Гибридный твердотельный измерительный преобразователь, усиливающий яркость изображения
Изобретение относится к области электронно-оптических преобразователей, использующих такие твердотельные измерительные преобразователи, как устройство на КМОП-структуре или прибор с зарядовой связью (ПЗС), прежде всего для систем ночного видения, для которых требуются чувствительность к низкому уровню освещенности и высокий коэффициент усиления. Технический результат - разработка усиливающего яркость изображения гибридного твердотельного измерительного преобразователя, сочетающего функции электронно-оптического преобразователя, высокое отношение сигнал-шум и высокую логарифмическую характеристику усиления с функциями электронного считывания либо устройства на МОП-структуре, либо ПЗС. Достигается тем, что гибридный твердотельный измерительный преобразователь, усиливающий яркость изображения, содержит формирователь сигналов изображения, собранный с катодом усиления яркости изображения, микроканальной пластиной и оболочкой корпуса. Данное устройство сочетает в себе оптимальные функции электронно-оптического преобразователя, высокое отношение сигнал-шум и более оптимальную логарифмическую характеристику коэффициента усиления с функциями электронного считывания либо устройства на КМОП-структуре, либо ПЗС. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники
Объектом изобретения является усиливающий яркость изображения гибридный твердотельный измерительный преобразователь. В частности, изобретение относится к электронно-оптическому преобразователю, использующему первичный измерительный преобразователь на КПОМ-структуре или ПЗС, в непосредственный близости соединенный с микроканальной пластиной (МКП) и фотокатодом.
Предшествующий уровень техники
Изобретение относится к области электронно-оптических преобразователей, использующих такие твердотельные измерительные преобразователи, как устройство на КМОП-структуре или ПЗС. Электронно-оптические преобразователи применяются для усиления слабого светового излучения или для преобразования невидимого светового излучения в высококачественные изображения. Электронно-оптические преобразователи находят наиболее широкое применение при формировании изображений в инфракрасном световом излучении и широко используются в промышленности и, в частности, в военной технике. Электронно-оптические преобразователи с усилением яркости изображения используют, в частности, в виде приборов ночного видения в авиации, для фотографирования астрономических объектов, и в медицине, для лиц, страдающих пигментозной ретинопатией (куриной слепотой).
Из уровня техники известны три типа электронно-оптических преобразователей: электронно-оптические преобразователи для киносъемочных, фотографических аппаратов, полностью твердотельные измерительные преобразователи на КМОП-структуре и ПЗС и гибридные преобразователи ЭБ-ПЗС/КМОП (ПЗС или КМОП-преобразователи с бомбардировкой электронами).
Электронно-оптические преобразователи, усиливающие яркость изображения, хорошо известны и применяются во многих отраслях. На фиг.1 показан известный из уровня техники электронно-оптический преобразователь 10, с усилением яркости изображения 3-го поколения (3-П). Примеры применения данного усиливающего яркость изображения электронно-оптического преобразователя 3-П приводятся в Патенте США № 5029963, Naselli и др., Replacement Device for a Driver's Viewer и в Патенте США № 5084780, Philips, Telescopic Sight for Daylight Viewing. В данных публикациях раскрыт усиливающий яркость изображения электронно-оптический преобразователь 10 3-П, изготавливаемый корпорацией "Ай-Ти-Ти Корпорейшн" [ITT Corporation], являющейся правопреемником по данной заявке. В усиливающем яркость изображения электронно-оптическом преобразователе 10, показанном на фиг.1, энергия инфракрасного излучения попадает на фотокатод 12. Фотокатод 12 состоит из стеклянной передней пластины 14, одна сторона которой покрыта противоотражательным слоем 16, слоем 17 окна из арсенида галлия-алюминия (GaAlAs) и активным слоем 18 из арсенида галлия (GaAs). Энергия инфракрасного излучения поглощается в активном слое 18 из GaAs, в результате чего формируются связанные электронно-дырочные пары. Полученные электроны в дальнейшем испускаются в вакуумный кожух 22 через слой 20 отрицательного электронного сродства (ОЭС), выполненный на активном слое 18 из GaAs.
