(57)【要約】      （修正有）【課題】安価で、かつ高い光子増幅率を有する暗視装置を提供する。【解決手段】マイクロプラズマ暗視装置１０は、光電陰極１２、光電陰極と対向する透明電極１４、及び光電陰極と透明電極との間に配置され、イオン性ガスを内蔵する複数のプラズマ空洞１６を有する。プラズマ空洞は行及び列を有する配列に配置され、各プラズマ空洞は画像ピクセルに対応する。光電陰極と透明電極との間に電圧源１８からプラズマ点火に必要な閾値電圧未満の電圧を印加する。このような構成において、入射光子Ａが光電陰極に入射すると、電子がプラズマ空洞に放出され、プラズマが点火される。点火されたプラズマは電子の流れが続く限り持続し、色と強度を有し、透明電極を通して可視光Ｂとして見ることができる。【選択図】図１
2014053292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電陰極と、
前記光電陰極と対向する透明電極と、
前記光電陰極と前記透明電極との間に配置され、イオン性ガスを内蔵する少なくとも１つのプラズマチャンバと
を備える光子検出装置。
【請求項２】
電圧源をさらに備え、前記電圧源は前記プラズマチャンバに電圧を印加し、前記電圧は前記イオン性ガスをイオン化するために必要な閾値電圧に満たない、請求項１に記載の光子検出装置。
【請求項３】
前記電圧は前記閾値電圧の少なくとも９０パーセントである、請求項２に記載の光子検出装置。
【請求項４】
前記光電陰極は可視光及び赤外光のうちの少なくとも１つに対して反応する、請求項１に記載の光子検出装置。
【請求項５】
前記光電陰極は半導体材料を含む、請求項１に記載の光子検出装置。
【請求項６】
前記透明電極は透明導電性酸化物を含む、請求項１に記載の光子検出装置。
【請求項７】
前記透明導電性酸化物はインジウム・スズ酸化物、アルミドープ亜鉛酸化物、フッ素ドープスズ酸化物、及びこれらの組合せを含むグループから選択される、請求項６に記載の光子検出装置。
【請求項８】
複数のプラズマチャンバを含み、前記複数のプラズマチャンバの各々は前記イオン性ガスを内蔵する、請求項１に記載の光子検出装置。
【請求項９】
前記イオン性ガスは貴ガスを含む、請求項１に記載の光子検出装置。
【請求項１０】
前記光電陰極と前記透明電極との間に配置された加速グリッドをさらに含む、請求項１に記載の光子検出装置。
【請求項１１】
第１の電圧源は前記光電陰極と前記加速グリッドとの間に第１の電圧を印加する、請求項１０に記載の光子検出装置。
【請求項１２】
第２の電圧源は前記加速グリッドと前記透明電極との間に第２の電圧を印加する、請求項１１に記載の光子検出装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の光子検出装置を備えるゴーグル。
【請求項１４】
対物レンズをさらに備える、請求項１３に記載のゴーグル。
【請求項１５】
第１の電圧源は前記光電陰極と前記加速グリッドとの間に第１の電圧を印加し、第２の電圧源は前記加速グリッドと前記透明電極との間に第２の電圧を印加する、請求項１０に記載の光子検出装置。
【請求項１６】
イオン性ガスを内蔵するプラズマ空洞を提供するステップと、
前記プラズマ空洞に、前記イオン性ガスのイオン化に必要な閾値電圧に満たない電圧を印加するステップと、
前記入射光子を電子に変換するステップと、
前記電子を前記プラズマ空洞に導入するステップと
を含む、入射光子を検出するための方法。
【請求項１７】
前記電子を前記プラズマ空洞へ加速するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は光の検出及び増幅に関し、より具体的には暗視装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
暗視画像処理は現在、光を収集し増幅することによって実現されている。１つのアプローチでは、環境可視光（例えば、月光、星明り、植物発光など）は収集され、電子に変換され、増幅され、さらに可視画像に変換される。別のアプローチでは、一般に熱画像処理と称されるもので、周辺環境よりも温度の高い物体（例えば、生物又は車両のエンジン）によって放出される赤外光子を、ＣＣＤ撮像素子などによって捕捉し、その画像を処理し、増幅し、さらに可視画像として表示する。
