Патент на изобретение №2383963

(54) ИНТЕНСИФИЦИРОВАННЫЙ ГИБРИДНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК

(57) Реферат:

Интенсифицированный твердотельный формирователь (41) изображения включает в себя фотокатод (54) для преобразования света от изображения в электроны, устройство электронного умножителя (53) для приема электронов из фотокатода и твердотельный датчик (56) изображения, включающий в себя множество пикселей для приема электронов из устройства электронного умножителя через множество каналов электронного умножителя. Твердотельный датчик изображения генерирует интенсифицированный сигнал изображения из электронов, принятых из устройства электронного умножителя. Множество каналов размещено во множестве канальных картин, а множество пикселей размещено во множестве пиксельных картин. Каждая из множества канальных картин сопоставляется соответствующей из множества пиксельных картин, так что электронные сигналы от каждой из множества канальных картин практически принимаются соответствующей единственной из множества пиксельных картин. 9 з.п. ф-лы, 20 ил.

Настоящая заявка является частичным продолжением находящейся на рассмотрении заявки на патент США 09/973.907, поданной от имени изобретателей Рудольфа Г. Бенца, Нильса И. Томаса и Арлин У. Смит 9 октября 2001, озаглавленной «Интенсифицированный гибридный твердотельный датчик с изолирующим слоем», права на которую принадлежат правообладателю по данной заявке и которая включена сюда посредством ссылки.

Область изобретения

Настоящее изобретение направлено на интенсифицированный гибридный твердотельный датчик. Конкретнее, настоящее изобретение относится к интенсификатору изображения, использующему воспринимающее устройство на КМОП или ПЗС, соединенное в тесной физической близости к микроканальной пластине (МКП) (МСР) и фотокатоду.

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к области интенсифицирующих изображение устройств, использующих твердотельные датчики, такие как устройство на КМОП или ПЗС. Интенсифицирующие изображение устройства используются для усиления света с низкой интенсивностью или для преобразования невидимого света в непосредственно наблюдаемые изображения. Интенсифицирующие изображение устройства особенно полезны для получения изображений из инфракрасного света и они имеют много применений в промышленных и военных целях. К примеру, усиливающие изображение трубки используются для улучшения ночного зрения летчиков, для фотографирования астрономических тел и для обеспечения ночного зрения страдающих пигментной дегенерацией сетчатки (ночная слепота).

Среди аналогов имеется три типа известных усиливающих (интенсифицирующих) изображение устройств: усиливающие изображение трубки для фотокамер, все твердотельные датчики на КМОП и ПЗС и гибридные ЭБПЗС/КМОП (датчик с электронной бомбардировкой ПЗС или КМОП) (EBCCD/CMOS).

Усиливающие изображение трубки общеизвестны и используются повсюду во многих областях промышленности. На фиг.1 показано современное состояние известной усиливающей изображение трубки третьего поколения (GEN III). Примеры использования такой известной из уровня техники усиливающей изображение трубки третьего поколения приведены в патенте США 5.029.963 на имя Naselli et al., озаглавленном «Устройство, замещающее наблюдателя за приводом», и в патенте США 5.084.780 на имя Phillips, озаглавленном «Телескопическое зрение для дневного просмотра». Показанная усиливающая изображение трубка 10 третьего поколения и трубка в обеих приведенных ссылках представляет собой тип, изготавливаемый в настоящее время корпорацией ITT, являющейся обладателем прав по данной заявке. В показанной на фиг.1 усилительной трубке энергия инфракрасного излучения падает на фотокатод 12. Этот фотокатод 12 состоит из стеклянной лицевой пластины 14, покрытой на одной стороне противоотражательным слоем 16, оконным слоем 17 из арсенида галлия и алюминия (GaAlAs) и активным слоем 18 из арсенида галлия (GaAs). Инфракрасная энергия поглощается в активном слое 18 на GaAs, что приводит к генерированию пар электрон-дырка. Вырабатываемые электроны испускаются затем в вакуумный корпус 22 через покрытие 20 с отрицательным электронным сродством (ОЭС) (NEA), имеющимся на активном слое 18 GaAs.

Микроканальная пластина (МКП) (МСР) 24 располагается в вакуумном корпусе 22 рядом с покрытием 20 NEA фотокатода 12. Традиционно, МСР 24 изготавливается из стекла, имеющего проводящую входную поверхность 26 и проводящую выходную поверхность 28. Когда электроны выходят из фотокатода 12, эти электроны ускоряются ко входной поверхности 26 МСР 24 посредством разности потенциалов между входной поверхностью 26 и фотокатодом 12 примерно от 300 до 900 вольт. По мере бомбардировки электронами входной поверхности 26 МСР 24 в МСР 24 генерируются вторичные электроны. МСР 24 может генерировать несколько сотен электронов на каждый электрон, входящий во входную поверхность 26. МСР 24 подвержена разности потенциалов между входной поверхностью 26 и выходной поверхностью 28, которая, как правило, составляет 1100 вольт, и посредством этой разности потенциалов обеспечивается умножение электронов.

Когда умноженные электроны выходят из МСР 24, эти электроны ускоряются через вакуумный корпус 22 к фосфорному экрану 30 за счет разности потенциалов между фосфорным экраном 30 и выходной поверхностью 28 приблизительно 4200 вольт. Когда электроны падают на фосфорный экран 30, вырабатывается много фотонов на электрон. Эти фотоны создают выходное изображение для усиливающей изображение трубки 10 на выходной поверхности 28 оптического преобразовательного элемента 31.

Усилители изображения, такие как проиллюстрировано на фиг.1, имеют преимущества над прочими формами усилителей изображения. Во-первых, усилители имеют логарифмическую кривую усиления. То есть усиление уменьшается по мере того, как увеличивается уровень входного света. Это сочетается с откликом человеческого глаза, в частности, когда в одной и той же картине имеются яркие пятна света и слабо освещенные пятна. Большинство твердотельных устройств имеют линейный отклик, т.е. чем ярче свет, тем ярче выходной сигнал. В результате яркие пятна света кажутся гораздо ярче для зрителя твердотельной системы и стремятся размыть картину. Твердотельные датчики можно модифицировать для получения уменьшения усиления по мере того, как входной свет увеличивается, однако это требует изменения коэффициента усиления с помощью обтюрации или с помощью контроля за избыточным свечением.

Другим преимуществом усилителей изображения является способность функционировать в большом диапазоне уровней входного света. Блок питания может управлять катодным напряжением, а тем самым менять усиление трубки, чтобы адаптировать его к картине. Таким образом, трубки могут функционировать от условий мутного звездного света до дневного времени.

Однако усилители изображения/камеры I² страдают от нескольких недостатков. Электронная оптика фосфорного экрана создает низкоконтрастное изображение. Это приводит к более размытому виду объекта для наблюдателя-человека или к твердотельному датчику при наблюдении через усилитель изображения. Хотя этот недостаток несколько снижен последующим развитием усилителей изображения, твердотельные усилители изображения имеют более высокое качество.

Другим недостатком усилителей изображения/камер I² является «гало». Гало получается от электронов, отражаемых либо микроканальной пластиной, либо экраном. Отраженные электроны затем усиливаются и преобразуются в свет в виде кольца вокруг исходного изображения. В трубках гало от электронов, отраженных от МСР, снижено до пренебрежимого эффекта для большинства недавно выпущенных трубок. Однако гало от экранной секции существует по-прежнему, хотя и не до степени катодного гало. Тем не менее, экранное гало представляет собой все же значительный дефект систем получения изображений, когда матрицы ПЗС или КМОП связываются с усилителем изображения. Это потому, что эти матрицы более чувствительны, нежели глаз, к низким уровням света в экранных гало.

Другим недостатком является то, что усилители изображения не имеют способа, обеспечивающего электронное считывание. Электронное считывание желательно, потому что изображение от тепловых датчиков может комбинироваться с усиленным изображением, а в результате информация из обоих спектров будет видна в одно и то же время. Одним решением стало создание камеры I² путем связи матрицы ПЗС или КМОП с усиливающей изображение трубкой. Когда твердотельное устройство подсоединяется к трубке изображения, получающаяся камера имеет все качественные дефекты трубки изображения, которые состоят в низком контрасте, зачастую в плохом ограниченном разрешении из-за связанной с ним неэффективности и дополнительной стоимости трубки изображения к камере.

Твердотельные устройства, как правило, включают в себя ПЗС и КМОП. Они функционируют за счет непосредственного обнаружения света, электронного переноса сигнала к твердотельным усилителям, а затем отображения изображения либо на трубке телевизионного типа, либо на устройстве отображения, таком как жидкокристаллический дисплей. Фиг.2а и 2b иллюстрируют последовательность операций и условную схему типичного датчика ПЗС.

Датчики ПЗС и КМОП являются твердотельными устройствами, т.е. отсутствует вакуумная оболочка, а выходом является электронный сигнал, который должен отображаться где-то в ином месте, но не в датчике. Твердотельные устройства работают с напряжением 5-15 вольт. Свет воспринимается в отдельных пикселах, помеченных «s», и переводится в электроны, которые сохраняются в пикселе до тех пор, пока этот пиксел не считывается регистром хранения. Из регистра хранения электронная информация, содержащаяся во множестве пикселов, переносится затем в регистр считывания и далее к выходным усилителям, а потом к видеодисплейному устройству, такому как электронно-лучевая трубка.

Недостатками всех твердотельных устройств являются плохая характеристика при низком уровне освещенности, потенциальное размывание от источников яркого света, низкое граничное разрешение и высокое потребление питания. Плохая характеристика при низкой освещенности является следствием темнового тока и шума считывания, что проявляется в низких отношениях сигнал-шум. Если механизм усиления сигнала предусматривался до считывания, эта проблема сходила на нет, т.к. существовал бы достаточный сигнал, чтобы преодолеть источники шума. Архитектуры твердотельных устройств обычно не позволяют устанавливать усилительную секцию до секции считывания. Низкое граничное разрешение следует из больших размеров пикселов, обычно выбираемых в попытке собрать большой сигнал и тем самым увеличить отношение сигнал-шум. Эти недостатки фактически предотвращают использование твердотельных датчиков в приложениях ночного зрения. Преимуществами твердотельных устройств являются лучший контраст изображения по сравнению с усилителем изображения/камерой I², способность электронного считывания и низкая стоимость, особенно, когда твердотельный датчик является матрицей КМОП.

Как можно видеть, сильные и слабые стороны усилителей изображения и твердотельных датчиков дополняют друг друга и теоретически комбинация обоих устройств имела бы более высокие характеристики. Одной такой комбинацией, предложенной в качестве альтернативы усилителям изображения/камерам I² и твердотельным датчикам, является датчик с электронной бомбардировкой ПЗС или КМОП (EBCCD/CMOS). Это устройство состоит из фотокатода и корпусной оболочки трубки изображения и либо ПЗС, либо КМОП датчика, встроенного в эту оболочку. Иллюстративный пример датчика EBCCD/CMOS показан на фиг.3. Между катодом и твердотельным датчиком прикладывается высокое напряжение, так что появляющиеся электроны усиливаются в кремнии твердотельного датчика за счет электронной бомбардировки.

Преимущества устройства EBCCD/CMOS состоят в том, что оно обеспечивает электронное считывание. Но недостатков много. Во-первых, сжатый динамический диапазон внутри картины (сцены). Это означает, что полный контраст в картине, когда яркие объекты чередуются с темными объектами, снижен по сравнению с усилителем изображения/камерой I² и полностью твердотельным устройством. Во-вторых, этот датчик страдает от ухудшения изображения типа «гало» вокруг ярких пятен света из-за электронов, отраженных от твердотельного датчика. Это гало существует в обычных трубках (формирователях) изображения; однако технологические усовершенствования снизили гало до несущественной величины. В-третьих, очень высокое напряжение, требуемое для работы устройства (2-10 кВ), повреждает кремниевую поверхность, вызывая спад в характеристике со временем.

Поэтому цель настоящего изобретения состоит в обеспечении интенсифицированного гибридного твердотельного датчика, который объединяет функции усилителя изображения, хорошее отношение сигнал-шум и высокое логарифмическое усиление, с функциями электронного считывания либо комплементарного металл-оксидного полупроводника (КМОП) (CMOS), либо прибора с зарядовой связью (ПЗС) (CCD).

Сущность изобретения

Согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения интенсифицированный гибридный датчик изображения включает в себя фотокатод для преобразования света от изображения в электроны. Этот интенсифицированный гибридный датчик изображения также включает в себя устройство электронного умножителя для приема электронов от фотокатода. Устройство электронного умножителя выдает большее число электронов, нежели это устройство электронного умножителя принимает от фотокатода. Интенсифицированный гибридный усиливающий изображение датчик включает в себя также твердотельный датчик изображения, содержащий множество пикселов для приема электронов от электронного умножителя через множество каналов устройства электронного умножителя. Твердотельный датчик изображения генерирует интенсифицированный сигнал изображения из электронов, принятых от устройства электронного умножителя. Множество каналов распределено во множестве канальных картин, и множество пикселов распределено во множестве пиксельных картин. Каждая из множества канальных картин отображается в соответствующей из множества пиксельных картин, так что электронные сигналы от каждой из множества канальных картин в основном принимаются соответствующей единственной из пиксельных картин.

Краткое описание чертежей

Чтобы изобретение стало более понятным, оно будет раскрыто более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи.

Фиг.1 является схематической иллюстрацией обычной усиливающей изображение трубки.

Фиг.2А представляет собой последовательность операций для обычного датчика ПЗС.

Фиг.2В является условной схемой обычной поверхности получения изображения на ПЗС.

Фиг.3 представляет собой поперечное сечение обычного устройства с электронной бомбардировкой ПСЗ.

Фиг.4А представляет собой поперечное сечение интенсифицированного гибридного твердотельного датчика согласно настоящему изобретению.

Фиг.4В является условным представлением интенсифицированного гибридного твердотельного датчика согласно настоящему изобретению.

Фиг.5А является схематической иллюстрацией микроканальной пластины (МКП) (МСР) и утонченного с обратной стороны ПЗС для использования в настоящем изобретении.

Фиг.5В является схематической иллюстрацией микроканальной пластины (МКП) (МСР) и стандартного ПЗС для использования в настоящем изобретении.

Фиг.5С представляет собой вид в перспективе датчика изображения КМОП-типа для использования в настоящем изобретении.

Фиг.6А является видом в перспективе каналов МКП, имеющих круглые профили и стенки КМОП.

Фиг.6В является видом в перспективе каналов МКП, имеющих квадратные профили и стенки КМОП.

Фиг.7А является схематическим видом сверху больших пикселов/малого шага каналов МКП на единицу площади поверхности датчика согласно настоящему изобретению.

Фиг.7В является схематическим видом сверху взаимно однозначных пикселов и канала МКП на единицу площади поверхности датчика согласно настоящему изобретению.

Фиг.7С является схематическим видом сверху малого шага пикселов/большого канала МКП на единицу площади поверхности датчика согласно настоящему изобретению.

Фиг.8 представляет собой иллюстрацию неточного совпадения канальной картины электронного умножителя с пиксельной картиной датчика изображения для использования при описании преимуществ примерных вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9А является иллюстрацией блок-схемы совмещенной канальной картины устройства электронного умножителя с пиксельной картиной датчика изображения согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9В является иллюстрацией блок-схемы другой совмещенной канальной картины устройства электронного умножителя с пиксельной картиной датчика изображения согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9С является иллюстрацией блок-схемы еще одной совмещенной канальной картины устройства электронного умножителя с пиксельной картиной датчика изображения согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9D является иллюстрацией блок-схемы еще одной совмещенной канальной картины устройства электронного умножителя с пиксельной картиной датчика изображения согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9Е является иллюстрацией блок-схемы еще одной совмещенной канальной картиной устройства электронного умножителя с пиксельной картиной датчика изображения согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Теперь со ссылками на чертежи будут описаны предпочтительные признаки вариантов осуществления данного изобретения. Понятно, что сущность и объем изобретения не ограничиваются вариантами осуществления, выбранными для иллюстрации. Кроме того, следует отметить, что чертежи не приведены к какому-либо конкретному масштабу или пропорции. Предполагается, что любые из описанных здесь конфигураций и материалов можно модифицировать в пределах объема данного изобретения.

В совместно поданной заявке на патент США 09/973.907 настоящее изобретение описывалось как предлагающее интенсифицированный гибридный твердотельный датчик. Твердотельный датчик согласно настоящему изобретению включает в себя устройство формирования изображения, содержащее твердотельный датчик, собранный с катодом усилителя изображения, микроканальной пластиной (МКП) и корпусной оболочной. Данное устройство объединяет наилучшие функции усилителя изображения, хорошее отношение сигнал-шум и высокое логарифмическое усиление с функциями электронного считывания либо комплементарного металл-оксидного полупроводника (КМОП), либо прибора с зарядовой связью (ПЗС). Применениями для данного изобретения являются, в первую очередь, системы ночного видения, где требуются хорошая чувствительность при низкой освещенности и высокое усиление.

Фиг.4В является схематическим представлением интенсифицированного гибридного твердотельного воспринимающего устройства 41 (датчика) согласно настоящему изобретению. Датчик 41 содержит стандартный фотокатод 54 электронно-оптического преобразователя, микроканальную пластину (МКП) 53 и твердотельный формирователь 56 изображения. Твердотельный формирователь 56 изображения может быть твердотельным формирователем изображения любого типа. Предпочтительно твердотельный формирователь 56 изображения является устройством ПЗС. Более предпочтительно твердотельный формирователь 56 изображения является КМОП формирователем изображения. Фиг.5А иллюстрирует формирователь изображения на утонченном с обратной стороны ПЗС в качестве датчика 56′ изображения. В этом варианте осуществления МКП 53 соединена с датчиком 56′ на утонченном с обратной стороны ПЗС. Утонченный с обратной стороны ПЗС 56′ включает в себя принимающую электроны поверхность, такую как диффузионную коллекторную зону 56а’, и зону 62 считывания. Фиг.5В иллюстрирует альтернативный формирователь изображения на стандартном ПЗС, включающий в себя МКП 53, соединенную со стандартным ПЗС 56. ПЗС 56 включает в себя оксидное покрытие 63 и множество коллекторных карманов 64. Фиг.5С иллюстрирует датчик, такой как КМОП датчик, включающий в себя КМОП подложку 56 и множество коллекторных карманов 65.

По разным причинам датчики изображения на базе ПЗС ограничены или непрактичны для использования во многих применениях. Во-первых, ПЗС требуют по меньшей мере двух слоев поликремния со встраиванием скрытых каналов для достижения их высокой производительности, что означает, что они не могут быть изготовлены с помощью стандартных процессов изготовления КМОП. Во-вторых, низок уровень интеграции, который может быть достигнут с датчиками изображения на базе ПЗС, поскольку они не могут включать в себя устройства, необходимые для интегрирования их с другими устройствами в приложении. Наконец, цепи, используемые для переноса данных из матрицы изображения к другим устройствам на системной плате, таким как цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) (DSP) и прочие цепи обработки изображений, имеют большую емкость и требуют напряжений выше, чем остальные цепи. Поскольку токи, связанные с зарядом и разрядом этих конденсаторов, как правило, значительны, ПЗС формирователь практически не пригоден для портативных или питаемых от аккумуляторов оперативных приложений.

Как таковые, желательны менее дорогие датчики изображения, изготовленные на интегральных схемах с помощью стандартных КМОП процессов. По существу, в формирователе изображения КМОП типа фотодиод фототранзистор или иной подобный прибор используется в качестве фотоэлектрического элемента. Выход этого фотоэлектрического элемента представляет собой аналоговый сигнал, величина которого приблизительно пропорциональна количеству света, принимаемого этим элементом. КМОП формирователи изображения предпочтительнее в некоторых приложениях, поскольку они используют меньшую мощность, имеют более низкую стоимость изготовления и предлагают более высокую системную интеграцию по сравнению с формирователями изображений, изготовленными с помощью ПЗС процессов. Кроме того, КМОП формирователи изображения имеют дополнительные преимущества в том, что они могут изготавливаться с помощью процессов, аналогичных тем, которые обычно используются для изготовления логических транзисторов. Хотя предпочтительный вариант осуществления изобретения включает в себя КМОП датчик в качестве формирователя 56 изображения, любой твердотельный датчик изображения будет работать и находиться в объеме защиты настоящей заявки.

На фиг.4В фотокатод 54 может быть стандартным фотокатодом, который используется в любом известном типе усиливающего изображение устройства. Фотокатод 54 может быть, но не ограничивается этим, таким материалом, как GaAs, Bialkali, InGaAs и т.п. Фотокатод 54 включает в себя входную сторону 54а и выходную сторону 54b. МКП 53 может быть, но не ограничивается этим, кремниевым или стеклянным материалом и предпочтительно имеет толщину примерно от 10 до 25 мм. МКП 53 имеет множество каналов 52, образованных между входной стороной 49 и выходной стороной 50. Каналы 52 могут иметь любой тип профиля, к примеру, круглый профиль 52′ (фиг.6А) или квадратный профиль 52 ((фиг.6В). МКП 53 соединяется с принимающей электроны поверхностью 56а формирователя 56 изображения.

Предпочтительно, выходная поверхность 50 МКП 53 находится в физическом контакте с принимающей электроны поверхностью 56а формирователя 56 изображения. Однако между МКП 53 и формирователем 56 изображения может потребоваться изоляция. Соответственно, между выходной поверхностью 50 МКП 53 и принимающей электроны поверхностью 56а формирователя 56 изображения может быть введен тонкий изолирующий разделитель 55. Изолирующий разделитель 55 может быть выполнен из любого электроизолирующего материала и предпочтительно сформирован в виде тонкого слоя не более нескольких микрон толщиной, нанесенного поверх принимающей электроны поверхности 56а формирователя 56 изображения. Например, такой изолирующий разделитель может быть, но не ограничивается этим, пленкой приблизительно 10 мкм толщины. Альтернативно, изолирующий разделитель 55 может быть пленкой, образованной на выходной поверхности 50 МКП 53 (не показано).

КМОП формирователь 56 изображения включает в себя принимающую электроны поверхность 56а и выход 56b. Увеличенное число электронов 47, испущенных из МКП 53, ударяют принимающую электроны поверхность 56а. Принимающая электроны поверхность 56а содержит множество коллекторных карманов 65 (фиг.5С). Электроны 47 (см. фиг.4В), собранные в коллекторных карманах 65, обрабатываются с помощью стандартного оборудования обработки сигналов для КМОП датчиков для получения интенсифицированного сигнала изображения, который посылается через выход 56b на устройство 46 отображения изображения.

Цепь 44 электрического смещения обеспечивает ток смещения на датчик 41. Цепь 44 электрического смещения включает в себя первое электрическое соединение 42 и второе электрическое соединение 43. Первое электрическое соединение обеспечивает напряжение смещения между фотокатодом 54 и МКП 53. Напряжение смещения от первого электрического соединения 42 предпочтительно устанавливают так, чтобы оно было меньше, чем напряжение смещения катода датчика EBCCD/CMOS к напряжению ПЗС, т.е. 2-10 кВ. Например, одно предпочтительное напряжение смещения может быть аналогичным напряжению в электронно-оптическом преобразователе, такому как 1400 В. Второе электрическое соединение 43 прикладывает напряжение смещения между МКП 53 и КМОП датчиком 56. Предпочтительно, напряжение смещения, приложенное через второе электрическое соединение 43, значительно меньше, нежели в электронно-оптическом формирователе экранное напряжение около 4200 В в известных из уровня техники устройствах (фиг.1). Например, напряжение смещения, приложенное через второе электрическое соединение 43, может быть, но не ограничивается этим, примерно 100 В. Фиг.4А иллюстрирует одну возможную конфигурацию датчика 41. В этой конфигурации фотокатод 54, МКП 53 и формирователь 56 изображения содержатся в вакуумном корпусе или оболочке 61 как единый блок в тесной физической близости друг к другу.

На фиг.4В при работе свет 58, 59 от изображения 57 входит в интенсифицированный гибридный твердотельный датчик 41 через входную сторону 54а фотокатода 54. Фотокатод 54 преобразует поступающий свет в электроны 48, которые являются выходом из выходной стороны 54b фотокатода 54. Электроны 48, выходящие из фотокатода 54, входят в каналы через входную поверхность 49 МКП 53. После того как электроны 48 бомбардируют входную поверхность 49 МКП 53, вторичные электроны генерируются во множестве каналов 52 МКП 53. МКП 53 может генерировать несколько сотен электронов в каждом из каналов 52 для каждого электрона, входящего через входную поверхность 49. Таким образом, число электронов 47, выходящих из каналов 52, значительно больше, чем число электронов 48, которые входят в каналы 52. Интенсифицированное число электронов 47 выходит из каналов 52 через выходную сторону 50 МКП 53 и ударяется о принимающую электроны поверхность 56а КМОП формирователя 56 изображения.

Фиг.6А-6В иллюстрируют, каким образом увеличенное число электронов 47 выходит из каналов 52 (т.е. каналов 52′ на фиг.6А, каналов 52 на фиг.6В) и ударяется в конкретный коллекторный карман 65′ КМОП формирователя 56 изображения. Как можно видеть из этих иллюстраций, существует соотношение между коллекторными карманами 65′ и числом каналов 52, которые испускают электроны 47. В общем, соседние каналы 52 МКП 53 разнесены на заранее заданный канальный шаг 52а. Фиг.6А-6В иллюстрируют канальный шаг 52а, который проявляется в более чем одном канале 52 на коллекторный карман 65′.

Фиг.7А-7С иллюстрируют три различных варианта соотношений КМОП кармана/канального шага согласно изобретению. Фиг.7А иллюстрирует одно соотношение между канальным шагом 52 и КМОП карманом 65′. В этом случае канальный шаг 52 относительно мал, тогда как размер КМОП кармана 65′ относительно велик. Это дает возможность нескольким электронам 47 из одного или нескольких каналов 52 ударять КМОП коллекторный карман 65′. Фиг.7В иллюстрирует другое соотношение КМОП кармана/канального шага. В этом варианте осуществления канальный шаг 52 и размер КМОП коллекторного кармана 65′ находятся приблизительно в отношении один к одному. По сути дела, электроны 47′ из единственного канала 52 ударяют единственный коллекторный карман 65′. Фиг.7С иллюстрирует другое соотношение КМОП кармана/канального шага, где канальный шаг 52 относительно велик, а размер КМОП коллекторного кармана 65′ относительно мал. В этом случае электроны 47 из единственного канала 52 ударяют множество коллекторных карманов 65′. Хотя каждая из этих структур обеспечивает различные преимущества, показанное на фиг.7А соотношение является предпочтительным для настоящего изобретения.

В результате интенсифицированный гибридный твердотельный датчик работает в иных условиях, нежели любая из других известных из уровня техники моделей. Результат состоит в том, что МКП 53 может устанавливаться непосредственно на КМОП датчик 56, обеспечивая гибридное устройство, близкое к противоположному полностью твердотельному устройству, но с низким гало, хорошим отношением сигнал-шум и логарифмическим усилением электронно-оптического преобразователя. Поскольку рабочие напряжения ниже, это гибридное устройство может стробироваться как усилитель изображения, разрешая работать в условиях от скрытого света звезд до работы в дневное время. Гибридный датчик имеет меньшее гало из-за отсутствия физического зазора между МКП 53 и КМОП датчиком 56. Это отсутствие физического разделения в двух компонентах объясняет также, почему улучшается контраст по сравнению с EBCCD/CMOS или усиливающей изображение камерой. Гибридное устройство имеет логарифмическую кривую усиления электронно-оптического преобразователя. В отличие от EBCCD/CMOS датчика гибридный датчик может стробироваться благодаря низким катодным напряжениям.

Многие компоненты в усиливающих отображение трубках относятся к устройствам выборки. Такие устройства выборки собирают дискретный пространственный отсчет входного сигнала и выдают дискретный отсчетный выходной сигнал. Примерами таких устройств выборки в усиливающих изображение трубках являются микроканальная пластина и волоконно-оптический экран. К примеру, МКП собирает входные электроны в порах/каналах и выходные электроны из тех же самых пор/каналов. В случае волоконно-оптического устройства каждое отдельное волокно собирает пространственную выборку света, тем самым ограничивая свет внутри волокна, и проецирует дискретизированное изображение на выход волокна.

Когда такие пространственно дискретизированные сигналы перекрываются друг другом, на выходе могут наблюдаться несколько картин. Фиг.8 иллюстрирует конфигурацию 800, относящуюся к пикселам твердотельного датчика изображения, перекрытого каналами устройства электронного умножителя. Конкретнее, конфигурация 800 иллюстрирует пикселы 802а, 802b, 802с и 802d твердотельного датчика изображения, перекрытого каналами 804а, 804b, 804с, 804d, 804е, 804f и 804g устройства электронного умножителя. Конфигурация 800 иллюстрирует несовпадение выборки между твердотельным датчиком изображения и устройством электронного умножителя. Конкретнее, некоторые части каналов 804а, 804b, 804с, 804d, 804е, 804f и 804g совпадают с пикселами 802а, 802b, 802с и 802d; однако другие части каналов 804а, 804b, 804с, 804d, 804е, 804f и 804g не совпадают с пикселами 802а, 802b, 802с и 802d.

Эти несовпадения при просмотре (например, лицом, просматривающим монитор) могут выделяться как одна из нескольких нежелательных электронно-оптических картин. К примеру, такая электронно-оптическая картина (узор) известна как муар. Муар (и иные электронно-оптические узоры, такие как наложение спектров) очень мешают лицу, старающемуся рассматривать реальные объекты через такие несовпадающие картины.

Такие оптические картины (например, несовпадающие узоры) часто проявляются, когда качество оптического переноса от одного элемента к другому очень хорошее. Например, фиг.8 иллюстрирует такое высокое качество переноса. На фиг.8, если бы края пикселов и/или каналов не были настолько ясными (т.е. края были бы размытыми), действительное просматриваемое изображение могло бы не отображать муаровых узоров. Когда устройство электронного умножителя (например, МКП) прикладывается в контакте (или практически в контакте) с твердотельным датчиком изображения (к примеру, КМОП формирователем изображения), между каналами устройства электронного умножителя и пикселами твердотельного датчика изображения осуществляется перенос изображения очень высокого качества. В таких конфигурациях оптические узоры несовпадения, такие как муары, проявляют тенденцию быть видимыми.

Согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения муар и иные нежелательные оптические картины исключаются или практически снижаются (1) размещением множества каналов в устройстве электронного умножителя во множестве канальных картин, (2) размещением множества пикселов твердотельного датчика изображения во множестве пиксельных картин и (3) сопоставлением каждой из множества канальных картин соответствующей из множества пиксельных картин, чтобы электронные сигналы от каждой из множества канальных картин практически попадали на соответствующую единственную из пиксельных картин. Это совмещение может быть любым из числа конфигураций при условии, что сигналы от каждой из канальных картин практически совмещаются с соответствующей из пиксельных картин, так что не возникает оптического несовпадения (такого, как проиллюстрировано на фиг.8).

Согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения каждая из множества канальных картин может совмещаться вращением и переносом с соответствующей из множества пиксельных картин (узоров).

Например, фиг.9А иллюстрирует примерное сопоставление 900, где сопоставление 900 включает в себя пикселы твердотельного датчика изображения (размещенные как 4-пиксельные узоры, причем каждый из пиксельных узоров включает в себя единственный пиксел), перекрытые каналами устройства электронного умножителя (размещенными как 4-канальные узоры, причем каждый из канальных узоров включает в себя единственный канал) (вследствие сопоставления/регистрации канальных узоров в пиксельные узоры на фиг.9А каждое из сопоставлений проявляется как единый квадрат; однако каждый из квадратов фактически представляет пиксельный узор, перекрытый канальным узором). Конкретнее, сопоставление 900 иллюстрирует пикселы 902а, 902b, 902с и 902d (каждый из которых представляет пиксельный узор, имеющий единственный пиксел) твердотельного датчика изображения, перекрытые каналами 904а, 904b, 904с и 904d (каждый из которых представляет канальный узор, имеющий единственный канала). В этом варианте осуществления изобретения единственный из каналов 904а, 904b, 904с и 904d совмещается/сопоставляется с соответствующим из пикселов 902а, 902b, 902с и 902d. Далее, каналы (например, поры МКП) имеют практически тот же самый размер и то же самое межцентровое разнесение, что и пикселы (например, пикселы датчика изображения).

В некоторых примерных вариантах осуществления настоящего изобретения желательно совмещать каналы устройства электронного умножителя с пикселами твердотельного датчика изображения во время сборки формирователя изображения. Один способ сборки для обеспечения должного совмещения состоит в просвечивании устройства электронного умножителя, тем самым позволяя наблюдать отраженный узор твердотельного датчика изображения. Если виден узор нежелательного несовпадения (к примеру, муар), то каналы устройства электронного умножителя практически совмещаются с пикселами твердотельного датчика изображения. Разумеется, доступны и иные способы совмещения.

Фиг.9А является только одной из нескольких конфигураций сопоставления, которая обеспечивает совмещение канальных узоров устройства электронного умножителя с соответствующими пиксельными узорами твердотельного датчика изображения. Возможно несколько дополнительных конфигураций. Фиг.9В-9Е являются дополнительными примерами таких конфигураций сопоставления.

Фиг.9 В иллюстрирует примерное сопоставление 910, где сопоставление 910 включает в себя пикселы твердотельного датчика (размещенные как 4-пиксельные узоры, причем каждый из пиксельных узоров включает в себя единственный пиксел), перекрытые каналами устройства электронного умножителя (размещенными как 4-канальные узоры, причем каждый из канальных узоров включает в себя единственный канал). Конкретнее, сопоставление 910 иллюстрирует пикселы 912а, 912b, 912с и 912d твердотельного датчика изображения (каждый из которых представляет пиксельный узор, имеющий единственный пиксел), перекрытый канальными узорами 914а, 914b, 914с и 914d (каждый из которых представляет канальный узор, имеющий единственный канал). В этом варианте осуществления единственный из каналов 914а, 914b, 914с и 914d совмещен с соответствующим из пикселов 912а, 912b, 914с и 912d. Проиллюстрированный на фиг.9В вариант осуществления изобретения подобен варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг.9А, в том что имеется однозначная корреляция между каналами устройства электронного умножителя и пикселами твердотельного датчика изображения; однако каналы устройства электронного умножителя на фиг.9В не имеют практически того же самого размера и/или формы, что и пикселы твердотельного датчика изображения. Несмотря на это, каналы устройства электронного умножителя и пикселы твердотельного датчика изображения совмещаются друг с другом. Вследствие этого совмещения имеется существенное снижение возможности для нежелательных оптических узоров (к примеру, муара).

Фиг.9С иллюстрирует примерное сопоставление 920, где сопоставление 920 включает в себя твердотельный датчик изображения (размещенные как 4-пиксельные узоры, причем каждый из пиксельных узоров включает в себя единственный пиксел), перекрытый каналами устройства электронного умножителя (размещенными как 4-канальные узоры, причем каждый из канальных узоров включает в себя 4 канала). Конкретнее, сопоставление 920 иллюстрирует пикселы 922а, 922b, 922с и 922d твердотельного датчика изображения (каждый из которых представляет пиксельный узор, имеющий единственный пиксел), перекрытые каналами 924а, 924b, 924с и 924d (четыре из которых представляют единственный канальный узор). В этом варианте осуществления изобретения единственный из пикселов 922а, 922b, 922с и 922d сопоставляется/совмещается с соответствующим канальным узором, где каждый из канальных узоров включает в себя четыре канала (т.е. четыре из каналов 924а, 924b, 924с и 924d соответственно). Сопоставление/совмещение канальных узоров устройства электронного умножителя и пиксельных узоров твердотельного датчика изображения дает существенное снижение возможности нежелательных оптических узоров (к примеру, муара).

Фиг.9D иллюстрирует примерное сопоставление 930, где сопоставление 930 включает в себя твердотельный датчик изображения (размещенные как 9-пиксельные узоры, причем каждый из пиксельных узоров включает в себя единственный пиксел), перекрытый каналами устройства электронного умножителя (размещенными как 9-канальные узоры, причем каждый из канальных узоров включает в себя 4 канала). Конкретнее, сопоставление 930 иллюстрирует пикселы 932а, 932b, 932с, 932d, 932е, 932f, 932g, 932h и 932i твердотельного датчика изображения (каждый из которых представляет пиксельный узор, включающий в себя единственный пиксел), перекрытые каналами 934а, 934b, 934с, 934d, 934е, 934f, 934g, 934h и 934i (каждый из которых представляет канальный узор, имеющий единственный канал). В этом варианте осуществления изобретения единственный из каналов 934а, 934b, 934с, 934d, 934е, 934f, 934g, 934h и 934i сопоставляется/совмещается с соответствующим из пикселов 932а, 932b, 932с, 932d, 932е, 932f, 932g, 932h и 932i. Сопоставление/совмещение канальных узоров устройства электронного умножителя и пиксельных узоров твердотельного датчика изображения дает существенное снижение возможности нежелательных оптических узоров (к примеру, муара).