Микроканальная пластина (МКП) 24 установлена в вакуумном кожухе 22 вблизи ОЭС-покрытия 20 фотокатода 12. Обычно МКП 24 выполняют из стекла, имеющего проводящую входную поверхность 26 и проводящую выходную поверхность 28. После выхода электронов из фотокатода 12 электроны ускоряются к входной поверхности 26 МКП 24 за счет разности потенциалов между входной поверхностью 26 и фотокатодом 12, приблизительно составляющей 300-900 вольт. При бомбардировке электронами входной поверхности 26 МКП 24 в МКП 24 формируются вторичные электроны. МКП 24 может сформировать несколько сотен электронов из расчета на каждый электрон, поступающий во входную поверхность 26. МКП 24 подвергается воздействию разности потенциалов между входной поверхности 26 и выходной поверхностью 28, которая обычно равна 1100 вольт, и обеспечивает размножение электронов.
Размноженные электроны, выходящие из МКП 24, ускоряются при прохождении через вакуумный кожух 22 к люминесцентному экрану 30 за счет разности потенциалов между люминесцентным экраном 30 и выходной поверхностью 28, приблизительно равной 4200 вольт. При попадании электронов на люминесцентный экран 30 на каждый электрон образуется большое число фотонов. Фотоны создают выходное изображение для усиливающего яркость изображения электронно-оптического преобразователя 10 на выходной поверхности 28 элемента 31 оптического инвертора.
Электронно-оптические преобразователи, подобные изображаемым на фиг.1, по сравнению с другими видами электронно-оптических преобразователей имеют ряд преимуществ. Во-первых, указанные преобразователи имеют логарифмическую характеристику коэффициента усиления, при которой коэффициент усиления снижается при повышении уровня входящего светового излучения, что адаптировано к чувствительности человеческого глаза, особенно в случаях, когда в одном и том же съемочном плане как участки света высокой яркости, так и участки света малой яркости. Большинство твердотельных измерительных преобразователей имеет линейную характеристику, т.е. чем ярче свет, тем ярче выходной сигнал. В результате светлые участки выглядят гораздо более яркими для зрителя твердотельной системы и имеют тенденцию к размыванию съемочного плана. Твердотельные измерительные преобразователи можно модифицировать для понижения коэффициента усиления при увеличении входного светового излучения, но для этого необходимо изменять коэффициент усиления усилителя с помощью обтюрации или регулирования, устраняющего расплывание.
Еще одно преимущество электронно-оптических преобразователей заключается в их способности функционировать в пределах широкого диапазона уровней входящего светового излучения. Источник питания может регулировать напряжение катода и тем самым изменять коэффициент усиления в преобразователе сообразно съемочному плану. Поэтому преобразователи могут функционировать в пределах условий от безлунной облачной ночи до дневного света.
Но электронно-оптические преобразователи/И2камеры имеют много недостатков. Электронная оптика люминесцентных экранов создает низкоконтрастное изображение. В результате этого объект воспринимается человеческим зрением или твердотельным измерительным преобразователем, при просмотре через электронно-оптический преобразователь, как менее четкое. Хотя данный недостаток частично устраняется в последующих разработках электронно-оптических преобразователей, твердотельные измерительные преобразователи, как правило, имеют более высокие рабочие характеристики.
Еще один недостаток электронно-оптических преобразователей/И2камер связан с явлением, именуемым "гало" или ореол. Гало обусловлено электронами, отражаемыми от МКП или от экрана. Отраженные электроны затем размножаются и преобразуются в световое излучение в виде кольца вокруг изображения-оригинала. В электронно-оптических преобразователях гало, вызываемое электронами, отраженными от МКП, уменьшено до пренебрежимо малых значений в большинстве выпускаемых в настоящее время преобразователей. Но гало, возникающее от экрана, еще присутствует, хотя не до степени катодного гало. Тем не менее, экранное гало все еще представляет собой значительный дефект в системах формирования изображения, где ПЗС- или КПОМ-матрица соединена с электронно-оптическим преобразователем. Причина состоит в том, что указанные матрицы более чувствительны, чем глаз, к уровням слабого света в экранном гало.
Еще один недостаток заключается в том, что для электронно-оптических преобразователей не предусмотрен способ обеспечения электронного считывания. Электронное считывание является предпочтительным, поскольку позволяет скомбинировать изображение от тепловых датчиков с изображениями усиленной яркости, в результате чего информацию с обоих спектров можно видеть одновременно. Одно из решений заключалось в создании И2камеры за счет соединения ПЗС- или КМОП-матрицы с электронно-оптическим преобразователем. При соединении твердотельного измерительного преобразователя с электронно-оптическим преобразователем получаемая в результате камера имеет все недостатки характеристик электронно-оптического преобразователя, т.е. низкий контраст, нередко - низкую предельную разрешающую способность из-за дефектов соединения, и повышенную стоимость электронно-оптического преобразователя с камерой.
Твердотельные измерительные преобразователи обычно имеют ПЗС- или КМОП-датчики. Они действуют за счет непосредственного детектирования светового излучения, электронной передачи сигнала в твердотельные усилители, последующего отображения изображения либо на трубке телевизионного типа или на жидкокристаллическом дисплее. Фиг.2а и 2b показывают блок-схему или принципиальную схему типового ПЗС-датчика.
ПЗС- и КМОП-датчики являются твердотельными измерительными преобразователями; т.е. не имеющими вакуумного баллона и сигналом на выходе которых является электрический сигнал, который необходимо отобразить вне датчика. Твердотельные измерительные преобразователи работают с мощностью 5-15 вольт. Световое излучение обнаруживается в отдельных элементах изображения, обозначенных как "s", и преобразуется в электроны, запоминаемые в элементе изображения, который затем считывается в запоминающий регистр. Из запоминающего регистра содержащаяся во множестве элементов изображения электронная информация далее передается в считывающий регистр, затем - на выходные усилители и далее - на устройство видеоотображения, в частности, на электронно-лучевую трубку.
Недостатками всех твердотельных измерительных преобразователей являются низкие рабочие характеристики при работе с низким уровнем светового излучения, потенциальное расплывание от источников яркого светового излучения, низкая предельная разрешающая способность и значительное потребление электроэнергии. Низкие рабочие характеристики при работе с низким уровнем светового излучения обусловлены темновым током и шумом в связи с низкими значениями отношения сигнал-шум. При наличии механизма усиления сигнала до считывания указанные негативные явления могли бы быть устранены, так как имелся бы сигнал, достаточный для решения вопроса, связанного с источником шума. Архитектуры твердотельного измерительного преобразователя обычно не допускают наличия усилительной секции до считывания. Низкая предельная разрешающая способность объясняется крупными размерами элементов изображения, обычно выбираемых для того, чтобы можно было снимать сигнал высокого уровня и тем самым повышать отношение сигнал-шум. Эти недостатки фактически исключили применение твердотельных измерительных преобразователей в устройствах ночного видения. Преимуществами твердотельных измерительных преобразователей являются лучшая контрастность изображения по сравнению с электронно-оптическим преобразователем/И2камерой, возможность электронного считывания, более низкая себестоимость, особенно в случае, когда твердотельным измерительным преобразователем является КМОП-матрица.
Очевидно, что преимущества и недостатки твердотельных измерительных преобразователей и электронно-оптических преобразователей дополняют друга, и теоретически комбинация обоих устройств даст улучшенные рабочие характеристики. Одной из комбинаций, предлагаемых в качестве альтернативы электронно-оптическим преобразователям/И2камерам и твердотельным измерительным преобразователям, является ПЗС/КМПО-преобразователь с бомбардировкой электронами (ПЗС/КМОП-ЭБ). Это устройство состоит из фотокатода и оболочки корпуса электронно-оптического преобразователя, в которую встроен либо ПЗС-преобразователь, либо КМОП-преобразователь. Пример преобразователя на ПСЗ/КМОП-ЭБ показан на фиг.3. Высокое напряжение прикладывается между катодом и твердотельным измерительным преобразователем, и получаемые при этом электроны умножаются внутри кремния в твердотельном измерительном преобразователе за счет бомбардировки электронами.
