DE2361116A1

DE2361116A1 - Vorrichtung zum umwandeln eines akustischen zeichens oder bildes in ein sichtbares zeichen oder bild

Info

Publication number: DE2361116A1
Application number: DE2361116A
Authority: DE
Inventors: Sarkis Barkhoudarian; George Goetz; Charles Bruce Johnson
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1972-12-12
Filing date: 1973-12-07
Publication date: 1974-06-20
Also published as: NL7316659A; FR2210324A6; US3879700A; JPS4990434A; GB1407156A

Description

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Patentanwalt

wat

Karl A. B rose

* Dipl.-Ing. . '

D -8023 München - Pullach

WIenersfr. 2,T. Mdin.7930570,7931782 ν

ν.I/sta - 5077-A ■ Münehen-Pullach, den7« Dez. 1973

! THE BENDIX COHPORATIOIi, Executive Offices, Bendix Center, ;

Southfield, Michigan, 48075, USA ;

Vorrichtung zum Umwandeln eines akustischen Zeichens oder BiI- '

des in ein sichtbares Zeichen oder Bild , ·.

(Zusatz zu Patent . ,.. ... (Pateritanmeldung 5078-A (US Serial [

No. 314,3H) P Ώ 60.3454_om |4.pe_?|1973.) j

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln eines aku-_; stischen Zeichens oder Bildes in ein sichtbares Zeichen oder \ Bild. ' ■ ■ j

Be.kannte Vorrichtungen zum Umwandeln eines akustischen Bildes in^; ein sichtbares Bild verwendeten eine Elektronenkanone, um das ■ akustische Bild abzutasten. Der dabei resultierende Strom wurde j verstärkt und in. ein sichtbares Bild unter Verwendung von Abtasttechniken umgewandelt. Eine derartige Vorrichtung war kompliziert und besaß relativ große Abmaße und erforderte auch eine entsprechende Leistung bzw«, Energiemenge für den Betrieb.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Weiterbildung des Gegenstandes der deutschen Patentanmeldung P ?? iP?^j?.^e/t(5O78-A).

Durch die vorliegende Erfindung wird ein verbessertes sichtbares Bild erreicht, wobei der Elektronenstrom derart vorgespannt wird, daß der mittlere Elektronenstrom in Abhängigkeit von der akustischen Eingangsgröße schwankt.

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Durch die vorliegende Erfindung wird eine Vorrichtung zum Umwandeln eines akustischen Bildes in ein sichtbares Bild geschaffen, und diese Vorrichtung besteht aus einem piezoelektrischen Wandler, der das akustische Zeichen oder Bild empfängt und ein diesem entsprechendes elektronisches Ladungsbild oder Muster erzeugt, besteht weiter aus einer Elektronenquelle, die dem piezoelektrischen Wandler zugeordnet ist und die einen Elektronenstrom vorsieht, Mittel zum Vorspannen des Elektronenstromes, derart, daß das elektronische Ladungsbild oder Muster den Elektronenstrom moduliert, so daß ein mittlerer Elektronenstrom

erzeugt wird, der in Einklang mit dem akustischen Eingangssignal bzw. der akustischen Eingangsgröße schwankt, weiter aus einem j Mikrokanal-Platten-Elektronenvervielfacher zur Verstärkung des modulierten Elektronenstromes und aus Mitteln zum Umwandeln des :verstärkten Elektronenstromes in ein sichtbares Bild, welches dem akustischen Muster oder Bild entspricht.

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j Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrich-•tung zur direkten Umwandlung eines akustischen Musters oder BiI-. des in ein elektrisches Strom-Bild oder Muster zu schaffen, woi bei keine Elektronenkanone oder Videoverarbeitungsprozesse er-

!forderlich sind.

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I Auch soll durch die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum ι Umwandeln eines akustischen Bildes in ein elektronisches Strom- ' Bild oder Muster für eine Fernablesung, das heißt eine oszillographische Darstellung und/oder Speicherung geschaffen werden. ·

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht auch darin, einen piezoelektrischen Wandler zu verwenden, um ein elektroniscfo.es La— j dungsbild oder Spannungsbild bzw. Muster zu schaffen, welches einem akustischen Bild oder Muster entspricht, welches auf den

piezoelektrischen Wandler geworfen wird. -i

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Die Erfindung sucht auch, einen Raum-Elektronenstrom zu erzeu- j gen, welcher durch, das Spannungsbild durch Beleuchtung einer ' Photokathode von einer Strahlungsquelle aus moduliert wird, und .

