CH689846A5 - Elektronischer Bildwandler. - Google Patents

Description

  
 


 Stand der Technik 
 



  Die Erfindung geht aus von einem elektronischen Bildwandler nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1. Es ist bereits ein Fotodetektor der Firma Hamamatsu aus "Technical Notes", TN-102, 1982, Seiten 1 bis 10, bekannt, welcher vier Elektroden aufweist, die in Form eines Vierecks einander paarweise gegenüberliegend auf einem Halbleiter angeordnet sind und die Position eines Lichtpunkts auf der Halbleiteroberfläche detektieren. Die Grundlage für die Detektion des Lichtpunkts bildet der laterale Fotoeffekt ("Photoeffects in Nonuniformly Irradiated p-n-Junctions", Gerald Lucovsky, Journal of Applied Physics, Vol. 31, Nr. 6, 1960, Seiten 1088 bis 1095). Das Potential an den Elektroden entspricht einem Linienintegral bzw. Cauchy-Integral über die elektrische Potentialverteilung entlang einer geschlossenen Kurve auf der Halbleiteroberfläche, bei einer analytisch komplexen Darstellung.

   (Bronstein, Semendjajew, "Taschenbuch der Mathematik", Verlag Harri Deutsch, 23. Auflage 1987, S. 518-522). Für die Detektion mehrerer Lichtpunkte ist es  möglich, mehrere solcher Fotodetektoren z.B. in Matrixanordnung zu vereinen und so auf jedem Detektor einen Lichtpunkt zu detektieren. Die Anzahl der Fotodetektoren begrenzt dabei die Auflösung. 



  Weiter bekannt ist die Verwendung von Festkörperbildsensoren, z.B. aus "IS 256 Optic RAM 262, 144 Element Solid-State Image Sensor" (Micron Technology 1986) für die Detektion mehrerer Bildpunkte. Aufgrund der hierbei nötigen zeitlichen Abtastung kann auf einen Bildpunkt nur periodisch zugegriffen werden. Die Einhaltung des Abtasttheorems zur Vermeidung von Aliasing-Effekten führt dabei zu hohem technischem Aufwand und begrenzt die Leistungsfähigkeit des Systems. 


 Vorteile der Erfindung 
 



  Der erfindungsgemässe elektronische Bildwindler mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass für die Detektion mehrerer Bildpunkte nur ein Bildwandler mit der erfindungsgemässen Anordnung der Einzelelektroden nötig ist. Des weiteren entstehen bei der Detektion mehrerer Bildpunkte keine räumliche Lücken, wie sie zwangsläufig bei der Anordnung mehrerer Bildwandler auftreten würden, so dass sich die Auflösung eines Bildes vorteilhaft verbessert. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, dass mit relativ geringem Aufwand eine hohe Anzahl von Bildpunkten detektiert werden kann, wobei die Messung zeitkontinuierlich erfolgt. Dadurch entsteht der weitere Vorteil, dass kein zeitliches Abtasttheorem zu erfüllen ist und auch keine zeitlichen Aliasing-Effekte auftreten können.

   Der Bildwandler führt ausserdem den Vorteil mit sich, dass dasselbe Wandlerprinzip sowohl zur Umwandlung von optischen als auch akustischen Bildern in elektrische Signale und in umgekehrter Richtung einsetzbar ist. 



  Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen elektronischen Bildwandlers möglich. 



  Die Ausbildung des Trägerelements als Halbleiter führt den Vorteil der einfachen Herstellbarkeit und bessere Eignung für die Massenproduktion mit sich. 



  Die Ausgestaltung des Bildwandlers als pin-Schichthalbeiter führt in vorteilhafter Weise zu einer hohen Genauigkeit des Wandlers, da eine hohe Ausbeute an optisch generierten Ladungsträgerpaaren erreicht wird. 



  Besonders vorteilhaft ist es, die Referenzelektrode optisch transparent auszuführen, wodurch der elektronische Bildwandler von zwei Seiten her mit Licht bestrahlbar ist. Bestrahlt man den Wandler mit Licht von der Seite mit der transparenten Referenzelektrode, so können Störungen durch die am Rand der Halbleiteroberfläche verteilten Einzelelektroden, wie sie auf der gegenüberliegenden Seite vorliegen, verringert werden. 



  Die Ausbildung des elektronischen Bildwandlers mit einer hochohmigen und einer piezoelektrischen Schicht dient in vorteilhafter Weise zur Verwendung des elektronischen Bildwandlers zur Aufnahme oder Abgabe von akustischen, räumlich verteilten Signalen, d.h. akustischen Bildern. 



  Die Verwendung von Polyvinyliden-Fluorid als piezoelektrische Schicht bietet die Vorteile der Empfindlichkeit sowohl im optischen als auch im akustischen Bereich vereint mit der Eröffnung des Infrarot-Spektrums zur Bilderfassung, der leichten Beschichtbarkeit mit Elektroden- Strukturen und der Möglichkeit der Realisierung grosser, flexibler Schichten. Die Ausführung der Referenzelektrode als infrarotlichttransparente Elektrode eröffnet einem mit Polyvinyliden-Fluorid beschichteten elektronischen Bildwandler die Möglichkeit, ebenfalls zur Vermeidung von Randeffekten, von der Oberseite her bestrahlbar zu sein. 



  Weiter erweist es sich als vorteilhaft, den elektronischen Bildwandler mit einer elektrolumineszenten Schicht zu versehen, wodurch der Bildwandler als Geber für optische Bildsignale geeignet ist. 



  Eine weitere vorteilhafte Ausführung des Bildwandlers ist eine Kombination einer hochohmigen Schicht mit einer Flüssigkristallschicht, die in Verbindung mit einer Lichtquelle ebenfalls als optischer Geber fungieren kann. 



  Ein homogener Raumwiderstand vereinfacht in vorteilhafter Weise die weitere Verarbeitung der an den Einzelelektroden anliegenden Potentiale in reeller Darstellung, da eine einheitliche Gewichtung für bezüglich der Anordnung der Einzelelektroden symmetrische Einzelelektroden in der Potentialmatrix wählbar ist. 



  Durch die Berechnung der Matrix der gemessenen Potentiale in reeller Darstellung mittels Hilbert und inverser Fourier-Transformation erfolgt eine Zuordnung der an den Einzelelektroden anliegenden Potentiale zu den Intensitäten und Orten der auftreffenden Lichtstrahlen. 



  Eine Berechnung eines eindimensionalen Signals mittels Fourier-Transformation und Realteilbildung führt zu einer Darstellung der korrespondierenden zweidimensionalen Potentialmatrix und dem ebenfalls korrespondierenden Bild auf dem Bildwandler. 



  Zeichnung 



  Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. 



  Es zeigen: 
 
   Fig. 1 einen erfindungsgemässen elektronischen Bildwandler als optischen Bildaufnehmer in einer unteren Draufsicht, 
   Fig. 2 einen erfindungsgemässen elektronischen Bildwandler als optischen Bildaufnehmer im Querschnitt, 
   Fig. 3 einen erfindungsgemässen elektronischen Bildwandler als akustischen und optischen Bildaufnehmer bzw. -geber im Querschnitt, 
   Fig. 4 einen erfindungsgemässen elektronischen Bildwandler als optischen Bildgeber mit einer Flüssigkristallschicht im Querschnitt, 
   Fig. 5 ein Blockschaltbild mit einem Bildaufnehmer, Verstärkern und einem Bildgeber, 
   Fig. 6 ein Flussdiagramm zur Berechnung eines eindimensionalen Ausgangssignals aus der Potentialmatrix, 
   Fig. 7 ein Flussdiagramm zur Berechnung der Potentialmatrix aus dem eindimensionalen Ausgangssignal. 
 


