DE2223270A1

DE2223270A1 - Bildaufnahmesystem mit pyroelektrischer Photokatode

Info

Publication number: DE2223270A1
Application number: DE19722223270
Authority: DE
Inventors: Carvennec Francois Le
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1971-05-14
Filing date: 1972-05-12
Publication date: 1972-11-30
Also published as: DE2223270B2; FR2137164A1; DE2223270C3; FR2137164B1; US3774043A; JPS5512787B1

Description

THOMSON-CSF
173, Bd. Hausamann
PARIS Se / Frankreich

Unsnr Zeichen; T 1185

Bildaufnahmesystem mit pyroelektrisoher Photokatode

Die Erfindung betrifft ein Bildaufnahmesystem mit pyroelektrischer Photokatode.

Es sei daran erinnert, daß die pyroelektrischen Photokatoden für Bildaufnahmeröhren im wesentlichen aus einem Material bestehen, das die Eigenschaft besitzt, daß es an jedem Punkt eine elektrische Polarisation aufweist, die von der Temperatur an diesem Punkt abhängt. Die Polarisation, von der hier insbesondere die Rede ist, ist die Polarisation, die im Innern der Photokatode in der Richtung ihrer Dicke erscheint.

Wenn diene Photokatoden einer von einem Gegenstand kommenden Strahlung ausgesetzt sind, kann aufgrund dieser Eigenschaft ein Bild dieses Gegenstands unter der Wirkung clur

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Temperaturänderungen erhalten werden, welche von der Strahlung an jedem ihrer Punkte erzeugt werden.

Für den Betrieb solcher Photokatoden wird im allgemeinen eine elektrisch leitende Schicht verwendet, welche eine der Flächen der Photokatode bedeckt, und ein Leseelektronenstrahl, der die andere Fläche beatreicht.

Diese Photokatoden haben die Eigenschaft, daß sie für ein sehr breites Spektrum empfindlich sind, wobei nach der vorstehenden Erläuterung die einzige einzuhaltende Bedingung für die auf sie einwirkende Strahlung darin besteht, daß diese Strahlung eine Temperaturänderung an dom Auftreffpunkt auf der Photokatode erzeugt. Sie sind imibeaondere für Infrarotstrahlung empfindlich und ermöglichen demzufolge die Feststellung von nicht beleuchteten Gegenständen aufgrund ihrer Eigenstrahlung.

Diese Photokatoden haben die folgende Wirkungsweise:

Eine ankommende und auf die Photokatode an einem Punkt aufstreffende Strahlung erzeugt an diesem Punkt eine Temperaturänderung des die Photokatode bildenden Materials, wobei diese l'emperaturänderurig in Beziehung zu der Energie der auftreffenden Strahlung steht. Diese Temperaturänderung ergibt ihrerseits eine Intensitätsänderung des elektrischen Polarisationsvektoro in der Dicke der Photokatode an diesem Punkt, d.h., daß an diesem Punkt zwei gleiche positive bzw. negative Ladungsmengon auf den beiden Flächen der Photokatode erscheinen. Dies ist die pyroolekhrischo Erscheinung. Der Elektronen»'.: trahl ermöglicht unter bestimmten Bedingungen die Neutralinierung dieser Ladungen und die Abnahme eines Lesesignnls, das mit dein Wert der auJ"treffenden Strahlung verknüpft ist, welche das Ersehei ηen dieser Ladungen verursacht hat; dieses Signal wird an den Kl einten

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eines Widerstands abgenommen, der in Serie zwischen dem den Elektronenstrahl erzeugenden Elektronenstrahlsystenr und der leitenden Schicht angeschlossen ist.

Das Ablesen geschieht in folgender Weiser Das Elektronenstrahlsystem schickt zu der Photokatode einen Elektronenstrahl aus langsamen Elektronen, die sich auf der Photokatode niedersetzen, bis die positiven Ladungen neutralisiert sind, die an diesem Punkt unter der Wirkung der einfallenden Strahlung erschienen sind. Dabei wird angenommen, daß die an diesem Punkt auf der betreffenden Seite der Photokatode angesammelten Ladungen positive Ladungen sind, welche durch die vom Elektronenstrahlsystera aufgebrachten negativen Ladungen neutralisiert werden können. Der Fall von negativen Ladungen soll später betrachtet v/erden. Nach dem Lesen hat der abgetastete Punkt dann ein Potential, das in der Nähe des Potentials der Katode des Elektronenstrahlsystems liegt.

Wenn angenommen wird, daß das Material der Photokatode ein so großes Isolationsvermögen hat, daß zwischen zwei Durchgängen des Elektronenstrahls keine merklichen Kriechströme im Innern des Materials entstehen, kann beim folgenden Durchgang des Leseelektronenstrahls durch den gleichen Punkt nur dann ein neues Signal entstehen, wenn sich inzwischen die elektrische Polarisation der Photokatode an diesem Punkt geändert hat, d.h. wenn im Yerlauf des Zeitintervalle zwischen zwei Durchgängen des Elektronenstrahls eine Temperaturänderung der Photokatode an diesem Punkt entstanden ist, die eine Änderung der an diesem Punkt erscheinenden Ladungsmenge zur Folge hat.

Insbesondere im Fall von feststehenden Gegenständen, die eine Strahlung mit konstanter Intensität aussenden, ist

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diese Bedingung nach dem Zeitpunkt, an welchem das thermische Gleichgewicht der Photokatode unter der V/irkung der Strahlung erreicht ist, sich ihre Temperatur also nicht mehr ändert, nicht mehr erfüllt. Die Abtastung ist dann für die Erzielung eines Bildes unwirksam .

Aus diesem Grund enthalten die Abtastanordnungen für pyroelektrische Photokatöden außerdem einen Verschluß, der im Weg der einfallenden Strahlung so angeordnet ist, daß er diese zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen des Leseelektronenstrahls durch den gleichen Punkt der Photokatode unterbricht und dadurch die elektrische Polarisation der Photokatode an diesem Punkt zwischen zwei Durchgängen verändert.

Die Verwendung eines solchen Verschlusses ergibt jedoch die Wirkung, daß an den verschiedenen Punkten der Photokatode Temperaturänderungen zwischen den Zeitpunkten, an denen der Verschluß offen ist, und den Zeitpunkten, an denen der Verschluß geschlossen ist, verursacht werden. Diese entgegengesetzten Temperaturänderungen äußern sich in entgegengesetzten Änderungen der Ladungsmengen, die an dem betreffenden Punkt zwischen dem Zeitpunkt, an denen der Punkt der Strahlung ausgesetzt ist, und dem Zeitpunkt, an denen er durch den Verschluß abgedeckt ist, erscheinen.

Der Leseelektronenstrahl aus langsamen Elektronen, der nur negative Ladungen aufbringen kann, kann nur eine dieser beiden Änderungen kompensieren, nämlich die Änderung, die sich in einer Zunahme der am abgetasteten Punkt erscheinenden positiven Ladungsmenge äußert.

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Es ist daher notwendig, dem Verschluß Einrichtungen zuzuordnen, damit auch die negativen Ladungen neutralisiert werden; aus vorstehender Erläuterung geht hervor, daß diese Einrichtungen nicht mehr die langsamen Elektronen des zuvor erwähnten Elektronenstrahlsystems sein können.

Eine bekannte Lösung zur Neutralisierung dieser negativen Ladungen "besteht in der Verwendung eines Elektronenstrahlsystems, das Elektronen großer Energie liefert, die bei ihrem Auftreffen auf der Photokatode eine Sekundäremission mit einem Sekundäremissionsfaktor verursachen können, dor größer als Eins ist. Unter den gegenwärtig für die Herstellung von Photokatoden verwendeten pyroelektrisohen Materialien können leicht solche gefunden werden, diodiese Eigenschaft aufweisen, beispielsweise das TGS . (Triglycinsulfat).

