图像增强传感器及包括该图像增强传感器的成像设备

摘要

改进的图像增强传感器及包括该改进的图像增强传感器的成像设备。根据本发明，提供了一种用于获取、放大和显示图像且包括真空封壳的图像增强传感器，该图像增强传感器包括：光电阴极，该光电阴极被布置成在从图像获取电磁辐射之后将光电子释放到真空封壳中，该电磁辐射撞击光电阴极；阳极，该阳极与光电阴极分隔放置且与光电阴极处于面对关系，该阳极被布置成接收光电子且转换光电子，用以在此基础之上显示图像；以及电源单元，该电源单元用于将电力提供给图像增强传感器；其中，该图像增强传感器还包括灌封材料，其中，该灌封材料包括泡沫化合物。

说明书

技术领域

本发明涉及用于获取、放大和显示图像的图像增强传感器。

本发明还涉及包括这类图像增强传感器的微光成像设备。

背景技术

图像增强传感器为将微光级图像增强(换言之，放大)到能够被人眼看到的光级。通常已知的图像增强器粗略地包括三个主要部件：光电阴极、电子倍增器和阳极，所有这些部件均被包含在真空封壳中。

更特别地，光电阴极被布置成在从图像获取电磁辐射之后将光电子释放到真空封壳中，该辐射撞击该光电阴极。

阳极与光电阴极分隔放置，且与该光电阴极处于面对关系。该阳极被布置成从光电阴极接收光电子且转换这些光电子，使得在此基础之上可以产生图像(图像的放大)。

传感器可以还包括电子倍增器构件。如果传感器为模拟直观式系统，则这些电子倍增器构件为常规的且放置在光电阴极与阳极之间，以及被布置成使来自光电阴极的光电子倍增并将倍增的光电子朝向阳极释放。在该步骤，每个光电子可以释放进一步倍增的光电子且因此提供放大。

在传感器中，电源单元例如通过将来自一个或多个电池的电力转换为系统所需的电压而提供电力。通过在光电阴极与电子倍增器构件之间、在电子倍增器构件的输入面和输出面之间、以及在电子倍增器构件与阳极之间提供高压电位，使光电子加速，从而提高放大效应。

例如当被包含在夜视设备中时，传感器可以连同其它部分(诸如透镜或透镜组件)被并入到例如微光成像设备中。

夜视设备为对于如上所述的图像增强传感器的典型应用。这些夜视设备可以为具有作为阳极的半导体的数字系统、或具有作为阳极的荧光屏的模拟直观式系统，以及可以包括图像增强传感器，该图像增强传感器用于获得增强的(即放大的)场景显示，即静态图像或一系列图像。这些夜视设备时常被安装在武器、头盔上，或直接安装在头上作为护目镜，以及包括一个、两个或甚至更多个图像增强传感器。

由于夜视设备经常为单人便携式设备的事实，因此夜视设备的重量为一种夜视设备比另一种夜视设备更优选的主要标准之一。重量可以为在这类设备的使用中的主要缺陷、可以负面影响任务结果、以及当在持续很久的时间段内使用时甚至可以造成健康风险。图像增强器在很大程度上贡献于这些设备的重量。

由于任务需求不断增加以及夜视用户需要能够行进很大距离且携带(连同夜视设备一起)大量的其它装备，因此存在减小在这类任务中所使用的装备的重量的长期需求。

发明内容

由于图像增强传感器显著贡献于夜视设备的重量，因此本发明的目标是，通过提供重量减小的图像增强传感器而不在功能和质量上让步，来克服现有技术的图像增强传感器的至少一些缺点。

在第一示例中，该目标通过提供一种用于获取、放大和显示图像且包括真空封壳的图像增强传感器来实现，该图像增强传感器包括：

-光电阴极，该光电阴极被布置成在从图像获取电磁辐射之后将光电子释放到真空封壳中，该电磁辐射撞击光电阴极；

-阳极，该阳极与光电阴极分隔放置且与光电阴极处于面对关系，该阳极被布置成接收光电子且转换光电子，用以在此基础之上显示图像；以及

-电源单元，该电源单元用于将电力提供给该图像增强传感器；其中，该图像增强传感器还包括灌封材料。

特别地，本发明的特征在于，该灌封材料包括轻质灌封材料，其中，该轻质灌封材料包括泡沫化合物。

如所陈述，图像增强传感器为夜视设备的总重量的重要贡献者。特别地，图像增强传感器可达这类夜视设备的总重量的大约20％-40％。该设备的重量可以通过不同因素来解释。一方面，图像增强传感器应当符合处理用于操作和存储的大范围温度、强烈冲击和振动抵抗力、防潮性能的强烈环境需求和其它需求，这些需求通常表示图像增强传感器在被安装到夜视设备(其通常为军用级别)中时的潜在用途。另一方面，图像增强传感器具有其自身的组装约束，比如防止高压泄漏电流、高压放电等。

为了符合这些需求和约束，现有技术的图像增强传感器已经被灌封。灌封为如下过程：用固体化合物填充电子器件或易碎部件以提高对冲击和振动的抵抗力。在现有技术的图像增强传感器中所使用的灌封材料通常由热固性灌封材料(诸如固化树脂和热固性塑料)制成且保护设备内的各种部件。

由于图像增强传感器的高特殊需求，因此使用这些固体化合物来保证设备满足在用于军事应用时所设定的需求和规格，已成为常用技术。然而，这种类型的灌封材料非常重且因而在很大程度上贡献于图像增强传感器的总重量，因此贡献于夜视设备的总重量。

发明人洞察到，图像增强传感器的需求可以被划分为对应于夜视设备的不同部件的多个特定功能需求。由于这些部件位于夜视设备内的不同位置，即真空封壳的输入侧和输出侧、电源单元等，因此设备内的不同位置要求不同的需求。这些需求中的至少一些需求可以通过替选的灌封材料来满足，而非在现有技术设备中常用的标准热固性灌封材料，诸如固化树脂。

根据本发明，提出了用重量较轻的灌封材料来至少部分地代替图像增强传感器的标准灌封材料，从而获得较轻的图像增强传感器，该较轻的图像增强传感器可以用于降低这些部件所包含在其中的夜视设备的重量。

在示例中，灌封材料可以包括如下材料中的任何一者或多者：聚苯乙烯、聚苯乙烯泡沫、发泡聚苯乙烯、挤塑聚苯乙烯、丙烯腈·丁二烯·苯乙烯、轻质固化环氧树脂、硅、聚氨酯、聚氨酯泡沫、轻质环氧树脂等。

本领域的技术人员将理解，可以使用不同类型的聚合物、硅和环氧树脂，这些全部都具有不同的特定功能属性。一些材料比其它材料更轻质、具有更好的高压隔离属性、气密性更好、防止湿气渗透、具有良好的减震属性等。因此，可以使用最合适的材料。

在另一个示例中，图像增强传感器包括多种根据任何前文描述的灌封材料。灌封材料不仅可以整体被比常用灌封材料更轻质的灌封材料替换，而且还可以仅针对图像增强传感器内的特定部分进行部分地替换。灌封材料可以被单一的新轻质灌封材料替换、或被上文所描述的多种灌封材料的组合替换。

在又一个示例中，图像增强传感器在光电阴极的周围靠近图像增强传感器的输入面(光子在此处进入)包括高压隔离灌封材料料；和/或在所述真空封壳的周围包括轻质灌封材料，作为在图像增强传感器的中间部分处的以及靠近图像增强传感器的输出面(阳极位于此处)的填充材料；和/或在电源单元的周围或在其外壳内包括高压隔离灌封材料。

如所指示，夜视设备尤其包括至少一个图像增强传感器。这类图像增强传感器又至少包括真空封壳和电源单元。该真空封壳包括光电阴极、电子倍增器构件和阳极(例如荧光屏)。

电源单元必须产生待施加于真空封壳的高电压，该高电压尤其用于朝向阳极加速光电子。这些高电压增大了电压击穿的风险。因此，电源单元可以设置有对电压击穿具有高抵抗力(即耐高压)的灌封材料。这类材料的示例可以为环氧树脂、聚氨酯树脂、硅酮树脂、聚酯或上文所描述的灌封材料中的任一者。

一旦电源单元已经设置有灌封材料，则真空封壳的周围也可以设置有轻质灌封材料。由于在真空封壳内所应用的高压电位由电源提供，因此对于真空封壳的灌封材料的需求为：该灌封材料也应当能够抵抗这些高电压。因此，通过耐高压的灌封材料来防止电压击穿和辐射泄漏到封壳的外部。因此，真空封壳，尤其是真空封壳的周围可以设置有例如环氧树脂、聚氨酯树脂、硅酮树脂、聚酯或上文所描述的灌封材料中的任一者。

图像增强传感器的外壳容积的剩余部分也可以设置有轻质灌封材料。由于对于外壳的剩余部分的主要需求为提高对震动的抵抗力/吸收震动，因此这可以为例如基于发泡性能的非常轻质的填充灌封材料。这类合适材料的示例为聚苯乙烯泡沫、发泡聚苯乙烯、挤塑聚苯乙烯、聚氨酯泡沫、轻质环氧树脂、或上文所描述的其它灌封材料中的任一者。

在另一示例中，根据本发明的图像增强传感器包括阳极，该阳极包括荧光屏。直视图像增强传感器的阳极大多包括荧光屏。该荧光屏为沉积在图像增强传感器的输出窗口(通常为光纤镜片)的内侧上的薄磷光发射层，并将来自电子倍增器单元的、撞击荧光屏的电子转换回光子，因此转换回可见光。尽管图像增强传感器大多包括作为阳极以将光电子转换回可见图像的荧光屏，但是本发明不限于这类阳极。其它基于半导体的阳极(比如数字图像传感器)也适用。

在另一个示例中，根据本发明的图像增强传感器包括电子倍增器构件，该电子倍增器构件包括微通道板。现如今，大多数现代图像增强传感器都包括微通道板。通过利用在微通道板两端施加高压电位，将使由撞击光电阴极的光子产生的光电子加速且在真空封壳内朝向微通道板聚焦。当光电子击打微通道板的一个通道的内壁时，通过该冲击产生多个次级电子。这些次级光电子中的每一者将又在微通道板内被另一高压电位加速，这些次级光电子再一次击打该通道的内壁，从而产生更多的次级光电子。该过程在微通道板的全部深度内持续。对于进入通道的每个光电子，从该通道的出口产生近千个次级电子且随后通过施加在微通道板和荧光屏两端的又一高压电位使这些电子加速。该过程总体上产生增强的图像，该增强的图像比原始图像明亮很多，而且实现用于夜视设备的清楚视图，其中，场景对于人眼可见。尽管图像增强传感器大多包括作为电子倍增器构件的一个微通道板(或多个微通道板)，但是本发明不限于这类倍增器。其它次级发射构件也适用。

在一个示例中，根据本发明的图像增强传感器包括阳极，该阳极被布置用于可见光和/或红外光。本发明不以任何方式受限于特定辐射光谱。例如，在最常见的应用中，根据本发明的图像增强传感器被布置用于可见光。然而，根据本发明的图像增强传感器也可以被布置用于红外光以基于热辐射产生放大的图像。在还另一个示例中，夜视设备可以包括一个、两个或更多个可见光图像增强传感器、一个、两个或更多个红外图像增强传感器或二者的组合。

在第二示例中，提供一种微光成像设备，诸如头戴式或武器可安装的夜视设备，该夜视设备包括根据任何前文描述的所述图像增强传感器中的至少一者。

附图说明

图1以透视图示出夜视设备的图解；

图2以剖面透视图示出图像增强传感器；

图3以纵向剖视图示出根据现有技术的图像增强传感器；

图4a以纵向剖视图示出现有技术的包括灌封材料的图像增强传感器；和

图4b以纵向剖视图示出根据本发明的示例的包括灌封材料的图像增强传感器。

具体实施方式

为了加强对本发明的阐明，在下文描述中，将用相同的附图标记来指示和指代相同的部分。

在图1中以透视图详细地公开了夜视设备的图解。该夜视设备的各个部分仅为说明性的，且本发明的图像增强传感器不以任何方式受限于被布置成并入如图1所示的特定夜视设备中。另外，特征未按比例来绘制且仅用于进行说明。本领域的技术人员将认识到仍落在所附的本权利要求的范围内的可能的许多修改和配置。

在图1中公开了夜视设备100，该夜视设备100可以独立使用或被安装在武器或头上，例如安装在头盔上。设备100包括透镜组件110，该透镜组件110包括允许环境光在设备输入面进入设备的一个或多个透镜。在设备100的另一端，在其输出面提供目镜120，且该目镜120被布置成使用户看到放大的(即增强的)由设备捕获的图像。另外可以具有调整图像的焦点的旋转焦点设置构件104。在设备100内，在透镜组件110的后方且在透镜组件与目镜120之间，该设备包括图像增强传感器。

转向图2，示出有如包括在图1的设备100中的图像增强传感器的剖面透视图。图像增强传感器200包括光电阴极220、电子倍增器构件230、和阳极260。光电阴极220为非常薄的光敏膜，其粘合到处于传感器的输入面的玻璃板210的背侧或沉积在该背侧上。当通过玻璃板210将图像的光子施加到光电阴极220上时，光电阴极将光电子朝向电子倍增器构件230和阳极260而发射到真空封壳中。由光电阴极发射的光电子的图案对应于在输入面所捕获的图像以及因此对应于撞击光电阴极220的光子的相应图案。通过相对于电子倍增器构件230的输入面而施加于光电阴极的负高压电位，使光电子从光电阴极220起加速。

电子倍增器构件在其最常规的实施方式中以微通道板230的形式来提供。通过利用如所指示在微通道板230的两端施加高压电位，将使由撞击光电阴极220的光子产生的光电子加速且在真空封壳内朝向微通道板230聚焦。当光电子击打微通道板230的一个通道的内壁时，通过该冲击产生多个次级电子。这些次级光电子中的每一者将又在微通道板内被另一高压电位加速，这些次级光电子再一次击打该通道的内壁，从而产生更多的次级光电子。该过程在微通道板230的全部深度内持续。对于进入通道的每个光电子，近千个次级电子被产生且随后被相对于阳极260而施加于微通道板的又一负高压电位加速。存在于设备的输出面处的电源单元250提供这些电压。尽管图像增强传感器大多包括作为电子倍增器构件的一个微通道板(或多个微通道板)230，但是本发明不限于这类倍增器。其它次级发射构件也适用。

来自微通道板230的初级光电子和次级光电子将撞击在阳极上，该阳极最常规地被设置在图像增强传感器中，作为荧光屏260。荧光屏260将使撞击的光电子转换回光子且因此转换回可见光，通过该可见光使传感器200的输入面处的图像显示在其输出面处，以诸如被用户在如图1所示的目镜120处看到。荧光屏被沉积到玻璃圆盘240或光纤镜片240的输入面上。该圆盘或镜片240将使光导向该设备的用于被用户观看的端面。

在图3中更详细地示出图2的图像增强传感器的纵向截面。图像增强传感器200包括光电阴极220、微通道板230和荧光屏260。图3清楚地示出了真空封壳，该真空封壳在一侧包含玻璃板210及其上沉积的光电阴极220，以及在另一侧包含光纤镜片240及其上沉积的荧光屏。在此之间为微通道板230，该微通道板230起到次级电子发射设备的作用。此外，图3示出了设置在图像增强传感器的周围、靠近端部(即其出口/输出面)的一个或多个电源单元250的位置。

如所陈述，图像增强传感器为夜视设备的重量的重要贡献者。特别地，图像增强传感器可达这类夜视设备的总重量的大约20％-40％。该设备的重量可以通过不同因素来解释。一方面，图像增强传感器应当符合处理用于操作和存储的大范围温度、强烈冲击和振动抵抗力、湿度可持续性的强烈环境需求和其它需求，这些需求通常表示图像增强传感器在被安装到夜视设备(其通常为军用级别)中时的潜在用途。另一方面，图像增强传感器具有其自身的组装约束，比如高压泄漏等。

为了符合这些需求和约束，现有技术的图像增强传感器已经被灌封。灌封为如下过程：用固体化合物填充电子器件或易碎部件以提高对冲击和振动的抵抗力。在现有技术的图像增强传感器中所使用的灌封材料通常由热固性塑料制成且保护设备内的各种部件。在这些现有技术的图像增强传感器中，将相同的灌封材料应用在整个设备中。

由于图像传感器的高特殊需求，因此使用这些固体化合物来保证设备满足在用于军事时所设定的需求和规格，已成为常用技术。然而，这种类型的灌封材料非常重且因而在很大程度上贡献于图像增强传感器的总重量，因此贡献于夜视设备的总重量。

图4a示出了根据现有技术的图像增强传感器，其中，出于上文陈述的原因，用灌封材料填充设备200的外壳中的空间。然而，灌封材料310’、灌封材料320’具有如下缺陷：这些灌封材料基于如所指示的需求来选择且因此重量高。这类高重量灌封材料的示例为环氧树脂等。

然而，发明人洞察到，图像增强传感器的需求可以被划分为对应于夜视设备的不同部件的多个特定功能需求。由于这些部件位于夜视设备内的不同位置，即真空封壳的输入侧和输出侧、电源单元等，因此设备内的不同位置要求不同的需求。这些需求中的至少一些需求可以通过替选的灌封材料来满足，而非在现有技术设备中常用的标准热固性灌封材料，诸如固化树脂。

根据本文，在图4b中提供有用于图像增强传感器的替选的灌封方案，其中，传感器200按关于位于此的特征的功能来划分。在位置320处提供电源单元250，该电源单元250由于产生加速真空封壳中的光电子所需的高电压而要求高压抵抗力。因此，通过耐高压的灌封材料来防止电压击穿和辐射泄漏到封壳的外部。因此，电源单元250，尤其是电源单元250的周围可以设置有例如环氧树脂、聚氨酯树脂、硅酮树脂、聚酯或上文所描述的灌封材料中的任一者。

由于电源单元250的灌封材料320”已提供高压抵抗力且因此提供与传感器200的封壳和外壳的良好隔离，因此不需要提供具有相同高压抵抗力的灌封材料。因此，可以用非常轻质的灌封材料(例如基于发泡性能)来填充传感器200内的剩余空间310”的至少一部分或整个空间310”、330”。这类合适材料的示例为聚苯乙烯泡沫、发泡聚苯乙烯、挤塑聚苯乙烯、聚氨酯泡沫、轻质环氧树脂、或上文所描述的其它灌封材料中的任一者。

可替选地，空间330”和空间310”可以设置有不同的灌封材料，其中，例如，空间330”包括基于泡沫的非常轻质的填充灌封材料，以及空间310”由于靠近传感器200的输入面的高压电位而包括轻质灌封材料，但是具有对高压且因此对电压泄漏的较好抵抗力。因此，空间310”，尤其是空间310”的周围可以设置有例如环氧树脂、聚氨酯树脂、硅酮树脂、聚酯或上文所描述的灌封材料中的任一者。

根据上文所提供的描述，本领域的技术人员可以为所公开的设备提供修改和添加，这些修改和添加不限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求来确定。