Патент на изобретение №2302022

(54) ОПТИЧЕСКОЕ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к оптическим телескопическим устройствам, преобразующим изображения из ИК-области спектра в видимый диапазон. Оптическое телескопическое устройство содержит входной объектив, усилитель яркости изображения, включающий герметический цилиндрический корпус с входным окном, выполненный из чередующихся металлических и керамических элементов, в котором между фотокатодом на основе GaAs и люминесцентным экраном на внутренней поверхности цилиндрического волоконно-оптического элемента на выступе металлического элемента установлена микроканальная пластина. Встроен источник питания, соединенный с усилителем яркости изображения и расположенный вокруг цилиндрической поверхности волоконно-оптического элемента, и выходной окуляр. Сопряжение герметического цилиндрического корпуса усилителя яркости изображения с фотокатодом и волоконно-оптическим элементом осуществляется через припой. Припой нанесен на торцевые керамические элементы. Внутренняя периферийная область входного окна усилителя яркости изображения выполнена в виде слоя из светопоглощающего материала. Технический результат заключается в стабилизации чувствительности фотокатода и увеличении ресурса и устойчивости к повышенным световым нагрузкам фотокатода. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к оптическим телескопическим устройствам, преобразующим изображения из ИК-области спектра в видимый диапазон.

Известно оптическое устройство, содержащее входной объектив, оптически связанный с усилителем яркости изображения, а также выходным окуляром [1].

Недостатками устройства являются низкая чувствительность и сложность конструкции.

Известно оптическое телескопическое устройство, содержащее входной объектив, оптически связанный соответственно с усилителем яркости изображения, включающим герметичный цилиндрический корпус из чередующихся металлических и керамических элементов и с двумя металлическими торцевыми слоями, в котором между фотокатодом на основе GaAs и люминесцентным экраном на внутренней поверхности цилиндрического волоконно-оптического элемента на выступе металлического элемента установлена микроканальная пластина, а также встроенный источник питания, соединенный с усилителем яркости изображения и расположенный вокруг цилиндрической поверхности волоконно-оптического элемента и выходным окуляром [2].

Недостатками этого аналога являются низкие эксплуатационные параметры, обусловленные влиянием механических напряжений в зонах сопряжения корпуса с фотокатодом, что приводит к образованию микротрещин, а, следовательно, к разгерметизации корпуса, и также к изменению положения микроканальной пластины относительно фотокатода и волоконно-оптического элемента, что приводит к ухудшению качества выходного изображения или выхода из строя устройства.

Ближайшим аналогом изобретения – оптического телескопического устройства является устройство, содержащее входной объектив, оптически связанный соответственно с усилителем яркости изображения, включающим герметичный цилиндрический корпус из чередующихся металлических и керамических элементов и с двумя металлическими торцевыми слоями, в котором между фотокатодом на основе GaAs и люминесцентным экраном на внутренней поверхности цилиндрического волоконно-оптического элемента на выступе металлического элемента установлена микроканальная пластина, а также встроенный источник питания, соединенный с усилителем яркости изображения и расположенный вокруг цилиндрической поверхности волоконно-оптического элемента и выходным окуляром, при этом в устройство дополнительно введено металлическое кольцо с установочной площадкой с одной стороны кольца и с ограничителем радиального перемещения в виде кольцевого выступа на плоской противоположной стороне, а каждый металлический слой выполнен тонкопленочным и через припой сопряжен соответственно с фотокатодом и волоконно-оптическим элементом, причем микроканальная пластина через дополнительно введенное кольцо установлена на соответствующем металлическом элементе корпуса [3].

Недостатком ближайшего аналога является возникновение хрупких слоев интерметаллидов на границе раздела между слоями индия и коваровых металлических элементов корпуса. Наличие хрупких слоев интерметаллидов приводит к снижению жесткости и прочности конструкции устройства, а также к формированию микротрещин и микроканалов, по которым происходит натекание воздуха в вакуумный объем устройства, что приводит к сокращению ресурса.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение ресурса и надежности работы устройства, за счет исключения из металлокерамического корпуса коваровых металлических элементов, содержащих Ni, Co, Mn др. металлы, повышение жесткости и прочности конструкции устройства.