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wobei ein Mikrokanal—Platten—Elektronenvervielfacher für die Verstärkung des Elektronenstromes Verwendung findet.

Auch ist es Aufgabe der Erfindung, einen Leuchtschirm^ zu verwenden, um den verstärkten Elektronenstrom in Photonenenergie : umzuwandeln, so daß dadurch das sichtbare Bild des akustischen ' Musters oder Bildes entsteht. ·

Schließlich ist auch Gegenstand der Erfindung, den Elektronen- ' strom derart vorzuspannen, daß der Elektronenstrom durch das j akustische Muster oder Bild moduliert wird und dabei ein mittlerer Elektronenstrom entsteht, der in Einklang mit der akustischen Eingangsgröße schwankt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung. Es zeigts

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit den Merkmalen nach der vorliegenden Erfindung, um ein akustisches Muster oder Bild in ein sichtbares Bild umzuwandeln;

Figur 2 die Energieverteilung der Elektronen, die von einer gl'sium—Jodidphotokathode ausgesendet werden}

Figur 3 den Elektronenstrom am Eingang jedes Kanals in den

^Mikrokanal-Platten-Elektronenvervielfacher von einer ^äsium-Jodid-Photokathode, wobei dieser Strom auf der Ordinate in einem logarithms ehen Maßstab aufgetragen ist, und wobei die Vorspannung auf der Abszisse linear aufgetragen ist} '

Figur 4 ein schematisches Diagramm, welches die Leuchtschirm- . Helligkeitsverteilung wiedergibt, die von einem Rechteckwellen-akustischen Muster oder Bild resultiert;

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Figur 5 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung mit den Merkmalen nach der vorliegenden Erfindung; und

Figur 6 die Modulationsschwankungen als Funktion der Gittervorspannung.

Es sei hervorgehoben, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Zeichnungen bzw. das veranschaulichte Ausführungsbeispiel beschränkt ist.

In den Zeichnungen ist ein neuartiger Wandler, der nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, gezeigt und dieser besteht gemäß Figur 1 aus einem piezoelektrischen Wandler 1, wie beispielsweise einem Quarzkristall.

Ein akustisches Muster oder Bild, welches mit Hilfe von unterbrochenen und mit E&ilen ausgestatteten Linien veranschaulicht ist, wird auf den piezoelektrischen Wandler 1 geworfen, und es bildet sich eine entsprechende elektronische Ladung oder Spannungsmuster auf dem Wandler aus, wie dies durch die Plus- und Minuszeichen angezeigt ist. Der Wandler 1 ist mit einer Photokathode 3 ausgestattet, welche diesem zugeordnet ist, und zwar bevorzugt auf einer Fläche. Die Photokathode 3 wird einheitlich von einer Strahlungsquelle aus beleuchtet, wie beispielsweise durch Ultraviolettstrahlung, Infrarotstrahlung, elektromagnet!- j sehe Strahlung oder radioaktive Strahlung, wie dies durch die ' mit Efeilen ausgestatteten durchgehenden Linien gezeigt ist. Die Photokathode 3 kann aus Zäsiumjodid bestehen, welches eine : nicht-lineare Elektronenenergieverteilung aufweist. - \

Die bestrahlte Photokathode 3 stellt eine Quelle für Photoelek- | tronen dar, und es werden aus der Photokathode Elektronen freigesetzt, die eine räumliche Verteilung der Elektronenenergien ! aufweisen, welche dem akustischen Eingangsmuster oder Bild entsprechen.

Ein Gitter in Form einer feinen Maschenkonstruktion 5 ist nahe

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der Photokathode 3 in Lage gebracht void, wird auf einem Potential V gehalten, um einen mittleren Elektronenstrom I* "vor.zusehen, der in Einklang mit der akustischen Eingangsgröße schwankt. Die'Gitterspannung kann zwischen ca. acht Zehntel (0,8) Volt und 0,950 Volt unterhalb des Potentials des piezoelektrischen Wandlers und der Photokathode schwanken, welche auf Massepot'ential liegen kann. Bei dieser Anordnung läßt das Gitter 5 Elektronen höherer Energie hindurch und. weist Elektronen niedriger Energie ab, wie dies durch die mit Pfeilen versehenen Punktlinien veranschaulicht ist« Der durch das Gitter hin— durchgelangende Elektronenstrom wird durch das akustische Muster moduliert und besitzt einen mittleren Wert, der in Einklang mit der akustischen Eingangsgröße schwankt. Der modulierte Elektronenstrom wird durch einen Mikrokanal-Platten-Elektronenvervielfacher 7 linear verstärkt, wie dies durch die mit Pfeilen ausgestatteten Strieh-Punktlinien angezeigt ist, und es wird dann der räumlich verteilte Strom aus der Mikrokanalplatte auf einen Leuchtschirm 9 mit einem hohen Potential geworfen, an welchem er in Photonenenergie umgewandelt wird, um von dem akustischen Muster oder Bild ein sichtbares- Bild zu erzeugen.

Das Eingangspotential V- der Mikrokanalplatte 7 wird um ca. 300 Volt höher gehalten als das Gitterpotential V , und das Ausgangspotential V~ des Mikrokanal-Platten-Elektronenvervielfachers 7 wird so eingestellt, daß die erforderliche Verstärkung erzielt wird, und kann um ca. 1000 Volt höher liegen als V.. Das Potential V des LeuchtSchirmes liegt um ca, 5000 Volt höher als V_Q.

In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, die Verwendung eines eigenen oder getrennten Gitters in Form einer feinen Maschenkonstruktion zu vermeiden und anstatt dessen die Eingangs— fläche der Mikrokanalplatte auf dem'Potential V zu halten, um den Elektronenstrom in der zuvor geschilderten Weise zu modulieren. ■ ' . ;

Figur 2 zeigt die nicht-lineare Energieverteilung der Elektro-

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nen, die von einer bestrahlten JSffiium-Jodidphotokathode emittiert werden. Die Anzahl der Elektronen ist auf der Ordinate aufgetragen, und die Energie der Elektronen ist auf der Abszisse aufgetragen. Die strichlierte Kurve zeigt die Energieverteilung der Elektronen bei Abwesenheit eines akustischen Zeichens oder Musters, während die durchgehend ausgezogenen Kurven die EnergieVerteilungen der Elektronen veranschaulichen, wenn eine Modulation durch das akustische Zeichen oder Muster vorliegt, und zwar mit einer maximalen Änderung von V Volt. Die Elektro— nenströme entsprechen den Flächen unterhalb den Kurven. Das Gitterpotential V wird in.bevorzugter Weise so ausgewählt, daß die Modulation des Elektronenstromes von der Photokathode durch das elektronische Ladungsbild oder Muster im nicht-linearen Bereich der Kurven stattfindet, so daß der mittlere Elektronen— strom I* in Einklang mit der akustischen Eingangsgröße schwankt.

In Figur 3 ist der Elektronenstrom I durch das Gitter für jedes Element der Zifeium-Jodid-Photokathode in logarithmischem Maßstab auf der Ordinate für verschiedene Gittervorspannungen V aufgetragen, während die Vorspannungen selbst in linearem Maßstab auf der Abszisse aufgetragen sind. Bei einer Gitterspannung von - 0,925 Volt und einer sinusförmigen Eingangs— spannung V vom Quarzkristall mit einer Amplitude und Frequenz der akustischen Eingangsgröße gelangt ein Elektronenausgangsstrom I 1
schwankt.

strom I_Q durch das Gitter, welcher von 0,0015 A bis 0,0070 A

Der durch strichlierte Linien veranschaulichte mittlere Elektronenstrom I· weist einen Wert von 0,0043 A auf. Der Strom I, welcher durch die ausgezogene Linie wiedergegeben ist, hat einen Wert von 0,0035 A und entspricht dem mittleren Strom, wenn die Eingangsspannung V vom Quarzkristall null beträgt,

das heißt, daß I der mittlere Strom ist, wenn keine akustische Eingangsgröße ansteht. Die Modulation M beträgt 0,10 und wird durch die folgende Gleichung angegeben:

It + I
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Je größer die Modulation für eine gegebene akustische Eingangsgröße ist, desto besser ist der Kontrast des sichtbaren Bildes auf dem Leuchtschirm. In bevorzugter Weise werden die piezoelektrische Modulationsspannung, die von der akustischen Welle induziert wird, das Gittervorspannungspotential, die Wellenlängenverteilung der Strahlungsquelle und die emittierte Elektronenenergie verteilung so ausgewählt, daß die Differenz zwischen I' und I zu einem Maximum wird. Es muß jedoch eine geeignete Abgeglichenheit zwischen der Röhrenhelligkeit aufrechterhalten werden, wie dies durch den mittleren Elektronenstrom I und die Modulation bestimmt wird. ■

Bei einem zweiten Beispiel gemäß Figur 3 beträgt die Gitterspannung V - 0,85 Volt, und der Elektronenstrom I schwankt zwischen 0,032 A und 0,1.3 A, und der mittlere Elektronen— strom. I^f beträgt 0,023 A. Bei diesem Beispiel ist I gleich 0,021 A, und M ist gleich 0,04. · . " '< -

Gemäß einem dritten Beispiel nach/Figur 3 beträgt die Gitterspannung V - 0,75 Volt, und der Elektronenstrom I schwankt zwischen 0,090 A.und 0,058 A. Bei diesem Fall ist der mittlere Strom I¹ der gleiche wie I und ist gleich 0,074 A, und die Modulation M ist gleich null. .

Diese Beispiele zeigen in Verbindung mit Figur 6, daß die Modulation M mit zunehmend negativ werdender Vorspannung V_ zunimmt. Eine noch größere Modulation M und ein besserer Kontrast läßt sich durch Erhöhen der negativen Vorspannung V erzielen, so daß die unteren Abschnitte des Elektronenstromes I_Q abgeschnitten werden, um die Differenz zwischen den mittleren Strömen· I* und I zu erhöhen. Dies kann durch Vergrößern von V in negativer Richtung ,auf ca. — 0,950 Volt erreicht werden.

Bei den ersten zwei zuvor geschilderten Beispielen wurden die Gitterspannungen so ausgewählt, daß die Modulation des Elektronenstromes durch die akustische Eingangsgröße am nicht-linearen Abschnitt der Elektronenstromkurve stattfindet, und M größer

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als null ist. Bei dem letzten Beispiel findet jedoch, die Modulation im linearen Abschnitt der Kurve etatt, und M ist gleich null, so daß nur ein geringer oder kein resultierender Kontrast am Leuchtschirm auftritt.

Die Leuchtschirm-Helligkeitsverteilung für ein akustisches Rechteckwellenmuster' oder Bild ist in Figur 4 gezeigt. Die Wellen zeigen den momentanen Elektronenstrom zum Leuchtschirm aufgrund der akustischen Modulation und· der Amplitude und Frequenz der akustischen Eingangsgröße. Die mittlere Schirm-Helligkeit aufgrund der von der Strahlungsquelle erzeugten Emission und die Modulation des Elektronenstromes durch eine akustische Eingangsgröße ist durch die Linie B gezeigt, und die Schirmhelligkeit aufgrund der Photokathodenemission, die nur durch, die Strahlungsquelle hervorgerufen wird, ist durch die Linie B, angezeigt. Die resultierende Modulation (M) in der Leuchtstoffschirm-Helligkeit (Figur 4) wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:

M= (B_u- B_b)/(B_U + B₁,).- (2)

Hierin bedeutet B die mittlere Schirmhelligkeit aufgrund der von der Strahlungsquelle produzierten Emission und der Modulation des Elektronenstromes bei Vorhandensein einer akustischen Eingangsgröße, und B^ bedeutet die Schirmhelligkeit aufgrund der Photokathoden—Emission, ■ die nur durch, die Strahlungsquelle hervorgerufen wird.

Das akustische Muster oder Bild kann irgendeine gewünschte Frequenz (wie beispielsweise ünterschall, Schall oder Ultraschall) haben.

Die Leitfähigkeit der Photokathode sollte ausreichend groß sein, damit der Photokathodenstrom auf einem Gleichgewicht mit dem piezoelektrischen Modulationspotential bleiben kann, sollte jedoch auch ausreichend klein sein, um eine BildqualitätsVerschlechterung aufgrund von Ladungsleitung zu beseitigen. Die j

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Werte des*spezifischen Volumenwideretandes (P ) unä der Per- j meabilität ( £ ) des Photokathodenmaterials sollten so ausgewählt werden, daß die charakteristische Zeitkonstante ( Z ) der j Photokathode sehr viel größer ist als die zugeführte akustische Periode:

Z= />■"£> V t/r." (3) ;

wobei f die zugeführte akustische Frequenz ist.

Eine nach der vorliegenden Erfindung aufgebaute Einrichtung zum Umwandeln eines akustischen Musters oder Zeichens in ein sichtbares Bild kann in einem evakuierten kreisförmigen Röhrenkolben, wie in Figur 5 gezeigt ist, angeordnet werden. Der Kolben braucht nicht mehr als einige Zentimeter. Durchmesser haben und kann eine Dicke von weniger als 2,54 cm aufweisen. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, die Vorrichtung in einer kompakten Packung, z. B. in einer Schutzbrille, anzuordnen bzw. einzubauen, um akustische Muster oder Bilder unter Wasser feststellen zu können.

Bei der vorliegenden Anordnung braucht keine Elektronenkanone oder Videoverarbeitungsprozesse des elektronischen Signals, welches von dem akustischen Bildwandler erzeugt wird, zur Anj wendung gebracht werden. Es wird am Leuchtschirm ein direkt sichtbares Bild des eingegebenen akustischen Bildes erzeugt.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in der Zeichnung veranschaulichten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims

Pat ent ans-prüehe

(Vorrichtung zum Umwandeln eines akustischen Zeichens oder Bildes in ein sichtbares Bild, mit einem piezoelektrischen Wandler zum Empfangen des akustischen Bildes und zum Erzeugen eines elektronischen Ladungsmusters, welches diesem entspricht, einer dem piezoelektrischen Wandler zugeordneten Elektronenquelle in Form einer Photokathode, die von einer Strahlungsquelle zum Erzeugen eines Elektronenstroaes bestrahlt wird, einem Mikrokanal—Platt en-Elektronenvervielfa— j eher für die Verstärkung des Elektronenstromes und mit Mitteln zum Umwandeln des verstärkten Elektronenstromes in ein | dem akustischen Bild oder -Zeichen entsprechendes sichtbares i Bild, nach Hauptpatent ? Z5.6Q .3^5O¹IQ-A), dadurch gekenn- ; zeichnet, daß Mittel zur Vorspannung des Elektronenstromes auf ein Potential vorgesehen sind, derart, daß das elektronische Ladungsbild oder Muster den Elektronenstrom moduliert, und ein mittlerer Elektronenstrom erzeugt wird, der in Einklang mit dem akustischen Muster oder Bild schwankt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Vorspannung des Elektronenstromes aus einem zwischen der Photokathode und dem Mikrokanal—Platten—Elektronenvervielfacher angeordneten Gitter bestehen, welches Gitter auf dem genannten Potential gehalten ist, so daß Elektronen aus der Photokathode befreit werden und räumlich in Einklang mit dem elektronischen Ladungsmuster oder Bild verteilt werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch.2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter aus einer feinen Maschenkonstruktion besteht, die auf dem genannten Potential gehalten wird, um Elektronen niedriger Energie abzustoßen und Elektronen hoher Energie hindurchzulassen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Potential derart ausgewählt- ist, daß eine

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nicht—lineare Modulation des Elektronenstromes stattfinden. j kann. i

i Vorrichtung nach. Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß ^:

die leitfähigkeit der Photokathode ausreichend groß ist,
damit der Photokathodenstrom im Gleichgewicht mit dem elektronischen Ladungsmuster oder Bild gehalten werden kann, je— ί doch auch ausreichend klein ist, um Bildqualitätsverschlech- i terungen aufgrund von Ladungsleitung zu beseitigen, \

Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß j die Werte des spezifischen Volumenwiderstandes (^ ) und | der Permeabilität '{■£ ) der Photokathode derart ausgewählt
sind, daß die charakteristische Zel-tkonstaate- ( *& ) der
Photokathode sehr viel größer ist als die zugeführte akustische Periode *T = PC ^7 V ^/^_a» wobei f die zugeführte
akustische Frequenz bzw.- die Frequenz des akustischen
Signals ist.

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