光学装置的防杂光输入窗及制造该窗的方法

专利名称:光学装置的防杂光输入窗及制造该窗的方法
本发明涉及光学装置的防杂光输入窗，尤其是适于用作图象倍增器的输入窗，并涉及制造该窗的方法。
在有关的技术领域：
中，“图象倍增器”这一术语通常用来描述一种为微光场景提供明亮图象的装置。该装置收集从微光场景发出的光，可见光或红外(IR)光，然后，通过常常是把形成的辐射象转换成等效的电子图象这种过程，对其进行电放大，再将放大的电子图象转换成可见光图象，就可产生远比用肉眼所能观察到的明亮得多的景象。
在过去二十年左右的时间里，图象倍增器的结构和工作方式已经发生了变化，发展了一些更小、更有效的装置。在最早期的图象倍增器中(现在称之为第一代装置)，输入的光辐射通过纤维光学面板在光电阴极层(装在面板另一侧)上成象，产生的电子流被加速(经增强器部分)通过电子聚焦场到达光电阳极，即一荧光或发光屏上，这样，就把入射的电子流又转换成了可见光。稍后，发展了所谓第二代的图象倍增器，这种倍增器中不再采用极其复杂和笨重的纤维光学面板和电一光增强器，而是采用玻璃输入窗(仍带有光电阴极层)以及今日称做“微通道板”的部件，在该板中，所产生的电子几乎都沿着管束中的每一管道(微型通道)跳弹，电子每接触管壁一次都要产生一种电子级联效应，使得在管道输入端的一单个电子能在管道输出端产生出许多电子，输出的电子则被导引到光电阳极或发光屏上，产生出所需亮度的可见光图象。当前，为发展第三代装置正在进行大量地研究工作，第三代装置除了在玻璃阴极窗上装有半导体薄膜外，非常类似于第二代微型通道板装置;常用的第三代装置之阴极材料有砷化镓、砷化镓钴和砷化铟镓。
第二代和第三代图象倍增器都采用了与某一电子生成部件(阴极)相邻的微通道板，在电子发生部件的另一侧即输入侧，都有一清晰的玻璃输入窗，视场景象发生的光即通过此输入窗进入倍增器。通常，该窗将倍增器的内部零件与周围环境隔开，而它的与电子发生部件相邻的内表面则一般用来支承一导电层结构，构成了与电子发生部的电连接。不幸地是，最常用的那种输入窗其结构形状会使导电层由于窗和导电层界面的轴外光线射入倍增器本身时，产生内反射而带来严重问题，结果将形成虚象。
倍增器输入窗一般加工成使其横截面得以用很粗很短的T字来最恰当描述的形状，窗的主体是T字的直立部分，在它的一面(输入侧的外面)有一径向圆周凸台，构成T字的横道。最后，内面边缘(由T字竖道上的底角所规定)则构成斜面(约45°)，此斜面一直延伸到凸台。
如上所述，输入窗是用来支承一相连接的导电层的，此导电层通常取蒸涂金属膜的形式，导电层一般设置在前述倾斜表面上并且是处于同凸台相邻的下表面上。显然，按照与法线相交成某个角入射到此窗口的光线，即从倍增器轴外光源入射的光线是可以根据其精确的入射角度，而在窗片或导电层的界面被很好地反射，然后，继续进入增强器内而形成一虚象或重形。
轴外光源产生的重影给倍增器的使用者带来很大困难。曾经试验过多种方法来消除重影或至少减小到可接受的程度。其中之一是采用所谓“牛眼”或“土星”窗作为输入窗的，这类窗的中心部分(即T字竖直部分的中心段)由透明玻璃制成，而其余部分即凸台(T字的横道)和与倾斜表面(T字竖直段的外部)相邻的部分则由深色的(通常为黑色的)光吸收玻璃制造。此种阴极窗已公开在美国专利4406973号中。
已知的上述这种输入窗其缺点是，在深色玻璃和透明玻璃界面上仍会产生有害的反射而形成虚象。另外，这种窗片也难于制造因而价格昂贵。根据美国专利4406973号，该输入窗的制造方法如下，首先，取一大块透明玻璃并在这块玻璃上加工出一环形通道。往此环形通道内注入液态的黑色玻璃，再把所得到的由透明玻璃和黑色玻璃构成的圆盘机加工成由黑色玻璃的周边部分包围住一圆柱形透明玻璃芯之T形输入窗。
