Оптическое телескопическое устройство и способы его изготовления

 

Использование: в оптическом приборостроении, для оптической обработки и отображения информации. Сущность изобретения: в оптическое телескопическое устройство, содержащее входной объектив, оптически связанный соответственно с усилителем яркости изображения, включающем герметичный цилиндрический корпус из чередующихся металлических и керамических элементов и с двумя металлическими торцевыми слоями, в котором между фотокатодом на основе GaAs и люминисцентным экраном на внутренней поверхности цилиндрического волоконно-оптического элемента на выступе металлического элемента установлена микроканальая пластина, а также встроенный источник питания, соединенный с усилителем яркости изображения и расположенный вокруг цилиндрической поверхности волоконно-оптического элемента, и входным окуляром, дополнительно введено металлическое кольцо с установочной площадкой с одной стороны кольца и с ограничителем радиального перемещения в виде кольцевого выступа на плоской противоположной стороне, а каждый металлический слой на торцах корпуса выполнен тонкопленочным и через припой сопряжен соответственно с фотокатодом и волоконно-оптическим элементом, причем микроканальная пластина через дополнительно введенные кольцо и металлическую кольцевую прокладку установлена на соответствующем металлическом элементе корпуса, позволяющие значительно улучшить выходные оптические и эксплуатационные характеристики оптического телескопического устройства. Способы изготовления оптического телескопического устройства и фотокатода для него определяют параметры температуры и давления и возможность осуществления контроля в процессе изготовления. 5 с. и 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к оптическим телескопическим устройствам, преобразующим изображения из ИК-области спектра в видимый диапазон.

Известно оптическое устройство, содержащее входной объектив, оптически связанный с усилителем яркости изображения, а также выходным окуляром [1] Недостатками устройства являются низкая чувствительность и сложность конструкции.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является оптическое телескопическое устройство, содержащее входной объектив, оптически связанный соответственно с усилителем яркости изображения, включающим герметичный цилиндрический корпус из чередующихся металлических и керамических элементов и с двумя металлическими торцевыми слоями, в котором между фотокатодом на основе GaAs и люминесцентным экраном на внутренней поверхности цилиндрического волоконно-оптического элемента на выступе металлического элемента установлена микроканальная пластина, а также встроенный источник питания, соединенный с усилителем яркости изображения и расположенный вокруг цилиндрической поверхности волоконно-оптического элемента и выходным окуляром [2] Недостатками оптического устройства являются низкие эксплуатационные параметры, обусловленные влиянием механических напряжений в зонах сопряжения корпуса с фотокатодом, что приводит к образованию микротрещин, а следовательно, к разгерметизации корпуса, а также к изменению положения микроканальной пластины относительно фотокатода и волоконно-оптического элемента, что приводит к ухудшению качества выходного изображения или выхода из строя устройства.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных параметров путем уменьшения влияния механических напряжений как на герметичность, так и на положение микроканальной пластины в корпусе.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является встроенный источник питания оптического телескопического устройства, содержащий последовательно соединенные низковольтный источник напряжения, преобразователь постоянного напряжения в переменное и по крайней мере один умножитель напряжения, причем электронные компоненты преобразователя и умножителя установлены на гибких печатных платах и защищены компаундами [3] Недостатком встроенного источника питания является невысокая надежность, обусловленная сложностью монтажа элементов на гибких печатных платах.

Целью изобретения является повышение надежности и выхода годных встроенных источников питания.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления оптического телескопического устройства, при котором формируют фотокатод на основе GaAs с активирующим покрытием CsO, в корпус, соединенный с волоконно-оптическим элементом, устанавливается микроканальная пластина, после чего производят сборку путем соединения в герметичной камере [4] Недостатком способа изготовления оптического телескопического устройства является невысокая долговечность, малый температурный диапазон работы, обусловленные десорбцией активирующего слоя цезия с фотокатода.

Целью изобретения является увеличение долговечности работы и температурного диапазона работы путем стабилизации активирующего покрытия на фотокатоде.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления фотокатода оптического телескопического устройства, при котором формируют планарную структуру, включающую оптически прозрачную подложку и слой GaAs, активируют слой GaAs путем первого прогрева в вакууме при давлении Р 10^-10 мм рт.ст. охлаждают до комнатной температуры, наносят первое активирующее покрытие СsO до максимума фоточувствительности фотокатода, прогревают полученную структуру до температуры, меньшей первого прогрева, охлаждают до комнатной температуры, наносят второй слой СsO до максимума фоточувствительности фотокатода [5] Недостатком способа изготовления фотокатода является недостаточно высокая чувствительность, обусловленная высокой температурой первого режима прогрева фотокатода, близкой к температуре разложения рабочего слоя GaAs, что в свою очередь, приводит к деградации поверхности и уменьшению концентрации легирующей примеси в приповерхностной области.

Целью изобретения является повышение качества изготовления путем снижения температуры первого прогрева рабочего слоя GaAs фотокатода.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления фотокатода, при котором на прозрачной подложке формируют буферный слой из Ga_0,5Al_0,5As и рабочий слой из GaAs и производят контроль рабочего слоя [6] Недостатком способа изготовления фотокатода оптического телескопического устройства является недостаточно высокий процент выхода годных, обусловленный разбросом толщин рабочих слоев, выходящих за оптимальные величины.

Целью изобретения является повышение качества изготовления путем обеспечения оптимальной толщины рабочего слоя.

Поставленная цель достигается тем, что в оптическое телескопическое устройство, содержащее входной объектив, оптически связанный соответственно с усилителем яркости изображения, включающим герметичный цилиндрический корпус из чередующихся металлических и керамических элементов и с двумя металлическими торцевыми слоями, в котором между фотокатодом на основе GaAs и люминесцентным экраном на внутренней поверхности цилиндрического волоконно-оптического элемента на выступе металлического элемента установлена микроканальная пластина, а также встроенный источник питания, соединенный с усилителем яркости изображения и расположенный вокруг цилиндрической поверхности волоконно-оптического элемента, и выходным окуляром, дополнительно введено металлическое кольцо с установочной площадкой с одной стороны кольца и с ограничителем радиального перемещения в виде кольцевого выступа на плоской противоположной стороне, а каждый металлический слой выполнен тонкопленочным и через припой сопряжен соответственно с фотокатодом и волоконно-оптическим элементом, причем микроканальная пластина через дополнительно введенное кольцо установлена на соответствующем металлическом элементе корпуса.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство дополнительно введена металлическая кольцевая прокладка, расположенная между установочной площадкой металлического кольца и микроканальной пластиной.

Поставленная цель достигается тем, что во встроенном источнике питания оптического телескопического устройства, содержащем последовательно соединенные низковольтный источник напряжения, преобразователь постоянного напряжения в переменное и по крайней мере один умножитель напряжения, причем электронные компоненты преобразователя и умножителя установлены на печатных платах и защищены компаундами, платы выполнены по крайней мере из двух керамических колец с диаметрами отверстий, соответствующих внешнему диаметру волоконно-оптического элемента оптического телескопического устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления оптического телескопического устройства, при котором формируют фотокатод на основе GaAs с активирующим покрытием CsO, в корпус, соединенный с волоконно-оптическим элементом, устанавливается микроканальная пластина, после чего производят сборку путем соединения в герметичной камере, перед сборкой обрабатывают узел в виде волоконно-оптического элемента с микроканальной пластиной в парах цезия с одновременным контролем фотоэмиссии нанесенного слоя цезия на корпусе и прекращением обработки при достижении фотоэмиссии с поверхности обрабатываемого узла в диапазоне 0,1.10 мкА/лм, после чего упомянутый узел прогревают до температуры в диапазоне 100.350^оС в течение 1.5 часов, охлаждают до комнатной температуры и повторяют упомянутую обработку узла с прогревом и охлаждением.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления фотокатода оптического телескопического устройства формируют планарную структуру, включающую оптически прозрачную подложку и слой GaAs, активируют слой GaAs путем первого прогрева в вакууме при давлении Р 10^-10 мм рт.с. охлаждают до комнатной температуры, наносят первое активирующее покрытие CsO до максимума фоточувствительности фотокатода, прогревают полученную структуру до температуры, меньшей первого прогрева, охлаждают до комнатной температуры, наносят второй слой CsO до максимума фоточувствительного фотокатода, после формирования планарной структуры ее обрабатывают в инертной атмосфере в смеси изопропилового спирта с соляной кислотой с концентрацией соляной кислоты в диапазоне от 0,1 до 10 об. после чего структуру переносят в вакуум с остаточным давлением не более Р 10^-7 мм рт.ст. а при активировании слоя GaAs первый прогрев осуществляют при температуре 470.550^оС.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления фотокатода, при котором на прозрачной подложке формируют буферный слой из Ga_0,5Al_0,5As и рабочий слой из GaAs, после чего производят контроль рабочего слоя, контроль производят одновременно с химическим травлением рабочего слоя путем возбуждения со стороны буферного слоя оптическим излучением в спектральном диапазоне ( 0,6.0,7 мкм) краевой фотолюминесценции рабочего слоя и регистрации величины начальной I_o и текущей I_t интенсивностей краевой фотолюминесценции, а процесс травления прекращается при условии I_t (0,11-0,18)I_o.

На фиг. 1 изображено оптическое устройство, состоящее из входного объектива 1; фотокатода 2 на основе GaAs; входного окна 3; микроканальной пластины 4; люминесцентного экрана 5; выходного окуляра 6; волоконно-оптического элемента 7; герметичного цилиндрического корпуса 8; металлических элементов 9; керамических элементов 10; низковольтного источника 11 питания; преобразователя 12 постоянного напряжения в переменное; умножителя 13 напряжения; припоя 14; металлической кольцевой прокладки 15; металлического кольца 16 с установочной площадкой и с ограничителем радиального перемещения; прижимного кольца 17; керамических колец 18 и 19 и компаунда 20.

На фиг. 2 изображена схема установки для прецизионного химического травления, состоящая из химической кюветы 21, химического травителя 22, осветителя 23, рабочего слоя (GaAs) 24, буферного слоя (Ga_0,5Al_0,5As) 25, фотоприемного устройства 26 и звуковой и световой сигнализации 27.

На фиг. 3 приведена кривая относительной спектральной чувствительности фотокатода 2 при различных толщинах рабочего слоя 24 фотокатода 2, где S^отн при оптимальной толщине кривая А; S^отн при толщине рабочего слоя меньше оптимальной кривая В; S^отн при толщине рабочего слоя, превышающей оптимальную кривая Б.

На фиг. 4 схематично изображена камера герметизации вакуумного сборочного манипулятора, состоящая из источника 28 цезия и нагревателя 29.

Работа устройства осуществляется следующим образом (фиг. 1). Объектив 1 формирует на фотокатоде 2 инфракрасное или видимое изображение объектов. Фотокатод 2 представляет собой гетероэпитаксиальную структуру, состоящую из рабочего слоя GaAs и буферного слоя Ga_0,5Al_0,5As, вплавленную во входное стеклянное окно 3. Фотокатод 2 преобразует оптическое изображение, сформированное на его поверхности, в электронное. Число электронов, эмиттируемых каждой точкой фотокатода, пропорционально ее освещенности. Благодаря ускоряющему полю, электроны поступают на входную поверхность микроканальной пластины (МКП) 4, в которой за счет вторичных эмиссионных процессов происходит усиление электронного изображения. Полученное усиленное электронное изображение с помощью ускоряющего напряжения, приложенного между выходом МКП 4 и люминесцентным экраном 5, возбуждает люминесцентный слой, вызывая свечение люминофора и, как следствие, появление на экране 5 перевернутого изображения наблюдаемых объектов. Для получения в плоскости наблюдения выходного окуляра 6 прямого изображения люминесцентный экран 5 нанесен на входную поверхность волоконно-оптического элемента 7, который поворачивает изображение на 180^о.

