DE1489751B2

DE1489751B2 - Festkoerper infrat festkoerper infrarotbildverstaerker

Info

Publication number: DE1489751B2
Application number: DE19651489751
Authority: DE
Inventors: Robert O Grosse Pointe Mich Teeg (V St A )
Original assignee: Teeg Research Inc
Current assignee: Teeg Research Inc
Priority date: 1964-07-01
Filing date: 1965-06-30
Publication date: 1971-09-09
Also published as: DE1489751A1; US3365576A; GB1082022A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörper- sich leicht und genau einstellen, und er kann genau

Infrarotbildverstärker, der zwischen zwei an eine geeicht und gegen das Altern seiner Elemente kom-

Wechselstromspannungsquelle angeschlossenen trans- pensiert werden.

parenten Elektroden eine Widerstandsschicht mit Eine besonders hohe Temperaturabhängigkeit und temperaturabhängiger elektrischer Leitfähigkeit und 5 somit Empfindlichkeit ergibt sich nach einer Auseine elektrisch leitend mit dieser verbundene Elektro- gestaltung der Erfindung dadurch, daß der Leitwert lumineszenzschicht aufweist. der Widerstandsschicht in an sich bekannter Weise

Derartige Bildverstärker können mit besonderem einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist.

Vorteil dazu verwendet werden, um einen unsicht- Zur Ausblendung von Störungen kann — in Strah-

baren, aber Wärmestrahlung abgebenden Körper io lungsrichtung gesehen — hinter der Elektrolumi-

genau in seiner Lage zu erfassen und gegebenenfalls neszenzschicht ein optisches Filter angeordnet sein,

seine Umrisse und Struktur zu betrachten. Sie finden Zur Erhöhung der Abbildungsschärfe weist nach

Anwendung in Nachtsichtgeräten für Kampffelder, einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die

Landeführungsgeräten für Luftfahrzeuge, Verfolge- Widerstandsschicht durch eine Vielzahl von Ein-

systemen für Satelliten, Flugkörper oder Untersee- 15 schnürungen eine mosaik- oder rasterartige Struktur

boote, Geräten zur Zielfeststellung und Steuersyste- auf.

men für Raumfahrzeuge, um nur einige Beispiele Besonders günstige Ergebnisse lassen sich erzielen,

zu nennen. Sie können vorteilhaft auch in der Astro- wenn die Widerstandsschicht und/oder die Elektro-

nomie, der medizinischen Diagnostik, bei der Mate- lumineszenzschicht eine Dicke von 0,1 bis 10 Mikron,

rialprüfung und zur Feststellung von heißen Stellen 20 vorzugsweise von 1 Mikron, aufweisen,

in mechanischen oder elektrischen Baueinheiten Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines

eingesetzt werden. in der Zeichnung vereinfacht und schematisch dar-

Ein Bildverstärker dieser Art ist aus der franzö- gestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert,
sischen Patentschrift 1 364 972 bekannt. Die dort In der Zeichnung, die sich auf ein typisches Ausgezeigte Vorrichtung ist jedoch relativ unempfindlich 25 führungsbeispiel bezieht, ist ein Gehäuse mit 10 und hat einen relativ hohen Stromverbrauch, so daß bezeichnet, das eine Öffnung 12 aufweist, in der eine sie für schwach strahlende Körper und für tragbare Linse 14 angeordnet ist, die das Bild des abzubilden-Geräte, die auf Batteriespeisung angewiesen sind, den Gegenstandes auf den im Innern des Gehäuses nur schlecht geeignet ist. 10 angeordneten Festkörper-Infrarotbildverstärker 16

