Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения
Владельцы патента RU 2325725:
Общество с ограниченной ответственностью "Инфраоптик" (RU)
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к электронно-оптическим приборам, преобразующим тепловые изображения различных объектов в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и разрешающей способности прибора за счет изменения конфигурации. Устройство содержит источник однородного потока электронов, представляющий собой фотокатод, выполненный сплошным из материала, прозрачного для инфракрасного излучения, пироэлектрическую мишень со сквозными отверстиями. Слои пироэлектрического слоя расположены на проводящем слое между сквозными отверстиями. Технический результат достигается за счет того, что в пироэлектрической мишени в области дискретных элементов поглощающего слоя выполнены дополнительные сквозные отверстия, причем размер всех сквозных отверстий выполняют менее длины волны детектируемого излучения, а ширина дополнительных сквозных отверстий, расположенных в области дискретных элементов поглощающего слоя, выполнена, по возможности, равной ширине перемычек между этими отверстиями, а также равной ширине щелевидных сквозных отверстий, разделяющих дискретные элементы поглощающего слоя. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Описываемое предлагаемое изобретение относится к электронной технике, в частности к электронно-оптическим приборам, преобразующим тепловые изображения различных объектов в среднем или дальнем инфракрасном диапазонах спектра в изображения в видимом диапазоне или в электрический сигнал.
Уже известен электронно-оптический преобразователь изображения с тонкопленочной пироэлектрической мишенью (далее пироЭОП), которая имеет щелевидные отверстия для модуляции вспомогательного однородного потока электронов [1] (патент России №2160479).
В качестве прототипа выбрано устройство указанного выше пироЭОПа, который содержит в вакуумированной колбе входное окно, прозрачное в инфракрасной области спектра, источник однородного потока электронов, представляющего собой фотокатод, расположенный на внутренней поверхности входного окна, выполненный из материала, слабо поглощающего инфракрасное излучение, и освещенный вспомогательным источником света, пироэлектрическую мишень со сквозными щелевидными отверстиями, включающую в себя пироэлектрический слой, управляющий тонкопленочный электрод и несущую диэлектрическую пленку, выполненные непрерывными со сквозными щелевидными отверстиями, и поглощающий слой из отдельных дискретных элементов, расположенные друг за другом по направлению от входного окна к устройству регистрации двумерного электронного изображения [1].
Недостатком известного пироЭОПа является выполнение поглощающего слоя из отдельных дискретных элементов без отверстий, а также изготовление сквозных отверстий, разделяющих дискретные элементы, только щелевидной формы (фиг.2). При такой конфигурации ширина отверстий намного меньше ширины сплошной поверхности чувствительного элемента, что приводит к снижению чувствительности и разрешающей способности пироЭОПа.
Проведенные расчеты и сравнительные эксперименты выявили основное условие максимальной чувствительности мишени, заключающееся в том, чтобы ширина сквозного отверстия в мишени была приблизительно равна ширине сплошной поверхности между отверстиями в структуре диэлектрической пленки, металлических пленок и пироэлектрической пленки, что не выполняется в мишени известного пироЭОПа [1].
Объясняется это тем, что сигнал в пироЭОПе образуется за счет управления количеством электронов, прошедших в сквозные отверстия, с помощью потенциала на сплошной поверхности пироэлектрического элемента. Потенциал участка поверхности пироэлектрического элемента, удаленного от отверстия, слабо влияет на прохождение электронов сквозь отверстие, поэтому для эффективного управления потоком электронов ширина пироэлектрического элемента должна быть как можно меньшей. Аналогично, электроны, проходящие через участок отверстия, расположенный далеко от пироэлектрика, также меньше подвержены управлению потенциалом пироэлектрика, поэтому ширина отверстия также должна быть как можно меньшей.
Минимальная ширина отверстий и их шаг определяется возможностями техники фотолитографии, а оптимум по чувствительности достигается при равенстве ширины отверстия и ширины сплошной поверхности чувствительного элемента мишени между отверстиями, покрытой пироэлектриком.
