DE102007049029A1

DE102007049029A1 - Konversionsschicht, Detektor, Detektoranordnung und Verfahren zum Herstellen von Konversionsschichten

Info

Publication number: DE102007049029A1
Application number: DE102007049029A
Authority: DE
Inventors: Gerald Dr. Fütterer
Original assignee: BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND VERTR DURCH D BUNDESMINISTERIUM F WIRTSCHAFT und TECHNOLOGIE; Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Fuetterer Gerald Dr 01277 Dresden De
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2009-04-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Konversionsschicht mit einer Konversionssubstanz, die geeignet ist, eine kurzwellige Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung (6, 13) größerer Wellenlänge als die Primärstrahlung zu konvertieren. Erfindungsgemäß ist eine Vielzahl zueinander ausgerichteter Richtblenden (12) in der Konversionsschicht (10, 16, 20, 38, 48, 49, 50) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Konversionsschicht zum Konvertieren einer kurzwelligen Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung anderer Wellenlänge. Die Erfindung betrifft ferner einen Detektor zum Detektieren der kurzwelligen Primärstrahlung sowie eine Detektoranordnung. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Konversionsschichten.
Unter Primärstrahlung wird sowohl elektromagnetische Strahlung als auch Teilchenstrahlung (z. B. Elektronen) verstanden.
Konversionsschichten werden eingesetzt, um Primärstrahlung aus einem bestimmten Wellenlängenbereich (z. B. UV-Wellenlängenbereich) in Sekundärstrahlung aus einem anderen Wellenlängenbereich (z. B. sichtbares Licht) umzuwandeln. Dadurch ist es möglich, den durch eine Kamera detektierbaren Wellenlängenbereich zu erweitern.
Bekannt ist es, Lumineszenzschichten (Fluoreszenz- und Phosphoreszenzschichten) als Konversionsschichten zur Detektion von ultravioletter Strahlung (UV-Strahlung), weicher Röntgenstrahlung oder beschleunigter Elektronen (Primärstrahlung) einzusetzen. Die Lumineszenzschicht wandelt die Primärstrahlung in sichtbares Licht (Sekundärstrahlung) um, das beispielsweise mit einer CCD-Kamera (CCD: Charged Coupled Devise) aufgenommen wird. Die CCD-Kamera liefert so ein Bild der Primärstrahlung.
Konversionsschichten weisen spezifische Abstrahlcharakteristika auf. Ein Primärstrahl, der unter einem kleinen Raumwinkel auf die Konversionsschicht auftrifft, erzeugt in der Konversionsschicht eine Sekundärstrahlung, die von dem Ort ihrer Entstehung (Quelle) in einen sehr viel größeren Raumwinkel emittiert wird.
Der von einem Detektor empfangbare Anteil von Sekundärstrahlung ist abhängig von dem Raumwinkel, unter dem der Detektor von der Quelle aus erscheint. Bei einer feststehenden Detektorfläche (z. B. CCD-Chip) ist die detektierbare Strahlung bzw. die Strahlungsdichte am Detektor von dem Abstand der Quelle von dem Detektor abhängig.
Die Detektion der Sekundärstrahlung erfordert eine ausreichende Strahlungsdichte, die unter anderem von der Empfindlichkeit des Detektors abhängt.
Die Strahlungsdichte kann zum einen durch die Dicke der Konversionsschicht beeinflusst werden. Mit zunehmender Dicke der Konversionsschicht nimmt jedoch auch die Gefahr des Übersprechens von Bildinformationen zwischen benachbarten Pixeln eines CCD-Chips (Pixel-Matrix) zu. Darunter ist die Gefahr zu verstehen, dass Sekundärstrahlung, die aufgrund ihres Raumwinkels von einem bestimmten Pixel des CCD-Chips empfangen worden wäre, aufgrund von Streuung innerhalb der Konversionsschicht von einem benachbarten Pixel empfangen wird. Dieses Übersprechen wirkt sich nachteilig auf die Ortsauflösung des Detektors aus.
Die räumliche Aufweitung der Sekundärstrahlung hinter einer Konversionsschicht lässt sich durch das Einfügen eines optischen Wellenleiters zwischen die Konversionsschicht und den Detektor reduzieren. Als Wellenleiter werden optische Faserplatten oder optische Faser-Verjünger (so genannte Taper) eingesetzt. Faserplatten werden aus zu Matrizen zusammengefassten optischen Fasern (z. B. Glasfasern) hergestellt. Die einzelnen Fasern weisen in der Regel einen hochbrechenden transparenten Kern und einen niedrig brechenden transparenten Mantel auf. Die Fasern werden zusammengefasst und als Bündel unter Beibehaltung ihrer räumlichen Zuordnung ausgezogen. Im Unterschied zu Faserplatten wird bei Faser-Verjüngern der Abbildungsmaßstab verändert.
Wird die Dicke der Konversionsschicht reduziert, um die Gefahr des Übersprechens zu reduzieren, tritt das Problem auf, dass die Strahlungsdichte für eine zuverlässige Detektion nicht ausreichend groß ist. In diesem Fall ist eine Signalverstärkung notwendig. Eine Signalverstärkung führt jedoch zu einer Verstärkung des Rauschens.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Konversionsschicht bereitzustellen, die die vorstehenden Probleme vermeidet. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Detektor und eine verbesserte Detektoranordnung mit hohem Kontrast und hoher Ortsauflösung bereitzustellen. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Konversionsschicht bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Konversionsschicht gemäß Anspruch 1, einen Detektor gemäß Anspruch 15, eine Detektoranordnung gemäß Anspruch 19 sowie die Verfahren gemäß den Ansprüchen 21 und 23 gelöst.
Die durch Richtblenden erzeugte räumliche Strukturierung der Konversionsschicht reduziert den bei der Konversion der Primärstrahlung in Sekundärstrahlung auftretenden Streulichtanteil. Die erfindungsgemäße Konversionsschicht lässt sich zudem mit einer für eine hohe Strahlungsdichte erforderlichen Dicke ausbilden, ohne dass der Raumwinkel der emittierten Sekundärstrahlung zu groß wird. Dies gewährleistet kontrastreiche und lichtstarke Bilder bei gleichzeitig guter Ortsauflösung, wenn die Konversionsschicht in einer Detektoranordnung eingesetzt wird. Die durch die Richtblenden erzeugte Richtblendenstruktur verleiht der Konversionsschicht darüber hinaus gute mechanische Eigenschaften, insbesondere eine gegenüber herkömmlichen homogenen Lumineszenzschichten hohe Stabilität.
In einer Ausführungsform sind die Richtblenden durch Kapillaren gebildet, in deren Hohlräumen die Konversionssubstanz eingebettet ist. Der Vorteil der Verwendung von Kapillaren besteht in der einfachen Herstellung.
Werden die Richtblenden im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet, ist die Herstellung besonders einfach. Werden Kapillaren als Richtblenden verwendet, kann die Herstellung wie bei optischen Faserplatten erfolgen, wobei die Konversionssubstanz in die Kapillarhohlräume eingebracht wird.
Der Kontrast und die Ortsauflösung lassen sich weiter steigern, wenn die Richtblenden aus metallischem Glas oder Schwarzglas gebildet sind. Durch die Verwendung von Schwarzglas wird der Übergang der Sekundärstrahlung von einer Richtblende in eine benachbarte Richtblende durch Absorption reduziert. Bei der Verwendung von metallischem Glas erfolgt dies durch Reflexion. Es ist jedoch nicht notwendig, die Richtblenden, beispielsweise die Kapillarwände, selbst aus Schwarzglas oder metallischem Glas herzustellen. Der gleiche Effekt kann auch dadurch erreicht werden, dass die Innenwände der Richtblenden mit einer reflektierenden oder absorbierenden Beschichtung versehen sind. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Außenwände der Richtblenden mit einer reflektierenden oder absorbierenden Beschichtung versehen sind. Denkbar sind auch Kombinationen aus reflektierenden und absorbierenden Materialien bzw. Beschichtungen. In einer Ausführungsform sind die Richtblenden aus Schwarzglas gebildet und auf ihren Innenwänden mit einer reflektierenden Beschichtung versehen. Auf diese Weise wird der Hauptanteil der Sekundärstrahlung, deren Richtung deutlich von der optischen Achse einer Richtblende abweicht, in den Innenraum der Richtblende zurückreflektiert. Sekundärstrahlung, die dennoch durch die reflektierende Beschichtung hindurch propagiert, wird durch das absorbierende Material der Richtblende absorbiert. Auf diese Weise wird ein Übergang der Sekundärstrahlung von einer Richtblende in eine benachbarte Richtblende effektiv unterdrückt.
Die Verwendung reflektierender Materialien für die Beschichtung der Richtblenden bzw. die Herstellung der Richtblenden bietet neben einer Erhöhung des Bildkontras tes einen weiteren Vorteil: eine Steigerung der Empfindlichkeit einer Detektion. Durch die Reflektion wird Strahlung aus Raumwinkeln gesammelt, die ohne Reflektion nicht detektierbar wäre. Die dadurch bewirkte Effizienzsteigerung einer Detektion führt dazu, dass mit deutlich geringerer Leistung gearbeitet werden kann. Dies schont insbesondere empfindliche zu untersuchende Proben (z. B. lebende Organismen) und reduziert die Energiekosten. Darüber hinaus wird durch die Effizienzsteigerung eine Erhöhung der Empfindlichkeit eines mit der erfindungsgemäßen Konversionsschicht realisierten Detektors erzielt, die insbesondere bei messtechnischen Anwendungen zu einer Reduzierung der Messzeit führt. Kürzere Messzeiten führen zu einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Konversionssubstanz ein lumineszierendes Pulver oder eine lumineszierende Flüssigkeit. Werden Kapillaren als Richtblenden verwendet, sind diese Substanzen besonders einfach in die Konversionsschicht einzubetten. In Betracht kommen auch verflüssigte Materialien. Das Verflüssigen erfolgt vorzugsweise durch Erhitzen.
Die erfindungsgemäße Konversionsschicht wird für weiche Röntgenstrahlung (Wellenlängen unterhalb von etwa 1 nm) empfindlich, wenn Konversionssubstanzen eingesetzt werden, die bei Bestrahlung mit weicher Röntgenstrahlung Farbzentren (Leerstellen in Ionenkristallen) erzeugen. Vorteilhaft werden Konversionssubstanzen verwendet, bei denen nur zeitlich unstabile Farbzentren erzeugt werden, um bei einer Detektion der weichen Röntgenstrahlung eine hohe Bildwiederholrate zu erreichen. Geeignete Substanzen für die Konversionsschichten sind beispielsweise Alkalihalogenide (außer LiF). Die Farbzentren lassen sich durch UV-Strahlung (Wellenlängen um 300 nm) zu Fluoreszenz anregen, so dass sich die weiche Röntgenstrahlung mit Hilfe einer UV-Quelle und einer CCD-Kamera detektieren lässt. Mit Hilfe geeigneter dielektrischer Beschichtungen und Farbfilter, die so angeordnet werden, dass eine Filterung der Primärstrahlung erfolgt, kann sichergestellt werden, dass beispielsweise nur der spektrale Bereich der Fluoreszenz detektiert wird.
Besonders einfach und kostengünstig lassen sich die mit der Konversionssubstanz gefüllten Richtblenden versiegeln, indem eingangsseitig (Seite der einfallenden Pri märstrahlung) und/oder ausgangsseitig (Seite des vorgesehenen Austritts der Sekundärstrahlung) eine für die Sekundärstrahlung transparente Deckplatte auf die Konversionsschicht aufgebracht wird.
In einer besonderen Ausführungsform sind weitere Konversionssubstanzen mit unterschiedlichen Anregungswellenlängen und Emissionswellenlängen vorgesehen. Mit Hilfe unterschiedlicher Konversionssubstanzen ist neben der räumlichen Auflösung auch eine wellenlängeselektive Auflösung möglich. Beispielsweise können hierzu die unterschiedlichen Richtblenden bzw. Kapillaren mit unterschiedlichen Konversionssubstanzen gefüllt sein. Für die Verwendung in einem Farbdetektor ist es zweckmäßig, räumlich benachbarte Richtblenden zu gruppieren und jede Richtblende einer Gruppierung mit einer anderen Konversionssubstanz zu füllen. Das Prinzip ist ähnlich wie bei herkömmlichen Farbkameras. Beispielsweise können die Kapillaren der Konversionsschicht mit fluoreszierenden Materialien gefüllt sein, die schmale Linien (Halbwertsbreite Δλ < 50 nm) der Anregung der Fluoreszenz bei etwa 120 nm, 170 nm und 240 nm Wellenlänge aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform, die vorzugsweise für eine ortsaufgelöste Detektion benutzt wird, werden zwei Konversionsmaterialien verwendet, deren Anregungseigenschaften bekannt sind. Bei dieser Ausführungsform werden zwei benachbarte Kapillaren mit jeweils unterschiedlichen Konversionsmaterialien einem Bildpunkt zugeordnet. Diese Konversionsmaterialien unterscheiden sich in den Anregungseigenschaften (z. B. Anregungswellenlänge der Fluoreszenz) und/oder in der spektralen Absorption. Der Bildpunkt erhält so mehrere spektrale Informationen, etwa die Intensität und Schwerpunktwellenlänge. Beispielsweise kann die spektrale Information (z. B. Farbinformation) dadurch gegeben werden, dass ein Pixel über einen betrachteten Wellenlängenbereich mit größerer Wellenlänge effizienter (wirksamer) ist als ein zugeordneter benachbarter Pixel. Vorteilhaft liegen die benachbarten Pixel etwa ¼ der minimal übertragbaren räumlichen Periode (Auflösungsvermögen) voneinander in lateraler Richtung auseinander. Die spektrale Information lässt sich auch mit einem Fluoreszenzstoff erzielen, dem spezifische Absorber vorgeschaltet sind.
Ortsaufgelöste spektrale Informationen lassen sich mit einer strukturierten Konversionsschicht in einer mehrstufigen Ausführung erzielen. Hierzu wird in der strukturierten Konversionsschicht ein fluoreszierendes Material verwendet und mehrere, spezifisch absorbierende Materialien vor dem fluoreszierenden Material angeordnet. Die vor dem fluoreszierenden Material angeordneten Materialien weisen mehrere schmalbandige Absorptionslinien auf (beispielsweise bei 100 nm, 150 nm und 200 nm Wellenlänge), fluoreszieren jedoch nicht. Das fluoreszierende Material zeigt Fluoreszenz über den gesamten Wellenlängenbereich, in dem die davor angeordneten Materialien die schmalbandigen Absorptionslinien aufweisen (hier also in einem Wellenlängenbereich von unter 100 nm bis über 200 nm). Mit dieser Anordnung lässt sich beispielsweise eine UV-Farbkamera realisieren.
Richtblenden können je nach Anwendung unterschiedliche Profile (senkrecht zur optischen Achse) aufweisen. Beispielsweise lassen sich quadratische, runde oder wabenförmige Profile realisieren. Werden Richtblenden mit wabenförmigen Profilen verwendet, bietet es sich an, die Richtblenden in einer Wabenstruktur anzuordnen. Auf diese Weise lassen sich eine hohe räumliche Dichte der Richtblenden und eine hohe mechanische Stabilität der Konversionsschicht erzielen. Die Konversionsschicht ist zudem gut zu reinigen, wenn als Material für die Faserkerne Fluoreszenzglas verwendet wird. Konversionsschichten mit Fluoreszenzglas können direkt auf CCD-Detektoren befestigt werden. So lassen sie sich als lichtstarke Streuscheiben verwenden, die kontrastreiche Bilder liefern.
Eine hohe Auflösung, insbesondere bei der Verwendung von CCD-Chips, lässt sich erzielen, wenn die Richtblenden eine maximale Ausdehnung (bei kreisrunden Profilen der Durchmesser) im Profil von 5 μm aufweisen.
Die numerische Apertur (NA) der Konversionsschicht lässt sich erhöhen, wenn die Richtblenden aus GRIN-Fasern (Graded Index of Refraction, GRIN) gebildet sind. Bei einer GRIN-Faser wirken die einzelnen Fasern als GRIN-Linsen. Eine GRIN-Linse weist einen Brechungsindex auf, der eine Funktion des Radius senkrecht zur optischen Achse der Linse ist. Handelt es sich um eine Sammellinse, so steigt der Brechungsindex von außerhalb der optischen Achse zur optischen Achse hin an.
Handelt es sich um eine Zerstreuungslinse, so nimmt der Brechungsindex von außerhalb der optischen Achse zur optischen Achse hin ab. Durch die Verwendung von GRIN-Fasern, die als Sammellinsen eingesetzt werden, ist es möglich, den Ort der Konversion (Quelle der Sekundärstrahlung) auf den Ort der Elektronen-Loch-Paar-Bildung in einem CCD-Chip abzubilden, um den Kontrast und die Ortsauflösung zu erhöhen. Die einzelnen GRIN-Fasern werden für die erfindungsgemäße Konversionsschicht in einer optischen Faserplatte angeordnet und bilden eine GRIN-Faserplatte.
Die vorgenannte GRIN-Faserplatte kann auch als Shack-Hartmann-Wellenfront-Sensor ausgebildet sein. Hierzu werden die GRIN-Fasern als Sammellinsen ausgeführt, deren hintere Brennpunkte in einer Ebene (in der beispielsweise ein CCD-Chip angeordnet wird) senkrecht zu den optischen Achsen liegen. Vorzugsweise sind die GRIN-Fasern in einer regelmäßigen Anordnung (Matrix), beispielsweise in Zeilen und Spalten, angeordnet. Fällt eine Planwelle auf diese Matrix, so erzeugt jede GRIN-Linse (auch Mikro-GRIN-Linse genannt) einen Brennpunkt in der Detektorebene. Die einzelnen Brennpunkte liegen auf den optischen Achsen der einzelnen GRIN-Linsen. In der Detektorebene wird so eine Punktmatrix aus Brennpunkten gebildet. Die Gitterperiode dieser Punktmatrix entspricht der Matrix der GRIN-Linsen. Beispielsweise können GRIN-Linsen mit Brennweiten von etwa 30 mm bei etwa 150 μm Pitch (Gradient des Brechungsindexes) verwendet werden.
Die Quantenausbeute (Verhältnis nutzbarer Sekundärstrahlung zu Primärstrahlung) hinsichtlich der Sekundärstrahlung in der Konversionsschicht wird gesteigert, wenn die Konversionsschicht eingangsseitig bzw. eine eingangsseitige Deckplatte als dielektrischer Spiegel ausgebildet ist. Auf diese Weise wird Sekundärstrahlung, die in eine Raumrichtung emittiert wird, die nicht auf einen hinter der Konversionsschicht angeordneten Detektor gerichtet ist, zum Detektor hin reflektiert.
Ein erfindungsgemäßer Detektor zum Detektieren der Primärstrahlung weist einen CCD-Chip auf, vor dem eine erfindungsgemäße Konversionsschicht angeordnet ist. Der CCD-Chip weist eine Vielzahl von Pixeln auf, die vorzugsweise in einer Matrix angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist jedem Pixel genau eine Richtblende zugeordnet. Auf diese Weise wird eine sehr hohe Ortsauflösung realisiert.
In einer besonderen Ausführungsform ist der Detektor dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionsschicht eingangsseitig und ausgangsseitig mit einer transparenten Deckplatte versehen ist, dass der CCD-Chip mit einer transparenten Deckplatte versehen ist und dass zwischen der ausgangsseitigen Deckplatte der Konversionsschicht und der Deckplatte des CCD-Chips eine GRIN-Faserplatte derart angeordnet ist, dass jede GRIN-Faser genau einem aus einer Richtblende und einem Pixel gebildeten Paar zugeordnet ist. Mit einer derartigen Anordnung lässt sich die Sekundärstrahlung aus einer Richtblende optimal auf ein einzelnes Pixel des CCD-Chips abbilden.
Die Quantenausbeute des Detektors lässt sich erhöhen, wenn der CCD-Chip oder die auf dem CCD-Chip angeordnete Deckplatte mit einem teildurchlässigen Spiegel versehen ist.
Eine erfindungsgemäße Detektoranordnung weist drei erfindungsgemäße Detektoren auf, die bei jeweils verschiedenen Wellenlängen empfindlich sind, des weiteren eine wellenlängenabhängige Umlenkoptik, wobei die drei Detektoren und die Umlenkoptik derart zueinander angeordnet sind, dass auf jeden Detektor jeweils im Wesentlichen der Strahlungsanteil der Primärstrahlung auftrifft, für den dieser Detektor empfindlich ist. Mit dieser Detektoranordnung lässt sich auf einfache Weise ein wellenlängenselektiver Detektor aufbauen, ähnlich einer Farbkamera.
In einer einfachen Ausführungsform umfasst die Umlenkoptik wenigstens zwei dielektrische Filter und wenigstens zwei Prismen. Die dielektrischen Filter sind bei unterschiedlichen Wellenlängen empfindlich, Mit Hilfe dieser beiden Filter und der Prismen lässt sich die Primärstrahlung besonders einfach in drei Strahlungsteile mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge (Wellenlängenschwerpunkten) realisieren.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren nach Anspruch 21 oder 23 gelöst.
Durch die belichteten Silberhalogenide erhält die Schicht die reflektierenden, metallisierten Richtblenden. Der Winkel zwischen den Interferenzstreifenmustern kann beispielsweise etwa 90° betragen. In diesem Falle bilden sich Richtblenden mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt aus.
Die spektrale Empfindlichkeit lässt sich erhöhen, wenn mindestens drei Fluoreszenzstoffe verwendet werden, die verschiedene spektrale Eigenschaften aufweisen. Mit einer derartig hergestellten Schicht lässt sich beispielsweise eine UV-Farbkamera realisieren.
In einer besonderen Ausführungsform wird die Schicht aus einer Mehrzahl von Lagen (beispielsweise zwei, drei oder vier Lagen) aufgebaut. Jede Lage enthält eine Mischung aus Silberhalogeniden und mindestens einem Fluoreszenzstoff. Zwischen den Lagen werden spektrale Filter angeordnet, so dass der Bereich einer spektralen Transmission mit zunehmender Tiefe in der Schicht zunehmend eingeschränkt wird. Die Schicht wird einer ersten Belichtung mit einem Interferenzstreifenmuster (Lamellenmuster in der Tiefe) unterzogen. Eine zweite Belichtung erfolgt mit einem Interferenzstreifenmuster, das gegenüber dem ersten Interferenzstreifenmuster um etwa 90° (um eine Achse parallel zu den herzustellenden Richtblenden) gedreht ist. Die spektralen Filter zwischen den Lagen sind für die Belichtungswellenlänge hinreichend transparent, so dass die Silberhalogenide in den Lagen ausreichend belichtet werden.
Eine weitere Möglichkeit, die erfindungsgemäße Konversionsschicht herzustellen, besteht in der Verwendung modifizierter HERS-Gläser. HERS-Gläser sind transparente Gläser, die ihre Transmission verlieren, wenn sie mit UV-, Röntgen- oder Elektronenstrahlung belichtet werden. Die Veränderung der Transmission ist dauerhaft. Je nach Dosis (Intensität und Belichtungsdauer) der Strahlung können Grauwerte eingestellt werden.
Die Erfindung wird anhand der in den folgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1a eine auf einem CCD-Chip angeordnete Konversionsschicht gemäß dem Stand der Technik,
1b eine auf einem CCD-Chip angeordnete Konversionsschicht gemäß der Erfindung,
2 die Einbettung einer Lumineszenzschicht in eine Wabenstruktur,
3 skizzierte Querschnitte optischer Faserplatten,
4 skizzierte Querschnitte optischer GRIN-Faserplatten,
5 eine Skizze zur Verdeutlichung der Wirkung einer GRIN-Linse,
6 skizzierte Querschnitte optischer GRIN-Faserplatten,
7 eine skizzierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Detektionsanordnung und
8 fünf unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Detektors.
In 1a ist ein Ausschnitt eines Strahlungsdetektors 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Der Detektor 1 umfasst einen CCD-Chip 2, eine Deckplatte 3 des CCD-Chips 2 und eine Fluoreszenzschicht 4.
In dem CCD-Chip 2 sind Elektroden 5 anordnet. Die dargestellte Breite des CCD-Chips 2 entspricht einem Pixel 5. Dies ist durch den Doppelpfeil unter der Abbildung angedeutet.
In 1a ist eine Sekundärstrahlung 6 zu erkennen. Die erzeugende Primärstrahlung ist nicht dargestellt.
Die Wellenlänge der Sekundärstrahlung ist schwerpunktmäßig im sichtbaren Wellenlängenbereich.
Die Pixellänge beträgt etwa 5 μm. Die Dicke des CCD-Chips 2, die Dicke der Deckplatte 3 und die Dicke der Fluoreszenzschicht 4 betragen jeweils einige μm.
Auf der linken Seite der 1a ist nur der Anteil der erzeugten Sekundärstrahlung 6 dargestellt, der vom Detektor 1 erfassbar ist. Auf der rechten Seite der 1a ist die erzeugte Sekundärstrahlung 6 dargestellt. Ein Vergleich der linken und rechten Abbildung der 1a macht deutlich, dass über 50% der emittierten Sekundärstrahlung 6 der Fluoreszenzschicht 4 in andere Raumwinkel abgestrahlt werden, als in den Raumwinkel, der von dem CCD-Chip 2 erfassbar ist.
In 1b ist ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Detektors 7 dargestellt.
Der Detektor 7 umfasst einen CCD-Chip 8. Auf dem CCD-Chip 8 ist eine Deckplatte 9 zum Schutz des CCD-Chips 8 angeordnet. Auf der Deckplatte 9 ist eine erfindungsgemäße Konversionsschicht 10 angeordnet.
Die Deckplatte ist mit dem CCD-Chip 8 verklebt. Auch die Konversionsschicht 10 ist mit der Deckplatte 9 verklebt. Es sind jedoch auch andere geeignete Verbindungen möglich.
In dem CCD-Chip 8 sind Elektroden 11 eingebettet.
Die Breite des dargestellten Detektors entspricht etwa einem Pixel. Dies ist durch den Doppelpfeil unter den Abbildungen in 1b angedeutet.
In der Konversionsschicht 10 ist eine Richtblende 12 dargestellt. Bei der Richtblende 12 handelt es sich um eine Kapillare mit kreisförmigem Querschnittsprofil (von oben betrachtet). Die Richtblende 12 hat eine Wandstärke von weniger als 1 μm. Die Richtblende 12 ist aus Schwarzglas gefertigt.
In 1b ist eine Sekundärstrahlung 13 zu erkennen. Die Richtblende 12 hat einen äußeren Durchmesser von etwa 5 μm.
Die Konversionsschicht 10 ist eine Fluoreszenzschicht mit Richtblende. Die Sekundärstrahlung 13 weist schwerpunktmäßig Wellenlängen im sichtbaren Bereich auf.
Die linke Seite der 1b zeigt denjenigen Anteil der Sekundärstrahlung 13, der vom CCD-Chip 8 erfassbar ist. Die rechte Seite der 1b zeigt die gesamte erzeugte Sekundärstrahlung 13, also auch denjenigen Anteil, der nicht von dem CCD-Chip 8 erfassbar ist. Ein Vergleich der linken Seite und der rechten Seite der 1b lässt erkennen, dass weniger als 50% der emittierten Sekundärstrahlung 13 vom CCD-Chip 8 erfassbar sind.
Ein Vergleich der 1a und 1b zeigt jedoch deutlich den Vorteil des erfindungsgemäßen Detektors 7 gegenüber dem Detektor 1 gemäß dem Stand der Technik. Die Sekundärstrahlung 13 in 1b fällt nahezu senkrecht auf den CCD-Chip 8. Aus diesem Grund wird genau 1 Pixel durch die Sekundärstrahlung 13 beleuchtet und damit aktiviert. Die Sekundärstrahlung 13 führt somit zu genau einem dargestellten Pixel.
Dem gegenüber führt die Sekundärstrahlung 6, die im Zeitpunkt ihrer Erzeugung dieselbe wie die Sekundärstrahlung 13 in 1b sein soll, zu einer Emission in einen sehr viel größeren Raumwinkel. Es ist in 1a deutlich zu erkennen, dass die Sekundärstrahlung 6 nicht senkrecht, sondern mit einer großen Winkelverteilung auf den CCD-Chip 2 trifft. Die Sekundärstrahlung 6 regt somit ein Vielfaches von Pixeln an im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Detektor 7.
Dieser Vergleich der 1a und 1b zeigt deutlich, dass der erfindungsgemäße Detektor 7 zu einem sehr viel größeren Kontrast und einer sehr viel höheren Ortsauflösung führt als der Detektor 1 gemäß dem Stand der Technik.
Auf der linken Seite der 2 ist eine isolierte Wabenstruktur 14 dargestellt. Die Wabenstruktur 14 ist aus metallischem Glas hergestellt. Die Wabenstruktur 14 dient als Richtblendenstruktur einer erfindungsgemäßen Konversionsschicht.
Um die Wabenstruktur 14 zu einer Konversionsschicht gemäß der Erfindung weiterzubilden, wird in die Wabenstruktur 14 eine Lumineszenzschicht (Fluoreszenzschicht oder Phosphoreszenzschicht) eingebettet. Die in die Wabenstruktur 14 eingebettete Lumineszenzsubstanz 15 ist in der rechten Abbildung der 2 zu erkennen.
Die Lumineszenzsubstanz 15 stellt eine Konversionssubstanz dar.
Das Einbetten der Lumineszenzsubstanz in die Wabenstruktur 14 erfolgt beispielsweise mittels eines Röntgen- oder UV-LIGA-Verfahrens (LIGA: Lithografie, Galvanik, Abformung) oder eines Imprint-Verfahrens. LIGA-Verfahren und Imprint-Verfahren stellen Stand der Technik dar. Die Lumineszenzschicht kann auch im Laufe eines Sedimentationsprozesses auf ein Substrat, auf das die Wabenstruktur aufgebracht werden soll, aufgebracht wird.
Die Wabenstruktur 14 kann aus absorbierendem Material gefertigt sein.
Die Wabenstruktur 14 lässt sich aufgrund ihrer guten Stützstruktur mit dünnen transparenten Deckplatten versiegeln. Die dünnen Deckplatten sind in vielen unterschiedlichen Materialien bis zu Dicken unter 100 μm erhältlich.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Konversionsschicht 16 im Querschnitt (senkrecht zur optischen Achse) dargestellt.
Die Konversionsschicht 16 weist eine Richtblendenstruktur 17 auf. Die Richtblendenstruktur 17 ist eine Wabenstruktur.
Die Richtblendenstruktur ist aus Schwarzglas gebildet. Jede Wabe der Richtblendenstruktur bildet eine Richtblende.
In jeder Wabe ist ein Kern 18 eines Lichtleiters zu erkennen. Die Leichtleiter bestehen aus Fluoreszenzglas.
Um jeden Kern 18 herum ist eine Mantel 19 angeordnet. Der Mantel 19 besteht aus Licht leitendem Fluoreszenzglas.
Der Brechungsindex des Mantels 19 ist größer als der Brechungsindex des Kerns 18.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Konversion 20 im Querschnitt skizziert.
Die Konversionsschicht 20 weist eine Richtblendenstruktur 21 auf. Die Richtblendenstruktur 21 ist eine Wabenstruktur aus einzelnen Waben. Jede Wabe bildet eine Richtblende.
Die Richtblendenstruktur 21 ist aus Schwarzglas gebildet.
Jede Wabe der Richtblendenstruktur 21 enthält in ihrem Inneren einen Kern 22.
Der Kern 22 ist aus Licht leitendem Material gefertigt, beispielsweise aus Fluoreszenzglas. Vorliegend bilden so genannte Multimoden-Gradientenprofilfasern die Kerne 22. Bei Multimoden-Gradientenprofilfasern verringert sich der Brechungsindex allmählich von der Achse nach außen in Richtung Mantel.
Der Kern 22 ist symmetrisch um die optische Achse einer Wabe gebildet, das heißt, dass Linien gleichen Brechungsindexes konzentrische Kreise um das Zentrum 23 bilden (mit Ausnehme der äußeren Kreise, an den sich die hexagonale Struktur der Waben bemerkbar macht).
In 5 ist die Wirkungsweise einer optischen GRIN-Faser 24 erläutert.
In 5 ist ein Teilstück der optischen GRIN-Faser 24 im Längsschnitt dargestellt. In der oberen Abbildung breitet sich Strahlung 25 von links nach rechts aus. Es ist zu erkennen, dass ein Strahl 26 auf der optischen Achse 27 gradlinig durch die GRIN-Faser 24 sich ausbreitet. Ein Strahl 28, der von der optischen Achse 27 radial entfernt ist, wird durch das Brechungsindexprofil stark zur optischen Achse 27 hin gebrochen. Die GRIN-Faser 24 wirkt hier als Sammellinse.
In der unteren Abbildung der 5 ist die vorstehend erläuterte Linsenwirkung einer GRIN-Faser 30 für einen auf einer optischen Achse 31 gelegenen Objektpunkt 32 erläutert.
In 6 ist der Querschnitt einer erfindungsgemäßen Konversionsschicht 38 im Querschnitt (senkrecht zur optischen Achse) dargestellt. Die Konversionsschicht 38 weist eine Richtblendenstruktur 29 aus Schwarzglas auf.
Die Richtblendenstruktur 39 ist eine Warnstruktur.
In jeder Wabe ist eine GRIN-Faser 40 eingebettet. Das Material der GRIN-Faser 40 ist Fluoreszenzglas.
In 7 ist eine erfindungsgemäße Detektoranordnung 41 dargestellt.
Die Detektoranordnung umfasst drei erfindungsgemäße Detektoren 42, 43, 44, drei optische Prismen 45, 46, 47 sowie zwei dielektrische Filter F₁, F₂.
Die Prismen 45 und 46 sind so zueinander angeordnet, dass das Filter F₁ zwischen jeweils einer Fläche des Prismas 45 und einer Fläche des Prismas 46 angeordnet ist. Das Filter F₂ ist entsprechend zwischen Flächen der Prismen 46 und 47 angeordnet.
Jeder Detektor 42, 43, 44 umfasst eine Konversionsschicht 48, 49, 50, und einen CCD-Chip 51, 52, 53.
Der Detektor 42 ist aufgrund der Konversionssubstanz seiner Konversionsschicht 48 bei der Wellenlänger λ = 157 nm empfindlich, das heißt, die detektierbare Schwerpunktwellenlänge liegt bei λ = 157 nm (eine endliche Linienbreite ist in der Praxis zu berücksichtigen).
Durch Verwendung geeigneter Konversionssubstanzen ist der Detektor 43 bei der Wellenlänge λ = 193 nm empfindlich und der Detektor 44 bei der Wellenlänge λ = 248 nm.
In 7 sind drei Primärstrahlen 54, 55, 56 unterschiedlicher Wellenlänge dargestellt.
Die Prismen 45, 46, 47 und die elektrischen Filter F₁, F₂ sind so zueinander angeordnet, dass die parallel ankommenden Primärstrahlen 54, 55, 56 an den dielektrischen Spiegeln F₁, F₂ derart reflektiert und gebrochen werden, dass der Primärstrahl 54 zum Detektor 42, der Primärstrahl 55 zu dem Detektor 43 und der Primärstrahl 56 zu dem Detektor 44 gelangt.
Mit der Detektoranordnung 41 wird somit eine Farbkamera für den ultravioletten Spektralbereich realisiert.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Detektoren 42, 43, 44 bewirkt zudem, dass diese Detektoranordnung 41 Bilder mit hohem Kontrast und hoher Ortsauflösung liefert.
In 8 sind in den fünf Abbildungen A) bis E) unterschiedliche Ausführungsformen erfindungsgemäßer Detektoren 57, 58, 59, 60, 61 im Querschnitt (längs der optischen Achse) skizziert.
Abbildung A): Der Detektor 57 umfasst eine richtblendenstrukturierte Fluoreszenzschicht sFs (erfindungsgemäße Konversionsschicht). In der Bezeichnung sFs bezeichnet das erste s eine räumliche unterschiedliche spektrale Sensibilisierung der Pixelkanäle 62, was hier durch drei unterschiedliche Schraffierungen angedeutet ist.
Das zweite s kennzeichnet die Konversionssubstanzen als fluoreszierende Festkörper.
Abbildung B): Der Detektor 58 umfasst einen CCD-Chip D und mit flüssigem (f) Fluoreszenzfarbstoff gefüllte Konversionsschicht sFf. Auf der Konversionsschicht sFf ist eingangsseitig eine transparente Deckplatte G aus Glas aufgebracht. Die Deckplatte G versiegelt die einzelnen Kapillare 63.
Ausgangsseitig sind die Kapillaren 63 separat verschlossen, was durch ein kleines g angedeutet ist. Die separaten Verschlüsse g sind für die Sekundärstrahlung transparent. Durch die individuelle Verschließung der Kapillaren 63 kann die Sekundärstrahlung einer jeden Kapillare direkt bis zum jeweiligen Pixel des CCD-Chips D geführt werden, so dass der Bildkontrast erfüllt wird.
Abbildung C): Der Detektor 59 weist einen CCD-Chip D und eine Konversionsschicht sFf auf. Die Konversionsschicht sFf weist wie in den Abbildung a und b räumlich unterschiedliche spektrale Sensibilisierungen der Kapillare 64 auf. Eingangsseitig und ausgangsseitig sind die Kapillare 64 mit transparenten Deckplatten G aus Glas versiegelt. Auf dem CCD-Chip D ist ebenfalls eine Deckplatte aus Glas aufgebracht. Zwischen der Deckplatte G des CCD-Chips D und der Deckplatte G der Konversionsschicht sFf (ausgangsseitige) ist eine GRIN-Faserplatte GFP angeordnet. Jeder Kapillare 64 und jedem Pixel des CCD-Chip D ist eine GRIN-Faser 65 zugeordnet.
Durch die GRIN-Faserplatte FFP wird die Distanz zwischen der Konversionsschicht sFf und dem CCD-Chip D überbrückt. Der Gradientenindex ist so angepasst, dass eine 1:1 Abbildung auf den CCD-Chip D erfolgt.
Abbildung D): Der Detektor 60 weist einen CCD-Chip D und eine räumlich strukturiert sensibilisierte Konversionsschicht sFs auf. Die Konversionsschicht sFs ist direkt an dem CCD-Chip D angeordnet. Eingangsseitig umfasst die Konversionsschicht sFs einen dielektrischen Spiegel Rs (bzw. eine dielektrische Beschichtung). Der dielektrische Siegel Rs führt zu einer Reflexion der Fluoreszenzstrahlung (Sekundärstrah lung), die in der Konversionsschicht sFs emittiert wird, in Richtung auf den CCD-Chip D der jeweiligen Licht führenden Kapillare 66.
Abbildung E): In Erweiterung zu dem Detektor 60 aus d befindet sich vor dem CCD-Chip D eine Schicht Rp, die die Primärstrahlung (nicht dargestellt) reflektiert und somit die wirksame Dicke der Konversionsschicht sfs verdoppelt.
In den vorstehenden Ausführungsformen, insbesondere denen nach den Abbildung D) und E), wird vorzugsweise ein Richtblendenmaterial bzw. ein Beschichtungsmaterial für die Richtblenden verwendet, das sowohl bei der Anregungswellenlänge der Konversionssubstanz als auch bei der Emissionswellenlänge (Wellenlänge der Sekundärstrahlung) einen hohen Reflexionsgrad aufweist. Dies erhöht die Effizienz der Konversionsschicht und ermöglicht geringere Dicken der Konversionsschicht.

1: Detektor (Stand der Technik)
2: CCD-Chip
3: Deckplatte
4: Fluoreszenzschicht
5: Elektrode
6: Sekundärstrahlung
7: Detektor
8: CCD-Chip
9: Deckplatte
10: Konversionsschicht
11: Elektrode
12: Richtblende
13: Sekundärstrahlung
14: Wabenstruktur
15: Lumineszenzsubstanz
16: Konversionsschicht
17: Richtblendenstruktur
18: Kern
19: Mantel
20: Konversionsschicht
21: Richtblendenstruktur
22: Kern
23: Zentrum
24: GRIN-Faser
25: Strahlung
26: Strahl auf optischer Achse
27: Optische Achse
28: Strahl außen
29: Bild
30: GRIN-Faser
31: Optische Achse
32: Objektpunkt
38: Konversionsschicht
39: Richtblendenstruktur
40: GRIN-Faser
41: Detektoranordnung
42, 43, 44: Detektor
45, 46, 47: Prismen
F1, F2: Dielektrische Filter
48, 49, 50: Konversionsschicht
51, 52, 53: CCD-Chip
54, 55, 56: Primärstrahl
57, 58, 59,
60, 61: Detektor
62: Pixel-Kanal (Richtblende)
63, 64, 65: Kapillare

Claims

Konversionsschicht mit einer Konversionssubstanz, die geeignet ist, eine kurzwellige Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung (6, 13) größerer Wellenlänge als die Primärstrahlung zu konvertieren, gekennzeichnet durch eine Vielzahl zueinander ausgerichteter Richtblenden (12) in der Konversionsschicht (10, 16, 20, 38, 48, 49, 50).
Konversionsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtblenden (12) durch Kapillaren (63, 64, 65) gebildet sind, in deren Hohlräumen die Konversionssubstanz eingebettet ist.
Konversionsschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtblenden (12) im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.
Konversionsschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtblenden (12) aus metallischem Glas oder Schwarzglas gebildet sind.
Konversionsschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwände der Richtblenden (12) mit einer reflektierenden oder absorbierenden Beschichtung versehen sind.
Konversionsschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwände der Richtblenden (12) mit einer reflektierenden oder absorbierenden Beschichtung versehen sind.
Konversionsschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionssubstanz ein lumineszierendes Pulver oder eine lumineszierende Flüssigkeit ist.
Konversionsschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionsschicht (10, 16, 20, 38, 48, 49, 50) eingangsseitig und/oder ausgangsseitig mit einer transparenten Deckplatte (9) versiegelt ist.
Konversionsschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch weitere Konversionssubstanzen mit unterschiedlichen Anregungswellenlängen und Emissionswellenlängen.
Konversionsschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtblenden (12) ein quadratisches, rundes oder wabenförmiges Profil aufweisen.
Konversionsschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtblenden (12) in einer Wabenstruktur angeordnet sind.
Konversionsschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtblenden (12) im Profil eine Ausdehnung von höchstens 5 um aufweisen.
Konversionsschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtblenden (12) aus GRIN-Fasern (24, 30, 40) gebildet sind.
Konversionsschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionsschicht (10, 16, 20, 38, 48, 49, 50) eingangsseitig oder die eingangsseitige Deckplatte als dielektrischer Spiegel ausgebildet ist.
Detektor zum Detektieren der Primärstrahlung mit einem CCD-Chip (8, 51, 52, 53), der eine Vielzahl von Pixeln aufweist, und mit einer Konversionsschicht (10, 16, 20, 38, 48, 49, 50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die vor dem CCD-Chip (8, 51, 52, 53) angeordnet ist.
Detektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Pixel genau eine Richtblende (12) zugeordnet ist.
Detektor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionsschicht eingangsseitig und ausgangsseitig mit einer transparenten Deckplatte versehen ist, dass der CCD-Chip (8, 51, 52, 53) mit einer transparenten Deckplatte (9) versehen ist und dass zwischen der ausgangsseitigen Deckplatte der Konversionsschicht (10, 16, 20, 38, 48, 49, 50) und der Deckplatte (9) des CCD-Chip (8, 51, 52, 53) eine GRIN-Faserplatte derart angeordnet ist, dass jede GRIN-Faser (24, 30, 40) genau einem aus einer Richtblende (12) und einem Pixel gebildeten Paar zugeordnet ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der CCD-Chip (8, 51, 52, 53) oder die auf dem CCD-Chip (8, 51, 52, 53) angeordnete Deckplatte (9) mit einem teildurchlässigen Spiegel versehen ist.
Detektoranordnung mit drei Detektoren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, die bei jeweils verschiedenen Wellenlängen empfindlich sind, und mit einer wellenlängenabhängigen Umlenkoptik, wobei die drei Detektoren (7, 42, 43, 44, 60, 61) und die Umlenkoptik derart zueinander angeordnet sind, dass auf jeden Detektor (7, 42, 43, 44, 60, 61) jeweils im Wesentlichen der Strahlungsanteil der Primärstrahlung auftrifft, für den dieser Detektor (7, 42, 43, 44, 60, 61) empfindlich ist.
Detektoranordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkoptik wenigstens zwei dielektrische Filter (F₁, F₂) und wenigstens zwei Prismen (45, 46, 47) umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer Konversionsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit den Schritten: a) Bilden einer Schicht aus einer Mischung aus Silberhalogeniden und Fluoreszenzstoff; b) Überlagern zweier kohärenter Planwellen, um ein Interferenzstreifenmuster zu erhalten; c) Abbilden des Interferenzstreifenmusters auf die Schicht; d) Abbilden des Interferenzstreifenmusters oder ein entsprechend gebildetes Interferenzstreifenmuster unter einem Winkel gegenüber dem zuerst abgebildeten lnterferenzstreifenmuster auf die Schicht, um eine Matrix belichteter Bereiche in der Schicht zu erhalten; e) Entwickeln der belichteten Schicht.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus einer Mischung aus Silberhalogeniden und wenigstens drei Fluoreszenzstoffen gebildet wird, deren Anregungs- und Emissionsmaxima verschieden voneinander sind.
Verfahren zum Herstellen einer Konversionsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit den Schritten: a) Einschmelzen eines Fluoreszenzstoffes in ein HERS-Glas; b) Anordnen einer Maske mit einer Matrixstruktur vor dem HERS-Glas; c) Belichten des HERS-Glases durch die Maske mit UV-, Röntgen- oder Elektronenstrahlung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht bzw. das HERS-Glas mit einer dielektrischen Schicht beschichtet wird.