Tube photodétecteur à multiplication d'électrons utilisable dans un lecteur vidéo couleur

Abstract

 ube permettant la détection de lumière.
Il comporte, une photocathode (2) suivie d'un corps multiplicateur (3) percé de microcanaux, puis d'une anode détectrice (4). L'anode comporte un ou plusieurs éléments selon le nombre de flux à détecter, une mosaïque d'éléments pour détecter une image vidéo. Chaque élément constitue une diode à silicum polarisée dans le sens bloquant par une source annexe (7).
L'invention s'applique notamment aux lecteurs vidéo d'images en couleur, entre autre aux indicateurs cartographiques de bord.

Description

[0001] La présente invention a trait à un tube photodétecteur à multiplication d'électrons.

[0002] On connaît des tubes multiplicateurs d'électrons dans lesquels la multiplication d'un faisceau d'électrons primaires s'obtient par une suite d'émissions électroniques secondaires à l'intérieur d'un ensemble de canaux rectilignes, de très faible diamètre, parallèles et placés dans un champ électrique longitudinal.

[0003] Les tubes multiplicateurs de ce genre comprennent un corps isolant, percé de canaux de très faible diamètre, revêtus sur leurs parois internes d'une très mince couche résistive, douée de la propriété d'émission électronique secondaire avec un coefficient supérieur à l'unité, tandis qu'une différence de potentiel, établie entre les extrémités des revêtements crée dans les canaux un champ électrique longitudinal. Avec cette disposition, un faisceau d'électrons primaires, pénétrant dans les canaux sous des angles divers, donne lieu à une suite d'émissions électroniques secondaires sur les revêtements internes de sorte qu'à la sortie des canaux le nombre d'électrons est fortement accru par rapport à celui du faisceau primaire.

[0004] Les tubes multiplicateurs de ce type et leurs applications aux dispositifs dits "amplificateurs de lumière" ou "intensificateurs d'images" ont été décrits dans diverses publications, notamment dans le brevet français 1 465 381 du 24 mars 1965 relatif à des perfectionnements suivant lesquels le corps multiplicateur d'électrons, ou galette à microcanaux, est produit par perçage d'une diode à silicium polarisée dans le sens bloquant.

[0005] L'invention a pour but de changer la fonction du tube, en l'occurence qu'il devienne un détecteur de lumière par modification de sa structure, la détection de lumière s'entendant aussi bien en tant que détection d'un unique flux lumineux, ou d'un nombre limité de flux lumineux, ou encore d'un nombre relativement élevé de flux correspondant aux différents points d'une image.

[0006] Un objet de l'invention est d'obtenir un tel tube photodétecteur en remplaçant l'écran fluorescent normalement placé à l'arrière de la galette à microcanaux par une anode formant une diode solide polariseée dans le sens bloquant. L'anode est constituée par un ou plusieurs éléments selon l'utilisation envisagée, en particulier, une mosaïque d'éléments permet la détection d'une image vidéo.

[0007] Suivant un autre objet de l'invention le tube détecteur est réalisé avec une anode composée de quatre quadrants détecteurs, cette configuration étant avantageusement utilisable dans des dispositifs lecteurs vidéo d'images couleurs (diapositives, films, etc...) utilisant un tube analyseur à spot mobile dit "flying spot" et où l'on doit extraire les trois voies par séparation optique trichrome suivie de photodétection et multiplication d'électrons.

[0008] Les particularités de la présente invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui représentent :

- Fig. 1, un schéma d'un tube détecteur à microcanaux conforme à l'invention ;

- Fig. 2, un mode de réalisation d'un tube selon la Fig. 1 ;

- Fig. 3, une réalisation selon la Fig. 2 où l'anode comporte plusieurs éléments ;

- Fig. 4, un schéma d'une utilisation d'un tube selon l'invention dans un lecteur vidéo d'images couleurs à tube flying spot ; et

- Fig. 5, une représentation partielle du montage lecteur de la Fig. 4, relative à la séparation optique trichrome et au tube détecteur conforme à l'invention.

[0009] En se reportant à la Fig. 1, le tube multiplicateur d'électrons comporte, de manière connue et placés dans une enceinte 1 sous vide, une photocathode 2 suivi d'un corps ou galette 3 percé de canaux, puis une troisième électrode 4. Extérieurement à l'enceinte, un générateur haute tension représenté par une source de tension continue 5 et un diviseur résistif 6, élabore les diverses tensions d'alimentation à produire aux bornes des électrodes du tube pour établir entre les éléments 2, 3 et 4, les différences de potentiels désirées pour assurer le fonctionnement, ces tensions Ul, U2, U3, pouvant être de quelques centaines à quelques milliers de volts. Les extrémités des canaux en regard de la photocathode sont portées à un potentiel plus élevé que la photocathode et les extrémités opposées, à un potentiel plus bas que l'électrode 4.

[0010] Conformément à l'invention l'électrode 4 est une anode plane constituée par une diode solide polarisée dans le sens bloquant par une source continue de polarisation 7 annexe, cette anode étant elle-même réalisée sous forme d'un ou plusieurs éléments distincts. Dans la version représentée, un seul élément détecteur est considéré à titre de simplification. L'anode est avantageusement réalisée avec un substrat de silicium de type P dans lequel une diffusion fine de type N a été effectuée, de manière à obtenir une jonction P-N polarisée en inverse par la source 7. La jonction P-N est préférable à la jonction N-P pour des questions de rapidité et de rendement quantique. La jonction peut également comporter une barrière Schottky. Le signal vidéo détecté SV est récupéré sur l'électrode correspondante aux bornes d'une résistance de charge 8.

[0011] Pour traiter une image lumineuse le tube doit, de manière conventionnelle, être associé à une optique réceptrice 9 dont la fonction est de produire, par focalisation ou autre, l'image lumineuse dans le plan de la photocathode. L'optique peut consister en un objectif dioptrique ou catadioptrique, éventuellement suivi d'une fenêtre en fibres optiques. Pour traiter un seul flux lumineux, ou un nombre limité de flux incidents distincts, l'optique 9 n'est pas nécessaire.

[0012] Lorsqu'une image lumineuse (ou un flux) est projetée sur la photocathode 2, celle-ci émet des électrons qui pénètrent dans les canaux de la galette 3. Ce faisceau d'électrons primaires provoque sur les parois des canaux des émissions d'électrons secondaires qui à leur tour frappent ces parois, et ainsi de suite. Comme le coefficient d'émission est supérieur à l'unité, les électrons se trouvent multipliés à la sortie des canaux et produisent sur l'anode 4 une image électronique intensifiée par rapport à l'image (ou au flux) initiale correspondant au faisceau d'électrons primaires.

[0013] Après amplification par la galette 3, les électrons émis parviennent sur l'anode 4. Ces électrons sont accelérés par la tension U3 de valeur élevée, par exemple 5 KV, de manière à présenter une énergie cinétique importante, dans ce cas de 5 KeV. En frappant l'anode 4, ils créent des paires électron-trou qui sont séparées par le champ qui règne dans la charge d'espace de la jonction P-N, et un courant détecté IS peut ainsi circuler dans le circuit extérieur. Pour créer une paire électron-trou par bombardement électronique dans le silicium, il faut une énergie de l'ordre de 3,5 eV par électron incident. Dans le cas présent, l'énergie d'un électron peut être de l'ordre de 5 KeV, ce qui fait que le gain en courant peut être de l'ordre de 1 400. En tenant compte toutefois d'une couche sans charge, dite morte, un gain de 1 000 peut être obtenu. La création des paires se fait à une profondeur de pénétration dans le silicium de l'ordre de 1 um et les paires crées peuvent être séparées par la jonction proche de la surface réceptrice avec un rendement voisin de l'unité.

[0014] Le gain G₂ ainsi procuré par la détection 4 s'ajoute au gain électronique G_l des microcanaux 3, de sorte que le courant IS qui sort du dispositif est égal à G_l x G₂ fois la valeur IO du courant d'électrons qui attaque les microcanaux. En tenant compte du rendement faible de la photocathode, le gain total du tube peut, dans le concept précité, se situer entre 1,5 10⁵, et 3 10⁵, ces valeurs étant indiquées à titre non limitatif.

