微等离子夜视设备的制作方法
【专利摘要】光子传感和放大设备包括光电阴极、与所述光电阴极相对的透明电极以及位于所述光电阴极和所述透明电极之间的等离子室，其中，所述等离子室容纳可电离气体。
【专利说明】微等离子夜视设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及光传感和放大，并更具体地，涉及夜视装置和方法。
【背景技术】
[0002]夜视成像目前是通过收集和放大光完成的。在一种方法中，环境可见光(如月光、星光、植物发光等)被收集、转换成电子、放大并且之后转换为可见的图像。在通常被称为热成像的另一种方法中，由比周围环境温暖的物体(如生物体或车辆发动机)释放的红外光子被捕获，如被电荷耦合器件图像传感器捕获，并且随后图像被处理、放大且之后显示为可见的图像。
[0003]典型的环境光收集型夜视设备包括物镜，该物镜可收集肉眼不容易看见的光，并将收集到的光聚焦到图像增强器上。图像增强器包括光电阴极，其吸收收集到的光，并将其转换为电子。微通道板常被用来进一步放大电子信号。放大的电子信号随后被吸引并撞击到荧光屏上，从而使屏幕发出可见光。由于荧光屏发出与物镜所收集的完全相同的图案和对比度的可见光，所以与物镜观测到的场景紧密相关的图像被产生在荧光屏上。在荧光屏上形成的绿色的图像已成为夜视设备的特点。
[0004]夜视技术的进步给放大带来了显著改善。例如，所谓的“第三代(Gen III)”夜视设备，其电子放大比率为30000到50000，并且光子放大比率(即输出光子除以输入光子)约为20至25。然而，这样的夜视设备相对昂贵并且不容易扩展为大规模。
[0005]因此，本领域技术人员在夜视领域会继续努力研究和开发。
【发明内容】
[0006]在一种实施例中，所公开的光子传感设备可包括光电阴极、与所述光电阴极相对的透明电极以及位于所述光电阴极和所述透明电极之间的等离子室，其中，所述等离子室容纳可电离气体。
[0007]在另一实施例中，所公开的光子传感设备可包括:光电阴极；与所述光电阴极相对的透明电极；位于所述光电阴极和所述透明电极之间的等离子室，其中，所述等离子室容纳可电离气体；以及电压源，其中所述电压源在所述等离子室上施加电压。所施加的电压可小于电离所述可电离气体所需的阈值电压。
[0008]在另一实施例中，所公开的光子传感设备可包括:光电阴极；透明电极，其与所述光电阴极相对；多个等离子室，其在所述光电阴极和所述透明电极之间平行排列，其中，每个等离子室均容纳可电离气体；以及电压源，其在所述等离子室上施加电压。所施加的电压可小于在等离子室内电离所述可电离气体所需的阈值电压。
[0009]在又一实施例中，还公开了用于感应入射光子的方法。该方法可包括步骤:(1)提供容纳可电离气体的等离子腔，(2)在所述等离子腔上施加电压，所施加的电压低于电离所述可电离气体所需的阈值电压，(3)将入射的光子转换为电子，以及(4)将所述电子引入等离子腔。[0010]从下面的详细描述、附图和所附权利要求中将显而易见到所公开的微等离子夜视设备和方法的其他实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是所公开的微等离子夜视设备的一种实施例的示意性侧视图的一部分；
[0012]图2是所公开的微等离子夜视设备的另一实施例的示意性侧视图的一部分；并且
[0013]图3是揭示所公开的放大入射光子的方法的一种实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0014]本发明公开了各种光子传感和放大设备和方法。尽管公开的光子传感设备和方法在夜视和热成像背景中被展示(例如，用于护目镜)，但各种替代性应用，如成像、分析和放射线检测，也被考虑在内，并将不会导致超出本公开的范围。
[0015]参照图1，总体标号为10的所公开的微等离子夜视设备的一种实施例可包括光电阴极12、透明电极14和多个等离子腔16，所述等离子腔16位于光电阴极12和透明电极14之间。电压源18可在光电阴极12和透明电极14上施加电压V。
[0016]光电阴极12可以是根据光电效应来响应入射电磁辐射(箭头A)而发射电子的任何材料或结构和/或由于光电效应而产生自由电子的任何材料或结构。在一种具体构造中，光电阴极12可以响应入射可见光来发射/产生电子。在另一种具体构造中，光电阴极12可以响应入射红外线来发射/产生电子。在又一种具体构造中，光电阴极12可以响应可见光和红外线来发射/产生电子。因此，光电阴极12可用作所公开的微等离子夜视设备10的电子源。
[0017]光电阴极12可包括半导体材料。在一种变化中，可被用于(或用作)光电阴极12的半导体材料可包括P_n结。在另一种变化中，可被用于(或用作)光电阴极12的半导体材料可包括在P型半导体和n型半导体之间的本征区域。在又一种变化中，可被用于(或用作)光电阴极12的半导体材料可以是II1-V族化合物半导体。
[0018]可被用于(或用作)光电阴极12的合适半导体材料的特定例子可包括但不限于硅(Si )、砷化镓(GaAs )、砷化铟镓(InGaAs )、锑化镓(GaSb )、碲化汞镉(HgCdTe )和锑化铟(InSb)0还可设想半导体复合材料可以用于(或用作)光电阴极12。
[0019]在这一点上，本领域技术人员将会理解，所选的用于(或用作)光电阴极12的半导体材料的类型，特别是所选择的半导体材料的带隙，可控制所公开的微等离子夜视设备10对电磁频谱可能敏感的部分。
[0020]可选地，第一透明基体(未示出)可以层叠在光电阴极12的外表面20上。例如，第一透明基体可以是玻璃、聚合物等的层，并可在结构上加强所公开的微等离子夜视设备10。第二透明基体(未示出)可选择性地位于可选第一透明基体和光电阴极12之间以增强靠近光电阴极的导电性。可以可选地包括物镜(未示出)以收集和聚焦光到光电阴极12上。
[0021]透明电极14可与光电阴极12间隔一定距离D，并且可与光电阴极12大致平行。所述距离D可取决于位于透明电极14和光电阴极12之间的等离子腔16的大小、组成和构造以及其他因素。
[0022]透明电极14可以是大体导电的。例如，透明电极14可能有至少100S/cm的电导率,如至少1000S/cm或至少10000S/cm的电导率。此外，透明电极14可以光学上透过正被微等离子夜视设备10观测的光。例如，透明电极14可能有至少百分之50的透光率，如至少百分之75或至少百分之90。
[0023]在一种具体构造中，透明电极14可以是薄膜型、透明导电氧化物。适合作为透明电极14使用的透明导电氧化物的几个例子包括但不限于氧化铟锡(IT0)、铝掺杂的氧化锌以及氟掺杂的氧化锡。
[0024]可选地，第二透明基体(未示出)可以层叠在透明阴极14的外表面22上。例如，第二透明基体可以是玻璃、聚合物等的层，并可在结构上加强所公开的微等离子夜视设备10。
[0025]等离子腔16可被平行设置在光电阴极12和透明电极14之间。因此，每个等离子腔16可以包括电联接到光电阴极12的第一端24以及电联接到透明电极14的第二端26。
[0026]在一种【具体实施方式】中，等离子腔16可被设置为具有多个行和列的阵列。阵列中的每个等离子腔16可对应于图像中的一个像素(或子像素)。因此，等离子腔16的阵列可在等离子点亮时形成图像。
[0027]每个等离子腔16均可容纳可电离气体。合适的可电离气体的例子包括但不限于氦气、氖气、氩气和其他稀有气体以及它们的组合。可选地，可电离气体可以是与载气(如氮气)混合。
[0028]电压源18可在光电阴极12和透明电极14之间施加电压V。所施加的电压V可小于但接近于在等离子腔16内电离可电离气体并点亮等离子(例如微等离子)所需的阈值电压。所述阈值电压可取决于很多因素，比如等离子腔16的大小和位置以及可电离气体的组成。例如，所施加的电压V可为阈值电压的至少70%，比如至少80%、至少90%或至少95%。
[0029]因此，当微等离子夜视设备10暴露于大于光电阴极12带隙的电磁能量时，入射光子(箭头A)可在光电阴极12内激发电子-空穴对。在电子-空穴对分开后，电子可以被引导至一个或更多个等离子腔16内，从而点亮在相应等离子腔16内的瞬态等离子。只要电子流存在，则点亮的等离子就可持续，并可以具有颜色和强度。点亮的等离子通过透明电极14可被视为可见光(箭头B)。
[0030]在这一点上，本领域技术人员会明白，在等离子腔16内形成的等离子的强度可能取决于射入到相应等离子腔16中的电子的数量，其可以是进入光子的数量(箭头A)的函数。在等离子腔16内形成的等离子的强度还可取决于所述可电离气体的组成(这也可影响等离子的颜色)、气体压力和所施加的电压以及其他因素。
[0031]在一种可想到的替代性实施方式中，电压源18施加的电压V可以是或超过在等离子腔16内电离可电离气体所必需的阈值电压。因此，入射光子(箭头A)可导致电子发射到等离子腔16中，这又会改变通过透明电极14作为可见光(箭头B)可被观察的等离子的强度。
[0032]参照图2，总体标号为100的所公开的微等离子夜视设备的另一实施例可包括光电阴极102、透明电极104、多个等离子腔106以及加速栅极108。第一电压源110可在光电阴极102和加速栅极108之间施加第一电压V1,并且第二电压源112可在加速栅极108和透明电极104之间施加第二电压V2。
[0033]微等离子夜视设备100的光电阴极102、透明电极104以及等离子腔106可被配置为如上所述的与微等离子夜视设备10相关的配置。可选的，光电阴极102可被分段为多个光电阴极段102A-102I。每个光电阴极段102A-102I可以关联于对应的等离子腔106。
[0034]因此，微等离子夜视设备100可以以与上面所讨论的微等离子夜视设备10基本相同的方式被构造和操作。然而，如在下面更详细描述的，加速栅极108的添加可促进来自光电阴极102的电子的场致发射。
[0035]加速栅极108可位于光电阴极102和透明电极104之间，并可距离光电阴极102一定的距离S。光电阴极102和加速栅极108之间的距离S的范围可以是在光电阴极102和透明电极之间的距离D (图1)的约0%到约50%，例如是距离D的约5%到约25%。
[0036]第一电压源110可在光电阴极102 (负)和加速栅极108 (正)之间施加第一电压V1O所述第一电压V1可以产生电场。因此，当光电阴极102被照射时(箭头A’)，电场会诱发从光电阴极102的内表面114的电子的场致发射，并可以使电子加速进入到等离子腔106内。
[0037]第二电压源112可在加速栅极108与透明电极104之间施加第二电压V2。该第二电压V2可小于但接近在等离子腔106内电离可电离气体且点亮等离子(如，微等离子)所必需的阈值电压。交流电压可被可选用作第二电压V2,以抑制透明电极104上的侵蚀。
[0038]因此，加速到等离子腔106的场致发射电子可以点亮在等离子腔106的等离子，从而通过透明电极104发出可见光(箭头B’)。可选地，第一电压V1的幅值可以被选择成使得等离子点亮不会发生在光电阴极102和加速栅极108之间的间隙116内，而只发生在加速栅极108和透明电极104之间。
[0039]参照图3，还公开了总体标号为200的用于感应和放大入射光子的方法。方法200可被用于各种各样的应用，包括但并不限于夜视(可见光和近红外线)和热成像(红外线)。
[0040]方法200可从方框202的提供多个等离子腔的步骤开始。等离子腔可被平行布置在光电阴极和透明电极之间。每个等离子腔均可容纳可电离气体(或可电离气体的混合物)。
[0041]在方框204中，电压可被施加到等离子腔上。所施加的电压可小于(例如，刚好小于)在等离子腔106内电离可电离气体且点亮等离子所必需的阈值电压。
[0042]在方框206中，入射光子可被转换为电子。将入射光子转换为电子的步骤可由光电阴极执行。可选的加速栅极可影响电子从光电阴极的场致发射。
[0043]在方框208中，电子可被引入到等离子腔。电子引入到等离子腔后，等离子腔内的电能会足以点亮在等离子腔内的等离子，从而输出可见光(即，输出光子)。
[0044]因此，所公开的方法200采用偏置电压来响应入射光子产生输出光子的微等离子，从而有效地放大所述入射光子。
[0045]所以，所公开的微等离子夜视设备和方法响应入射光子来产生可见等离子，并且因此，有着大功率光子放大器的功能。通过仔细选择光电阴极材料(例如，使用先进的半导体材料)以及工程设备的拓扑结构和等离子点亮参数，可实现比使用当前夜视技术(如第三代夜视)所实现的至少提高约I至2个数量级的光子放大率。
[0046]虽然公开的微等离子夜视设备和方法的多个实施例已被示出和描述，但是本【技术领域】的技术人员在阅读了本说明书后可对其改动。本申请包括这样的改动，并且仅受限于权利要求书的范围。
【权利要求】
1.一种光子传感设备，包括: 光电阴极； 透明电极，其与所述光电阴极相对；以及 至少一个等离子室，其位于所述光电阴极和所述透明电极之间，所述至少一个等离子室容纳可电离气体。
2.根据权利要求1所述的光子传感设备，进一步包括电压源，其中所述电压源在所述等离子室上施加电压，所述电压小于电离所述可电离气体所需的阈值电压。
3.根据权利要求2所述的光子传感设备，其中所述电压是所述阈值电压的至少90%。
4.根据权利要求1所述的光子传感设备，其中所述光电阴极对可见光和红外线中至少一者敏感。
5.根据权利要求1所述的光子传感设备，其中所述光电阴极包含半导体材料。
6.根据权利要求1所述的光子传感设备，其中所述透明电极包含透明导电氧化物。
7.根据权利要求6所述的光子传感设备，其中所述透明导电氧化物选自由氧化铟锡、铝掺杂的氧化锌、氟掺杂的氧化锡及其组合构成的组。
8.根据权利要求1所述的光子传感设备，包括多个等离子室，其中所述多个等离子室中的每个等离子室均容纳所述可电离气体。
9.根据权利要求1所述的光子传感设备，其中所述可电离气体包含稀有气体。
10.根据权利要求1所述的光子传感设备，进一步包括位于所述光电阴极和所述透明电极之间的加速栅极。
11.根据权利要求10所述的光子传感设备，其中第一电压源在所述光电阴极和所述加速栅极之间施加第一电压。
12.根据权利要求11所述的光子传感设备，其中第二电压源在所述加速栅极和所述透明电极之间施加第二电压。
13.目镜，其包含根据权利要求1所述的光子传感设备。
14.根据权利要求13所述的目镜，进一步包括物镜。
15.根据权利要求10所述的光子传感设备，其中第一电压源在所述光电阴极和所述加速栅极之间施加第一电压，并且第二电压源在所述加速栅极和所述透明电极之间施加第二电压。
16.感应入射光子的方法，包括步骤: 提供容纳可电离气体的等离子腔； 在所述等离子腔上施加电压，所施加的电压低于电离所述可电离气体所需的阈值电压； 将所述入射光子转换为电子；以及 将所述电子引入所述等离子腔。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括加速所述电子进入所述等离子腔内的步骤。
【文档编号】H01J31/50GK103578892SQ201310193963
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年5月22日 优先权日:2012年7月25日
【发明者】M·塔涅利安 申请人:波音公司