【０００３】
典型的な環境光収集暗視装置は、肉眼では直ちに見ることができない光を収集し、収集した光を画像増強管上に結像させる。画像増強管は、収集した光を吸収し、電子に変換する光電陰極を含む。マイクロチャネルプレートはしばしば、電子信号をさらに増幅するために使用される。増幅された電子信号は引き寄せられて、蛍光スクリーンに衝突し、それによってスクリーンから可視光を放出させる。蛍光スクリーンは対物レンズによって収集されたとおりに全く同じパターンとコントラストで可視光を放出するため、蛍光スクリーン上で生成される画像は対物レンズによって観測されたシーンに厳密に対応する。蛍光スクリーン上に形成される緑色の画像は暗視装置の特徴となっている。
【０００４】
暗視技術の進歩は、増幅に大幅な改良をもたらした。例えば、いわゆる「第三世代」の暗視装置は、３０，０００〜５０，０００倍の電子増幅率と約２０〜２５倍の光子増幅率（すなわち、出力光子を入力光子で除した値）を有している。しかしながら、このような暗視装置は比較的高価で、大判のものに拡張するのは容易ではない。
【０００５】
したがって、当業者は、暗視装置の分野において研究開発の努力を続けている。
【発明の概要】
【０００６】
一実施形態では、開示されている光子検出装置は、光電陰極、光電陰極と対向する透明電極、光電陰極と透明電極との間に配置されるプラズマチャンバを含み、そこでプラズマチャンバはイオン性ガスを内蔵する。
【０００７】
別の実施形態では、開示されている光子検出装置は、光電陰極、光電陰極と対向する透明電極、光電陰極と透明電極との間に配置されるプラズマチャンバを含み、そこでプラズマチャンバはイオン性ガス、電圧源を内蔵し、電圧源はプラズマチャンバにわたって電圧を印加する。印加電圧はイオン性ガスのイオン化に必要な閾値電圧に満たなくてもよい。
【０００８】
別の実施形態では、開示されている光子検出装置は、光電陰極、光電陰極と対向する透明電極、光電陰極と透明電極との間に配置される複数のプラズマチャンバを含むことがあり、そこで各プラズマチャンバはイオン性ガス、及びプラズマチャンバに電圧を印加する電圧源を内蔵する。印加電圧はプラズマチャンバ内のイオン性ガスのイオン化に必要な閾値電圧に満たなくてもよい。
【０００９】
また別の実施形態では、入射光子を検出するための方法も開示されている。方法は、（１）イオン性ガスを内蔵するプラズマ空洞を提供するステップ、（２）プラズマ空洞に、イオン性ガスのイオン化に必要な閾値電圧に満たない電圧を印加するステップ、（３）入射光子を電子に変換するステップ、及び（４）電子をプラズマ空洞に導入するステップを含みうる。
【００１０】
開示されているマイクロプラズマ暗視装置及び方法の他の実施形態は、後述の詳細な説明、添付図面及び請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】開示されているマイクロプラズマ暗視装置の一実施形態の概略的な側面断面図である。
【図２】開示されているマイクロプラズマ暗視装置の別の実施形態の概略的な側面断面図である。
【図３】入射光子の増幅に関する本開示方法の一実施形態を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
様々な光子の検出及び増幅のための装置及び方法が開示されている。開示されている光子検出装置及び方法は、暗視及び赤外線画像処理に関連して提供されているが（例えば、ゴーグル用に）、画像処理、解析及び放射線検知などの様々な代替的な応用も期待されており、本開示の範囲から逸脱する結果にはならないであろう。
【００１３】
図１を参照するに、開示されているマイクロプラズマ暗視装置は、概して１０で指定されているが、光電陰極１２、透明電極１４、及び光電陰極１２と透明電極１４との間に配置される複数のプラズマ空洞１６を含みうる。電圧源１８は、光電陰極１２と透明電極１４に電圧Ｖを印加することができる。
【００１４】
光電陰極１２は、光電効果に従い入射電磁放射線（矢印Ａ）に応答して電子を放出する任意の材料又は構造、及び／又は光起電力効果によって自由電子を生成する任意の材料又は構造であってもよい。１つの具体的な構造では、光電陰極１２は入射可視光に応答して電子を放出／生成することがある。別の具体的な構造では、光電陰極１２は入射赤外光に応答して電子を放出／生成することがある。さらに別の具体的な構造では、光電陰極１２は可視光と赤外光の両方に応答して電子を放出／生成することがある。したがって、光電陰極１２は開示されているマイクロプラズマ暗視装置１０の電子源として動作することがある。
【００１５】
光電陰極１２は、半導体材料を含むことがある。１つの変形例では、光電陰極１２（として）に使用される半導体材料はｐ‐ｎ接合を含むことがある。別の変形例では、光電陰極１２（として）に使用される半導体材料はｐ型半導体とｎ型半導体との間の真性領域を含むことがある。さらに別の変形例では、光電陰極１２（として）に使用される半導体材料はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であってもよい。
【００１６】
光電陰極１２（として）に使用されうる好適な半導体材料の具体例は、限定しないが、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムガリウヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、及びインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）を含む。また、半導体複合材料は光電陰極１２（として）に使用されうることが期待されている。
【００１７】
この時点で、当業者は、光電陰極１２（として）に使用するため選択される半導体材料の種類、特に選択された半導体材料のバンドギャップは、開示されているマイクロプラズマ暗視装置１０が反応する電磁スペクトルの部分を決定しうることを理解するであろう。
【００１８】
任意選択により、第１の透明基板（図示せず）は、光電陰極１２の外表面２０の上に積層されてもよい。例えば、第１の透明基板はガラス、高分子などの層であってもよく、開示されているマイクロプラズマ暗視装置１０を構造的に強化しうる。第２の透明電極（図示せず）は、光電陰極１２近傍の導電率を高めるため、任意選択の第１の透明基板と光電陰極１２との間に、任意選択で配置されうる。対物レンズ（図示せず）は任意選択により、光電陰極１２の上に光を集めて焦点を結ぶように含まれていてもよい。
【００１９】
透明電極１４は光電陰極１２から距離Ｄだけ間隔が空けられてもよく、概して光電陰極１２に平行であってもよい。距離Ｄは、とりわけ、透明電極１４と光電陰極１２との間のプラズマ空洞１６の大きさ、構成、構造によって指定されてもよい。
【００２０】
透明電極１４は概して導電性であってもよい。例えば、透明電極１４は、少なくとも１００Ｓ／ｃｍの導電率を有しているが、少なくとも１０００Ｓ／ｃｍ又は少なくとも１０，０００Ｓ／ｃｍなどであってもよい。さらに、透明電極１４は、マイクロプラズマ暗視装置１０によって観察される光に対して概して光学的に透明であってもよい。例えば、透明電極１４は、少なくとも５０パーセントの透過率を有しているが、少なくとも７５パーセント又は少なくとも９０パーセントなどであってもよい。
【００２１】
１つの具体的な構造では、透明電極１４は薄膜の透明導電性酸化物であってもよい。透明電極１４としての使用に好適な透明な導電性酸化物の幾つかの実施例は、限定しないが、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）、アルミドープ亜鉛酸化物、及びフッ素ドープスズ酸化物を含む。
【００２２】
任意選択により、第２の透明基板（図示せず）は、透明電極１４の外表面２２の上に積層されてもよい。例えば、第２の透明基板はガラス、高分子などの層であってもよく、開示されているマイクロプラズマ暗視装置１０を構造的に強化しうる。
【００２３】
プラズマ空洞１６は、光電陰極１２と透明電極１４の間に平行に配置されてもよい。したがって、各プラズマ空洞１６は光電陰極１２に電気的に結合された第１端部２４及び透明電極１４に電気的に結合された第２端部２６を含みうる。
【００２４】
１つの具体的な実装では、プラズマ空洞１６は複数の行及び列を有する配列に配置されてもよい。配列の各プラズマ空洞１６は、画像のピクセル（又はサブピクセル）に対応してもよい。したがって、プラズマ空洞１６の配列は、プラズマ点火されると画像を形成することができる。