В основу работы устройства положен внешний фотоэффект и для беспрепятственного движения электронов все основные элементы устройства (фотокатод 2, МКП 4 и экран 5) устанавливают в цилиндрическом корпусе 8, вакуумированном до остаточного давления Р 10^-10.10^-11 мм рт.ст. и состоящем из последовательно спаянных металлических элементов 9 и керамических элементов 10. Керамические элементы 10 обеспечивают надежную электрическую изоляцию, а металлические элементы 9 подвод соответствующих напряжений к основным элементам устройства (фокатоду 2, МКП 4 и экрану 5).

Для формирования указанных напряжений применяется встроенный источник питания, включающий низковольтный источник 11 питания, преобразователь 12 постоянного напряжения в переменное и умножитель 13 напряжения.

Способ изготовления оптического телескопического устройства состоит из следующих основных процессов: 1. Во входное окно 3 с помощью термокомпрессионной сварки вплавляют гетероэпитаксиальную структуру с последовательно нанесенными на ее поверхности просветляющим покрытием Si₃N4 и адгезионным SiO₂.

2. Селективным химическим травлением последовательно стравливают подложку из GaAs и стопорный слой Ga_0,5Al_0,5As гетероэпитаксиальной структуры.

3. Производят прецизионное травление рабочего слоя из GaAs с одновременным оптическим контролем величины сигнала краевой фотолюминесценции со стороны буферного слоя Ga_0,5Al_0,5As (схема установки для прецизионного травления иллюстрируется фиг. 2). С этой целью входное окно 3 с присоединенной гетероэпитаксиальной структурой помещается в химическую кювету 21 с химическим травителем 22, а возбуждающее оптическое излучение в спектральном диапазоне 0,6.0,7 мкм формируется осветителем 23. Регистрация пика фотолюминесценции рабочего слоя 24 со стороны буферного слоя 25 осуществляется фотоприемным устройством 26, снабженным звуковой и световой сигнализацией 27. Сигнал подается при достижении текущего значения интенсивности краевой фотолюминесценции I_t (0,11.0,18)I_o, где I_o начальное значение интенсивности краевой фотолюминесценции. При этом условии обеспечивается оптимальная толщина рабочего слоя, при которой интегральная чувствительность фотокатода достигает максимального значения (кривая А, фиг. 3). Если толщина рабочего слоя отличается от оптимальной, то интегральная чувствительность уменьшается (кривые Б, В фиг. 3).

4. Фотокатод 2 помещают в герметичный химический бокс, наполненный инертным газом А или N и приводят процесс обработки поверхности фотокатода в инертной атмосфере в смеси изопропилового спирта с соляной кислотой с концентрацией соляной кислоты в диапазоне от 0,1 до 10 об. После завершения травления фотокатод 2 помещают в герметичный контейнеp и устанавливают в шлюзовую камеру вакуумного сборочного манипулятора, после чего откачивают камеру до остаточного давления Р 10^-7 мм рт.ст.

5. Контейнер в шлюзовой камере открывают, извлекают фотокатод 2 и переносят его в камеру активации вакуумного сборочного манипулятора, шлюз перекрывают и откачивают камеру до остаточного давления Р 10^-10мм рт.ст.

6. Для очистки и обезгаживания поверхности рабочего слоя осуществляют в камере активации прогрев фотокатода 2 при температуре 470.550^оС. Фотокатод охлаждается до комнатной температуры.

7. С помощью токовых источников цезия и кислорода проводят активировку рабочего слоя фотокатода 2 путем осаждения слоя цезия и кислорода на поверхности рабочего слоя GaAs с одновременной регистрацией фототока. Процесс активировки завершается при достижении максимальной чувствительности фотокатода 2. После этого фотокатод прогревают при температуре 500-550^оС. Затем фотокатод охлаждают до комнатной температуры и проводят вторичную активировку фотокатода до получения максимальной фоточувствительности.

8. Параллельно с подготовкой фотокатода 2 осуществляют подготовку корпуса 8 путем последовательного нанесения на торцевые поверхности корпуса 8 тонкопленочных металлических слоев (Cu и Cr) и тонкого слоя индиевого (In) припоя 14.

9. Осуществляют селективную сборку корпуса 8 с МКП 4. Для обеспечения оптимальных выходных параметров и характеристик устройства необходимо, чтобы зазор между поверхностью фотокатода 2 и МКП 4 составлял 0,3 мм, а между МКП 4 и экраном 0,7 мм. С этой целью используют дополнительную калиброванную металлическую кольцевую прокладку 15, толщину которой рассчитывают для каждого конкретного устройства. Прокладку 15 устанавливают в металлическое кольцо 16 с установочной площадкой для этой прокладки. Затем МКП 4 устанавливают через прокладку 15 и кольцо 16 и полученную сборку устанавливают на соответствующем металлическом элементе 9 корпуса 8 и, вставляя пружинное кольцо 17, закрепляют МКП 4 на корпусе 8.

10. Помещают корпус 8 с установленной МКП 4 и волоконно-оптический элемент 7 с нанесенным на торцевой поверхности люминесцентным экраном 5, в камеру герметизации (фиг. 4) вакуумного сборочного манипулятора и откачивают камеру до остаточного давления Р 10^-10 мм рт.ст. Обрабатывают корпус 8 с МКП и волоконно-оптическим элементом 7 с экраном 5 в парах цезия, используя токовый источник 28 цезия до получения фотоэмиссии с поверхности обрабатываемых элементов на уровне 0,1.10 мкА/лм. Затем включают нагреватель 29 и прогревают корпус с МКП и волоконно-оптический элемент с экраном до температуры в диапазоне 100.350^оС в течение 1.5 ч, охлаждают до комнатной температуры и повторяют упомянутую обработку элементов с прогревом и охлаждением.

11. Осуществляют финишную сборку устройства в камере герметизации. С этой целью фотокатод 2 из камеры активации вакуумного сборочного манипулятора переносят в камеру герметизации и устанавливают на верхнюю поверхность металлокерамического корпуса 8 с МКП 4 и проводят герметизацию устройства путем холодной сварки фотокатода 2 с корпусом 8 и волоконно-оптическим элементом 7 по индиевому припою 14.

12. В камере герметизации проводят предварительный контроль основных выходных параметров устройства, после чего готовое устройство извлекают из вакуумного сборочного манипулятора.

13. Для автономного функционирования устройства необходимо подключить к металлическим элементам 9 корпуса 8 соответствующие ускоряющие напряжения. С этой целью на керамических кольцах 18 и 19 изготавливают встроенный источник питания, состоящий из низковольтного источника 11 напряжения, преобразователя 12 постоянного напряжения в переменное, выполненного на отдельном керамическом кольце 18 и умножителя 13 напряжения, выполненного на керамическом кольце 19. Затем преобразователь и умножитель герметизируют соответствующими компаундами 20, монтируют на выступающей из металлокерамического корпуса 8 цилиндрической поверхности волоконно-оптического элемента 7 и подключают соответствующие напряжения на металлические элементы 9 корпуса 8 устройства.

14. После предварительной сборки устройство помещают в пластиковый корпус и заливают герметиком, закрывают кольцевой пластиковой крышкой и устанавливают устройство в корпус оптического телескопического устройства, подключают к нему низковольтный источник 11 напряжения и юстировкой входного объектива 1 и выходного объектива 1 и выходного окуляра 6 обеспечивают качественное выходное изображение.

Формула изобретения

1. Оптическое телескопическое устройство, содержащее входной объектив, оптически связанный соответственно с усилителем яркости изображения, включающим герметичный цилиндрический корпус из чередующихся металлических и керамических элементов и с двумя металлическими торцевыми слоями, в котором между фотокатодом на основе GaAs и люминесцентным экраном на внутренней поверхности цилиндрического волоконно-оптического элемента на выступе металлического элемента установлена микроканальная пластина, а также встроенный источник питания, соединенный с усилителем яркости изображения и расположенный вокруг цилиндрической поверхности волоконно-оптического элемента и выходным окуляром, отличающееся тем, что дополнительно введено металлическое кольцо с установочной площадкой с одной стороны кольца и с ограничителем радиального перемещения в виде кольцевого выступа на плоской противоположной стороне, а каждый металлический слой выполнен тонкопленочным и через припой сопряжен соответственно с фотокатодом и волоконно-оптическим элементом, причем микроканальная пластина через дополнительно введенное кольцо установлена на соответствующем металлическом элементе корпуса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно введена металлическая кольцевая прокладка, расположенная между установочной площадкой металлического кольца и микроканальной пластиной.

3. Встроенный источник питания оптического телескопического устройства, содержащий последовательно соединенные низковольтный источник напряжения, преобразователь постоянного напряжения в переменное и по крайней мере один умножитель напряжения, причем электронные компоненты преобразователя и умножителя установлены на печатных платах и защищены компаундами, отличающийся тем, что платы выполнены из керамических колец с диаметрами отверстий, соответствующими внешнему диаметру волоконно-оптического элемента оптического телескопического устройства.

4. Способ изготовления оптического телескопического устройства, при котором формируют фотокатод на основе Ga As с активирующим покрытием CsO, в корпус, соединенный с волоконно-оптическим элементом, устанавливают микроканальную пластину, после чего производят сборку и соединение в герметичной камере, отличающийся тем, что перед сборкой обрабатывают узел в виде волоконно-оптического элемента с люминесцентным экраном, с корпусом и микроканальной пластиной в парах цезия с одновременным контролем фотоэмиссии нанесенного слоя цезия на корпусе и прекращением обработки при достижении фотоэмиссии с поверхности обрабатываемого узла в диапазоне 0,1 - 10 мкА/лм, после чего упомянутый узел прогревают до 100 - 350^oС в течение 1 - 5 ч, охлаждают до комнатной температуры и повторяют упомянутую обработку узла с прогревом и охлаждением.

5. Способ изготовления фотокатода оптического телескопического устройства, при котором формируют планарную структуру, включающую оптически прозрачную подложку и слой GaAs, активируют слой GaAs путем первого прогрева в вакууме при давлении 10^-10 мм рт.ст., охлаждают до комнатной температуры, наносят первое активирующее покрытие CsO до максимума фоточувствительности фотокатода, прогревают полученную структуру до температуры, меньшей первого прогрева, охлаждают до комнатной температуры, наносят второй слой CsO до максимума фоточувствительности фотокатода, отличающийся тем, что после формирования планарной структуры ее обрабатывают в инертной атмосфере в смеси изопропилового спирта с соляной кислотой с концентрацией соляной кислоты 0,1 - 10 об. %, после чего структуру переносят в вакуум с остаточным давлением не более Р = 10^-7 мм рт.ст., а при активировании слоя CaAs первый прогрев осуществляют при 470 - 550^oС.

6. Способ изготовления фотокатода, при котором на прозрачной подложке формируют буферный слой из Ga_0,5 Al_0,5As и рабочий слой из GaAs, после чего производят контроль рабочего слоя, отличающийся тем, что контроль производят одновременно с химическим травлением рабочего слоя путем возбуждения со стороны буферного слоя оптическим излучением в спектральном диапазоне = 0,6-0,7 мкм краевой фотолюминесценции рабочего слоя и регистрации величины начальной I_o и текущей I_t интенсивностей краевой фотолюминесценции, а процесс травления прекращается при условии I_t = (0,11 - 0,18) I_o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4