▶ エルビット システムズ オブ アメリカ，エルエルシーの特許一覧
特表2023-529277透過モードの二次電子画像増強器に組み込まれる電子アドレス指定可能なディスプレイ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-07-10
(54)【発明の名称】透過モードの二次電子画像増強器に組み込まれる電子アドレス指定可能なディスプレイ
(51)【国際特許分類】
H01J 31/50 20060101AFI20230703BHJP
H01J 29/38 20060101ALI20230703BHJP
H01J 43/18 20060101ALI20230703BHJP
H01J 40/06 20060101ALI20230703BHJP
【ＦＩ】
H01J31/50 D
H01J31/50 Z
H01J29/38
H01J43/18
H01J40/06
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022565787
(86)(22)【出願日】2021-04-22
(85)【翻訳文提出日】2022-12-23
(86)【国際出願番号】 US2021028632
(87)【国際公開番号】W WO2021221991
(87)【国際公開日】2021-11-04
(31)【優先権主張番号】63/016,638
(32)【優先日】2020-04-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】512169604
【氏名又は名称】エルビット システムズ オブ アメリカ，エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100135079
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 修
(72)【発明者】
【氏名】スミス，アーリン ウォルター
(57)【要約】
画像増強管及び画像増強管を形成するための方法とともに、暗視システムを提供する。暗視システムは、アナログチャネル及びデジタルチャネルの両方に画像増強管を組み込み、アナログ画像増強管アナログチャネル内にアドレス指定可能なディスプレイが、電子的にアドレス指定可能な出力を作成するよう構成される。アナログ画像増強管は、画像又はシンボル印を表すバイナリデジタル信号を提示し、デジタル撮像装置からのそれらのデジタル表現をアナログチャネル内のアナログ画像増強管の１つ以上の電子増倍器に登録するため、デジタル撮像装置内に含まれる。提供される暗視システムはまた、システム電力を低減させる非常に効率的な光源である、カソード発光スクリーンを利用する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
暗視システムであって、アナログ画像増強管と、
電子的にアドレス指定可能な出力を作成するように構成されている、前記アナログ画像増強管内のアドレス指定可能なディスプレイと、を備える、暗視システム。
【請求項2】
光学画像を受信するように、かつ前記光学画像に対応する複数のデジタル電気信号を生成するように構成されている、デジタル撮像装置を更に備え、前記アナログ画像増強管が、前記光学画像を受信するように、かつ前記アナログ画像増強管内に電子増倍器を備える前記アドレス指定可能なディスプレイから増倍電子を生成するように、かつ、また、前記複数のデジタル電気信号によってピクセルベースでアドレス指定される前記電子増倍器上の電子放出器から電子を生成するように構成されている、請求項１に記載の暗視システム。
【請求項3】
前記複数のデジタル電気信号にシンボルデジタル電気入力を生成するように構成されているコントローラを更に備える、請求項２に記載の暗視システム。
【請求項4】
前記デジタル撮像装置が、前記光学画像を受信するように、かつ増倍電子を生成するように構成されている、第２のアナログ画像増強管と、
前記第２のアナログ画像増強管から増倍電子を受信するように、かつ前記複数のデジタル電気信号を生成するために連結されている、デジタルセンサと、を備える、請求項２に記載の暗視システム。
【請求項5】
前記アナログ画像増強管が、フォトカソードと、
センサアノードと、
前記電子増倍器と、
前記電子増倍器と同一の二次電子増倍器であって、前記電子増倍器及び前記二次電子増倍器が、両方とも互いに対向して離間し、かつ両方とも前記フォトカソードと前記センサアノードとの間で離間している、二次電子増倍器と、
前記フォトカソードから前記センサアノードに電子を方向付けるための電界を生成するように構成されている、電圧源と、
前記フォトカソード、前記アノード、前記電子増倍器、及び前記二次電子増倍器を囲繞する、真空封止されたハウジングと、を備える、請求項２に記載の暗視システム。
【請求項6】
前記電子増倍器が、シリコン基板内の複数のドープ領域と、
前記複数のドープ領域の対の間の増倍電子放出領域と、を備える、請求項２に記載の暗視システム。
【請求項7】
前記電子放出器が、複数の離間した導電性突起を備え、そのうちの２つが、前記ドープ領域のそれぞれの前記対から酸化物層によって離間されている、請求項６に記載の暗視システム。
【請求項8】
前記デジタル撮像装置及び前記アナログ画像増強管が、高さと幅の両方で同一にサイズ決定された光学視野チャネルを有する、請求項２に記載の暗視システム。
【請求項9】
画像増強管であって、真空封止されたハウジングに固定されている、フォトカソードと、
前記真空封止されたハウジング内の前記フォトカソードから離間している、一次電子増倍器であって、前記一次電子増倍器が、前記フォトカソードから離れて面しており、かつそれぞれの第１の複数のドープ領域から誘電的に離間した第１の複数の離間した電子放出器を含む、後側表面を備える、一次電子増倍器と、
前記真空封止されたハウジング内の前記一次電子増倍器から離間している、二次電子増倍器であって、前記二次電子増倍器が、前記一次電子増倍器から離れて面しており、かつそれぞれの第２の複数のドープ領域から誘電的に離間した第２の複数の離間した電子放出器を含む、後側表面を備える、二次電子増倍器と、
前記真空ハウジングに固定されている、センサアノードと、を備える、画像増強管。
【請求項10】
前記第１の複数のドープ領域が、第１のシリコン基板内で、前記一次電子増倍器の後側表面から、前記一次電子増倍器の反対側の前側表面までではないが、前側表面に向かって延在し、前記第２の複数のドープ領域が、第２のシリコン基板内で、前記二次電子増倍器の後側表面から、前記二次電子増倍器の反対側の前側表面までではないが、前側表面に向かって延在する、請求項９に記載の画像増強管。
【請求項11】
前記第１の複数の離間した電子放出器の各々への第１の電気接続部と、前記第２の複数の離間した電子放出器の各々への第２の電気接続部と、を更に備え、
前記第１の電気接続部及び前記第２の電気接続部が、同じ複数の電気信号を並行して、かつ同時に受信して、それぞれの第１の複数の電子放出器及び第２の複数の電子放出器にアドレス指定し、
前記第１の複数の電子放出器の各々が、互いに平行であり、かつ前記真空ハウジングの内壁に平行である、複数の放出器軸に沿って、前記第２の複数の電子放出器のうちのそれぞれの１つと位置合わせされる、請求項９に記載の画像増強管。
【請求項12】
前記一次電子増倍器から増倍電子が生成される、前記一次電子増倍器の後側表面上の第１の複数の離間した放出表面と、前記二次電子増倍器から増倍電子が生成される、前記二次電子増倍器の後側表面上の第２の複数の離間した放出表面と、を更に備え、
前記第１の複数の離間した放出表面が、前記第１の複数の離間した電子放出器とインターレースされ、
前記第２の複数の離間した放出表面が、前記第２の複数の離間した電子放出器とインターレースされ、
前記第１の複数の離間した放出表面の各々が、互いに平行であり、かつ前記真空ハウジングの内壁に平行である、複数の放出軸に沿って、前記第２の複数の離間した放出表面のうちのそれぞれの１つと位置合わせされる、請求項１１に記載の画像増強管。
【請求項13】
前記複数の放出器軸が、前記複数の放出軸に平行であり、かつそれとインターレースされる、請求項１２に記載の画像増強管。
【請求項14】
前記一次電子増倍器及び前記二次電子増倍器の前記前側が、前記第１の複数のドープ領域及び第２の複数のドープ領域と同じドーパント型でドープされ、かつ前記第１の複数のドープ領域及び第２の複数のドープ領域よりもドーパント濃度が高い、離間した複数の突起を備える、請求項１０に記載の画像増強管。
【請求項15】
前記一次電子増倍器と前記二次電子増倍器との間の前記真空ハウジングに隣接する封止部材と、前記封止部材に隣接するゲッター部材と、を更に備える、請求項９に記載の画像増強管。
【請求項16】
画像増強管を製造するための方法であって、ＧａＡｓエピタキシャル成長ウェハをガラスウェハに結合して、フェースプレートウェハを形成することと、