另一种制造这类输入窗的方法是，将一直径适当的深色玻璃管热套装到一具有适当直径的透明玻璃棒上，将做好的棒锯成许多块圆盘件，每一圆盘件都具有所需输入窗的总尺寸，然后，通过机加工去掉多余的深色玻璃，再将每块圆盘外表面制做成标准形状。
在上述两种方法中，准确地给圆盘定心以进行机械加工非常困难，而且玻璃又经常是偏心切削，这样，就会在倒斜部分的最小直径段附近将透明玻璃暴露出来。在继后的加工阶段，输入窗的倾斜表面将被一金属导电层盖住，这将会产生有害的反射。
还有，上述两种方法都易在深色玻璃和透明玻璃界面处产生机械性的破裂和生成气泡。
另外，从PCT专利WO84/04821号申请中得知，可采用这样一种方法来制造排除轴外光辐射的输入窗，首先，取一块圆柱形透明玻璃芯棒，然后用含有薄层纤维的特种玻璃或吸收光辐射的玻璃薄片包住圆柱形芯棒的表面。包层玻璃首先制成平板，然后将其切成斜条，再将斜条排置于芯棒的圆柱形表面上然后熔合。
上述这种方法相当复杂因而价格昂贵。还有，在包层玻璃和芯棒玻璃界面处仍会产生部分反射，且在包层玻璃和芯棒玻璃的交界面处很容易产生机械性破裂和生成气泡。
本发明旨在提供一种防杂光玻璃输入窗及其制造方法。此种窗口制造简单、价格低廉，而且至少具有同样的效果甚至更佳。
因此，本发明一方面要提供一种用于图象倍增管的防杂光玻璃窗，该窗口包括一透明玻璃面板，在其整个周边表面具有吸收辐射、游离金属感应的“色心”。
本发明的另一方面则是为本发明的防杂光输入窗提供一种制备方法，其中，至少是在预成形的透明玻璃窗之周边表面的一薄层中形成色心。
下面，对照所附的图来描述本发明，但这里仅仅是以举例方式来描述图1是一既有技术的第三代图象倍增器的横截面示意图，表明了其主要结构和轴外辐射光源所引起的问题;
图2A、2B分别是既有技术中“牛眼”输入窗的横截面示意图，其中一部分已予放大，用来表明某些可能的缺陷;
图3A、3B、3C是按照本发明方法的一个实例，就所发明的输入窗展示了在其不同制造阶段时的一系列横截面示意图;
图4是按照本发明的一改进的方法。
既有技术中典型的图象倍增器装置示于图1。该装置包括沿光轴Ⅰ-Ⅰ配置的物镜11;T形透明玻璃倍增器输入窗12，窗片12内表面中心区托承的光电阴极13，它通过由窗12内表面圆周区域上的导电金属层14连接到电源(未示出)上;一微型通道极15;一带有荧光屏17并将光线导向目镜18的光学纤维出射窗16。输入窗12(包括光电阴极13)、微型通道板15和出射窗16(包括光电阳极荧光屏或发光屏17)的间隔是靠密封粘接的绝缘陶瓷管19之类物件保持住的。
可以看到，输入窗的截面为短、粗的“T”形。它具有一与T字的竖道相对应的中心部分12C和一凸台部分12d，T字中竖道的底部(如图所示)角或边缘是倾斜的(如12b所示)，结果可获得一从光电阴极13延伸至凸台12d的圆锥表面，而圆锥表面的最小直径部分则是在光电阴极处。
从近轴物体出射的两条光线R1和R2示于上述同一图中。图中还示出了从远轴光源A出射的一条光线R3，同时也表明该光线是如何从金属层14上反射从而在光电阴极13上产生物体的重影G。由于重影和正确象一样被倍增器放大，并由于意外光路R3的重影总会处于离焦位置，所以该重影对使用者会产生有害的影响。
曾有过一段时间，把“牛眼”或“土星”式图象倍增器面板设计成在面板中产生内反射来防止重影形成，这种倍增器可在市场上买到。美国4406973号专利对其进行了描述并示意于图2的横截面图中。在这类输入窗中，圆柱形中心部分12c′，即T字竖道的芯体，是透明玻璃，而周边部分，包括凸台12d′和相邻斜面12b′的部分12e是黑色玻璃。
如前所述，已知的输入窗是用任选方法将一环形黑玻璃粘到圆盘状透明玻璃上，再将粘好的产品机加工成所需的形状。在这种窗口中，在其深色玻璃和透明玻璃之间，可获得轮廓分明的界面，这就造成了图2B中以22表示的杂光反射。
图2B还表明了在斜面部分12b′的机加工中，由于窗口轻度偏心导致23所示的暴露的倾斜透明玻璃表面。这一暴露的倾斜表面23会产生21所示的杂光反射，特别是在窗的倾斜表面涂上导电层14后，这种现象尤为严重。
本发明输入窗的一个实施例示于图3c中。图3A和3B为表明此种输入窗在以某种方法制备时的几个阶段。图3A表明输入窗的最终形式，但仍然全部是透明玻璃。这种图象倍增器中最常用的透明玻璃为(美国)康宁(Corning)7056型玻璃，即硼硅酸盐玻璃，这种玻璃含有少量的稀土金属和其他金属的氧化物。另一种适用的玻璃为(法国)索维尔(Sovirel)801.51型玻璃。
这两种玻璃之所以能适用有许多原因，其中包括机械性能，膨胀系数以及采用该输入窗的装置之光学要求。这类玻璃含有约67%的二氧化硅，19%的三氧化二硼和痕量的钠、锂、砷、钴以及少量的三氧化二铝和氧化钾与百万分之几的其他杂质，如镧和锆的氧化物。以后可以认识到，从原则上讲，其他种类的玻璃也是可以采用的，只要它们具有足量的金属氧化物或游离金属。
按照本发明优选的实施例，玻璃中的金属氧化物至少要在布满窗口倾斜部分的薄表层处转变成色心。
金属氧化物变成色心的这种转换，是在透明玻璃窗所要求的区域将金属氧化物还原成自由金属原子而实现的。自由金属原子形成色心并强烈吸收光辐射，特别是可见光和红外线，因而在透明玻璃中表现为一深色层。
众所周知，在碱金属卤化物晶体中，如氯化钠、氯化钾和溴化钾中可观察到色心的形成(这在普通的固体物理教科书如麦克米伦公司1952年出版的A.J.德克尔的《固体物理》中也有过描述)。色心又称做“F-心”，它产生在晶体晶格变成非化学当量时即相对于卤素有剩余的金属时。自由金属原子在特征波长光下变成吸收光的晶格点。在金属卤化物晶体中，当晶体加热到600至700℃时，就会显色。
虽然本发明中所用的“色心”一词可能对于实际经历的过程并不严格准确，但它代表了一个相当正确的经验解释，并且该术语基本上是按这个意义来解释的。可以相信，在本发明中从优选择的方法中，还原剂的作用，使玻璃中的金属氧化物还原，而在化合物中引起了非化学计量的配比(相对于氧化物有剩余的金属)，这就导致了类似于众所周知的卤化物的光吸收方式。由于玻璃(如康宁7056型玻璃)是一种由多种金属氧化物和作为少量杂质的卤化物等的复杂混合物，因此，通过加热可以产生许多的单一吸收波长，从而引起普遍的变黑效应。
应该注意到，可以通过另一种方法在透明玻璃窗中形成色心，例如采用一种从本质上来说是将金属原子扩散到玻璃中的离子注入技术。根据从本发明方法中从优选取的实施例，色心是通过上述的还原金属氧化物而形成的。
这样，可将图3A所示的透明玻璃放入还原气体环境，如氢气环境中，使还原气氛扩散入此透明玻璃的表面层。虽然还可使用其他还原气体，但以氢气为最佳。氢气相对于其他气体来说价格低廉、易于处置，且由于其分子尺寸小，对所需深度例如0.5mm或更浅色心薄层的扩散足以快速地在很短时间内形成。扩散是在适当的高温下进行的。当然，具体温度要根据气氛种类、开机的时间和其他因素(如玻璃性质)来定，对于氢气来说，大致上比较满意的温度是600至800℃，采用康宁7056型玻璃的最佳温度范围是620至700℃。
扩散的还原气氛在浅表层将大部分或全部金属氧化物还原成游离金属(实际上，某些这种“游离”金属还松散地与金属氧化物组合在一起，形成各种低氧化物，在本文中同时为了本说明书的目的，将这些物质都划入“游离金属”之中)。
还原气氛进入输入窗玻璃表层的扩散速度取决于温度、气体性质和玻璃表面的物理性能。平滑表面表现为一均匀的阻挡层，而显微镜检查粗糙、有凹坑甚至裂纹的表面，则由于此种气氛能很快到达凹坑或裂缝底部，而扩散加速进行并深入到表层更深的地方。这种显微镜检的糙度可由于采用强碱(典型的为碱金属的氢氧化物如氢氧化钠)或溶解玻璃的酸(如氢氟酸)轻微腐蚀玻璃表面而加剧。这种腐蚀作用优先发生在那些早先研磨加工中已损坏之玻璃表面的各个点和区域中，例如在1%的氢氟酸水溶液中将玻璃腐蚀1分钟，会使玻璃表面结构的损害加剧到在500倍显微镜下看清，也就是说，大约可以看清0.001毫米宽和深的细小裂缝。在已给温度下产生一定变黑程度的所需时间，可通过腐蚀大大减少，通过精确选定温度、玻璃和其他条件，很容易将这种时间缩短到原来的五分之一。
