DE2435400A1

DE2435400A1 - Pyroelektrische kameraroehre

Info

Publication number: DE2435400A1
Application number: DE2435400A
Authority: DE
Inventors: Rex Watton
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1973-07-23
Filing date: 1974-07-23
Publication date: 1975-02-20
Also published as: FR2239012B1; GB1445405A; US3930157A; JPS5072524A; NL7409949A; FR2239012A1

Description

Ftetentanw&K· dpL-lng. R. B E E T Z «Ml. Dlpl-lng. K. LAMPRECHT

Dr.-lng. R. B Ξ E T Z Jr. t München 22, Steinsdorfatr. 11

293-22.957P(22.958H) 23. 7. 1974

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London ( Großbritannien )

Pyroelektrische Kameraröhre

Die Erfindung betrifft eine pyroelektrische Kameraröhre mit einem pyroelektrischen Target zum Erfassen einfallender thermischer elektromagnetischer Strahlung mittels des pyroelektrischen Effekts, einer Abtasteinrichtung zum wiederholten Abtasten eines Ladungsträgerstrahlbündels mit einer durchschnittlichen Abtastperiode T_x. über die Ober-

fläche des Targets und einer elektrisch mit dem Target verbundenen Aufnehmerelektrode zum Aufnehmen der auf dem Target aufgebauten

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293-(JX 4296/05)-Me-r (9)

pyroelektrischen Ladung und zum Erzeugen eines der pyroelektrischen Ladungsmenge auf dem von dem Ladungsträgerstrahlbündel abgetasteten Oberflächenteil des Targets entsprechenden Ausgangssignals.

Pyroelektrische Kameraröhren oder Vidikons sind Geräte, die zum Bestimmen von Wärmestrahlung verwendet werden, die von den Objekten an einer gegebenen interessierenden Stelle ausgesendet werden, und zum Abgeben eines elektrischen Videosignals, das in einem getrennten Wandler in ein sichtbares Bild umgesetzt werden kann, das die verschiedenen Temperaturen der Objekte voneinander absetzt, die Bestimmung der Wärmestrahlung wird mittels eines Targets durchgeführt, das durch den pyroelektrischen Effekt betrieben wird: Wenn die Temperatur eines begrenzten Werkstoff-Bereiches des Targets einem Temperaturwechsel ausgesetzt ist, wechselt die elektrische Polarisation des Werkstoffs in dem Bereich, weshalb dann die elektrische Ladungsmenge an den Nachbarflächen des Targets wechselt. Das elektrische Ladungsbild oder die -struktur an der Oberfläche, das bzw. die sich auf dem Target ausbildet, ist deshalb ein Bild der Temperaturverteilung an der beobachteten Stelle. Die Ladungsstruktur wird elektrisch ausgelesen oder ausgegeben über eine Elektrode an einer Seite des Targets durch Abtasten mit einem in der Röhre erzeugten Elektronenstrahlbündel über die entgegengesetzte Seite des Targets.

Es ist notwendig, eine Schicht positiver Ladung auf dem Target zu schaffen, um die negative Ladung des Elektroiienstrahlbündels in Bereichen auszulöschen oder zu quenchen, in denen die negative Ladung von dem Elektronenstrahlbündel die pyroelektrische Ladungs struktur teilweise oder vollständig unbeeinflußt läßt.

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Weitgehend wird angenommen, daß pyroelektrische Kameraröhren aus Triglycinsulfat (TGS) und einem von dessen bekannten Derivaten optimale Betriebsbedingungen ergeben. Jedoch ist es bei solchen pyroelektrischen Kameraröhren stets als notwendig erachtet worden, die Schicht zum Löschen der positiven Ladung durch Vorsehen eines Inertgases in der Röhre durch Ionisieren des Gases und durch Lenken der positiven Ionen auf das pyroelektrische Target mittels einer Kombination aus elektrischen Gittern oder Steuerelektroden zu erreichen. Diese Anordnung kann relativ kompliziert sein.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer pyroelektrischen Kameraröhre einen derart komplizierten Aufbau zu vermeiden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Impedanz, die an einem ihrer Enden an der Aufnehmerelektrode angeschlossen ist, und eine im wesentlichen gleichförmige Spannungsquelle, die mit dem anderen Ende der Impedanz verbunden ist, um durch die Impedanz und die Aufnehmerelektrode dem Target eine elektrische Ladungsmenge zuzuführen zum Löschen jeder von dem Ladungsträgerstrahlbündel auf der Oberfläche des Targets zurückgelassenen überschüssigen Ladung, wobei das Target so ausgeführt ist, daß das Produkt des elektrischen Widerstands R_T und der elektrischen Kapazität C-p des Targets während des Abtastens durch das Ladungsträgerstrahlbündel gleich ist der halben bis tausendfachen Abtastperiode 7*p.

Die Röhre einer derartigen Anordnung benötigt kein ionisiertes Gas und muß deshalb nicht so kompliziert wie herkömmliche Röhren aufgebaut sein, da die Ladung zum Löschen durch Ladungsabfluß durch das pyroelektrische Target von der Spannungsquelle erhalten wird.

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Unter "Abtastperiode" (ebenso bekannt als Teilbildzeit oder als Integrationszeit) wird die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen eines gegebenen Flächenteils auf der Oberfläche des pyroelektrischen Targets verstanden.

Vorzugsweise ist das Produkt Rf C^ gleich der drei- bis hundertfachen Haupt-Abtastperiode.

Es ist vorteilhaft, wenn die elektrische Impedanz ein elektrischer Widerstand ist.

Vorzugsweise ist das Ladungsträger- bzw. Ionenstrahlbündel ein Elektronenstrahlbündel. In diesem Fall ist die von der Spannungsquelle erzeugte Spannung positiv um eine positive Ladungsmenge auf der Oberfläche des pyroelektrischen Targets zu erzeugen. Die von der Spannungsquelle erzeugte Spannung ist dabei vorteilhaft um oder unter 100 V.

Geeignete pyroelektrische Werkstoffe für das pyroelektrische Target sind dotiertes Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und dessen Derivate,

Blei-Germanat Pb_Ge_O.., Blei-Germanat-Silicat Pb_Ge. Si O.., mit 5 3 11 5 3-x χ 11

O ^. χ ^ 2,1, und Lithium-Sulfat. Der gewählte Werkstoff kann entweder ein Einkristallwerkstoff oder ein polykristalliner Werkstoff (d. h. Keramik) sein.

Es ist notwendig, daß das Produkt R C im Bereich — r<R_C <1000 T liegt, wobei Γ die Abtastperiode ist, damit

a) ein beträchtlicher Teil der sich auf dem pyroelektrischen Target aufgebauten pyroelektrischen Ladung gespeichert werden kann, bis

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sie durch das Ladungsträgerstrahlbündel gelöscht wird, und

b) eine geeignete Ladungsmenge zum Löschen von der Spannungsquelle zur Oberfläche des pyroelektrischen Targets, das durch das Ladungsträgerstrahlbündel abgetastet wird, zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen übertragen werden kann.

Die Erfindung gibt also eine pyroelektrische Kameraröhre an, die sich auszeichnet durch eine elektrische Impedanz, die an einem Ende mit der Aufnehmer- oder Sammelelektrode des pyroelektrischen Targets der Röhre verbunden ist, und durch eine ständig positive Spannungsquelle, die am anderen Ende der Impedanz angeschlossen ist, wobei das Produkt aus dem Widerstand Rj, und der Kapazität C™ des pyroelektrischen Targets im Bereich 1000 r_>R_rrC„>- r„, vorzugsweise im Bereich 100 ?" > R C ^ 3 £" liegt, wobei Z" die

