DE1614128C3 - Solid-state imager - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörper-Bildwandler mit einer energieempfindlichen Schicht auf der Basis von CdS und/oder CdSe und mit einer elektrolumineszierenden Schicht auf der Basis von ZnS oder CdS mit Aktivierungsstoffen und einem Bindemittel, die durch eine anliegende Wechselspannung zur Lumineszenz erregbar ist und in ihrer Lichtstärke durch eine anliegende Gleichspannung steuerbar ist, die ihrerseits durch den von der einfallenden Energie abhängigen Widerstand der energieempfindlichen Schicht bestimmt wird, wobei die beabsichtigte Lichtausgangsseite der elektrolumineszierenden Schicht an den negativen Pol und die Energieeinfallsseite der photoleitenden Schicht an den positiven Pol der angelegten Gleichspannung angeschlossen sind.The invention relates to a solid state imager having an energy sensitive layer based on CdS and / or CdSe and with an electroluminescent layer based on ZnS or CdS with activating substances and a binding agent, which are created by an applied alternating voltage can be excited to luminescence and its light intensity can be controlled by an applied DC voltage is, in turn, through the resistance of the energy-sensitive ones, which is dependent on the incident energy Layer is determined, with the intended light output side being the electroluminescent Layer to the negative pole and the energy incident side of the photoconductive layer to the positive pole connected to the applied DC voltage.
Die Eigenschaft bestimmter Materialien, durch eine anliegende Wechselspannung zur Lumineszenz erregt zu werden und in ihrer Lichtstärke durch eine der Wechselspannung überlagerte Gleichspannung steuerbar zu sein, ist bekannt (Physical Review, Bd. 113, Nr. 5, 1. März 1959, S. 1187 bis 1191). Die Kennlinie der Lichtstärke des Lumineszenzausgangs in Abhängigkeit von der anliegenden Gleichspannung kann hierbei sowohl fallende als auch steigende Bereiche aufweisen. Es ist auch bekannt, solche Materialien, die in der deutschen Literatur gelegentlich als »WGE-Materialien« bezeichnet werden, zum Betrieb eines Festkörper-Bildwandlers zu verwenden (deutsche Patentschrift 1087 698). Hierdurch läßt sich die günstigere Erregung der elektrolumineszierenden Schicht durch Wechselstrom mit der leichteren Beeinflußbarkeit des Gleichstroms durch die Widerstandsänderungen der energieempfindlichen Schicht kombinieren. Schwierigkeiten bereitet es jedoch noch, einen solchen Bildwandler mit extrem hoher Empfindlichkeit herzustellen.The property of certain materials to luminescence through an applied alternating voltage to be excited and in their light intensity by a DC voltage superimposed on the alternating voltage It is known to be controllable (Physical Review, Vol. 113, No. 5, March 1, 1959, pp. 1187 to 1191). the Characteristic curve of the luminous intensity of the luminescence output as a function of the applied DC voltage can have both falling and rising ranges. It is also known to use such materials which are sometimes referred to in German literature as "WGE materials", for operation to use a solid-state image converter (German patent specification 1087 698). This lets the more favorable excitation of the electroluminescent layer by alternating current with the lighter one The ability of the direct current to be influenced by the changes in resistance of the energy-sensitive Combine layer. However, it is still difficult to use such an image converter with extremely high sensitivity.
Es sind auch elektrolumineszierende Leuchtzellen bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 076 815), die eine elektrolumineszierende Schicht auf der Basis von ZnS aufweisen, das in einem Bindemittel enthalten ist, das beispielsweise aus Glasemail bestehen kann. Für die elektrolumineszierenden Zellen wurde jedoch dieses Bindemittel als ungeeignet empfunden, da die Beherrschung des Feldverlaufs auf Grund der Dielektrizitätskonstante sowie der dielektrischen Verluste Schwierigkeiten bereitet. Für die elektrolumineszierende Schicht ist es weiterhin bekannt (USA.-Patentschrift 2 975 290), den elektrolumineszierenden Leuchtstoff in einem Bindemittel wie Nitrocellulose oder einem Alkydharz zu dispergieren. Es sind auch verhältnismäßig komplizierte Konstruktionen von Festkörper-Bildwandlern bekannt (deutsche Patentschriften 1004 301 und 1137 147), bei denen durch eine besondere, rasterbildende Strukturierung der photoleitenden Schicht im wesentlichen eine Gleichstromspeisung der energieempfindlichen Schicht und eine Wechselstromspeisung der elektrolumineszierenden Schicht angestrebt wird. Teilweise wird hierbei ein symmetrischer Gleichgewichtszustand innerhalb der Struktur ausgenutzt, der durch einseitige Bestrahlung verschoben wird. Es ist auch bekannt (deutsche Auslegeschrift 1045 569), die energieempfindliche Schicht und einen überlinearen Widerstand in Reihe mit einer Gleichstromquelle sowie dessen überlinearen Widerstand und die elektrolumineszierende Schicht in Reihe mit einer Wechselstromquelle zu schalten, so daß der Widerstand der energieempfindlichen Schicht den Arbeitspunkt des überlinearen Widerstands und dieser wiederum die Leuchtstärke der elektrolumineszierenden Schicht bestimmt. Weiterhin sind Festkörper-Bildwandler bekannt (deutsche Patentschrift 1 021 099), deren energieempfindliche Schicht eine photoleitende Schicht ist, deren Photoleitfähigkeit durch eine weiterhin einfallende Infrarotstrahlung wieder gelöscht werden kann, und die lichtabschirmende Zwischenschichten aufweisen.There are also electroluminescent light cells known (German Auslegeschrift 1 076 815), the one Have electroluminescent layer based on ZnS, which is contained in a binder is, which can for example consist of glass enamel. However, for the electroluminescent cells This binder is felt to be unsuitable because the control of the field course due to the dielectric constant as well as the dielectric losses causes difficulties. For the electroluminescent It is also known (US Pat. No. 2,975,290), the electroluminescent layer Disperse phosphor in a binder such as nitrocellulose or an alkyd resin. There are too relatively complicated constructions of solid-state image converters known (German patents 1004 301 and 1137 147), in which by a special, grid-forming structuring of the photoconductive layer, essentially a direct current feed the energy-sensitive layer and an alternating current supply of the electroluminescent Layer is sought. Partly here is a symmetrical state of equilibrium within exploited the structure, which is shifted by one-sided irradiation. It is also known (German Auslegeschrift 1045 569), the energy-sensitive layer and a superlinear resistor in series with a direct current source as well as its superlinear resistance and the electroluminescent Layer to be connected in series with an alternating current source, so that the resistance of the energy-sensitive Layer the working point of the superlinear resistance and this in turn the luminosity the electroluminescent layer is determined. Solid-state image converters are also known (German Patent specification 1 021 099), whose energy-sensitive layer is a photoconductive layer, whose photoconductivity can be extinguished again by a further incident infrared radiation, and the light-shielding Have intermediate layers.
Vor dem Hintergrund dieses bereits sehr differenzierten Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Bildwandler von besonders hoher Empfindlichkeit zu schaffen. Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Bildwandler der eingangs genannten Art, dadurch gelöst, daß das Bindemittel der elektrolumineszierenden Schicht einen spezifischen Widerstand zwischen 10e und 109 Ohm-cm hat. Es hat sich experimentell erwiesen, daß mit diesem Bereich eine besonders hohe Empfindlichkeit erreicht wird. Der angegebene Bereich des spezifischen Widerstandes liegt um sechs bis elf Zehnerpotenzen unter demjenigen sonstiger üblicher Bindemittel. Als Material für das Bindemittel wird Glasemail bevorzugt. Besonders günstige Bedingungen ergeben sich dadurch, daß die der WechselspannungAgainst the background of this already very differentiated state of the art, the invention is based on the object of creating an image converter of particularly high sensitivity. Based on an image converter of the type mentioned at the outset, this object is achieved in that the binding agent of the electroluminescent layer has a specific resistance between 10 e and 10 9 ohm-cm. It has been shown experimentally that a particularly high sensitivity is achieved with this range. The specified range of specific resistance is six to eleven powers of ten below that of other conventional binders. Glass enamel is preferred as the material for the binding agent. Particularly favorable conditions result from the fact that the alternating voltage
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überlagerte Gleichspannung in derselben Größen- die energieempfindliche Schicht 15 die durch eine Ordnung wie oder höher als der Scheitelwert des Wechselspannung erregte Lumineszenz der elektro-Wechselstromanteils ist, der im Zustand ohne ein- lumineszierenden Schicht 13 durch eine Gleichspanfallende Energie an der elektrolumineszierenden nung steuert, die von der Stärke der einfallenden Schicht anliegt. In an sich bekannter Weise kann es 5 Energie abhängt.superimposed DC voltage in the same size - the energy-sensitive layer 15 by a Order like or higher than the peak value of the alternating voltage excited luminescence of the electro-alternating current component is, which in the state without a luminescent layer 13 controls by a constant voltage energy at the electroluminescent voltage, which depends on the strength of the incident Layer is applied. In a manner known per se it can depend on 5 energy.
im Einzelfall zweckmäßig sein, zwischen der Elektro- Die von der Wechselspannungsquelle 17 gelieferte lumineszenzschicht und der energieempfindlichen Frequenz und Spannung sind ausreichend hoch, daß Schicht noch eine einen Widerstand aufweisende die elektrolumineszierende Schicht 13 während der Lichtsperrschicht anzuordnen, die der Anpassung Dunkelperiode, in der keine einfallende Energie L1 dient und eine Rückkopplung verhindert. io vorhanden ist, eine ausreichend hohe Ausgangs-Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der lumineszenz L2 entwickelt. In diesem Zustand ist der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschrei- Widerstand der energieempfindlichen Schicht 15 bung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispiels- hoch, und es fließt ein Wechselstrom über die niedweise veranschaulicht, und zwar zeigt rige kapazitive Impedanz der Schicht 15 in die elek-The luminescent layer supplied by the alternating voltage source 17 and the energy-sensitive frequency and voltage are sufficiently high that the layer still has a resistive electroluminescent layer 13 to be arranged during the light blocking layer, the adaptation dark period in which none incident energy L 1 is used and prevents feedback. io is present, a sufficiently high output-Further details, advantages and characteristics of the luminescence L 2 developed. In this state, the invention will emerge from the following description of resistance of the energy-sensitive layer 15. In the drawing, the invention is exemplarily high, and an alternating current flows through the low-way illustrated, namely shows rige capacitive impedance of the layer 15 in the electrical
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Fest- 15 trolumineszierende Schicht 13.1 shows a vertical section through a solid 15 troluminescent layer 13.
körper-Bildwandler gemäß der Erfindung mit der Der Wechselspannung VA überlagert ist die Gleichelektrischen Speisung, spannung VB, die in derselben Größenordnung wiebody image converter according to the invention with the AC voltage V A superimposed is the DC electrical supply, voltage V B , which is in the same order of magnitude as
Fig. 2 Oszillogramme von Wechselspannung-und oder höher als der Scheitelwert des Wechselstrom-Lumineszenzverläufen beim Bildwandler gemäß anteils ist, der im Dunkelzustand an der elektro-Fig. 1. 20 lumineszierenden Schicht 13 anliegt.2 shows oscillograms of alternating voltage and or higher than the peak value of the alternating current luminescence progression in the image converter according to the proportion that is in the dark state on the electro-Fig. 1. 20 luminescent layer 13 is applied.
Der Festkörper-Bildwandler hat eine Energie- Die Gleichspannung ist gemäß F i g. 1 so ange-The solid-state image converter has an energy The DC voltage is shown in FIG. 1 so
einf allsseite 10 und eine Bildaustrittsseite 20. legt, daß die Elektrode 12 am Minuspol und die Elek-incident side 10 and an image exit side 20. sets that the electrode 12 at the negative pole and the elec-
Die Oberfläche einer Stützplatte 11 aus transpa- trode 16 am Pluspol angeschlossen ist. Dabei ändertThe surface of a support plate 11 made of transparent 16 is connected to the positive pole. It changes
rentem Glas oder Keramik mit hohem Schmelzpunkt sich der Verlauf der Ausgangslumineszenz L2 umge-rented glass or ceramic with a high melting point, the course of the initial luminescence L 2 is
ist mit einer durchsichtigen, leitenden Elektrode 12 25 kehrt zum Absinken oder Ansteigen des Widerstandsis with a transparent, conductive electrode 12 25 reverses to decrease or increase in resistance
überzogen, die aus einem Metalloxid, wie Zinnasche entsprechend der einfallenden Energie L1, wie incoated, which is made of a metal oxide such as tin ash according to the incident energy L 1 , as in
od. dgl. besteht. Hieran schließt sich eine elektro- F i g. 2 gezeigt.or the like. This is followed by an electrical F i g. 2 shown.
lumineszierende Schicht 13 an, die beispielsweise eine In Fig. 2 zeigt die Kurve (A) den an der elektro-Dicke in der Größenordnung von 50 μΐη hat und lumineszierenden Schicht 13 auftretenden Wechseldurch Mischen eines elektrolumineszierenden pulver- 3° Spannungsanteil, der auf eine konstante Frequenz von förmigen Leuchtstoffs wie ZnS: Cu mit Glasemail, 1 kHz und durch Adjustierung der Wechselspandessen spezifischer Widerstand in der Größenordnung nung VA auf 85 V eingestellt ist. Die Kurve (B) zeigt von 106 bis ΙΟ9 Ω cm liegt und der als Bindemittel den zeitlichen Verlauf der Ausgangslumineszenz L0, wirkt, hergestellt ist. Weiter schließt sich eine Licht- die von der elektrolumineszierenden Schicht 13 an sperrschicht 14, die eine Dicke in der Größenordnung 35 der Bildaustrittsseite 20 abgestrahlt wird, wenn die von 10 μτη und einen spezifischen Widerstand, der Stärke der einfallenden Energie L1 = 0 ist und die etwa in der Größenordnung von demjenigen der an der elektrolumineszierenden Schicht 13 anlieelektrolumineszierenden Schicht 13 oder darunter gende Gleichspannung 40 V beträgt. Erhöht sich die liegt, hat und durch Vennischen von pulverisierten einfallende Energie L1, so ändert sich der Wechsel-Graphit mit einem Glasemail hergestellt ist, und so- 40 Spannungsanteil an der elektrolumineszierenden dann eine energieempfindliche Schicht 15 an, die im Schicht 13 trotz des Sinkens des Widerstands der beschriebenen Beispiel eine photoleitende Schicht energieempfindlichen Schicht 15 kaum, da die kapamit einer Dicke in der Größenordnung von 100 bis zitive Impedanz der energieempfindlichen Schicht 15 200 μτη ist, die durch Sintern von CdS, CdSe, CdS- niedrig und ihr ohmscher Widerstand hoch ist. An-CdSe od. dgl. oder durch Verbinden von pulverför- 45 dererseits steigt der Gleichspannungansteil an der migem CdS, CdSe, CdS-CdSe od. dgl. mit Glasemail elektrolumineszierenden Schicht 13 mit fallendem von hohem spezifischem Widerstand als Bindemittel ohmschen Widerstand jener Schicht erheblich an. Die gebildet ist. Der maximale Widerstand der energie- Lichtstärke der periodisch mit der angelegten Wechempfindlichen Schicht 15 ist so ausgewählt, daß er selspannung auftretenden Lumineszenzimpulse sinkt dem Widerstand der elektrolumineszierenden Schicht 5° stetig beim Anwachsen der anteiligen Gleichspangleich oder höher als dieser ist. nung beispielsweise auf einen Verlauf gemäßluminescent layer 13 on, for example, an In Fig. 2, curve (A) shows the has μΐη on the electro-thickness in the order of 50 and luminescent layer 13 changes by occurring mixing an electroluminescent powder 3 ° voltage component, the constant a Frequency of shaped luminescent material such as ZnS: Cu with glass enamel, 1 kHz and, by adjusting the alternating chip, the specific resistance of the order of magnitude V A is set to 85 V. The curve (B) shows from 10 6 to ΙΟ 9 Ω cm and which acts as a binder, the time course of the initial luminescence L 0 , is produced. Next, a light closes from the electroluminescent layer 13 to the barrier layer 14, which is emitted a thickness in the order of 35 of