Фиг.9Е иллюстрирует примерное сопоставление 940, где сопоставление 940 включает в себя твердотельный датчик изображения (размещенные как 4-пиксельные узоры, причем каждый из пиксельных узоров включает в себя четыре пиксела), перекрытый каналами электронного умножителя (размещенными как 4-канальные узоры, причем каждый из канальных узоров включает в себя единственный канал). Конкретнее, сопоставление 940 иллюстрирует пикселы 942а, 942b, 942с и 942d (четыре из которых представляют единственный пиксельный узор) твердотельного датчика изображения, перекрытые каналами 944а, 944b, 944с и 944d (каждый из которых представляет канальный узор, имеющий единственный канал). В этом варианте осуществления изобретения единственный из каналов 944а, 944b, 944с и 944d сопоставляется/совмещается с соответствующим пиксельным узором, где каждый из пиксельных узоров включает в себя четыре пиксела (т.е. четыре из карманов 942а, 942b, 942с и 942d соответственно). Сопоставление/совмещение канальных узоров устройства электронного умножителя и пиксельных узоров твердотельного датчика изображения дает существенное снижение возможности нежелательных оптических узоров (к примеру, муара).

Варианты осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированные на фиг.9А-9Е и описанные выше, являются по своей природе примерными. Предполагаются различные альтернативные конфигурации. Например, число каналов в каждом из канальных узоров и/или число пикселов в каждом из пиксельных узоров может варьироваться в соответствии с настоящим изобретением. Далее, размер и/или форма каналов и/или пикселов может варьироваться в соответствии с настоящим изобретением. Более того, сопоставление канальных узоров с пиксельными узорами может также варьироваться в соответствии с настоящим изобретением.

Как используется здесь, пиксел предназначен для обозначения элемента датчика изображения (например, твердотельного датчика изображения), который принимает электроны или электронную энергию. Пикселы включают в себя карманы для хранения принятой электронной энергии.

Вышеприведенное подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения излагает наилучший режим, предполагаемый изобретателем для выполнения изобретения во время подачи данной заявки, и представляется посредством примера, а не ограничения. Соответственно, считается, что различные модификации и изменения, очевидные для специалиста в области, к которой оно относится, лежат в пределах объема и сущности изобретения, как оно изложено в нижеследующей формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Интенсифицированный твердотельный формирователь изображения, содержащий:
фотокатод для преобразования света от изображения в электроны;
устройство электронного умножителя для приема электронов из фотокатода, причем устройство электронного умножителя выдает большее число электронов, чем устройство электронного умножителя принимает от фотокатода; и
твердотельный датчик сигнала изображения, включающий в себя множество пикселей для приема электронов из устройства электронного умножителя через множество каналов устройства электронного умножителя, твердотельный датчик сигнала изображения генерирует интенсифицированный сигнал изображения из электронов, принятых от устройства электронного умножителя,
при этом множество каналов размещены во множестве канальных картин, а множество пикселей размещено во множестве пиксельных картин, причем каждая из множества канальных картин сопоставляется с соответствующей из множества пиксельных картин, так что электронные сигналы от каждой из множества канальных картин, по существу, принимаются соответствующей единственной из множества пиксельных картин, при этом каналы и пиксели совмещаются друг с другом для предотвращения формирования оптических картин несовпадения, таких как муары.

2. Интенсифицированный твердотельный формирователь изображения по п.1, в котором каждая из множества канальных картин содержит единственный канал, и каждая из множества пиксельных картин содержит единственный пиксель.

3. Интенсифицированный твердотельный формирователь изображения по п.2, в котором каждая из множества канальных картин имеет, по существу, те же самые размер и форму, что и соответствующая из множества пиксельных картин.

4. Интенсифицированный твердотельный формирователь изображения по п.1, в котором каждая из множества канальных картин содержит множество каналов, а каждая из множества пиксельных картин содержит единственный пиксель.

5. Интенсифицированный твердотельный формирователь изображения по п.1, в котором каждая из множества канальных картин содержит единственный канал, а каждая из множества пиксельных картин содержит множество пикселей.

6. Интенсифицированный твердотельный формирователь изображения по п.1, в котором каждая из множества канальных картин содержит множество каналов, и каждая из множества пиксельных картин содержит множество пикселей.

7. Интенсифицированный твердотельный формирователь изображения по п.1, в котором каждая из множества канальных картин совмещается вращением и переносом с соответствующей из множества пиксельных картин.

8. Интенсифицированный твердотельный формирователь изображения по п.1, в котором устройство электронного умножителя содержит многоканальную пластину, а множество каналов содержит множество пор многоканальной пластины.

9. Интенсифицированный твердотельный формирователь изображения по п.1, в котором твердотельный датчик изображения представляет собой ПЗС устройство.

10. Интенсифицированный твердотельный формирователь изображения по п.1, в котором твердотельный датчик изображения представляет собой КМОП устройство.

РИСУНКИ