一次ドープシリコンウェハの後側を一次ガラススペーサウェハに結合して、一次電子増倍器ウェハを形成することと、
二次ドープシリコンウェハの後側を二次ガラススペーサウェハに結合して、二次電子増倍器ウェハを形成することと、
光ファイバスクリーンウェハを三次ガラススペーサウェハに結合して、センサアノードウェハを形成することと、
前記フェースプレートウェハ、前記一次電子増倍器ウェハ、前記二次電子増倍器ウェハ、及び前記センサアノードウェハを、真空内で気密封止することと、
スクライブラインに沿って配置された封止部材に沿って、かつ第１の空洞を形成するために、前記フェースプレートウェハと前記一次電子増倍器との間で、第２の空洞を形成するために、前記一次電子増倍器ウェハと前記二次電子増倍器ウェハとの間で、第３の空洞を形成するために、前記二次電子増倍器ウェハと前記センサアノードウェハとの間で、前記フェースプレートウェハ、前記一次電子増倍器ウェハ、前記二次電子増倍器ウェハ、及び前記センサアノードウェハを同時にダイシングすることと、を含む、方法。
【請求項17】
前記気密封止することの前に、前記一次ガラススペーサウェハ、前記二次ガラススペーサウェハ、及び前記三次ガラススペーサウェハに前記封止部材を塗布すること、を更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記気密封止することの前に、前記一次ガラススペーサウェハ、前記二次ガラススペーサウェハ、及び前記三次ガラススペーサウェハにゲッター材料を塗布すること、を更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項19】
前記気密封止することの前に、前記光ファイバスクリーンウェハに蛍光材料を塗布すること、を更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項20】
前記同時にダイシングすることが、前記気密封止されたフェースプレートウェハ、前記一次電子増倍器ウェハ、前記二次電子増倍器ウェハ、及び前記センサアノードウェハを完全に切断して、真空ギャップを伴う個別の気密封止された個々のダイを形成すること、を含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
優先権の請求
本出願は、２０２０年４月２８日に出願された米国特許出願第６３／０１６，６３８号の優先権の利益を主張するものであり、その開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０２０年４月２８日に出願された米国特許出願第６３／０１６，６３８号の優先権の利益を主張するものであり、その開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0002】
実施形態の例は、概して、暗視システム、より具体的には、画像増強管、及びこの管をウェハ加工及びフォトリソグラフィスケールで製造する方法に関する。画像増強管は、ドープ型電子増倍器及び、増倍二次電子及び管内のディスプレイに示される１つ以上の透過モード二次電子（ＴＭＳＥ）画像増強器の後側表面からのアドレス指定された電子放出を生成するアドレス指定可能な電子放出器を備える。
【背景技術】
【0003】
暗視ゴーグルなどの暗視システムは、典型的には、画像増強管を含む。画像増強管、又は「画像増強器」は、フォトカソードとセンサアノードとの間に配置される電子増倍器を含み得る。フォトカソードは、物体からの光子の形態の赤外線光を検出し、画像増強器は、フォトカソードから放出される、結果として生じるフォト電子、又は「電子」を増幅又は増倍する。増倍電子は、アノードに引き込まれ、ここでスクリーン上に表示される光子に戻すことができる。アノード又はスクリーンは、増加した数の電子を受信すると、それらの電子を感知し、スクリーン上に画像の増強された表現を生じさせるセンサを含み得る。フォトカソード、電子増倍器、及びアノードは、典型的には、フォトカソード、電子増倍器、及びセンサアノードの間のギャップを伴う真空ハウジングによって支持され、ゲインを提供し、それらの間の電子の流れを促進する。
【0004】
真空管内のこれらのデバイスの各々は、アノードが、表示前に電子をデジタル電気信号（バイナリ１及び０）に変換することなく、スクリーン上に表示される光子に変換する光学撮像装置である場合、アナログ画像増強器として分類され得る。このように、アナログ画像増強管は、ターゲット又は物体から反射され、真空封止されて離間したフォトカソード、電子増倍器及び蛍光コーティングアノードスクリーンによって受信される低強度赤外線又は近赤外線放出の夜間画像増強のアナログチャネルを有するものであり、その間にバイナリデジタル電気信号へのいかなる変換も行われない。
【0005】
アナログ画像増強器に基づく夜間視覚は、長年にわたって使用されてきた。アナログ画像増強器に加えて、多くの暗視システムは、ユーザに、暗視システムに装着されたデジタル撮像装置カメラからの異なる波長モダリティの状況認識、シンボル体系、及び追加画像を提供するためのデジタルディスプレイも含むことができる。追加のデータは、デジタル信号バイナリビット（バイナリ１及び０論理値）としてデジタル撮像装置カメラから、暗視システム上に装着された電子デジタルディスプレイに提供される。電子デジタルディスプレイは、暗視システム内に構成された光学ビームコンバイナによって、アナログ画像増強器からの光学出力画像上にオーバーレイされた光学出力画像を生成する。ビームコンバイナ及び追加のデジタルディスプレイは、電力を消費し、システムのサイズ／重量を増加させ、暗視システムの製造に複雑さを付加する。
【0006】
出力輝度がビームコンバイナの透過損失を考慮してしばしば増加する点を除いて、アナログ画像増強器からの画像は、通常通り生成される。ビームコンバイナは、アナログ画像増強器からの出力光学画像を、デジタルディスプレイからの出力光学画像と組み合わせるために使用される。追加の電子デジタルディスプレイは、ビームコンバイナの別個のチャネル上のアナログ画像増強器の出力と同じ焦点距離を提供する方式で、概してビームコンバイナの１つの表面上に固定される。電子デジタルディスプレイからの二次画像が、アナログ画像増強器スクリーン上に表示されるものとオーバーレイされ、かつコヒーレントに関連する場合、２つの画像を登録するには製造の複雑さが追加されなければならない。典型的な暗視システムの接眼レンズは、ビームコンバイナの追加距離を考慮するように設計されなければならない。光学ビームコンバイナは、サイズ、重量、及び製造の複雑さをシステムに追加する。アナログ画像増強器のアナログチャネルサイズは、デジタル撮像装置カメラのデジタルチャネルサイズと比較して大きく、ミスマッチを引き起こし、デジタルディスプレイからの画像のアナログ画像増強器からの画像への限定されたオーバーレイのみを可能にする。
【発明の概要】
【0007】
本開示は、アナログ画像増強管自体内に、電子的にアドレス指定可能なディスプレイを作り出す、新しく革新的な暗視システムを提供する。アナログ画像増強管内の１つ以上の半導体ベースの電子増倍器に、同じ又は異なる波長モダリティのシンボル体系及び画像を送信する。シンボル及び画像は、その後、全体的な暗視システムにサイズ及び重量を追加することなく、アナログ画像増強管のディスプレイ出力に追加することができる。本暗視システムはまた、カソード発光スクリーンも利用するものであり、これはシステム電力を低減させる非常に効率的な光源である。
【0008】
本開示の少なくとも１つの実施例に従い、暗視システムが提供される。暗視システムは、アナログ画像増強器、交換可能なアナログ画像増強管、及びアナログ画像増強器内のアドレス指定可能なディスプレイを備える。アドレス指定可能なディスプレイは、外部デジタル撮像装置から電気信号を受信して、アナログ画像増強器から電子的にアドレス指定可能な出力を作成するように構成される。
【0009】
本開示の別の実施例によれば、暗視システムは、ターゲット又は物体から光学画像を受信するように構成されたデジタル撮像装置を含む。デジタル撮像装置は、アナログ画像増強器の透明なアノードセンサスクリーンを通して表示されている光学画像に対応する各ピクセルに対して、複数の電気信号ビットを生成するように構成される。アナログ画像増強管は、光学画像を受信し、アナログ増強管内の電子増倍器から増倍電子を生成するように構成される。アナログ画像増強管はまた、複数の電気信号に対応するピクセルベースでアドレス指定される電子増倍器上の電子放出器から電子を生成できる。
【0010】
本開示の更に別の実施例によれば、画像増強管が提供される。画像増強管は、好ましくは、増倍電子を蛍光体で覆われたスクリーンへ前方にゲインし、その間にデジタル電気信号へのいかなる変換もない、それらの変換された電子を表示する、アナログ画像増強管である。この実施例によると、画像増強管は、真空封止されたハウジングに固定されたフォトカソードを含む。画像増強管はまた、真空封止されたハウジング内のフォトカソードから離間した一次電子増倍器を含み得、一次電子増倍器は、フォトカソードから離れて面しており、それぞれの第１の複数のドープ領域から誘電的に離間した第１の複数の離間した電子放出器を含む、後側表面を備える。