r 1 1 r r

Abtastperiode (ebenso als Teilbildzeit bekannt) ist, die von dem Elektronenstrahlbündel der Röhre benötigt wird, um das pyroelektrische Target wiederholt abzutasten. Eine derartige Röhre sieht das Löschen jeder überflüssigen negativen Ladung vor, die von dem Elektronenstrahlbündel auf dem Target belassen wird, durch Abfließen positiver Ladung von der Spannungsquelle und vermeidet auf diese Weise ein ionisiertes Gas wie bei herkömmlichen Röhren verwenden zu müssen. Der Werkstoff des pyroelektrischen Targets kann Blei-Germanat, Blei-Germanat-Silicat oder Lithium-Sulfat sein.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch eine pyroelektrische Kameraröhre gemäß der Erfindung.

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2435Λ00

Bei der in der Figur dargestellten Anordnung enthält eine evakuierte pyroelektrische Kameraröhre 1 eine herkömmliche Kathode 3, die auf Erdpotential, und eine herkömmliche Anode 5, die auf positivem Potential +V gehalten wird. Ein von der Kathode 3 erzeugtes Elektrbnenstrahlbündel 11 wird durch die Anode 5 durch die Potentialdifferenz V beschleunigt. Es tritt durch die Anode 5 entlang der Röhre 1 und wird durch eine herkömmliche Elektronen-Fokussiereinrichtung 7 fokussiert. Das Elektronenstrahlbündel 11 wird durch eine herkömmliche Elektronen-Ablenkeinrichtung 9 über die Oberfläche eines pyroelektrischen Targets 13 abgelenkt. Das Target 13 kann eine Scheibe sein, die zwischen 10 und 100 Aim dich ist. Sie kann aus dotiertem PZT oder einem von dessen Derivaten aus Blei-Germanat Pb Ge O₁ (vgl. z. B. DT-OS 2 335 504), Blei-Germanat-Silicat Pb₅Ge Si O , mit 0 < y< 2,1 (vgl. z. B. DT-OS 2 356 162), oder Lithium-Sulfat bestehen. Das Target 13 ist elektrisch angeschlossen bzw. körperlich angebracht an einer Elektrode 15. Die Elektrode 15 kann aus Nickel-Chrom-Legierung bestehen; ihre Dicke ist üblicherweise einige 1000 A. Das der Kathode 3 entfernt liegende Ende der Röhre 1 ist durch ein Infrarot-Fenster 16 abgedichtet, das z. B. aus Arsentrisuifid oder Germanium besteht. Ein Leiter 17 ist an der Elektrode 15 angeschlossen und führt andererseits zu einem Kondensator 23 und einem Verstärker 25. Eine Spannungsquelle 21, die ein ständig positives Potential +V vorsieht, ist ebenfalls an dem Leiter 17 über einen Widerstand 19 parallel zum Kondensator 23 und zum Verstärker 25 angeschlossen.

Das pyroelektrische Target 13 muß "gepolt^9t werden. Das Polen ist ein bekanntes Verfahren, das das Anlegen eines hohen konstanten elektrischen Feldes (10-30 kV/cm) über das Target 13 umfaßt, so

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daß die ferroelektrischen Bezirke ausgerichtet werden können, um eine große und gleichförmige elektrische Polarisation zu erreichen. Das Polen des Targets 13 kann durchgeführt werden, bevor das Target 13 in die Röhre 1 eingeführt wird, oder auch wenn das Target 13 in der Röhre 1 ist, durch Durchführen einer geeigneten Betriebsart für die Röhre

Die Anordnung arbeitet folgendermaßen: Wärmestrahlung (die hauptsächlich Infrarotstrahlung ist) gegebener Objekte wird mittels eines üblichen (nicht gezeigten) Zerhackers moduliert und fällt dann auf die Elektrode 15 durch das Fenster 16 ein. Ein Teil der Strahlung wird durch die Elektrode 15 absorbiert und ein Teil wird zum Target 13 übertragen. Die von der Elektrode 15 absorbierte Strahlung heizt die Elektrode 15 auf. Die Wärme wird zum Target 13 geleitet. Die vom Target 13 absorbierte Strahlung heizt das Target 13 direkt auf. Deshalb wird ein Wärmebild (oder Wärmestruktur) auf dem Target 13 erzeugt, das der Intensitätsstruktur der Infrarotstrahlung entspricht, die von dem (den) zu betrachtenden gegebenen Objekt (en) ausgeht. Das Wärmebild wird in eine entsprechende elektrische Ladungsstruktur auf dem Target 13 durch den pyroelektrischen Effekt umgesetzt. Auf diese Weise hat das Target 13 zu jedem Zeitpunkt eine besondere Oberflächenstruktur der pyroelektrischen Ladung, die den Wärmezustand der Objekte zu diesem Zeitpunkt entspricht. Wenn das Elektronenstrahlbündel 11 das Target 13 abtastet, wird die entsprechende pyroelektrische Ladung veranlaßt, in Form eines Stromes in den Leiter 17 abzufließen, und zwar deswegen, weil das Target 13 in Wirklichkeit ein elektrischer Kondensator ist, der entladen wird, wenn er von dem Elektronenstrahlbündel 11 abgetastet wird. Das im Leiter 17 erzeugte Signal wird durch den Verstärker 25 verstärkt und dann durch eine herkömmliche (nicht dargestellte) Signalverarbeitung sschaltung verarbeitet und in herkömm-

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licher Weise aufgezeichnet oder dargestellt, z.B. auf einer Elektronenstrahlröhre. Der Kondensator 23 wird zum Abtrennen der in eine Richtung wirkenden, von der Spannungsquelle 21 erzeugten Spannung gegen die (nicht dargestellten) Wechselspannungskomponenten in der Signalverarbeitungsschaltung verwendet. Der Wert des Widerstands 19 (üblicherweise 1 MO) wird zum Ergeben einer Impedanz in der Größenordnung des Zehnfachen der Eingangsimpedanz des Verstärkers 25 gewählt.

Die Spannungsquelle 21 ist vorgesehen, damit positive Ladung durch die Elektrode 15 und das Target 13 treten oder abfließen kann, um jedes Flächenelement des Targets 13 zu löschen, das eine restliche negative Ladung besitzt, nachdem die pyroelektrische Ladung von diesem Flächenelement durch das Elektronenstrahlbündel 11 elektrisch ausgelesen wurde. Eine geeignete Ladungsmenge muß während der Teilbildzeit oder Abtastperiode T hindurchtreten oder abfließen, das ist die Zeit zwischen aufr

einanderfolgenden Abtastungen eines gegebenen Bereiches des Targets 13 durch das Elektronenstrahlbündel 11. Die zur Verfügung stehende Zeit, damit die Ladung durch die Elektrode 15 und das Target 13 abfließen kann, muß jedoch auch lang genug sein, um ein Speichern eines beträchtlichen Teils der elektrischen Ladung zu ermöglichen, die zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen durch das Elektronenstrahlbündel 11 auftritt.

Die zum Abfließen der Ladung durch die Elektrode 15 notwendige Zeit kann vernachlässigt werden (im Rahmen dieser Erläuterungen), weil der elektrische Widerstand der Elektrode 15 im Vergleich zu dem des Targets 13 vernachlässigbar klein ist. Die Geschwindigkeit, mit der positive Ladung auf der durch das Elektronenstrahlbündel 11 abgetasteten Oberfläche des Targets 13 gesammelt wird, wird durch die Gleichung angegeben:

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2Α35Λ00

(l-exp(—H )), ... (1)

V = Spannung auf der Oberfläche des vom Elektronenstrahlbündel abgetasteten Targets 13,

V = Spannung der Spannungsquelle 21,

2Γ = Teilbildzeit, und
r

RC = Zeitkonstante des Targets 13, d. h. das Produkt dessen elektrischen Widerstands R und dessen elektrischen Kapazität C.

Die Bedingung, daß die Abfließ- oder Durchtritts zeit durch das Target 13 kurz genug ist, damit sich während aufeinanderfolgender Abtastungen eine geeignete positive Ladung aufbauen kann, jedoch lang genug ist, damit sich ein bedeutender Teil der pyroelektrischen Ladung, die zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen auftritt, speichern kann, wird durch die Ungleichung wiedergegeben:

χ Tp^RC^y Tp, ... (2)

mit χ und y als untere bzw. obere annehmbare Grenze der Vielfachen der Teilbildzeit £"_,» die die Zeitkonstante RC aufweisen kann. Die sich auf der Oberfläche des vom Elektronenstrahlbündel 11 abgetasteten Targets 13 aufbauende pyroelektrisch« Ladung fließt ab mit exponentieller Geschwindigkeit (d. h. einer Geschwindigkeit, die dem Komplement der Gleichung (l) entspricht). Die untere Grenze χ der Ungleichung (2) wird unter dieser Abfließbedingung für die pyroelektrische Ladung be-

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trachtet. Ist diese untere Grenze z. B. χ = 1, dann wird in der Zeit RC ein Prozentsatz (l/e) · 100 %. d. h- etwa 37 %, der pyroelektrischen Ladung abfließen. Deshalb ist χ vorzugsweise etwa 3, so daß in

3
der Zeit RC nur (l/e ) * 100 %, d. h. etwa 2 %, der pyroelektri-

schen Ladung abfließen wird. Die obere Grenze y wird anhand der
oben genannten Bedingung betrachtet, die geeignetes Aufladen der Oberfläche des vom Elektronenstrahlbündel 11 abgetasteten Targets 13 mit positiver Ladung von der Spannungsquelle 21 betrifft. Die Gleichung (l) kann durch Erweitern des Exponentialantexls und durch Aufnehmen der Bedingung T_x.^. RC in die Gleichung vereinfacht werden.

Das ergibt

^V2 r_F

-■⁽³⁾

Deshalb wird bei der oberen Grenze (gemäß Ungleichung (2))
mit RC = y Z' :

y =.

Es wurde bereits früher gezeigt, daß der notwendige Wert für

V etwa 0,5 V für jedes pyroelektrisctie Target ist« Der Wert von V_ P ²

wird bestimmt durch das, was als unvernünftig zu verwendende hohe Spannung betrachtet wird. Als annehmbare Grenze für V kann 100 V

da

betrachtet werden. Aus Gleichung (4) ergibt dies dann y = 200. Ein

üblicher Wert für I ist 2 * 10 s. Deshalb ergibt sich durch Ein-

~^F -2

setzen der Werte ί „ = 2 ' 10 s_t χ = 3 und y = 200 in die Unglei-

chung (2):

6 χ 10~² s ^RX ^ 4 s. ... (5)

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Jedoch arbeitet die Anordnung auch bei sehr kleinem x, z. B.
χ = 1/2, und sehr großem y, z. B. y = 1000.

Wenn R in Ohm und C in Farad gemessen wird, dann ist die Benennung des Produkts RC Sekunden. Andererseits kann das Produkt RC auch ausgedrückt werden als Produkt

*> = spezifischer elektrischer Widerstand des Targets 13,
£ = relative Dielektrizitätskontante des Targets 13 und

£' - die stets konstante Dielektrizitätskonstante des Vakuums.

Es ist schwierig, eine geregelte oder gesteuerte Einstellung der relativen Dielektrizitätskonstante £ durchzuführen. Jedoch kann der spezifische Widerstand f eines gegebenen Werkstoffs durch Dotieren des Werkstoffs eingestellt werden. Die Leitfähigkeit nimmt oft als bekannte Funktion oder Wirkung der Konzentration leitfähiger Do.tierstoffe zu.
Deshalb können PZT und dessen Derivate, die nicht den genauen spezifischen Widerstand besitzen, dotiert werden, z. B. mit Kalium, Wismut und Uran, um den benötigten spezifischen Widerstand zu ergeben. Blei-Germanat, Blei-Germanat-Silicat und Lithium-Sulfat haben alle
schon bei der Herstellung den genauen spezifischen Widerstand.