Gemäß einer bekannten Ausführung liefert das gleiche Elektronenstrahlsystem die langsamen Elektronen und die zuvor erwähnten Elektronen hoher Energie oder schnellen Elektronen, je nach der Beschleunigungsspannung, die zwischen dem Elektronenstrahlsystem und der Fläche der Photokatode angelegt wird, auf welche die Elektronen auftreffen. In diesem Fall ändert sich die Beschleunigungsspannung im allgemeinen im Verlauf der Abtastung der Photokatode nach einer Rechteckfunktion zwischen dem den langsamen Elektronen entsprechenden Spannungswert (niedrige Spannung) und dem den schnellen Elektronen entsprechenden Spannungswort (hohe Spannung). Diese Spannungsänderungen sind mit den Phasen des Verschlusses synchronisiert, wobei als Phasen die Offenzeiten bzw. die Schließzeiten des Verschlusses bezeichnet sind.

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Dabei hat es sich jedoch herausgestellt, daß das Gleichgewichtspotential der Fläche eines Isolierteils, in welchem eine Sekundäremission mit einem Sekundäremissionsfaktor stattfindet, der größer als Eins ist, nur eine mäßige Gleichförmigkeit aufweist. Bei dem zuvor erwähnten Abtastsystem mit zwei Spannungen erscheint dieser Nachteil notwendigerweise am Ende der Abtastphase hoher Spannung.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildaufnahmesystems, bei dem dieser Nachteil vermieden wird.

Nach der Erfindung ist ein Bildaufnahmesystern mit einer pyroolektrischen Photokatode, die der einfallenden Strahlung ausgesetzt ist und durch Abtastung mittels einoo Elektronenstrahls mit langsamen Leseelektronen abgelesen wird, wobei diese Abtastung abwechselnd mit einer Abtastung durch einen Elektronenstrahl mit schnellen Elektronen in einem Wechsel erfolgt, der durch den Zyklus eines vor der Photokatode angebrachten Verschlusses gesteuert wird, der die Photokatode für die einfallende Strahlung während einer Schließphase abdeckt und während einer Öffnungsphase freigibt, wobei die Abtastung mit langsamen Elektronen in der einen Phase und die Abtastung mit schnellen Elektronen in der anderen Phase des Verschlußzyklus liegen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung für eine zweite Abtastung der Photokatode mit langsamen Elektronen nach dem Ende der Abtastung mit schnellen Elektronen und wenigstens bis zum Beginn der Phase des Verschlußzyklus, in v/elcher die Abtastung mit langsamen Leseelektronen stattfindet.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Darin zeigen:

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Pig. 1 eine schematische Gesamtansicht eines Bildaufnahmesystems mit pyroelektrischer Photokatode nach der Erfindung,

Pig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Bildaufnahmesystems von Pig. 1 und

Pig..3 ein Ausführungsbeispiel eines Bestandteils des Bildaufnahmesystems von Pig. 1.

Pig. 1 zeigt einen isolierenden Kolben 10, "beispielsweise aus Glas, in dem ein Elektronenstrahlsystem 11 für die Erzeugung eines Elektronenstrahls angebracht ist. Dieses Elektronenstrahlsystem 11 besteht in an sich bekannter Weise aus mehreren Teilen, die nicht getrennt bezeichnet sind. Der von dem Elektronenstrahlsystera erzeugte Elektronenstrahl ist zu der Stirnfläche 20 des Kolbens hin gerichtet, an dem eine Bildaufnahme-Photokatode angebracht ist, auf die später noch im einzelnen eingegangen wird. Im Weg des Elektronenstrahls sind nicht dargestellte Einrichtungen angeordnet, die es in bekannter V/eise ermöglichen, den Elektronenstrahl so abzulenken, daß er auf jeden ge'/ünschten Punkt der Stirnfläche der Röhre auftreffen ka:.ji.