Кроме того, задачей является повышение пространственного разрешения устройства в периферической области фотокатода устройства и обеспечение равенства пространственного разрешения в центральной области и на периферии, а также повышение дальности действия оптического телескопического устройства.

Повышение ресурса и надежности работы устройства достигается за счет того, что оптическое телескопическое устройство содержит входной объектив, оптически связанный соответственно с усилителем яркости изображения, включающим герметический цилиндрический корпус с входным окном, выполненный из чередующихся металлических и керамических элементов, в котором между фотокатодом на основе GaAs и люминесцентным экраном на внутренней поверхности цилиндрического волоконно-оптического элемента на выступе металлического элемента установлена микроканальная пластина, а сопряжение герметического цилиндрического корпуса усилителя яркости изображения с фотокатодом и волоконно-оптическим элементом осуществляется через припой, нанесенный на торцевые керамические элементы.

Решение поставленных задач, обусловливающее достижение технического результата, осуществлено за счет того, что при использовании предлагаемого изобретения перед сборкой и соединением устройства в герметичной камере производится облуживание индием (In) торцевых поверхностей корпуса по керамическим элементам, а не по металлическим, как это выполнялось в устройстве – ближайшем аналоге. Таким образом, в предлагаемом устройстве исключается возможность образования интерметаллидов.

Создание на периферийной части входного окна усилителя яркости изображения “черного” светопоглощающего окисного слоя, на который затем наносится “зеркальный” металлический слой, позволяет повысить пространственное разрешение устройства в периферийной области фотокатода и обеспечить равенство пространственного разрешения в центральной области и на периферии.

Отсутствие данного “черного” слоя приводило к значительному фоновому светорассеянию на “зеркальном” металлическом слое периферийной ступенчатой поверхности входного окна, которое снижало контраст в изображении в периферийной области.

Для повышения дальности действия во входной объектив оптического телескопического устройства дополнительно введен отрезающий оптический фильтр.

Повышение дальности действия устройства достигается за счет ограничения спектральной характеристики чувствительности устройства в коротковолновой области спектра и обусловлено следующими факторами.

Принцип действия оптического телескопического устройства в ночных условиях основан на регистрации и многократном усилении (в десятки тысяч раз) отраженного от объектов потока в видимой и ближней ИК области спектра. На фиг.2 видно, что в сумерках и при лунном свете максимум спектральной характеристики излучения яркости ночного неба находится около 500 нм. При этом освещенность ночного неба достаточно высока и применение высокочувствительных усилителей яркости изображения на основе GaAs фотокатода в таких условиях неэффективно, так как нет существенного выигрыша по дальности действия. Если же ночь безлунная, то максимум спектральной яркости ночного неба находится в спектральном диапазоне 900-1000 нм, а в диапазоне 500-650 нм спектральная яркость ночного неба не высока. Более того, эта область инверсии контраста большинства искусственных объектов на фоне растительности. В области 650-700 нм существенно увеличивается спектральная яркость света рассеянного растительностью (зеленая листва, трава и т.п.). Кроме того, это область инверсии контраста большинства искусственных объектов на фоне растительности.

Проведенные расчеты показали, что дальность действия устройства на основе усилителя яркости изображения с GaAs фотокатодом увеличивается на 10-15% при ограничении спектральной характеристики усилителя в коротковолновой области спектра длины волны 650 нм.

Ограничить спектральную чувствительность с коротковолновой стороны (в видимой области спектра), в первую очередь, можно и на уровне гетероструктуры GaAs фотокатода или применением специального “отрезающего” спектрального фильтра (поглощающего или интерференционного). Интерференционные фильтры имеют большее пропускание и более крутую коротковолновую границу, поэтому их использование является более предпочтительным.

Известен способ изготовления оптического телескопического устройства, при котором формируют фотокатод на основе GaAs с активирующим покрытием CsO, в корпус, соединенный с волоконно-оптическим элементом, устанавливается микроканальная пластина, после чего производят сборку путем соединения в герметичной камере [4].

Недостатком известного способа изготовления оптического телескопического устройства является невысокая долговечность, малый температурный диапазон работы, обусловленные десорбцией активирующего слоя цезия с фотокатода.

Ближайшим аналогом изобретения-способа оптического телескопического устройства является способ изготовления оптического телескопического устройства, при котором формируют фотокатод на основе GaAs с активирующим покрытием CsO, в корпус, соединенный с волоконно-оптическим элементом, устанавливают микроканальную пластину, после чего производят сборку и соединение в герметичной камере, при этом перед сборкой обрабатывают узел в виде волоконно-оптического элемента с люминесцентным экраном, с корпусом и микроканальной пластиной в парах цезия с одновременным контролем фотоэмиссии нанесенного слоя цезия на корпусе и прекращением обработки при достижении фотоэмиссии с поверхности обрабатываемого узла в диапазоне 0,1-10 мкА/лм, после чего упомянутый узел прогревают до 100-350°С в течение 1-5 ч, охлаждают до комнатной температуры и повторяют упомянутую обработку узла с прогревом и охлаждением, затем извлекают устройство из герметичной камеры [3].

Задачей, решаемой изобретением-способом, является повышение качества изделия путем стабилизации чувствительности фотокатода, а также увеличения ресурса и устойчивости к повышенным световым нагрузкам фотокатода.

Поставленная задача решается за счет того, что формируют фотокатод на основе GaAs с активирующим покрытием CsO, устанавливают в корпус, соединенный с волоконно-оптическим элементом, микроканальную пластину, перед сборкой устройства обрабатывают узел, состоящий из волоконно-оптического элемента с люминесцентным экраном, корпусом и микроканальной пластиной в парах цезия с одновременным контролем фотоэмиссии нанесенного слоя цезия на корпусе и прекращают обработку при достижении фотоэмиссии с поверхности обрабатываемого узла в диапазоне 0,1-10 мкА/лм, затем узел прогревают до 100-350°С, охлаждают до комнатной температуры, повторяют упомянутую обработку узла с прогревом и охлаждением, после чего производят сборку и соединение в герметичной камере и извлекают устройство из герметичной камеры и прогревают его при температуре до 100°С.

Технический результат, заключающийся в стабилизация чувствительности фотокатода и увеличение ресурса и устойчивости к повышенным световым нагрузкам фотокатода, достигается при осуществлении указанных выше операций способа при приведенных режимах, что позволяет создать избыточную концентрацию щелочных металлов на поверхности фотокатода, которая образуется при нагреве внутренних поверхностей фотокатода, цилиндрического корпуса и экрана.

На фиг.1 изображено оптическое телескопическое устройство.

На фиг.2 изображены спектральные характеристики излучения ночного неба и коэффициента отражения подстилающих фонов и типовых целей.

На фиг.3 схематично изображена установка для прецизионного химического травления.

На фиг.4 приведена кривая относительной спектральной чувствительности фотокатода 2 при различных толщинах рабочего слоя 24 фотокатода 2, где S ^отн – при оптимальной толщине рабочего слоя фотокатода – кривая A; S ^отн – при толщине рабочего слоя фото катода меньше оптимальной – кривая В; S ^отн – при толщине рабочего слоя фотокатода больше оптимальной – кривая Б.

На фиг.5 схематично изображена камера герметизации вакуумного сборочного манипулятора.

Оптическое телескопическое устройство состоит из:

– входного объектива 1 с отрезающим оптическим фильтром;

– фотокатода 2 на основе GaAs;

– входного окна 3, на периферийной части которого нанесен “черный” светопоглощающий окисный слой, на который затем нанесен “зеркальный” металлический слой;

– микроканальной пластины 4;

– люминесцентного экрана 5;

– выходного окуляра 6;

– волоконно-оптического элемента 7;

– герметичного цилиндрического корпуса 8;

– металлических элементов 9;

– керамических элементов 10;

– низковольтного источника 11 питания;

– преобразователя 12 постоянного напряжения в переменное;

– умножителя 13 напряжения; припоя 14;

– металлической кольцевой прокладки 15;

– металлического кольца 16 с установочной площадкой и с ограничителем радиального перемещения; прижимного кольца 17;

– керамических колец 18 и 19 и компаунда 20.

Установка для прецизионного химического травления включает в себя химическую кювету 21, химический травитель 22, осветитель 23, рабочий слой GaAs фотокатода 24, буферный слой Ga_0,5Al_0,5As 25, фотоприемное устройство 26 и устройство световой и звуковой сигнализации 27.

Камера герметизации вакуумного сборочного манипулятора включает в себя источник 28 цезия и нагреватель 29.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Объектив 1 формирует на фотокатоде 2 инфракрасное или видимое изображение объектов. Фотокатод 2 представляет собой гетероэпитаксиальную структуру, состоящую из рабочего слоя GaAs и буферного слоя Ga_0,5Al_0,5As, вплавленную во входное стеклянное окно 3. Фотокатод 2 преобразует оптическое изображение, сформированное на его поверхности, в электронное. Число электронов, эмиттируемых каждой точкой фотокатода, пропорционально ее освещенности. Благодаря ускоряющему полю, электроны поступают на входную поверхность микроканальной пластины (МКП) 4, в которой за счет вторичных эмиссионных процессов происходит усиление электронного изображения. Полученное усиленное электронное изображение с помощью ускоряющего напряжения, приложенного между выходом МКП 4 и люминесцентным экраном 5, возбуждает люминесцентный слой, вызывая свечение люминофора и, как следствие, появление на экране 5 перевернутого изображения наблюдаемых объектов. Для получения в плоскости наблюдения выходного окуляра 6 прямого изображения люминесцентный экран 5 нанесен на входную поверхность волоконно-оптического элемента 7, который поворачивает изображение на 180°.

В основу работы устройства положен внешний фотоэффект и для беспрепятственного движения электронов все основные элементы устройства (фотокатод 2, МКП 4 и экран 5) устанавливают в цилиндрическом корпусе 8, вакуумированном до остаточного давления Р<10^-10 мм рт.ст. и состоящем из последовательно спаянных металлических элементов 9 и керамических элементов 10. Керамические элементы 10 обеспечивают надежную электрическую изоляцию, а металлические элементы 9 подвод соответствующих напряжений к основным элементам устройства (фокатоду 2, МКП 4 и экрану 5).

Для формирования указанных напряжений применяется встроенный источник питания, включающий низковольтный источник 11 питания, преобразователь 12 постоянного напряжения в переменное и умножитель 13 напряжения.

Способ изготовления оптического телескопического устройства осуществляют следующим образом.

Во входное окно 3 с помощью термокомпрессионной сварки вплавляют гетероэпитаксиальную структуру с последовательно нанесенными на ее поверхности просветляющим покрытием Si₃N₄ и адгезионным SiO;.

Селективным химическим травлением последовательно стравливают подложку из GaAs и стопорный слой Ga_0,5Al_0,5As гетероэпитаксиальной структуры. Производят прецизионное травление рабочего слоя из GaAs с одновременным оптическим контролем величины сигнала краевой фотолюминесценции со стороны буферного слоя Ga_0,5Al_0,5As. С этой целью входное окно 3 с присоединенной гетероэпитаксиальной структурой помещается в химическую кювету с химическим травителем, а возбуждающее оптическое излучение в спектральном диапазоне 0,6-0,7 мкм формируется осветителем. Регистрация пика фотолюминесценции рабочего слоя 24 со стороны буферного слоя 25 осуществляется фотоприемным устройством 26, снабженным звуковой и световой сигнализацией 27 (фиг.3). Сигнал подается при достижении текущего значения интенсивности краевой фотолюминесценции I_t=(0,11…0,18)I_о, где I_o – начальное значение интенсивности краевой фотолюминесценции. При этом условии обеспечивается оптимальная толщина рабочего слоя, при которой интегральная чувствительность фотокатода достигает максимального значения (кривая А, фиг.4). Если толщина рабочего слоя отличается от оптимальной, то интегральная чувствительность уменьшается (кривые Б, В фиг.4).

Фотокатод 2 помещают в герметичный химический бокс, наполненный инертным газом Ar или N₂ и приводят процесс обработки поверхности фотокатода в инертной атмосфере в смеси изопропилового спирта с соляной кислотой с концентрацией соляной кислоты в диапазоне от 0,1 до 10 об.% После завершения травления фотокатод 2 помещают в герметичный контейнер и устанавливают в шлюзовую камеру вакуумного сборочного манипулятора, после чего откачивают камеру до остаточного давления Р=10^-7 мм рт.ст. Контейнер в шлюзовой камере открывают, извлекают фотокатод 2 и переносят его в камеру активации вакуумного сборочного манипулятора, шлюз перекрывают и откачивают камеру до остаточного давления Р<10^-10 мм рт.ст.

Для очистки и обезгаживания поверхности рабочего слоя осуществляют в камере активации прогрев фотокатода 2 при температуре 470…550°С. Фотокатод охлаждается до комнатной температуры.

Проводят посредством токовых источников цезия и кислорода активировку рабочего слоя фотокатода 2 путем осаждения слоя цезия и кислорода на поверхности рабочего слоя GaAs с одновременной регистрацией фототока. Процесс активировки завершают при достижении максимальной чувствительности фотокатода 2. После этого фотокатод прогревают при температуре 500-550°, затем охлаждают до комнатной температуры и проводят вторичную активировку фотокатода до получения максимальной фоточувствительности.

Параллельно с подготовкой фотокатода 2 осуществляют подготовку корпуса 8 путем нанесения на торцевые керамические поверхности корпуса 8 тонкого слоя индиевого (In) припоя 14.

Осуществляют селективную сборку корпуса 8 с МКП 4. Для обеспечения оптимальных выходных параметров и характеристик устройства необходимо, чтобы зазор между поверхностью фотокатода 2 и МКП 4 составлял 0,25 мм, а между МКП 4 и экраном 0,6 мм. С этой целью используют дополнительную калиброванную металлическую кольцевую прокладку 15, толщину которой рассчитывают для каждого конкретного устройства. Прокладку 15 устанавливают в металлическое кольцо 16 с установочной площадкой для этой прокладки. Затем МКП 4 устанавливают через прокладку 15 и кольцо 16 и полученную сборку устанавливают на соответствующем металлическом элементе 9 корпуса 8 и, вставляя пружинное кольцо 17, закрепляют МКП 4 на корпусе 8.

Помещают корпус 8 с установленной МКП 4 и волоконно-оптический элемент 7 с нанесенным на торцевой поверхности люминесцентным экраном 5, в камеру герметизации вакуумного сборочного манипулятора и откачивают камеру до остаточного давления Р<10^-10 мм рт.ст. Обрабатывают корпус 8 с МКП и волоконно-оптическим элементом 7 с экраном 5 в парах цезия, используя токовый источник 21 цезия до получения фотоэмиссии с поверхности обрабатываемых элементов на уровне 0,1.10 мкА/лм. Затем включают нагреватель 22 и прогревают корпус с МКП и волоконно-оптический элемент с экраном до температуры в диапазоне 100…350°С в течение 1,5 ч, охлаждают до комнатной температуры и повторяют упомянутую обработку элементов с прогревом и охлаждением.

Осуществляют финишную сборку устройства в камере герметизации. С этой целью фотокатод 2 из камеры активации вакуумного сборочного манипулятора переносят в камеру герметизации и устанавливают на верхнюю поверхность металлокерамического корпуса 8 с МКП 4 и проводят герметизацию устройства путем холодной сварки фотокатода 2 с корпусом 8 и волоконно-оптическим элементом 7 по индиевому припою 14.