Преимущества ПЗС/КМОП-ЭБ устройства заключаются в том, что оно обеспечивает электронное считывание. Однако имеется ряд недостатков. Во-первых, динамический диапазон в съемочном плане является сжатым. Это означает, что общий контраст в данном съемочном плане - когда светлые объекты соседствуют с темными объектами - снижен по сравнению с электронно-оптическим преобразователем/И2камерой и полностью твердотельным измерительным преобразователем. Во-вторых, данный преобразователь страдает от дефекта изображения в виде ореола (гало) вокруг участков яркого света, возникающего за счет электронов, отраженных от твердотельного измерительного преобразователя. Это гало присутствует в обычных электронно-оптических преобразователях, но технологические усовершенствования уменьшили гало почти до его полного исчезновения. В-третьих, очень высокое напряжение, требуемое для работы данного устройства (2-10 кВ), повреждает кремниевую поверхность, что с течением времени приводит к ухудшению рабочих показателей.
Поэтому задача изобретения заключается в разработке усиливающего яркость изображения гибридного твердотельного измерительного преобразователя, сочетающего функции электронно-оптического преобразователя, высокое отношение сигнал-шум и высокую логарифмическую характеристику усиления с функциями электронного считывания либо устройства на комплементарной МОП-структуре (КМОП), либо прибора с зарядовой связью (ПЗС).
Сущность изобретения
Настоящее изобретение реализует усиливающий яркость изображения гибридный твердотельный измерительный преобразователь. Твердотельный измерительный преобразователь согласно изобретению содержит формирователь сигналов изображения, в состав которого входит твердотельный измерительный преобразователь с усиливающим яркость изображения катодом, микроканальная пластина (МКП) и оболочка корпуса. В данном устройстве сочетаются улучшенные функции электронно-оптического преобразователя, высокое отношение сигнал-шум и высокая характеристика коэффициента усиления, наряду с функциями электронного считывания либо устройства на комплементарной МОП-структуре (КМОП), либо прибора с зарядовой связью (ПЗС). Настоящее изобретение в первую очередь предназначено для применения в системах ночного видения, где необходима высокая чувствительность в случае слабой освещенности и высокий коэффициент усиления.
Перечень чертежей
Изобретение поясняется более подробным описанием со ссылкой на прилагаемые чертежи, в числе которых:
фиг.1 изображает схему типового усиливающего яркость изображения электронно-оптического преобразователя;
фиг.2А - блок-схему типового ПЗС-преобразователя;
фиг.2В - блок-схему типовой поверхности формирования сигналов изображения в ПСЗ;
фиг.3 - сечение типового ПЗС с бомбардировкой электронами;
фиг.4А - сечение усиливающего яркость изображения гибридного твердотельного измерительного преобразователя в соответствии с изобретением;
фиг.4В - схему усиливающего яркость изображения гибридного твердотельного измерительного преобразователя в соответствии с изобретением;
фиг.5А - схему микроканальной пластины (МКП) и ПЗС с основой уменьшенной толщины, используемых в настоящем изобретении;
фиг.5В - схему микроканальной пластины (МКП) и стандартного ПЗС, используемых в настоящем изобретении;
фиг.5С - вид в перспективе электронно-оптического преобразователя КМОП-типа для использования в данном изобретении;
фиг.6А - вид в перспективе каналов МКП с круглыми профилями и КМОП-карманом;
фиг.6В - вид в перспективе каналов МКП с квадратными профилями и КМОП-карманом;
фиг.7А - схему горизонтальной проекции крупного элемента изображения/небольшого шага между каналами МКП на единице площади поверхности преобразователя согласно изобретению;
фиг.7В - схему горизонтальной проекции одинакового отношения между элементом изображения и каналом МКП на единице площади поверхности согласно изобретению;
фиг.7С - схему горизонтальной проекции небольшого шага КМОП-элементов изображения/крупного КМОП-канала на единице площади поверхности согласно изобретению.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг.4В представлено схематическое изображение усиливающего яркость изображения гибридного твердотельного измерительного преобразователя 41 согласно изобретению. Преобразователь 41 имеет стандартный фотокатод 54 электронно-оптического преобразователя, микроканальную пластину (МКП) 53 и твердотельный формирователь 56 сигналов изображения. В качестве твердотельного формирователя 56 сигналов изображения может быть использован твердотельный формирователь сигналов изображения любого типа. Твердотельный формирователь сигналов изображения предпочтительно является ПЗС-устройством. Более предпочтительно в качестве твердотельного формирователя 56 сигналов изображения использовать формирователь сигналов изображения на КМОП. На фиг.5А приведен ПЗС-формирователь сигналов изображения с основой уменьшенной толщины в виде формирователя 56' сигналов изображения. В данном варианте осуществления МКП 53 соединена с ПЗС-формирователем 56' с основой уменьшенной толщины. ПЗС 56' с основой уменьшенной толщины содержит такую поверхность приема электронов, как область 56а' диффузионного сбора, и считывающую область 62. Фиг.5В показывает вариант стандартного ПЗС-формирователя сигналов изображения, который содержит МКП 53, соединенную со стандартным ПЗС 56". ПЗС 56" имеет оксидное покрытие 63 и множество карманов 64 сбора. Фиг.5 изображает формирователь 56 в виде КМОП-преобразователя, включая КМОП-подложку 56"' и множество карманов 65 сбора.
По разным причинам формирователи сигналов изображения на ПЗС ограничены в применении или их применение является неэффективным. Во-первых, для обеспечения высоких рабочих показателей приборам ПЗС требуются по меньшей мере два поликремниевых слоя с имплантантом - скрытым каналом, и это означает, что их нельзя изготовить с помощью стандартных методов изготовления КМОП. Во-вторых, уровень интеграции, который можно достичь с помощью формирователей сигналов изображения на ПЗС, низок, т.к. они не могут содержать устройства, необходимые для их интегрирования с другими устройствами в данном применении. Наконец, схемы, используемые для передачи данных из матричного формирователя сигналов изображения в другие устройства на системной плате, такие как процессоры цифрового сигнала (ПЦС) и другие схемы обработки изображений, имеют большую емкость, и для них требуются напряжения более высокие, чем для других схем. Поскольку токи для подзарядки и разряжения указанных конденсаторов обычно имеют значительную величину, ПЗС-формирователь сигналов изображения не особо целесообразен в случае портативных или работающих на аккумуляторных батареях устройств.
Желательно обеспечить менее дорогостоящие формирователи сигналов изображения на интегральных схемах с помощью стандартных КМОП-способов. По существу формирователь сигналов изображения КМОП-типа, светодиод, фототранзистор или аналогичное устройство используются в качестве элемента фотоприемника. Выходной сигнал элемента фотоприемника является аналоговым сигналом, величина которого приблизительно пропорциональна количеству светового излучения, принимаемого этим элементом. КМОП-формирователи сигналов изображения предпочтительно использовать в некоторых устройствах, поскольку они потребляют меньше энергии, имеют меньшую себестоимость и имеют повышенную степень системной интеграции по сравнению с формирователями сигналов изображения, изготовленными с помощью ПЗС-методов. Помимо этого, КМОП-формирователи сигналов изображения имеют дополнительные преимущества, заключающиеся в том, что их можно изготовить методами, аналогичными обычно используемым для изготовления транзисторов логической схемы. Хотя в рамках предпочтительного осуществления изобретения предусмотрен КМОП-формирователь в качестве формирователя сигналов изображения 56, работать будет любой твердотельный формирователь сигналов изображения, и он будет входить в объем данного патента.
Изображенный на фиг.4В фотокатод 54 может быть стандартным фотокатодом, используемым в любом известном типе электронно-оптического преобразователя. В качестве материала фотокатода 54 может быть, помимо прочего, использован такой материал как GaAs, двухщелочной материал, InGaAs и т.п. Фотокатод 54 содержит входную сторону 54а и выходную сторону 54b. МКП 53 может быть выполнена, помимо прочих материалов, из кремния или стекла и, предпочтительно, имеет толщину от 10 до 25 мм. МКП 53 имеет множество каналов 52, сформированных между входной поверхностью 49 и выходной поверхностью 50. Каналы 52 могут иметь любой тип профиля, например, круглый профиль 52' (фиг.6А) или квадратный профиль 52" (фиг.6А). МКП 53 соединен с поверхностью 56а приема электронов формирователя сигналов изображения 56.
