RU2538273C1

RU2538273C1 - Hybrid photosensitive device for recording low-luminance images

Info

Publication number: RU2538273C1
Application number: RU2013134685/07A
Authority: RU
Inventors: Елена Евгеньевна Левина; Михаил Рувимович Айнбунд; Олег Витальевич Алымов; Андрей Владимирович Пашук; Иван Александрович Свищёв; Ольга Васильевна Чернова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Электрон"
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2015-01-10
Also published as: RU2013134685A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: hybrid photosensitive device consists of an evacuated sealed housing, an entrance window with a photocathode and an anode placed opposite the photocathode, the anode being a base on which an electron-sensitive imaging array is mounted, with corresponding means of providing an accelerating voltage between the photocathode and the anode, as well as means of reading a signal from the array and outputting said signal outside the sealed housing. The entrance window of the device is cup-shaped and protrudes inside the housing towards the imaging array, with a flat bottom on which the photocathode placed, with a lateral portion in the form of the lateral surface of a truncated cone and with a protruding edge which enables to mount the entrance window to the evacuated sealed housing.

EFFECT: high gain coefficient of the hybrid photosensitive device, high signal-to-noise ratio, improved resolution, providing electrical strength and high breakdown voltage of the housing.

1 dwg

Description

Изобретение относится к гибридным фоточувствительным приборам, предназначенным для регистрации изображений низкого уровня освещенности. Данные системы могут быть использованы в научно-исследовательских целях, для специальных применений, а также в гражданской индустрии.The invention relates to hybrid photosensitive devices for recording images of low light levels. These systems can be used for research purposes, for special applications, as well as in the civilian industry.

Из уровня техники известны гибридные фоточувствительные приборы для регистрации изображений, состоящие из вакуумного герметичного корпуса, входного окна с фотокатодом и расположенного напротив фотокатода анода, представляющего собой основание с закрепленной на нем электронно-чувствительной матрицей формирования изображения. Принцип работы данного прибора заключается в следующем: излучение, проходя через входное окно, поступает на фотокатод, где за счет фотоэффекта преобразуется в поток электронов. Далее, поток электронов под действием приложенного напряжения вылетает из фотокатода, разгоняется и попадает на электронно-чувствительную матрицу формирования изображения, где преобразуется в усиленный электрический сигнал. Электронно-чувствительная матрица представляет собой твердотельный фоточувствительный сенсор с утоненной подложкой, развернутой к потоку электронов. Сигнал формируется в результате облучения такой матрицы электронами со стороны утоненной подложки.The prior art hybrid photosensitive image recording devices consisting of a vacuum sealed enclosure, an input window with a photocathode and anode located opposite the photocathode, which is a base with an electron-sensitive image forming matrix attached to it. The principle of operation of this device is as follows: radiation passing through the input window enters the photocathode, where, due to the photoelectric effect, it is converted into an electron stream. Further, the electron flow under the action of the applied voltage flies out of the photocathode, accelerates and enters the electron-sensitive image forming matrix, where it is converted into an amplified electrical signal. The electron-sensitive matrix is a solid-state photosensitive sensor with a thinned substrate, deployed to the flow of electrons. The signal is formed as a result of irradiation of such a matrix with electrons from the side of the thinned substrate.

Так, например, известен патент US №6657178 от 2.12.2003 фирмы Intevac (US), в котором описан гибридный фоточувствительный прибор для регистрации изображений низкого уровня освещенности. Прибор имеет входное окно, выполненное в виде прозрачной пластины, на внутренней стороне которой расположен фотокатод.For example, patent US No. 6657178 dated December 2, 2003 by Intevac (US) is known, which describes a hybrid photosensitive device for recording images of low light levels. The device has an input window made in the form of a transparent plate, on the inner side of which there is a photocathode.

Недостаток данного технического решения заключается в невозможности получения большого коэффициента усиления за счет приложения большой разности потенциалов между фотокатодом и основанием матрицы.The disadvantage of this technical solution is the impossibility of obtaining a large gain due to the application of a large potential difference between the photocathode and the base of the matrix.

В самом деле, усиление в приборе обеспечивается за счет увеличения энергии потока электронов, разгоняемого под действием разности потенциалов между фотокатодом и анодом. Для того чтобы подать напряжение на фотокатод и анод в герметичном корпусе из изоляционного материала (например, керамики), как правило, монтируют специальные металлические кольца, т.н. контактные кольца. Таким образом, корпус прибора состоит из контактных металлических колец и керамического изолятора между ними. Напряжение подается на соответствующие электроды прибора через контактные кольца. Максимальная разность потенциалов между контактными кольцами ограничивается толщиной изолятора между ними. Чем больше толщина изолятора, тем большую разность потенциалов можно обеспечить.In fact, the gain in the device is ensured by increasing the energy of the electron flow accelerated by the potential difference between the photocathode and the anode. In order to apply voltage to the photocathode and anode in a sealed enclosure made of insulating material (for example, ceramic), as a rule, special metal rings are mounted, the so-called contact rings. Thus, the housing of the device consists of contact metal rings and a ceramic insulator between them. Voltage is supplied to the corresponding electrodes of the device through slip rings. The maximum potential difference between the contact rings is limited by the thickness of the insulator between them. The greater the thickness of the insulator, the greater the potential difference can be achieved.

С другой стороны, для данной конструкции расстояние между контактными кольцами зависит от расстояния между фотокатодом и матрицей. Но для формирования качественного изображения зазор между фотокатодом и матрицей должен быть как можно меньше. Чем меньше расстояние между фотокатодом и матрицей, тем слабее рассеивается поток электронов, и, соответственно, качество передачи изображения с фотокатода на матрицу улучшается.On the other hand, for this design, the distance between the contact rings depends on the distance between the photocathode and the matrix. But for the formation of a high-quality image, the gap between the photocathode and the matrix should be as small as possible. The smaller the distance between the photocathode and the matrix, the weaker the electron flux is scattered, and, accordingly, the image transmission quality from the photocathode to the matrix improves.

Таким образом, в вышеописанном приборе невозможно увеличить коэффициент усиления за счет увеличения напряжения между фотокатодом и матрицей, так как расстояние между контактными кольцами достаточно мало.Thus, in the above-described device, it is impossible to increase the gain by increasing the voltage between the photocathode and the matrix, since the distance between the contact rings is quite small.

В патенте Франции №2677808 (выдан 18.12.1992, патентообладатель Thomson Composants Militaires [Fr]) описан гибридный фоточувствительный прибор, в котором матрица приподнята над основанием на специальной подставке, за счет чего достигается необходимое сокращение расстояния до фотокатода при увеличении расстояния между контактными кольцами. При этом контакты матрицы выполнены по технологии flip-chip и представляют собой т.н. индиевые столбики. Недостаток данного технического решения заключается в том, что задача вакуумирования такого прибора существенно усложняется. В общепринятой технологии вакуумирования необходим прогрев элементов при высокой температуре для хорошего обезгаживания прибора и получения высокой электрической прочности. А в данном случае прогрев прибора при высокой температуре недопустим, т.к. выводы, сделанные по стандартной технологии flip-chip, плавятся.French patent No. 2677808 (issued December 18, 1992, patent holder Thomson Composants Militaires [Fr]) describes a hybrid photosensitive device in which the matrix is raised above the base on a special stand, thereby achieving the necessary reduction in the distance to the photocathode with increasing distance between the contact rings. Moreover, the matrix contacts are made using flip-chip technology and are the so-called. indium columns. The disadvantage of this technical solution is that the task of evacuating such a device is significantly complicated. In the conventional technology of evacuation, heating of elements at a high temperature is necessary for good degassing of the device and obtaining high electrical strength. And in this case, heating the device at high temperature is unacceptable, because conclusions made using standard flip-chip technology melt.

Создание выводов методом ультразвуковой разварки является технологически сложным процессом для такой конструкции основания, т.к. выводы приходится монтировать не на плоскости, а внутри трапециевидного основания.Making conclusions by ultrasonic welding is a technologically complex process for such a base design, because conclusions must be mounted not on the plane, but inside the trapezoidal base.

Задача, решаемая в данном изобретении, состоит в создании гибридного фоточувствительного прибора для регистрации изображений низкого уровня освещенности. Технический результат заключается в достижении значительного коэффициента усиления гибридного фоточувствительного прибора, в увеличении отношения сигнал/шум, улучшении разрешающей способности, также в обеспечении электрической прочности и повышении пробивного напряжения корпуса при сокращении расстояния между фотокатодом и анодом и без усложнения конструкции основания матрицы.The problem solved in this invention is to create a hybrid photosensitive device for recording images of low light levels. The technical result is to achieve a significant gain of the hybrid photosensitive device, to increase the signal-to-noise ratio, to improve the resolution, also to provide electric strength and increase the breakdown voltage of the housing while reducing the distance between the photocathode and the anode and without complicating the design of the matrix base.

Это достигается за счет того, что в гибридном фоточувствительном приборе, состоящем из вакуумного герметичного корпуса, входного окна с фотокатодом и расположенного напротив фотокатода анода, представляющего собой основание с закрепленной на нем электронно-чувствительной матрицей формирования изображения, с соответствующими средствами обеспечения ускоряющего напряжения между фотокатодом и анодом, а также со средствами считывания сигнала с матрицы и вывода его за пределы герметичного корпуса, согласно настоящему изобретению входное окно выполнено чашеобразной формы, выступающей внутрь корпуса по направлению к матрице формирования изображения, с плоским дном, на которое нанесен фотокатод, с боковой частью в форме боковой поверхности усеченного конуса и с выступающим краем, служащим для крепления входного окна к вакуумному герметичному корпусу.This is achieved due to the fact that in a hybrid photosensitive device consisting of a vacuum sealed enclosure, an input window with a photocathode and anode located opposite the photocathode, which is a base with an electron-sensitive image forming matrix attached to it, with appropriate means of providing accelerating voltage between the photocathode and the anode, as well as with means for reading the signal from the matrix and outputting it outside the sealed enclosure, according to the present invention, the input window is made cup-shaped, projecting inside the housing toward the imaging array with a flat bottom, on which a photocathode is applied, with the side part in the form of a truncated cone lateral surface and with a projecting edge, which serves for fixing the entrance window to the vacuum sealed housing.

Данное техническое решение изображено на рис.1.This technical solution is shown in Fig. 1.

Гибридный фоточувствительный прибор содержит герметичный вакуумный корпус 1, входное окно 2, выступающее внутрь корпуса 1 фотокатодом 3 по направлению к аноду, представляющему собой основание 4 с расположенной на нем электронно-чувствительной матрицей формирования изображения 5 (ЭЧ матрица). В качестве матрицы формирования изображения может быть использована электронно-чувствительная ПЗС-матрица или КМОП-матрица. Входное окно 2 выполнено чашеобразной формы с плоским дном 6, на которое нанесен фотокатод 3, с боковой частью 7 в форме боковой поверхности усеченного конуса и выступающим краем 8, служащим для крепления входного окна к корпусу 1.The hybrid photosensitive device contains a sealed vacuum housing 1, an input window 2, protruding into the housing 1 by the photocathode 3 towards the anode, which is a base 4 with an electron-sensitive image-forming matrix 5 (EF matrix) located on it. As an image forming matrix, an electron-sensitive CCD or CMOS sensor can be used. The input window 2 is made in a cup-shaped form with a flat bottom 6, on which the photocathode 3 is applied, with the side part 7 in the form of a lateral surface of a truncated cone and a protruding edge 8, which serves to attach the input window to the housing 1.

Вакуумный герметичный корпус 1 состоит из металлических контактных колец 9 и 10 и керамического изолятора 11, расположенного между ними. Благодаря специфической конструкции входного окна обеспечивается возможность развести контактные кольца 9 и 10 на необходимое расстояние, сохраняя при этом малым промежуток между фотокатодом 3 и ЭЧ матрицей 5.The vacuum sealed housing 1 consists of metal contact rings 9 and 10 and a ceramic insulator 11 located between them. Due to the specific design of the input window, it is possible to separate the contact rings 9 and 10 to the required distance, while maintaining a small gap between the photocathode 3 and the EF matrix 5.

Высота корпуса 1 зависит от значения подаваемого напряжения. Например, если необходимо подать напряжение в диапазоне 5-7 кВ, притом что электрическая прочность керамики составляет 1 кВ/мм, выбирается высота изолятора 8,5 мм, что с запасом обеспечивает требование электрической прочности прибора. При необходимости подачи большего напряжения расстояние между контактными кольцами можно еще увеличить.The height of the housing 1 depends on the value of the applied voltage. For example, if it is necessary to apply a voltage in the range of 5-7 kV, while the electric strength of the ceramic is 1 kV / mm, the height of the insulator is 8.5 mm, which with a margin ensures the requirement of the electric strength of the device. If more voltage is needed, the distance between the slip rings can be further increased.

Боковая часть 7 и плоское дно 6 входного окна 2 как минимум частично покрыты электродом 12, соединяющим фотокатод 3 с металлическим контактным кольцом 9 через индиевую прослойку 13, служащую для герметизации прибора. Электрод 12 изготавливают, например, путем напыления хрома как минимум частично на боковую часть 7 и частично плоское дно 6. Выступающий край 8 соединяет входное окно с металлическим контактным кольцом 9. Входное окно 2 сделано из прозрачного материала, например из стекла или кварца.The lateral part 7 and the flat bottom 6 of the input window 2 are at least partially covered by an electrode 12 connecting the photocathode 3 to the metal contact ring 9 through an indium layer 13, which serves to seal the device. The electrode 12 is made, for example, by spraying chromium at least partially on the side part 7 and partially flat bottom 6. The protruding edge 8 connects the input window with a metal slip ring 9. The input window 2 is made of a transparent material, for example glass or quartz.

Прибор работает следующим образом. Для включения прибора на промежуток между фотокатодом и анодом подают разность потенциалов более 7 кВ. Это достигается за счет того, что на контактные кольца 9 и 10 герметичного корпуса подают напряжение, например на контактное кольцо 9 подают отрицательное напряжение более -7 кВ, тогда как второе контактное кольцо 10 заземлено. Напряжение через электрод 12 поступает на фотокатод 3 и обеспечивает формирование электрического поля между фотокатодом 3 и матрицей 5.The device operates as follows. To turn on the device, a potential difference of more than 7 kV is supplied to the gap between the photocathode and anode. This is achieved due to the fact that voltage is applied to the contact rings 9 and 10 of the sealed housing, for example, a negative voltage of more than -7 kV is applied to the contact ring 9, while the second contact ring 10 is grounded. The voltage through the electrode 12 is supplied to the photocathode 3 and provides the formation of an electric field between the photocathode 3 and the matrix 5.

Электромагнитное излучение, проходя через плоское дно 6 входного окна 2, поступает на фотокатод 3, где в результате фотоэффекта образуются электроны. Под действием электрического поля электроны вылетают из фотокатода 3 по направлению к электронно-чувствительной матрице формирования изображения 5, на промежутке между фотокатодом и ЭЧ матрицей разгоняются за счет ускоряющего напряжения и бомбардируют ЭЧ матрицу 5 со стороны утоненной подложки, в результате чего формируется усиленный электрический сигнал. Данный сигнал считывается и выводится за пределы герметичного вакуумного корпуса 1 посредством специальных электродов (на чертеже не показаны).Electromagnetic radiation, passing through the flat bottom 6 of the input window 2, enters the photocathode 3, where electrons are formed as a result of the photoelectric effect. Under the influence of an electric field, electrons fly out of the photocathode 3 towards the electron-sensitive image forming matrix 5, are accelerated by the accelerating voltage in the gap between the photocathode and the EC matrix and bombard the EC matrix 5 from the side of the thinned substrate, as a result of which an amplified electric signal is generated. This signal is read and displayed outside the sealed vacuum housing 1 by means of special electrodes (not shown in the drawing).

За счет приложения большого ускоряющего напряжения между фотокатодом 3 и матрицей 5, обеспеченного конструкцией входного окна, достигается значительный коэффициент усиления, достаточный для регистрации сигналов низкого уровня освещенности, а также увеличение отношения сигнал/шум за счет усиления полезного сигнала. При этом за счет увеличенной толщины изолятора 11 между контактными кольцами обеспечивается повышение электрической прочности и пробивного напряжения прибора.Due to the application of a large accelerating voltage between the photocathode 3 and the matrix 5, provided by the design of the input window, a significant gain is achieved sufficient to register low-level signals, as well as an increase in the signal-to-noise ratio due to the amplification of the useful signal. Moreover, due to the increased thickness of the insulator 11 between the contact rings, the electric strength and breakdown voltage of the device are increased.

Благодаря форме входного окна 2 можно придать плоскому дну 6 оптимальную толщину, с одной стороны, обеспечивающую необходимую прочность входного окна 2, а с другой - достаточно тонкую, чтобы электромагнитное излучение меньше поглощалось при прохождении сквозь входное окно. При прохождении излучения сквозь толщу входного окна из-за неизбежных внутренних дефектов материала возникают эффекты преломления и рассеивания света, при этом снижается качество и интенсивность входного сигнала. Эти эффекты становятся существенными при регистрации изображений низкого уровня освещенности, где требуется высокое качество работы прибора на каждом этапе - от регистрации изображения фотокатодом до считывания его матрицей. Чем меньше путь света сквозь толщу входного окна, тем меньше внутренних дефектов на пути следования излучения, следовательно, тем меньше происходит поглощение и рассеивание света, благодаря чему улучшается чувствительность и разрешающая способность прибора.Due to the shape of the input window 2, it is possible to give the flat bottom 6 an optimal thickness, on the one hand, providing the necessary strength of the input window 2, and on the other hand, thin enough so that electromagnetic radiation is less absorbed when passing through the input window. When radiation passes through the thickness of the input window, due to inevitable internal material defects, refraction and light scattering effects occur, while the quality and intensity of the input signal are reduced. These effects become significant when recording images of a low level of illumination, where high quality operation of the device is required at each stage - from registering an image with a photocathode to reading it by a matrix. The smaller the path of light through the thickness of the input window, the less internal defects on the path of radiation, therefore, the less absorption and scattering of light, thereby improving the sensitivity and resolution of the device.

Входное окно выполнено прозрачным для излучения той области спектра, которую необходимо регистрировать. Например, для ультрафиолетовой области спектра входное окно изготавливают из кварца или увиолевого стекла. Также входное окно может быть изготовлено из таких материалов, которые являются удобными подложками для фотокатодов на основе гетероструктур (например, сапфировые подложки). Входное окно выполнено цельным, благодаря этому также снижается количество внутренних дефектов и повышается качество принимаемого сигнала.The input window is made transparent for the radiation of the spectral region that must be recorded. For example, for the ultraviolet region of the spectrum, the entrance window is made of quartz or uviole glass. Also, the inlet window can be made of materials that are convenient substrates for heterostructure-based photocathodes (for example, sapphire substrates). The input window is made whole, due to this also reduces the number of internal defects and improves the quality of the received signal.

Таким образом, за счет данного изобретения достигается значительный коэффициент усиления гибридного фоточувствительного прибора, увеличивается отношение полезного сигнала к шумовым помехам (отношение сигнал/шум), улучшается разрешающая способность, а также обеспечивается повышение электрической прочности и пробивного напряжения корпуса при сокращении расстояния между фотокатодом и анодом и без усложнения конструкции основания матрицы.Thus, due to this invention, a significant gain of the hybrid photosensitive device is achieved, the ratio of the useful signal to noise interference (signal-to-noise ratio) is increased, the resolution is improved, and the electric strength and breakdown voltage of the case are improved while the distance between the photocathode and anode is reduced and without complicating the design of the matrix base.

Claims

A hybrid photosensitive device consisting of a vacuum sealed enclosure, an input window with a photocathode and anode located opposite the photocathode, which is a base with an electron-sensitive image forming matrix attached to it, with appropriate means of providing an accelerating voltage between the photocathode and the anode, as well as signal reading means from the matrix and its output outside the hermetic housing, characterized in that the input window is made in a cup-shaped shape, protruding into the interior of the body towards the image forming matrix, with a flat bottom on which the photocathode is applied, with a side part in the form of a side surface of a truncated cone and with a protruding edge, which serves to fasten the input window to the vacuum sealed housing.