Современная технология фотолитографии позволяет получить отверстия и перемычки между ними шириной 1÷3 мкм. Размер чувствительного элемента должен быть не менее длины волны излучения, т.е. 8÷14 мкм.
В известном пироЭОПе [1] чувствительным для теплового излучения элементом является участок поверхности мишени, ограниченный дискретным элементом поглощающего слоя, расположенным между щелевидными отверстиями (поз.5,фиг.2). Он выполнен сплошным, т.е. без отверстий, что приводит к снижению чувствительности.
Вторым недостатком существующего пироЭОПа является пониженная прозрачность мишени для потока электронов, т.к. щелевидные отверстия, через которые проходят электроны, по площади значительно меньше, чем сплошные элементы мишени, поглощающие излучение. Пониженная прозрачность приводит к затруднениям в наблюдении изображения с помощью устройства регистрации двумерного электронного изображения (например, к пониженной яркости изображения на люминесцентном экране).
Третьим недостатком известного пироЭОПа, затрудняющим достижение оптимальных параметров в диапазоне 3÷5 мкм, является предложение изготавливать сквозные отверстия между дискретными чувствительными элементами только щелевидной формы (поз.12, фиг.2). Применение сквозных отверстий, например, круглой формы, изображенных на фиг.4, позволяет повысить чувствительность и разрешающую способность пироЭОПа в диапазоне З÷5 мкм.
Объясняется это тем, что для получения максимальной разрешающей способности шаг структуры мишени должен быть не более длины волны излучения (14 мкм для диапазона длин волн излучения 8-14 мкм и 5 мкм для диапазона 3÷5 мкм). Т.е. для изготовления мишени пироЭОПа в соответствии с [1], чувствительной в диапазоне З÷5 мкм, необходимо обеспечить шаг структуры не более 5 мкм, что по технологическим причинам практически невозможно из-за сложности процессов фотолитографии и недостаточной механической прочности мишени со щелевидными отверстиями. При изготовлении круглых отверстий (фиг.4) прочность мишени возрастает либо при достаточной механической прочности можно уменьшить толщину несущей диэлектрической пленки, что позволит снизить ее теплоемкость и теплопроводность вдоль поверхности между соседними элементами мишени и за счет этого повысить чувствительность и разрешающую способность пироЭОПа.
Целью настоящего изобретения является устранение перечисленных выше недостатков, а именно повышение чувствительности и разрешающей способности пироЭОПа за счет изменения конфигурации, размеров и шага сквозных отверстий в мишени.
Указанная цель достигается благодаря тому, что в соответствии с предлагаемым изобретением пироЭОП, содержащий в вакуумированной колбе входное окно, прозрачное в инфракрасной области спектра, источник однородного потока электронов, представляющего собой фотокатод, выполненный сплошным из материала, прозрачного для инфракрасного излучения, и расположенный на внутренней поверхности входного окна со стороны пироэлектрической мишени, пироэлектрическую мишень со сквозными отверстиями, включающую в себя пироэлектрический слой, управляющий тонкопленочный электрод и несущую диэлектрическую пленку, выполненные непрерывными со сквозными отверстиями, разделяющими чувствительные элементы, и поглощающий слой из отдельных дискретных элементов, сформированных между отверстиями в несущей диэлектрической пленке, расположенные друг за другом по направлению от входного окна к устройству регистрации двумерного электронного изображения, имеет следующие конструктивные отличия от прототипа:
А) дополнительные сквозные отверстия любой, технологически обоснованной формы (например, прямоугольной, круглой, овальной или иной), расположенные в области дискретных элементов поглощающего слоя, количество отверстий в одном дискретном элементе ограничивается механической прочностью несущей диэлектрической пленки;
Б) все сквозные отверстия в мишени изготавливают размером не более длины волны детектируемого излучения;
В) ширину дополнительных сквозных отверстий (п.А) в области дискретных элементов поглощающего слоя выполняют приблизительно равной ширине перемычек между этими отверстиями;
Г) ширину дополнительных сквозных отверстий (п.А) и перемычек между ними в области дискретных элементов поглощающего слоя выполняют приблизительно равной ширине сквозных отверстий, разделяющих эти дискретные элементы между собой;
Д) в пироЭОПе по п.А сквозные отверстия, разделяющие дискретные элементы поглощающего слоя, выполняют в виде нескольких отверстий с перемычками между ними, причем размер этих отверстий примерно равен ширине перемычек между ними, а также равен размеру дополнительных сквозных отверстий в области дискретных элементов поглощающего слоя, при этом размер указанных отверстий менее чем 3 мкм для диапазона длин волн излучения 3÷5 мкм и менее чем 8 мкм для диапазона 8÷14 мкм.
Для лучшего понимания предлагаемого изобретения некоторые детали удобнее рассматривать совместно с соответствующими чертежами:
Фиг.1 - схема устройства предлагаемого пироЭОПа, поясняющая его работу.
Фиг.2 - вид элемента мишени-прототипа со щелевидными отверстиями.
Фиг.3 - вид фрагмента мишени с дополнительными прямоугольными отверстиями в области дискретных элементов.
Фиг.4 - вид фрагмента мишени с круглыми дополнительными и разделяющими отверстиями.
Где:
1 - инфракрасное излучение, сфокусированное объективом
2 - входное окно
3 - вспомогательный фотокатод
4 - однородный поток электронов
5 - пироэлектрический слой
6 - управляющий проводящий тонкопленочный электрод
7 - несущая диэлектрическая пленка
8 - дискретный элемент поглощающего слоя
9 - вакуумированная колба, прозрачная (частично) для света вспомогательного источника
10 - устройство регистрации двумерного электронного изображения (например, люминесцентный экран, нанесенный на внутреннюю поверхность выходного окна)
11 - траектория электрона, прошедшего через отверстие 13
12 - отверстия, разделяющие дискретные элементы мишени
13 - дополнительные отверстия в области дискретных элементов поглощающего слоя
14 - траектория электрона, прошедшего через отверстие 12
15 - дискретный элемент мишени
16 - источник вспомогательного излучения
Как показано на фиг.1, инфракрасное излучение 1 проходит через входное окно 2 и вспомогательный фотокатод 3, создающий однородный поток электронов 4, попадает на пироэлектрический слой 5, проходит сквозь него практически без поглощения и попадает на управляющий тонкопленочный электрод 6, где частично поглощается, частично отражается и частично проходит насквозь. Далее проходит сквозь диэлектрическую (например, полиимидную) пленку 7 и попадает на дискретный элемент поглощающего слоя 8, в котором частично поглощается, частично отражается и частично проходит. Для оптимизации процесса поглощения падающего излучения в многослойной структуре мишени необходимо обеспечить такой коэффициент отражения дискретного элемента поглощающего слоя 8, чтобы сквозь него прошло не более 5-10% излучения. При этом наличие дополнительных сквозных отверстий будет влиять на коэффициент отражения слоя 8, который можно окончательно задать технологически, подбирая в комплексе химический элементный состав пленки, ее толщину, сопротивление, количество дополнительных сквозных отверстий в каждом элементе, их форму и шаг.
Управляющий электрод 6 обеспечивает электрическое соединение всех элементов мишени с внешним источником напряжения, необходимого для задания смещающего потенциала. Поэтому он не может быть разделенным на элементы.
Поглощающий слой 8 должен быть дискретным, чтобы не создавать утечек тепла между элементами. Дискретные элементы мишени 15 (фиг.3) отделены сквозными щелевидными отверстиями 12. Ширина щелевидных отверстий 12 должна быть минимальной, чтобы расстояние от центра отверстия 12 до дискретного пироэлектрического элемента 15 было минимальным, т.к. потенциал пироэлектрического элемента 15 управляет прохождением электронов 14 через отверстия 12. Чем больше влияние потенциала пироэлектрика, тем больше сигнал.
Минимальная ширина отверстий определяется возможностями фотолитографии и составляет обычно 1-3 мкм.
Для оптимального поглощения теплового излучения размер дискретного поглощающего элемента 15 должен быть не менее длины волны излучения, т.е. не менее 14×14 мкм2.
Отсутствие отверстий в дискретном элементе поглощающего слоя (фиг.2), как в известном пироЭОПе [1], приводит к снижению чувствительности.
Согласно изобретению, в области дискретных элементов поглощающего слоя делаются дополнительные отверстия 13 (фиг.1, 3, 4), через которые проходят дополнительные электроны 11, увеличивающие сигнал.
Размер отверстий должен быть не более длины волны излучения, т.е. менее 8 мкм (для диапазона 8÷4 мкм) и менее 3 мкм (для диапазона 3÷5 мкм), чтобы излучение не могло проникать сквозь отверстия без поглощения мишенью.
Коэффициент отражения управляющего проводящего тонкопленочного электрода 6 с учетом дополнительных отверстий 13 должен иметь величину, достаточную для прохождения сквозь него не менее 50% излучения, что можно задать технологически, аналогично слою 8, подбирая в комплексе химический элементный состав пленки, ее толщину, сопротивление, количество дополнительных сквозных отверстий в каждом элементе, их форму и шаг.
Заявленная конструкция может быть изготовлена с помощью известных технологических операций на серийном оборудовании. Изготовление мишени пироЭОПа в соответствии с предлагаемым изобретением не предполагает значительного повышения качественных требований к оборудованию в сравнении с прототипом, т.к. дополнительные отверстия изготовляются с помощью хорошо известной технологии фотолитографии, так же как и щелевидные отверстия, разделяющие дискретные элементы мишени. При этом ожидаемый технический эффект состоит в значительном повышении чувствительности (минимальная различимая разность температур может приближаться к 0,01°К) и получении возможности повысить разрешающую способность пироЭОПа за счет уменьшения толщины диэлектрической пленки при использовании круглых отверстий (фиг.4) или отверстий другой технологически обоснованной формы.
Источники информации
1. Патент России №2160479.
1. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения, содержащий в вакуумированной колбе входное окно, прозрачное в инфракрасной области спектра, источник однородного потока электронов, представляющий собой фотокатод, расположенный на внутренней поверхности входного окна, выполненный из материала, слабо поглощающего инфракрасное излучение и освещенный вспомогательным источником света, пироэлектрическую мишень со сквозными отверстиями, включающую в себя пироэлектрический слой, управляющий тонкопленочный электрод и несущую диэлектрическую пленку, выполненные непрерывными со сквозными отверстиями, разделяющими чувствительные элементы, и поглощающий слой из отдельных дискретных элементов, сформированных между отверстиями в несущей диэлектрической пленке, расположенные друг за другом по направлению от входного окна к устройству регистрации двумерного электронного изображения, отличающийся тем, что в пироэлектрической мишени выполнены дополнительные сквозные отверстия, расположенные в области дискретных элементов поглощающего слоя, количество которых в одном дискретном элементе ограничено механической прочностью несущей диэлектрической пленки, причем размер всех сквозных отверстий выполняют менее длины волны детектируемого излучения, а ширина дополнительных сквозных отверстий, расположенных в области дискретных элементов поглощающего слоя, выполнена, по возможности, равной ширине перемычек между этими отверстиями, а также равной ширине щелевидных сквозных отверстий, разделяющих дискретные элементы поглощающего слоя.
2. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения по п.1, отличающийся тем, что размер сквозных отверстий выполняют менее чем 3 мкм для диапазона длин волн излучения 3÷5 мкм и менее чем 8 мкм для диапазона длин волн излучения 8÷14 мкм.