【0011】
画像増強管はまた、真空封止されたハウジング内の一次電子増倍器から離間した二次電子増倍器を含み得る。二次電子増倍器は、一次電子増倍器から離れて面しており、それぞれの第２の複数のドープ領域から誘電的に離間した第２の複数の離間した電子放出器を含有する、後側表面を備える。画像増強管は、二次電子増倍器、一次電子増倍器、及びフォトカソードとともに、真空ハウジング内に固定されたセンサアノードを更に備える。センサアノードは、例えば、蛍光体コーティング光ファイバスクリーンを含み得る。
【0012】
本開示の更に別の実施例によれば、画像増強管を製造するための方法が提供される。方法は、ＧａＡｓエピタキシャル成長ウェハをガラスウェハに結合して、フェースプレートウェハを形成することを含む。一次ドープシリコンウェハの後側は、一次ガラススペーサウェハに結合されて、一次電子増倍器ウェハを形成することもできる。二次ドープシリコンウェハの後側は、二次ガラススペーサウェハに結合されて、二次電子増倍器ウェハを形成することができる。光ファイバスクリーンウェハは、三次ガラスウェハに結合されて、センサアノードウェハを形成することができる。次に、一次電子増倍器ウェハ、二次電子増倍器ウェハ、及びセンサアノードウェハを、フェースプレートウェハとともに真空内に気密封止することができる。フェースプレートウェハ、一次電子増倍器ウェハ、二次電子増倍器ウェハ、及びセンサアノードウェハは、その間に真空ギャップを伴って互いに離間されている。封止されると、フェースプレートウェハ、一次電子増倍器ウェハ、二次電子増倍器ウェハ、及びセンサアノードウェハは、スクライブライン内に配置された封止部材に沿って、同時にダイスされる。フェースプレートウェハと一次電子増倍器との間の封止部材に沿ったスクライブ又はダイシングは、第１の空洞を形成する。一次電子増倍器ウェハと二次電子増倍器ウェハとの間の封止部材に沿ってスクライビングすることは、第２の空洞を形成する。二次電子増倍器とセンサアノードウェハとの間の封止部材に沿ってスクライビングすることは、第３の空洞を形成する。第１の空洞、第２の空洞、及び第３の空洞は、真空内での気密封止中に１つの雰囲気未満で排出されるギャップである。結果として得られるダイは、例えば、アナログ画像増強管として対物レンズの背後に装着することができる。代替的に、得られたダイは、デジタル撮像装置の一部として別の対物レンズの背後に装着し得る。各ダイは同一であるため、アナログ画像増強管のアナログチャネル寸法は、デジタル撮像装置のデジタルチャネル寸法と同じサイズである。したがって、デジタル撮像装置ディスプレイ出力は、アナログ画像増強管ディスプレイ内のアドレス指定可能な電子放出器を使用して、アナログ画像増強器ディスプレイ出力全体にオーバーレイされる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
本開示の実施例は、添付図面に関連して読まれたとき、以下の詳細な説明から最も良く理解される。一般的な慣行によれば、図面の様々な特徴は、縮尺に合わせて描かれないか、又は部分的視点でのみ示されている。様々な実施形態の寸法は、明確にするために、任意に拡大又は低減される。同様の数字は、図面中の同様の要素を表すために使用される。図面には、以下の特徴及び要素が含まれ、ここで各図面を参照する。
【0014】
【図1】アナログ画像増強器の出力光学画像上にオーバーレイされたデジタルディスプレイの出力光学画像を組み合わせたビームコンバイナを有する、暗視システムの部分ブロック図である。
【図3】電子ディスプレイが、図１のビームコンバイナによる光学的なオーバーレイのための出力光学画像を生じさせることができるように、デジタル出力信号を電子ディスプレイに生じさせるデジタル画撮像装置カメラのバックエンド部分内の、デジタルディスプレイセンサデバイス、又はデジタル撮像装置、及び特に、アクティブピクセルセンサデバイスを例示する。
【図4】マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）従来電子増倍器の後側画像であり、電子放出器及びＭＣＰの管開口部のアレイ間の制御回路を装着するための不十分な表面エリアを示している。
【図5】電子放出器及び制御回路が増倍電子放出エリアの間に配置される前の、ドープ型電子増倍器、又は透過モード二次電子（ＴＭＳＥ）増倍器の後側画像である。
【図6】ビームコンバイナを使用せず、その代わりに、アナログ画像増強管内に、１つ以上のドープ型電子増倍器、又はＴＭＳＥの後側表面にアドレス指定可能な電子放出器を組み込んだ改善された暗視システムの部分ブロック図である。
【図8】アナログ画像増強管を生産するために使用される方法ステップの図であり、それと同時に（望ましい場合）、電子増倍及びアドレス指定可能な放出を含むデジタル撮像装置である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下の考察は、様々な例示的実施形態を対象とする。しかしながら、当業者であれば、本明細書に開示する実施例は広範な適用を有すること、及び任意の実施形態の考察は、その実施形態の例にすぎないことを意味し、特許請求の範囲を含む本開示の範囲がその実施形態に限定されることを示唆することを意図するものではないことを理解するであろう。
【0016】
上述のように、図面は必ずしも正確な縮尺ではない。本明細書の特定の特徴及び構成要素は、スケールで誇張されるか、又はいくらか概略的な形態で示され得、従来的な要素のいくつかの詳細は、明確性及び簡潔性のために示されない場合がある。
【0017】
以下の考察及び特許請求の範囲において、用語「含む」及び「備える」は、制限のない様式で使用され、したがって、「限定するものではないが、含む」ことを意味するものとして解釈されるべきである。また、用語「連結」又は「連結」は、間接的又は直接的な接続のいずれかを意味することが意図される。したがって、第１装置が第２の装置に連結される場合、その接続は、２つの装置の直接接続を介して、又は他の装置、コンポーネント、ノード、及び接続を介して確立される間接的な接続を介し得る。更に、本明細書で使用される場合、用語「軸状」及び「軸状に」は、所与の軸（例えば、本体、出口又はポートのｘ、ｙ、又はｚ方向又は中心軸）に沿って又は平行に一般的に意味し、一方で用語「放射状」及び「放射状に」は、所与の軸に対して垂直に一般的に意味する。例えば、軸距離は、軸に沿って、又は軸に平行に測定される距離を指し、放射状距離は、軸に対して垂直に測定される距離を意味する。
【0018】
次に図１を参照すると、ビームコンバイナ１４を有する、暗視システム１２の部分ブロック図が示されている。暗視システム１２は、光学オーバーレイを実行するための本技術を示す。ビームコンバイナ１４は、アナログ画像増強器１８の出力と、デジタル電子ディスプレイ２０からの出力の両方を、ディスプレイ１６に送信する。暗視システム１２は、それによって、物体２２の画像が、デジタル撮像装置カメラ２４及びアナログ画像増強器１８の両方によって撮影され得るという点で有利であると証明する。物体又はターゲット２２からの画像は、レンズ２８及び３０を通過し、その後、それぞれのデジタル撮像装置カメラ２４及びアナログ画像増強器１８を通過することができる。
【0019】
脅威を発見し、位置特定するうえで兵士の視界を強化するために必要な状況によっては、デジタル画像と、通常、低光量の暗視視界に関連するアナログ画像を撮影しなければならない。デジタル撮像装置２４は、通常、非常に低い光レベルではアナログ画像増強管１８の性能と合致することができないが、デジタル撮像装置を使用して、その兵士の前方のシーン、例えば方向又は他のシンボル印、シーン又は画像物体２２についてのシーンを兵士に表示することができる。加えて、デジタル撮像装置２４は、アナログ画像増強管１８で発生する可能性のあるＳＷＩＲ又はＮＷＩＲ撮像感度ではなく、物体２２の熱撮像のためのＬＷＩＲなど、異なる波長に対する感度を含む、他の撮像モダリティを講じることができる。デジタル撮像装置２４内のセンサは、アナログ画像増強管１８内のセンサとは異なる波長をピックアップすることができるか、又はコントローラ３２を介して組み合わされた光学画像のオーバーレイされたシーン上にシンボル印を生成することができる。デジタル撮像装置２４からの画像、又はコントローラ３２からの印は、バス２５上のデジタル電気信号としてデジタルディスプレイ２０上に到着する。それらの電気信号は、ビームコンバイナ１４によって、アナログ画像増強器１８からの光学画像と組み合わされる光学信号又は光学画像に変換される。
【0020】
図１に示すように、デジタル撮像装置２８が収容できる画像キャプチャのチャネル幅又は寸法は、ＤＣＷとして参照される。ＤＣＷは、典型的には、アナログチャネルＡＣＷのチャネル幅又は寸法よりも小さい。これは、図２に示すように、図１の複合ディスプレイ１６の出力画像に明らかである。図２は、図１の暗視システムを利用したアナログ画像増強管の出力画像上にオーバーレイされたデジタルディスプレイの出力画像のＤＣＷ対ＡＣＷの違いを示す。例えば、図１におけるデジタル撮像装置カメラ２４は、アナログ画像増強器１８出力３５の低光検出によっては検出できない、兵士３４の熱画像出力を重ね合わせることができる。更に、図１及び図２の組み合わせを参照すると、コントローラ３２は、デジタル電子ディスプレイ２０上にシンボル３６を表す複数の電気信号を送信し得る。シンボル３６も含むことができるデジタルディスプレイ出力３４は、ビームコンバイナ１４によってアナログ画像増強器出力３５上にオーバーレイすることができる。
【0021】
図３を参照すると、図１のデジタル撮像装置カメラ又はディスプレイセンサデバイス２４が示されている。デジタルセンサ２４は、例えば、アナログ画像増強管１８内の前方監視赤外線センサなど、他の画像との融合を含む、表示及びビューイング、記録、及び他の画像処理を可能にするために、多くの暗視システムで使用される。画像感知ピクセル４０のアレイを組み込む画像感知デバイスは、一般的に電子カメラで使用される。各ピクセルは、入射光又は光子に応答して電気出力信号を生成する。電気信号は、多くの場合、画像を形成するために、典型的には１行ずつ読み出される。デジタル撮像装置カメラ２４は、電荷連結デバイス（ＣＣＤ）をピクセル化画像センサとして使用することができる。例えば、ピクセルアレイ４０は、タイミング及び制御回路４２によって制御され得、信号は、プロセッサ４４によって処理され得、プロセッサ４４は、信号が列選択ユニット４６によって読み出される際に各列上に配置されたアナログ－デジタル変換器を備え得る。次に、各ピクセル出力に対応する電気信号をバス２５上に配置することができる。
【0022】
ピクセル４０のアレイは、フォトダイオード型のピクセル構造とすることができる。逆バイアスすると、入射光によってフォトダイオードに電流が流れ、フォト電流が生成される。ドレイン電圧へのフォトダイオードバイアスに応じて、フォト生成電荷電流が生成され、電荷は、アナログ－デジタル出力構造４４のアナログ処理部分内のソースフォロアトランジスタ及び感知ユニットによって増幅され得る。感知されたアナログ信号の大きさに応じて、論理１又は論理０のバイナリビット値を作成し、バス２５上に配置することができる。感度向上のために各画素に増幅器を組み込むデジタルセンサ撮像装置２４は、アクティブピクセルセンサとして知られている。更に、デジタル撮像センサ２４は、ＣＣＤとして、又はＣＭＯＳセンサとしてＣＭＯＳ加工技術を利用するｐ型トランジスタとｎ型トランジスタの組み合わせのいずれかで実装することができる。現代のデジタル撮像センサの多くは、ＣＭＯＳセンサチップ又はダイを使用して、光子又は電子感知を実行する。ＣＣＤ又はＣＭＯＳデバイスがデジタルセンサ２４によって使用されるかどうかに関わらず、複数の電気信号は、対応するピクセルからその後発光するためのデジタルディスプレイ２０をアドレス指定するために、画像又はシンボルを表すバス２５に送信される。バス２５上の電気信号が、ディスプレイ２０のダイオードのアレイを順方向バイアスにさせるとき、電気エネルギーが光又は光子に変換され、その後ビームコンバイナ１４で組み合わされるので、これらのダイオードから光がピクセル単位で放出される。
【0023】
図１を再び参照すると、アナログ画像増強管１８は、デジタル撮像装置２４によって生成された画像よりも有益であり、その点で管１８は、星明りの下で遭遇するものなど、非常に低い光レベルを含む、幅広い光レベルにわたって、高品質の画像を生成することができる。アナログ画像増強器１８を利用する暗視システム１２は、かなり周知であり、第ＩＩＩ世代（ＧａＡｓフォトカソード）又は第ＩＩ世代（マルチアルカリフォトカソード）の画像増強ファイバに基づいており、その後、ＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサデバイスに光学的に連結されて、画像増強低光レベルカメラを形成することができる。
【0024】
しかしながら、画像増強器１８は、アナログ画像増強器である。アナログ画像増強器１８は、ビームコンバイナ１４上にアナログ画像を生成し、その画像をデジタル電気信号表現に変換しない。アナログ画像は、画像増強管自体内のいかなる光子から電気信号への変換もなしに、接眼レンズ１６上で直接生成される。アナログ画像増強器１８から生成された画像は、デジタルセンサ２４出力にあるように、複数のバイナリ１又は０ではない。代わりに、アナログ画像増強器１８は、例えば、光子に変換され、透明な光ファイバスクリーンを通して表示される、増倍されてゲインされた電子を生成する。
【0025】
アナログ画像増強器１８は、透過フォトカソード１９などのフォトカソードで始まる。フォトカソード１９は、ガラスで作製され、電子増倍器２１に面するフェースプレート１９の後側表面上にＧａＡｓでコーティングされたフェースプレートを備える。ＧａＰ、ＧａＩｎ、ＡｓＰ、ＩｎＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓなどの他のタイプＩＩＩ－Ｖ材料を使用することができる。代替的に、フォトカソード１９は、Ｂｉ－アルカリフォトカソードとして知られ得る。フォトカソード１９の光電効果半導体材料は、光子を吸収する。フォトカソード１９のフェースプレート上に達する光学画像の吸収された光子は、半導体材料のキャリア密度を増加させ、それによって、フォトカソード１９の後側表面から放出される電子２３のフォト電流を生成する。一実施例によれば、半導体ウェハは、ウェハの前側表面上にエピタキシャルに成長したＧａＡｓを有し、その後、後側表面が薄くなり、そして、ＧａＡｓがエピタキシャルに成長した表面が電子増倍器２１に面するようにガラスフェースプレートに結合され得る。代替的に、半導体構造は、エピタキシャル成長ＧａＡｓを含有するシリコン以外の別のタイプの半導体材料であり得る。その代替的な半導体構造は、ＧａＡｓ自体とすることができる。
【0026】
画像増強管１８は、一例によれば、近赤外又は短波赤外などの不可視光源の可視への変換のために、フォトカソード１９を利用する。多くの画像増強器では、フォトカソード１９から放出される電子は、電子感知アノード２９などの蛍光体でコーティングされた透明なアノードに向かって加速される。高エネルギーを伴って蛍光体に当たる電子は、アノード２９上の蛍光体コーティング２９ａに光子を発生させることができる。放出された光子は、光ファイババンドル２９ｂなどの光学装置によって接眼レンズに直接方向付けられる。蛍光体コーティング及び光ファイババンドルの組み合わせは、それぞれ２９ａ及び２９ｂとして示されている。蛍光体コーティング光ファイバスクリーン又はセンサアノード２９は、アナログ画像増強器１８内で真空封止される。光ファイバユニット２９ｂ内の光ファイバテーパ又は伝送レンズは、増幅された視覚画像をビームコンバイナ１４を介して、ユーザが視認するように、接眼レンズ１６に転送する。
【0027】
既存のアナログ画像増強器１８には、画像がサンプリングされ、画像が劣化し、着信光信号にノイズを加える多数のインターフェースがある。この画像の劣化及び解像度の減少は、高品質の出力を必要とする暗視システム１２では不利である。画像増強器１８における複数の光学インターフェースから生じる画像劣化を相殺するために、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）電子増倍器２１がしばしば使用される。ＭＣＰ型の電子増倍器は、フォトカソード１９によってその上に集束される電子２３を受信し、ＭＣＰ型の電子増倍器は、参照符号２７によって示されるように、その出力でそれらの電子の二次的増倍を生成することによって電子画像を増強する。ＭＣＰ型の電子増倍器２１は、画像増強器１８にゲイン又は増幅を適用するものの、ＭＣＰ型の電子増倍器は、次に来る画像の幾何学的完全性を維持するとはいえ、ＭＣＰは電子増幅器として比較的ノイズが多い。追加されたノイズは、低光レベルの画像品質を劣化させる可能性がある。更に、各ＭＣＰチャネル開口部が隣接するＭＣＰチャネル開口部の近くに配置されなければならない密度のために、例えば、開口部２１ａと開口部２１ｂとの間に、その後側表面上に他に何も装着する余地がない場合、ＭＣＰ２１の後側表面は、図４に示すように、ほとんど余地を有さない。
【0028】
代替的に、本明細書ではＭＣＰの代わりにドープ型電子増倍器を使用し得る。ドープ型電子増倍器は、必要な増倍及び電子ゲインを生成するだけでなく、Ｓｐｉｎｄｔ型の電子放出器を収容するのに十分なエリアをその後側表面上に有する。それらのドープ領域間のドープ型電子増倍器の後側表面上の放出エリアは、負電子親和性（ＮＥＡ）状態に活性化されて、後側放出表面からの電子の流れを促進する。更に、ドープ型電子増倍器の増倍電子放出エリアの間の領域において、電子放出器のアレイを、それらの放出器をピクセルベースで起動するために必要な回路アクチュエータとともに配置することができ、それらの各々は、図６に示す改良型デジタル撮像装置５４からバス５５を介するデジタル信号によって選択される。
【0029】
図５は、ドープ型半導体電子増倍器６１の後側表面のプロファイルでの撮影を示す。これは後側表面の例示であるため、増倍電子は、ドーピング領域７１（領域７１ａ、７１ｂ、７１ｃなどとして示される）の間の後側表面から放出されるので、ページから垂直に上方に延在し得る。図５は、図９で更に詳細に説明されるように、印刷され、その後側表面に拡散されるＳｐｉｎｄｔ型の電子放出器及びゲート回路の添加前のドープ型半導体電子増倍器６１の後側表面を示す。図５は、ＭＣＰ型の電子増倍器２１の後側表面では利用できない電子放出器及び制御回路を追加するために必要な、後側表面上の十分な面積を示すために提示されている。したがって、本実施形態は、フォトカソードと、アナログ画像増強器を形成する画像増強管のセンサアノードとの間、及び後述するように、デジタル撮像装置５４の一部との間のＭＣＰ型電子増倍器ではなく、ドープ型半導体電子増倍器を利用する。
【0030】
ここで図６を参照すると、改良型暗視システム５２がブロック図に示される。本開示による改良型暗視システム５２は、図１の暗視システム１２に記述されているような、ビームコンバイナ１４又はデジタル電子ディスプレイ２０を利用しない。暗視システム５２は、それでもなお、アナログ画像増強器５８内のアドレス指定可能なディスプレイを接眼レンズ５６上に組み合わせる。ビームコンバイナを使用して、デジタルディスプレイから導出された画像を、アナログ画像増強器５８から導出された画像と組み合わせたりオーバーレイしたりする代わりに、デジタル撮像装置５４からの電気信号を、電気バス５５を介して、少なくとも１つの、好ましくは２つの電子増倍器６１ａ及び６１ｂ上に送信する。コントローラ６２からの任意のシンボル体系も、バイナリビットとして表され、バス５５を介して１及び０として、それぞれ一次電子増倍器６１ａ及び二次電子増倍器６１ｂへ送信される。
【0031】
図６の画像増強器５８は、ＧａＡｓ半導体ダイ、又はシリコンダイ上のエピタキシャル成長ＧａＡｓが、参照符号６３として示される後側表面に結合されるガラスフェースプレートを備えるフォトカソード５９を含む。一次電子増倍器６１ａの後側表面上に、参照符号６４ａによって示されるように、電子放出器のアレイを有する半導体ダイがある。二次電子増倍器６１ｂの後側表面上に、参照符号６４ｂによって示されるように、半導体ダイ上にも形成される電子放出器のアレイがある。電気バス５５の導電性トレースは、ゲーティング論理を通して電子放出器６４ａ及び６４ｂのアレイに経路指定される印刷されたコンダクタに接続される。一次電子増倍器６１ａ及び二次電子増倍器６１ｂ内の電子放出器のアレイは、互いに同一であり、同じ間隔を有し、互いに整列している。
【0032】
一次電子放出器６１ａ及び二次電子放出器６１ｂの前側表面上には、光学的に透明なガラスプレート６５ａ及び６５ｂがある。本明細書で言及するように、前側表面はフォトカソード５９に向かって面する表面であり、後側表面はセンサアノード６９に向かって面する表面である。アノード６９は、透明なガラススペーサダイ６９ａの前側表面、及び光ファイババンドル又はレンズ６９ｂの後側領域を含み得る。透明なガラススペーサダイ６９ａは、蛍光体でコーティングされて、蛍光体によって変換された光子を接眼レンズ５６に向けて方向付けることができる。一次電子増倍器６１ａは、ドープ型半導体領域を使用して電子を増倍し、ピクセルごとに配置された複数の電子放出領域から、二次電子増倍器６１ｂにおける対応するピクセル化された放出領域へ、増倍電子を伝送し、そこで電子を更に増倍して、複数の電子ゲイン及び増幅をセンサアノード６９の蛍光体スクリーン上に提供する。
【0033】
電子放出器はまた、各電子放出器が対応する電子放出領域に隣接するように、一次電子増倍器６１ａ及び二次電子増倍器６１ｂの後側表面上に配置される。このように、各放出器から放出される電子は、その放出器に対応する制御回路によって電気的にアドレス指定され得る。制御回路は、バス５５上に送信されるバイナリ１及び０のセットに対応するデジタル番号で起動される。デジタル番号は、デジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）を有する制御回路によって対応するアナログ値に変換され得、そのアナログ電圧はピクセル制御ゲートに印加される。デジタル撮像装置５４内では、別の（第２の）アナログ画像増強管５８ｂであることが好ましい。画像増強管５８ｂは、画像増強器５８と同一であることが好ましい。画像増強器５８ｂの後側には、画像増強管５８ｂの後側表面上に取り付けられるか、又はこれから分離されたデジタルセンサ５６ｂがある。デジタルセンサ５６ｂは、図３に示すピクセルアレイ４０と同様に、画像増強器５８ｂから放出される光子を電気信号に変換するＣＭＯＳ回路を伴う光学ピクセルとして動作するアレイ内に配置された複数の能動又は受動ピクセルセンサデバイスを備える。デジタルセンサ５６ｂは、能動ピクセルセンサデバイス又は受動ピクセルデバイスとして使用されるＣＭＯＳ撮像装置であり得る。デジタルセンサ５６ｂは、ＣＭＯＳ撮像装置チップであり得、又はフォトダイオード及びリードアウト増幅器の両方を組み入れた能動ピクセルセンサデバイスとして、集積化増幅器を有するダイであり得る。
【0034】
画像増強管５８及び５８ｂは同じであり、同じチップ又はダイサイズを有するため、図６の改良型暗視システム５２は、アナログチャネル寸法又は幅ＡＣＷに合致するデジタルチャネル寸法又は幅ＤＣＷを有する。したがって、デジタル撮像装置５４へのチャネル開口部は、アナログ画像増強器５８へのチャネル開口部と等しい。観察者が物体５３を見ているときに視認するように、観察者は、アナログ導出画像の視野全体にわたってオーバーレイされたデジタル導出画像を視認することになる。図２を再び参照すると、ＤＣＷは、ＡＣＷの視野に等しいように外側に延在し得る。しかしながら、ＤＣＷによって観察される画像は、異なる波長であり得、又はユーザによって視認されるＡＣＷ視野によって観察できない場合がある異なる画像モダリティ及びシンボルを含み得る。ＡＣＷに対応するＤＣＷの視野を広げることは、よりロバストな観察体験を提供するだけでなく、より安全な観察体験のために、異なる画像様式及びシンボル印でより多くの情報を提供する。例えば、デジタル撮像装置５４によって検出可能なＬＷＩＲモダリティは、その小さな部分だけでなく、アナログ画像増強管５８の（高さ及び幅の両方）の視野全体にわたって表示される。
【0035】
図６の改良型暗視システム５２は、それによって重量を排除し、従来の設計よりも全体的なシステム透過効率を強化する。現在のＭＣＰ型の電子増倍器の空間要件及び物理要件もまた、外部ソースからのデータを従来のビームコンバイナ一体型ディスプレイに組み込むことに適さない。現在の暗視システム５２は、ウェハスケールフォトリソグラフィ、及びシリコン表面のドープ領域間の放出エリアでの電子衝撃ゲイン及び負電子親和性（ＮＥＡ）の物理性質を使用する。暗視システム５２は、信号対ノイズ比、変調伝達関数（ＭＴＦ）の両方において、関連する電力削減を伴うアナログ暗視の性能を進歩させる。外部デジタル信号及びバイナリ１及び０の情報を組み込む追加機能は、１つだけでなく、２つ以上の電子増倍器でも達成可能である。利点は、電子増倍器の後側表面上の電子放出器に送信される電気信号である。バス５５上のデジタル電気信号は、例えば、フォトカソードの後側表面の代わりに電子増倍器に送信されることが望ましい。１つの利点は、一次電子増倍器上の電子放出器からの放出が、二次電子増倍器上で下流に更に増幅又は増倍されることである。２つの後側表面からの放出表面はまた、それぞれのアレイにわたって同一であり、両方の後側表面を伴って位置決めしている。放出器がフォトカソードの後側表面上に配置される場合、フォトカソード後側のＧａＡｓ又は他のＩＩＩ－Ｖ材料は、半導体、フォトリソグラフィ画定のシリコン表面ではない。シリコン微細加工は、ＧａＡｓ表面への任意の微細加工と比較して、より容易に達成される。更に、フォトカソードのＧａＡｓ後側表面は、シリコンよりも真空中の残留ガスに対して感度が高すぎる。したがって、放出された電子は残留ガスをイオン化する傾向があるため、ＧａＡｓフォトカソード後側から放出される任意の電流を最小化することが望ましい。イオン化されたガスは、電子と比較して反対の電荷を有し、その結果、内部電界によって電子をフォトカソード後側に引き戻す。フォトカソードのＧａＡｓへのイオンの任意の後方散乱は、表面を害する傾向があり、それによってそのＮＥＡ能力が低下する。したがって、上記の理由並びに他の理由から、フォトカソードではなく、電子増倍器上に外部デジタル信号を組み込むことがはるかに望ましい。
【0036】
改良型暗視システム５２は、外部電気デジタル信号を各電子放出器に組み込むだけでなく、各ピクセルでの電子放出器が既存の蛍光体６９ａを一体光生成に利用することを可能にする。デジタルインジェクトされた画像は、画像増強管５８の真空エンベロープ内の増強されたシーンに正しくオーバーレイすることができる。改良型暗視システム５２は、デジタル撮像装置５４の性能を改良するために、第２の画像増強管５８ｂをデジタル撮像装置上に組み込んでいる。本発明のデジタル撮像装置５４は、画像増強管の低照明光レベルの性能又は時間応答に一致し得、そのユーザの目前のシーンだけよりも多くの情報をユーザに表示することができる。この情報には、アナログ画像増強器５８上の方位（例えば、シンボル）又は他の撮像モダリティ及び画像波長が含まれ得る。画像増強管５８の既存の光学的に透明なスクリーン６９ｂを使用して、センサ５６ｂなどの他のセンサからのデジタルデータ又はコントローラ６２からのバイナリ１及び０の他のデジタルシンボルを表示することができる。改良型暗視システム５２のデジタル撮像装置はまた、より広く大きな表示エリアを組み込んで、アナログ画像増強管５８によって提供される全視野にシンボルや他の情報を組み込む。より広い表示の主な理由は、デジタル撮像装置５４が、アナログ画像増強管５８と類似した、それぞれ同じチップ又はダイサイズのアナログ画像増強管５８ｂを組み込んでいることである。更に、管５８ｂへの光子－電子変換は、管５８の光子－電子変換と一致し、それぞれの管は、低照射性能を追加するための１つの電子増倍器及び好ましくは２つの電子増倍体を有する。
【0037】
ここで図７を参照すると、図６のアナログ画像増強管５８又は５８ｂの側面図が示されている。管５８ｂは管５８と同一であるため、管５８の参照番号は管５８ｂの参照番号にも適用可能であり、それらの参照番号は管５８を例示する図６から引用される。しかしながら、アナログ画像増強管５８における同じアイテムも、図６のデジタル撮像装置５４内のアナログ画像増強器５８ｂにあることに留意することが重要である。図７を再び参照すると、アナログ画像増強管５８／５８ｂ内のフォトカソードは、撮像される物体に向かって方向付けられた１つの表面を有するフェースプレート５９と、その上にＧａＡｓ材料を有する対向する表面とを備える。ＧａＡｓ材料は、エピタキシャルで成長したＧａＡｓ材料の形態であり得、又はＧａＡｓ半導体本体であり得る。上述のように、他のＩＩＩ－Ｖ材料を、フェースプレート５９の後側表面上のアイテム６３に使用することができる。封止部材７０ａは、ＧａＡｓ材料６３とガラススペーサ６５ａとの間に配置することができる。ゲッター材料７２ａは、スペーサ６５ａ上に配置され、封止部材７０ａに隣接し得る。封止部材７０ａは、様々な半導体加工技術を使用して、又は無電気メッキ、電気堆積、若しくはそれらの様々な組み合わせを介して堆積することができる。封止部材７０ａ、並びに封止部材７０ｂ及び７０ｃは、図７に示すように、銅、金、鉛、スズ、アルミニウム、白金、又ははんだに良好な湿潤表面を提供することができる他の好適な材料又は材料の組み合わせなどの金属材料の１つ以上の層から作製することができる。
【0038】
別の実施形態を参照すると、封止部材７０ａ、７０ｂ、及び７０ｃは、ガラス、フリット、セラミック、又は非金属物質の他の組み合わせなどの非金属材料で作製され得る。封止機構は、圧縮、熱圧縮、又は任意の物質又は分子の出入りに対して真空ギャップ７４ａ、７４ｂ、及び７４ｃに封止する他の技術によって実施される。真空ギャップ７４ａ、７４ｂ、及び７４ｃは、フォトカソード５９ａとセンサアノード６９との間の離間された距離に、封止部材圧縮電子増倍器６１ａ及び６１ｂを介して気密封止することによって生じる。フォトカソード５９ａは、フェースプレート５９及び後側コーティング材料６３を備え、一方、センサアノード６９は、光ファイバスクリーン６９ｂの前側表面上に蛍光体材料６９ａを備える。
【0039】
真空封止された空洞、又はギャップ７４ａ、７４ｂ及び７４ｃは、その内部空洞内にゲッター材料７２ａ、７２ｂ及び７２ｃを包含することができる。ゲッター材料７２は、それらの空洞内のターゲット真空レベルを維持するために使用される。真空ハウジング内のフォトカソード５９ａとアノード６９との間の電子増倍器６１ａ及び６１ｂを気密封止するために封止部材を使用することにより、単一の真空ポンプ構造が発生すると、高い漏れ率を被ることがある。ゲッター材料７２は、スペーサ部材６５ａ、６５ｂ及び６９ａに隣接する表面にコーティングとして塗布される。排出プロセスを通して起動された場合、及び／又は熱エネルギーと組み合わせた場合、ゲッター材料７２は、ガスを除去して、離間されたギャップ又は空洞７４内の真空レベルを維持することができる。真空の除去又は維持は、本明細書では「ゲッターポンプ又はゲッターポンピング」と説明される。真空内のゲッター材料は、製造される際に残留ガスを継続的に除去し、多くの場合、封止プロセス中にポンプが単独で達成できるよりも高い真空を達成する。
【0040】
デジタルセンサ５６ｂは、アナログ画像増強管５８ｂの後側から離間しているか、又はこれに連結されている。デジタル撮像装置５４、及び具体的には、ＣＭＯＳデジタルセンサ５６ａは、ピクセルアレイ上の光学読み取りに対応する電気信号を、対応する一次電子増倍器６１ａ及び二次電子増倍器６１ｂの後側表面６４ａ及び６４ｂに送信する。電気信号は、後側表面６４ａ及び６４ｂ上のアドレス指定可能な電子Ｓｐｉｎｄｔ放出器に送信される。電子放出器は、従来の半導体フォトリソグラフィ及び後側表面にわたる堆積技術を使用して、突起のアレイとして印刷された導電性突起７８であり得る。各突起７８に囲まれ、かつそれらに連結されるのは、対応する電気信号を受信するようにバス２５に連結される作動回路である。論理値がバイナリ１であるかバイナリ０であるかに応じて、放出器突起７８は電子を放出し得る。各電子放出器７８は、増倍電子がセンサアノード６９に向かって放出される一対の離間した放出表面の間で、電子増倍器６１ａ又は６１ｂの後側表面から電子を放出する。
【0041】
アナログ画像増強管５８及び５８ｂは、一連の結合された離間された封止ウェハから同時に形成され得る。ウェハは、適切な加工シリコンウェハに結合されたガラススペーサウェハで構成され、封止部材及びゲッター部材は、スクリッド線の近くで結合されたウェハの間に離間されている。封止部材７０は、それぞれの個々のダイ又はチップの周りに構成され、それによって、封止されると、ダイ又はチップが、互いに真空で封止された一次電子増倍器６１ａ及び二次電子増倍器６１ｂをフォトカソード５９ａとアノード６９との間に有する。
【0042】
一次電子増倍器６１ａは、二次電子増倍器６１ｂのスクライブされた半導体ウェハ６４ｂと同一であるスクライブされた半導体ウェハダイ６４ａを備えるため、１つの電子増倍器６１ｂの各電子放出器７８は、他の電子増倍器６１ａの対応する電子放出器７８と整列する。より具体的には、各放出器突起７８の中央部分を通って延在する複数の放出器軸８２があり、その一次電子放出器６１ａ内の放出器突起７８の中心は、二次電子増倍器６１ｂ内の放出器突起７８の中心と同じ軸に沿って整列している。放出器軸８２は、放出軸８４に平行に示され、かつそこから離間されて示されている。放出軸は、一次電子増倍器６１ａ及び二次電子増倍器６１ｂの増倍電子放出エリア間の位置合わせを示す。もちろん、放出器軸８２の数は、一次電子増倍器６１ａ及び二次電子増倍器６１ｂの各々内の対の電子放出器の数に相当する。放出器突起７８の放出器先端は、その軸を通って延在し、その軸８２を中心とする。
【0043】
放出軸８４は、対応する放出器軸８２と平行な、対応する放出器軸８２から離間している。放出器軸８２及び放出軸８４の組み合わせは、電子がディスプレイ用に単一のピクセルとして放出される経路を含む。対応するガラススペーサウェハへの処理済みシリコンウェハの真空離間結合を通して画像増強管を形成し、その後、真空封止されたダイ又はチップを分離することによって、対応するピクセルの電子放出表面が軸８４に沿って整列し、電子放出器突起表面が軸８２に沿って整列し、ピクセルレベルでの解像度のずれ又はぼやけが起こらないようにする。ＤＣＷ及びＡＣＷは、従来のビームコンバイナで通常使用されるフォーマットよりもはるかに小さいフォトリソグラフィスケールのみの同じサイズ及び生成物に限定され、ＡＣＷは、高さ及び幅が１８ｍｍ以上である必要がある。更に、本画像増強器５８又は５８ｂは、電子増倍器６１ａ及び６１ｂ上にゲインを生成し、これらの増倍器に電子アドレス指定されたディスプレイを組み込む。各電子増倍器６１ａ及び６１ｂは同一であり、最も現在の画像増強器で使用される従来のＭＣＰの代わりに負電子親和性膜を使用する。電子増倍器デバイスは、図８に更に図示するように、ＭＥＭＳ処理及びウェハスケール技術に基づく。
【0044】
ここで図８を参照すると、合計８つのウェハを使用して、画像増強管が作製される。８つのウェハは、処理済みシリコンウェハ６４ａに結合されたスペーサウェハ６５ａを備え、一次電子増倍器ウェハ６１ａを形成する。スペーサウェハ６５ｂは、処理済みシリコンウェハ６４ｂに結合されて、二次電子増倍器ウェハ６１ｂを形成する。スペーサウェハ６９ａは、光ファイバウェハ６９ｂに結合されてセンサアノードウェハ６９を形成し、ＧａＡｓウェハ６３は、フェースプレートウェハ５９に結合されてフォトカソードウェハ５９ａを形成する。蛍光体８８は、センサアノード６９のスペーサウェハ６９ａ又は光ファイバウェハ６９ｂのいずれかに塗布することができる。ゲッター材料７２及び封止部材７０は、スペーサウェハ６５ａ、６５ｂ及び６９ａに塗布される。
【0045】
好ましい実施形態によれば、フォトカソード及びアノード５９ａ及び６９のフェースプレート及び光ファイバウェハを含む、結合されたスペーサ及び処理済みシリコンウェハの全体的厚さは、従来の画像増強管よりもかなり薄い。好ましくは、フェースプレート５９は、５０～８０ｍｉｌの厚さである。結合された一次電子増倍器ウェハ６１ａは、３～４ｍｉｌの厚さであり、二次電子増倍器ウェハ６１ｂも、３～４ｍｉｌの厚さである。センサアノード６９を形成するために使用される蛍光体コーティング８８を含む、結合された光ファイバスクリーン及びスペーサウェハ６９ａは、好ましくは、８０ｍｉｌ未満の厚さである。フェースプレートは、従来のフェースプレートから薄くすることができ、また十分な構造的完全性が残っている場合、様々なスペーサも薄くすることができる。半導体ウェハの各々は、対応するスペーサウェハに結合する前に、その後側表面を薄くすることができる。スペーサウェハは、光学的に透明なガラスであり、ゲッター及び封止材料を保持する真空空洞を提供する。一旦封止されると、フォトカソードと一次電子増倍器との間のギャップ、並びに一次電子増倍器と二次電子増倍器との間のギャップは、好ましくは１０ｍｉｌ未満である。二次電子増倍器の間のギャップは、好ましくは、１５ｍｉｌ未満である。ガラススペーサウェハ６９ａは、光ファイバウェハ５９ｂに熱膨張整合され、全てのスペーサウェハ６５ａ及び６５ｂと同様に、ゲッター及び封止部材が、その後空洞に塗布される。蒸着された原子層（ＡＬＤ）薄膜化蛍光体８８が、スペーサウェハ６９ａ又は光ファイバウェハ６９ｂに適用され、最高の撮像品質を提供する。
【0046】
ステップ９０に示すように、全てのウェハが各個々のダイを囲む封止部材と結合されると、封止されたウェハは、真空ポスト上に配置され、ステップ９２で真空封止されたウェハの組み合わせの全厚をダイス加工される。ダイス加工された後、ステップ９４で示されるように、個々のダイが除去される。フェースプレートウェハ、一次電子増倍器ウェハ及び二次電子増倍器ウェハ、及びセンサアノードウェハの組み合わせは、表面プレートウェハ、一次電子増倍器及び二次電子増倍器、及びセンサアノードウェハの間にソー又はスクライブされた線に沿って配置される封止部材に沿ってダイスされ、その間に真空封止された空洞を形成する。したがって、封止されたウェハのそれぞれ上の処理された構成要素は互いに整列し、一次電子増倍器及び第二の電子増倍器の放出及び放出器軸も整列されたフォトリソグラフィである。例えば、１つの結果のダイ９４を、アナログ撮像チャネル、特に画像増強管５８に送ることができ、他方のダイ９４を、第２の画像増強管５８ｂとしてデジタル撮像装置５４内に結合することができる。示されるように、結合された画像増強管５８ｂは、そこから延びるリードを有するパッケージ材料に更に成形され得る。アナログ画像増強管５８は、暗視システム５２のアナログ増強チャネル内に連結されるが、デジタル撮像装置５４内のパッケージ化された画像増強器５８ｂは、これらのソケットに連結され、一次電子増倍器６１ａ及び二次電子増倍器６１ｂの両方上の電子放出器７８に向かって延在し、かつ電子放出器７８に連結される、印刷バス２５を伴うソケットに電気的に連結される。
【0047】
ここで図９を参照すると、図７の領域９に沿った詳細な図が示されている。図９は、処理済みシリコン半導体ダイ６４ｂの後側表面から延在する電気的にアドレス指定可能な電子放出器７８の配置を示す。処理済みシリコン半導体ダイ６４ｂは、電子増倍器に入る電子９３を増倍して、そこから得られた複数の電子９５を提示する。処理済みシリコン半導体ダイ６４ｂは、後側表面から前側表面に向かってドープされたドープ領域９７を含むが、ドープ領域は前側表面までの全ての通り道には延在しない。追加的なドープ領域９９も形成される。ドープ領域９９は、ホウ素又はアルミニウムでドープされ、ｐ型のドープ材料を構成する。ドープ領域９９は、ｐ型のドーピング材料でもドープされる、ドープ領域９７に対して密にドープされる。増倍電子９５は、放出領域１０２から放出され、これは、放出領域１０２からの電子の流れを促進するために、負電子親和性状態に活性化される。放出領域１０２の間には、放出器７８、及び後側表面から突起７８として延在する特にＳｐｉｎｄｔ放出器先端が示されている。突起は導電性であり、ゲーティング回路１０４に連結される。ゲーティング回路は、バス５５（図６）上の電気信号を受信する様々なアクチュエータを含み、対応する放出器をオン又はオフにする。
【0048】
ゲーティング回路１０４は、印刷されたコンダクタを含み、酸化物１０６などの誘電体上に配置された複数の導電領域を堆積して、それらの導電部材１０４をドープ領域９７から分離することができる。導電性材料は、電子後方散乱を低減し、堆積される金属材料によって遮断されるエリアの比率によって任意の暗い電流を低減することができる。処理済みシリコン基板ダイ６４ｂの前側表面上にエッチング凹部があり、これは電子ビームを電子放出表面１０２のすぐ上の適切なピクセル領域へとチャネリングするのを助けることができる。前側表面のテクスチャは、ハローを軽減し、低入射電子エネルギーにおけるゲインを改善するのに役立つ。
【0049】
放出器先端の各突起７８により、ピクセルベースで、放出エリアの隣に、アドレス指定可能な電子を放出することができ、それによって、増倍された画像とは独立した画像を形成する。処理済みシリコン半導体ダイ６４ｂ、又はシリコン膜は、領域９９に対して領域９７で軽くｐ型ドープされる。結果として生じる生成物は、ハロー強度が４０倍、サイズが２倍減少することを示し、デバイス全体がほぼゼロのハローを有する。電子９３を受信する電子受信表面は、電子をデバイスの対向側（後側）上の放出表面に向けて押すために、より強くｐ型ドープされる。電子が前側表面に衝突すると、電子は衝撃イオン化によってそのエネルギーを放散し、追加の電子を生成する。この増幅のノイズ指数は約１．１２であり、ＭＣＰの１．４～１．７の範囲のノイズ指数よりもはるかに低い。結果として、ＭＣＰ型増強器についての３６と比較して、信号対ノイズ比が４５増加する。得られた電子は、放出表面に拡散する。ｐ型ドーピングプロファイルが定位置にない場合、電子は放出表面１０２に向かって移動するにつれて横方向に拡散する。これは、一方の側で電子９３をアクティブに受信し、それらの電子を獲得し、次いで、対向表面１０２にそれらを拡散し、それらを再放出することであり、本デバイスに透過モード二次電子（ＴＭＳＥ）増強器の名称を与えることになる。ドーピングプロファイルは、電子をより小さな放出表面に送り込む。ＭＣＰベースの増強器では、入力と出力の穴はほぼ同じサイズであるため、電子の焦点が合わない。ＴＭＳＥデバイスでは、受信エリアは放出エリアよりも大きい。これにより、変調伝達関数、又は画像忠実性が改善される。ＭＣＰ増強器では、変調伝達関数における最大の損失は、電子がＭＣＰの後方から離れる際に保有する放射状のエネルギーである。この放射状のエネルギー、すなわち平均移動エネルギーは、電子を構成要素間の真空ギャップに拡散することを可能にする。ＧａＡｓフォトカソード及びシリコンゲインウェハの負極電子親和性表面は、ＭＣＰよりも１桁小さいＭＴＥを有する。これらの特徴、小さな放出エリア、ドーピングプロファイル、低ＭＴＥ、及び前側表面テクスチャは、６４～８１（ｌｐ／ｍｍ）の解像度を有するＭＣＰベースの増強器と比較して、全ての空間周波数にわたってＭＴＦを改善し、９０（ｌｐ／ｍｍ）の解像度を有するデバイスをもたらす。実際のＴＭＳＥ電子増倍器デバイスには、ＭＣＰベースの増強器と同じゲインを生成するために、一次電子増倍器と二次電子増倍器の両方として２つのシリコンゲイン層がある。ＭＴＦの改善により、１４ｍｍのダイサイズ電子増倍器で、現在の１８ｍｍのＭＣＰベースの画像増強器と同じ範囲認識が可能となった。したがって、暗視システムサイズは、画像増強チャネルＡＣＷ及びＤＣＷ、並びに関連光学系の低減によって低減され得る。
【0050】
スクリーン解像度は、画像増強チャネルと組み込まれたスクリーンの両方にとって重要である。電子が放出領域１０２の初期放出スポットから移動する半径は、放出電子の平均横エネルギーによって決定される。これは、表面に平行に配向されるエネルギーの量である。半径は以下により与えられる。
ギャップは、放出器先端突起７８を含むシリコン層とセンサアノード６９との間の距離である。Ｖｂｉａｓは、放出器７８のシリコン膜とセンサアノード６９との間の電圧である。増強器では、ギャップ及び電圧バイアスは、３７５ミクロン及び４２００ボルトの標準増強器と同じである。負電子親和性表面ＧａＡｓ及びシリコンについて、ＭＴＥはそれぞれ０．０５及び０．０７５ボルトのオーダである。電子放出器７８の電界放出器先端の場合、ＭＴＥ及びコリメート構造は、０．１２ボルトのオーダである。表１は、負電子親和性ＧａＡｓ及び負電子親和性ケイ素、並びにコリメートされた電界放出先端の３つのＭＴＥ値の投影半径を示す。
【数1】
【表1】
【0051】
上の表１に示すように、電子放出器の電界のスポット半径は、負電子親和性ＧａＡｓ及びシリコンからのスポットのオーダ上にある。電子的にアドレス指定可能なスクリーンは、画像増強器とほぼ同じ解像度を有する。アドレス指定可能な電界放出電子放出器アレイを含む能力を有する各増強器ピクセルにより、ピクセルカウントも同一となり得る。増強器の意図されるピクセルサイズは６ミクロンであり、フォーマットは１４ｍｍの水平及び垂直である。したがって、アレイサイズは５．４メガピクセルである。これは、現在軍事システムによって指定されているほとんどの表示要件を超えている。したがって、導出される幾何学的形状は、通常の画像増強器と同じ色のモノクロ表示である。
【0052】
ここで図１０を参照すると、図９の領域１０内の底部後側図が示されている。具体的には、図１０は、一対の電子放出器７８の間に離間された増倍電子放出エリア１０２を示す。放出領域１０２の周りの領域は、ピクセル単位で隣接する電子放出器７８を作動させるために使用される制御回路１０４のために予約されている。図１０は、二次電子増倍器６４ｂの後側表面の一部分のみを示すと認識される。また、一次電子増倍器６４ａの後側表面は、二次電子増倍器６４ｂの後側表面と同一であることが認識される。このように、一次電子増倍器６４ａの後側表面にある第１の複数の離間した放出表面１０２は、二次電子増倍器６４ｂの後側表面にある対応する第２の複数の離間した放出表面１０２と整列し、かつ同一の放出軸に沿っている。第１の複数の離間した放出表面１０２は、第１の複数の離間した電子放出器７８とインターレースされる。第２の複数の離間した放出表面１０２は、第２の複数の離間した電子放出器７８とインターレースされる。第１の複数の離間した放出表面の各々は、互いに平行であり、真空ハウジングの内壁に平行な複数の放出軸に沿って、第２の複数の離間した放出表面のそれぞれのものと整列する。更に、複数の放出器軸は、複数の放出器軸に平行であり、かつ複数の放出器軸とインターレースされる。
【0053】
空間配置に赤緑青（ＲＧＢ）ピクセルを含むカラーディスプレイを作成することは、画像増強器及び電子増倍器の後側表面上に組み込まれた電子アドレス指定可能なディスプレイの両方の解像度を減少させる。カラーディスプレイは、固定期間を時間的に分割し、白色蛍光体スクリーンを利用して、電子的に調整可能なカラーフィルタの外部セットを追加することによって作成することができる。例えば、１／３０秒の期間中、不等分に分割され、赤色である任意のピクセルが最初にアドレス指定され、次に緑色である画素がアドレス指定され、２番目に作動され、最後に、３番目の時間スライス上で、青色電界放出点が起動され、青色フィルタが起動される。
【0054】
種々の例示的実施形態の構成及び配置は、例示にすぎないことに留意することが重要である。いくつかの実施形態のみが本開示に詳細に記載されているが、本開示を検討する当業者は、本明細書に記述される主題の新規の教示及び利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状及び割合の変形、パラメータの値、取付配置、材料の使用、色、配向など）が可能であることを容易に理解するであろう。例えば、一体的に形成されたものとして示される要素は、複数の部品又は要素から構築され得、要素の位置は、逆転され得、又は他の方法で変化され得、離散的な要素又は位置の性質又は数は、変更され得、又は変化され得る。任意のプロセス又は方法ステップのオーダ又はシーケンスは、代替的な実施形態に従って変更又はリシーケンスされ得る。更に、特定の実施形態の特徴は、当業者によって理解されるように、他の実施形態の特徴と組み合わされ得る。本発明の範囲から逸脱することなく、様々な例示的実施形態の設計、動作条件、及び配置において、他の置換、修正、変更、及び省略がなされ得る。
【0055】
本明細書で使用される場合、「約」、「およそ」、「実質的に」、「概して」などという用語は、記載される値又は範囲のプラス又はマイナス１０％を意味する。更に、本明細書で使用される場合、「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」という単数形は、文脈が別途明確に示さない限り、複数形も含むことが意図される。「及び／又は」という用語は、関連する列挙された項目のうちの１つ以上のうちの任意の及び全ての組み合わせを含む。例えば、「特徴」への言及は、複数のこうした「特徴」を含む。「Ｘ及び／又はＹ」の文脈で使用される「及び／又は」という用語は、「Ｘ」又は「Ｙ」又は「Ｘ及びＹ」として解釈されるべきである。
【0056】
詳細な説明、図面、及び特許請求の範囲に記載される図示した実施形態は、限定することを意図するものではない。本明細書に提示される主題の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他の実施形態を使用し得、他の変更が行われ得る。更に、各実施形態の特定の態様は、本開示の他の実施形態と併せて使用することができ、したがって、本開示の実施形態は、当技術分野で理解されるように組み合わされ得る。本開示の態様は、概して本明細書に記載され、図に図示されるように、多種多様な異なる構成で配置、置換、組み合わせ、分離、及び設計することができ、それら全ては本明細書に明示的に意図されている。
【0057】
様々な実施形態を記述するための本明細書の「実施例」という用語のいかなる使用も、こうした実施形態が、可能な実施形態の可能な実施例、表現、及び／又は図式であることを示すことが意図される（及びこうした用語は、こうした実施形態が必ずしも並外れた、又は最上級の実施例であることを意味することを意図するものではない）。更に、本明細書で使用される場合、「実質的に」という用語及び類似の用語は、本開示の主題が関連する当業者による一般的かつ許容可能な使用と調和する広範な意味を有することを意図している。これらの用語は、これらの特徴の範囲を提供される正確な数値範囲に制限することなく、説明及び請求される特定の特徴の説明を可能にすることが意図されていることを、本開示を吟味する当業者は理解すべきである。したがって、これらの用語は、記載され、請求される主題（例えば、所与の角度又は他の値のプラス又はマイナス５％以内）の実体のない又は結果的な修正又は変更が、添付の特許請求の範囲に列挙される本発明の範囲内であるとみなされることを示すものとして解釈されるべきである。値に関して使用される場合に「およそ」という用語は、関連する値のプラス又はマイナス５％を意味する。
【0058】
本明細書で使用される場合、「連結」などという用語は、２つの部材の相互への直接的又は間接的な接合を意味する。こうした接合は、固定（例えば、永久的）又は移動可能（例えば、取り外し可能若しくは解除可能）であり得る。こうした接合は、２つの部材又はそれら２つの部材、及び互いに単一の一体的構造体として一体的に形成される任意の追加の中間部材、又は２つの部材を伴った、又は２つの部材及び任意の追加の中間部材と、互いに取り付けられて達成され得る。
【0059】
本明細書の図は、方法ステップの特定の順序及び組成物を示し得るが、これらのステップの順序は、図示されたものとは異なる場合があることが理解され得る。例えば、２つ以上のステップを、同時又は部分一致で実施し得る。また、別個のステップとして実施されるいくつかの方法ステップは、組み合わされ得、組み合わされたステップとして実施されるステップは、別個のステップに分離され得、特定のプロセスのシーケンスは、逆転し得るか、又はそうでなければ変化し得、別個のプロセスの性質又は数は、変更され得る。任意の要素又は装置のオーダ又はシーケンスは、代替的な実施形態に従って変化又は置換され得る。したがって、こうした全ての修正は、添付の特許請求の範囲に定義される本開示の範囲内に含まれることが意図される。
【0060】
更なる詳述なしに、当業者は、請求項に記載の発明をその最大の範囲まで利用するために、前述の説明を使用することができると考えられる。本明細書に開示される実施例及び実施形態は、単に例示的なものであり、いかなる方法によっても本開示の範囲の制限ではないと解釈されるべきである。上述の実施形態の詳細に、議論される根底にある原理から逸脱することなく、変更がなされ得ることは、当業者には明らかであろう。言い換えれば、上記の説明に具体的に開示される実施形態の様々な修正及び改善は、添付の特許請求の範囲内にある。例えば、記載される様々な実施形態の特徴の任意の好適な組み合わせが企図される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【国際調査報告】