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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bilderfassung innerhalb starker elektromagnetischer Felder sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung.
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Innerhalb von Bildgebungssystemen, wie der Magnetresonanztomografie (MRT) oder der mit ihr kombinierten Positronen-Emission-Tomographie (PET-MRT) existieren funktionsbedingt sehr hohe magnetische Feldstärken, wodurch eine bildliche Überwachung eines Patienten mit bildgebenden elektronischen Bauelementen schwierig oder gar unmöglich ist. Weil die Untersuchungen selbst sehr viel Zeit in Anspruch nehmen, werden durch die Eigenbewegungen des Patienten beispielsweise die MRT-Bilder unscharf oder es geht zulasten der Bildauflösung.
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Aus
DE 3714876 A1 ist ein Bildleitkabel aus Hohlfaserbündeln bekannt. Beschrieben wird eine Anordnung von Lichtfaserbündeln, die in einer Hohlraum bildenden Weise zu einem Bildleitfaserbündel vereint bzw. angeordnet wurden und die Abgabe des Lichtes an Detektoren an dem einen Ende, wobei jeder Detektor genau einer Faser zugeordnet ist derart, dass einer oder mehrere Detektoren einen dieser Fasern zugeordneten Lichtwert, auch als Farbmischung bezeichnet, definieren, dadurch gekennzeichnet, dass ...”. Beschrieben wird eine spezielle Signalwandlung und deren Anordnung an einem planaren bzw. vertikalen pn-Übergang eines beliebigen Halbleitermaterials.
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Bekannt aus
DE 2740456 A1 ist eine Einrichtung zum Sehen aus geschlossenen Räumen bzw. zum besseren und umfassenderen Sehen aus teilweise offenen Räumen. Beschrieben wird eine faseroptische Bildübertragung aus geschlossenen oder teilweise offenen Räumen, wobei die Anwendung auf ein militärisch genutztes Periskop abzielt. Im Wesentlichen wird hier die Bildübertragung über ein Bildleitkabel beschrieben.
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Aus
US 2011/0096904 A1 ist ein Linear-x-ray-detector bekannt, bei dem eine planare Glasfaserkopplung zwischen einem Fotodetektor beschrieben wird, bei der die Glasfaser die Lichterscheinung einer den Röntgenstrahl wandelnden Schicht auf den Fotoempfänger leitet. Hierbei wird die technologisch problematische planare Entkopplung des Lichtwellenleiters in den Detektor benutzt.
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WO 2008 053470 A2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen der Durchmesser am Ende einer optischen Faser so verringert werden kann, dass es damit möglich ist, optische Fasern in einem Array mit einem sehr geringen Abstand zu montieren. Damit kann bei optischen Verbindungskabeln der optische Stecker mit einer hohen Dichte von Eingangs- und/oder Ausgänge ausgestattet werden. Ähnliche Vorrichtungen sind auch aus der
WO 2008 035506 A1 und
WO 2002 079831 A1 bekannt, bei denen die Verbindungsproblematik von Lichtwellenleiter untereinander oder zu optoelektrischen Wandlern bzw. Photodetektoren beschrieben werden.
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In allen Fällen werden die optoelektrischen Wandler auf die Lichtwellenleiter aufgesetzt und als allgemeine und nicht in den optischen Koppler integrierte optische Bauelemente betrachtet.
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In
US 2011/0235968 A1 wird eine optische Schnittstelle beschrieben, die zwischen dem Kern einer optischen Faser und einem Chip eines optoelektronischen Bauelementes eingesetzt werden kann. Es wird ein optisches Interface beschrieben, mit dem die Toleranz der Fehlstellung verbessert werden kann, wenn ein Single-Mode(SM)-Faser als Lichtwellenleiter verwendet wird. Diese ermöglicht eine passive/automatische Ausrichtung und reduziert somit die Produktionskosten. Der optoelektrische Koppler dient auch als Spot-Größen-Konverter, der die Spot-Größe reduziert und dann seine Anwendungen findet, wenn ein Lichtwellenleiter mit geringem Querschnitt zum Einsatz kommt. Ein solches Beispiel kann ein Lichtwellenleiter aus SiGe- oder III-V Halbleitermaterial sein, das als Photodetektor dient und in denen die vertikale Größe des Lichtwellenleiters nur wenige Mikrometer beträgt. Die unmittelbaren Wandlungselemente bzw. Photodetektoren sind vertikal angeordnet. Das als Lichtwellenleiter benutzte Halbleitermaterial wird auch als Photodetektor genutzt.
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Bekannt aus der
DE 198 01 696 A1 und der
US 2002/0 096 629 A1 sind Bildübertragungssysteme und Verfahren zur Bildübertragung.
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DE 10 2011 006 435 A1 offenbart eine Bildaufnahmeeinrichtung zur simultanen Aufnahme von Magnetresonanzbilddaten und nuklearmedizinischen Bilddaten.
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US 2008/0 214 927 A1 offenbart einen PET-MRI Scanner, der auch als Glasfaserkamera für die Magnetresonanztomografie genutzt werden kann.
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Aus
DE 43 01 236 C1 ist eine Vorrichtung zur optischen Kopplung eines Lichtwellenleiters mit einem optoelektrischen Wandler bekannt.
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US 6 132 107 A offenbart ein ”Light-receiving module” mit einem optoelektronischen Wandler und einem Zeilenarray.
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Bekannt aus
EP 0196474 A2 ist die Gestaltung einer Raumladungszone, um eine hohe Quantenausbeute zu erzielen. Die Absorption von Lichtquanten erfolgt nicht nur in der Raumladungszone des pn-Überganges, sondern auch innerhalb eines Gebietes von der Größenordnung der Diffusionslänge von Elektron und Löchern, das sich beidseitig an die Raumladungszone anschließt, des sogenannten Diffusionsgebietes. Während im ersten Fall die generierten Ladungsträger durch das elektrische Feld in der Raumladungszone sofort getrennt werden, müssen im zweiten Fall die generierten Minoritätsträger zum Rand der Raumladungszone diffundieren, bevor sie infolge des elektrischen Feldes der Raumladungszone in das gegenüberliegende neutrale Halbleitergebiet transportiert werden, wo sie zu Majoritätsträgern werden. Da im Allgemeinen die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger grösser ist als deren Diffusionsgeschwindigkeit, führt dies zu einer längeren Aufenthaltsdauer außerhalb des Feldbereiches. Dies führt zu einer Abnahme des inneren Quantenwirkungsgrades sowie zu einer Erhöhung der Schaltzeiten der Photodiode. Diese Aufgabe wird bei einer Photodiode dadurch gelöst, dass Mittel vorgesehen sind, durch die wenigstens auf einer Seite der Raumladungszone ein zusätzliches Driftfeld erzeugt wird, so dass die in diesem Driftfeld photogenerierten Ladungsträger zur Raumladungszone hin beschleunigt werden. Durch diese Maßnahme, ein zusätzliches Driftfeld außerhalb der Raumladungszone des pn-Überganges zu erzeugen, wird der innere Quantenwirkungsgrad erhöht und somit auch der gesamte Wirkungsgrad der Photodiode verbessert. Offenbart werden eine spezielle Signalwandlung und deren Anordnung an einem planaren bzw. vertikalen pn-Übergang eines beliebigen Halbleitermaterials und die Generierung von Ladungsträgern in der Raumladungszone.
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Eine in der Erprobung befindliche Methode besteht darin, die Bewegung des Patienten bildlich zu erfassen und diese im Bild zu korrigieren. Dadurch kann die Bildauflösung maßgeblich verbessert werden. Dazu muss allerdings eine Kamera innerhalb des MRT's angebracht werden, was aber infolge des hohen elektromagnetischen Feldes in bekannter Wiese nicht möglich ist. Mit aufwendigen Abschirmmaßnahen kann das für heute übliche Kamerasysteme zwar erreicht werden, aber durch diese wird das Magnetfeld innerhalb des MRT's selbst wieder beeinflusst. Aus diesem Grund wurden solche Kamerasysteme außerhalb des MRT's angeordnet, um über Winkelbeziehungen die Patientenbewegung zu erfassen. Dadurch kann die Bildqualität zwar verbessert werden, nur wird hierdurch das Problem des direkten Patientenzugangs mit einem Bild erfassenden System nicht gelöst.
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Um die Bewegung des Patienten innerhalb des MRT's zu erfassen, ist ein direkter bilderfassender Zugang zum Patienten erforderlich. Die derzeit verfügbare Bilderfassung mittels CCD-Bildwandlern ist nur mit umfangreichen Abschirmungsmaßnahmen realisierbar. Sie sind aber auch nicht rückwirkungsfrei im MRT einbaubar.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um eine vom Magnetfeld unabhängige Bilderfassung eines Patienten und seiner Bewegung zu ermöglichen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung nach Anspruch 5 und ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung nach Anspruch 6, sowie den weiteren vorteilhaften Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Bilderfassung in Bildgebungssystemen, beispielsweise MRT, umfassend zumindest:
- – ein Bildleitkabel mit zumindest Lichtleitfasern, wobei die Lichtleitfasern zum überwiegenden Teil von einem metallfreien Kabelmantel umschlossen sind und einen Abschnitt aufweisen, wobei die Lichtleitfasern eine Lichteintrittsfläche mit einer ersten Querschnittsfläche und eine Lichtaustrittsfläche im Bereich ihres Abschnitts mit einer zweiten Querschnittsfläche aufweisen,
- – ein Abbildungslinse zur Abbildung eines Objekts auf die Lichteintrittsfläche,
- – ein Montagegehäuse zur Aufnahme des Bildleitkabels und der Abbildungslinse und
- – ein optoelektrisches Wandlerarray, umfassend zumindest zwei optoelektrische Wandler zur Signalwandlung und Signalauskopplung, welche außerhalb des Bildgebungssystems angeordnet sind, wobei jeder Lichtleitfaser des Bildleitkabels ein optoelektrischer Wandler zugeordnet ist, derart, dass Bildpunkte erzeugbar sind, die der Lichteintrittsfläche der jeweiligen Lichtleitfaser entsprechen und wobei die Lichtleitfaser mit ihrer Lichtaustrittsfläche in einer, mit einer Dotierstoffkonzentration versehenen Nut mit prismatischer Geometrie angrenzt und funktionell unter Berücksichtigung eines Öffnungswinkels der Lichtleitfaser fixiert ist und die prismatische Geometrie selbst als dotierter Halbleiter des pn-Übergangs ausgeführt ist.
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Die Vorrichtung ermöglicht es, mittels eines Bildleitkabels, das ebenfalls mit einem optischen Abbildungssystem ausgestattet ist, eine vom Magnetfeld unabhängige Bilderfassung des Patienten und seiner Bewegung zu erhalten. Dabei ist sowohl das Bildleitkabel als auch das optische Abbildungssystem metallfrei ausgeführt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung derart ausgelegt, dass jeder Lichtleitfaser des Bildleitkabels ein optoelektrischer Wandler zugeordnet ist, derart, dass Bildpunkte erzeugbar sind, die der Lichteintrittsfläche der jeweiligen Lichtleitfaser entsprechen.
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In einer auf die einzelnen Lichtleitfasern, bzw. die erzeugten Bildpunkte des Bildleitkabes ausgerichteten speziellen optoelektrischen Signalwandlung innerhalb eines senkrechten pn-Übergangs, an dem die Lichtleitfaser angekoppelt ist, wird ein Abbild der Patientenbewegung erreicht, die der elektrischen Informationsverarbeitung zugeführt wird, um die notwendige Bildkorrektur zu veranlassen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung derart ausgelegt, dass jeder optoelektrische Wandler des optoelektrischen Wandlerarrays zumindest umfasst:
- – ein Halbleitermaterial mit einer Grunddotierung,
- – ein Substrat mit einem pn-Übergang im Bereich des Halbleiters und einer diesem zugehörigen Raumladungszone, umfassend
- – zumindest eine Halbleiterschicht und eine Halbleiterschicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, wobei
- – die pn-Übergänge im Bereich des Halbleiters der optoelektrischen Wandler jeweils optoelektronisch getrennt voneinander vorliegen und
- – erste Anschlüsse für eine oder mehrere Anoden, sowie
- – zweite Anschlüsse für eine oder mehrere Kathoden.
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Diese Vorrichtung vereinfacht den technisch notwendigen Aufwand bei der Anordnung eines bildgebenden Systems innerhalb von starken elektromagnetischen Feldern, wie z. B. in Magnetresonanztomografen. So trägt die Anordnung mit einer Lichtaustrittsfläche der Lichtleitfaser auf einem geometisch abgegrenzten Ort und einer festen Verbindung mit dem dotierten Halbleiter innerhalb einer Grunddotierung geringerer Dotierstoffkonzentration infolge des damit verbundenen geringeren Übersprechens benachbarter Lichtleitfasern zu einer verbesserten Bildqualität mit erhöhtem Kontrast bei. Dadurch wird die Bildqualität gegenüber herkömmlich eingesetzter bildgebender Systeme deutlich verbessern, womit auch eine verbesserte, verzerrungsfreiere bildgebende Diagnostik mittels Magnetresonanztomografie (MRT) ermöglicht wird. Die Vorrichtung des bildgebenden Systems mit Bildleitkabel lässt sich auch in stark radioaktiv belasteter Umgebung einsetzen, wenn herkömmliche elektonische Bauelemente infolge der radioaktiven Strahlung durch eine erhöhte innere elektrische Eigenleitung mit mehr funktionstüchtig sind und somit außerhalb dieser Umgebung angeordnet werden müssen.
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Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung der Erfindung sieht vor, dass bei dieser Vorrichtung der Abschnitt der Lichtleitfasern planarisiert ist oder eine runde oder ovale zweite Querschnittsfläche aufweist und dass der Abschnitt einteilig ausgebildet ist oder mehrere Lagen aufweist.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Lichtleitfaser mit ihrer Lichtaustrittsfläche in einer, mit einer Dotierstoffkonzentration versehenen Nut mit prismatischer Geometrie angrenzt und funktionell unter Berücksichtigung eines Öffnungswinkels der Lichtleitfaser fixiert ist und die prismatische Geometrie selbst als dotierter Halbleiter des pn-Übergangs ausgeführt ist.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Raumladungszone durch die Auslegung der Dotierstoffkonzentration dünn und über eine Kopplungskante verlaufend ausgeführt ist und der pn-Übergang an der Lichtaustrittfläche der Lichtleitfaser dünn und in hoher Dotierstoffkonzentration ausgeführt ist.
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Es ist ebenfalls vorgesehen, dass die Vorrichtung in Form von mehreren optoelektrischen Wandlerarrays, die in Zeilenform übereinander angeordnet sind, als stapelbares Fotodioden-Array vorliegen kann.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung vorgeschlagen, welches zumindest folgende Schritte umfasst:
- – Erfassen eines Bildes von Objekten innerhalb eines Bildgebungssystems, mittels des Bildleitkabels durch Lichteinleitung in die Lichtleitfaser über die Lichteintrittsfläche,
- – Abbildung von Objekten über das Objektiv,
- – optoelektrische Wandlung der über die Lichtaustrittsfläche der der Lichtleitfaser austretenden und auf das Wandlerarray auftreffenden optischen Bildsignale durch einen einer Diode ähnlichen pn-Übergang mit einer gemeinsamen Kathode oder Anode und dem Bildpunkt des Objektes zugeordneten Anode oder Kathode zur elektrischen Signalauskopplung,
- – Herstellung eines gemeinsamen Anschlusses der optoelektronischen Wandler über den Halbleiter mit Grunddotierung oder einer von dieser abweichenden Dotierung oder einer zusätzlichen leitfähigen Halbleiterschicht anderen Leitungstyps,
- – Bereitstellung von dotierten und zueinander prismatisch angeordneten Flächen und einem transparenten Füllstoff, mit gegenüber der Grunddotierung des Halbleitermaterials höherer Dotierstoffkonzentration entgegengesetzter Leitfähigkeit, in die die Lichtaustrittsfläche der Lichtleitfaser in einer Nut geführt wird und formschlüssig befestigt ist, wobei jeder Lichtleitfaser des Bildleitkabels ein optoelektrischer Wandler zugeordnet ist, derart, dass Bildpunkte erzeugt werden, die der Lichteintrittsfläche der jeweiligen Lichtleitfaser entsprechen.
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Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung vorgeschlagen, umfassend zumindest folgende Schritte:
- – Bereitstellung eines Bildleitkabels mit zumindest Lichtleitfasern, bei denen ein Abschnitt ausgeformt wird und eine Lichteintrittsfläche mit einer ersten Querschnittsfläche und eine Lichtaustrittsfläche im Bereich ihres Abschnitts mit einer zweiten Querschnittsfläche ausgebildet werden,
- – Umhüllung der Lichtleitfasern zum überwiegenden Teil mit einem metallfreien Kabelmantel,
- – Bereitstellung einer Abbildungslinse,
- – Bereitstellung eines Montagegehäuses, in welchem das Bildleitkabel und die Abbildungslinse angeordnet werden,
- – Bereitstellung eines optoelektrischen Wandlerarrays mit zumindest zwei optoelektrischen Wandlern, welche außerhalb des Bildgebungssystems angeordnet werden,
derart, dass jeder Lichtleitfaser des Bildleitkabels ein optoelektrischer Wandler zugeordnet wird, derart, dass Bildpunkte erzeugbar sind, die der Lichteintrittsfläche der jeweiligen Lichtleitfaser entsprechen und wobei die Lichtleitfaser mit ihrer Lichtaustrittsfläche in einer, mit einer Dotierstoffkonzentration versehenen Nut mit prismatischer Geometrie angrenzt und funktionell unter Berücksichtigung eines Öffnungswinkels der Lichtleitfaser fixiert ist und die prismatische Geometrie selbst als dotierter Halbleiter des pn-Übergangs ausgeführt ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise als Glasfaserkamera für MRT, der mit ihr kombinierten Positronen-Emission-Tomographie (PET-MRT), vgl. den nebengeordneten Anspruch 7, oder radioaktiv belastete Räumlichkeiten verwendet werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt eine optoelektrische Wandlung eines Bildsignals unter Benutzung eines senkrecht und als Prisma ausgeführten pn-Übergangs beliebiger Halbleitermaterialien, die entsprechend der Anforderung an die Bilderfassung in Dynamik und Empfindlichkeit gewählt werden können, was bei der heutigen Abbildung des vom Bildleitkabel erfassten Bildes auf eine CCD-Zeile oder CCD-Matrix nicht möglich ist. Mit der direkten Einkopplung des Lichtes über die Lichtleitfaser bzw. den Lichtwellenleiter in die Raumladungszone des pn-Übergangs von Halbleitermaterialien wird für die optoelektrische Signalwandlung ein Quantenwirkungsgrad nahe bei 1 erreicht.
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Während in herkömmlichen Verfahren bei der optischen Abbildung des vom Bildleitkabel übertragenen Bildes auf den CCD-Bildwandler die Zuordnung zwischen dem Bildpunkt auf der Seite des Lichteintritts des Bildleitkabels und dem Abbild auf den CCD-Bildwandler, bzw. der Lichtaustrittsfläche des Bildleitkabels, infolge des Öffnungswinkels der einzelnen Lichtleitfasern verloren geht, bleibt diese bei der erfindungsgemäßen Lösung erhalten. Jeder Lichtleitfaser bzw. jedem Bildpunkt des Bildleitkabels wird exakt genau ein optoelektrischer Wandler zugeordnet, wodurch Abbildungsfehler ausgeschlossen werden können. Damit wird eine exakte Vermessung der Patientenbewegung sichergestellt. Die Auswahl des Halbleitermaterials für den das Signal wandelnden pn-Übergang kann entsprechend den notwendigen Anforderungen an die Bilderfassung und der Bildverarbeitung angepasst werden.
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Die Erfindung eignet sich besonders zur optischen Erfassung geometrischer Größen und Bewegungen in bildgebenden Informationsverarbeitungssystemen. Sie ermöglicht die fehlerfreie optoelektrische Bildwandlung einer Bildleitfaser zwischen Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche und ist deshalb besonders zur Bilderfassung innerhalb von Anlagen und Messanordnungen mit hohen elektromagnetischen Feldstärken geeignet, wie sie z. B. in MRT's vorherrschen.
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Anwendung können die Vorrichtung und das Verfahren beispielsweise im Bereiche der medizinischen Diagnostik und Medizintechnik finden und in Bereichen, die Bildinformationen verschiedenster Art aus der Umgebung eines starken Magnetfeldes gewinnen müssen, in denen eine Messgröße abgebildet ist. Daneben kann die Vorrichtung für den Bereich der Tomographie genutzt werden oder beliebige Apparate und medizinische Systeme, in denen oder in deren Umgebung starke Magnetfelder auftreten.
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Beispielhaft werden Ausführungsformen der Erfindung in den nachfolgenden Figuren dargestellt und näher beschrieben, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.
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Es zeigen:
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1: den schematischen Aufbau einer Glasfaserkamera mit Lichtleitfaserarray
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2: schematisch einen pn-Übergang mit Lichtfasereinkopplung und Struktur eines optoelektrischen Wandlerarrays in Seitenansicht, Draufsicht und Schnittdarstellung
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3: Schematisch eine prismatische Einkopplung einer Lichtleitfaser in eine dotierte Geometrie
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4: Schematisch ein elektrisches Wandlungsschema zur Signalauskopplung
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In der 1 wird schematisch der Aufbau einer Glasfaserkamera mit Lichtleitfaserarray zur Bilderfassung in Bildgebungssystemen, beispielsweise MRT gezeigt, wobei diese Vorrichtung ein Bildleitkabel 1 mit Lichtleitfasern 1.1 umfasst. Die Lichtleitfasern 1.1 sind zum überwiegenden Teil von einem metallfreien Kabelmantel 1.2 umschlossen und weisen einen Abschnitt 1.5 auf. Die Lichtleitfasern 1.1 weisen zudem eine Lichteintrittsfläche 1.3 mit einer ersten Querschnittsfläche und eine Lichtaustrittsfläche 1.4 im Bereich ihres Abschnitts 1.5 mit einer zweiten Querschnittsfläche auf. Zudem umfasst die Vorrichtung eine Abbildungslinse 2 zur Abbildung eines Objekts auf die Lichteintrittsfläche 1.3. Vorgesehen ist ebenfalls ein Montagegehäuse 3 zur Aufnahme des Bildleitkabels 1 und der Abbildungslinse 2. Weiterhin beinhaltet die Vorrichtung ein optoelektrisches Wandlerarray 4, welche außerhalb des Bildgebungssystems angeordnet ist und welches zumindest zwei optoelektrische Wandler 4' zur Signalwandlung und Signalauskopplung aufweist.
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In der 2 wird schematisch ein pn-Übergang mit Lichtfasereinkopplung und Struktur eines optoelektrischen Wandlerarrays in einer Seitenansicht, in einer Draufsicht und in einer Schnittdarstellung als Schnitt A-B dargestellt.
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Hierbei ist die Vorrichtung derart ausgelegt, dass jeder optoelektrische Wandler 4' des optoelektrisches Wandlerarrays 4 zumindest ein Halbleitermaterial 4.1 mit einer Grunddotierung umfasst, sowie ein Substrat mit einem pn-Übergang im Bereich des Halbleiters und einer diesem zugehörigen Raumladungszone, umfassend zumindest eine Halbleiterschicht 4.1 und eine Halbleiterschicht 4.3 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, wobei die pn-Übergänge im Bereich des Halbleiters der optoelektrischen Wandler 4' jeweils optoelektronisch getrennt voneinander vorliegen und erste Anschlüsse 4.5 für eine oder mehrere Anoden, sowie zweite Anschlüsse 4.6 für eine oder mehrere Kathoden umfasst.
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3 zeigt schematisch und in Schnittdarstellung gemäß Schnitt A-B eine prismatische Einkopplung einer Lichtleitfaser in eine dotierte Geometrie, in Form von dotierten und zueinander prismatisch angeordneten Flächen, wobei die Lichtleitfaser 1.1 mit ihrer Lichtaustrittsfläche 1.4 in einer, mit einer Dotierstoffkonzentration versehenen Nut 4.7 mit prismatischer Geometrie mit Flächen 1.7 angrenzt und funktionell unter Berücksichtigung eines Öffnungswinkel des Lichtaustritts 1.8 der Lichtleitfaser 1.6 fixiert ist und die prismatische Geometrie 1.7 selbst als dotierter Halbleiter 4.3 des pn-Übergangs ausgeführt ist.