 Beschreibung der Ausführungsbeispiele 
 



  Fig. 1 zeigt die Unterseite eines elektronischen Bildwandlers mit einem quadratischen mehrschichtigen Halbleiter 1, der eine Wandlerfläche 18 aufweist, an dessen gesamter quadratischer Randlinie 19 entlang gleichmässig verteilt einander paarweise gegenüberliegend mehrere rechteckige Einzelelektroden 2 nebeneinander angeordnet sind. Auf der Oberfläche des quadratischen mehrschichtigen  Halbleiters 1 innerhalb der Wandlerfläche 18 ist ein Auftreffpunkt eines Lichtstrahls 6 markiert. Wie Fig. 2 zeigt, ist der quadratische mehrschichtige Halbleiter 1 aus einer p-leitenden Schicht 3, einer n-leitenden Schicht 5 und einer zwischen den beiden Schichten 3, 5 liegenden intrinsischen Schicht 4 aufgebaut.

   Auf der der intrinsischen Schicht 4 gegenüberliegenden Seite der p-leitenden Schicht 3 befindet sich eine Referenzelektrode 12, die die gesamte Fläche der der intrinsischen Schicht 4 gegenüberliegenden Seite der p-leitenden Schicht 3 bedeckt. 



  Wird zwischen den Einzelelektroden 2 und der Referenzelektrode 12 eine Spannung angelegt, so bilden sich bei einem von oben oder unten auf den elektronischen Bildwandler einfallenden Lichtstrahl 6 durch den lateralen Fotoeffekt Ladungsträgerpaare, die durch das zwischen den Einzelelektroden 2 und der Referenzelektrode 12 bestehende elektrische Feld getrennt und abgesaugt werden, ehe Rekombination eintritt. Die Menge der Ladungsträger ist proportional der Lichtintensität. Durch Messung der an den Einzelelektroden 2 ankommenden Ladungsträger erhält man die Potentiale an den Einzelelektroden 2 als Messergebnisse, die von der Lichtintensität und dem Ort des Lichtstrahls 6 abhängen. Die Randlinie 19 der Wandlerfläche 18 begrenzt dabei in etwa die Fläche, innerhalb derer die Auftreffpunkte von Lichtstrahlen 6 liegen sollen, um ein exaktes Ergebnis der Wandlung zu erhalten. 



  Durch Rechnung kann aus den gemessenen Potentialen sowohl der Ort als auch die Intensität des Lichtstrahls 6 ermittelt werden. Als Grundlage dafür dienen die Hilbert-Transformation (siehe z.B. H.Marko "Methoden der Systemtheorie", Nachrichtentechnik 1, Springer Verlag 1986 S. 114 ff), die Fourier-Transformation (siehe z.B. H.Marko "Methoden der Systemtheorie", Nachrichtentechnik 1, Springer  Verlag 1986 S. 15 ff), bzw. das Cauchy-Integral (siehe z.B. Schaum's Outline Series, "Theory and problems of Complex Variables", Murray R. Spiegel, Mc Graw Hill Book Company, S. 92-97, 118-120). 



  Bei einer Anordnung von beispielsweise je vier Einzelelektroden 2 an jeder Seite der quadratischen Randlinie 19 auf der Oberfläche des quadratischen mehrschichtigen Halbleiters 1 entsteht eine Matrixanordnung aus 16 in einem Quadrat angeordneten Feldern. Da durch die Anordnung der Einzelelektroden 2 die Wandlerfläche 18 virtuell in eine Matrixstrukur aufgeteilt wird und somit bereits der Ort jedes Matrixelements bekannt ist, muss lediglich die Intensität des Lichtstrahls 6 im jeweiligen Matrixelement ermittelt werden. An jeder Einzelelektrode 2 wird eine lineare Kombination der Potentiale aller Matrixelemente gemessen. 



  Aus den gemessenen Potentialen erfolgt eine Berechnung in ein eindimensionales Ausgangssignal A. Die Berechnung wird anhand der Fig. 6 noch erläutert. 



  Während mit einer Anordnung aus Sensoren vom Typ Hamamatsu für 16 Bildpunkte 16 Sensoren mit je fünf Elektroden, was einer Gesamtanzahl von 80 Elektroden entspricht, nötig wäre, ist bei einer Anordnung vom erfindungsgemässen Typ bei geringer Auflösungseinbusse nur eine Anzahl von 17 Einzelelektroden nötig. Bei einer Anordnung von vielen Matrixelementen entsteht aufgrund der Bandbegrenztheit reeller Bilder der Effekt einer Bandbreitenreduzierung, wodurch weniger Einzelelektroden angeordnet sein müssen, als Matrixelemente vorhanden sind. Dieser Effekt verläuft nichtlinear. 



  Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines  erfindungsgemässen elektronischen Bildwandlers. Eine piezoelektrische Schicht 8 weist an ihrer Oberseite eine Referenzelektrode 12 auf. Auf der Unterseite ist die piezoelektrische Schicht 8 mit der Oberseite einer hochohmigen Schicht 7 verbunden. Auf der Unterseite der hochohmigen Schicht 7 befinden sich wieder an der Randlinie 19 der Wandlerfläche 18 verteilt analog Fig. 1 die Einzelelektroden 2. Mit dieser Ausgestaltung des elektronischen Bildwandlers ist eine Raumverteilung von Schall messbar. Für eine gegebene Raumverteilung des Schalls 13 auf der Oberfläche der Referenzelektrode 12 entsteht eine äquivalente elektrische Potentialverteilung auf der Grenzfläche zwischen piezoelektrischer Schicht 8 und hochohmiger Schicht 7.

   Da die hochohmige Schicht 7 einen einheitlichen Raumwiderstand aufweist, können die auf der Grenzfläche existierenden elektrischen Potentiale mit den Einzelelektroden 2 erfasst werden. Diese Art des elektronischen Bildwandlers kann auch als akustischer Bildgeber eingesetzt werden. Ein Anlegen von elektrischen Potentialen an die Einzelelektroden 2 führt zum Ausbilden eines äquivalenten Schalldruckpotentials auf der piezoelektrischen Schicht 8. 



  Die Verwendung von Polyvinyliden-Fluorid als Material für die piezoelektrische Schicht 8 ist besonders zweckmässig. Dieses Material weist fast die gleiche akustische Impedanz wie Wasser auf und ist somit besonders für Unterwasser-Schallwandler geeignet. Ausserdem erweist sich Polyvinyliden-Fluorid als infrarotempfindlich. Damit kann der erfindungsgemässe elektronische Bildwandler mit einer Polyvinyliden-Fuorid-Schicht gleichzeitig als akustischer und optischer Bildgeber und -aufnehmer eingesetzt werden. 



  Weiterhin ist es vorgesehen, die piezoelektrische Schicht 8 durch eine elektrolumineszente Schicht 8 zu ersetzen. In  diesem Fall muss die Referenzelektrode 12 optisch transparent sein. Ein so ausgestalteter elektronischer Bildwandler fungiert als optischer Bildgeber. Ein Anlegen eines elektrischen Potentials an die Einzelelektroden 2 führt zur Abgabe eines optischen Signals von der elektrolumineszenten Schicht. Ein solcher Bildwandler kann daher ein elektronisch kodiertes Bild wiedergeben, dessen Kodierung z.B. mittels eines weiteren nach dem gleichen Prinzip aufgebauten Bildwandlers erzeugt wurde. Dabei bedingt die Art der Kodierung eine Ermittlung der elektrischen Potentiale entlang einer geschlossenen Linie, die die Randlinie des Bildwandlers darstellt. 



  Fig. 4 zeigt eine Ausgestaltung des elektronischen Bildwandlers mit einer Flüssigkristallschicht. Eine Flüssigkristallschicht 11 wird von Seitenverschlüssen 10 und einer auf der Unterseite einer Frontscheibe 9 angebrachten Referenzelektrode 12 nach oben hin verschlossen. Die Unterseite der Flüssigkristallschicht 11 liegt auf einer hochohmigen Schicht 7 auf, an deren Unterseite an der Randlinie 19 der Wandlerfläche 18 entlang die Einzelelektroden 2 angebracht sind. Unter der Anordnung befindet sich eine Lichtquelle 14. 



  Der so aufgebaute Bildwandler fungiert ebenfalls als optischer Bildgeber. Auch hier wird eine an den Einzelelektroden 2 anliegende elektrische Potentialverteilung auf eine Verteilung der Transparenz der Flüssigkristallschicht 11 abgebildet. Die Transparenzverteilung auf der Wandleroberfläche erscheint durch die Beleuchtung der Lichtquelle 14 als optisches Bild. 



  Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild mit zwei erfindungsgemässen elektronischen Bildwandlern mit dazwischengeschalteten Verstärkern. Ein erster elektronischer Bildwandler 15 mit  rundem Querschnitt und auf seiner Oberfläche entlang der Randlinie 19 verteilten Einzelelektroden 2 weist an jeder seiner Einzelelektroden 2 eine elektrische Verbindung zu je einem Verstärker 16 auf. Der Ausgang jedes Verstärkers 16 ist auf die Einzelelektroden 2 eines zweiten elektronischen Bildwandlers 17 geführt. 



  Das mit dem ersten elektronischen Bildwandler 15 aufgenommene Bild wird umgewandelt in elektrische Potentiale an den Einzelelektroden 2 abgegriffen und über den jeweiligen Verstärker 16 auf den zweiten elektronischen Bildwandler 17 geführt, wo die elektrischen Potentiale an dessen Einzelelektroden 2 wieder in ein optisches Bild umgewandelt werden. 



  In Fig. 6 ist ein Flussdiagramm zur Berechnung eines eindimensionalen Ausgangssignals A aus der Potentialmatrix E dargestellt. In Analogie zum Linienintegral (Cauchy-Integral) für eine analytische komplexe Potentialverteilung erfolgt dabei eine Umformung der Potentialmatrix E in reeller Darstellung in ein äquivalentes Ausgangssignal A. Dabei wird die Matrix E der Elektrodenpotentiale mittels der Hilbert-Transformation H(E) in eine komplexe Matrix K = E + j*H(E) erweitert und dann mittels der inversen Fourier-Transformation F<-><1> in das eindimensionale Ausgangssignal A = F<-><1>(K) umgeformt. 



  In Fig. 7 ist die Berechnung der Matrix der Elektrodenpotentiale aus dem Ausgangssignal A als Flussdiagramm dargestellt. 



  Nach der Anordnung des Ausgangssignals A in eine Matrixform A erfolgt eine Fouriertransformation F(A). Mittels Realteilbildung Re(F) erhält man die Potentialmatrix E, deren Elemente die an die Einzelelektrode 2 anzulegenden  Potentiale zur Wiedergabe des korrespondierenden Bildes auf der Wandlerfläche 18 darstellen. 



  Die elektrische Potentialverteilung kann ebenso als analytische komplexe Funktion dargestellt werden, die dann mittels des Cauchy-Linien-Integrals in ein eindimensionales Signal umgewandelt wird. 



  Eine besondere Anwendung kann der Bildwandler bei Elektrokardio- und Elektroenzephalogrammen finden, wobei vorteilhafterweise eine hohe Anzahl von Einzelelektroden 2 zur Ermittlung einer Potentialverteilung am Herzen oder am Gehirn dient. 



  Die Einzelelektroden 2 können auch andere als eine rechteckige Form, wie z.B. rund oder oval aufweisen, was unter anderem von der Geometrie der Wandlerfläche abhängen kann. 



  Eine Ausführung des in Fig. 1 gezeigten Bildwandlers mit an nur zwei Seiten des quadratischen mehrschichtigen Halbleiters 1 verteilten Einzelelektroden 2 ist bereits zur Detektion mehrerer Bildpunkte geeignet. Im Sinne einer geringen Redundanz und hoher Signalgüten ist jedoch eine gleichmässige Verteilung entlang der gesamten Randlinie 19 vorzuziehen. 

Claims (12)

1. Elektronischer Bildwandler mit einem scheibenförmigen, mehrschichtigen Trägerelement, das eine Wandlerfläche aufweist, und mit auf der untersten Schicht des Trägerelements angeordneten, aus zwei einander gegenüberliegend entlang der Randlinie der Wandlerfläche angeordneten Elektroden gebildeten Elektrodenpaaren, mit einer auf der obersten Schicht des Trägerelements angeordneten, flächenhaften Referenzelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass, zur Umwandlung eines Bildes mit mehr als einem Bildpunkt in eine Folge elektrischer Signale oder umgekehrt, die Elektroden wenigstens eines Elektrodenpaars entlang der Randlinie der Wandlerfläche (18) in mehrere Einzelelektroden (2) aufgeteilt sind und dass innerhalb der Wandlerfläche (18) keine Einzelelektroden (2) angeordnet sind.

2.

Elektronischer Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement ein Halbleiter (1) ist.

3. Elektronischer Bildwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter (1) als übereinander angeordnete Schichten eine p-dotierte Schicht (3), eine intrinsische Schicht (4) und eine n-dotierte Schicht (5) aufweist.

4. Elektronischer Bildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (12) optisch transparent ist.

5. Elektronischer Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement als unterste Schicht eine hochohmige Schicht (7) und als oberste Schicht eine piezoelektrische Schicht (8) aufweist.

6. Elektronischer Bildwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Schicht (8) aus Polyvinyliden-Fluorid besteht.

7.

Elektronischer Bildwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (12) für den Infrarotbereich optisch transparent ist.

8. Elektronischer Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement als unterste Schicht eine hochohmige Schicht (7) und als oberste Schicht eine elektrolumineszente Schicht (8) aufweist, wobei die Referenzelektrode (12) optisch transparent ist.

9. Elektronischer Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement als unterste Schicht eine hochohmige Schicht (7) und als oberste Schicht eine Flüssigkristallschicht (11) aufweist, wobei die Referenzelektrode (12) und die hochohmige Schicht (7) optisch transparent sind und die Lichtdurchlässigkeit der Flüssigkristallschicht (11) durch an den Einzelelektroden (2) anliegende elektrische Signale steuerbar ist.

10.

Elektronischer Bildwandler nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die hochohmige Schicht (7) einen homogenen Raumwiderstand aufweist.

11. Verfahren zur Bildwandlung mit einem elektronischen Bildwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Ortes und der Intensität von auf der Bildwandleroberfläche auftreffendem Licht oder Schall a) die an den Einzelelektroden (2) gemessenen Potentiale in Matrixform zu einer Potentialmatrix E angeordnet werden, b) dass weiter die Potentialmatrix E einer Hilbert-Transformation H unterworfen wird und c) dass die mit dieser Transformierten komplex erweiterte Potentialmatrix E einer inversen Fourier-Transformation F<-><1> unterworfen wird,

aus der ein eindimensionales der Intensität des auf der Bildwandleroberfläche auftreffenden Lichts oder Schalls proportionales Ausgangssignal A folgt.

12. Verfahren zur Bildwandlung mit einem elektronischen Bildwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Ortes und der Intensität von Licht oder Schall auf der Bildwandleroberfläche aus einem nach dem Verfahren nach Anspruch 11 gewonnenen Ausgangssignal A a) das Ausgangssignal A in Matrixform angeordnet wird, b) dass diese Matrix einer Fourier-Transformation F unterworfen wird und c) dass der Realteil Re(F) der Ergebnismatrix der Fourier-Transformation F in Matrixform angeordnet wird und an den Elektroden (2) in Form elektrischer Potentiale mit dem Zahlenwert des jeweiligen Matrixelements entsprechender Amplitude angelegt wird.