)}\le {\theta }_{th}^{\left(2\right)}$$ , что выражается отношением $$n_F\le \sqrt{n_C^2-n_G^2}$$ .

Таким образом, световой луч, исходящий из фосфорного слоя 10 в виде тонкой пленки и имеющий угол падения θ_P, строго меньший $${\theta }_{th}^{\left(1\right)}$$ , проходит через угловой фильтр и проникает в сердцевину смежного оптического волокна с углом преломления, меньшим или равным π/2-arcsin(n_G/n_C). Поэтому он остается локализованным в сердцевине 21 волокна за счет полного внутреннего отражения между сердцевиной 21 и оболочкой 22 данного волокна.

Предпочтительно выбирать оптический показатель близким или равным $$\sqrt{n_C^2-n_G^2}$$ . Таким образом, первый и второй критические углы являются по существу равными, что приводит к совпадению вышеопределенных двух оптических апертур. При этом угловой фильтр 30 имеет функцию адаптации оптических импедансов. Действительно, конус пропускания имеет наиболее широкую апертуру, при которой любой световой луч, исходящий из фосфорного слоя и падающий относительно границы раздела И «фосфорный слой / угловой фильтр», принадлежит к числовой апертуре смежного оптического волокна.

Например, для фосфорного слоя 10 в виде тонкой пленки с показателем n_P~2,2 и оптических волокон, в которых оптический показатель сердцевины 21 равен n_C~1,8 и показатель оболочки 22 равен n_G~1,4, показатель n_F единственного слоя 32 углового фильтра 30 должен быть меньше или равен 1,13.

Предпочтительно толщина единственного слоя 32 углового фильтра 30 по существу равна четверти волны. Таким образом, эту толщину определяют в зависимости от длины волны или от диапазона длин волн световых лучей, испускаемых фосфорным слоем 10 в виде тонкой пленки. Следовательно, предпочтительно, чтобы фосфорный слой 10 в виде тонкой пленки испускал квазимонохроматическое излучение.

Единственный слой 32 углового фильтра 30 можно выполнить из материала, представляющего собой непористую среду в отличие от пористой среды. Указанный материал выбирают таким образом, чтобы его оптический показатель соответствовал отношению $$n_F\le \sqrt{n_C^2-n_G^2}$$ .

Например, для оптических волокон, в которых оптический показатель сердцевины 21 равен n_C~2,1 и показатель оболочки 22 равен n_G~1,5, показатель единственного слоя 32 углового фильтра 30 должен быть меньше или равен 1,47. Материал единственного слоя 32 можно выбирать из MgF₂, CaF₂ или SiO₂, оптические показатели которых по существу равны соответственно 1,39, 1,44 и 1,46.

Например, в случае фосфорного слоя 10 Gd2O2S:Tb угловой фильтр 30 может быть образован единственным слоем MgF₂ толщиной 260 нм.

Угловой фильтр 30 можно выполнять при помощи известных технологий физического осаждения из паровой фазы, например, таких как катодное напыление (sputtering на английском языке), испарение или физическое осаждение из паровой фазы пучком электронов EBPVD (от electron beam physical vapour deposition на английском языке). Можно также использовать известные технологии химического осаждения из паровой фазы, например, такие как атомное осаждение слоя ALD (Atomic Layer Deposition на английском языке), а также известные так называемые гибридные технологии, например, такие как реактивное напыление и ионное осаждение (IBAD от ion beam assisted deposition на английском языке).

Согласно версии второго варианта выполнения изобретения, единственный слой 32 может представлять собой материал, образующий пористую среду. Слой можно выполнить таким образом, чтобы его оптический показатель n_F соответствовал отношению $$n_F\le \sqrt{n_C^2-n_G^2}$$ .

Так, слой 32 может быть выполнен из стержней нанометрического размера из SiO₂, как описано в статье Xi et al. "Very low-refractive-index optical thin films consisting of an array of SiO₂ nanorods", 2006, Opt. Lett., Vol. 31, No. 5, 601-603.

Стержни из SiO₂ проходят по существу прямолинейно и с наклоном, начиная от передней стороны оптоволоконной пластины. Угол наклона составляет примерно 45°.

Толщина единственного слоя 32 может составлять от нескольких десятков до нескольких сот нанометров.

Оптический показатель единственного слоя углового фильтра 30 может быть меньше $$n_F\le \sqrt{n_C^2-n_G^2}$$ . В вышеуказанной статье указан показатель n_F = 1,08.

Таким образом, учитывая низкий оптический показатель пр единственного слоя 32 углового фильтра 30, соотношение $${\theta }_{th}^{\left(2\right)}/{\theta }_{th}^{\left(1\right)}$$ между вторым критическим углом $${\theta }_{th}^{\left(2\right)}$$ , характеризующим числовую апертуру смежного оптического волокна на границе раздела 11 «фосфорный слой / угловой фильтр», и первым критическим углом $${\theta }_{th}^{\left(1\right)}$$ , характеризующим конус пропускания на указанной границе раздела 11, является близким к1.

Например, для обычных оптических показателей фосфорного слоя в виде тонкой пленки, сердцевины и оболочки соответственно порядка n_P~2,2, n_C~1,8 и n_G~1,4 и при показателе углового фильтра n_F~1,08, получаем соотношение $${\theta }_{th}^{\left(2\right)}/{\theta }_{th}^{\left(1\right)}$$ порядка 1. Таким образом, все световые лучи, испускаемые фосфорным слоем 10 в виде тонкой пленки, которые проходят через угловой фильтр 30, гарантированно проникают в сердцевину 21 смежного оптического волокна и остаются локализованными в сердцевине 21 за счет полного внутреннего отражения между сердцевиной 21 и оболочкой 22.

Далее следует описание варианта выполнения единственного слоя из наностержней SiО₂ со ссылками на вышеуказанную статью Xi et al., опубликованную в Optic Letters.

Наностержни получают при помощи технологии физического осаждения из паровой фазы под косым углом. При испарении получают паровой поток, в данном случае поток пара SiO₂. Его направляют на подложку, в данном случае на переднюю сторону оптоволоконной пластины, под углом наклона порядка 85°.

С учетом наклона парового потока случайные флуктуации роста единственного слоя приводят к появлению теневых зон, в которые не проникает паровой поток.

Этот эффект, названный "self-shadowing effect" авторами упомянутой статьи, проявляется в том, что осаждение происходит преимущественно в зонах роста, а не в теневых зонах. Таким образом, получают сеть из наностержней.

В вышеупомянутой статье указано, что наностержни отстоят друг от друга на расстояние, меньшее 30 нм, то есть намного меньшее обычного диапазона длин волн фосфорных слоев в виде тонкой пленки, применяемых в трубках-усилителях яркости изображений, что позволяет минимизировать эффекты оптического рассеяния.

Кроме того, применяемая технология осаждения испарением позволяет точно контролировать толщину единственного слоя и, следовательно, получать слой в четверть волны.

Наконец, в вышеупомянутой статье указано, что полученный тонкий слой остается изотропным, несмотря на наклон наностержней SiO₂, в частности, по причине повышенной пористости и незначительной толщины единственного слоя.

Следует отметить, что единственный слой можно также выполнить из наностержней TiO₂, оптический показатель которых отвечает условию $$n_F\le \sqrt{n_C^2-n_G^2}$$ .

Кроме того, на фосфорный слой в виде тонкой пленки наносят отражающий слой (не показан), например, из алюминия, для отражения любого светового луча, исходящего из фосфорного слоя в виде тонкой пленки в направлении, противоположном угловому фильтру. Таким образом, световой луч отражается и проходит в направлении этого фильтра.

Слой алюминия может иметь толщину от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров, например, от 5 нм до 10 нм.

Независимо от варианта выполнения изобретения, фосфорный слой в виде тонкой пленки можно структурно выполнить в виде множества площадок из фосфора, расположенных таким образом, чтобы каждая из них перекрывала сердцевину смежного волокна.

Таким образом, если световой луч, испускаемый фосфорной площадкой, не принадлежит к конусу пропускания в угловом фильтре, то есть угол падения превышает θ_C в случае интерференционного фильтра или превышает $${\theta }_{th}^{\left(1\right)}$$ в случае углового фильтра с единственным слоем, световой луч отражается, но предпочтительно остается локализованным в первоначальной площадке. Затем световой луч отражается на границе раздела со слоем алюминия, пока не будет иметь угол падения, необходимый для его пропускания в угловой фильтр.

На фиг. 6 и 7 представлены варианты выполнения, которые отличаются от описанных выше вариантов только тем, что фосфорный слой 10 в виде тонкой пленки и угловой фильтр 30 расположены таким образом, что перекрывают только сердцевину 21 каждого смежного волокна, но не его оболочку 22.

В варианте выполнения, показанном на фиг. 6, передняя сторона оптоволоконной пластины 20 структурно выполнена таким образом, что каждое оптическое волокно имеет смещение передней стороны 23 С сердцевины 21 по отношению к передней стороне 23 G оболочки 22. Таким образом, в каждом оптическом волокне на уровне передней стороны пластины 20 образуется выемка 26, ограниченная в боковом направлении выступающей частью оболочки 22.

Далее следует описание выполнения такого фосфорного экрана.

Указанные выемки выполняют посредством кислотного травления на уровне передней стороны оптоволоконной пластины 20. Выемки получают за счет разности скорости растворения кислотой материала сердцевины 21 и скорости растворения материала оболочки 22.

На поверхность выступающей части оболочки 22, которая ограничивает каждую выемку 26, наносят металлический слой 50. Предпочтительно металлический слой 50 наносят только на боковую поверхность части оболочки 22. Такое нанесение можно производить путем осаждения электронным пучком с соответствующим углом наклона.

Затем реализуют угловой фильтр 30 на передней стороне оптоволоконной пластины 20. При этом угловой фильтр 30 опирается на переднюю сторону 23С сердцевины21 каждого оптического волокна, а также на переднюю сторону 23 G оболочки 22. Угловой фильтр можно выполнить согласно любому из описанных выше вариантов осуществления.

Затем на переднюю сторону пластины 20 наносят фосфорный слой 10 в виде тонкой пленки. Фосфорный слой перекрывает угловой фильтр 30.

Наконец, на фосфорный слой 10 в виде тонкой пленки наносят отражающий слой 40, например, из алюминия. Следует отметить, что перед нанесением алюминиевого слоя 40 на фосфорный слой 10 в виде тонкой пленки можно также нанести слой MgF₂ (не показан) для улучшения отражательной способности алюминиевого слоя 40.

Наконец, удаляют части различных слоев 30, 10, 40, которые опираются на переднюю сторону 23G оболочки 22 каждого оптического волокна. Этот этап можно осуществить путем механической обработки.

Предпочтительно после этого последнего этапа передняя сторона 23 G оболочки 22 каждого волокна оказывается по существу на том же уровне, что и алюминиевый слой 40, в результате чего передняя сторона полученного таким образом фосфорного экрана является по существу плоской.

Передняя сторона 23 G оболочки 22 каждого волокна может также находиться по существу на том же уровне, что и передняя сторона фосфорного слоя 10 в виде тонкой пленки, поэтому алюминиевый слой 40 наносят после этого в виде сплошного слоя на различные фосфорные площадки 12 и на переднюю сторону 23 G оболочки 22 каждого оптического волокна. Таким образом, полученная передняя сторона фосфорного экрана является по существу плоской и образована алюминиевым слоем 40.

Таким образом, площадки слоев выполняют на уровне каждой сердцевины 21 оптического волокна, не перекрывая его оболочки 22. Каждая площадка образована слоем 10 фосфора, угловым фильтром 30 и слоем 40 алюминия. Кроме того, площадки ограничены в боковом направлении металлическим слоем 50, который обеспечивает функцию отражения световых лучей.

Таким образом, любой световой луч, исходящий из фосфорной площадки 12, может проходить только в сердцевину 21 смежного оптического волокна. За счет этого фосфорный экран характеризуется исключительно высокой контрастностью.

Согласно версии, показанной на фиг. 7, площадки слоев не ограничены в боковом направлении частью оболочки оптического волокна, а стенками из присоединяемого материала, выполняемыми при помощи классических технологий фотолитографии.

На фиг. 8А-8Е представлены различные этапы способа выполнения фосфорного экрана, показанного на фиг. 7.

Как показано на фиг. 8А, на переднюю сторону 23 оптоволоконной пластины 20 наносят фоточувствительную смолу, затем пластину 20 подвергают действию светового потока от задней стороны 24. Таким образом, оболочка каждого оптического волокна действует наподобие трафарета.

Неэкспонированную смолу удаляют посредством химического травления (фиг.8В). Таким образом, на сердцевине 21 каждого оптического волокна получают площадки из смолы.

На площадки смолы и на переднюю сторону 23G оболочек 22 наносят соответствующий материал (фиг. 8С). Материал может быть металлом, например, никелем или алюминием и даже кремнием. Этот материал можно нанести на подслой сцепления, например, NiCr-TiW.

Затем активированную смолу удаляют посредством химического травления (фиг.80). Таким образом, на оболочке 22 каждого оптического волокна получают стенки 27. Предпочтительно стенки 27 имеют толщину около одного микрона, например, от 1мкм до 1,5 мкм.

Наконец, наносят фосфорный слой 10 в виде тонкой пленки, угловой фильтр 30 и алюминиевый слой 40, применяя этапы, описанные выше со ссылками на фиг. 6.

Таким образом, получают (фиг. 8Е) фосфорный экран, аналогичный показанному на фиг. 6, за исключением того, что площадки слоев 10, 30, 40 ограничены в боковом направлении стенками 27, а не частями оболочки оптического волокна.

Разумеется, специалист можно вносить различные изменения в описанное изобретение, представленное исключительно в качестве не ограничивающих примеров.

Изобретение относится к оптоволоконному фосфорному экрану, содержащему слой (10) фосфора в виде тонкой пленки и оптоволоконную пластину (20), позволяющие уменьшить паразитный свет в оболочке (22) оптических волокон. Для этого фосфорный экран содержит угловой фильтр (30), содержащий по меньшей мере один слой (31; 32), расположенный между указанным фосфорным слоем (10) в виде тонкой пленки и оптоволоконной пластиной (20). Технический результат - повышение эффективности фосфорного экрана. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Оптоволоконный фосфорный экран, содержащий слой (10) фосфора в виде тонкой пленки и пластину (20) из оптических волокон, собранных в пучок и ориентированных по толщине указанной пластины (20), при этом каждое оптическое волокно содержит сердцевину (21) с оптическим показателем n_C, охваченную оболочкой (22) с оптическим показателем n_G, при этом указанный фосфорный слой (10) в виде тонкой пленки расположен на стороне (23) пластины (20), отличающийся тем, что содержит угловой фильтр (30), содержащий по меньшей мере один слой (31; 32), расположенный между указанным фосфорным слоем (10) в виде тонкой пленки и указанной стороной (23) пластины (20) так, чтобы световой луч, исходящий из фосфорного слоя (10) в виде тонкой пленки и проходящий через угловой фильтр (30), проникал в сердцевину (21) смежного оптического волокна с углом преломления, меньшим или равным π/2-arcsin(n_G/n_C).

2. Экран по п.1, отличающийся тем, что указанный угловой фильтр (30) находится в прямом контакте с фосфорным слоем (10) в виде тонкой пленки и с указанной стороной (23) оптоволоконной пластины (20).

3. Экран по п.1, отличающийся тем, что указанный угловой фильтр (30) является интерференционным фильтром, содержащим упаковку тонких слоев (31), оптические показатели и толщина которых адаптированы для пропускания светового луча в сердцевину (21) смежного оптического волокна с углом преломления, меньшим или равным π/2-arcsin(n_G/n_C).

4. Экран по п.3, отличающийся тем, что указанное множество содержит первый набор (31А) тонких слоев из первого материала и второй набор (31В) тонких слоев из второго материала, имеющего меньший оптический показатель, чем первый материал.

5. Экран по п.4, отличающийся тем, что первый материал выбран из TiO₂ и Ta₂O₅, а второй материал выбран из MgF₂, CaF₂ и SiO₂.

6. Экран по п.4, отличающийся тем, что первый материал и/или второй материал представляют собой пористую среду или непористую среду.

7. Экран по п.1, отличающийся тем, что указанный угловой фильтр (30) содержит единственный слой (32).

8. Экран по п.7, отличающийся тем, что указанный единственный слой (32) имеет оптический показатель n_F, меньший или равный $$\sqrt{n_C^2-n_G^2}$$ .

9. Экран по п.7, отличающийся тем, что материал единственного слоя (32) углового фильтра (30) представляет собой непористую среду.

10. Экран по п.7, отличающийся тем, что материал единственного слоя (32) углового фильтра (30) представляет собой пористую среду.

11. Экран по п.10, отличающийся тем, что указанный единственный слой (32) углового фильтра (30) образован множеством наностержней из SiO₂.

12. Экран по п.10, отличающийся тем, что указанный единственный слой (32) углового фильтра (30) имеет оптический показатель, меньший или равный 1,1.

13. Экран по п.1, отличающийся тем, что сторона указанного фосфорного слоя (10) в виде тонкой пленки, противоположная указанному угловому фильтру (30), перекрыта слоем, отражающим световые лучи, исходящие из указанного фосфорного слоя (10) в виде тонкой пленки.

14. Экран по п.1, отличающийся тем, что указанный фосфорный слой (10) в виде тонкой пленки образован множеством площадок (12) из фосфора, расположенных так, чтобы каждая из них перекрывала сердцевину (21) смежного оптического волокна.

15. Экран по п.14, отличающийся тем, что угловой фильтр (30) образован множеством площадок, расположенных так, чтобы каждая из них была по существу перекрыта фосфорной площадкой (12).

16. Экран по п.15, отличающийся тем, что каждый набор, образованный упаковкой из фосфорной площадки (12) и площадки углового фильтра, расположен в выемке передней стороны (23) оптоволоконной пластины (20) и ограничен в боковом направлении выступающей частью оболочки (22) оптического волокна.

17. Экран по п.16, отличающийся тем, что боковая поверхность выступающей части оболочки (22) оптического волокна перекрыта слоем (50) металлического материала.

18. Экран по п.15, отличающийся тем, что каждый набор, образованный упаковкой из фосфорной площадки (12) и площадки углового фильтра, ограничен в боковом направлении присоединенными стенками (27), при этом каждая стенка (27) расположена так, что по существу перекрывает оболочку (22) смежного оптического волокна.

19. Оптическое устройство, содержащее фотокатод, воспринимающий излучение и испускающий в ответ электроны, и оптоволоконный фосфорный экран по п.1 для формирования изображения при помощи указанных электронов.

20. Оптическое устройство по п.19, дополнительно содержащее средства умножения электронов, расположенные между указанным фотокатодом и указанным фосфорным экраном.

21. Оптическое устройство по п.20, являющееся трубкой-усилителем яркости изображения.