В камере герметизации проводят предварительный контроль основных выходных параметров устройства, после чего готовое устройство извлекают из вакуумного сборочного манипулятора. Извлеченное из вакуумного сборочного манипулятора готовое устройство прогревают при температуре до 100°С.

Для автономного функционирования устройства к металлическим элементам 9 корпуса 8 подключают соответствующие ускоряющие напряжения. С этой целью на керамических кольцах 18 и 19 изготавливают встроенный источник питания, состоящий из низковольтного источника 11 напряжения, преобразователя 12 постоянного напряжения в переменное, выполненного на отдельном керамическом кольце 18 и умножителя 13 напряжения, выполненного на керамическом кольце 19. Затем преобразователь и умножитель герметизируют соответствующими компаундами 20, монтируют на выступающей из металлокерамического корпуса 8 цилиндрической поверхности волоконно-оптического элемента 7 и подключают соответствующие напряжения на металлические элементы 9 корпуса 8 устройства.

После предварительной сборки устройство помещают в пластиковый корпус и заливают герметиком, закрывают кольцевой пластиковой крышкой и устанавливают устройство в корпус оптического телескопического устройства, подключают к нему низковольтный источник 11 напряжения и юстировкой входного объектива 1 и 14.

Источники информации

1. Волков В.А., Вялов В.К. и др. Справочник по приемникам оптического излучения. Киев: Техника, 1985, с.99-116.

2. Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумные фотоэлектрические приборы, М.: Радио и связь, 1988, с.224-243.

3. Патент Российской Федерации №2053532, G02B 23/12, 11.11.1993, Гордиенко Ю.Н. и др.

4. J.C.Richard Lour Light Level Imaging Tube with GaAs Photocathode, Vacuum, Vol.30, N 11/12, p.549.

Формула изобретения

1. Оптическое телескопическое устройство, содержащее входной объектив, оптически связанный соответственно с усилителем яркости изображения, включающим герметический цилиндрический корпус с входным окном, выполненный из чередующихся металлических и керамических элементов, в котором между фотокатодом на основе GaAs и люминесцентным экраном на внутренней поверхности цилиндрического волоконно-оптического элемента на выступе металлического элемента установлена микроканальная пластина, при этом устройство также включает в себя встроенный источник питания, соединенный с усилителем яркости изображения и расположенный вокруг цилиндрической поверхности волоконно-оптического элемента, и выходной окуляр, отличающееся тем, что торцевые элементы герметического цилиндрического корпуса усилителя яркости изображения выполнены керамическими и сопряжены с фотокатодом и волоконно-оптическим элементом через припой, внутренняя периферийная область входного окна усилителя яркости изображения выполнена в виде слоя из светопоглощающего материала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что во входной объектив дополнительно введен отрезающий оптический фильтр.

3. Способ изготовления оптического телескопического устройства, заключающийся в формировании фотокатода на основе GaAs с активирующим покрытием CsO, соединении корпуса и волоконно-оптического элемента с люминесцентным экраном, установке в корпус микроканальной пластины, причем перед сборкой устройства узел, состоящий из волоконно-оптического элемента с люминесцентным экраном, корпусом и микроканальной пластиной, обрабатывают в парах цезия с одновременным контролем фотоэмиссии, отличающийся тем, что перед соединением корпуса с фотокатодом и волоконно-оптическим элементом на торцевые поверхности корпуса, образованные торцевыми керамическими элементами, наносят слой индиевого (In) припоя, создают на периферийной части входного окна усилителя яркости изображения светопоглощающий окисный слой, на который наносят металлический слой, устройство помещают в пластиковый корпус, заливают герметиком, закрывают кольцевой пластиковой крышкой и устанавливают устройство в корпус оптического телескопического устройства, подключают к нему низковольтный источник напряжения.

РИСУНКИ