ГИБРИДНЫЙ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ НИЗКОГО УРОВНЯ ОСВЕЩЕННОСТИ
HYBRID PHOTOSENSITIVE DEVICE FOR RECORDING LOW-LUMINANCE IMAGES

Изобретение относится к гибридным фоточувствительным приборам, предназначенным для регистрации изображений низкого уровня освещенности. Данные системы могут быть использованы в научно-исследовательских целях, для специальных применений, а также в гражданской индустрии.
Из уровня техники известны гибридные фоточувствительные приборы для регистрации изображений, состоящие из вакуумного герметичного корпуса, входного окна с фотокатодом и расположенного напротив фотокатода анода, представляющего собой основание с закрепленной на нем электронно-чувствительной матрицей формирования изображения. Принцип работы данного прибора заключается в следующем: излучение, проходя через входное окно, поступает на фотокатод, где за счет фотоэффекта преобразуется в поток электронов. Далее, поток электронов под действием приложенного напряжения вылетает из фотокатода, разгоняется и попадает на электронно-чувствительную матрицу формирования изображения, где преобразуется в усиленный электрический сигнал. Электронно-чувствительная матрица представляет собой твердотельный фоточувствительный сенсор с утоненной подложкой, развернутой к потоку электронов. Сигнал формируется в результате облучения такой матрицы электронами со стороны утоненной подложки.
Так, например, известен патент US №6657178 от 2.12.2003 фирмы Intevac (US), в котором описан гибридный фоточувствительный прибор для регистрации изображений низкого уровня освещенности. Прибор имеет входное окно, выполненное в виде прозрачной пластины, на внутренней стороне которой расположен фотокатод.
Недостаток данного технического решения заключается в невозможности получения большого коэффициента усиления за счет приложения большой разности потенциалов между фотокатодом и основанием матрицы.
В самом деле, усиление в приборе обеспечивается за счет увеличения энергии потока электронов, разгоняемого под действием разности потенциалов между фотокатодом и анодом. Для того чтобы подать напряжение на фотокатод и анод в герметичном корпусе из изоляционного материала (например, керамики), как правило, монтируют специальные металлические кольца, т.н. контактные кольца. Таким образом, корпус прибора состоит из контактных металлических колец и керамического изолятора между ними. Напряжение подается на соответствующие электроды прибора через контактные кольца. Максимальная разность потенциалов между контактными кольцами ограничивается толщиной изолятора между ними. Чем больше толщина изолятора, тем большую разность потенциалов можно обеспечить.
С другой стороны, для данной конструкции расстояние между контактными кольцами зависит от расстояния между фотокатодом и матрицей. Но для формирования качественного изображения зазор между фотокатодом и матрицей должен быть как можно меньше. Чем меньше расстояние между фотокатодом и матрицей, тем слабее рассеивается поток электронов, и, соответственно, качество передачи изображения с фотокатода на матрицу улучшается.
Таким образом, в вышеописанном приборе невозможно увеличить коэффициент усиления за счет увеличения напряжения между фотокатодом и матрицей, так как расстояние между контактными кольцами достаточно мало.
В патенте Франции №2677808 (выдан 18.12.1992, патентообладатель Thomson Composants Militaires [Fr]) описан гибридный фоточувствительный прибор, в котором матрица приподнята над основанием на специальной подставке, за счет чего достигается необходимое сокращение расстояния до фотокатода при увеличении расстояния между контактными кольцами. При этом контакты матрицы выполнены по технологии flip-chip и представляют собой т.н. индиевые столбики. Недостаток данного технического решения заключается в том, что задача вакуумирования такого прибора существенно усложняется. В общепринятой технологии вакуумирования необходим прогрев элементов при высокой температуре для хорошего обезгаживания прибора и получения высокой электрической прочности. А в данном случае прогрев прибора при высокой температуре недопустим, т.к. выводы, сделанные по стандартной технологии flip-chip, плавятся.
Создание выводов методом ультразвуковой разварки является технологически сложным процессом для такой конструкции основания, т.к. выводы приходится монтировать не на плоскости, а внутри трапециевидного основания.
Задача, решаемая в данном изобретении, состоит в создании гибридного фоточувствительного прибора для регистрации изображений низкого уровня освещенности. Технический результат заключается в достижении значительного коэффициента усиления гибридного фоточувствительного прибора, в увеличении отношения сигнал/шум, улучшении разрешающей способности, также в обеспечении электрической прочности и повышении пробивного напряжения корпуса при сокращении расстояния между фотокатодом и анодом и без усложнения конструкции основания матрицы.
Это достигается за счет того, что в гибридном фоточувствительном приборе, состоящем из вакуумного герметичного корпуса, входного окна с фотокатодом и расположенного напротив фотокатода анода, представляющего собой основание с закрепленной на нем электронно-чувствительной матрицей формирования изображения, с соответствующими средствами обеспечения ускоряющего напряжения между фотокатодом и анодом, а также со средствами считывания сигнала с матрицы и вывода его за пределы герметичного корпуса, согласно настоящему изобретению входное окно выполнено чашеобразной формы, выступающей внутрь корпуса по направлению к матрице формирования изображения, с плоским дном, на которое нанесен фотокатод, с боковой частью в форме боковой поверхности усеченного конуса и с выступающим краем, служащим для крепления входного окна к вакуумному герметичному корпусу.