Выходная поверхность 50 в МКП 53 в предпочтительном варианте осуществления физически контактирует с поверхностью 56а приема электронов, при этом между МКП 53 и формирователем сигналов изображения 56 может потребоваться изоляция. Соответственно, тонкий изолирующий разделительный слой 55 может быть введен между выходной поверхностью 50 МКП 53 и поверхностью 56а приема электронов в формирователе сигналов изображения 56. Изолирующий разделительный слой 55 может быть выполнен из любого электрического изолирующего материала и предпочтительно сформирован в виде тонкого слоя толщиной не более нескольких микрон, осажденного на поверхности 56а приема электронов в формирователе сигналов изображения 56. Изолирующий разделительный слой может быть выполнен, в частности, в виде пленки толщиной около 10 мкм. Изолирующий разделительный слой 55 может быть также выполнен в виде пленки на выходной поверхности 50 в МКП 53 (не показан).
КМОП-формирователь сигналов изображения 56 содержит поверхность 56а приема электронов и выход 56b. Увеличенное число электронов 48, испускаемых из МКП 53, соударяется с поверхностью 56а приема электронов. Поверхность 56а приема электронов имеет КМОП-подложку 56''' и множество карманов 65 сбора (фиг.5С). Электроны 48 (см. фиг.4В), собирающиеся в карманах 65 сбора, обрабатываются стандартным оборудованием обработки сигнала для КМОП-преобразователей с получением сигнала изображения усиленной яркости, который направляется через выход 56b в устройство 46 отображения изображения.
Цепь 44 смещения подает смещающий ток в преобразователь 41. Цепь 44 смещения содержит первое электрическое соединение 42 и второе электрическое соединение 43. Первое электрическое соединение 42 подает напряжение смещения между фотокатодом 54 и МКП 53. Напряжение смещения от первого электрического соединения 42 предпочтительно имеет величину, меньшую, чем напряжение от катода ПЗС/КПОМ-ЭБ-формирователя в ПЗС, т.е. 2-10 кВ. Например, предпочтительное напряжение смещения может быть аналогичным напряжению на электронно-оптических преобразователях: ˜1400 В. Второе электрическое соединение 43 прикладывает напряжение смещения между МКП 53 и КМОП-преобразователем 56. Напряжение смещения, прикладываемое ко второму электрическому соединению 43, предпочтительно значительно ниже напряжения электронно-оптического преобразователя-экрана - около 4200 В, как в устройствах известного уровня техники (фиг.1). Например, напряжение смещения, прикладываемое вторым электрическим соединением 43, может составлять, в числе прочих значений, ˜110 В. Фиг.4А показывает возможную конфигурацию формирователя 41. В этой конфигурации фотокатод 54, МКП 53 и формирователь сигналов изображения 56 находятся в вакуумном корпусе или в оболочке 61 как одно целое, в непосредственном контакте друг с другом.
Как показано на фиг.4В, в рабочем режиме световое излучение 58, 58 от изображения 57 поступает в усиливающий яркость изображения гибридный твердотельный измерительный преобразователь 41 через входную сторону 54а фотокатода 54. Фотокатод 54 преобразует входящее световое излучение в электроны 48, которые выходят из выходной стороны 54b фотокатода 54. Электроны 48, выходящие из фотокатода 54, поступают в каналы 52 через входную поверхность 49 в МКП 563. Затем электроны 48 бомбардируют входную поверхность 49 в МКП 53; вторичные электроны образуются во множестве каналов 52 в МКП 53. МКП 53 может сформировать несколько сотен электронов в каждом из каналов 52 из расчета на каждый электрон, поступающий через входную поверхность 49. Таким образом, число электронов 47, выходящих из каналов 52, значительно превышает число электронов 48, входящих в каналы 52. Увеличившееся число электронов 47 выходит из каналов 52 через выходную сторону МКП 53 и соударяется с поверхностью 56а приема электронов в КМОП-формирователе 56 сигналов изображения.
Фиг.6 показывает, как увеличившееся число электронов 47 выходит из каналов 52 и соударяется с карманом 65' сбора в КМОП-формирователе 56 сигналов изображения. На фиг.6 наглядно показано, что между карманами 65' сбора и числом каналов 52, испускающих электроны 47, имеется взаимосвязь. Как правило, соседние каналы 52 в МКП 53 отделены друг от друга заданным шагом 52а между каналами. На фиг.6 показан шаг 52а между каналами: из расчета на один карман 65' сбора приходится более одного канала 52.
На фиг.7А-7С представлены три разных варианта взаимосвязей КМОП-кармана/шага между каналами согласно настоящему изобретению. Фиг.7А иллюстрирует взаимосвязь между шагом 52а между каналами и КМОП-карманом 65' сбора. В этом случае шаг 52 между каналами относительно небольшой, причем КМОП-карман 65' имеет относительно большой размер. Это обстоятельство дает возможность нескольким электронам 47 из двух или более каналов 52 соударяться с КМОП-карманом 65' сбора. Фиг.7В иллюстрирует еще одну взаимосвязь КМОП-канала/шага между каналами. В этом варианте осуществления шаг 52а между каналами и размер КМОП-кармана 65' сбора имеют взаимосвязь, приблизительно составляющую 1:1. Электроны 47' из единичного канала 52 соударяются с единичным карманом 65' сбора. Фиг.7С иллюстрирует еще одну взаимосвязь КМОП-кармана/шага между каналами, где шаг 52а между каналами относительно велик и размер КМОП-кармана 66 сбора относительно небольшой. В этом случае электроны 47" из единичного канала 52 соударяются с множеством карманов 66 сбора. Хотя все эти структуры обеспечивают различные преимущества, для данного изобретения предпочтительна взаимосвязь, показанная на фиг.7А.
Поэтому твердотельный измерительный преобразователь с увеличенной яркостью по сравнению с другими решениями известного уровня техники действует в различных условиях. Вследствие этого МКП 53 можно установить непосредственно на КМОП-преобразователе 56, обеспечив этому гибридному устройству контраст, аналогичный всем твердотельным устройствам, но с небольшим гало, высоким отношением сигнал-шум и более оптимальной логарифмической характеристикой коэффициента усиления электронно-оптического преобразователя. Поскольку используются более низкие значения рабочего напряжения, предлагаемое гибридное устройство можно стробировать подобно электронно-оптическому преобразователю, обеспечивая возможность работы в условиях различной освещенности: от безлунной облачной ночи до дневного света. Благодаря отсутствию физического зазора между МКП 53 и КМОП-преобразователем 56 предлагаемый гибридный преобразователь имеет лучшие характеристики в отношении гало. Отсутствие физического разделения двух компонентов также является причиной улучшения контраста по сравнению с ПЗС/КМОП-ЭБ или с камерой усиленной яркости изображения. Гибридное устройство также имеет логарифмическую характеристику коэффициента усиления, как у электронно-оптического преобразователя. В противоположность преобразователю ПЗС/КМОП-ЭБ гибридный преобразователь выполнен с возможностью стробирования благодаря низким катодным напряжениям.
Приведенное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения представляет собой оптимальный вариант на дату подачи данной заявки и дается только в качестве неограничивающего примера. Соответственно, различные изменения и варианты, очевидные специалисту в данной области техники, предполагаются входящими в объем и концепцию изобретения, определяемого в приводимой ниже формуле изобретения.
1. Твердотельный измерительный преобразователь, усиливающий яркость изображения, содержащий фотокатод, имеющий входную сторону для приема светового излучения от изображения, и выходную сторону, из которой выходят сформированные фотокатодом электроны; микроканальную пластину, имеющую входную поверхность, расположенную вблизи выходной поверхности фотокатода; выходную поверхность, с которой выходит увеличенное число электронов; множество каналов, сформированных между входной поверхностью и выходной поверхностью; первое электрическое соединение для прикладывания первого напряжения смещения между фотокатодом и микроканальной пластиной; твердотельный формирователь сигналов изображения, расположенный вблизи выходной поверхности микроканальной пластины, имеющий поверхность приема электронов, для приема увеличенного числа электронов, выводимых из микроканальной пластины, и выход для выведения сигнала изображения с усиленной яркостью; второе электрическое соединение для прикладывания второго напряжения смещения между микроканальной пластиной и твердотельным формирователем сигналов изображения; вакуумный корпус, содержащий собранные в единый блок фотокатод, микроканальную пластину и твердотельный формирователь сигналов изображения.
2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что величина первого напряжения смещения составляет не более 2000 В.
3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что величина второго напряжения смещения составляет, по меньшей мере, 100 В.
4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что твердотельным формирователем сигналов изображения является ПЗС.
5. Преобразователь по п.4, отличающийся тем, что ПЗС выполнен в виде прибора с зарядовой связью, имеющим уменьшенную толщину основы.
6. Преобразователь по п.4, отличающийся тем, что ПЗС выполнен в виде стандартного прибора с зарядовой связью.
7. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что твердотельный формирователь сигналов изображения выполнен в виде КМОП-формирователя сигналов изображения.
8. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что выходная поверхность микроканальной пластины и поверхность приема электронов в твердотельном формирователе сигналов изображения, по меньшей мере, частично находятся в физическом контакте.
9. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что изолирующий слой отделяет друг от друга выходную поверхность микроканальной пластины и поверхность приема электронов в твердотельном формирователе сигналов изображения.
10. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что изолирующий слой содержит тонкую пленку, осажденную либо на поверхности приема электронов в твердотельном формирователе сигналов изображения, либо на выходной поверхности микроканальной пластины.
11. Преобразователь по п.10, отличающийся тем, что толщина тонкой пленки не превышает 10 мкм.
12. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каждый канал из числа множества каналов имеет, по существу, круглое поперечное сечение.
13. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каждый канал из числа множества каналов имеет, по существу, квадратное поперечное сечение.
14. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каждый канал из числа множества каналов имеет заданную ширину, причем каналы отделены друг от друга заданным шагом.
15. Преобразователь по п.14, отличающийся тем, что твердотельный формирователь сигналов изображения содержит множество карманов сбора заданного размера.
16. Преобразователь по п.15, отличающийся тем, что каждый канал из множества каналов расположен относительно одного из карманов из множества карманов с возможностью испускания электронов из множества каналов в заданное число карманов сбора.
17. Преобразователь по п.16, отличающийся тем, что заданный шаг, ширина канала и размер кармана сбора выбирают с возможностью приема электронов из одного канала единичным карманом сбора.
18. Преобразователь по п.16, отличающийся тем, что заданный шаг, ширина канала и размер кармана сбора выбирают с возможностью приема электронов из одного канала единичным карманом сбора.
19. Преобразователь по п.16, отличающийся тем, что заданный шаг, ширина канала и размер кармана сбора выбирают с возможностью приема электронов из одного канала двумя или более карманами сбора.
20. Твердотельный измерительный преобразователь, усиливающий яркость изображения, содержащий фотокатод, микроканальную пластину, твердотельный формирователь сигналов изображения, принимающий электроны, выводимые из микроканальной пластины, и выводящий сигнал изображения с усиленной яркостью; цепь смещения, подключенную между фотокатодом, микроканальной пластиной и твердотельным преобразователем; вакуумный корпус, содержащий фотокатод, микроканальную пластину и твердотельный формирователь сигналов изображения, находящиеся в непосредственном контакте друг с другом.
21. Твердотельный измерительный преобразователь, усиливающий яркость изображения, содержащий фотокатод, преобразующий световое излучение от изображения в электроны; устройство размножения электронов, подключенное к выходной поверхности фотокатода и выполненное с возможностью приема электронов от фотокатода, увеличения количества принимаемых электронов и выведения увеличенного числа электронов; твердотельный формирователь изображения, дополнительно содержащий множество карманов сбора, соединенных с устройством умножения электронов, для приема увеличенного числа электронов, выводимых из устройства умножения электронов, и для формирования сигнала изображения с усиленной яркостью; выход для выведения сигнала изображения с усиленной яркость в устройство отображения; электрическую цепь, подключенную между фотокатодом и твердотельным формирователем сигналов, для прикладывания, по меньшей мере, одного напряжения смещения между ними; корпус, в котором фотокатод, умножающее электроны устройство и твердотельный формирователь сигналов изображения помещены, по меньшей мере, в частичный вакуум.
