JP2023524438A - 低電圧信号による透過モード二次電子増倍器用グローバルシャッタ - Google Patents
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Abstract
画像増強管及び電子増倍器からの電子の継続的な引き込みを遮断するための方法とともに暗視システムが提供されている。暗視システムは、電子増倍器、又は場合により、それぞれがシリコン膜を含む2つの電子増倍器を含む。第1の表面と、実質的に平行な、対向するシリコン膜の第2の表面との間にシャッタ電圧が印加され、電子増倍器を通した電子の引き込みを中断し、特定の明るい光条件下で画像増強管からの画像の表示を実質的に中断する。電子増倍器にグローバルシャッタ制御を利用し、このような制御のための電圧を大幅に低減すると、画像増強器内の電力消費、並びに電磁干渉及び遅延応答時間が低減される。電子増倍器のみの比較的低電圧の負バイアスシャッタ電圧は、画像増強デバイスにグローバルシャッタを選択的に提供する。
Description
優先権の請求
本出願は、2020年4月28日に出願された米国特許出願第63/016,638号及び2020年4月29日に出願された第63/017,319号に基づく優先権を主張するものであり、それら特許出願の開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、2020年4月28日に出願された米国特許出願第63/016,638号及び2020年4月29日に出願された第63/017,319号に基づく優先権を主張するものであり、それら特許出願の開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
実施形態の例は、概して、暗視システム、より具体的には、画像増強管、及びこの管をウェハ加工及びフォトリソグラフィスケールで製造する方法に関する。画像増強管は、ドープ型電子増倍器及び、増倍二次電子及び管内のディスプレイに示される1つ以上の透過モード二次電子(TMSE)画像増強器の後側表面からのアドレス指定された電子放出を生成するアドレス指定可能な電子放出器を備える。他の例示的な実施形態は、画像増強管に連結された電源を含む暗視システムに関し、画像増強器からの出力を遮断する低電圧信号を受信するために画像増強器内に少なくとも1つのTMSEを含む。
暗視ゴーグルなどの暗視システムは、典型的には、画像増強管を含む。画像増強管、又は「画像増強器」は、フォトカソードとセンサアノードとの間に配置される電子増倍器を含み得る。フォトカソードは、物体からの光子の形態の赤外線光を検出し、画像増強器は、フォトカソードから放出される、結果として生じるフォト電子、又は「電子」を増幅又は増倍する。増倍電子は、アノードに引き込まれ、ここでスクリーン上に表示される光子に戻すことができる。アノード又はスクリーンは、増加した数の電子を受信すると、それらの電子を感知し、スクリーン上に画像の増強された表現を生じさせるセンサを含み得る。フォトカソード、電子増倍器、及びアノードは、典型的には、フォトカソード、電子増倍器、及びセンサアノードの間のギャップを伴う真空ハウジングによって支持され、ゲインを提供し、それらの間の電子の流れを促進する。
真空管内のこれらのデバイスの各々は、アノードが、表示前に電子をデジタル電気信号(バイナリ1及び0)に変換することなく、スクリーン上に表示される光子に変換する光学撮像装置である場合、アナログ画像増強器として分類され得る。このように、アナログ画像増強管は、ターゲット又は物体から反射され、真空封止されて離間したフォトカソード、電子増倍器及び蛍光コーティングアノードスクリーンによって受信される低強度赤外線又は近赤外線放出の夜間画像増強のアナログチャネルを有するものであり、その間にバイナリデジタル電気信号へのいかなる変換も行われない。
アナログ画像増強器に基づく夜間視覚は、長年にわたって使用されてきた。アナログ画像増強器に加えて、多くの暗視システムは、ユーザに、暗視システムに装着されたデジタル撮像装置カメラからの異なる波長モダリティの状況認識、シンボル体系、及び追加画像を提供するためのデジタルディスプレイも含むことができる。追加のデータは、デジタル信号バイナリビット(バイナリ1及び0論理値)としてデジタル撮像装置カメラから、暗視システム上に装着された電子デジタルディスプレイに提供される。電子デジタルディスプレイは、暗視システム内に構成された光学ビームコンバイナによって、アナログ画像増強器からの光学出力画像上にオーバーレイされた光学出力画像を生成する。ビームコンバイナ及び追加のデジタルディスプレイは、電力を消費し、システムのサイズ/重量を増加させ、暗視システムの製造に複雑さを付加する。
出力輝度がビームコンバイナの透過損失を考慮してしばしば増加する点を除いて、アナログ画像増強器からの画像は、通常通り生成される。ビームコンバイナは、アナログ画像増強器からの出力光学画像を、デジタルディスプレイからの出力光学画像と組み合わせるために使用される。追加の電子デジタルディスプレイは、ビームコンバイナの別個のチャネル上のアナログ画像増強器の出力と同じ焦点距離を提供する方式で、概してビームコンバイナの1つの表面上に固定される。電子デジタルディスプレイからの二次画像が、アナログ画像増強器スクリーン上に表示されるものとオーバーレイされ、かつコヒーレントに関連する場合、2つの画像を登録するには製造の複雑さが追加されなければならない。典型的な暗視システムの接眼レンズは、ビームコンバイナの追加距離を考慮するように設計されなければならない。光学ビームコンバイナは、サイズ、重量、及び製造の複雑さをシステムに追加する。アナログ画像増強器のアナログチャネルサイズは、デジタル撮像装置カメラのデジタルチャネルサイズと比較して大きく、ミスマッチを引き起こし、デジタルディスプレイからの画像のアナログ画像増強器からの画像への限定されたオーバーレイのみを可能にする。
暗視システムのユーザは、多くの場合、ターゲット又は物体からの光学画像として反射される、広範囲の入射光を体験することができる。高い(又は明るい)光条件下では、画像増強器は、ユーザの目を傷める可能性のある過剰なゲインを生成する可能性がある。これを軽減するために、暗視システムの電源は、画像増強器の最大出力輝度を制限するよう設計された回路を有し得る。一般的な解決策は、大きな電圧シフトと高電圧ゲーティングを使用して、出力光を制御することである。しかし、これらの効果は電力を消費し、電磁干渉(EMI)を放出し、応答タイミングを遅延させる。
従来のアナログ画像増強器は、2つの電圧変換を使用して、自動輝度制御(ABC)及び明るい光源保護(BSP)である増強器出力輝度を制御する。ABCの下では、画像増強器の制御電圧は、その最高レベル(例えば、最大ゲインを生成する)から最低レベル(例えば、低レベル固定ゲインを生成する)まで低減される。最低レベルは、ユーザがアナログ画像増強器上に表示される画像を見ることができなければならないため、ゼロゲインにはいかない。電圧は、最高レベルから最低レベルへ振れ、電源回路内で実装するのに時間をかけ、それに応じて、画像増強器の応答タイミングを増加させる。BSPの下では、その最低レベルまで低減されたフォトカソード電圧は、その後、この低レベルと実質的にオフ又は逆バイアスとの間のゲートを開始する。この比較的高電圧(50~100V)のゲーティング又はスイッチングは、放出される放射線又は電磁干渉(EMI)の主要な供給源である。これらの大電圧のゲーティングは、画像増強器電源の第2の大きな電力消費量である。
本開示は、半導体ゲイン層、特にTMSE又は電子増倍器半導体ゲイン層にわたって、低電圧を印加することによって、比較的明るい光条件下で画像増強管のゲインを制限する、新しく革新的な暗視システムを提供する。本明細書の暗視システムは、電子増倍器における、半導体ゲイン層、又はシリコン膜にわたって小さな負電圧を印加する。小さな負電圧は、電子増倍器の電子放射表面に到達する電子の流れを実質的に停止し、効果的かつ効率的に、画像増強デバイスに低電圧グローバルシャッタを提供する。
本開示の少なくとも1つの実施例によれば、暗視システムは、シリコン膜を有する電子増倍器を含む。1~2ボルト、及び好ましくは0.5~2.5ボルトの間のシャッタ電圧が、シリコン膜の第1の表面と、実質的に平行な対向する第2の表面との間に印加される。暗視システムは、画像増強管を更に備えることができる。電子増倍器は、画像増強管内に、フォトカソードとアノードとの間に離間された距離で、真空封止されることが好ましい。電子増倍器は、負バイアスされたシリコン膜を含む。
本開示の別の実施例によると、シリコン膜は、第1の表面と対向する第2の表面との間に部分的に延在する、複数の間隔を置いたドープ領域を含む。シリコン膜の第1の表面、代替的に、電子増倍器は、好ましくはフォトカソードに向かって面し、シリコン膜の第2の表面又は電子増倍器は、好ましくはアノードに向かって面する。第1の表面及び第2の表面は、第1の表面及び第2の表面から誘電的に離間したそれぞれの第1の金属層及び第2の金属層からなる。第1及び第2の金属層は、シャッタ電圧源の端子に電気的に連結されて、第1の金属層上に正のシャッタ電圧値、及び第2の金属層上に負のシャッタ電圧値を生成する。第2の金属層は、スピント(Spindt)型放出器などの電気的にアドレス指定可能な電子放出器を備えることができる。
本開示の更に別の実施例によれば、画像増強管が提供される。画像増強管、又は「画像増強器」は、好ましくはアナログ画像増強器である。画像増強器は、フォトカソードとアノードとの間の真空中に離間した少なくとも1つの電子増倍器を含む。正バイアスの第1の電圧は、フォトカソードと電子増倍器との間に連結され、フォトカソードから電子を電子増倍器に引き込む。負バイアスシャッタ電圧は、電子増倍器の対向する表面にわたって連結され、電子増倍器からの電子の連続的な引き込みを遮断する。シャッタ電圧を選択的に印加して、画像増強管からの画像の表示を実質的に中止することができる。好ましくは、250ボルト~2000ボルトの正バイアス(及び場合により可変)の第2の電圧は、電子増倍器と接地電源との間に連結される。
正バイアスの第1の電圧は、可変の第1の電圧源の負端子と正端子とを備え得、第1の電圧源の負端子はフォトカソードに連結される。第1の電圧源の正端子は、電子増倍器の電子入射表面に連結することができる。したがって、負バイアスシャッタ電圧は、シャッタ電圧源の正端子及び負端子を備え、シャッタ電圧源の正端子は電子増倍器の電子入射表面に連結され、シャッタ電圧源の負端子は電子増倍器の増倍電子放出表面に連結される。
本開示の更に別の実施例によると、正バイアスの第3の電圧は、4150~4275ボルトの範囲であり得、第3の電圧源は固定されている。第3の電圧源は、接地電源とアノードとの間に連結される。正バイアスの第1の電圧は、200~2000ボルトの範囲であり得る。また、正バイアスの第1の電圧は可変である。本開示の更に別の実施例によると、画像増強管内の電子増倍器からの電子の連続的な引き込みを遮断する方法が提供される。本方法は、電子増倍器に電子を引き込むために、フォトカソードと電子増倍器の電子入射表面との間に正バイアスを印加することを含み得る。この方法はまた、電子増倍器を通して増倍電子の引き込みを実質的に停止するために、電子入射表面と電子増倍器の増倍電子放出表面との間に負のシャッタバイアスを印加することを含み得る。負のシャッタバイアスを印加することは、蛍光体で覆われたアノード画面内の電流の大きさの変化に依存する。
本開示の実施例は、添付図面に関連して読まれたとき、以下の詳細な説明から最も良く理解される。一般的な慣行によれば、図面の様々な特徴は、縮尺に合わせて描かれないか、又は部分的視点でのみ示されている。様々な実施形態の寸法は、明確にするために、任意に拡大又は低減される。同様の数字は、図面中の同様の要素を表すために使用される。図面には、以下の特徴及び要素が含まれ、ここで各図面を参照する。
以下の考察は、様々な例示的実施形態を対象とする。しかしながら、当業者であれば、本明細書に開示する実施例は広範な適用を有すること、及び任意の実施形態の考察は、その実施形態の例にすぎないことを意味し、特許請求の範囲を含む本開示の範囲がその実施形態に限定されることを示唆することを意図するものではないことを理解するであろう。
上述のように、図面は必ずしも正確な縮尺ではない。本明細書の特定の特徴及び構成要素は、スケールで誇張されるか、又はいくらか概略的な形態で示され得、従来的な要素のいくつかの詳細は、明確性及び簡潔性のために示されない場合がある。
以下の考察及び特許請求の範囲において、用語「含む」及び「備える」は、制限のない様式で使用され、したがって、「限定するものではないが、含む」ことを意味するものとして解釈されるべきである。また、用語「連結」又は「連結」は、間接的又は直接的な接続のいずれかを意味することが意図される。したがって、第1装置が第2の装置に連結される場合、その接続は、2つの装置の直接接続を介して、又は他の装置、コンポーネント、ノード、及び接続を介して確立される間接的な接続を介し得る。更に、本明細書で使用される場合、用語「軸状」及び「軸状に」は、所与の軸(例えば、本体、出口又はポートのx、y、又はz方向又は中心軸)に沿って又は平行に一般的に意味し、一方で用語「放射状」及び「放射状に」は、所与の軸に対して垂直に一般的に意味する。例えば、軸距離は、軸に沿って、又は軸に平行に測定される距離を指し、放射状距離は、軸に対して垂直に測定される距離を意味する。
次に図1を参照すると、ビームコンバイナ14を有する、暗視システム12の部分ブロック図が示されている。暗視システム12は、光学オーバーレイを実行するための本技術を示す。ビームコンバイナ14は、アナログ画像増強器18の出力と、デジタル電子ディスプレイ20からの出力の両方を、ディスプレイ16に送信する。暗視システム12は、それによって、物体22の画像が、デジタル撮像装置カメラ24及びアナログ画像増強器18の両方によって撮影され得るという点で有利であると証明する。物体又はターゲット22からの画像は、レンズ28及び30を通過し、その後、それぞれのデジタル撮像装置カメラ24及びアナログ画像増強器18を通過することができる。
脅威を発見し、位置特定するうえで兵士の視界を強化するために必要な状況によっては、デジタル画像と、通常、低光量の暗視視界に関連するアナログ画像を撮影しなければならない。デジタル撮像装置24は、通常、非常に低い光レベルではアナログ画像増強管18の性能と合致することができないが、デジタル撮像装置を使用して、その兵士の前方のシーン、例えば方向又は他のシンボル印、シーン又は画像物体22についてのシーンを兵士に表示することができる。加えて、デジタル撮像装置24は、アナログ画像増強管18で発生する可能性のあるSWIR又はNWIR撮像感度ではなく、物体22の熱撮像のためのLWIRなど、異なる波長に対する感度を含む、他の撮像モダリティを講じることができる。デジタル撮像装置24内のセンサは、アナログ画像増強管18内のセンサとは異なる波長をピックアップすることができるか、又はコントローラ32を介して組み合わされた光学画像のオーバーレイされたシーン上にシンボル印を生成することができる。デジタル撮像装置24からの画像、又はコントローラ32からの印は、バス25上のデジタル電気信号としてデジタルディスプレイ20上に到着する。それらの電気信号は、ビームコンバイナ14によって、アナログ画像増強器18からの光学画像と組み合わされる光学信号又は光学画像に変換される。
図1に示すように、デジタル撮像装置28が収容できる画像キャプチャのチャネル幅又は寸法は、DCWとして参照される。DCWは、典型的には、アナログチャネルACWのチャネル幅又は寸法よりも小さい。これは、図2に示すように、図1の複合ディスプレイ16の出力画像に明らかである。図2は、図1の暗視システムを利用したアナログ画像増強管の出力画像上にオーバーレイされたデジタルディスプレイの出力画像のDCW対ACWの違いを示す。例えば、図1におけるデジタル撮像装置カメラ24は、アナログ画像増強器18出力35の低光検出によっては検出できない、兵士34の熱画像出力を重ね合わせることができる。更に、図1及び図2の組み合わせを参照すると、コントローラ32は、デジタル電子ディスプレイ20上にシンボル36を表す複数の電気信号を送信し得る。シンボル36も含むことができるデジタルディスプレイ出力34は、ビームコンバイナ14によってアナログ画像増強器出力35上にオーバーレイすることができる。
図3を参照すると、図1のデジタル撮像装置カメラ又はディスプレイセンサデバイス24が示されている。デジタルセンサ24は、例えば、アナログ画像増強管18内の前方監視赤外線センサなど、他の画像との融合を含む、表示及びビューイング、記録、及び他の画像処理を可能にするために、多くの暗視システムで使用される。画像感知ピクセル40のアレイを組み込む画像感知デバイスは、一般的に電子カメラで使用される。各ピクセルは、入射光又は光子に応答して電気出力信号を生成する。電気信号は、多くの場合、画像を形成するために、典型的には1行ずつ読み出される。デジタル撮像装置カメラ24は、電荷連結デバイス(CCD)をピクセル化画像センサとして使用することができる。例えば、ピクセルアレイ40は、タイミング及び制御回路42によって制御され得、信号は、プロセッサ44によって処理され得、プロセッサ44は、信号が列選択ユニット46によって読み出される際に各列上に配置されたアナログ-デジタル変換器を備え得る。次に、各ピクセル出力に対応する電気信号をバス25上に配置することができる。
ピクセル40のアレイは、フォトダイオード型のピクセル構造とすることができる。逆バイアスすると、入射光によってフォトダイオードに電流が流れ、フォト電流が生成される。ドレイン電圧へのフォトダイオードバイアスに応じて、フォト生成電荷電流が生成され、電荷は、アナログ-デジタル出力構造44のアナログ処理部分内のソースフォロアトランジスタ及び感知ユニットによって増幅され得る。感知されたアナログ信号の大きさに応じて、論理1又は論理0のバイナリビット値を作成し、バス25上に配置することができる。感度向上のために各画素に増幅器を組み込むデジタルセンサ撮像装置24は、アクティブピクセルセンサとして知られている。更に、デジタル撮像センサ24は、CCDとして、又はCMOSセンサとしてCMOS加工技術を利用するp型トランジスタとn型トランジスタの組み合わせのいずれかで実装することができる。現代のデジタル撮像センサの多くは、CMOSセンサチップ又はダイを使用して、光子又は電子感知を実行する。CCD又はCMOSデバイスがデジタルセンサ24によって使用されるかどうかに関わらず、複数の電気信号は、対応するピクセルからその後発光するためのデジタルディスプレイ20をアドレス指定するために、画像又はシンボルを表すバス25に送信される。バス25上の電気信号が、ディスプレイ20のダイオードのアレイを順方向バイアスにさせるとき、電気エネルギーが光又は光子に変換され、その後ビームコンバイナ14で組み合わされるので、これらのダイオードから光がピクセル単位で放出される。
図1を再び参照すると、アナログ画像増強管18は、デジタル撮像装置24によって生成された画像よりも有益であり、その点で管18は、星明りの下で遭遇するものなど、非常に低い光レベルを含む、幅広い光レベルにわたって、高品質の画像を生成することができる。アナログ画像増強器18を利用する暗視システム12は、かなり周知であり、第III世代(GaAsフォトカソード)又は第II世代(マルチアルカリフォトカソード)の画像増強ファイバに基づいており、その後、CCD又はCMOSセンサデバイスに光学的に連結されて、画像増強低光レベルカメラを形成することができる。
しかしながら、画像増強器18は、アナログ画像増強器である。アナログ画像増強器18は、ビームコンバイナ14上にアナログ画像を生成し、その画像をデジタル電気信号表現に変換しない。アナログ画像は、画像増強管自体内のいかなる光子から電気信号への変換もなしに、接眼レンズ16上で直接生成される。アナログ画像増強器18から生成された画像は、デジタルセンサ24出力にあるように、複数のバイナリ1又は0ではない。代わりに、アナログ画像増強器18は、例えば、光子に変換され、透明な光ファイバスクリーンを通して表示される、増倍されてゲインされた電子を生成する。
アナログ画像増強器18は、透過フォトカソード19などのフォトカソードで始まる。フォトカソード19は、ガラスで作製され、電子増倍器21に面するフェースプレート19の後側表面上にGaAsでコーティングされたフェースプレートを備える。GaP、GaIn、AsP、InAsP、InGaAsなどの他のタイプIII-V材料を使用することができる。代替的に、フォトカソード19は、Bi-アルカリフォトカソードとして知られ得る。フォトカソード19の光電効果半導体材料は、光子を吸収する。フォトカソード19のフェースプレート上に達する光学画像の吸収された光子は、半導体材料のキャリア密度を増加させ、それによって、フォトカソード19の後側表面から放出される電子23のフォト電流を生成する。一実施例によれば、半導体ウェハは、ウェハの前側表面上にエピタキシャルに成長したGaAsを有し、その後、後側表面が薄くなり、そして、GaAsがエピタキシャルに成長した表面が電子増倍器21に面するようにガラスフェースプレートに結合され得る。代替的に、半導体構造は、エピタキシャル成長GaAsを含有するシリコン以外の別のタイプの半導体材料であり得る。その代替的な半導体構造は、GaAs自体とすることができる。
画像増強管18は、一例によれば、近赤外又は短波赤外などの不可視光源の可視への変換のために、フォトカソード19を利用する。多くの画像増強器では、フォトカソード19から放出される電子は、電子感知アノード29などの蛍光体でコーティングされた透明なアノードに向かって加速される。高エネルギーを伴って蛍光体に当たる電子は、アノード29上の蛍光体コーティング29aに光子を発生させることができる。放出された光子は、光ファイババンドル29bなどの光学装置によって接眼レンズに直接方向付けられる。蛍光体コーティング及び光ファイババンドルの組み合わせは、それぞれ29a及び29bとして示されている。蛍光体コーティング光ファイバスクリーン又はセンサアノード29は、アナログ画像増強器18内で真空封止される。光ファイバユニット29b内の光ファイバテーパ又は伝送レンズは、増幅された視覚画像をビームコンバイナ14を介して、ユーザが視認するように、接眼レンズ16に転送する。
既存のアナログ画像増強器18には、画像がサンプリングされ、画像が劣化し、着信光信号にノイズを加える多数のインターフェースがある。この画像の劣化及び解像度の減少は、高品質の出力を必要とする暗視システム12では不利である。画像増強器18における複数の光学インターフェースから生じる画像劣化を相殺するために、マイクロチャネルプレート(MCP)電子増倍器21がしばしば使用される。MCP型の電子増倍器は、フォトカソード19によってその上に集束される電子23を受信し、MCP型の電子増倍器は、参照符号27によって示されるように、その出力でそれらの電子の二次的増倍を生成することによって電子画像を増強する。MCP型の電子増倍器21は、画像増強器18にゲイン又は増幅を適用するものの、MCP型の電子増倍器は、次に来る画像の幾何学的完全性を維持するとはいえ、MCPは電子増幅器として比較的ノイズが多い。追加されたノイズは、低光レベルの画像品質を劣化させる可能性がある。更に、各MCPチャネル開口部が隣接するMCPチャネル開口部の近くに配置されなければならない密度のために、例えば、開口部21aと開口部21bとの間に、その後側表面上に他に何も装着する余地がない場合、MCP21の後側表面は、図4に示すように、ほとんど余地を有さない。
代替的に、本明細書ではMCPの代わりにドープ型電子増倍器を使用し得る。ドープ型電子増倍器は、必要な増倍及び電子ゲインを生成するだけでなく、Spindt型の電子放出器を収容するのに十分なエリアをその後側表面上に有する。それらのドープ領域間のドープ型電子増倍器の後側表面上の放出エリアは、負電子親和性(NEA)状態に活性化されて、後側放出表面からの電子の流れを促進する。更に、ドープ型電子増倍器の増倍電子放出エリアの間の領域において、電子放出器のアレイを、それらの放出器をピクセルベースで起動するために必要な回路アクチュエータとともに配置することができ、それらの各々は、図6に示す改良型デジタル撮像装置54からバス55を介するデジタル信号によって選択される。
図5は、ドープ型半導体電子増倍器61の後側表面のプロファイルでの撮影を示す。これは後側表面の例示であるため、増倍電子は、ドーピング領域71(領域71a、71b、71cなどとして示される)の間の後側表面から放出されるので、ページから垂直に上方に延在し得る。図5は、図9で更に詳細に説明されるように、印刷され、その後側表面に拡散されるスピント型の電子放出器及びゲート回路の添加前のドープ型半導体電子増倍器61の後側表面を示す。図5は、MCP型の電子増倍器21の後側表面では利用できない電子放出器及び制御回路を追加するために必要な、後側表面上の十分な面積を示すために提示されている。したがって、本実施形態は、フォトカソードと、アナログ画像増強器を形成する画像増強管のセンサアノードとの間、及び後述するように、デジタル撮像装置54の一部との間のMCP型電子増倍器ではなく、ドープ型半導体電子増倍器を利用する。
ここで図6を参照すると、改良型暗視システム52がブロック図に示される。本開示による改良型暗視システム52は、図1の暗視システム12に記述されているような、ビームコンバイナ14又はデジタル電子ディスプレイ20を利用しない。暗視システム52は、それでもなお、アナログ画像増強器58内のアドレス指定可能なディスプレイを接眼レンズ56上に組み合わせる。ビームコンバイナを使用して、デジタルディスプレイから導出された画像を、アナログ画像増強器58から導出された画像と組み合わせたりオーバーレイしたりする代わりに、デジタル撮像装置54からの電気信号を、電気バス55を介して、少なくとも1つの、好ましくは2つの電子増倍器61a及び61b上に送信する。コントローラ62からの任意のシンボル体系も、バイナリビットとして表され、バス55を介して1及び0として、それぞれ一次電子増倍器61a及び二次電子増倍器61bへ送信される。
図6の画像増強器58は、GaAs半導体ダイ、又はシリコンダイ上のエピタキシャル成長GaAsが、参照符号63として示される後側表面に結合されるガラスフェースプレートを備えるフォトカソード59を含む。一次電子増倍器61aの後側表面上に、参照符号64aによって示されるように、電子放出器のアレイを有する半導体ダイがある。二次電子増倍器61bの後側表面上に、参照符号64bによって示されるように、半導体ダイ上にも形成される電子放出器のアレイがある。電気バス55の導電性トレースは、ゲーティング論理を通して電子放出器64a及び64bのアレイに経路指定される印刷されたコンダクタに接続される。一次電子増倍器61a及び二次電子増倍器61b内の電子放出器のアレイは、互いに同一であり、同じ間隔を有し、互いに整列している。
一次電子放出器61a及び二次電子放出器61bの前側表面上には、光学的に透明なガラスプレート65a及び65bがある。本明細書で言及するように、前側表面はフォトカソード59に向かって面する表面であり、後側表面はセンサアノード69に向かって面する表面である。アノード69は、透明なガラススペーサダイ69aの前側表面、及び光ファイババンドル又はレンズ69bの後側領域を含み得る。透明なガラススペーサダイ69aは、蛍光体でコーティングされて、蛍光体によって変換された光子を接眼レンズ56に向けて方向付けることができる。一次電子増倍器61aは、ドープ型半導体領域を使用して電子を増倍し、ピクセルごとに配置された複数の電子放出領域から、二次電子増倍器61bにおける対応するピクセル化された放出領域へ、増倍電子を伝送し、そこで電子を更に増倍して、複数の電子ゲイン及び増幅をセンサアノード69の蛍光体スクリーン上に提供する。
電子放出器はまた、各電子放出器が対応する電子放出領域に隣接するように、一次電子増倍器61a及び二次電子増倍器61bの後側表面上に配置される。このように、各放出器から放出される電子は、その放出器に対応する制御回路によって電気的にアドレス指定され得る。制御回路は、バス55上に送信されるバイナリ1及び0のセットに対応するデジタル番号で起動される。デジタル番号は、デジタル-アナログ変換器(DAC)を有する制御回路によって対応するアナログ値に変換され得、そのアナログ電圧はピクセル制御ゲートに印加される。デジタル撮像装置54内では、別の(第2の)アナログ画像増強管58bであることが好ましい。画像増強管58bは、画像増強器58と同一であることが好ましい。画像増強器58bの後側には、画像増強管58bの後側表面上に取り付けられるか、又はこれから分離されたデジタルセンサ56bがある。デジタルセンサ56bは、図3に示すピクセルアレイ40と同様に、画像増強器58bから放出される光子を電気信号に変換するCMOS回路を伴う光学ピクセルとして動作するアレイ内に配置された複数の能動又は受動ピクセルセンサデバイスを備える。デジタルセンサ56bは、能動ピクセルセンサデバイス又は受動ピクセルデバイスとして使用されるCMOS撮像装置であり得る。デジタルセンサ56bは、CMOS撮像装置チップであり得、又はフォトダイオード及びリードアウト増幅器の両方を組み入れた能動ピクセルセンサデバイスとして、集積化増幅器を有するダイであり得る。
画像増強管58及び58bは同じであり、同じチップ又はダイサイズを有するため、図6の改良型暗視システム52は、アナログチャネル寸法又は幅ACWに合致するデジタルチャネル寸法又は幅DCWを有する。したがって、デジタル撮像装置54へのチャネル開口部は、アナログ画像増強器58へのチャネル開口部と等しい。観察者が物体53を見ているときに視認するように、観察者は、アナログ導出画像の視野全体にわたってオーバーレイされたデジタル導出画像を視認することになる。図2を再び参照すると、DCWは、ACWの視野に等しいように外側に延在し得る。しかしながら、DCWによって観察される画像は、異なる波長であり得、又はユーザによって視認されるACW視野によって観察できない場合がある異なる画像モダリティ及びシンボルを含み得る。ACWに対応するDCWの視野を広げることは、よりロバストな観察体験を提供するだけでなく、より安全な観察体験のために、異なる画像様式及びシンボル印でより多くの情報を提供する。例えば、デジタル撮像装置54によって検出可能なLWIRモダリティは、その小さな部分だけでなく、アナログ画像増強管58の(高さ及び幅の両方)の視野全体にわたって表示される。
図6の改良型暗視システム52は、それによって重量を排除し、従来の設計よりも全体的なシステム透過効率を強化する。現在のMCP型の電子増倍器の空間要件及び物理要件もまた、外部ソースからのデータを従来のビームコンバイナ一体型ディスプレイに組み込むことに適さない。現在の暗視システム52は、ウェハスケールフォトリソグラフィ、及びシリコン表面のドープ領域間の放出エリアでの電子衝撃ゲイン及び負電子親和性(NEA)の物理性質を使用する。暗視システム52は、信号対ノイズ比、変調伝達関数(MTF)の両方において、関連する電力削減を伴うアナログ暗視の性能を進歩させる。外部デジタル信号及びバイナリ1及び0の情報を組み込む追加機能は、1つだけでなく、2つ以上の電子増倍器でも達成可能である。利点は、電子増倍器の後側表面上の電子放出器に送信される電気信号である。バス55上のデジタル電気信号は、例えば、フォトカソードの後側表面の代わりに電子増倍器に送信されることが望ましい。1つの利点は、一次電子増倍器上の電子放出器からの放出が、二次電子増倍器上で下流に更に増幅又は増倍されることである。2つの後側表面からの放出表面はまた、それぞれのアレイにわたって同一であり、両方の後側表面を伴って位置決めしている。2つの後側表面からの放出表面はまた、それぞれのアレイにわたって同一であり、両方の後側表面を伴って位置決めしている。放出器がフォトカソードの後側表面上に配置される場合、フォトカソード後側のGaAs又は他のIII-V材料は、半導体、フォトリソグラフィ画定のシリコン表面ではない。シリコン微細加工は、GaAs表面への任意の微細加工と比較して、より容易に達成される。更に、フォトカソードのGaAs後側表面は、シリコンよりも真空中の残留ガスに対して感度が高すぎる。したがって、放出された電子は残留ガスをイオン化する傾向があるため、GaAsフォトカソード後側から放出される任意の電流を最小化することが望ましい。イオン化されたガスは、電子と比較して反対の電荷を有し、その結果、内部電界によって電子をフォトカソード後側に引き戻す。フォトカソードのGaAsへのイオンの任意の後方散乱は、表面を害する傾向があり、それによってそのNEA能力が低下する。したがって、上記の理由並びに他の理由から、フォトカソードではなく、電子増倍器上に外部デジタル信号を組み込むことがはるかに望ましい。
改良型暗視システム52は、外部電気デジタル信号を各電子放出器に組み込むだけでなく、各ピクセルでの電子放出器が既存の蛍光体69aを一体光生成に利用することを可能にする。デジタルインジェクトされた画像は、画像増強管58の真空エンベロープ内の増強されたシーンに正しくオーバーレイすることができる。改良型暗視システム52は、デジタル撮像装置54の性能を改良するために、第2の画像増強管58bをデジタル撮像装置上に組み込んでいる。本発明のデジタル撮像装置54は、画像増強管の低照明光レベルの性能又は時間応答に一致し得、そのユーザの目前のシーンだけよりも多くの情報をユーザに表示することができる。この情報には、アナログ画像増強器58上の方位(例えば、シンボル)又は他の撮像モダリティ及び画像波長が含まれ得る。画像増強管58の既存の光学的に透明なスクリーン69bを使用して、センサ56bなどの他のセンサからのデジタルデータ又はコントローラ62からのバイナリ1及び0の他のデジタルシンボルを表示することができる。改良型暗視システム52のデジタル撮像装置はまた、より広く大きな表示エリアを組み込んで、アナログ画像増強管58によって提供される全視野にシンボルや他の情報を組み込む。より広い表示の主な理由は、デジタル撮像装置54が、アナログ画像増強管58と類似した、それぞれ同じチップ又はダイサイズのアナログ画像増強管58bを組み込んでいることである。更に、管58bへの光子-電子変換は、管58の光子-電子変換と一致し、それぞれの管は、低照射性能を追加するための1つの電子増倍器及び好ましくは2つの電子増倍体を有する。
ここで図7を参照すると、図6のアナログ画像増強管58又は58bの側面図が示されている。管58bは管58と同一であるため、管58の参照番号は管58bの参照番号にも適用可能であり、それらの参照番号は管58を例示する図6から引用される。しかしながら、アナログ画像増強管58における同じアイテムも、図6のデジタル撮像装置54内のアナログ画像増強器58bにあることに留意することが重要である。図7を再び参照すると、アナログ画像増強管58/58b内のフォトカソードは、撮像される物体に向かって方向付けられた1つの表面を有するフェースプレート59と、その上にGaAs材料を有する対向する表面とを備える。GaAs材料は、エピタキシャルで成長したGaAs材料の形態であり得、又はGaAs半導体本体であり得る。上述のように、他のIII-V材料を、フェースプレート59の後側表面上のアイテム63に使用することができる。封止部材70aは、GaAs材料63とガラススペーサ65aとの間に配置することができる。ゲッター材料72aは、スペーサ65a上に配置され、封止部材70aに隣接し得る。封止部材70aは、様々な半導体加工技術を使用して、又は無電気メッキ、電気堆積、若しくはそれらの様々な組み合わせを介して堆積することができる。封止部材70a、並びに封止部材70b及び70cは、図7に示すように、銅、金、鉛、スズ、アルミニウム、白金、又ははんだに良好な湿潤表面を提供することができる他の好適な材料又は材料の組み合わせなどの金属材料の1つ以上の層から作製することができる。
別の実施形態を参照すると、封止部材70a、70b、及び70cは、ガラス、フリット、セラミック、又は非金属物質の他の組み合わせなどの非金属材料で作製され得る。封止機構は、圧縮、熱圧縮、又は任意の物質又は分子の出入りに対して真空ギャップ74a、74b、及び74cに封止する他の技術によって実施される。真空ギャップ74a、74b、及び74cは、フォトカソード59aとセンサアノード69との間の離間された距離に、封止部材圧縮電子増倍器61a及び61bを介して気密封止することによって生じる。フォトカソード59aは、フェースプレート59及び後側コーティング材料63を備え、一方、センサアノード69は、光ファイバスクリーン69bの前側表面上に蛍光体材料69aを備える。
真空封止された空洞、又はギャップ74a、74b及び74cは、その内部空洞内にゲッター材料72a、72b及び72cを包含することができる。ゲッター材料72は、それらの空洞内のターゲット真空レベルを維持するために使用される。真空ハウジング内のフォトカソード59aとアノード69との間の電子増倍器61a及び61bを気密封止するために封止部材を使用することにより、単一の真空ポンプ構造が発生すると、高い漏れ率を被ることがある。ゲッター材料72は、スペーサ部材65a、65b及び69aに隣接する表面にコーティングとして塗布される。排出プロセスを通して起動された場合、及び/又は熱エネルギーと組み合わせた場合、ゲッター材料72は、ガスを除去して、離間されたギャップ又は空洞74内の真空レベルを維持することができる。真空の除去又は維持は、本明細書では「ゲッターポンプ又はゲッターポンピング」と説明される。真空内のゲッター材料は、製造される際に残留ガスを継続的に除去し、多くの場合、封止プロセス中にポンプが単独で達成できるよりも高い真空を達成する。
デジタルセンサ56bは、アナログ画像増強管58bの後側から離間しているか、又はこれに連結されている。デジタル撮像装置54、及び具体的には、CMOSデジタルセンサ56aは、ピクセルアレイ上の光学読み取りに対応する電気信号を、対応する一次電子増倍器61a及び二次電子増倍器61bの後側表面64a及び64bに送信する。電気信号は、後側表面64a及び64b上のアドレス指定可能な電子スピント放出器に送信される。電子放出器は、従来の半導体フォトリソグラフィ及び後側表面にわたる堆積技術を使用して、突起のアレイとして印刷された導電性突起78であり得る。各突起78に囲まれ、かつそれらに連結されるのは、対応する電気信号を受信するようにバス25に連結される作動回路である。論理値がバイナリ1であるかバイナリ0であるかに応じて、放出器突起78は電子を放出し得る。各電子放出器78は、増倍電子がセンサアノード69に向かって放出される一対の離間した放出表面の間で、電子増倍器61a又は61bの後側表面から電子を放出する。
アナログ画像増強管58及び58bは、一連の結合された離間された封止ウェハから同時に形成され得る。ウェハは、適切な加工シリコンウェハに結合されたガラススペーサウェハで構成され、封止部材及びゲッター部材は、スクリッド線の近くで結合されたウェハの間に離間されている。封止部材70は、それぞれの個々のダイ又はチップの周りに構成され、それによって、封止されると、ダイ又はチップが、互いに真空で封止された一次電子増倍器61a及び二次電子増倍器61bをフォトカソード59aとアノード69との間に有する。
一次電子増倍器61aは、二次電子増倍器61bのスクライブされた半導体ウェハ64bと同一であるスクライブされた半導体ウェハダイ64aを備えるため、1つの電子増倍器61bの各電子放出器78は、他の電子増倍器61aの対応する電子放出器78と整列する。より具体的には、各放出器突起78の中央部分を通って延在する複数の放出器軸82があり、その一次電子放出器61a内の放出器突起78の中心は、二次電子増倍器61b内の放出器突起78の中心と同じ軸に沿って整列している。放出器軸82は、放出軸84に平行に示され、かつそこから離間されて示されている。放出軸は、一次電子増倍器61a及び二次電子増倍器61bの増倍電子放出エリア間の位置合わせを示す。もちろん、放出器軸82の数は、一次電子増倍器61a及び二次電子増倍器61bの各々内の対の電子放出器の数に相当する。放出器突起78の放出器先端は、その軸を通って延在し、その軸82を中心とする。
放出軸84は、対応する放出器軸82と平行な、対応する放出器軸82から離間している。放出器軸82及び放出軸84の組み合わせは、電子がディスプレイ用に単一のピクセルとして放出される経路を含む。対応するガラススペーサウェハへの処理済みシリコンウェハの真空離間結合を通して画像増強管を形成し、その後、真空封止されたダイ又はチップを分離することによって、対応するピクセルの電子放出表面が軸84に沿って整列し、電子放出器突起表面が軸82に沿って整列し、ピクセルレベルでの解像度のずれ又はぼやけが起こらないようにする。DCW及びACWは、従来のビームコンバイナで通常使用されるフォーマットよりもはるかに小さいフォトリソグラフィスケールのみの同じサイズ及び生成物に限定され、ACWは、高さ及び幅が18mm以上である必要がある。更に、本画像増強器58又は58bは、電子増倍器61a及び61b上にゲインを生成し、これらの増倍器に電子アドレス指定されたディスプレイを組み込む。各電子増倍器61a及び61bは同一であり、最も現在の画像増強器で使用される従来のMCPの代わりに負電子親和性膜を使用する。電子増倍器デバイスは、図8に更に図示するように、MEMS処理及びウェハスケール技術に基づく。
ここで図8を参照すると、合計8つのウェハを使用して、画像増強管が作製される。8つのウェハは、処理済みシリコンウェハ64aに結合されたスペーサウェハ65aを備え、一次電子増倍器ウェハ61aを形成する。スペーサウェハ65bは、処理済みシリコンウェハ64bに結合されて、二次電子増倍器ウェハ61bを形成する。スペーサウェハ69aは、光ファイバウェハ69bに結合されてセンサアノードウェハ69を形成し、GaAsウェハ63は、フェースプレートウェハ59に結合されてフォトカソードウェハ59aを形成する。蛍光体88は、センサアノード69のスペーサウェハ69a又は光ファイバウェハ69bのいずれかに塗布することができる。ゲッター材料72及び封止部材70は、スペーサウェハ65a、65b及び69aに塗布される。
好ましい実施形態によれば、フォトカソード及びアノード59a及び69のフェースプレート及び光ファイバウェハを含む、結合されたスペーサ及び処理済みシリコンウェハの全体的厚さは、従来の画像増強管よりもかなり薄い。好ましくは、フェースプレート59は、50~80milの厚さである。結合された一次電子増倍器ウェハ61aは、3~4milの厚さであり、二次電子増倍器ウェハ61bも、3~4milの厚さである。センサアノード69を形成するために使用される蛍光体コーティング88を含む、結合された光ファイバスクリーン及びスペーサウェハ69aは、好ましくは、80mil未満の厚さである。フェースプレートは、従来のフェースプレートから薄くすることができ、また十分な構造的完全性が残っている場合、様々なスペーサも薄くすることができる。半導体ウェハの各々は、対応するスペーサウェハに結合する前に、その後側表面を薄くすることができる。スペーサウェハは、光学的に透明なガラスであり、ゲッター及び封止材料を保持する真空空洞を提供する。一旦封止されると、フォトカソードと一次電子増倍器との間のギャップ、並びに一次電子増倍器と二次電子増倍器との間のギャップは、好ましくは10mil未満である。二次電子増倍器の間のギャップは、好ましくは、15mil未満である。ガラススペーサウェハ69aは、光ファイバウェハ59bに熱膨張整合され、全てのスペーサウェハ65a及び65bと同様に、ゲッター及び封止部材が、その後空洞に塗布される。蒸着された原子層(ALD)薄膜化蛍光体88が、スペーサウェハ69a又は光ファイバウェハ69bに適用され、最高の撮像品質を提供する。
ステップ90に示すように、全てのウェハが各個々のダイを囲む封止部材と結合されると、封止されたウェハは、真空ポスト上に配置され、ステップ92で真空封止されたウェハの組み合わせの全厚をダイス加工される。ダイス加工された後、ステップ94で示されるように、個々のダイが除去される。フェースプレートウェハ、一次電子増倍器ウェハ及び二次電子増倍器ウェハ、及びセンサアノードウェハの組み合わせは、表面プレートウェハ、一次電子増倍器及び二次電子増倍器、及びセンサアノードウェハの間にソー又はスクライブされた線に沿って配置される封止部材に沿ってダイスされ、その間に真空封止された空洞を形成する。したがって、封止されたウェハのそれぞれ上の処理された構成要素は互いに整列し、一次電子増倍器及び第二の電子増倍器の放出及び放出器軸も整列されたフォトリソグラフィである。例えば、1つの結果のダイ94を、アナログ撮像チャネル、特に画像増強管58に送ることができ、他方のダイ94を、第2の画像増強管58bとしてデジタル撮像装置54内に結合することができる。示されるように、結合された画像増強管58bは、そこから延びるリードを有するパッケージ材料に更に成形され得る。アナログ画像増強管58は、暗視システム52のアナログ増強チャネル内に連結されるが、デジタル撮像装置54内のパッケージ化された画像増強器58bは、これらのソケットに連結され、一次電子増倍器61a及び二次電子増倍器61bの両方上の電子放出器78に向かって延在し、かつ電子放出器78に連結される、印刷バス25を伴うソケットに電気的に連結される。
ここで図9を参照すると、図7の領域9に沿った詳細な図が示されている。図9は、処理済みシリコン半導体ダイ64bの後側表面から延在する電気的にアドレス指定可能な電子放出器78の配置を示す。処理済みシリコン半導体ダイ64bは、電子増倍器に入る電子93を増倍して、そこから得られた複数の電子95を提示する。処理済みシリコン半導体ダイ64bは、後側表面から前側表面に向かってドープされたドープ領域97を含むが、ドープ領域は前側表面までの全ての通り道には延在しない。追加的なドープ領域99も形成される。ドープ領域99は、ホウ素又はアルミニウムでドープされ、p型のドープ材料を構成する。ドープ領域99は、p型のドーピング材料でもドープされる、ドープ領域97に対して密にドープされる。増倍電子95は、放出領域102から放出され、これは、放出領域102からの電子の流れを促進するために、負電子親和性状態に活性化される。放出領域102の間には、放出器78、及び後側表面から突起78として延在する特にスピント放出器先端が示されている。突起は導電性であり、ゲーティング回路104に連結される。ゲーティング回路は、バス55(図6)上の電気信号を受信する様々なアクチュエータを含み、対応する放出器をオン又はオフにする。
ゲーティング回路104は、印刷されたコンダクタを含み、酸化物106などの誘電体上に配置された複数の導電領域を堆積して、それらの導電部材104をドープ領域97から分離することができる。導電性材料は、電子後方散乱を低減し、堆積される金属材料によって遮断されるエリアの比率によって任意の暗い電流を低減することができる。処理済みシリコン基板ダイ64bの前側表面上にエッチング凹部があり、これは電子ビームを電子放出表面102のすぐ上の適切なピクセル領域へとチャネリングするのを助けることができる。前側表面のテクスチャは、ハローを軽減し、低入射電子エネルギーにおけるゲインを改善するのに役立つ。
放出器先端の各突起78により、ピクセルベースで、放出エリアの隣に、アドレス指定可能な電子を放出することができ、それによって、増倍された画像とは独立した画像を形成する。処理済みシリコン半導体ダイ64b、又はシリコン膜は、領域99に対して領域97で軽くp型ドープされる。結果として生じる生成物は、ハロー強度が40倍、サイズが2倍減少することを示し、デバイス全体がほぼゼロのハローを有する。電子93を受信する電子受信表面は、電子をデバイスの対向側(後側)上の放出表面に向けて押すために、より強くp型ドープされる。電子が前側表面に衝突すると、電子は衝撃イオン化によってそのエネルギーを放散し、追加の電子を生成する。この増幅のノイズ指数は約1.12であり、MCPの1.4~1.7の範囲のノイズ指数よりもはるかに低い。結果として、MCP型増強器についての36と比較して、信号対ノイズ比が45増加する。得られた電子は、放出表面に拡散する。p型ドーピングプロファイルが定位置にない場合、電子は放出表面102に向かって移動するにつれて横方向に拡散する。これは、一方の側で電子93をアクティブに受信し、それらの電子を獲得し、次いで、対向表面102にそれらを拡散し、それらを再放出することであり、本デバイスに透過モード二次電子(TMSE)増強器の名称を与えることになる。ドーピングプロファイルは、電子をより小さな放出表面に送り込む。MCPベースの増強器では、入力と出力の穴はほぼ同じサイズであるため、電子の焦点が合わない。TMSEデバイスでは、受信エリアは放出エリアよりも大きい。これにより、変調伝達関数、又は画像忠実性が改善される。MCP増強器では、変調伝達関数における最大の損失は、電子がMCPの後方から離れる際に保有する放射状のエネルギーである。この放射状のエネルギー、すなわち平均移動エネルギーは、電子を構成要素間の真空ギャップに拡散することを可能にする。GaAsフォトカソード及びシリコンゲインウェハの負極電子親和性表面は、MCPよりも1桁小さいMTEを有する。これらの特徴、小さな放出エリア、ドーピングプロファイル、低MTE、及び前側表面テクスチャは、64~81(lp/mm)の解像度を有するMCPベースの増強器と比較して、全ての空間周波数にわたってMTFを改善し、90(lp/mm)の解像度を有するデバイスをもたらす。実際のTMSE電子増倍器デバイスには、MCPベースの増強器と同じゲインを生成するために、一次電子増倍器と二次電子増倍器の両方として2つのシリコンゲイン層がある。MTFの改善により、14mmのダイサイズ電子増倍器で、現在の18mmのMCPベースの画像増強器と同じ範囲認識が可能となった。したがって、暗視システムサイズは、画像増強チャネルACW及びDCW、並びに関連光学系の低減によって低減され得る。
スクリーン解像度は、画像増強チャネルと組み込まれたスクリーンの両方にとって重要である。電子が放出領域102の初期放出スポットから移動する半径は、放出電子の平均横エネルギーによって決定される。これは、表面に平行に配向されるエネルギーの量である。半径は以下により与えられる。
ギャップは、放出器先端突起78を含むシリコン層とセンサアノード69との間の距離である。Vbiasは、放出器78のシリコン膜とセンサアノード69との間の電圧である。増強器では、ギャップ及び電圧バイアスは、375ミクロン及び4200ボルトの標準増強器と同じである。負電子親和性表面GaAs及びシリコンについて、MTEはそれぞれ0.05及び0.075ボルトのオーダである。電子放出器78の電界放出器先端の場合、MTE及びコリメート構造は、0.12ボルトのオーダである。表1は、負電子親和性GaAs及び負電子親和性ケイ素、並びにコリメートされた電界放出先端の3つのMTE値の投影半径を示す。
上の表1に示すように、電子放出器の電界のスポット半径は、負電子親和性GaAs及びシリコンからのスポットのオーダ上にある。電子的にアドレス指定可能なスクリーンは、画像増強器とほぼ同じ解像度を有する。アドレス指定可能な電界放出電子放出器アレイを含む能力を有する各増強器ピクセルにより、ピクセルカウントも同一となり得る。増強器の意図されるピクセルサイズは6ミクロンであり、フォーマットは14mmの水平及び垂直である。したがって、アレイサイズは5.4メガピクセルである。これは、現在軍事システムによって指定されているほとんどの表示要件を超えている。したがって、導出される幾何学的形状は、通常の画像増強器と同じ色のモノクロ表示である。
ここで図10を参照すると、図9の領域10内の底部後側図が示されている。具体的には、図10は、一対の電子放出器78の間に離間された増倍電子放出エリア102を示す。放出領域102の周りの領域は、ピクセル単位で隣接する電子放出器78を作動させるために使用される制御回路104のために予約されている。図10は、二次電子増倍器64bの後側表面の一部分のみを示すと認識される。また、一次電子増倍器64aの後側表面は、二次電子増倍器64bの後側表面と同一であることが認識される。このように、一次電子増倍器64aの後側表面にある第1の複数の離間した放出表面102は、二次電子増倍器64bの後側表面にある対応する第2の複数の離間した放出表面102と整列し、かつ同一の放出軸に沿っている。第1の複数の離間した放出表面102は、第1の複数の離間した電子放出器78とインターレースされる。第2の複数の離間した放出表面102は、第2の複数の離間した電子放出器78とインターレースされる。第1の複数の離間した放出表面の各々は、互いに平行であり、真空ハウジングの内壁に平行な複数の放出軸に沿って、第2の複数の離間した放出表面のそれぞれのものと整列する。更に、複数の放出器軸は、複数の放出器軸に平行であり、かつ複数の放出器軸とインターレースされる。
空間配置に赤緑青(RGB)ピクセルを含むカラーディスプレイを作成することは、画像増強器及び電子増倍器の後側表面上に組み込まれた電子アドレス指定可能なディスプレイの両方の解像度を減少させる。カラーディスプレイは、固定期間を時間的に分割し、白色蛍光体スクリーンを利用して、電子的に調整可能なカラーフィルタの外部セットを追加することによって作成することができる。例えば、1/30秒の期間中、不等分に分割され、赤色である任意のピクセルが最初にアドレス指定され、次に緑色である画素がアドレス指定され、2番目に作動され、最後に、3番目の時間スライス上で、青色電界放出点が起動され、青色フィルタが起動される。
ここで図11を参照すると、その画像増強器がどこにあるかに応じて、アナログ画像増強器58又は58bが提供される。上述のように、画像増強器は、電子増倍器61aの電子入射表面110aから離間したフォトカソード59aを含む。アノード69は、電子増倍器61aの電子放出表面110bから離間している。電子増倍器61aは、シリコン膜64aを含むが、それらは互換的に参照され得る。上述のシリコン膜61aは、ドープ済み半導体ダイである。それらの用語はしばしば交換されるが、電子増倍器61aは、アノード69に向かって面するシリコン膜64a、及びシリコン膜64aに結合されたガラス板65aを技術的に含む。ガラスプレート65に対する電子進入面110aは、示される通りである。しかしながら、電子増倍器61aのシリコン膜又は電子増倍器部分の電子入射表面は、110a’として参照される。電子増倍器61aとともに、画像増強器58、58bはまた、膜64b、電子入射表面110a’’、及びアノード69に面する電子増倍器面を有する二次電子増倍器61bも示す。
図11は、アナログ画像増強器58、58bと使用するために連結された電源120を示す。電源120は、3つの一次電圧源、及びシャッタ電圧源を含む。3つの一次電圧源は、第1、第2、及び第3の電圧源(それぞれ、V1、V2、及びV3)として参照される。第1、第2及び第3の電圧源は直列に連結される。一実施例によれば、第3の電圧源V3の正端子は、フォト電子検出器、又は電流検出器122に対するものである。電流検出器122は、アノード69、特にスクリーン69bの蛍光体コーティング69aに流れる電子の強度又は量を検出する。第3の電圧源V3は固定され、蛍光体被覆アノード69と4150~4275ボルトの接地電源との間に正バイアス電圧を印加する。第2の電圧源V2の正端子は、接地電源に連結され、第2の電圧源V2の負端子は、第1の電圧源V1の正端子及びシャッタ電圧源VSの正端子に連結される。シャッタ電圧源は、電子増倍器61aの第1の表面及び第2の表面の金属層にスイッチ可能に連結され、電子増倍器61aにわたって負にバイアスされる。具体的には、シャッタ電圧VSは、電子増倍器61aの半導体膜64a、出力面、特に電子増倍器61aの半導体膜の第2の表面の一部分を横切って延在する金属層にわたって、スイッチ可能に連結される。第2の表面は、参照符号110bとして示される。
第2の電圧源V2の負端子は、膜64aの第1の表面110a’の少なくとも一部にわたって延在する金属層に連結される。したがって、表面110a’は、シリコン膜64aの第1の表面、又はシリコン膜を有する電子増倍器であり、第2の表面110bは第1の表面110a’に対向し、実質的に第1の表面110a’に平行である。第2の表面110bは、電子放出表面であり、特に、増倍電子がアノード69に向かって放出される電子増倍器のための放出表面である。第1の表面110a’は、第1の表面110a’の少なくとも一部にわたって誘電体で離間しており、フォトカソード59aに向かって面する第1の金属層を含む。第2の表面110bは、第2の表面110bを介して離間した第2の金属層を備え、二次電子増倍器61bに面するか、又は二次電子が除去される場合、アノード69に面する。第1及び第2の金属層は、図13において開示され得る、第1及び第2の表面のそれぞれの部分を介して誘電体で離間している。
電源120を再び参照すると、第2の電圧源V2に印加される電圧、及び電子増倍器半導体膜64aの入口表面と接地との間の電圧は、正バイアスされ、更に250~2000ボルトの間で可変である。第1の電圧源V1の負端子は、フォトカソード59aに連結される。第1の電圧源V1にわたる電圧は、200ボルト~2000ボルトの範囲であり得る。
電源120はまた、明るい光源保護及び自動輝度制御のための異なるモードを含み得る。従来のBSP回路は、例えば、V1によってフォトカソードに印加される電圧を減少させるために、フォトカソード電流が流れることによって任意の電圧降下を測定するために使用されるコンデンサ及び抵抗器などの受動構成要素を含み得る。しかしながら、電源120を含むほとんどの電流電源は、BSP及びABCの両方を動作モードに組み合わせ、かつコントローラ124によって出力されるそれらのモードを、ABCコントローラ124と呼ぶが、明るい光源保護は動作モードに含まれる。しかしながら、示される改良型電源120は、シャッタ電圧源VSの電圧シャッタ制御の動作モードを有する。蛍光体被覆アノード69に連結された検出器122上のフォト電流の量を読み取ることによって、コントローラ124は、第1の電圧源V1及び第2の電圧源V2からの電圧の量。改良されたシャッタ電圧制御によれば、コントローラ124はまた、シャッタ電圧源VSをスイッチオンすることができる。
図12を参照すると、電源120のコントローラ124の異なる動作モードが示されている。通常の動作中、輝度制御が必要ない場合(モード0)、第1の電圧源V1と第2の電圧源V2は、2000ボルト付近の最大正バイアス量で動作する。電流検出器122のI3が増加すると(モード1)、第2の電圧源V2からの電圧量は2000ボルトから減少する。I3が更に増加すると(モード2)、V2バイアスはおよそ最小、すなわち250ボルトに減少し、V1バイアスは2000ボルトから減少し始める。I3が、V1及びV2の両方を最小に減少させる物体からのひどく明るい光源に関連する有害なレベルの増加にならないまで、V1はゲートオフすることができる。第1の電圧源と第2の電圧源、及びそれゆえそれらの正バイアスを低減又は排除することによって、電子は、フォトカソード59aから生成されることから、及び、アノード69に到達することから実質的に排除される。
図12の破線の上に示されるモード0~3は、シャッタ電圧VSのゲーティングを全く行わない。V1の比較的大きな電源では、ゲーティングが発生し、ほぼ2000ボルト~250ボルトのスイングである。V1上の比較的高電圧スイッチングは、放出放射線の主要なソースである。こうした放射は、光電子経路内に延在し得、受信された画像及び表示された画像に対してかなりのノイズを引き起こすことになる。したがって、図12は、破線の下に、より大きなV2スイッチングの代わりに、比較的小さなVSスイッチング、又はゲーティングが発生するときに起こることを示す。
モード3では、実質的な輝度がI3を介して検出され、VSが存在する場合、V1及びV2は、それらをゲーティングオフすることなく、200ボルトに向かって最小化することができる。より重要なことに、0.5~2.5ボルトの間の比較的小さなシャッタ電圧VSは、電子増倍器61aにわたって、及び特に電子増倍器(図11)の膜64aにわたってゲートされ得る。したがって、輝度制御が必要な例では、例えば、V1の正バイアス電圧のはるかに大きなスイッチングを生じさせるのではなく、0.5~2.5ボルトの比較的小さな負バイアス電圧を印加することによって、唯一のスイッチングが発生する。比較的小さな負バイアスの印加は、電子増倍器61aにおける電子ゲインを軽減する。V1又はV2と比較して逆バイアスであるかなり小さなVS出力をゲーティングする一方で、V1及びV2出力を最小化するが、ゲーティングはオフにすることで、いくつかの中光から高光の状態におけるアノード69の蛍光体スクリーンからの過剰な出力輝度を避ける必要がある。I3が過剰な状態で、蛍光体で覆われたアノード(モード4)に害を及ぼすほど大きい場合のみ、V1はゲートオフされる必要がある。しかしながら、その状況はめったに発生せず、したがって、全ての明るい光源制御及びその遮断は、VSの小さな電圧スイングをオン又はオフにすることで、単純に発生することができる。もちろん、図11の構成で示される電子増倍器61aにわたるスイッチングは、シャッタ電圧VSを印加する一方式の一例にすぎない。
電子増倍器61aに対するグローバルシャッタ機構は、電子増倍器61aを通るフォト電子電流の量を、0.5~2.5ボルトのシャッタ電圧VSのみで調整することができる。印加されるVSは、印加時に、0.5ボルト~2.5ボルトの範囲であり、印加される範囲が、V1及びV2と比較して逆バイアスである。V1及びV2は変化し得る。しかしながら、V3は4150~4275の範囲内に固定される。シャッタ電圧VSは負電圧である。言い換えれば、シャッタ電圧は、第1の電圧V1、第2の電圧V2及び第3の電圧V3とは反対の、負バイアスのシャッタ電圧である。第1の表面と第2の表面との間に負バイアス電圧を印加することによって、電子の流れは、画像増強管58/58b上に表示される画像が、暗視システムが比較的高い又は明るい光状態を体験する瞬間の間に中断されるように、増倍される放出表面110bに達するのを本質的に停止し得る。
好ましい一例によれば、モード3の間に印加されるシャッタ電圧源VSは、従来のBSP及びABC回路の代わりに使用され得る。そのため、BSP及びABCを排除することにより、ゲーティング回路上の比較的大きな電圧スイングを有利に排除することができる。明るい光の状態がフォトカソード59aを損傷しない場合、BSP保護は必要とされず、必要な全ての保護は、光量を元に戻す場合に、シャッタ電圧を利用する電子増倍器内でのみ発生し得る。更に、電子がアノード69に到着する前にシャッタ電圧保護が発生するため、蛍光体被覆アノード69に影響を及ぼす電子の前に、いかなる更なる保護も必要とされない。したがって、従来のBSP及びABCコントローラ機構は、本明細書のグローバルシャッタ制御に有利に、完全に排除され得る。検出されたフォト電流I3に基づいて、シャッタ電圧VSを接続又は切断することができる。正常な光状態が発生した場合、第1の電圧源V1及び第2の電圧源V2によって生成される高ゲインを利用して、適切な増倍二次電子放出を達成する。しかしながら、高い光状態が発生した場合、第1の正バイアス電圧源V1及び第2の正バイアス電圧源V2を最小化することができ、負バイアスシャッタ電圧VSは、第1の表面110a’及び第2の表面110bにわたって印加される全てである。
図13は、電子増倍器61aのドープ済みシリコン膜64aをより詳細に示す。図13はまた、第1の表面110a’全体にわたって部分的に延在し、例えば、シリコン本体から二酸化ケイ素層114aによって誘電体的に離間された、第1の表面110a’及び対応する第1の金属層112aへの様々な接続を示す。第1の表面110a’は、図9で上述したように、領域97でのp型ドーパント濃度よりも高い濃度レベルで第1の表面110a’に拡散されるp型ドーパントを含むことができる。
第2の表面110bはまた、後側表面、又は第2の表面110bの上方に誘電的に離間された第2の金属層112bを有する。第2の表面110bと第2の金属層112bとの間の酸化物領域に関連する酸化物参照番号は、図13には示されていないが、例えば、図9では参照アイテム106として認識されている。
第1の金属層112aは、入口表面110a’上に到着する電子を運び、後方散乱を阻止するか、又はハロー問題を最小化するのを支援する。同じことが第2の金属層112bで起こる。第2の金属層112bはまた、その印刷された第2の金属層112bの一部として放出器を含み得、このような放出器は、例えば、図9に参照番号78として示されている。第2の金属層112bはまた、それらの放出器を作動させるためのゲーティング回路104を含み得る。代替的に、放出器及びゲーティング回路は、図13の実施形態に従って使用される必要がない。代わりに、第2の金属層112bは、単純に、増倍放出領域間の第2の表面の一部分にわたって、ドーピング領域97から誘電体的に離間し、かつドーピング領域97に隣接した、印刷された金属層であり得る。
1つの実施形態によれば、電子増倍器61aのシリコン膜64aは、第1の表面110a’と第2の表面110bとの間のシャッタ電圧VSを受信する。シャッタ電圧は、負バイアスシャッタ電圧であり、それによって、シャッタ電圧VSの正端子は電子入射表面110a’に連結され、シャッタ電圧VSの負端子は、スイッチ又はゲートS1を介して増倍電子放出表面110bに連結される。シャッタ電圧VSは、明るい光の軽減が必要になったときに印加される。シャッタ電圧が印加されると、シャッタ電圧の負バイアスは、参照符号116によって示されるように、フォト電子が放出表面に移動するのを防止し得る。一実施例によると、ゲートS1は、VSの負端子と増倍電子放出表面との間に連結される。代替的に、ゲートS1は、VSの正端子と電子入射表面との間に連結され得る。一例によると、コントローラ124を制御するために使用されるフォト電流検出器は、明るい光源電流状態が読み取られることを条件として、電子増強器58、58bの任意の他の構成要素に連結され得る。例えば、フォト電流は、スイッチS1を制御するためにフォトダイオード59aから読み取られることができ、また正バイアスの第1の電圧V1及び正バイアスの第2の電圧V2に必要な可変電圧制御の量も読み取られることができる。
種々の例示的実施形態の構成及び配置は、例示にすぎないことに留意することが重要である。いくつかの実施形態のみが本開示に詳細に記載されているが、本開示を検討する当業者は、本明細書に記述される主題の新規の教示及び利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正(例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状及び割合の変形、パラメータの値、取付配置、材料の使用、色、配向など)が可能であることを容易に理解するであろう。例えば、一体的に形成されたものとして示される要素は、複数の部品又は要素から構築され得、要素の位置は、逆転され得、又は他の方法で変化され得、離散的な要素又は位置の性質又は数は、変更され得、又は変化され得る。任意のプロセス又は方法ステップのオーダ又はシーケンスは、代替的な実施形態に従って変更又はリシーケンスされ得る。更に、特定の実施形態の特徴は、当業者によって理解されるように、他の実施形態の特徴と組み合わされ得る。本発明の範囲から逸脱することなく、様々な例示的実施形態の設計、動作条件、及び配置において、他の置換、修正、変更、及び省略がなされ得る。
本明細書で使用される場合、「約」、「およそ」、「実質的に」、「概して」などという用語は、記載される値又は範囲のプラス又はマイナス10%を意味する。更に、本明細書で使用される場合、「a」、「an」、及び「the」という単数形は、文脈が別途明確に示さない限り、複数形も含むことが意図される。「及び/又は」という用語は、関連する列挙された項目のうちの1つ以上のうちの任意の及び全ての組み合わせを含む。例えば、「特徴」への言及は、複数のこうした「特徴」を含む。「X及び/又はY」の文脈で使用される「及び/又は」という用語は、「X」又は「Y」又は「X及びY」として解釈されるべきである。
詳細な説明、図面、及び特許請求の範囲に記載される図示した実施形態は、限定することを意図するものではない。本明細書に提示される主題の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他の実施形態を使用し得、他の変更が行われ得る。更に、各実施形態の特定の態様は、本開示の他の実施形態と併せて使用することができ、したがって、本開示の実施形態は、当技術分野で理解されるように組み合わされ得る。本開示の態様は、概して本明細書に記載され、図に図示されるように、多種多様な異なる構成で配置、置換、組み合わせ、分離、及び設計することができ、それら全ては本明細書に明示的に意図されている。
様々な実施形態を記述するための本明細書の「実施例」という用語のいかなる使用も、こうした実施形態が、可能な実施形態の可能な実施例、表現、及び/又は図式であることを示すことが意図される(及びこうした用語は、こうした実施形態が必ずしも並外れた、又は最上級の実施例であることを意味することを意図するものではない)。更に、本明細書で使用される場合、「実質的に」という用語及び類似の用語は、本開示の主題が関連する当業者による一般的かつ許容可能な使用と調和する広範な意味を有することを意図している。これらの用語は、これらの特徴の範囲を提供される正確な数値範囲に限定することなく、説明及び請求される特定の特徴の説明を可能にすることが意図されていることを、本開示を吟味する当業者は理解すべきである。したがって、これらの用語は、記載され、請求される主題(例えば、所与の角度又は他の値のプラス又はマイナス5%以内)の実体のない又は結果的な修正又は変更が、添付の特許請求の範囲に列挙される本発明の範囲内であるとみなされることを示すものとして解釈されるべきである。値に関して使用される場合に「およそ」という用語は、関連する値のプラス又はマイナス5%を意味する。
本明細書で使用される場合、「連結」などという用語は、2つの部材の相互への直接的又は間接的な接合を意味する。こうした接合は、固定(例えば、永久的)又は移動可能(例えば、取り外し可能若しくは解除可能)であり得る。こうした接合は、2つの部材又はそれら2つの部材、及び互いに単一の一体的構造体として一体的に形成される任意の追加の中間部材、又は2つの部材を伴った、又は2つの部材及び任意の追加の中間部材と、互いに取り付けられて達成され得る。
本明細書の図は、方法ステップの特定の順序及び組成物を示し得るが、これらのステップの順序は、図示されたものとは異なる場合があることが理解され得る。例えば、2つ以上のステップを、同時又は部分一致で実施し得る。また、別個のステップとして実施されるいくつかの方法ステップは、組み合わされ得、組み合わされたステップとして実施されるステップは、別個のステップに分離され得、特定のプロセスのシーケンスは、逆転し得るか、又はそうでなければ変化し得、別個のプロセスの性質又は数は、変更され得る。任意の要素又は装置のオーダ又はシーケンスは、代替的な実施形態に従って変化又は置換され得る。したがって、こうした全ての修正は、添付の特許請求の範囲に定義される本開示の範囲内に含まれることが意図される。
更なる詳述なしに、当業者は、請求項に記載の発明をその最大の範囲まで利用するために、前述の説明を使用することができると考えられる。本明細書に開示される実施例及び実施形態は、単に例示的なものであり、いかなる方法によっても本開示の範囲の限定ではないと解釈されるべきである。上述の実施形態の詳細に、議論される根底にある原理から逸脱することなく、変更がなされ得ることは、当業者には明らかであろう。言い換えれば、上記の説明に具体的に開示される実施形態の様々な修正及び改善は、添付の特許請求の範囲内にある。例えば、記載される様々な実施形態の特徴の任意の好適な組み合わせが企図される。
Claims (20)
- 暗視システムであって、
シリコン膜を含む電子増倍器を備え、
0.5ボルト~2.5ボルトのシャッタ電圧が、前記シリコン膜の第1の表面と、実質的に平行で、対向する前記シリコン膜の第2の表面との間に印加される、暗視システム。 - 画像増強管を更に備え、
前記電子増倍器が、前記画像増強管内で、フォトカソードとアノードとの間に、離間した距離で真空封止されている、請求項1に記載の暗視システム。 - 前記シリコン膜が、前記第1の表面と第2の表面との間に部分的に延在している複数の離間したドープ領域を備える、請求項2に記載の暗視システム。
- 前記第1の表面が前記フォトカソードに向かって面し、前記第2の表面が前記アノードに向かって面する、請求項2に記載の暗視システム。
- 前記第1の表面が、前記第1の表面の一部にわたって誘電的に離間された第1の金属層を備え、前記第2の表面が、前記第2の表面の一部にわたって誘電的に離間された第2の金属層を備える、請求項4に記載の暗視システム。
- 前記第1の金属層に正のシャッタ電圧値を生成させるように、かつ前記第2の金属層に負のシャッタ電圧値を生成させるように構成された電源を更に備える、請求項5に記載の暗視システム。
- 前記第2の金属層が、電気的にアドレス指定可能な電子放出器を備える、請求項5に記載の暗視システム。
- 画像増強管であって、
フォトカソードとアノードとの間の真空において離間されている、電子増倍器と、
前記フォトカソードから前記電子増倍器に電子を引き込むために、前記フォトカソードと前記電子増倍器との間に連結されている、正バイアス可変の第1の電圧と、
前記画像増強管からの画像の表示を実質的に中断するために、前記電子増倍器からの電子の継続的な引き込みを閉じるために、前記電子増倍器の反対側の表面にわたって連結されている、負バイアスシャッタ電圧と、を備える、画像増強管。 - 前記電子増倍器と接地電源との間の自動輝度コントローラから連結された、250ボルト~2000ボルトの正バイアス可変の第2の電圧を更に備える、請求項8に記載の画像増強管。
- 前記正バイアスの第2の電圧が、前記電子増倍器と、前記接地電源に連結された第2の電子増倍器との間に連結されている、請求項9に記載の画像増強管。
- 前記正バイアスの第1の電圧が、第1の電圧源の負端子及び正端子を備え、前記第1の電圧源の前記負端子が、前記フォトカソードに連結され、前記第1の電圧源の前記正端子が、前記電子増倍器の電子入射表面に連結されている、請求項8に記載の画像増強管。
- 前記負バイアスシャッタ電圧が、シャッタ電圧源の正端子及び負端子を備え、前記シャッタ電圧源の前記正端子が、前記電子増倍器の前記電子入射表面に連結されており、前記シャッタ電圧源の前記負端子が、前記電子増倍器の増倍電子放出表面に連結されている、請求項11に記載の画像増強管。
- 前記接地電源とアノードとの間に連結された4150ボルト~4275ボルトの正バイアスの第3の電圧を更に備える、請求項10に記載の画像増強管。
- 前記正バイアスの第1の電圧が、200ボルト~2000ボルトである、請求項8に記載の画像増強管。
- 前記正バイアスの第1の電圧が、可変である、請求項8に記載の画像増強管。
- 画像増強管内の電子増倍器からの継続的な電子の引き込みを遮断するための方法であって、
フォトカソードと前記電子増倍器の電子入射表面との間に正バイアスを印加して、増倍電子を前記電子増倍器に引き込むことと、
前記電子増倍器の前記電子入射表面と増倍電子放出表面との間に負のシャッタバイアスを印加して、前記電子増倍器を通る増倍電子の引き込みを実質的に中断することと、を含む、方法。 - 前記負のシャッタバイアスを印加することが、蛍光体で覆われたアノードスクリーン内の電流の読み取りに応じて大きさが変化する、請求項16に記載の方法。
- 前記フォトカソードを通るフォト電流又は前記蛍光体で覆われたアノードスクリーンを通る電流が所定の量を超える場合、前記フォトカソードと減少する前記電子入射表面との間のフォトカソード正バイアスを印加することを更に含む、請求項17に記載の方法。
- 蛍光体で覆われたアノードスクリーンで得られた強度の読み取り値に応じて、前記正バイアスを変更することを更に含む、請求項16に記載の方法。
- 蛍光体で覆われたアノードスクリーンで得られた強度の読み取り値に応じて、前記負のシャッタバイアスを切り替え可能に印加することを更に含む、請求項16に記載の方法。
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