【００２５】
各プラズマ空洞１６はイオン性ガスを内蔵する。好適なイオン性ガスの実施例は、限定しないが、ヘリウム、ネオン、アルゴン、及び他の貴ガス、及びこれらの組合せを含む。任意選択により、イオン性ガスは窒素などのキャリアガスと混合されていてもよい。
【００２６】
電圧源１８は、光電陰極１２と透明電極１４との間に電圧Ｖを印加することができる。印加電圧Ｖは、プラズマ空洞１６内でイオン性ガスをイオン化し、プラズマ（例えば、マイクロプラズマ）を点火するのに必要な閾値電圧に満たないが、近似した値になりうる。閾値電圧は、プラズマ空洞１６の大きさ、形状、及びイオン性ガスの組成など、様々な要因に依存しうる。例えば、印加電圧Ｖは、閾値電圧の少なくとも７０パーセントであるが、少なくとも８０パーセント、少なくとも９０パーセント、又は少なくとも９５パーセントなどであってもよい。
【００２７】
したがって、マイクロプラズマ暗視装置１０が光電陰極１２のバンドギャップを超える電磁エネルギーに曝露されると、入射光子（矢印Ａ）は光電陰極１２内の電子‐正孔対を励起することができる。電子‐正孔対が分離すると、電子は一又は複数のプラズマ空洞１６に向けられ、その結果それぞれのプラズマ空洞１６内の過渡プラズマが点火される。点火されたプラズマは電子の流れが続く限り持続し、色と強度を有することがある。点火されたプラズマは透明電極１４を通して可視光（矢印Ｂ）として見ることができる。
【００２８】
この時点では、当業者は、プラズマ空洞１６内に形成されるプラズマの強度はそれぞれのプラズマ空洞１６に入射する電子の数に依存し、入射光子（矢印Ａ）の数の関数になることがある。プラズマ空洞１６内に形成されるプラズマの強度は、とりわけ、イオン性ガスの組成（プラズマの色に影響を及ぼすこともある）、ガス圧、及び印加電圧Ｖにも依存する。
【００２９】
予想されている代替的な実装の１つでは、電圧源１８によって印加される電圧Ｖはプラズマ空洞１６内のイオン性ガスのイオン化に必要な閾値電圧以上であってもよい。したがって、入射光子（矢印Ａ）はプラズマ空洞１６に電子放射を引き起こすことがあり、これは透明電極１４を通る可視光（矢印Ｂ）として見ることができるプラズマの強度を変えることがある。
【００３０】
図２を参照するに、開示されているマイクロプラズマ暗視装置の別の実施形態は、概して１００で指定されているが、光電陰極１０２、透明電極１０４、複数のプラズマ空洞１６、及び加速グリッド１０８を含みうる。第１の電圧源１１０は光電陰極１０２と加速グリッド１０８との間に第１の電圧Ｖ１を印加し、第２の電圧源１１２は加速グリッド１０８と透明電極１０４との間に第２の電圧Ｖ２を印加してもよい。
【００３１】
マイクロプラズマ暗視装置１００の光電陰極１０２、透明電極１０４及びプラズマ空洞１０６は、マイクロプラズマ暗視装置１０に関連して上述のように構成されてもよい。任意選択により、光電陰極１０２は複数の光電陰極セグメント１０２Ａ〜１０２Ｉに分割されてもよい。各光電陰極セグメント１０２Ａ〜１０２Ｉは、対応するプラズマ空洞１０６に関連していてもよい。
【００３２】
このように、マイクロプラズマ暗視装置１００は、上述のマイクロプラズマ暗視装置１０とほぼ同様な方法で構築され動作されてもよい。しかしながら、以下でより詳細に説明されるように、加速グリッド１０８の追加は光電陰極１０２の電界放出を促進しうる。
【００３３】
加速グリッド１０８は光電陰極１０２と透明電極１０４との間に配置され、光電陰極１０２から距離Ｓだけ間隔が空けられてもよい。光電陰極１０２と加速グリッド１０８との間の距離Ｓは、光電陰極１０２と透明電極との間の距離Ｄ（図１）の０〜５０パーセントまで変動することがあり、例えば距離Ｄの約５パーセントから約２５パーセントになることがある。
【００３４】
第１の電圧源１１０は、光電陰極１０２（負）と透明電極１０８（正）との間に電圧Ｖ１を印加することができる。第１の電圧Ｖ１は電界を形成しうる。したがって、光電陰極１０２が照射されているとき（矢印Ａ´）、電界は光電陰極１０２の内側表面１１４から電子の電界放出を誘導し、プラズマ空洞１０５内に電子を加速することがある。
【００３５】