the image exit side 20, if that of 10 μτη and a specific resistance, the strength of the incident energy L 1 = 0 and which is approximately of the order of magnitude of that of the electroluminescent layer 13 adjacent to the electroluminescent layer 13 or below that is 40 V direct voltage. If the area increases, has and by niching powdered incident energy L 1 , then the alternating graphite is made with a glass enamel, and so- 40 voltage component on the electroluminescent then an energy-sensitive layer 15, which is in layer 13 in spite of the Sinking of the resistance of the example described a photoconductive layer energy-sensitive layer 15 hardly, since the capacitance of a thickness in the order of 100 to zitive impedance of the energy-sensitive layer 15 is 200 μτη, which by sintering CdS, CdSe, CdS- low and its ohmic resistance is high. On-CdSe or the like, or by connecting powder-conveying 45 on the other hand, the DC voltage component on the moderate CdS, CdSe, CdS-CdSe or the like with glass enamel electroluminescent layer 13 with decreasing high specific resistance as a binder ohmic resistance of that layer increases considerably on. That is educated. The maximum resistance of the energy-luminous intensity of the periodically applied Wech-sensitive layer 15 is selected so that it self-voltage occurring luminescence pulses decreases the resistance of the electroluminescent layer 5 ° steadily with the increase in the proportionate DC or higher than this. tion, for example, on a course according to
Eine für die einfallende Energie durchlässige Elek- Fig. 2 (C), wenn der Gleichspannungsanteil 260 V
trode 16 auf der Einstrahlungsseite der energie- beträgt. In Bezug zur einfallenden Energie L1 wird
empfindlichen Schicht 15 besteht aus einem aufge- also ein verstärktes negatives Elektrolumineszenzbild
dampften Metallfilm wie Aluminium, wenn die ein- 55 als L2 sichtbar, wobei der spezifische Widerstandsfallende
Energie L1 Röntgenstrahlen sind, und ist als bereich der elektrolumineszierenden Schicht 13 eine
durchsichtige Elektrode ausgebildet, wenn die ein- besonders hohe Empfindlichkeit bewirkt,
fallende Energie Lichtstrahlen sind. Zwischen die Wird die einfallende Energie L1 wieder abgeschal-Elektroden
12 und 16 sind eine Wechselspannungs- tet,· so fällt der Gleichspannungsanteil auf 40 V, und
quelle 17 und eine Gleichspannungsquelle 18 ge- 60 man erhält für L1 = 0 wieder den Lumineszenzverschaltet,
um an diese eine Wechselspannung VA und lauf (D), die mit (B) gleich ist. Die Lumineszenzsteueeine
Gleichspannung VB anzulegen. rung ist somit vollkommen umkehrbar in Abhän-An electrode that is permeable to the incident energy. With respect to the incident energy L 1-sensitive layer 15 is made of a vapor-deposited so an amplified negative electroluminescence metal film such as aluminum, if the incoming visible 55 as L 2, wherein the specific resistance Falling energy L 1 are X-rays, and is range as the electroluminescent layer 13 is formed with a transparent electrode, if the particularly high sensitivity causes
falling energy are rays of light. Between the electrodes 12 and 16, the incident energy L 1 is switched off again, the direct voltage component drops to 40 V, and source 17 and a direct voltage source 18 are again connected to the luminescence for L 1 = 0 in order to apply an alternating voltage V A and run (D), which is equal to (B). The luminescence controls to apply a DC voltage V B. tion is thus completely reversible depending on
Die energieempfindliche Schicht hat einen Wider- gigkeit von der Stärke der einfallenden Energie L1 stand, der entsprechend der Erregung durch die ein- bzw. vom Gleichspannungsanteil an der elektrolumifallende Energie L1 wie Lichtstrahlen, sonstige elek- 65 neszierenden Schicht 13. Das Gerät weist den besontromagnetische Strahlen oder Elektronenstrahlen deren Vorteil auf, daß es mit extrem hoher Empfindvariiert, und ist mit der elektrolumineszierenden lichkeit gebaut werden kann.The energy-sensitive layer has a resistance to the strength of the incident energy L 1 , which corresponds to the excitation by the direct voltage component of the electroluminescent energy L 1 such as light rays, other electroluminescent layer 13. The device has The particular electromagnetic rays or electron beams have the advantage that it varies with extremely high sensitivity, and can be built with the electroluminescent ability.
Schicht 13 so in gegenseitige Beziehung gesetzt, daß Gemäß der Erfindung können verschiedene Fest-Layer 13 so placed in mutual relationship that According to the invention, different fixed
körperbildwandler ausgeführt werden. Wird z. B. als energieempfindliche Schicht 15 eine Schicht aus einem infrarotlöschbaren photoleitenden Material, wie beispielsweise CdS: Cu oder Ga od. dgl. verwendet, so kann ein verstärktes Elektrolumineszenzbild positiver Polarität als Ausgangslichtbild für ein einfallendes Infrarotbild abgestrahlt werden, indem eine Vorbeleuchtung aufgebracht wird, die den Widerstand der energieempfindlichen Schicht 15 erniedrigt, und als einfallende Energie L1 Infrarotstrahlen, der Vorbeleuchtung überlagert, aufgestrahlt werden. Allgemein gilt, daß, je größer die Dunkelleitfähigkeit und die Photoleitfähigkeit des infrarotlöschbaren Materials ist, desto kleiner die Infrarot-Unterdrückungsempfindlichkeit und der Variationsbereich der Leitfähigkeit des infrarotlöschbaren photoleitbaren Materials ist. Der erfindungsgemäße Bildwandler arbeitet mit einer hohen Empfindlichkeit entsprechend dem kleineren Leitfähigkeitsminimum der energieempfindlichen Schicht 15, selbst wenn die Widerstandsveränderung klein ist, indem das Verhältnis zwischen den Widerständen der energieempfindlichen Schicht 15 und der elektrolumineszierenden Schicht 13 geeignet gewähltbody image converters are running. Is z. B. used as an energy-sensitive layer 15 of an infrared-erasable photoconductive material, such as CdS: Cu or Ga or the like the resistance of the energy sensitive layer 15 is lowered, and infrared rays superimposed on the pre-illumination are irradiated as incident energy L 1. In general, the greater the dark conductivity and the photoconductivity of the infrared erasable material, the smaller the infrared suppression sensitivity and the range of variation in conductivity of the infrared erasable photoconductive material. The image converter according to the invention operates with a high sensitivity corresponding to the smaller conductivity minimum of the energy-sensitive layer 15, even if the change in resistance is small, by appropriately selecting the ratio between the resistances of the energy-sensitive layer 15 and the electroluminescent layer 13
ίο ist. Ein Infrarot-Positiv-Bildverstärker mit hoher Empfindlichkeit kann also durch die Verwendung eines infrarotlöschbaren photoleitenden Materials mit einer niedrigen Dunkelleitfähigkeit und einer hohen Löschungsempfindlichkeit erhalten werden.ίο is. An infrared positive image intensifier with high Sensitivity can thus be achieved through the use of an infrared-erasable photoconductive material a low dark conductivity and a high erasure sensitivity can be obtained.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |