ОДНОКАНАЛЬНЫЙ ДВУХСПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРИЕМНИК ИЗОБРАЖЕНИЙ, ВЫПОЛНЕННЫЙ В АРХИТЕКТУРЕ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2024 года по МПК H04N5/33 H01J31/50 

Данное изобретение относится к устройствам вакуумной эмиссионной оптоэлектроники. Оно может быть использовано для регистрации изображений объектов, излучающих в спектральном диапазоне 3…13 мкм, в привязке к изображению местности их расположения.

Области эффективных применений заявляемого устройства широки, их физические и конструктивные реализации различны, например [1]. В числе областей применений: космическая навигация; мониторинг технического состояния атомных станций и производств, связанных с переработкой ядерных отходов; мониторинг технического состояния изолирующих подвесок высоковольтных линий электропередач и высоковольтных подстанций.

Близкой по конструкции к заявляемому приемнику изображений объектов является конструкция эмиссионного приемника ночного видения архитектуры электронно-оптического преобразователя (ЭОП) [2]. Указанный приемник изображений регистрирует объекты в отраженных излучениях от ночного неба, а его спектральная область чувствительности находится в диапазоне 0,8…1,1 мкм, что не соответствует спектральному диапазону чувствительности заявляемого приемника изображений излучающих объектов (3…13 мкм).

Близкими по функциональному назначению и конструкции заявляемого приемника являются приемники тепловых изображений ЭОП архитектуры, предложенные авторами [3, 4].

Приемник тепловых изображений авторов [3] включает: вакуумно-плотный корпус; входное окно, прозрачное в тепловой области (3-13 мкм); фотокатод, расположенный на внутренней поверхности входного окна, выполненный в виде матричного пироэлектрического слоя из отдельных дискретных элементов, в поверхности которых внедрены автоэмиссионные излучатели, выполненные на основе углеродных наноструктурированных материалов; микроканальный усилитель (МКП, микроканальная пластина) и устройство регистрации двумерного электронного изображения (КЛЭ, катодолюминесцентный экран).

Инновация предложения заключается в использовании «автоэмиссионного» пироэлектрического фотокатода, полученного посредством интегрирования автоэмиссионных центров на поверхность сенсорной пироэлектрической пленки. Ожидания авторов эффективной пространственной модуляции тока из автоэмиссионных центров сенсорной пленки, пропорциональной картине распределения электрических потенциалов, возникающих при проекции на поверхность пироэлектрической пленки теплового поля изображения объекта, является абсолютно ошибочными. Действительно:

Во-первых, индуцируемые тепловым полем потенциалы на поверхности пироэлектрической пленки являются крайне малыми (не более 10 мкВ), что как минимум на 1-2 порядка меньше потенциалов спонтанной поляризации пироэлектрической пленки;

Во-вторых, в фотоприемниках любой конструкции самым важным является отношение сигнал/шум. В автоэмиссионных системах все основные компоненты электрических шумов (дробовой шум, шумы Джонсона, температурный шум) являются значительными (их относительная величина достигает 20-30%).

В-третьих, температура автоэмиттирующих микроострий существенно превысит соответствующие величины информационных тепловых полей, что катастрофически изменит информационную картину распределений тепловых полей на пироэлектрической пленке.

Кроме того, автоэмиссионные центры, предложенные авторами в качестве своеобразных маркеров изменений в тепловых информационных полях распределения в плоскости пироэлектрической пленки электрических потенциалов, энергетически несостоятельны. Действительно, в рамках развиваемого авторами подхода, при площади сенсора приемника тепловых изображений в ~2…3 см², для получения приемлемого пространственного разрешения изображения объекта необходимо наличие массива автоэмиссионных центров (пикселов) в 5×10⁵ штук - из расчета иметь хотя бы одну информативную точку на площади в ~400 мкм². При токе с микроострия (у авторов, с нанотрубки) ~ 0,1 мкА, полный ток с указанного массива составит ~50 мА, что является недопустимым при работе с приемниками изображений ЭОП архитектуры, (типичные величины информационных токов в ЭОП не превышают сотни наноампер; а при указанных токах, активные элементы (УНТ) ЭОП ждет неминуемая деградация). Более того, последующее преобразование потоков эмитирующих с УНТ электронов в свет видимого диапазона посредством катодолюминесценции (КЛ), потребует использования довольно высоких напряжений (больших 500 В). Это потребует использования встроенного автономного источник питания мощностью не менее 25 Вт. Что же касается технологического аспекта реализации изделия, то интегрирование микроострий (у авторов углеродных нанотрубок, УНТ) в поверхность сенсорной пленки потребует реализации достаточно высокотемпературной технологии (не менее 500-600°С) роста микроострий, что окажет разрушительное воздействие на пироэлектрическую пленку. Кроме того, выращивание УНТ на поверхности пироэлектрической пленки обязательно требует использования каталитических материалов (например, Fe либо Ni, при высокой температуре, >500°С), что неизбежно скажется, как минимум, на размывании температурных градиентов изображения, а значит и на пространственном разрешении прибора.

Наиболее близкой (прототипом) к заявляемому нами приемнику изображений тепловых объектов является конструкция, предложена авторами [4]. Предлагаемый авторами приемник изображений объектов включает: вакуумно-плотный корпус; источник высокооднородного ультрафиолетового излучения, расположенный вне корпуса приемника; входное окно прозрачное в тепловой области; источник фотоэлектронов электронов, представляющий собой ультрафиолетовый фотокатод, расположенный на внутренней стороне входного окна, и выполненный из материала слабо поглощающего тепловое излучение, освещаемый внешним ультрафиолетовым источником света; пироэлектрическую мишень со сквозными отверстиями, включающую в себя пироэлектрический слой, управляющий тонкопленочный электрод и несущую диэлектрическую пленку, в которой (в мишени) выполнены сквозные отверстия, расположенные в области дискретных элементов поглощающего слоя; управляющий электрод; устройство регистрации двумерного электронного изображения.

Инновационным в этом предложении (в конструкции) является введение в ЭОП блока ультрафиолетового (УФ) однородного по интенсивности излучателя с корректирующей оптикой и УФ фотокатода, позволяющих, которые вместе должны реализовать процесс считывания картины распределения (пропорциональному тепловому полю) величин электрических потенциалов с поверхности пироэлектрической пленки потоком фотоэлектронов. Идея заключается в формировании однородного по площади потока фотоэлектронов ультрафиолетовым облучением фотокатода чувствительного к ультрафиолетовому излучению, и расположенного на тыльной стороне входного окна ЭОП. Конструктивно, такая возможность, по мнению авторов, может реализоваться посредством встраивания по периферии входного окна корпуса приемника ультрафиолетовых светодиодов и корректирующей зеркальной оптики.

Конструкция, предложенная авторами [4], потенциально работоспособна. К недостаткам ее' можно отнести: отсутствие возможности осуществить привязку изображений теплового объекта к местности его расположения; необходимость сооружения на корпусе дополнительной оптико-механической надстройки (ультрафиолетовой однородно в плоскости излучающей и корректирующей зеркальной оптики); необходимость увеличения энергоресурсов (блока питания ультрафиолетовых излучателей). Следует заметить: существующие УФ фотокатоды (на основе твердых растворов Ga_1-xAl_xN [5], либо теллуридов [6], либо алмазных пленок [7]) имеют невысокую квантовую эффективность (не превышают 13…15%), а использование высокочувствительных широкодиапазонных бищелочных либо мультищелочных фотокатодов при наличии ультрафиолетовых подсветок в присутствии пироэлектрических пленок непозволительно, так как УФ излучения приводят к деградации щелочных фотокатодов, а продукты их деградации «отравят» поверхность пироэлектрической пленки (теплового сенсора).

Наиболее принципиальным из перечисленных недостатков являются отсутствие у предложенной в [4] конструкции возможности осуществить привязку изображений теплового объекта к местности его расположения.

Задачей настоящего изобретения является реализация эффективного приемника изображений тепловых объектов в привязке их к изображениям местности расположения.

Для этого, в конструкции электронно-оптического преобразователя, содержащей в вакуумно-плотном корпусе входное окно, фотокатод, пироэлектрическую пленку, считывающий (управляющий) электрод, микроканальную пластину, катодолюминесцентный экран и волоконно-оптическое стекло, в качестве материала входного объектива и входного окна взяты CaF₂ (для работы в диапазоне 3,0…11,0 мкм), либо MgF₂ (для работы в диапазоне 3,0…7,0 мкм), либо BaF₂ (для работы в диапазоне 3,0…11,0 мкм), в качестве фотокатода взят фотокатод из высокочистого германия, пироэлектрическая пленка расположена на оксидированной поверхности кремниевой мембраны с общими соосными периодически расположенными сквозными отверстиями (средний период их рассредоточения не более 15 мкм, а линейные размеры отверстий не более 3 мкм).

Как вариант предлагаемой конструкции, возможна конструкция, в которой пироэлектрическая пленка (тепловой сенсор) со сквозными отверстиями расположена на поверхности микроканальной пластины, верхний электрод которой покрыт диэлектриком (например, SiO₂/Si₃N₄ со сквозными отверстиями, соосными отверстиям пироэлектрической пленки и микроканальной пластины, и имеющим толщину не более 1 мкм, а диаметры соосных сквозных отверстий и период их расположения соответствуют диаметрам и периоду расположения отверстий микроканальной пластины.

Таким образом, в предлагаемом нами устройстве, работающем в геометрии «на прострел», последовательно интегрируется следующая совокупность физических процессов: процесс формирования изображений местности в ближнем ИК диапазоне (в отраженном свете, 0,8-1,55 мкм) и теплового объекта в "тепловом" диапазоне (тепловое излучение, 3-11 мкм) общим оптическим трактом («линза» на основе CaF₂, либо MgF₂), с разнесением соответствующих фокальных плоскостей на практически удобные расстояния благодаря дисперсии показателя преломления вещества линз в указанных спектральных диапазонах; процесс преобразования оптических изображений ближнего ИК (0,8…1,55 мкм) и дальнего ИК (например, 3…11 мкм - входное окно на основе CaF₂, BaF₂) диапазонов в изображения в потоке фотоэлектронов; процесс считывания картины распределения электрических потенциалов на пироэлектрической пленке потоком фотоэлектронов эмитируемых германиевым фотокатодом, уже несущих информацию о местности окружающей тепловой объект (т.е. процесс интегрирования информаций об объекте и окружающей местности); процесс умножения потока электронов несущего информацию об объекте и окружающей местности; процесс обратного преобразования двумерного изображения местности и объекта в потоках электронов, в двумерное световое изображение объекта на местности в излучения части оптического диапазона. В результате интегрирования в одном устройстве фотоэмиссионных, пироэлектрических, полевых, вторично-эмиссионных и катодолюминесцентных физических эффектов одноканальным двухспектральным устройством, с общей входной оптикой, реализуется возможность регистрации и распознавания покоящихся либо перемещающихся тепловых объектов в привязке к окружающей эти объекты местности.

Таким образом, реализуется вакуумный эмиссионный приемник изображений, выполненный в архитектуре ЭОП, одноканальная двухспектральная конструкция, использующая общую входную оптику, позволяет регистрировать тепловые объекты в привязке к окружающей местности.

Диапазоны температур, наиболее затребованных для регистрации и опознавания тепловых объектов, составляют 30…60°С и 500…1000°С, что соответствует излучаемым длинам волн диапазонов 9,6…8,7 мкм и 3,7…2,3 мкм, соответственно. К наиболее чувствительным функциональным аналогам обсуждаемых устройств относятся твердотельные тепловизионные приемники изображений (ТПИ), сенсорно-преобразовательными элементами которых являются болометрические матрицы, выполненные на основе тонкопленочных сверхпроводящих терморезисторов, чувствительных к электромагнитным излучениям теплового диапазона [1]. Однако, технология изготовления высокочувствительных резистивных болометрических матриц является прецизионной и дорогостоящей, а их эффективное использование невозможно без глубокого охлаждения. Все это значительно сдерживает возможности широкого применения резистивных тепловизионных приемников изображений. На фиг. 1 изображено (в продольном сечении) заявляемое устройство по п. 1 формулы изобретения, где:

1 - входной объектив (на основе CaF₂, BaF₂, либо MgF₂); 2 - вакуумно-плотный корпус (металлокерамика);

3 - входное окно (на основе CaF₂, BaF₂, либо MgF₂);

4 - фотокатод на основе высокочистого германия (Ge);

5 - пироэлектрическая пленка;

6 - микроканальная пластина (МКП);

7 - кремниевая мембрана с периодически расположенными сквозными отверстиями, на верхней оксидированной поверхности 7.1 которой размещена пироэлектрическая пленка 5, а нижняя поверхность металлизирована - считывающий электрод 7.2;

8 - катодолюминесцентный экран (КЛЭ);

9 - волоконно-оптическая пластина (ВОП);

10 - поток информационных излучений (0,80…1,55 мкм) отраженных от местности, окружающей теплый объект;

11 - поток информационных излучений "теплого" объекта.

На фиг. 2 изображено (в продольном сечении) заявляемое устройство по 2 формулы изобретения, где:

1 - входной объектив (на основе CaF₂, BaF₂, либо MgF₂);

2 - вакуумно-плотный корпус (металлокерамика);

3 - входное окно (на основе CaF₂, BaF₂, либо MgF₂);

4 - фотокатод (на основе высокочистого германия, Ge);

5 - пироэлектрическая пленка;

6 - микроканальная пластина (МКП) с диэлектрическим покрытием ее верхней металлизированной поверхности и металлизированной нижней поверхностью;

8 - катодолюминесцентный экран (КЛЭ);

9 - волоконно-оптическая пластина (ВОП);

10 - поток информационных излучений (0,80…1,55 мкм) отраженных от местности, окружающей «теплый» объект;

11 - поток информационных излучений "теплового" объекта.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом:

Изображение теплового объекта и изображение его "холодного" окружения (отражение света ночного неба от местности, 0,80…1,55 мкм) посредством оптической линзы из CaF₂, BaF₂, либо MgF₂ (разница показателей преломления в диапазонах длин волн 0,85…1,25 мкм и 5…10 мкм достигает 0,1-0,2 единицы, в зависимости от материала линз) фокусируются через входное окно (CaF₂, BaF₂, либо MgF₂) ЭОП, соответственно, на германиевый (Ge) фотокатод и на поверхность пироэлектрической пленки (разница в фокусных расстояниях достигает ~0,8 мм). Излучение от местности в отраженном свете ночного неба проецируется в плоскость германиевого фотокатода и взаимодействует с ним, вызывая (пропорционально интенсивности) поток фотоэлектронов ("холодный" поток). В то же время, па пироэлектрической пленке, проецируется тепловой поток от объекта, пропорционально мощности которого на поверхности пироэлектрической пленки возникают изменения картины электрического потенциального рельефа пропорциональные тепловому полю. Поток фотоэлектронов с фотокатода, несущий информацию об окружающей местности, проецируется на поверхность пироэлектрической пленки, будет изменяться (замедляться, отражаться и отклоняться) по амплитуде в соответствии с картиной электрических потенциалов, распределенных в плоскости пироэлектрической пленки (она идентична картине теплового поля изображения объекта), затем будет считываться через периодически расположенные отверстия в пироэлектрической пленке и кремниевой мембране с оксидированной поверхностью, и наконец проецируется на поверхность микроканальной пластины (МКП). Считывающим (управляющим) электродом является верхний электрод МКП. Поступающая через его отверстия (каналы) в тело МКП картина изображений в потоке электронов, несущая интегральную информацию об окружающей местности и тепловом объекте, усиливается в 1000…10000 раз (в зависимости от материала МКП и разности потенциалов, приложенных к верхнему и нижнему ее электродам) за счет эффекта вторичной эмиссии электронов, и затем поступает на катодолюминесцентный экран (КЛЭ). В результате усиленная картина изображений в потоках вторичных электронов проецируется на поверхность катодолюминесцентого экрана (КЛЭ, в пленке которого происходит процесс обратного преобразования изображения в потоках электронов в потоки излучений в видимой части оптического диапазона (длины волн ~0,48-0,65 мкм). Окончательный результат - изображение теплового объекта на фоне изображения окружающей его местности (т.е. получаем изображение теплового объекта в привязке к изображению местности). Заявляемые конструкции допускают возможность аналого-цифрового преобразования сигнала. Для этого, на их основе может быть реализована 2-х каскадная конструкция, включающая последовательно расположенные обсуждаемый приемник изображений тепловых объектов и матрицу ПЗС (либо цифровой ЭОП). Оптический контакт выходного окна (ВОП) обсуждаемого одноканального 2-х спектрального приемника изображений и входного окна ПЗС, можно осуществить через иммерсионную среду.

Таким образом, предлагаемая нами конструкция одноканального двухспектрального приемника архитектуры ЭОП реализует возможность регистрации объектов, излучающих в тепловой части спектрального диапазона в привязке к изображению рельефа местности, окружающей этот "тепловой" объект.

Источники информации

1. Jane's International Devense Review - 2004 - №6, p38-45

Охлаждаемые тепловизионные приемники фирмы Sofradir, France;

Неохлаждаемые тепловизионные приемники фирмы UUS, France;

Израильская компания ООО «Эл Би Скай Глобал» - подразделение холдинга Group LB.

Американская компания Flir Systems (размер экрана 15×24 мм, дальность обнаружения - до 6 км, стоимость 250.000 евро) (см. ресурс http://www.tzmagazine.ru)

2. Бутусов М.М., Степанов Б.М., Фанченко С.Д. Электронно-оптические преобразователи и их применение в научных исследованиях / Завойский Е.К.. - М.: Наука, 1978. - 431 с.

3. Патент РФ 2657338. Электронно-оптический преобразователь изображения с автоэмисионным фотокатодом. Гибин И.С., Котляр П.Е., опубликован 13.06.2018, приоритет от 20.04.2017

4. Патент РФ 2325725. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображений. Гончаренко Б.Г., Брюхиевич Г.И., Салов В.Д., Зорин С.М., Виленчик Л.С., Антипов В.А. опубликован 27.05.2008, приоритет от 27.12.2004 - прототип.

5. Oswald H.W. Siegmund. Advances in microchannel plate detectors for UV7 visible astronomy // Proceedings of SPIE. - 2003. - Vol. 4854. - P. 181-190

7. E.A. V.A. Bespalov, V.A. Glazov, E.A. E.A. V.A. Bespalov, V.A. Glazov,

E.A. I'ichev, Yu.A. Klimov, V. Kiklev, A.E. Kuleshov, R.M. Nabiev, G.N. Petrukhin, B.G. Potapov, D.S. Socolov, V.V. Fandeev, E.A. Fetisov, S.S. Yaknshov. «Desing and Invetigation of UV Image Detectors». // TECHNICAL PHYSICS Volume: 60 Issue: 4 Pages: 553-560 DOI: 10.1134/S1063784215040076 Published: APR 2015

8. Беспалов В.А., Золотухин П.А., Теверовская E.Г., Ильичев Э.А., Чистякова Н.Ю., Куклев С.В., Соколов Д.С., Якугдов С.С, Медведев А.В., Рычков Г.С, Петрухин Г.Н. Вакуумный эмиссионный приемник изображений ультрафиолетового диапазона // Патент №2738767, выдан 16.12.2020

9. Беспалов В.А., Ильичёв Э.А., Казаков И.П., Кирпиленко Г.А., Козлитин А.И., Минаков П.В., Сарайкин В.В., Клековкин А.В., Куклев С.В., Петрухин Г.Н., Рычков Г.С., Соколов Д.С., Теверовская Е.Г. Особенности характеристик солнечно-слепых электронно-оптических преобразователей с алмазными фотокатодами // Письма в журнал технической физики. 2021, №9, с. 3-6 (DOI: 10.21883/PJTF.2021.09.50897.18480)

Изобретение относится к области вакуумной фотоэмиссионной электроники и касается приёмника изображений тепловых объектов. Приемник содержит входной объектив и расположенные в вакуумно-плотном корпусе входное окно, фотокатод, пироэлектрическую плёнку, считывающий электрод, микроканальную пластину, катодолюминесцентный экран и волоконно-оптическую пластину. Входной объектив и входное окно изготовлены из CaF₂, или BaF₂, или MgF₂, а фотокатод выполнен из высокочистого германия. Пироэлектрическая плёнка со сквозными отверстиями расположена или на поверхности микроканальной пластины, верхний электрод которой в этом случае покрыт диэлектриком толщиной не более 1 мкм, со сквозными отверстиями, соосными отверстиям пироэлектрической плёнки и микроканальной пластины, или на оксидированной поверхности дополнительно введённой кремниевой мембраны, имеющей с ней общие соосные периодически расположенные сквозные отверстия и имеющей металлизацию на нижней поверхности. Технический результат заключается в обеспечении возможности регистрации и распознавания тепловых объектов в привязке к местности их расположения. 2 ил.

Приёмник изображений тепловых объектов в архитектуре электронно-оптического преобразователя, содержащий входной объектив и, в вакуумно-плотном корпусе, входное окно, фотокатод, пироэлектрическую плёнку, считывающий электрод, микроканальную пластину, катодолюминесцентный экран и волоконно-оптическую пластину,

отличающийся тем, что

входной объектив и входное окно изготовлены из CaF₂, или BaF₂, или MgF₂, фотокатод выполнен из высокочистого германия, пироэлектрическая плёнка со сквозными отверстиями расположена на поверхности микроканальной пластины, верхний электрод которой в этом случае покрыт диэлектриком толщиной не более 1 мкм, со сквозными отверстиями, соосными отверстиям пироэлектрической плёнки и микроканальной пластины, а диаметры соосных сквозных отверстий и период их расположения соответствуют диаметрам и периоду расположения отверстий микроканальной пластины, или пироэлектрическая плёнка расположена на оксидированной поверхности дополнительно введённой кремниевой мембраны, имеющей с ней общие соосные периодически расположенные сквозные отверстия с периодом их рассредоточения по пластине не более 15 мкм, с линейными размерами отверстий не более 3 мкм, и имеющей металлизацию на нижней поверхности.