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, 30 fokussiert. Der Bildverstärker 16 hat als Elektrode einen Festkörper-Infrarotbildverstärker der eingangs eine sehr dünne leitende und durchscheinende genannten Art zu schaffen, der besonders empfind- Schicht 18, welche der Linse 14 zugewandt ist und lieh und stromsparend ist. Dies wird erfindungs- fest auf einer dünnen Widerstandsschicht 20 aus gemäß dadurch erreicht, daß die Widerstandsschicht einem Material haftet, dessen spezifischer Widerstand aus Vanadiumdioxid besteht und durch eine Heiz- 35 sich umgekehrt mit der Temperatur des Materials Vorrichtung in unbestrahltem Zustand auf jene Tem- ändert. In Berührung mit dieser temperaturempfindperatur vorgewärmt ist, bei der die stärkste Tempe- liehen dünnen Schicht 20 und gegebenenfalls verklebt raturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit ein- mit ihr ist eine dünne, elektrolumineszierende setzt, daß die Elektrolumineszenzschicht mit ihrer Schicht 22 vorgesehen, die aus einem Material heräußeren Elektrode direkt und mit ihrer inneren 4° gestellt ist, dessen Lumineszenz sich als Funktion Elektrode über eine einstellbare Kapazität an eine der an dieses Material angelegten elektrischen Spannut der Wechselspannungsquelle verbundene Induk- nung ändert. Eine zweite dünne leitende und durchtivität angeschlossen ist und daß der dadurch ge- scheinende Schicht 24 haftet fest auf der elektrobildete Serienschwingkreis auf Resonanz mit der lumineszierenden Schicht 22 und dient dort als Frequenz der Wechselspannungsquelle abgestimmt 45 Elektrode,
ist. Das Gehäuse 10 hat eine weitere Öffnung 26, in

Dabei ist es bei ganz andersartigen Bildverstärkern der eine Okularlinse 28 angeordnet ist. Zwischen

an sich bereits bekannt, einerseits die zur Anregung dem Bildverstärker 16 und der Okularlinse 28 ist ein

einer Elektrolumineszenzschicht dienende Wechsel- Filter 30 vorgesehen, das in der Praxis besonders bei

Spannung durch eine Schicht aus einem Stoff mit 5° solchen Anwendungen eingesetzt wird, bei denen es

großer Temperaturabhängigkeit seiner Dielektrizitäts- erwünscht ist, bestimmte unerwünschte Lichtfrequen-

konstanten zu steuern, wobei diese Schicht in unbe- zen auszufiltern oder den Kontrast des beobachteten

strahltem Zustand bis zu jener Temperatur vor- Bildes zu erhöhen. Das Innere des Gehäuses 10 ist

gewärmt wird, bei der die stärkste Temperatur- vorzugsweise evakuiert, um das Erzeugen von ört-

abhängigkeit der Dielektrizitätskonstante einsetzt 55 liehen Temperaturunterschieden der Widerstands-

(deutsche Auslegeschrift 1 057 251), und andererseits schicht 20 durch das Wärmestrahlungsbild zu ermög-

in Verbindung mit einem Bildverstärker einen elek- liehen bzw. zu erleichtern.

taschen Schwingungskreis zu verwenden (deutsche Der Bildverstärker 16 ist in Reihe mit einem elek-

Auslegeschrift 1 062 840). Überraschenderweise er- irischen Schwingkreis, der eine Wechselstromquelle

gibt die Erfindung in Kombination mit diesen an sich 60 32 hat, deren Anschluß 34 über eine Leitung 36 mit

bekannten Maßnahmen die erstrebte Wirkung. der ersten leitenden Schicht 18 des Bildverstärkers 16

Der Bildverstärker nach der Erfindung hat den verbunden ist. Der andere Anschluß 38 ist über eine

Vorteil, daß er billig hergestellt werden kann und Leitung 40 mit dem einen Ende einer Induktivität 42

sich für eine Massenfertigung eignet sowie robust, verbunden. Das andere Ende der Induktivität 42 ist

mechanisch unempfindlich und von einer äußeren 65 über eine Leitung 44 an die zweite leitende Schicht

Energiequelle unabhängig ist, so daß er ohne weite- 24 des Bildverstärkers 16 angeschlossen. Der eine

res auch unter schwierigen Bedingungen im Felde Anschluß eines einstellbaren Kondensators 46 ist mit

verwendet werden kann. Seine Empfindlichkeit läßt dem zweiten Ende der Induktivität 42 und sein

anderer Anschluß über eine Leitung 48 mit der Berührungsfläche 50 zwischen der temperaturempfindlichen dünnen Schicht 20 und der elektrolumineszierenden dünnen Schicht 22 verbunden.