第２の電圧源１１２は、加速グリッド１０８と透明電極１０４との間に第２の電圧Ｖ２を印加することができる。第２の電圧Ｖ２は、プラズマ空洞１０６内でイオン性ガスをイオン化し、プラズマ（例えば、マイクロプラズマ）を点火するのに必要な閾値電圧に満たないが、近似した値になりうる。透明電極１０４の腐食を防止するため、任意選択により第２の電圧Ｖ２としてＡＣ電圧を使用してもよい。
【００３６】
したがって、プラズマ空洞１０６内に加速される電界放出電子はプラズマ空洞１０６内のプラズマを点火し、これによって透明電極１０４を通る可視光（矢印Ｂ´）を放射することができる。任意選択により、第１の電圧Ｖ１の大きさは、プラズマ点火が光電陰極１０２と加速グリッド１０８との間のギャップ１１６で起こらずに、むしろ加速グリッド１０８と透明電極１０４との間でのみ起こるように選択されてもよい。
【００３７】
図３を参照するに、概して２００で指定されている、入射光子を検出して増幅するための方法が開示されている。方法２００は、限定しないが、暗視（可視光及び赤外光近傍）及び熱画像処理を含む様々な応用で使用されうる。
【００３８】
方法２００は、ブロック２０２において、複数のプラズマ空洞を提供するステップによって開始される。プラズマ空洞は、光電陰極と透明電極との間に平行に配置されてもよい。各プラズマ空洞はイオン性ガス（又はイオン性ガスの混合物）を内蔵しうる。
【００３９】
ブロック２０４では、プラズマ空洞に電圧が印加されてもよい。印加電圧は、プラズマ空洞内でイオン性ガスをイオン化し、プラズマ（例えば、マイクロプラズマ）を点火するのに必要な閾値電圧を下回る（例えば，わずかに下回る）ことがあってもよい。
【００４０】
ブロック２０６では、入射光子は電子に変換されることがある。入射光子を電子に変換するステップは、光電陰極によって実施されてもよい。任意選択の加速グリッドは光電陰極からの電子の電界放出に影響を及ぼしうる。
【００４１】
ブロック２０８では、電子はプラズマ空洞に導入されてもよい。プラズマ空洞に電子を導入すると、プラズマ空洞内の電気エネルギーはプラズマ空洞内でプラズマに点火できるほど十分に大きな値となり、これによって可視光を出力する（すなわち、光子を出力する）ことが可能になる。
【００４２】
このようにして、開示された方法２００は、入射光子に応答して光子を出力するマイクロプラズマを生成するバイアス電圧を用い、これによって効果的に入射光子を効果的に増幅する。
【００４３】
したがって、開示されたマイクロプラズマ暗視装置及び方法は、入射光子に応答して可視プラズマを生成し、その結果、著しく強力な光子増幅器として機能する。光電陰極材料を注意深く選択すること（例えば、高度な半導体材料を使用すること）によって、また、装置のトポロジー及びプラズマ点火パラメータを設計することにより、第３世代暗視装置などの現在の暗視技術を使用して実現されうるよりも、少なくとも約１桁から２桁高い光子増幅率を実現することが可能となりうる。
【００４４】
開示されるマイクロプラズマ暗視装置及び方法の様々な実施形態が示され説明されたが、本明細書を読んだ当業者には、多数の変更例が想起されうるであろう。本出願はそのような変更例も含んでおり、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００４５】
１０    マイクロプラズマ暗視装置
１２    光電陰極
１４    透明電極
１６    プラズマ空洞
１８    電圧源
２０    光電陰極の外表面
２２    透明電極の外表面
２４    第１端部
２６    第２端部
１００    マイクロプラズマ暗視装置
１０２    光電陰極
１０２Ａ、１０２Ｂ，１０２Ｃ、１０２Ｄ，１０２Ｅ、１０２Ｆ，１０２Ｇ、１０２Ｈ、１０２Ｉ    光電陰極セグメント
１０４    透明電極
１０６    プラズマ空洞
１０８    加速グリッド
１１０    第１の電圧源
１１２    第２の電圧源
【図１】
2014053292.tif 000003
【図２】
2014053292.tif 000004
【図３】
2014053292.tif 000005
【外国語明細書】
2014053292000001.pdf
2014053292000002.pdf
2014053292000003.pdf
2014053292000004.pdf