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Hierbei beträgt die Weite der Raumladungszone 4.4 durch die Auslegung der Dotierstoffkonzentration nur wenige Nanometer und wird über die Kopplungskante 4.2 verlaufend ausgeführt. Der pn-Übergang an der Lichtaustrittfläche 1.4 der Lichtleitfaser 1.1 ist ebenfalls als dünne Schicht ausgeführt, weist jedoch eine wesentlich höhere Dotierstoffkonzentration aus, als die der Raumladungszone.
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Zur optischen Verbindung der Lichtaustrittsfläche 1.4 der Lichtleitfaser 1.6 mit dem dotierten Halbleiter 4.3 ist ein transparenter Füllstoff 4.8 in der Weise ausgeführt, dass seine optische Brechzahl zwischen der des dotierten Halbleiters 4.3 und der der Lichtleitfaser 1.6 liegt. Die dotierten und zueinander prismatisch angeordneten Flächen 1.7 sind dabei so ausgelegt, dass das unter dem Öffnungswinkel 1.8 austretende Licht des Bildpunktes der Lichteintrittsfläche 1.3 durch den Effekt der Beugung in die Fläche des dotierten Halbleiters 1.7 den dotierten Halbleiter 4.3 hinein gebrochen wird. Die dotierten und zueinander prismatisch angeordneten Flächen 1.7 sind dabei so ausgeführt, dass auf ihnen entstehende Reflexionen durch Mehrfachreflexionen auf der Lichtaustrittsfläche der Lichtleitfaser 1.4 eine Einkopplung über den transparenten Füllstoff 4.8 in den dotierten Halbleiter 4.3 stattfindet.
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In der 4 wird schematisch ein elektrisches Wandlungsschema zur Signalauskopplung gezeigt, bei dem die optische Einkopplung des Bildpunktes der Lichteintrittsfläche der Lichtleitfaser 1.3 über die Lichtleitfaser 1.6 in das optoelektrische Wandlerarray 4 in den mit einer Halbleiterdiode vergleichbaren pn-Übergang über den dotierten Halbleiter 4.3 erfolgt. Entsprechend des Leitungstyps der Grunddotierung des Halbleiters 4.1 kann der gemeinsame Anschluss 4.6 als Kathode oder Anode ausgeführt werden. Das Ausführungsbeispiel in 4 zeigt einen gemeinsamen Anschluss 4.6 als Kathode mit einer Grunddotierung 4.1 vom n-Leitungstyp. Am Anschluss des entgegen gesetzten Leitungstyp 4.5, der in 4 als p-dotiert und als Anode ausgeführt ist, kann der durch die Lichtenergie des Bildpunktes generierte Diodenstrom entnommen werden, der der Bildverarbeitung zugeführt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bildleitkabel
- 1.1
- Lichtleitfasern
- 1.2
- metallfreier Kabelmantel
- 1.3
- Lichteintrittsfläche des Bildleitkabels
- 1.4
- Lichtaustrittsfläche des Bildleitkabels
- 1.5
- planarisierte Lichtleitfasern
- 1.6
- einzelne Lichtleitfaser (Lichtwellenleiter)
- 1.7
- dotierte und zueinander prismatisch angeordnete Flächen
- 1.8
- Öffnungswinkel des Lichtaustritts
- 2
- Abbildungslinse (Objektiv)
- 3
- Montagegehäuse
- 4
- optoelektrisches Wandlerarray
- 4'
- optoelektrische Wandler 4' zur Signalwandlung und Signalauskopplung
- 4.1
- Halbleitermaterial mit Grunddotierung
- 4.2
- Kopplungskante
- 4.3
- p dotierter Halbleiter
- 4.4
- Raumladungszone (intrinsisch)
- 4.5
- Anschluss für die Anode
- 4.6
- gemeinsamer Anschluss an die Kathode
- 4.7
- Nut
- 4.8
- transparenter Füllstoff
