微等離子夜視設(shè)備的制作方法
【專利摘要】光子傳感和放大設(shè)備包括光電陰極、與所述光電陰極相對(duì)的透明電極以及位于所述光電陰極和所述透明電極之間的等離子室，其中，所述等離子室容納可電離氣體。
【專利說明】微等離子夜視設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光傳感和放大，并更具體地，涉及夜視裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]夜視成像目前是通過收集和放大光完成的。在一種方法中，環(huán)境可見光(如月光、星光、植物發(fā)光等)被收集、轉(zhuǎn)換成電子、放大并且之后轉(zhuǎn)換為可見的圖像。在通常被稱為熱成像的另一種方法中，由比周圍環(huán)境溫暖的物體(如生物體或車輛發(fā)動(dòng)機(jī))釋放的紅外光子被捕獲，如被電荷耦合器件圖像傳感器捕獲，并且隨后圖像被處理、放大且之后顯示為可見的圖像。
[0003]典型的環(huán)境光收集型夜視設(shè)備包括物鏡，該物鏡可收集肉眼不容易看見的光，并將收集到的光聚焦到圖像增強(qiáng)器上。圖像增強(qiáng)器包括光電陰極，其吸收收集到的光，并將其轉(zhuǎn)換為電子。微通道板常被用來進(jìn)一步放大電子信號(hào)。放大的電子信號(hào)隨后被吸引并撞擊到熒光屏上，從而使屏幕發(fā)出可見光。由于熒光屏發(fā)出與物鏡所收集的完全相同的圖案和對(duì)比度的可見光，所以與物鏡觀測(cè)到的場景緊密相關(guān)的圖像被產(chǎn)生在熒光屏上。在熒光屏上形成的綠色的圖像已成為夜視設(shè)備的特點(diǎn)。
[0004]夜視技術(shù)的進(jìn)步給放大帶來了顯著改善。例如，所謂的“第三代(Gen III)”夜視設(shè)備，其電子放大比率為30000到50000，并且光子放大比率(即輸出光子除以輸入光子)約為20至25。然而，這樣的夜視設(shè)備相對(duì)昂貴并且不容易擴(kuò)展為大規(guī)模。
[0005]因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員在夜視領(lǐng)域會(huì)繼續(xù)努力研究和開發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一種實(shí)施例中，所公開的光子傳感設(shè)備可包括光電陰極、與所述光電陰極相對(duì)的透明電極以及位于所述光電陰極和所述透明電極之間的等離子室，其中，所述等離子室容納可電離氣體。
[0007]在另一實(shí)施例中，所公開的光子傳感設(shè)備可包括:光電陰極；與所述光電陰極相對(duì)的透明電極；位于所述光電陰極和所述透明電極之間的等離子室，其中，所述等離子室容納可電離氣體；以及電壓源，其中所述電壓源在所述等離子室上施加電壓。所施加的電壓可小于電離所述可電離氣體所需的閾值電壓。
[0008]在另一實(shí)施例中，所公開的光子傳感設(shè)備可包括:光電陰極；透明電極，其與所述光電陰極相對(duì)；多個(gè)等離子室，其在所述光電陰極和所述透明電極之間平行排列，其中，每個(gè)等離子室均容納可電離氣體；以及電壓源，其在所述等離子室上施加電壓。所施加的電壓可小于在等離子室內(nèi)電離所述可電離氣體所需的閾值電壓。
[0009]在又一實(shí)施例中，還公開了用于感應(yīng)入射光子的方法。該方法可包括步驟:(1)提供容納可電離氣體的等離子腔，(2)在所述等離子腔上施加電壓，所施加的電壓低于電離所述可電離氣體所需的閾值電壓，(3)將入射的光子轉(zhuǎn)換為電子，以及(4)將所述電子引入等離子腔。[0010]從下面的詳細(xì)描述、附圖和所附權(quán)利要求中將顯而易見到所公開的微等離子夜視設(shè)備和方法的其他實(shí)施例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是所公開的微等離子夜視設(shè)備的一種實(shí)施例的示意性側(cè)視圖的一部分；
[0012]圖2是所公開的微等離子夜視設(shè)備的另一實(shí)施例的示意性側(cè)視圖的一部分；并且
[0013]圖3是揭示所公開的放大入射光子的方法的一種實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明公開了各種光子傳感和放大設(shè)備和方法。盡管公開的光子傳感設(shè)備和方法在夜視和熱成像背景中被展示(例如，用于護(hù)目鏡)，但各種替代性應(yīng)用，如成像、分析和放射線檢測(cè)，也被考慮在內(nèi)，并將不會(huì)導(dǎo)致超出本公開的范圍。
[0015]參照?qǐng)D1，總體標(biāo)號(hào)為10的所公開的微等離子夜視設(shè)備的一種實(shí)施例可包括光電陰極12、透明電極14和多個(gè)等離子腔16，所述等離子腔16位于光電陰極12和透明電極14之間。電壓源18可在光電陰極12和透明電極14上施加電壓V。
