DE3640723A1 - Bildwandlerroehre - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildwandlerröhre gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung Bildwandlerröhren mit in Reflexion arbeitenden Photokathoden.

Die üblichen, bekannten Bildwandlerröhren enthalten Photokathoden, die in Transmission arbeiten. Es sind ferner optische Geräte, wie Teleskope bekannt, welche Linsensysteme enthalten, bei denen ein kleiner, mittlerer Teil eines optischen Elements sich hinsicht­ lich seiner Funktion von den ihn umgebenden Teilen des optischen Elements unterscheidet. Photokathoden, die in Reflexion arbeiten, sind von Vakuumphotozellen und Photoelektronenvervielfachern bekannt. Elektrostatische oder elektronenoptische Sammellinsen sind beispielsweise von Nachtsicht- und anderen Bildwandlerröhren bekannt. Der Begriff Bildwandlerröhre soll auch Bildverstärkerröhren umfassen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Bildwandlerröhren, die sich insbesondere für infrarote Eingangs­ strahlung im Wellenlängenbereich von 5 bis 15 Mikrometer eignen, hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten und Betriebseigenschaften dadurch verbessert werden können, daß man die Eingangsstrahlung durch ein in der Mitte diskontinuierliches optisches Element auf eine in Reflexion arbeitende Photokathode fallen läßt und dann den weiteren Strahlengang durch den mittleren Teil des optischen Elements wieder zurücklaufen läßt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Bildwandlerröhre gemäß der Erfindung ist das optisch diskontinuierliche optische Element eine Linse, in deren Mitte eine optische Einheit angeordnet ist, welche eine Elektronenlinse, eine konkav-konvexe Mikrokanalplatte, einen faseroptischen Korrekturzylinder und ein Prisma enthält.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in der eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Bildwandlerröhre etwas schematisch im Längsschnitt dargestellt ist. Ein Teil der Bildwandlerröhre ist in einem vergrößerten Ausschnitt gezeigt.

Die in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellte Bildwandlerröhre (10) enthält ein Gehäuse (12) aus Metall, welches einen kryogenen Kühlteil (14) sowie einen vakuumdichten Bildwandlerteil (16) umschließt, die durch eine integrale, wärmeleitfähige Wand (18) aus Metall getrennt sind. Der Bildwandlerteil (16) wird durch ein Infrarot durchlässiges Fenster (20) vakuumdicht verschlossen.

Im Bildwandlerteil (16) des Gehäuses (12) ist eine optische Linse (22) mittels einer ringförmigen Fassung (24) angeordnet.

Durch die Linse (22) erstreckt sich eine als Ganzes mit (26) bezeichnete optische Einheit, welche eine Elektronenlinse (28) mit einem Auflösungsvermögen von 3 Mikrometer und einem Verkleinerungsverhältnis von 4:1, ferner eine konkav-konvexe Mikrokanalplatte (30), deren Kanäle einen Mittenabstand von 10 Mikrometer haben, weiterhin ein Faseroptikbündel (32) des in der US-PS 42 02 599 beschriebenen Typs, eine Leuchtstoffschicht (34) (mit einem Nahfokus zwischen der Mikrokanalplatte (30) und dem Leuchtstoffschirm (34) mit 3 Mikrometer Auflösung) und schließlich ein Prisma (36) enthält. Die Leuchtstoffschicht (34) und das Faseroptikbündel (32) sind zur Mikrokanalplatte (30) hin mit sphärischen Oberflächen versehen, die parallel zu der ihnen zugewandten Oberfläche der Mikrokanalplatte verlaufen; die Leuchtstoffschicht (34) bildet einen dünnen Überzug auf dem Faseroptikbündel (32) (deren Fasern einen Mittenabstand von 5 Mikrometern haben) und ist von der Mikrokanalplatte (30) beabstandet.

Das Gehäuse (12) hat ferner noch ein seitliches Fenster (38), das für sichtbares Licht transparent ist und eine visuelle Betrachtung der Leuchtstoffschicht durch das Auge (40) ermöglicht.

Die Wand (18) des Bildwandlerteils (16) ist mit einer kontinuierlichen Elektrode (42) beschichtet, welche eine Vielzahl von als Ganzes mit (44) bezeichneten, getrennten Halbleiter-Phototransistorelementen trägt, die ein Mosaik bilden. Die Elemente (44) sind quadratisch mit einer Seitenlänge von etwa 75 Mikrometer und sind durch etwa 5 Mikrometer breite Zwischenräume getrennt. Jedes Halbleiterelement trägt auf seiner Fläche, die der zusammenhängenden Elektrode (42) abgewandt ist, eine Elektrode (46), die nur mit dem betreffenden Halbleiterelement Kontakt macht. Auf den Elektroden (46) befindet sich eine Photokathode (48). Bei der Photokathode (48) ist ein Netzgitter (50) angeordnet, das sich über den Bildwandlerteil (16) erstreckt. Im Bildwandlerteil (16) ist ferner neben der ringförmigen Fassung (24) eine Emissionsquelle (52) zur Strahlung mit einer Wellenlänge von 850 Nanometer angeordnet.

Im Betrieb fällt Infrarotstrahlung (60), die eine Wellenlänge von etwa 10 Mikrometer haben kann und ein Bild darstellt, durch das Fenster (20) in die Bildwandlerröhre. Das Bild wird durch die optische Linse (22) auf die Halbleiter-Elektroden-Photokathoden- Anordnung (42, 44, 46, 48) fokussiert. Das Auftreffen von 10-Mikrometer-Infrarotstrahlung auf bestimmte Halbleitertransistor­ elemente (44) bewirkt, daß diese ein negatives Potential von etwa 100 Millivolt annehmen. Gleichzeitig wird die Photokathode (48) mittels der Quelle (52) kontinuierlich mit Strahlung der Emissionswellenlänge von 850 Nanometern bestrahlt. Die Photokathode (48) hat einen Photoemissions-Schwellenwert von 900 Nanometern, so daß die Strahlung von der Quelle (52) bewirkt, daß die Photokathode (48) Photoelektronen (62) mit einer kinetischen Energie von etwa 80 Millivolt emittiert. Das Potential des Maschengitters (50) beträgt minus 125 Millivolt, so daß ein Elektron, das eine Potentialenergie von 80 Millivolt hat, nicht hindurchtreten kann. Wo jedoch ein Flächenbereich der Photokathode (48) Kontakt mit einem Elektrodenelement (46) macht, welches in Berührung mit einem Halbleiterelement (44) steht, das der Infrarotstrahlung ausgesetzt worden ist, so ist das Potential dieses Flächenbereiches der Photokathode (48) auf minus 100 Millivolt herabgesetzt, so daß der Spannungs­ abfall zwischen ihm und dem Gitter (50) nur 25 Millivolt beträgt und die Elektronen von diesem Bereich der Photokathode (48) das Gitter durchlaufen können, wobei sie ein Muster entsprechend der Intensitätsverteilung in der in die Röhre eintretenden Infrarotstrahlung (60) bilden.

Die aus der Photokathode (48) austretenden Elektronen (62) werden durch die elektrische Elektronenlinse (28) auf die konkave Oberfläche der Mikrokanalplatte (30) fokussiert, in der das Signal verstärkt wird. Die aus der Mikrokanalplatte austretende, verstärkte Elektronenverteilung gelangt durch die Vakuumstrecke auf die Leuchtstoffschicht (34) auf der konkaven Oberfläche des Faseroptikbündels (32), wobei das Elektronenbild in ein sichtbares Lichtbild verwandelt wird, welches über das Umlenkprisma (36) und durch das Fenster (38) betrachtet werden kann. Das Lichtbild wird durch das Faseroptik­ bündel (32) entzerrt.

Die Verwendung einer reflektierenden Photokathode hat viele Vorteile. Beispielsweise läßt sich die Temperatur und das elektrische Potential der Photokathode leicht steuern. Die Kühlung kann direkt und effizient durchgeführt werden.

Das oben anhand der Zeichnung erläuterte Ausführungsbeispiel läßt sich auf verschiedene Weise abwandeln, z.B. dadurch, daß man anstelle der lichtoptischen Linse (22) einen optischen Spiegel verwendet, der beispielsweise einen Winkel von 45° mit der durch eine optische Linse fokussierten einfallenden Strahlung bildet und diese auf die Photokathode reflektiert. Der Spiegel kann segmentiert sein, um den Widerstand längs des Spiegels zu erhöhen und eine Verzerrung des elektronischen oder elektrostatischen Linsenfeldes zu vermeiden.

Bei den Halbleiterelementen des Mosaiks kann es sich auch um photoleitfähige, photovoltaische bzw. Photodioden- oder MIS-Elemente handeln. Alternativ kann auch ein Elektronenstrahl verwendet werden, um in der Photokathode ein variierendes Potential zu erzeugen. Die Bestrahlung der Photokathode, die sie zur Emission von Elektronen veranlaßt, kann intermittierend oder kontinuierlich sein.

Claims (13)

1. Bildwandlerröhre mit einem vakuumdichten Gehäuse (12), welches zwei Fenster (20, 38) aufweist und eine Vakuumkammer (16) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) eine in Reflexion arbeitende Photokathode (48) sowie ein optisches Element (26) enthält;
daß das erste Fenster zur Übertragung eines ersten Strahlungsbündels (60) längs einer ersten Achse im Gehäuse angeordnet ist;
daß das zweite Fenster zur Übertragung eines zweiten Strahlungsbündels längs einer zweiten Achse im Gehäuse angeordnet ist, welche die erste Achse unter Bildung zweier Winkel, die jeweils kleiner als 180° sind, schneidet; daß das im Gehäuse angeordnete optische Element (22, 26) einen mittleren, diskontinuierlichen Teil aufweist, und
daß das optische Element bezüglich des ersten Fensters (20) und der Photokathode (48) so angeordnet ist, daß das erste Strahlungsbündel durch das optische Element auf die Photokathode geworfen wird und das zweite Strahlungsbündel durch den mittleren, diskontinuierlichen Teil verläuft.

2. Bildwandlerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine lichtoptische Linse (22) enthält.

3. Bildwandlerröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mittleren, diskontinuierlichen Teil eine optische Einheit (26) angeordnet ist.

4. Bildwandlerröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einheit (26) eine verkleinernde elektronenoptische Linse (28), einen Leuchtstoffschirm (34) und eine konkav-konvexe Mikrokanalplatte (30) enthält.

5. Bildwandlerröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einheit (26) ferner ein Verzerrungen beeinflussendes Faseroptikbündel (30) enthält.

6. Bildwandlerröhre nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einheit ein Prisma (36) enthält.

7. Bildwandlerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Winkel 90° betragen.

8. Bildwandlerröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Photokathode eine Schichtstruktur mit einer Vielzahl von Halbleiterelementen (44) bildet, welche jeweils in der Lage sind, die Spannung auf ihrer der Photokathode (48) zugewandten Oberfläche in Abhängigkeit von der auf sie fallenden Strahlung des ersten Strahlungsbündels (60) zu ändern.

9. Bildwandlerröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie für ein erstes Strahlungs­ bündel (60) ausgelegt ist, dessen Wellenlänge im infraroten Strahlungsbereich liegt.

10. Bildwandlerröhre nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie für ein erstes Strahlungsbündel (60) mit einer Wellenlänge von 10 Mikrometer ausgelegt ist.

11. Bildwandlerröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Photokathode (48) und dem optischen Element (22) ein Gitter (50) angeordnet ist.

12. Bildwandlerröhre nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle (52) zur Bestrahlung der Photokathode (48).

13. Bildwandlerröhre nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie so ausgelegt und vorgespannt ist, daß Elektronen, die an der Photokathode (48) durch die Strahlungsquelle freigesetzt werden, das Gitter (48) nur an denjenigen Stellen zu durchlaufen vermögen, die sich in Kontakt mit einem Halbleiterelement (44) befinden, auf das Strahlung ausreichender Intensität des ersten Strahlungsbündels (60) fällt.