DE2553564A1

DE2553564A1 - Vorrichtung zur verbesserung der langwelligen empfindlichkeit von fotodetektoren

Info

Publication number: DE2553564A1
Application number: DE19752553564
Authority: DE
Inventors: Kenneth G Sewell; William B Volz
Original assignee: Varo Inc
Current assignee: Varo Inc
Priority date: 1974-12-02
Filing date: 1975-11-28
Publication date: 1976-08-12
Also published as: BE839447A; GB1511010A; US3971932A

Description

VARO, INC., 2203 Walnut Street, Garland, Texas 75040 Vereinigte Staaten von Amerika

Vorrichtung zur Verbesserung der langwelligen Empfindlichkeit von Fotodetektoren

Die Erfindung beschäftigt sich allgemein mit Fotodetektoren und insbesondere mit einer Einrichtung zur verbesserten Wahrnehmung relativ langwelligen Lichtes.

Die Empfindlichkeit, d.h. die Fähigkeit, nutzbare Information aus schwachen Signalen zu entwickeln ist eine erwünschte Eigenschaft von Fotodetektoren, insbesondere solchen, die Bilder erzeugen. Bekannte Fotodetektoren zeigen jedoch eine abnehmende spektrale Empfindlichkeit in denjenigen Gefaxten, die relativ entfernt zur Wellenlänge der maximalen spektralen Empfindlichkeit liegen. Beispielsweise sei die Nachtsichteinrichtung etwa für militärische Zwecke genannt, die imstande ist, ein durch Streulicht oder ein konventionelles Infrarot-Suchlicht schwach beleuchtetes ziel festzustellen und davon ein Bild zu erzeugen, die jedoch nicht "sehen" kann oder selbst durch einfallendes infrarotes Laserlicht beschädigt werden kann.

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Es ist daher ein wesentliches Anliegen der Erfindung, einen Fotodetektor zu schaffen, der für ein vorgegebenes, schmales Band elektromagnetischer Strahlung außerordentlich empfindlich ist, jedoch nutzbare Information aus einer oder mehreren spektral unterschiedlichen Strahlungen liefern kann. Allgemeiner hat daher die Erfindung zur Aufgabe, einen neuen verbesserten Fotodetektor zu schaffen. Im einzelnen soll die Erfindung eine Nachtsichtausrüstung schaffen, die Laser-Empfindlichkeit besitzt.

Das genannte Ziel wird mit der Erfindung erreicht, die nachstehend anhand der beigefügten Figuren im einzelnen beschrieben wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht teilweise im

Schnitt des mit den Merkmalen der Erfindung ausgestatteten Fotodetektors mit Bildverstärkerröhre;

Fig. 2 einen zentralen Schnitt eines Energiewandlers für den Fotodetektor aus Fig. 1; und

Fig. 3 eine modifizierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiewandlers.

Der für eine Nachtsichtausrüstung geeignete Fotodetektor ist in Fig. 1 im Ganzen mit 10 bezeichnet und umfaßt eine Fotozelle 12 in Form einer konventionellen Bildverstärkerröhre, eine Sammellinse .14 sowie einen Energiewandler 16 zwischen der Sammellinse 14 und der Fotozelle 12. Der Energiewandler 16 ist auf der Fotozelle 12 in optischer Verbindung mit Hilfe eines "Ringwulstes 18 aus geeignetem Kitt oder Klebstoff befestigt.

Die Bildverstärkerröhre, die die Fotozelle 12 bildet, weist eine Frontplatte 20 sowie eine Fotoemissionsschicht 22 auf, die auf der Innenfläche der Frontplatte 20 aufgebracht ist und eine Fotokathode bildet. Strahlung

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aus einem Ziel ist durch die gestrichelte Linien 24, 26 angedeutet; diese einfallende Strahlung wird als Bild von der Linse 14 gesammelt und wird durch die Faseroptik-Frontplatte 2 0 auf die Fotokathode 22 übertragen, die Elektronen in solchen Mengen emittiert, die durch ihre spektrale Empfindlichkeit und die Wellenlänge der empfangenen Strahlung bestimmt ist. Die von der Fotokathode 22 emittierten Elektronen werden mit Hilfe einer Elektronenoptik 28 auf einen Schirm 30 aus phosphorisierendem Material fokussiert. Gemäß üblicher Praxis wird eine Beschleunigerspannung aus einer Spannungsquelle 32 zwischen Schirm 30 und Fotokathode 22 angelegt, die die Energie der übergehenden Elektronen erhöht. Ein Netzgerät mit einer nominellen Beschleunigerspannung von 15 kV ist für den beabsichtigten Zweck ausreichend.

Die auf den Schirm 30 auftreffenden Elektronen aus der Fotokathode 22 regen das phosphorisierende Material an und erzeugen Photonen. Diese Photonen werden aus der Bildverstärkerröhre mit Hilfe einer Faseroptik 34 aus gekuppelt und weitergeleitet, die auf dem Schirm 30 aufgebracht ist. Man bemerke, daß das verstärkte optische Bild am Ausgang der Faseroptik 34 weiterverstärkt werden kann, direkt betrachtet werden kann oder mit bekannten Methoden weiter verarbeitet werden kann.

Die Fotozelle mit Bildverstärkerröhre weist ein Gehäuse 36 auf, das die Faser-Optik-Frontplatte 20, die Fotokathode 22, die Elektronenoptik 28, den Schirm 30 und das Faser-Optik-Bündel 34 in geeigneter Weise relativ zueinander placiert.

ORIGINAL INSPECTED

Wenn die Fotokathode 22 eine übliche S-20-Fotokathode ist, dann hat ihre spektrale Empfindlichkeit, gemessen in Mikroampere pro Watt, einen Maximalwert entsprechend einer Wellenlänge von etwa 0,66 Micron. Ferner fällt die s*pektrale Empfindlichkeit einer solchen Fotokathode mit zunehmender Wellenlänge rapide ab, so daß eine derartige Fotokathode im allgemeinen für größere Wellenlängen als 0,950 Mikron unempfindlich angesehen wird» Erfindungsgemäß wird eine derartige Beschränkung durch Verwendung eines Energiewandlers 16 vermieden. Diese Vorrichtung ist so angeordnet, daß sie elektromagnetische Energie von größerer Wellenlänge als derjenigen, für welche die Fotokathode 22 empfindlich ist, aufnimmt und in Reaktion darauf elektromagnetische Energie mit einer Wellenlänge emittiert, auf welcher die Fotokathode 22 normalerweise in nutzbarer Weise anspricht. Weiter ist der Energiewandler 16 so angeordnet, daß er optisch im wesentlichen transparent für Wellenlängen ist, die im Empfindlichkeit sbereich der Fotokathode liegen, damit die Funktionstüchtigkeit der Fotozelle 10 im übrigen vorteilhafterweise nicht beeinträchtigt wird.

Wenn im speziellen Fall eine S-20-Fotokathode verwendet werden soll und das einfallende infrarote Laserlicht eine Wellenlänge von 1,06 Mikron besitzt und auszuwertende Information enthält, dann ist der Energiewandler 16 gemäß der Erfindung wie in Fig. 2 dargestellt aufgebaut. Danach ist eine Schicht 38 von emittierendem Material zwischen einem optisch transparentem Fenster 40 und einer Faseroptikscheibe 42 angeordnet. Diese drei Elemente werden dann in einem Behälter 44 hermetisch abgedichtet eingesetzt. Ein außerordentlich nützliches Material für die

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ORIGINAL INSPECTED

Schicht 38 ist ein poly k ristalines Lanthan-Neodym-Chlorid, das durch Aufdampfen abgeschieden ist und etwa die Zusammensetzung La₁ Nd Cl-, hat, wobei χ zwischen 0,01

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und 1,0 schwanken kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform dieses Salzes hat die Formel La_n pNcU oCl·}. Dieses bevorzugte Material absorbiert Strahlung im Wellenlängengebiet von 1,6 Mikron und emittiert im Bereich von 0,873 Mikron, wobei diese letzte Wellenlänge innerhalb der auswertbaren spektralen Empfindlichkeit einer S-20-Fotokathode liegt. Vorzugsweise ist ein dielektrisches Filter 46 axial hinter der Faseroptikscheibe 42 und allgemein zwischen den einfallenden Strahlen und der Frontplatte der Bildverstärkerröhre 12 angeordnet. Das di-elektrische Filter 46 ist aus einem Material hergestellt, das Thoriumoxid und/oder Siliziumoxid sein kann, um den Durchtritt der Strahlung mit der Wellenlänge 1,6 Mikron zu verhindern, die in dem emittierenden Material der Schicht 38 nicht absorbiert wird, wohingegen kurzwelligere elektromagnetische Strahlung durchgelassen wird.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wird, schlägt die Erfindung die Verwendung eines Materials für die Schicht 38 vor, das elektromagnetische Strahlung von einer Wellenlänge absorbiert und eine kurzwelligere Strahlung emittiert. Die meisten Stoffe, die Energie absorbieren und wieder emittieren, geben die emittierte Strahlung mit einer Wellenlänge ab, die größer ist als die Wellenlänge der absorbierten Strahlung. Folglich kommen nur gewisse Stoffe für die Schicht 38 im erfindungsgemäßen Sinne in Frage.

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Für die Strahlung mit der Wellenlänge 1,06 Mikron sind bei dem bevorzugten Material für jedes Neodymatom vier Lanthanatome und fünfzehn Chloridatome vorhanden; dabei befinden sich die Neodym- und Lanthanatome in der Oxidationsstufe +3, d. h. in solchem Zustand, bei dem drei Elektronen aus der atomaren Konfiguration fehlen. Die Neodymatome bilden das aktive Medium für die Energieumwandlung, während die Lanthan- und Chloridatome eine inerte Umgebung bilden. Das bevorzugte Lanthan-Neodym-Chlorid ist hygroskopisch und muß vor Umgebungs-Feuchtigkeit etwa dadurch geschützt werden, daß es in den Behälter 44 hermetisch abgedichtet eingeschlossen wird.

Im Betrieb des Fotodetektors 10 arbeitet die Bildverstärkerröhre 12 auf konventionelle Weise; außerdem wird einfallende Strahlung mit einer Wellenlänge 1,6 Mikron in dem aktiven Material der Schicht 38 absorbiert und induziert einen Übergang vor dem Y-Niveau oder zweithöchsten Energiezustand der Neodymatome in das R-Niveau, wobei die Umgebungstemperatur eine für die Zwecke der vorliegenden Erfindung auswertebare Besetzungsdichte in dem Y-Niveau schafft. Ein nachfolgender Übergang auf das S-Niveau kann durch thermische Wechselwirkung mit dem Atomgitter induziert werden, und zwar durch energetische Wechselwirkung zwischen den Energiezuständen des höheren Niveaus und der Strahlung mit der Wellenlänge 1,6 Mikron sowie durch Ion-Ion-Wechselwirkung. Die angeregten Zustände, d. h. die normalerweise bei thermischem Gleichgewicht des Systems unbesetzten Zustände, gehen schließlich in den Grundzustand oder das Z-Niveau über, wobei Energie in Form von Photonen und Phononen emittiert wird und die emittierten Photonen das Ausgangssignal der Schicht 38 bilden, das an die Fotokathode 22 weitergegeben wird. Das vorliegende System ist insofern ungewöhnlich,

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als die emittierten Photonen einer kürzeren Wellenlänge entsprechen und daher größere Energie haben als die anregende Strahlung.

Natürlich gibt es zahlreiche Gast-Medien für das aktive Wandlermaterial; es hat sich ergeben, daß die Energieabsorption und Fluoreszenz von Neodym in Medien wie Siliziumglas, Yttriumaluminiumgranat (-silikat), Kalziumfluorid, Yttriumaluminiumoxid und anderen Stoffen auftritt. Weiter können gewisse andere seltene Erden als aktives Material zusätzlich zu Neodym verwendet werden. Zu diesen Stoffen gehören die Salze von Praseodym, Holmium, Erbium und Dysprosium.

Die vorliegende Erfindung schlägt ferner vor, daß die energiewandelnde Schicht 38 gegebenenfalls zusätzlich kleinere Mengen an solchen Stoffen wie die Übergangsmetalle enthalten können, wie etwa Eisen und Yttrium in dem positiv geladenen, dreiwertigen oder zweiwertigen Zustand. Diese "aktiven Verunreinigungen" wirken bei der Energieübertragung in dem primären aktiven Material, den seitenden Erde-Atomen mit. Die enthaltenen kleineren Mengen derartiger Übergangsmetall-Verwendungen absorbieren Energie und übertragen sie auf die Atome der seltenen Erden, die dann die Energie wieder bei kürzerer Wellenlänge wie oben erwähnt emittieren.

Zum vollen Verständnis der Erfindung ist eine abgewandelte Form des Energiewandlers in Fig. 3 gezeigt, wobei gleiche Bezugszeichen, mit dem Zusatz "a" versehen, gleiche Teile bezeichnen, wie diejenigen aus der bisherigen Beschreibung.

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Der Energiewandler 16a gemäß Fig. 3 kennzeichnet sich dadurch, daß eine zweite Schicht 48 vorgesehen ist, die emittierendes Material enthält, und daß ein entsprechendes di-elektrisches Filter 50 vorgesehen ist. Die Schicht 48 enthält Holmium in der Oxidationsstufe +3, enthalten in einer geeigneten umgebenden Substanz. Die Aktivität der Holmiumatome in der Schicht 48 ist ähnlich derjenigen der Neodymatome in der Schicht 38 mit der Ausnahme, daß die ersten einfallende Strahlung bei einer Wellenlänge von 1,65 Mikron absorbieren und die umgesetzte elektromagnetische Energie bei einer zweiten, kürzeren Wellenlänge emittieren. In Zusammenwirkung damit, ist das dielektrische Filter 50 so angeordnet, daß die nicht absorbierten Strahlungen von 1,65 Mikron Wellenlänge blockiert werden und die kürzeren Wellenlängen passieren können.

Natürlich stellt die in den Zeichnungen dargestellte Erfindung nicht die einzige Form, in der die Erfindung konkretisiert werden kann. Dem Fachmann sind vielmehr Änderungen ohne weiteres geläufig, ohne daß durch diese von dem der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken abgewichen wird. Insgesamt nämlich schlägt die Erfindung einen Fotodetektor vor, der eine Fotozelle aufweist, welche auf elektromagnetische Energie eines ersten Wellenlängenbandes anspricht. Ein Energieumsetzer ist mit der Fotozelle optisch gekoppelt und nimmt einfallende elektromagnetische Energie einer anderen, längeren Wellenlänge auf und emittiert in Abhängigkeit von dieser eine elektromagnetische Energie innerhalb der Bande der ersten Wellenlängen.

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Claims

I D D £ O

Ansprüche

Fotodetektor mit Fotozelle, die auf eine elektromagnetische Energie eines ersten Wellenlängenbereichs anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß ein passiver Energieumsetzer

(16) vorgesehen ist, der für elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge empfindlich ist, die langer ist als die Wellenlänge des ersten Bereiches und in einem Bereich liegt, in welchem die Fotozelle (12) unempfindlich ist, und der eine elektromagnetische Energie des ersten Wellenlängenbereiches in Abhängigkeit von einer empfangenen elektromagnetischen Strahlung der längeren Wellenlänge emittiert, wobei der Energieumsetzer (16) für Strahlungen des ersten Wellenlängenbereiches im wesentlichen optisch transparent ist; und daß ein Ring (18) den Energieumsetzer (16) mit der Fotozelle (12) optisch verbindet, so daß die Fotozelle

(12) Information aus einfallender elektromagnetischer Energie beider Wellenlängenberexche liefert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotozelle (12) eine Bildverstärkerröhre umfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieumsetzer (16) eine Substanz enthält, die elektromagnetische Energie kürzerer Wellenlänge als diejenige der einfallenden elektromagnetischen Energie emittiert, und daß ein Trägermaterial für die Substanz vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz ein Salz einer seltenen Erde ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die seltene Erde Neodym ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die seltene Erde Holmium ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial Yttriumaluminiumgranat enthält.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial Lanthanchlorid enthält.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieumsetzer (16) weniger als 1 % einer Verbindung eines übergangsmetalls enthält, das Eisen oder/und Yttrium sein kann.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieumsetzer in einem Gehäuse (44) untergebracht ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Energieumsetzer

(48) zur Aufnahme elektromagnetischer Energie einer zweiten Wellenlänge und Emittierung elektromagnetischer Energie aus dem ersten Wellenlängenbereich vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Filter (46) zwischen der Fotozelle (12) und dem Energieumsetzer (46) angeordnet ist und elektromagnetische Energie der längeren Wellenlänge ausblendet und Energie des ersten Wellenlängenbereichs passieren läßt.

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