[0016]光電陰極12可以是根據(jù)光電效應(yīng)來響應(yīng)入射電磁輻射(箭頭A)而發(fā)射電子的任何材料或結(jié)構(gòu)和/或由于光電效應(yīng)而產(chǎn)生自由電子的任何材料或結(jié)構(gòu)。在一種具體構(gòu)造中，光電陰極12可以響應(yīng)入射可見光來發(fā)射/產(chǎn)生電子。在另一種具體構(gòu)造中，光電陰極12可以響應(yīng)入射紅外線來發(fā)射/產(chǎn)生電子。在又一種具體構(gòu)造中，光電陰極12可以響應(yīng)可見光和紅外線來發(fā)射/產(chǎn)生電子。因此，光電陰極12可用作所公開的微等離子夜視設(shè)備10的電子源。
[0017]光電陰極12可包括半導(dǎo)體材料。在一種變化中，可被用于(或用作)光電陰極12的半導(dǎo)體材料可包括P_n結(jié)。在另一種變化中，可被用于(或用作)光電陰極12的半導(dǎo)體材料可包括在P型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間的本征區(qū)域。在又一種變化中，可被用于(或用作)光電陰極12的半導(dǎo)體材料可以是II1-V族化合物半導(dǎo)體。
[0018]可被用于(或用作)光電陰極12的合適半導(dǎo)體材料的特定例子可包括但不限于硅(Si )、砷化鎵(GaAs )、砷化銦鎵(InGaAs )、銻化鎵(GaSb )、碲化汞鎘(HgCdTe )和銻化銦(InSb)0還可設(shè)想半導(dǎo)體復(fù)合材料可以用于(或用作)光電陰極12。
[0019]在這一點(diǎn)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，所選的用于(或用作)光電陰極12的半導(dǎo)體材料的類型，特別是所選擇的半導(dǎo)體材料的帶隙，可控制所公開的微等離子夜視設(shè)備10對(duì)電磁頻譜可能敏感的部分。
[0020]可選地，第一透明基體(未示出)可以層疊在光電陰極12的外表面20上。例如，第一透明基體可以是玻璃、聚合物等的層，并可在結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)所公開的微等離子夜視設(shè)備10。第二透明基體(未示出)可選擇性地位于可選第一透明基體和光電陰極12之間以增強(qiáng)靠近光電陰極的導(dǎo)電性。可以可選地包括物鏡(未示出)以收集和聚焦光到光電陰極12上。
[0021]透明電極14可與光電陰極12間隔一定距離D，并且可與光電陰極12大致平行。所述距離D可取決于位于透明電極14和光電陰極12之間的等離子腔16的大小、組成和構(gòu)造以及其他因素。
[0022]透明電極14可以是大體導(dǎo)電的。例如，透明電極14可能有至少100S/cm的電導(dǎo)率,如至少1000S/cm或至少10000S/cm的電導(dǎo)率。此外，透明電極14可以光學(xué)上透過正被微等離子夜視設(shè)備10觀測(cè)的光。例如，透明電極14可能有至少百分之50的透光率，如至少百分之75或至少百分之90。
[0023]在一種具體構(gòu)造中，透明電極14可以是薄膜型、透明導(dǎo)電氧化物。適合作為透明電極14使用的透明導(dǎo)電氧化物的幾個(gè)例子包括但不限于氧化銦錫(IT0)、鋁摻雜的氧化鋅以及氟摻雜的氧化錫。
[0024]可選地，第二透明基體(未示出)可以層疊在透明陰極14的外表面22上。例如，第二透明基體可以是玻璃、聚合物等的層，并可在結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)所公開的微等離子夜視設(shè)備10。
[0025]等離子腔16可被平行設(shè)置在光電陰極12和透明電極14之間。因此，每個(gè)等離子腔16可以包括電聯(lián)接到光電陰極12的第一端24以及電聯(lián)接到透明電極14的第二端26。
[0026]在一種【具體實(shí)施方式】中，等離子腔16可被設(shè)置為具有多個(gè)行和列的陣列。陣列中的每個(gè)等離子腔16可對(duì)應(yīng)于圖像中的一個(gè)像素(或子像素)。因此，等離子腔16的陣列可在等離子點(diǎn)亮?xí)r形成圖像。
[0027]每個(gè)等離子腔16均可容納可電離氣體。合適的可電離氣體的例子包括但不限于氦氣、氖氣、氬氣和其他稀有氣體以及它們的組合?？蛇x地，可電離氣體可以是與載氣(如氮?dú)?混合。
[0028]電壓源18可在光電陰極12和透明電極14之間施加電壓V。所施加的電壓V可小于但接近于在等離子腔16內(nèi)電離可電離氣體并點(diǎn)亮等離子(例如微等離子)所需的閾值電壓。所述閾值電壓可取決于很多因素，比如等離子腔16的大小和位置以及可電離氣體的組成。例如，所施加的電壓V可為閾值電壓的至少70%，比如至少80%、至少90%或至少95%。
[0029]因此，當(dāng)微等離子夜視設(shè)備10暴露于大于光電陰極12帶隙的電磁能量時(shí)，入射光子(箭頭A)可在光電陰極12內(nèi)激發(fā)電子-空穴對(duì)。在電子-空穴對(duì)分開后，電子可以被引導(dǎo)至一個(gè)或更多個(gè)等離子腔16內(nèi)，從而點(diǎn)亮在相應(yīng)等離子腔16內(nèi)的瞬態(tài)等離子。只要電子流存在，則點(diǎn)亮的等離子就可持續(xù)，并可以具有顏色和強(qiáng)度。點(diǎn)亮的等離子通過透明電極14可被視為可見光(箭頭B)。
[0030]在這一點(diǎn)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)明白，在等離子腔16內(nèi)形成的等離子的強(qiáng)度可能取決于射入到相應(yīng)等離子腔16中的電子的數(shù)量，其可以是進(jìn)入光子的數(shù)量(箭頭A)的函數(shù)。在等離子腔16內(nèi)形成的等離子的強(qiáng)度還可取決于所述可電離氣體的組成(這也可影響等離子的顏色)、氣體壓力和所施加的電壓以及其他因素。
[0031]在一種可想到的替代性實(shí)施方式中，電壓源18施加的電壓V可以是或超過在等離子腔16內(nèi)電離可電離氣體所必需的閾值電壓。因此，入射光子(箭頭A)可導(dǎo)致電子發(fā)射到等離子腔16中，這又會(huì)改變通過透明電極14作為可見光(箭頭B)可被觀察的等離子的強(qiáng)度。
[0032]參照?qǐng)D2，總體標(biāo)號(hào)為100的所公開的微等離子夜視設(shè)備的另一實(shí)施例可包括光電陰極102、透明電極104、多個(gè)等離子腔106以及加速柵極108。第一電壓源110可在光電陰極102和加速柵極108之間施加第一電壓V1,并且第二電壓源112可在加速柵極108和透明電極104之間施加第二電壓V2。
[0033]微等離子夜視設(shè)備100的光電陰極102、透明電極104以及等離子腔106可被配置為如上所述的與微等離子夜視設(shè)備10相關(guān)的配置?？蛇x的，光電陰極102可被分段為多個(gè)光電陰極段102A-102I。每個(gè)光電陰極段102A-102I可以關(guān)聯(lián)于對(duì)應(yīng)的等離子腔106。
[0034]因此，微等離子夜視設(shè)備100可以以與上面所討論的微等離子夜視設(shè)備10基本相同的方式被構(gòu)造和操作。然而，如在下面更詳細(xì)描述的，加速柵極108的添加可促進(jìn)來自光電陰極102的電子的場致發(fā)射。
[0035]加速柵極108可位于光電陰極102和透明電極104之間，并可距離光電陰極102一定的距離S。光電陰極102和加速柵極108之間的距離S的范圍可以是在光電陰極102和透明電極之間的距離D (圖1)的約0%到約50%，例如是距離D的約5%到約25%。
[0036]第一電壓源110可在光電陰極102 (負(fù))和加速柵極108 (正)之間施加第一電壓V1O所述第一電壓V1可以產(chǎn)生電場。因此，當(dāng)光電陰極102被照射時(shí)(箭頭A’)，電場會(huì)誘發(fā)從光電陰極102的內(nèi)表面114的電子的場致發(fā)射，并可以使電子加速進(jìn)入到等離子腔106內(nèi)。
[0037]第二電壓源112可在加速柵極108與透明電極104之間施加第二電壓V2。該第二電壓V2可小于但接近在等離子腔106內(nèi)電離可電離氣體且點(diǎn)亮等離子(如，微等離子)所必需的閾值電壓。交流電壓可被可選用作第二電壓V2,以抑制透明電極104上的侵蝕。
[0038]因此，加速到等離子腔106的場致發(fā)射電子可以點(diǎn)亮在等離子腔106的等離子，從而通過透明電極104發(fā)出可見光(箭頭B’)?？蛇x地，第一電壓V1的幅值可以被選擇成使得等離子點(diǎn)亮不會(huì)發(fā)生在光電陰極102和加速柵極108之間的間隙116內(nèi)，而只發(fā)生在加速柵極108和透明電極104之間。
[0039]參照?qǐng)D3，還公開了總體標(biāo)號(hào)為200的用于感應(yīng)和放大入射光子的方法。方法200可被用于各種各樣的應(yīng)用，包括但并不限于夜視(可見光和近紅外線)和熱成像(紅外線)。
[0040]方法200可從方框202的提供多個(gè)等離子腔的步驟開始。等離子腔可被平行布置在光電陰極和透明電極之間。每個(gè)等離子腔均可容納可電離氣體(或可電離氣體的混合物)。
[0041]在方框204中，電壓可被施加到等離子腔上。所施加的電壓可小于(例如，剛好小于)在等離子腔106內(nèi)電離可電離氣體且點(diǎn)亮等離子所必需的閾值電壓。
[0042]在方框206中，入射光子可被轉(zhuǎn)換為電子。將入射光子轉(zhuǎn)換為電子的步驟可由光電陰極執(zhí)行?？蛇x的加速柵極可影響電子從光電陰極的場致發(fā)射。
[0043]在方框208中，電子可被引入到等離子腔。電子引入到等離子腔后，等離子腔內(nèi)的電能會(huì)足以點(diǎn)亮在等離子腔內(nèi)的等離子，從而輸出可見光(即，輸出光子)。
[0044]因此，所公開的方法200采用偏置電壓來響應(yīng)入射光子產(chǎn)生輸出光子的微等離子，從而有效地放大所述入射光子。
[0045]所以，所公開的微等離子夜視設(shè)備和方法響應(yīng)入射光子來產(chǎn)生可見等離子，并且因此，有著大功率光子放大器的功能。通過仔細(xì)選擇光電陰極材料(例如，使用先進(jìn)的半導(dǎo)體材料)以及工程設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和等離子點(diǎn)亮參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)比使用當(dāng)前夜視技術(shù)(如第三代夜視)所實(shí)現(xiàn)的至少提高約I至2個(gè)數(shù)量級(jí)的光子放大率。
[0046]雖然公開的微等離子夜視設(shè)備和方法的多個(gè)實(shí)施例已被示出和描述，但是本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在閱讀了本說明書后可對(duì)其改動(dòng)。本申請(qǐng)包括這樣的改動(dòng)，并且僅受限于權(quán)利要求書的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種光子傳感設(shè)備，包括: 光電陰極； 透明電極，其與所述光電陰極相對(duì)；以及 至少一個(gè)等離子室，其位于所述光電陰極和所述透明電極之間，所述至少一個(gè)等離子室容納可電離氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子傳感設(shè)備，進(jìn)一步包括電壓源，其中所述電壓源在所述等離子室上施加電壓，所述電壓小于電離所述可電離氣體所需的閾值電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光子傳感設(shè)備，其中所述電壓是所述閾值電壓的至少90%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子傳感設(shè)備，其中所述光電陰極對(duì)可見光和紅外線中至少一者敏感。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子傳感設(shè)備，其中所述光電陰極包含半導(dǎo)體材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子傳感設(shè)備，其中所述透明電極包含透明導(dǎo)電氧化物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光子傳感設(shè)備，其中所述透明導(dǎo)電氧化物選自由氧化銦錫、鋁摻雜的氧化鋅、氟摻雜的氧化錫及其組合構(gòu)成的組。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子傳感設(shè)備，包括多個(gè)等離子室，其中所述多個(gè)等離子室中的每個(gè)等離子室均容納所述可電離氣體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子傳感設(shè)備，其中所述可電離氣體包含稀有氣體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子傳感設(shè)備，進(jìn)一步包括位于所述光電陰極和所述透明電極之間的加速柵極。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光子傳感設(shè)備，其中第一電壓源在所述光電陰極和所述加速柵極之間施加第一電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光子傳感設(shè)備，其中第二電壓源在所述加速柵極和所述透明電極之間施加第二電壓。
13.目鏡，其包含根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子傳感設(shè)備。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的目鏡，進(jìn)一步包括物鏡。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光子傳感設(shè)備，其中第一電壓源在所述光電陰極和所述加速柵極之間施加第一電壓，并且第二電壓源在所述加速柵極和所述透明電極之間施加第二電壓。
16.感應(yīng)入射光子的方法，包括步驟: 提供容納可電離氣體的等離子腔； 在所述等離子腔上施加電壓，所施加的電壓低于電離所述可電離氣體所需的閾值電壓； 將所述入射光子轉(zhuǎn)換為電子；以及 將所述電子引入所述等離子腔。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括加速所述電子進(jìn)入所述等離子腔內(nèi)的步驟。
【文檔編號(hào)】H01J31/50GK103578892SQ201310193963
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月25日
【發(fā)明者】M·塔涅利安 申請(qǐng)人:波音公司