还原剂的作用可只限于将表面区域变黑，这样，将直接产生如图3c所示的窗。图3c所示的窗在倾斜部分的表面和在凸台下部及圆周表面均已变黑。变黑由图中的阴影部分表示。为此，可在金属氧化物还原成游离金属原子前，用一层保护材料分别涂覆于窗内、外的主要部分表面30和31上，而在还原后再去掉这种保护层即可。另外，还可以将这种窗片置于适当的支架内，将表面30和31与还原气氛隔离。
按照本发明方法从优选定的实施例，此种窗的整个表面将置于还原气氛中，这样，如图3B所示，整个表面都会成为吸收辐射的色心层，然后，从上述内、外主要表面上的这些区域上有选择地去掉不需要的色心层，以获得图3C所示的窗口。除去工作是通过相当简单的平面对平面研磨技术完成的，在此不需作进一步讨论。
图象倍增器的实验用阴极窗按如下步骤制造，首先将康宁7056型玻璃加工成窗片，然后，在1%的氢氧化钠水溶液中将此窗片的整个表面腐蚀一分钟。
在腐蚀工序完成后，窗片在600至700℃范围内的不同温度下于氢气环境中加热。在24至40小时内通过在表层形成色心而获得充分变黑，且不会在玻璃中产生机械变形(蠕变)。接着，将窗片的输入和输出面作简单的平面对平面研磨，除掉这些面上的色心层而获得所需要的防杂光窗。
显然，通过本发明方法获得的变黑部分肯定与窗的光轴是同轴的，而且由于这种窗片实际上还是匀质的，所以就可避免机加工破损。
至此，已将本发明的防杂充窗作为适用于图象倍增装置的部件进行了描述。然而，它在必须或希望抑制周边区域的杂光反射之其他光学系统中也还有某些作用。这些系统的一个例子是LEDDlCON型电视显象管。本发明特别适用于以康宁7056型玻璃(或类似玻璃)为面板窗和在约650℃下将砷化镓光电阴极粘接到面板上的第三代图象倍增器。由于砷化镓本身是一种检测器，它特别适用于在粘接期间或其后将玻璃变黑，因而此种变黑部分能通过这种检测器正确定中。
图4示意地表明了用于第三代图象倍增器的T形输入窗40。该窗片处于如上所述的已进行腐蚀但尚未变黑阶段。在窗片40旁边示出了一圆盘形光电阴极，其直径与高的内表面31(在特制造的图象倍增器中)一样，并基本上包括着砷化镓圆盘41，在其一个主要面上复盖有一层已知的氮化硅防反射层42，而在背离砷化镓圆盘防反射层的一面则涂有二氧化硅层43。圆盘形的光电阴极通过将其二氧化硅表面层压贴到窗片内表面31上(如箭头44所示)，然后再加热到约650℃而粘接到窗片的内表面31上。此时，如果加热是在氢气环境中进行，窗片自由表面附近的金属氧化物将还原成游离金属原子，这样，变黑就会产生于将光电阴极粘接到窗上的过程内。
当然，窗的外主表面30应与氢气环境隔离，否则，已变黑的部分以后又会消失。
权利要求
1.根据本发明所提出的一种用于光学装置的防杂光输入窗，特别是适用于做为图象倍增器的输入窗，其特征为该窗片包括一透明玻璃面板，在该面板的整个周边表面的浅表层上有一吸收辐射的游离金属感生的色心。
2.按照权利要求
1的一种输入窗，其特征为此透明玻璃面板由含有可还原的金属氧化物的玻璃组成。
3.按照权利要求
2的一种输入窗，其特征为所述玻璃为硼硅酸盐玻璃，其中含有67%的二氧化硅、19%的三氧化二硼和少量的三氧化二铝和氧化钾及痕量的钠、锂、砷、钴和其他杂质，还特别含有百万分之几的镧和锆。
4.按照权利要求
1的一种输入窗，其特征为浅表层的深度为0.5毫米或更小。
5.按照权利要求
1用做图象倍增器输入窗的一种输入窗，该输入窗从横截面上看呈短而宽的T字形，具有一输入面和一光电阴极接收面，以及一在输入面侧边的环形凸台与从光电阴极接收面延伸到凸台的斜圆周表面，其特征为具有浅表层的周边表面至少包括有斜表面。
6.按照权利要求
5的一种输入窗，其特征为具有浅表层的周边表面还包括凸台侧表面和凸台中背离输入面的表面。
7.一种具有玻璃输入窗的图象倍增器装置。该输入窗的横截面为短而宽的T字形，它具有一输入面和光电阴极接收面，在输入面一侧具有一圆形凸台还有一从光电阴极接收面延伸至凸台的倾斜式周边表面，其特征为由透明玻璃制成的输入窗至少在倾斜表面的整个浅表层上具有吸收辐射的游离金属感生的色心。
8.一种制备用于光学装置的防杂光玻璃输入窗特别是用做图象倍增器的输入窗之方法，其特征表现在以下步骤上;(a)用透明玻璃窗片预加工成所需形状;(b)至少在窗的周边表面的浅表层内形成吸收辐射的色心。
9.按照权利要求
8的一种方法，其特征为此色心是靠注入金属原子形成的。
10.按照权利要求
8的一种方法，其特征为形成窗片的透明玻璃含有少量可还原的金属氧化物，并且至少是将窗片周边表面在足以使气体还原成份扩散入浅表层的高温下，置于还原气体中，同时至少是部分地将金属氧化物还原成形成色心的游离金属原子。
11.按照权利要求
10的一种方法，其特征为窗片的整个表面都置于还原气氛中，因而含有色心的吸收辐射的浅表层形成于这整个表面上并从不需要的部位上去掉该层。
12.按照权利要求
10的方法，其特征为还原气氛是氢气。
13.按照权利要求
10的一种方法，其特征为;还原气氛中还原成份的扩散是在600℃至800℃下进行的。
14.按照权利要求
13的一种方法，其特征为扩散是在620℃至700℃下进行的。
15.按照权利要求
10的一种方法，其特征为在将窗片置于还原气氛前至少使已预成形之窗片的周边表面粗糙化。
16.按照权利要求
15的一种方法，其特征为这种糙化是通过轻微腐蚀完成的。
17.按照权利要求
16的一种方法，其特征为腐蚀是在含水的氢氟酸中进行的。
18.按照权利要求
16的一种方法，其特征为腐蚀是在含水的氢氧化钠中进行的。
19.一种为光学装置制备防杂光玻璃输入窗的方法，包括如下步骤(a)用含有一定数量可还原的金属氧化物之透明玻酸预成形的输入窗;(b)腐蚀此预成形窗片的整个表面;(c)在620℃至700℃的温度下将腐蚀后窗片的整个表面置于氢气环境中，因此在浅表层形成色心。(d)用机械方法在不需要的部分去掉带色心的一层。
20.一种为具有粘接到输入窗一面的含镓光电阴极的图象倍增器来制备防杂光玻璃输入窗的方法，至少包括用含有一定数量的金属氧化物的透明玻璃预成形输入窗的步骤，至少在窗的周边表面上浅表层内还原金属氧化物的步骤，该还原通过至少将周边表面置于还原气氛中而在浅表层获得游离金属原子，此类游离金属原子构成了吸收辐射的色心;还包括这一步骤在原还过程中将预成形的光电阴极层压紧此窗片的一个主表面，并在压紧和还原过程中于620℃至700℃下加热此窗片，以便在同一过程中使还原气氛中的还原剂扩散入浅表层，并将光电阴极粘接到窗上。
专利摘要
光学装置的防杂光玻璃输入窗，该窗周边上的整个浅表层内有一吸收辐射的游离金属感生的色心。一种制备该窗片，特别是用做图象倍增器之输入窗的方法，包括用透明玻璃预成型，该窗片并在此窗片的至少是其周边表面的浅表层中构成色心。若透明玻璃含有可还原的金属氧化物，则在足够的高温下通过至少是将透明玻璃的周边表面置于还原气氛中，使还原气氛中的还原成分能扩散到窗片的浅表层内并将金属氧化物还原成游离金属原子。
文档编号H01J31/50GK85106363SQ85106363
公开日1987年3月11日 申请日期1985年8月24日
发明者约翰森·罗斯·豪沃思 申请人:老代尔夫特光学工业有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan