Brevet FR2498007A1 — publié le 19820716

La présente invention se rapporte aux intensificateurs d'images à photocathode et à traitement interne de l'image. L'invention se rapporte plus particulièrement à des moyens de protection et des dispositifs destinés à absorber la lumière parasite ou non paraxiale qui tombe sur la surface externe d'un substrat de cathode en verre appartenant à un tube intensifica- teur d'images. Depuis un certain temps, on utilise des tubes intensi- ficateurs d'image dans une grande diversité d'applications pour obtenir une vision directe à des niveaux de lumières faibles ou dans des régions du spectre proches de l'infra-rouge. Les tubes intensificateurs d'images ont été utilisés dans une grande diversité d'applications militaires, scientifiques et industriel- les dans lesquelles il est nécessaire d'apporter une assistance pour la vision d'objets à de faibles niveaux de lumière. Par exemple, ces dispositifs sont utilisés dans des applications militaires pour observer des cibles faiblement éclairées. Les tubes intensificateurs d'image sont des dispositifs électro-optiques qui convertissent une image de rayonnement vi- sible ou invisible à faible énergie en une image électronique au moyen d'une photocathode. Cette image est intensifiée en é- nergie et reconstruite par un champ électrique focalisé sur un écran luminescent. L'image radiante est reconvertie sur l'écran luminescent pour former une image plus brillante et de dimension identique ou différente. L'évolution des tubes intensificateurs d'image s'est faite au moyen de plusieurs générations d'appareils. Dans la première génération de tubes intensificateurs d'images, l'image de faible niveau lumineux tombe sur une pla- que de face à fibres optiques qui focalise l'image sur une pho- to-cathode, o l'image de photons est convertie en une image électronique. Les électrons sont accélérés vers un écran lumi- nescent cependant que l'information spatiale est conservée par l'optique électronique. Les électrons accélérés frappent la cou- che luminescente en faisant ainsi apparaltre une image intensi- fiée. En général, dans le type de la première génération, on utilise trois étages d'intensification. Après de nombreuses années de développement, on a mis au point un tube intensificateur d'images de deuxième généra- tion. Cet appareil de deuxième génération comprenait une plaque a micro canaux composée d'un faisceau de tubes de verre creux distincts ou de canaux distincts capables d'intensifier une image électronique de plusieurs ordres de grandeurs. De même que dans les tubes intensificateurs d'images de la première généra- tion,les images électroniqes des appareils de la deuxième généra- tion sont engendrées par une photo-cathode en réponse à l'image de rayonnement incidente. Toutefois, l'image électronique mul- tipliée fournie par la plaque à micro-canaux est dirigée vers un écran luminescent pour fournir un affichage intensifié de l'image de rayonnement captée sans exiger d'étages d'amplifi- cation. Des efforts de recherche et de développement effectués au cours de ces quelques dernières années ont été orientés vers le développement de nouveaux matériaux pour les dispositifs de captage et de détection de la lumière et ont donné naissance à un tube intensificateur d'images de troisième génération qui utilise un substrat de cathode en verre. Les substances les plus prometteuses pour ces tubes intensificateurs d'image de la troi- sième génération sont les composés de type arséniure de gallium d'arséniure d'aluminium et gallium et arséniure d'indium et gal- lium. Chacune de ces substances est une substance du type élec- tro-luminescent. Ces substances peuvent 9tre formées par crois- sance cristalline, pour former des plaquettes cristallines et elles sont plus faciles à coller à un substrat de cathode en verre qu'un matériau à fibres optiques, ce qui se traduit par un meilleur rendement cristallin. Une technique de fabrication qui a donné de bons résultats utilise les composés mentionnés plus haut pour former par croissance des couches épitaxiales sur des substrats monocristallins par des techniques en phase liquide. Le procédé en phase liquide est bien connu et haute- ment développé pour les croissances sur de petites surfaces, par exemple pour les tubes de l'ordre de 18 mm. De cette façon, le tube intensificateur d'images de la troisième génération a donc été mis au point sous la forme d'un tube intensificateur d'images à plaquettes qui comprend une plaque à micro-canaux portant un film formant barrière aux ions fait d'oxyde d'alu- minium et une photo-cathode à l'arséniure de gallium. Toutefois, la réflexion interne de la lumière non para- xiale dans le substrat de cathode en verre réduit le rendement de cette construction. Par conséquent il existe un besoin d'un dispositif qui évite les réflexions internes de la lumière non paraxiale ou parasite à l'intérieur du substrat en verre de la cathode. Suivant l'invention, on réalise un dispositif protec- teur pour le substrat en verre de la cathode d'un tube intensi- ficateur d'images. Bien que l'invention soit applicable d'une façon générale à n'importe quel type de tube intensificateur d'images ayant un substrat de cathode réfléchissant, l'invention est particulièrement bien appropriée pour les tubes intensifi- cateurs d'images de la troisième génération qui possèdent un substrat de cathode en verre transparent. Le dispositif protec- teur permet d'obtenir des performances améliorées et a pour fonction d'absorber la lumière parasite et d'empêcher la lumiè- re tombant en dehors de la région utile d'atteindre la photo- cathode. Suivant un autre aspect, l'invention a pour objet un procédé pour absorber la lumière non paraxiale qui tombe sur la surface du substrat en verre de la cathode d'un tube inten- sificateur d'images. Suivant un autre aspect, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un substrat de cathode en verre muni d'un protecteur. Dans le dispositif protecteur suivant l'invention, un écran en verre noir est disposé autour de la périphérie du subs- trat en verre de la cathode et adjacent à toute la surface lon- gitudinale de ce substrat. L'écran en verre noir possède un in- dice de réfraction supérieur à celui du substrat en verre de la cathode, de manière à empêcher la réflexion interne en ab- sorbant la lumière parasite ou non paraxiale et à améliorer les performances du tube intensificateur d'images. Le procédé d'absorption de la lumière non paraxiale qui tombe sur la surface du substrat en verre de la cathode d'un tube intensificateur d'images consiste à disposer un écran en verre noir contre la surface longitudinale d'un substrat de cathode en verre, et sur toute la longueur de cette surface, le verre noir ayant un indice de réfraction plus élevé que le substrat de cathode. Dans le procédé de fabrication d'un substrat-de ca- thode en verre protégé destiné à être utilisé dans un tube in- tensificateur d'images, on forme une rainure annulaire dans une masse de verre transparent, la profondeur de cette rainure étant au moins aussi grande que la longueur désirée du substrat de cathode en verre terminé. La rainure annulaire délimite une masse cylindrique de verre transparent d'un diamètre égal au diamètre désiré de la partie transparente du substrat en verre de la cathode. Ensuite, on remplit la rainure annulaire de ver- re noir fluide au moins jusqu'à la profondeur qui correspond à la longueur désirée du substrat de cathode en verre fini. En- suite, on laisse le verre noir se solidifier pour former une masse résultante composée de verre transparent et de verre noir, le verre noir possédant un plus grand indice de réfraction que le verre transparent. Ensuite, on façonne la masse résultante pour lui donner la configuration désirée, obtenant ainsi un subs- trat de cathode en verre transparent et de forme cylindrique, auquel est adjacent du verre noir qui s'étend sur toute la lon- gueur de ce substrat. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre. Aux des- sins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, - la Fig. 1 est une vue en perspective d'un tube inten- sificateur d'images à traitement interne de la troisième généra- tion, suivant l'invention; - la Fig. 2 est une vue en coupe d'un tube intensifi- cateur d'images à traitement interne de troisième génération de la technique antérieure; - la Fig. 3 est une représentation schématique d'un dispositif protecteur et d'un substrat de cathode en verre suivant l'invention; et - les Fig. 4a à 4f sont des vues en coupe et en pers- pective qui montrent la fabrication du substrat de cathode en verre protégé suivant l'invention pour tubes intensificateurs d'images. La présente invention fournit un dispositif protecteur pour un substrat de cathode en verre qui fait partie d'un tube intensificateur d'images à traitement interne et à photocathode et un procédé de fabrication d'un substrat de cathode en verre protégé. Bien que la description détaillée du présent mémoire se rapporte d'une façon générale à un tube intensificateur d'i- mages de la troisième génération, il va de soi que l'invention n'est pas limitée à l'application à de tels dispositifs et qu' elle peut être appliquée à n'importe quel tube intensificateur d'images utilisant un substrat de cathode réfléchissant. La Fig. 1 montre un tube intensificateur d'images db troisième génération qui comporte le dispositif protecteur sui- vant l'invention. Le tube intensificateur d'images représenté sur la Fig. 1 est désigné dans son ensemble par la référence 10. Le tube intensificateur d'images 10 comprend une enveloppe 12 avec une photocathode 14 qui fait saillie à partir de cette en- veloppe. Un anneau 15 en verre noir entoure la surface périphé- rique de la photocathode et sert à absorber la lumière qui for- me un angle important avec l'axe du tube 10. Ainsi qu'on le voit sur la Fig.2, un tube intensifi- cateur d'images de la troisième génération comprend une photo- cathode 14 comprenant elle-même un substrat de cathode 16 en verre transparent et une couche cathodique 18. Le tube intensi- ficateur d'images 10 comprend également une plaque 20 à micro- canaux, un écran luminescent 22 à couche mince, un inverseur 24 à 1800 à fibres optiques, et un ressort métallique 26 ser- vant à maintenir une distance donnée entre la couche cathodique 18 et la plaque à micro-canaux 20. D'autres composants du tube intensificateur d'images 10 seront décrits dans la suite. Un des autres composants du tube intensificateur d'i- mages 10 comprend un corps tubulaire 28. Le corps tubulaire 28 est généralement composé d'une matière céramique à 94 % d'oxyde d'aluminium, avec des électrodes 30, 32 et 34 en "Kovaru et en acier inoxydable. "Kovar" est une marque déposée de la firme Westinghouse Electric Corp. pour un alliage fer-nickel cobalt possédant des caractéristiques de dilatation thermique compati- bles avec celles d'un verre dur. Les parties en céramique du corps tubulaire 28, qui sont désignées par la référence 28a peuvent être assemblées aux électrodes métalliques 30, 32, 34 par brasage à l'aide d'un alliage cuivre-or. Le corps tubulaire est conçu pour utiliser des garnitures dtétanchéité 36 et 38 en indium embouties à froid qui sont destinées à maintenir la couche cathodique 18 et la plaque à micro-canaux 20 définiti- vement enfermées sous joint étancheau vide. Un dispositif dé- gazeur 40, construit en titane et en tantale est placé à l'in- térieur de la collerette de l'électrode 34. Une surface concave 42 est prévue sur l'inverseur 24 à fibres optiques à 1800 pour recevoir une lentille (non représentée). L'axe longitudinal du tube est représenté par l'axe 43. On omettra de donner ici une description détaillée des divers composants du tube intensifi- cateur d'images 10 et de son fonctionnement général parce qu'en effet, l'invention concerne principalement un dispositif pro- tecteur pour un substrat de cathode en verre 16. La fabrication et le fonctionnement d'un tube intensi- ficateur d'images tel que le tube intensificateur d'images 10 sont connus des spécialistes. Cette conception possède des avan- tages comparativement aux types antérieurs de tubes intensifica- teurs d'images. Toutefois, pour obtenir tous les avantages de cette construction, on doit éviter que la lumière parasite n'at- teigne la photocathode. Dans le présent mémoire, on utilise les termes "lu- mière parasite" et "lumière non paraxiale" dans des acceptions équivalentes et ces expressions désignent une lumière qui ne frappe pas le substrat 16 de la cathode suivant une direction à peu près parallèle à l'axe longitudinal 43 du tube 10 ou qui ne frappe pas directement la couche cathodique 18. Par exemple, la lumière incidente tombant sur le substrat 16 de la cathode qui ne frappe pas directement la couche cathodique 18 subira des réflexions internes dans la masse du substrat 16, ce qui réduira le rendement du tube intensificateur d'images. Par e- xemple, le rayon lumineux A indiqué sur la Fig.2 est une lumiè- re non paraxiale puisqu'il ne frappe pas directement la couche cathodique 18. Le rayon lumineux A' est une lumière paraxiale puisqu'il frappe directement la couche cathodique 18. L'invention fournit un dispositif protecteur qui éli- mine à peu près totalement la lumière réfléchie intérieurement en absorbant la lumière parasite ou non paraxiale et en empê- chant ainsi la lumière située en dehors de la zone utile d'at- teindre la photocathode et en réduisant les interférences. La Fig.3 est une vue en coupe d'une photocathode 44 suivant l'invention qui comprend une partie 46 formant substrat de cathode, faite de verre transparent, un écran protecteur 48 de substrat de photocathode, fait de verre noir, et une couche cathodique 50. La couche cathodique 50 est constituée générale- ment de plusieurs couches minces faites de matières diverses, ainsi qu'on l'a décrit plus haut. Fréquemment, une couche de nitrure de silicium est directement fixée au substrat de catho- de 46 en verre transparent et à l'écran protecteur 48 du subs- trat de cathode en verre noir. La couche de nitrure de silicium est généralement d'une épaisseur d'environ 900 Angstroms et se comporte comme une pellicule anti-réfléchissante qui sert à évi- ter que la lumière ne soit réfléchie vers l'objet à observer. Une couche d'arséniure de gallium et aluminium d'une épaisseur d'environ 1 micron est fixée à la couche de nitrure de silicium et une couche d'arséniure de gallium d'une épaisseur générale- ment comprise entre 1 et 1,5 micron, est fixée à la couche d'arséniure de gallium et aluminium. Comme on l'a indiqué sur la Fig. 3, un écran protec- teur 48 de substrat de cathode en verre noir entoure entière- ment la périphérie et couvre toute la longueur de la surface du substrat de cathode 46 en verre transparent, de sorte que toute lumière non paraxiale frappera l'écran 48 en verre noir et sera absorbée. L'écran en verre noir 48 est de préférence coulé sur le substrat 46 en verre transparent de sorte qu'il est en con- tact intime avec le substrat 46 en verre transparent. L'écran en verre noir est de préférence un anneau adjacent au substrat en verre de la cathode et il s'étend sur toute la surface lon- gitudinale au substrat. Sur la Fig. 3, on a représenté un rayon lumineux non paraxial A" qui frappe le substrat de catho- de 46 en verre transparent et est absorbé par l'écran de subs- trat de cathode en verre noir. Le verre noir utilisé pour former le protecteur 48 pos- sède de préférence un indice de réfraction supérieur à celui du substrat en verre de la cathode. Un type de verre approprié peut être utilisé comme substrat de cathode en verre transparent est vendu par la Firme Corning Glass Works de Corning, New York, E.U.A. sous la désignation Type no 7056. Lorsqu'on utilise ce type de verre pour le substrat en verre transparent de la catho- de, le protecteur en verre noir du substrat devrait avoir un indice de réfraction d'au moins 1,53. L'épaisseur du verre noir doit être de préférence suffisante pour absorber à peu près to- talement la lumière non paraxiale. Le verre noir a de préféren- ce un point de fusion d'environ 315 OC. Il va de soi que la cathode en verre protégée suivant l'invention peut être formée de différentes façons. Suivant un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat de cathode en verre protégé. Sur les Fig. 4a à 4f, on a représenté un substrat de cathode en verre protégé. différents stades de sa fabrication. Suivant ce procédé, on se procure une masse 52 de verre transparent. La masse 52 doit être du type et de la qualité qui sont désirés pour le substrat de cathode en verre. Il n'est pas nécessaire que la masse 52 -ait une forme particulière. Les dimensions de la masse 52 doi- vent être aussi grandes ou plus grandes que chacune des dimen- sions du substrat de cathode en verre protégé fini. On forme dans la masse 52 une rainure annulaire 54 qui est représentée sur la Fig. 4b.. La profondeur de cette rainure annulaire 54 est au moins aussi grande que la longueur du substrat de catho- de en verre. La rainure annulaire 54 délimite une masse cylin- drique 56 en verre transparent ayant un diamètre D qui est é- quivalent au diamètre désiré du substrat de la cathode. La rai- nure annulaire 54 peut être formée par n'importe quel procédé approprié connu du spécialiste, par exemple par meulage ou tail- lage. En outre, si l'on désire donner une forme différente au substrat de cathode en verre transparent, on peut former dans la masse 52 une rainure de la configuration désirée. Après avoir formé la rainure annulaire 54, on la rem- plit de verre noir fluide 58 au moins sur une profondeur qui correspond à la longueur du substrat de cathode en verre, com- me on l'a représenté sur la Fig. 4c. Ensuite on laisse le verre noir 58 se solidifier pour former une masse résistante 60 de verre transparent 62 et de verre noir 68, le verre noir 68 pos- sédant un indice de réfraction plus élevé que le verre transpa- rent. Lorsque le verre noir 58 s'est solidifié, on donne à la masse 60 la configuration désirée pour obtenir un substrat de cathode 64 de forme cylindrique en verre transparent et muni d'une protection 66 en verre noir qui est adjacente au substrat en verre transparent et s'étend sur toute la longueur de celui- ci. De préférence, le verre noir forme un anneau qui entoure le substrat de cathode en verre transparent.. Comme on l'a re- présenté sur la Fig. 4d, on a enlevé la partie inférieure de la masse résultante 60 de façon que le verre noir 58 s'étende jusqu'au bas de la masse résultante 60. Sur les Fig. 4e et 4f, d'autres parties du verre restant ont été enlevées pour former un substrat de cathode en verre protégé de la forme désirée. Comme on l'a représenté sur la Fig. 4e, on peut éventuellement laisser subsister une bordure 68 en verre transparent qui peut etre utilisée, par exemple, pour faciliter le montage du subs- trat. il R E V E N D I C A T I O N S 1 - Dispositif protecteur pour un substrat de cathode d'un tube intensificateur d'images, caractérisé en ce qu'il comprend un écran protecteur (48, 58, 66) disposé autour de la périphérie du substrat de cathode (46, 62, 64) et adjacent à la surface longitudinale de ce substrat de cathode sur toute sa longueur, cet écran possédant un indice de réfraction supé- rieur à celui du substrat de cathode pour éviter les réflexions internes dans la masse du substrat de la cathode en absorbant la lumière non paraxiale qui frappe le substrat de cathode. 2 - Dispositif protecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'écran (48, 58, 66) est composé de ver- re noir qui est soudé par fusion au substrat de cathode. 3 - Dispositif protecteur suivant la revendication 1, pour un substrat de cathode en verre de forme cylindrique ayant une surface cathodique disposée sur la surface radiale d'une extrémité du substrat, caractérisé en ce qu'il comprend un an- neau en verre noir (48, 58, 66) adjacent au substrat de cathode en verre (62, 64) de forme cylindrique et qui s'étend sur toute la longueur de la surface longitudinale de ce substrat. 4 - Dispositif protecteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit anneau en verre noir (58, 66) est soudé par fusion au substrat de cathode en verre (62, 64) de forme cylindrique. 5 - Dispositif protecteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le verre noir possède un indice de ré- fraction supérieur à celui du substrat de cathode en verre. 6 - Dispositif protecteur suivant la revendication 2 ou 5 caractérisé en ce que l'indice de réfraction du verre noir est supérieur à environ 1,53. 7 - Dispositif protecteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'épaisseur radiale de l'anneau (48, 66) est plus grande à l'extrémité du substrat (64) qui est à l'op- posé de l'extrémité sur laquelle la cathode est disposée. 8 - Dispositif protecteur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'épaisseur radiale de l'anneau (48, 66) croit constamment de l'extrémité de l'anneau qui est adjacente à l'extrémité du substrat (46, 64) sur laquelle la cathode est disposée, sur environ la moitié de la longueur du substrat. 9 - Dispositif protecteur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l'épaisseur radiale de l'anneau (66) est à peu près constante sur le reste de cet anneau. - Dispositif protecteur suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les extrémités de l'anneau (66) et les extrémités du substrat (64) sont plates. 11 - Tube intensificateur d'images comprenant un subs- trat de cathode en verre, caractérisé en ce qu'il comprend un écran protecteur (48, 58, 66) en verre noir adjacent à la sur- face longitudinale du substrat de cathode en verre (46, 62, 64) sur toute la longueur de ce substrat, cet écran en verre noir ayant un indice de réfraction supérieur à celui de la cathode en verre et étant destiné à absorber la lumière non paraxiale et à s'opposer aux réflexions internes de la lumière à l'inté- rieur du substrat de cathode en verre. 12 - Tube intensificateur d'images suivant la revendi- cation 11, caractérisé en ce que le verre noir est soudé par fusion au substrat de cathode en verre. 13 - Tube intensificateur d'images suivant la revendi- cation 11, caractérisé en ce que le verre noir possède un indi- ce de réfraction supérieur à 1,53.. 14 - Procédé de fabrication d'un substrat de cathode en verre protégée, caractérisé en ce que a) on forme une rainu- re annulaire (54) dans une masse de verre transparent (52) ap- propriée pour être utilisée comme matière de substrat de catho- de en verre, la profondeur de la rainure étant au moins aussi grande que la longueur du substrat, cette rainure annulaire déli- mitant un volume cylindrique (56) de verre transparent d'un dia- mètre désiré; b) on remplit la rainure (54) d'un verre noir fluide (58), de telle sorte qu'on entoure ledit volume cylindri- que à une profondeur au moins égale à la longueur du substrat de verre; c) on laisse le verre noir (58) se solidifier pour for- mer une masse résultante (60) de verre transparent (62) et de verre noir (58), le verre noir ayant un plus grand indice de réfraction que le verre transparent; et d) on donne à la masse résultante une configuration désirée, de façon à obtenir un substrat de cathode (64) en verre transparent de forme cylin- drique comportant un anneau de verre noir (66) adjacent à ce substrat et qui s'étend sur toute la longueur de ce substrat. - Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce qu'on façonne la masse résultante (60) de telle manière que l'épaisseur radiale dudit anneau en verre noir (66) soit plus grande à une extrémité qu'à l'autre. 16 - Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que le verre noir possède un indice de réfraction supé- rieur à 1,53. 17 - Procédé suivant la revendication 14 ou 15, carac- térisé en ce qu'on effectue le façonnage en taillant et/ou en meulant ladite masse résultante (60). 18 - Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que le verre noir (58) fond à environ 315 OC. 19 - Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que l'épaisseur dudit verre noir (58) est suffisante pour absorber à peu près totalement la lumière parasite qui tombe sur la surface du substrat en verre transparent. 20 - Procédé d'absorption de la lumière non paraxiale qui tombe sur la surface d'un substrat de cathode en verre ap- partenant à un tube intensificateur d'images, caractérisé en ce qu'on dispose un anneau en verre noir (48, 58, 66) contre la sur- face longitudinale du substrat de cathode en verre (46, 62, 64), sur toute la longueur de ce substrat, le verre noir possédant un plus grand indice de réfraction que le substrat en verre de manière à absorber la lumière non paraxiale et à éviter ainsi les réflexions de lumière. 21 - Procédé suivant la revendication 20, caractérisé en ce qu'on soude le verre noir (66) par fusion sur le substrat de cathode (64) en verre transparent. 22 - Procédé suivant la revendication 20, caractérisé en ce que l'indice de réfraction du verre noir est d'au moins environ 1,53.