Wenn das Target 13 aus einem Werkstoff hergestellt ist, der die Infrarotstrahlung bei einer interessierenden Wellenlänge nicht stark
oder kräftig absorbiert, kann es gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung durch einen zusammengesetzten Aufbau einer

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Schicht aus pyroelektrischem Werkstoff und einer Schicht aus infrarotabsorbierendem Werkstoff, wie z. B. einer Schicht aus einem organischen Polymer, ersetzt werden.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Wirkungsweisen des Fensters q6 und der Elektrode 15, wie sie anhand der Figur beschrieben wurden, durch ein einziges Bauteil zusammengefaßt werden, das sowohl im Infrarotbereich des Spektrums transparent als auch elektrisch leitend ist.

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Claims

Patentansprüche

C1 .yPyroelektrische Kameraröhre, mit

einem pyroelektrischen Target zum Erfassen einfallender thermischer elektromagnetischer Strahlung mittels des pyroelektrischen Effektes,

einer Abtasteinrichtung zum wiederholten Abtasten eines Ladungsträgerstrahlbündels mit einer durchschnittlichen Abtastperiode T über

die Oberfläche des Targets und

einer elektrisch mit dem Target verbundenen Auf nehm er elektrode zum Aufnehmen der auf dem Target aufgebauten pyroelektrischen Ladung und zum Erzeugen eines der pyroelektrischen Ladungsmenge auf dem von dem Ladungsträgerstrahlbündel abgetasteten Oberflächenteil des Targets entsprechenden Ausgangssignals,

gekennzeichnet durch

eine elektrische Impedanz (19), die an einem ihrer Enden an der Aufnehmerelektrode (15) angeschlossen ist, und

eine im wesentlichen gleichförmige Spannungsquelle (21), die mit dem anderen Ende der Impedanz (19) verbunden ist, um durch die Impedanz (19) und die Aufnehmerelektrode (15) dem Target (13) eine elektrische Ladungsmenge zuzuführen zum Löschen jeder von dem Ladungsträgerstrahlbündel auf der Oberfläche des Targets (13) zurückgelassenen überschüssigen Ladung, wobei das Target (13) so ausgeführt ist, daß das Produkt des elektrischen Widerstands R-, und der elektrischen Kapazität

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C₁J, des Targets (13) während des Abtastens durch das Ladungsträgerstrahlbündel gleich ist der halben bis tausendfachen Abtastperiode T .
2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tar get (13) so ist, daß das Produkt aus R und C

r_F

genügt
3. Röhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (13) und die Abtasteinrichtung (3, 5, 7, 9) so sind, daß das Produkt aus R,^ in Ohm und C in Farad

6 · 10"² s *? R_x C_T ^ 4 s genügt.
4. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsträgerstrahlbündel ein Elektronenstrahlbündel (11) ist und die Ladung zum Löschen positiv ist.
5. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Signalverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten des Ausgangssignals der Elektrode (15) und einen elektrischen Kondensator (23) zwischen der Elektrode (15) und der Signalverarbeitungsschaltung, wobei die Impedanz (19) etwa lOmal so groß wie die am Kondensator (23) gemessene Eingangsimpedanz der Signalverarbeitungsschaltung ist.

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6. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrische Kameraröhre (l) evakuiert ist.
7. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das pyroelektrische Target (13) aus Blei-Germanat Pb Ge O besteht.
θ. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das pyroelektrische Target (13) aus Blei-Germant-Silicat PbgGe Si O , mit O^ y<.2,l, besteht.
9. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das pyroelektrische Target (13) aus Lithium-SiIfat besteht .
10. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das pyroelektrische Target (13) aus dotiertem Blei-Zirkonat-Titanat besteht.

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