[0015] Pour la détection de plusieurs flux lumineux parvenant à l'entrée, ainsi que pour la détection d'image le tube est de préférence aménagé, en amont du multiplicateur d'électrons selon le montage de la Fig. 2 ou 3. Ce montage est connu dans les tubes intensificateurs d'image lumineuse incorporant une photocathode 11 disposée sur une fenêtre d'entrée 12 en fibres optiques pour convertir l'image lumineuse d'entrée en une image électronique et une anode de focalisation 13 en forme de cône jouant le rôle d'une lentille électrostatique ; une électrode correctrice 14 peut également être disposée entre l'anode conique 13 et la galette multiplicatrice 3, afin d'améliorer la linéarité et la géométrie de l'image. Comme la lentille électrostatique conjugue au sens optique la photocathode 11 et la face d'entrée des microcanaux 3, on peut utiliser le tube pour amplifier séparément et en parallèle plusieurs signaux optiques incidents simultanément sur la photocathode 11. La figure 3 montre le cheminement de deux faisceaux distincts F1, F2, mais n'est pas limitative. Les électrons émis par la photocathode 11 à cause du flux lumineux F1 viennent frapper la région A de la galette à microcanaux ; de même le flux distinct F2 parvient à la région distincte B de la galette. Ces deux flux d'électrons sont amplifiés séparément dans l'amplificateur à microcanaux et il suffit de disposer de deux anodes 4-1 et 4-2 pour obtenir les courants IS1 et IS2 correspondant respectivement aux signaux optiques d'entrée F1 et F2 amplifiés.

[0016] Dans le cas d'une image optique projetée sur la photocathode 11, l'anode 4 sera constituée par une mosaïque détectrice dont chaque élément correspond à un point de l'image électronique et par conséquent à un flux élémentaire localisé au niveau de l'entrée du tube. Avec une mosique de P = nxm éléments répartis en n lignes et m colonnes, on traite ainsi P flux élémentaires incidents aboutissant sur la photocathode 11 aux emplacements conjugués de P éléments détecteurs. On pourra utiliser par exemple une mosaïque en dispositif à transfert de charge, ou CCD (charge coupled device).

[0017] Etant donné la propriété photodétectrice présentée par les diodes solides non isolées de la lumière, l'anode plane 4 peut être sensibilisée par un rayonnement lumineux résiduel qui aurait traversé les électrodes en amont. Pour éliminer et se protéger du rayonnement lumineux parasite, un écran très mince, opaque, est interposé sur la trajet électronique. Cet écran peut être réalisé sous forme d'un dépôt 15 sur une des faces latérales de la galette multiplicatrice, étant entendu qu'il recouvre la totalité de la face en question. L'écran 15 peut consister en une très fine couche de silice (SI0²) ou d'alumine (AI 0 ) ou de tout autre oxyde de métal léger. Outre la propriété d'être à la fois opaque pour un flux de photons et transparent pour un courant d'électrons, l'écran 15 retient les ions qui sont arrachés de l'électrode à microcanaux 3 et qui sinon seraient transportés sur la photocathode, préservant ainsi les caractéristiques techniques du tube.

[0018] Une des applications possibles du tube selon l'invention concerne la détection de signaux provenant de l'analyse trichrome d'une image couleur portée par un film.

[0019] La fig. 4 représente un lecteur vidéo d'images en couleur correspondant à une telle application et utilisant un tube analyseur à spot mobile, communément appelé flying-spot, pour balayer le film. Il comporte le tube flying-spot 20, avec ses circuits de balayage 21, un objectif 22 qui forme l'image de la face avant du tube sur le film 23 à analyser, un condenseur 24 qui rend le faisceau émergeant pratiquement parallèle et un séparaeur optique trichrome 25. Le séparateur est constitué de prismes comportant des miroirs dichroïques ou interférentiels 26, 27 et des miroirs réfléchissants 28, 29 pour sélectionner les trois faisceaux porteurs chacun respectivement des informations contenues dans les bandes spectrales bleue, rouge et verte. Ces trois faisceaux émergent parallèlement et parviennent à un tube à microcanaux selon la Fig. 3 et dont l'anode détectrice est constituée de quatre quadrants détecteurs comme représenté plus en détail sur la Fig. 5 avec un montage séparateur à prismes particulier permettant de localiser les faisceaux selon trois des quadrants.

[0020] Le montage séparateur comporte, selon l'axe Zl du condenseur 24, un assemblage de trois prismes 31, 32 et 33. Le prisme 31 reçoit le flux lumineux d'axe Zl sur une face d'entrée et comporte une face en aval en contact avec une face correspondante du prisme 32 pour former par un traitement optique approprié le premier miroir dichroïque 26. Ce miroir réfléchit une des bandes spectrales à filtrer par exemple le rouge R, selon une direction verticale pour aboutir sur une face réfléchissante d'un quatrième prisme 34 ; cette face réfléchissante correspond au miroir 28. Le prisme 32 comporte une deuxième face de contact cette fois avec le prisme 33 pour former le deuxième miroir dichroîque 27 et réfléchir la bande spectrale bleue B selon une direction horizontale et donc perpendiculaire à la précédente, en sorte de pouvoir disposer latéralement un cinquième prisme 35 qui comporte la face réfléchissante 29. Les faces de sortie des prismes 33, 34 et 35 sont coplanaires délivrant respectivement les flux luminaux vert V, rouge R et bleu B, selon des axes parallèles. Ces flux sont reçus par la fenêtre d'entrée en fibre optique du tube 1 et, en tenant compte de l'inversion produite par la lentille électrostatique, la détection correspondante s'effectue respectivement si les qudrants 4-1, 4-2 et 4-3 de l'anode, conjugués des faces de sortie des prismes 34, 33 et 35.

[0021] Les signaux vidéo délivrés par les quadrants détecteurs sont ensuite encore amplifiés dans des circuits 40-1, 40-2 et 40-3 qui délivrent les trois composantes chromatiques normalisées R,V,B.

[0022] Le quatrième quadrant de l'anode est utilisé de la manière suivante : une ou plusieurs fibres optiques, telles 36 et 37, ont une extrémité disposée en amont du film, de préférence à proximité de l'objetif 22 de formation d'image. Ces fibres 36 et 37 collectent ainsi une énergie lumineuse proportionnelle à celle émise par le spot du tube 20. Les extrémités de sortie des fibres illuminent à travers le tube 1 le quatrième quadrant détecteur 4-4 qui est suivi par un amplificateur 40-4 semblable à ceux 40-1 à 40-3 des autres voies. La sortie de cet amplificateur est appliquée simultanément à trois circuits diviseurs analogiques 41-1 à 41-3 interposés respectivement sur les trois voies R,V et B.

[0023] En désignant par SR, SV et SB, les courants respectifs des voies R,V et B, et par S0 le courant de référence issu du quatrième quadrant, les signaux terminaux sont donnés par les rapports :

SR' = SR/SO , SV' = SV/SO , SB' = SB/SO

[0024] les valeurs obtenues étant ainsi indépendantes des fluctuations de la luminosité du tube d'analyse 20 et du gain total du tube 1.

[0025] Le lecteur vidéo qui vient d'être décrit présente de nombreux avantages par rapport aux solutions à photomultiplicateurs :

- toute la partie détectrice 1 est en circuit solide ;

- le dispositif ne possède pas la sensibilité microphonique des photomultiplicateurs ;

- il n'y a qu'une seule alimentation THT pour l'ensemble des détecteurs ; cette amélioration est importante parce que dans un photomultiplicateur le gain varie proportionnellement à Vⁿ, où V est la valeur de la THT et n le nombre de dynodes amplificatrices. Il en résulte la nécessité d'une parfaite stabilisation des THT. Dans le lecteur proposé, le gain des trois canaux de couleur est le même, puisque l'amplificateur 1 est commun aux trois voies. La couleur du point analysé ne dépendant que du rapport des trois composantes RVB entre elles, une variation de la THT, même importante, n'affecte pas la chrominance du point ;

- les quatre chaines d'amplification 41-1 à 41-4 sont identiques et délivrent des signaux vidéo normalisés dont on a enlevé le bruit dû à la fluctuation d'émission du luminophore du tube d'analyse (non homogénéité de la couche ; variation de THT, etc...).

[0026] D'autres avantages résultent par ailleurs des réductions de volume et de poids de cet appareil lecteur vidéo grâce au tube détecteur à microcanaux lorsque l'utilisation exige des caractéristiques correspondantes (compacité élevée, faible poids). Ceci est le cas pour les indicateurs cartographiques permettant de visualiser une carte géographique à bord de véhicule, en particulier à bord d'avion, la carte correspondant à la région survolée.

[0027] Le tube photodétecteur et multiplicateur d'électrons à microcanaux décrit précédemment admet plusieurs variantes conformes aux caractéristiques exposées et qui entrent dans le cadre de la présente invention. Comme il a déjà été mentionné le tube peut être équipé ou non d'un objectif optique (9, Fig.l), comporter ou non une optique électronique (Fig. 1 ou 2) et en l'absence de celle-ci la photocathode 2 sera située très proche de la galette à microcanaux 3. Le nombre et la forme des éléments détecteurs constituant l'anode 4, sont déterminés en fonction de l'application envisagée, détecteur à quatre quadrants comme on l'a vu ou tout autre forme, bande par exemple.

Revendications

1. Tube photodétecteur à multiplication d'électrons comportant dans une enceinte sous vide (1), une photocathode (2) émettrice d'un faisceau d'électrons primaires sur réception d'un rayonnement lumineux, une galette à microcanaux (3) pour multiplier ledit faisceau par une suite d'émissions électroniques secondaires à l'intérieur des canaux rectilignes, parallèles et placés dans un champ électrique longitudinal, un générateur haute tension (5-6) pour produire les tensions d'alimentations des électrodes respectives du tube, le tube étant caractérisé en ce que l'électrode en aval de la galette à microcanaux (3) est une anode (4) formée d'au moins un élément et constituant une diode solide polarisée dans le sens bloquant par une source de tension annexe (7).

2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anode est formée d'une pluralité d'éléments pour détecter une pluralité de flux lumineux distincts reçus à l'entrée du tube sur la photocathode.

3. Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un montage connu en soi formant lentille électrostatique en amont de la galette à microcanaux, ce montage groupant une anode conique (13) précédée par la photocathode (11) déposée sur une fenêtre d'entrée en fibre optique (12) et éventuellement suivie d'une électrode (14) correctrice de linéarité.

4. Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un écran (15) opaque à la lumière, transparent aux électrons, et qui est interposé sur le trajet électronique parvenant à l'anode.

5. Tube selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'écran est un dépôt en oxyde de métal léger, silice, alumine ou autre effectué sur une face de la galette à microcanaux.

6. Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une optique réceptrice (9) pour focaliser une image à l'entrée du tube et que l'anode est une mosaïque détectrice.

7. Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'anode et un détecteur à quatre quadrants (4-1 à 4-4).

8. Utilisation d'un tube selon la revendication 7 dans un lecteur vidéo d'images couleur comportant un lecteur de film (24) à tube flying-spot (20), un séparateur optique trichrome (25) et des moyens de photodétection et d'amplification, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par ledit tube à quatre quadrants détecteurs suivis d'amplificateurs vidéo identiques (40-1 à 40-4), le séparateur trichrome étant constitué par un montage à prismes (31 à 35) comportant deux miroirs dichroïques (26-27) et deux miroirs reflé- chissants (28-29) pour produire la séparation des voies rouge (R) verte (V) et bleue (B) selon des faces de sortie correspondant à trois des quadrants.

9. Utilisation d'un tube selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un conducteur optique à fibre (36, 37) pour prélever une fraction de l'énergie lumineuse émise par le spot du tube flying-spot, ledit conducteur étant positionné par une extrémité en amont du film et couplé par son autre extrémité avec le tube multiplicateur d'électrons à microcanaux pour coopéer avec le quatrième quadrant détecteur (4-4), le signal (SO) correspondant détecté étant appliqué après amplification respectivement à trois circuits diviseurs analogiques (41-1 à 41-3) interposés sur les voies (R, V, B) de détection en aval des amplificateurs.

10. Utilisation d'un tube selon la revendication 7 ou 8 pour réaliser un indicateur cartographique de bord.

Dessins