Данное техническое решение изображено на рис.1.
Гибридный фоточувствительный прибор содержит герметичный вакуумный корпус 1, входное окно 2, выступающее внутрь корпуса 1 фотокатодом 3 по направлению к аноду, представляющему собой основание 4 с расположенной на нем электронно-чувствительной матрицей формирования изображения 5 (ЭЧ матрица). В качестве матрицы формирования изображения может быть использована электронно-чувствительная ПЗС-матрица или КМОП-матрица. Входное окно 2 выполнено чашеобразной формы с плоским дном 6, на которое нанесен фотокатод 3, с боковой частью 7 в форме боковой поверхности усеченного конуса и выступающим краем 8, служащим для крепления входного окна к корпусу 1.
Вакуумный герметичный корпус 1 состоит из металлических контактных колец 9 и 10 и керамического изолятора 11, расположенного между ними. Благодаря специфической конструкции входного окна обеспечивается возможность развести контактные кольца 9 и 10 на необходимое расстояние, сохраняя при этом малым промежуток между фотокатодом 3 и ЭЧ матрицей 5.
Высота корпуса 1 зависит от значения подаваемого напряжения. Например, если необходимо подать напряжение в диапазоне 5-7 кВ, притом что электрическая прочность керамики составляет 1 кВ/мм, выбирается высота изолятора 8,5 мм, что с запасом обеспечивает требование электрической прочности прибора. При необходимости подачи большего напряжения расстояние между контактными кольцами можно еще увеличить.
Боковая часть 7 и плоское дно 6 входного окна 2 как минимум частично покрыты электродом 12, соединяющим фотокатод 3 с металлическим контактным кольцом 9 через индиевую прослойку 13, служащую для герметизации прибора. Электрод 12 изготавливают, например, путем напыления хрома как минимум частично на боковую часть 7 и частично плоское дно 6. Выступающий край 8 соединяет входное окно с металлическим контактным кольцом 9. Входное окно 2 сделано из прозрачного материала, например из стекла или кварца.
Прибор работает следующим образом. Для включения прибора на промежуток между фотокатодом и анодом подают разность потенциалов более 7 кВ. Это достигается за счет того, что на контактные кольца 9 и 10 герметичного корпуса подают напряжение, например на контактное кольцо 9 подают отрицательное напряжение более -7 кВ, тогда как второе контактное кольцо 10 заземлено. Напряжение через электрод 12 поступает на фотокатод 3 и обеспечивает формирование электрического поля между фотокатодом 3 и матрицей 5.
Электромагнитное излучение, проходя через плоское дно 6 входного окна 2, поступает на фотокатод 3, где в результате фотоэффекта образуются электроны. Под действием электрического поля электроны вылетают из фотокатода 3 по направлению к электронно-чувствительной матрице формирования изображения 5, на промежутке между фотокатодом и ЭЧ матрицей разгоняются за счет ускоряющего напряжения и бомбардируют ЭЧ матрицу 5 со стороны утоненной подложки, в результате чего формируется усиленный электрический сигнал. Данный сигнал считывается и выводится за пределы герметичного вакуумного корпуса 1 посредством специальных электродов (на чертеже не показаны).
За счет приложения большого ускоряющего напряжения между фотокатодом 3 и матрицей 5, обеспеченного конструкцией входного окна, достигается значительный коэффициент усиления, достаточный для регистрации сигналов низкого уровня освещенности, а также увеличение отношения сигнал/шум за счет усиления полезного сигнала. При этом за счет увеличенной толщины изолятора 11 между контактными кольцами обеспечивается повышение электрической прочности и пробивного напряжения прибора.
Благодаря форме входного окна 2 можно придать плоскому дну 6 оптимальную толщину, с одной стороны, обеспечивающую необходимую прочность входного окна 2, а с другой - достаточно тонкую, чтобы электромагнитное излучение меньше поглощалось при прохождении сквозь входное окно. При прохождении излучения сквозь толщу входного окна из-за неизбежных внутренних дефектов материала возникают эффекты преломления и рассеивания света, при этом снижается качество и интенсивность входного сигнала. Эти эффекты становятся существенными при регистрации изображений низкого уровня освещенности, где требуется высокое качество работы прибора на каждом этапе - от регистрации изображения фотокатодом до считывания его матрицей. Чем меньше путь света сквозь толщу входного окна, тем меньше внутренних дефектов на пути следования излучения, следовательно, тем меньше происходит поглощение и рассеивание света, благодаря чему улучшается чувствительность и разрешающая способность прибора.
Входное окно выполнено прозрачным для излучения той области спектра, которую необходимо регистрировать. Например, для ультрафиолетовой области спектра входное окно изготавливают из кварца или увиолевого стекла. Также входное окно может быть изготовлено из таких материалов, которые являются удобными подложками для фотокатодов на основе гетероструктур (например, сапфировые подложки). Входное окно выполнено цельным, благодаря этому также снижается количество внутренних дефектов и повышается качество принимаемого сигнала.
Таким образом, за счет данного изобретения достигается значительный коэффициент усиления гибридного фоточувствительного прибора, увеличивается отношение полезного сигнала к шумовым помехам (отношение сигнал/шум), улучшается разрешающая способность, а также обеспечивается повышение электрической прочности и пробивного напряжения корпуса при сокращении расстояния между фотокатодом и анодом и без усложнения конструкции основания матрицы.