An der Stirnseite 20 ist der Kolben 10 dicht durch eine Platte 21 verschlossen, die für die Strahlung (Pfeil) durchlässig ist, die von dem zu beobachtenden Gegenstand stammt. Diese Platte ist auf der Innenseite mit einer Schicht 22 aus einem elektrisch leitenden Material überzogen und trägt Kontaktstücke 23, die ebenfalls elektrisch leitend sind. Auf diesen Kontaktstücken liegt eine Photokatode 24 aus einem für die ankommende Strahlung empfindliehen pyroelektrischen Material auf, deren in Kontakt mit den Kontaktstücken 23 stehende Fläche einen elektrisch

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leitenden Überzug 25 trägt. Die betreffende Strahlung kann eine Infrarotstrahlung sein, oder irgendeine andere Strahlung, welche die pyroelektrisohe Photokatode "belichten" kann, d.h. deren elektrische Polarisation in merklicher V/eise verändern kann. Eine Blende oder ein Verschluß 26 liegt im Weg der ankommenden Strahlung vor der Stirnfläche 20 des Kolbens und ermöglicht die periodische Unterbrechung der vom Gegenstand kommenden Strahlung.

Ein Umschalter 27 roit drei Stellungen ermöglicht es, die leitende Schicht 22 über einen Widerstand 28 der Reihe nach mit drei Spannungsquellen 31» 32 und 33 unterschiedlicher Werte zu verbinden, wobei die beiden Spannungsquellen 31 und 33 eine niedrige Spannung liefern, während die Spannungsquelle 32 eine hohe Spannung liefert.

Die Minusklemme dieser Spannungsquellen ist mit Masse verbunden, an die auch die Katode des Elektronenstrahlsystems 11 gelegt ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Die vom Elektronenstrahlsystem abgegebenen Elektronen werden auf eine große Geschwindigkeit beschleunigt (schnelle Elektronen), wenn die hohe Spannung der Quelle 32 an die Schicht 22 angelegt ist, und auf eine geringe Geschwindigkeit (langsame Elektronen),'wenn die niedrige Spannung der Quellen 31 und 33 an die Schicht 22 angelegt ist.

Zuvor war erläutert worden, wie eine Synchronisation zwischen der Wirkung des Verschlusses 26 und derjenigen des Umschalters 27 das Ablesen der verschiedenen Punkte der vom Elektronenstrahl bestrichenen Photokatode in allen Fällen ermöglicht, d.h. unabhängig davon, ob zwischen zwei Durchgängen des Elektronenstrahls durch den

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gleichen Punkt der Photokatode eine Abkühlung oder Erwärmung dieses Punktes erfolgt ist, wobei die Abtastung den Elektronenstrahl mit langsamen Elektronen verwendet, wenn die zu neutralisierenden Ladungen positive ladungen sind, während sie den Elektronenstrahl mit schnellen Elektronen verwendet, wenn die zu neutralisierenden ladungen negative Ladungen üincl. Im letzten Pail bewirkt der Elektronenstrahl mit schnellen Elektronen, wie bereits angegeben worden ist, einoSekundärelektronenemission an seinem Auftreffpunkt auf dor Photokatode. Diese Sekundärelektronen werden untor den allgemein bekannten Bedingungen von einer Fangelektrode aufgefangen, die bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 die Form eines Gitters hat.

Als Beispiel ist angenommen, daß der Verschluß 26 aus einer Metallseheibe 29 (Fig. 3) besteht, die einen kreisbogenförmigen Ausschnitt 30 hat, der sich über oinen Halbkreis erstreckt. Diese Metallscheibe liegt parallel zu der isolierenden Platte 21 und dreht sich um ihre Achse y, die parallel zu der Achse x-x der Röhre liegt, mit einer gleichförmigen Drehzahl, die ihr von einer nicht dargestellten Vorrichtung erteilt wird, beispielsweise mit einem Takt von einer Umdrehung in 240 ms, wobei die Photokatode 24 während der Hälfte dieser Zeit der ankommenden Strahlung ausgesetzt ist (Öffnungsphase) und während der anderen Hälfte dieser Zeit der Strahlung entzogen ist (Schließphase).

Diese beiden Phasen sind im Diagramm von Fig. 2 (oberste Linie) bei 0 (Öffnungsphaue) bzw. F (Schlioßphase) für eiiion auf der Abszisse aufgetragenen voll«bündigen Zyklus der Bewegung dan Verschlusses dargestellt.

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Im unteren Teil des Diagramms von Pig. 2 sind durch einen gebrochenen Kurvenzug die auf der Ordinate aufgetragenen Spannungen dargestellt, welche während dieses Zyklus an die leitende Schicht 22 angelegt sind, wobei die Spannungen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wie in Pig. 1 die Spannungsquellen, von denen sie erzeugt werden.

Schließlich sind in Pig. 2 (mittlere Linie) die Zeiten dargestellt, während denen die Photokatode vuin Elektronenstrahl abgetastet wird; diese Zeiten entsprochen den in dicken Strichen gezeichneten Abschnitten dieser Linie, wobei die einfachen dicken Striche für die Abtastungen mit langsamen Elektronen und der dicke Doppelstrich für die Abtastung mit schnellen Elektronen stehen· Diese Zeiten fallen nicht notwendigerwoiao mit den Zeiten zusammen, während denen die Spannungen dor Quellen 31, 32 bzw. 33 an die Schicht 22 angelegt sind; wie nämlich aus der Technik der Elektronenstrahlröhren allgemein bekannt ist, wird die Elektronenemission nicht ausschließlich durch diese Spannungen allein gesteuert, sondern es sind im allgemeinen noch weitere Elektroden im Elektronenstrahlsystem 11 vorgesehen, mit denen die Elektronenemission nach Belieben gesperrt werden kann.

Es ist ferner zu bemerken, daß eine Abtastung der Photokatode während der gesamten Öffnungs- und Scliließzeiten des Verschlusses zwar möglich, aber keineswegs für ein einwandfreies Ablesen unerlässlich ist. Im allgemeinen genügt bei v/r Ltein eine Abtastung, die sich nur über einen Bruchteil jeder dieser Phasen erstreckt; es besteht auch die Möglichkeit von mehreren aufeinanderfolgenden Abtastungen gleiche L· ouuv verschiedener Dauer, die sich über ο j non Teil der Dauer jeder dieser Phasen oder über die gesamte

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Dauer dieser Phasen erstrecken, wobei die Wahl von den thermischen Eigenschaften der Photokatode abhängt. . ·

Im Beispiel von Pig. 2 ist der Pail dargestellt, daß die Abtastung mit langsamen Elektronen, welche der Stellung 1 des Umschalters 27 von Pig. 1 entspricht, eine Dauer von etwa zwanzig ms am Ende der Öffnungsphase des Verschlusses hat, wobei angenommen ist, daß am Ende dieser Phase eine Verringerung der Anzahl der negativen Ladungen oder eine Zunahme der Anzahl der positiven Ladungen erfolgt, die seit dem vorangehenden Durchgang des Leseelektronenstrahls durch den betreffenden Punkt dort entstanden ist.

Wenn dies nicht zutrifft, brauchen in Pig. 2 nur d.i.ο Buchstaben O und P vertauscht zu v/erden, damit dan Magramm seine Gültigkeit behält.

Das Lesesignal ist das Signal, das am Widerstand 28 bei der Abtastung mit langsamen Leseelektronen erfolgt. Die Erfahrung hat gezeigt, daß diese Abtastung vorzugsweise· gerade vor der Abtastung mit schnellen Elektronen erfolgt und nur für einen Bruchteil der betreffenden Phase des Verschlusses durchgeführt wird, wie es bei dem in Pig. gezeigten Beispiel der Fall ist. Diese Abtastung mit langsamen Leseelektronen ist durch den einfachen dicken Strich in der Mitte der mittleren Linie des Diagramms von Pig. 2 dargestellt.

Bei dom gleichen Beispiel beginnt die Abtastung mit schnellen Elektronen (Umschalter 27 in der Stellung 2) gleichzeitig mit der üffnungsphaso des Verschlusses, und sie dauert etwa hundert ras.

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Aus den vorstehenden Erläuterungen weiß man, daß am Ende der Abtastung mit schnellen Elektronen das Potential der Photokatode wegen der Instabilitäten der Sekundäremissionserscheinung schwankt.

Aus diesem Grund erfolgt bei der beschriebenen Anordnung nach der betreffenden Abtastung mit schnellen Elektronen und vor der folgenden Abtastung mit langsamen Elektronen, die das Lesesignal liefert, eine weitere Abtastung der Photokatode von kurzer Dauer durch einen Elektronenstrahl mit langsamen Elektronen, welche der Stellung 5 des Umschalters 27 entspricht (Spannung 33<Spannung 51; Flg. 2), damit das Potential der Photokatode gleichförmig gemacht wird.

Bei dem Beispiel von Pig. 2 ist diese Abtastung, die unmittelbar am-Ende der Abtastung mit schnellen Elektronen beginnt und bis zum Erscheinen der folgenden Phase aufrechterhalten wird, durch den einfachen dicken Strich am rechten Ende der mittleren Linie des Diagramms dargestellt. Es sind mehrere andere Variationen möglich: Diese Abtastung könnte beispielsweise eine gewisse Zeit nach dem Ende der Abtastung mit schnellen Elektronen beginnen, sie könnte in die nächste Phase übergreifen usw. Der letzte Fall wird notwendigerweise eintreten, wenn die Abtastung mit schnellen Elektronen bei dem Beispiel von Pig. 2 bis zum Ende der Phase P andauern würde. Alle diese verschiedenen Möglichkeiten sind anwendbar.

Die an die Elektrode 22 während der Abtastung mit schnellen Elektronen angelegte Spannung sowie der Strahlstrom des Elektronenstrahls mit schnellen Elektronen sind so gewählt, daß die Menge der positiven Ladungen, die auf der von den schnellen Elektronen abgetasteten Pläche der Photokatode

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erzeugt werden, größer als die Menge der negativen Ladungen ist, die auf dieser Fläche infolge der pyroelektrischen Erscheinung während der Zeit zwischen dem Beginn der Terschlußphase, in welcher der Elektronenstrahl mit schnellen Elektronen angelegt wird, und im Augenblick des Beginns der Abtastung mit langsamen Elektronen erscheinen können.

In Pig. 2 ist ein Beispiel für einen möglichen Zyklus dargestellt, doch ist es selbstverständlich, daß ganz allgemein verschiedene andere Formen des Zykluo anwendbar sind, wobei die einzige Bedingung hinsichtlich dor Erzielung der gewünschten Wirkung darin besteht, daß nach dem Ende der Abtastung mit schnellen Elektronen und wenigstens bis zum Beginn der Verschlußphase, in welcher die Abtastung mit langsamen Leseelektronen erfolgt, eine Abtastung kurzer Dauer mit langsamen JiJektronen durchgeführt wird.

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Claims

Patentansprüche

Bildaufnahmesystem mit einer pyroelektrischen Photokatode, die der einfallenden Strahlung ausgesetzt ist und durch Abtastung mittels eines Elektronenstrahls mit langsamen Leseelektronen abgelesen wird, wobei diese Abtastung abwechselnd mit einer Abtastung durch einen Elektronenstrahl mit schnellen Elektronen in einem Wechsel erfolgt, der durch den Zyklus eines vor der Photokatode angebrachten Verschlusses gesteuert wird, der die Photokatode für die einfallende Strahlung während einer Schließphase abdeckt und während einer Öffnungsphase freigibt, wobei die Abtastung mit langsamen Elektronen in der einen Phase und die Abtastung mit schnellen Elektronen in der anderen Phase des Verschlußzyklus liegen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung für eine zweite Abtastung der Photokatode mit langsamen Elektronen nach dem Ende der Abtastung mit schnellen Elektronen und wenigstens bis zum Beginn der Phase des Verschlußzyklus, in welcher die Abtastung mit langsamen Leseelektronen stattfindet.
2. Bildaufnahme sy s tem nach Anspruch 1, dadux'ch gekennzeichnet, daß die Abtastung mit langsamen Leseelektronen und/oder die Abtastung mit schnellen Elektronen in mehrere durch Intervalle voneinander getrennte Elementarabtastungen unterteilt sind.
3. Bildaufnahmesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus einem Umschalter besteht, der in den Speisestromkreis der Elektronenstrahlen eingefügt ist und drei Stellungen aufweist, die der Abtastung mit langsamen Leseelektronen, der Abtastung mit schnellen Elektronen bzw. der zweiten Abtastung mit langsamen Elektronen entsprechen.

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