Die Gesamtkapazität des Stromkreises besteht im wesentlichen aus der Kapazität des Bildverstärkers 16 parallel zur einstellbaren Kapazität des Kondensators 46. Die Gesamtkapazität wird vor dem Betätigen der Vorrichtung auf Resonanz mit der Frequenz der Wechselstromquelle 32 eingestellt, und Änderungen in der Kapazität des Systems, beispielsweise infolge von Altern des Materials der Bildzelle, können durch Nachstellen des Kondensators 46 kompensiert werden.

Die Linse 14 — beispielsweise eine ///-Linse — entwirft das Bild eines Objekts auf die Oberfläche der temperaturempfindlichen dünnen Schicht 20. Diese besteht aus Vanadiumdioxyd VO₂ einer Dicke in der Größenordnung von 1 Mikron, doch wurden auch gute Ergebnisse mit Schichten erzielt, die eine Dicke zwischen 0,1 Mikron und 10 Mikron hatten. Die elektrolumineszierende dünne Schicht 22 besteht beispielsweise aus Zinksulfid (ZnS), Galliumphosphid (GaP) od. dgl., die mit verschiedenen Aktivatoren, wie beispielsweise Spuren von Kupfer oder Chlor, dotiert werden. Die Dicke der elektrolumineszierenden dünnen Schicht 22 ist von der gleichen Größenordnung wie die Dicke der temperaturempfindlichen dünnen Schicht 20. Die sehr dünnen, leitenden und durchscheinenden Schichten 18 und 24 bestehen aus Metall, wie beispielsweise Gold. Die Wechselstromquelle 32 ist in der Lage, eine Spannung von 10 mV bei einer Frequenz von 20 kHz abzugeben. Ferner ist die Induktivität 42 in der Größenordnung von 10~³ Henry und der Kondensator 46 zwischen 0 und 0,1 Mikrofarad einstellbar.

Bei der Betätigung wird der Kondensator 46 so lange verstellt, bis der elektrische Stromkreis in Resonanz mit der Frequenz der Wechselstromquelle 32 ist. Wenn dies der Fall ist, so ist die Gesamtimpedanz des Stromkreises im wesentlichen gleich Null, und der einzige im Stromkreis vorhandene Widerstand ist der Innenwiderstand der Wechselstromquelle 32, der in der Praxis von der Größenordnung von 10~² Ohm ist, wobei die gesamten Stromkreiswiderstände einschließlich des Leitungswiderstandes, des Widerstandes der Induktivität 42 und der Kontaktwiderstände dadurch auf sehr niedrigen Werten gehalten werden können, daß die Bauelemente sorgfältig ausgewählt und sorgfältig zusammengebaut werden und so der gesamte Stromkreiswiderstand klein im Vergleich zum mittleren Widerstand der temperaturempfindlichen dünnen Schicht 20 ist, der im allgemeinen in der Größenordnung von 0,1 Ohm für eine Filmfläche 1 cm² liegt.

Die dünne Schicht 20 besteht aus Vanadiumdioxyd, einem Material, das wie oben erwähnt, die Eigenschaft hat, daß sein spezifischer Widerstand sich umgekehrt mit seiner Temperatur ändert. Wenn auf Teile der dünnen Schicht 20 eine thermische Strahlung auftrifft, beispielsweise eine solche, die mit Hilfe der Linse 14 fokussiert wird, so sinkt deren spezifischer Widerstand infolge der örtlichen Temperaturerhöhung im Vergleich zu dem spezifischen Widerstand der nicht bestrahlten Teile der dünnen Schicht 20 ungefähr auf die Hälfte ab. Ein Abfall des örtlichen, spezifischen Widerstandes des Materials der dünnen Schicht 20 verursacht eine Erhöhung der quer zur elektrolumineszierenden dünnen Schicht 22 anliegenden Spannung.

Die Lumineszenzeigenschaft der dünnen Schicht 22 ändert sich als Funktion der angelegten Spannung V im wesentlichen nach V", wobei η üblicherweise von der Größenordnung von 5 ist. Aus diesem Grund überdecken auch ziemlich kleine Änderungen der Spannung an der elektrolumineszierenden dünnen Schicht 22 den ganzen Bereich der Lumineszenz von voller Dunkelheit bis zu voller Helle. Das unsichtbare Wärmestrahlungsbild, das auf die Oberfläche der temperaturempfindlichen dünnen Schicht 20 fokussiert ist, erzeugt in dieser eine entsprechende Temperatur- und Widerstandsverteilung, die ihrerseits entsprechende örtliche Spannungsänderungen quer zur elektrolumineszierenden Schicht 22 bewirkt, so daß nun die elektrolumineszierende Schicht ein sichtbares Bild des unsichtbaren Wärmestrahlungsbildes wiedergibt. Das sichtbare Bild kann nun mit Hilfe der Okularlinse 28 betrachtet werden.

Gegebenenfalls kann ein bestimmtes Filter 30, wie oben erwähnt, zwischen der elektrolumineszierenden Schicht 22 und der Okularlinse 28 eingesetzt werden, um die unerwünschten Lichtfrequenzen auszufiltern oder um den Kontrast des durch die elektrolumineszierenden Schicht 22 wiedergegebenen Bildes zu erhöhen.

Die dünne Vanadiumdioxydschicht 20 kann durch eine schematisch bei 52 als Heizspule angedeutete Heizvorrichtung thermostatisch so erwärmt werden, daß die Temperatur der dünnen Vanadiumdioxydschicht in der Nachbarschaft des Wertes gehalten wird, an dem das Vanadiumdioxyd die größte Änderung in seinem spezifischen Widerstand als Funktion der Temperatur hat, beispielsweise bei einer Temperatur von 65° C.

Es wurde ferner festgestellt, daß die temperaturempfindliche dünne Schicht 20 mit Vorteil derart hergestellt werden kann, daß sie eine Vielzahl von quer angeordneten Diskontinuitäten in Form von Einschnürungen, ähnlich einem Gitter oder einer mosaikartigen Anordnung hat, so daß sich nun viele einzelne mikroskopische Teilstücke ergeben, die thermisch gegeneinander isoliert sind. Eine derartige Anordnung ergibt wesentlich höhere Temperaturgradienten zwischen den Teilen der Schicht, auf die das thermische Bild fokussiert wird und die damit eine Temperaturerhöhung erfahren, und den unbestrahlten Bereichen der Schicht, wodurch nun eine besser abgestufte Temperaturverteilung der temperaturempfindlichen Schicht und damit eine verbesserte Auflösung des sichtbaren Bildes auf der elektrolumineszierenden Schicht 22 erreicht wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Festkörper-Infrarotbildverstärker, der zwischen zwei an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen transparenten Elektroden eine Widerstandsschicht mit temperaturabhängiger elektrischer Leitfähigkeit und eine elektrisch leitend mit dieser verbundene Elektrolumineszenzschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (20) aus Vanadiumdioxid besteht und durch eine Heizvorrichtung (52) in unbestrahltem Zustand auf jene Temperatur vorgewärmt ist, bei der die stärkste Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit einsetzt, daß die Elektrolumineszenz-

schicht (22) mit ihrer äußeren Elektrode (24) direkt und mit ihrer inneren Elektrode (50) über eine einstellbare Kapazität (46) an eine mit der Wechselspannungsquelle (32) verbundene Induktivität (42) angeschlossen ist und daß der dadurch gebildete Serienschwingkreis auf Resonanz mit der Frequenz der Wechselspannungsquelle (32) abgestimmt ist.

2. Bildverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitwert der Wider-Standsschicht (20) in an sich bekannter Weise einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist.

3. Bildverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß — in Strahlungsrichtung gesehen — hinter der Elektrolumines- zenzschicht (22) ein optisches Filter (30) angeordnet ist.

4. Bildverstärker nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (20) durch eine Vielzahl von Einschnürungen eine mosaik- oder rasterartige Struktur aufweist.

5. Bildverstärker nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (20) in der Bildebene eines Objektivs (14) und die Elektrolumineszenzschicht (22) in der Gegenstandsebene eines Okulars (28) angeordnet ist.

6. Bildverstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (20) und/oder die Elektrolumineszenzschicht (22) eine Dicke von 0,1 bis 10 Mikron, vorzugsweise von 1 Mikron, aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen