DE3236137A1

DE3236137A1 - Bildaufnahmeeinrichtung

Info

Publication number: DE3236137A1
Application number: DE19823236137
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 8000 München Kempter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-09-29
Filing date: 1982-09-29
Publication date: 1984-03-29
Also published as: JPS5999300A; US4535468A

Description

Die Erfindung betrifft eine Bj Idaufnahnieeinri chtune nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Einrichtungen leiten sich ab von solchen, wie sie z.B. im "Journal of Applied Photographic engineering" Vol. 4, Nr. k, 1878, Seiten 178 bis 182 beschrieben sind.

Bei dem vorgenannten Lösungsversuch wird eine Doppelschicht verwendet, bestehend aus einer Selen- und einer elektrisch isolierenden Schicht. Beide Schichten befinden sich zwi seilen einer Grund- und einer Deckelektrode, wobei letztere transparent ist. Die Selenschicht muß in jedem Fall gleichzeitig zwei Aufgaben erfüllen. Zur Absorption der Röntgenstrahlung, d.h. zur Aufnahme von Höntgenbildern, sollte sie möglichst dick sein. Zum verlustfreien Ladungsträgertransport bei der punktweisen Abtastung mit einem Lichtstrahl bei der Auslesung des Signals soll sie aber möglichst dünn sein. Die erzielbare Signalgröße und die zur Erzeugung des Signals notwendige Auslesezeit muß bei dieser Doppelverwendung der Selenschicht deutlich ungünstiger ausfallen, als es bei jeweils optimal bemessener Anpassung der Schichtdicken möglich sein könnte.

Bei der vorgesehenen Anwendung dieses Aufnahmeprirr/ips in der medizinischen Röntgendiagnostik ist die Röntgenstrahlendosis zum Schütze des Patienten begrenzt. Die Schicht aus Selen entlädt sieh aber bei der Aufnahme mit einer derart begrenzten Dosis um nur ca.

10 %. Demnach ergibt sich aus dem vorgeschlagenen Ausleseprinzip ein weiterer Nachteil. Beim Auslesen wird

Kn 5

i / 27.09.1982

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mit Licht vollständig entladen, so daß die vorangegangene Itöntgcnbcliehtung nur als kleines Differenzsignal auf dem durch die Aufladung vorhandenen großen Signalhintergrund erscheint.

Nach der US-PS 30 69 551 ist ein System aus mehreren Schichten bekannt, bei welchem sowohl eine Röntgenals auch eine für Licht empfindliche Photoleiterschicht verwendet werden, die an einer Mosaikschicht mit Ladungsspeicherfähigkeit aneinandergrenzen. Eine derartige Anordnung hat aber den Nachteil, daß bis heute kein Verfahren bekannt ist, eine solche Mosaikschicht derart homogen herzustellen, wie es für ein Aufnahmemedium z.B. der Röntgendiagnostik erforderlich ist.

Um bei einer Anordnung, wie sie etwa aus vorgenannter US-Patentschrift bekannt ist, ein großes Bildsignal mit verbessertem Rausehverhältnis zu erhalten, wird nach der alteren Patentanmeldung I)E-PS 31 51 155· ^ vorgeschlagen, zwischen der Röntgenfotoleitschicht und der Lichtfotoleitschicht eine homogene elektrisch isolierende Schicht anstatt der Mosaikschicht einzubringen. Bei dieser Anordnung müssen die von der abzubildenden Strahlung erzeugten Ladungsträger zur Speicherung an der Grenzfläche Fotoleitcr-Isolator festgehalten werden. Die reproduzierbare Herstellung von Grenzfläehenzuständen gleicher Eigenschaften ist aber technologisch schwierig.

Beim Auslesen können die Ladungsträger aus der Lichtfotoleiterschicht die bildmäßig gespeicherten Ladungsträger nicht in ihren Haftstellen neutralisieren, da die Isolierschicht dazwischen liegt und laut Definition keine Ladungsträger durchläßt. Um die Entstehung von Geisterbildern bei der nachfolgenden Aufnahme zu ver-

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hindern, muß ein effektives Löschverfahren nach jeder Aufnahme durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ΐ>οi einer Bildaufnahmeeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 neben einem großen Bildsignal mit verbessertem Signalrauschverhältnis Reproduzierbarkeit der speichernden Haftstellen und einfache Löschung der gespeicherten Ladungsbilder zu erreichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüehe.

Bei der erf indungsgeinäßen Anwendung eines Dreischichten-Systems, das sich zwischen zwei an Gleichspannung liegenden Elektroden befindet, und bei dem die zwischen der ersten und der zweiten Fotoleitersehieht liegende Speicherschicht aus einem Material besteht, das Stellen aufweist, in dem die Ladungsträger haften bleiben und bei dem die an der ersten Fotoleitschicht anliegende Elektrode die gleiche Polarität besitzt wie die Polarität der Ladungsträger, für welche die Speicherschicht Haftstellen aufweist, wird

a) die bildmäßig erzeugte Ladung aus der ersten Fotoleitschicht im Volumen der Speicherschicht festgehalten. Die Dichte der Haftstellen im Volumen ist weitgehend eine Eigenschaft des Materials und damit reproduzierbar herzustellen.Weil auch die Dicke der Speicherschicht frei wählbar ist, kann die Gesamtzahl der in dieser Schicht vorhandenen Haftstellen der jeweiligen Anforderung angepaßt werden.

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b) Beim Auslesen des gespeicherten Bildes wandern entsprechend der angegebenen Polarität der Elektroden - den gespeicherten Ladungsträgern entgegengesetzt geladene Ladungsträger aus der zweiten Fotoleitschicht in die Speicherschicht bis zu den in dieser haftenden Ladungsträgern und neutralisieren sie an Ort und Stelle. Bei der Einspeicherung von Elektronen erfolgt die Neutralisierung durch Löcher, die aus der zweiten Fotoleitschicht in die Speicherschicht einwandern. Dies ist nur deshalb möglich, weil die Speicherschicht eine Wanderung von Ladungsträgern zur Neutralisation der gespeicherten Ladungsträger erlaubt. Bei einer Anordnung nach der Erfindung erfolgt somit schon beim Auslesen des gespeicherten Bildes eine völlige Löschung, so daß schon damit das Entstehen von Geisterbildern verhindert ist.

Zur Höhe des Auslesesignales ist zu bemerken: Vorausgesetzt, der Fotoleiter der ersten Fotoleitschicht hat einen Quantenwirkungsgrad von 100 % (dies ist bei Selen (SE) nahezu erfüllt) und die Speicherschicht speichert die ganze Bildladung verlustlos, dann bewegt sich beim Auslesen im Außenkreis eine Signalladung, die der gespeicherten Ladung proportional ist, aber multipliziert mit einem Faktor entsprechend dem Verhältnis der Dicke der Ausleseschicht, d.h. der zweiten Fotoleiterschicht zur Dicke des gesamten Dreischichten-Systems (= Abstand der Elektroden).

Beispiele für die Aufnahme von Röntgenbildern: Soll die erste Fotoleiterschicht 300/um dick sein und die zweite Fotoleiterschicht 10 /um, die Speicherschicht soll 5/uni dick sein. Die gespeicherte Ladung soll mit Q bezeichnet sein, dann beträgt die Signalladung Q .

Qc=- χ Q = 0,03 χ Q

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Für die Aufnahme von Lichtbildern können die beiden Fotoleiterschichten wegen der besseren Absorptionsverhältnisse dünner sein. Die beiden Fotoleiterschichten brauchen nur eine Dicke von 5/um zu haben, so daß bei Vernachlässigung der Speicherschichtdicke von z.B. 0,5/um

Q ₌ _Z_ χ Q ₌ 0,5 X Q.

10

Dies gilt es zu berücksichtigen, wenn es um das Signalrauschverhältnis geht, weil man durch geeignete Wahl " des Verhältnisses der Dicken der beiden Fotoleiterschichten die Signalhöhe direkt beeinflussen kann.

5 Das Rauschen wird vom Dunkel strom "bestimmt, der bei Verwendung von extrem hochohmigem Selen und Injektionsbarrieren an den Elektroden klein gehalten werden kann.

Als besonders günstig haben sich bei der Realisierung ZO der Erfindung eine Speicherschicht erwiesen, in der nur Elektronen haften und eine zweite Fotoleiterschicht,aus der Löcher in die Speicherschicht einwandern können. Das erfordert einmal eine positiv vorgespannte Elektrode an der zweiten Fotoleiterschicht und eine negative an der ersten. Da andererseits eine schnelle Bildwiedergabe erreicht werden soll, ist es günstig, wenn viele Punkte in kurzer Zeit ausgelesen werden können. Dazu müssen aber die Löcher in der zweiten Fotoleiterschicht sehr große Beweglichkeit haben. Dies ist besonders bei Verwendung von Selen als Material für die Fotoleitschichten der Fall.

Beim Einschreiben des aufzunehmenden Bildes in die erste Fotoleitschicht müssen hei der angegebenen Polarität Elektronen bewegt werden. Die Beweglichkeit der Elektronen in Selen ist ausreichend groß, um während der

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relativ langen (etwa 1 sec) Belichtung eine nicht zu dicke erste Fotoleitschicht zu durchlaufen. Außerdem werden in einer Speicherschicht, die aus Arsentriselenid (AS₀Se-) besteht, ausreichend Haftstellen für Elektronen zur Verfugung gestellt.

Für die Kombination aus drei Schichten, erste Fotoleitschicht, Speicherschicht für die Ladung Q und zweite Fotoleitschicht eignet sich somit eine Materialfolge Selen-AS^e,-Selen.

Ein entsprechende!- Aufbau einer Röntgenbildaufnahmeeinrichtung kann erhalten werden, indem auf einen elektrisch leitenden Trüger, z.B. einer 0,5 mm starken Platte aus Aluminium, die Schichten angebracht werden, d.h. eine ca. 300/um amorphe Selenschicht als erste, d.h. röntgenenipf indliehe Fotoleiterschicht, eine ca. 5/um dicke Schicht aus amorphem Arsentriselenid als Elektromvnhaft- und Speicherschicht, eine ca. JO/um dicke amorphe Selenschicht als zweite, d.h. Lichtfotoleiterschicht und schließlich eine transparente, aus Gold bestehende und ca. IO nm dicke Elektrode.

Zwischen dem leitfähigen Träger der am negativen Pol einer 3000 Volt Gleiehspannungsquolle liegt und der ersten Selenschicht findet keine Injektion von Ladungsträgern in die Selenschicht statt. Die Polarität sorgt auch dafür, daß Elektronen entsprechend der Röntgenbelichtung in die Haft- und Speicherschicht gelangen. Die große Dichte tiefer Haftstellen für Elektronen im Arsentriselenid ermöglicht eine getreue Speicherung des negativen Ladungsmusters in dieser dünnen Zwi sehenschicht.

Zum Auslesen wird die zweite Fotoleiterschicht, d.h.

die dünnere Schicht aus Selen, mit einem scharf gebün-

AO

-Y- VPA H2 P 3HOS DE .

(leiten Lichtstrahl in einem etwa aus der Fernsehaufnahme- und Wiedergabotoehnik bekannten Raster abgetastet. So wird Punkt für Punkt eine leitende elektrische Verbindung von der am positiven Pol der Spannungs- ^r) quell«; liegenden Elektrode zu dem gespeicherten Ladungsbild erhalten. Der Strompuls im Außenkreis oder auch die gesamte im Auslesekreis fließende Ladung sind Jeweils proportional der durch Röntgonb.eli chtung gespeicherten lokalen Ladung.

Während des Auslesens durch das Abrastem liegt Spannung der gleichen Polarität an dem Mehrschichtensystem wie bei der Röntgenbeliehtung entweder durch von außen angelegte Spannung oder - hei Kurzschluß im Außenkreis durch das von der gespeicherten Ladung ausgehende Potential. Dadurch laufen nur die Löcher (Defektelektronen) in der foto Lei tendon Selenschicht auf die Haftschicht zu, um das negative» Ladungsriius tor zu neutralisieren. Durch die große Lb'cherbewegl i e.hkoi t im amorphen

Selen von l,h χ 1O~¹ eni²/Vs (V = Volt und s = Sekunde) ist das Auslesen der gespeicherten Ladung durch die erfindungsgemäße dünne Foto I eiterschicht zum Auslesen in der Tat innerhalb weniger /us pro Bildpunkt möglich.

Durch die Verwendung von Selen und Arsent.riselenid werden die notwendigen Voraussetzungen für eine homogene und definierte Ladungsspeicherung, ein schnelles Auslesen und einen kleinen Dunkel si rom (Rauschsi gmil ) erhalten. Zum ei rum lassen sich hei de Materialien äußersi homogen in (.1^r Form von Hellichten herstellen, wie aus der entsprechenden Technik zur Herstellung xorografiseher Schichten bekannt ist. Zum anderen ist der Dunkelstrom, der durch den Halbleiter, 'd.U. das Selen, bestimmt wird, extrem klein. Amorphes Sele.n hat den größten Dunkelwiderstand aller derzeit bekannten amorphen Fotolei tor.

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Der Aufbau dor Schichten aus obengenannten Materialien
kann in erprobter und kostengünstiger Weise auch in
großen Flächen durch Aufdampfen im Vakuum erfolgen.
Die Schichten aus Selen und aus Arsentriselenid
(As₀Se-) sind in dieser Weise besonders günstig herstellbar, weil sie in kompatibler Technologie der Bedampfung, d.h. in derselben Anlage, abgeschieden werden können.

Die Beschichtung größerer Flüchen mit einer transparenten Elektrode, etwa aus Indium-Zinnoxid oder einer
dünnen Goldschi chi, kann mittels im Handel befindlicher Bedampfungsanlagen hergestellt werden.

Zur Stabilisierung der amorphen Phase des Selens

empfiehlt es sich, dem Verdampergut z.B. 0,5 Gewichtsprozent Arsen beizumischen. Audi können Abweichungen
von der Stöchiomotrie des Arsentriselenids entsprechend ASpSe₁₇ vorteilhafte Wirkung haben. Damit kann eine Er-

höhxang der Dichte der Ilaftstellen die Speicherfähigkeit der daraus hergestellten Schicht verbessern.

Um zu verhindern, dall aus einer der Elektroden Ladungsträger in die Foto 1 ο i (,ersehi ehten injiziert werden, ist es zweckmäßig, eine dünne Blockierschicht /,wischen der Elektrode und der Foto 1ei terschiel)t vorzusehen. Bei der Verwendung von Selen als Material ihvr zweiten Fotoleiterschicht kommt dafür Zinksulfid (ZnS) oder ein leicht aufzubringender organischer Isolator in Frage. An diese Blockierschichtcn wird dabei als hauptsächliche Anforderung gestellt, daß sie eine Injektion gerade der Ladungsträgersorte wirkungsvoll verhindern, deren Polarität
bei der Aufnahme an der entsprechenden Elektrode liegt. Das Material soll homogen aufgebracht werden, da lokale Abweichungen als Hi1duntergrund sichtbar werden können. Das Material muß zeit Ii eh stabil sein.

VPA Η2 P 3S0& DE Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

In der Figur ist schematiseh ein Übe rsichtssehaubiId einer axiindungsgeraäß ausgestalteten Aufnahmeeinrichtung gezeichnet.

In der Figur ist mit 1 eine HöntgenstrahIenquelle bezeichnet, von der aus ein Strahlenbündel 2 einen Patienten 3 durchstrahlt. Das so erzeugte Durchstrahlungsbild gelangt auf eine erfindungsgemäße Aufnahmeanordnung *i. Diese Anordnung h besteht aus einer etwa als Träger aus 2 mm starkem Aluminiumblech bestehenden ersten Elektrode 5, die mit einer Ladungsträgerinjektionen verhindernden Oxidschicht 5' verseilen ist, einer darauf aufgetragenen ersten Fotoleiterschicht 6, einer auf dieser liegenden Spei ehersehieh 1. 7» einer zweiten Fotoleiterschicht B und mit einer Ladungsträgerinjektiorien verbindenden Hlockierschient 9' sowie einer daran anliegenden Elektrode «).

Die beiden Elektroden 5 und ^f) liegen über Leitungen und 10' sowie einem Schalter 11 mit den Schaltmöglich-

2"5· keiten Ifa und 11b an einer (J 1 e ichspannungsquelle 12 von ca. 3000 V. Außerdem sind die Leitungen 10 und 10' mit einem Widerstand 13 verbunden und einem Verstärker Ik. Letzterer liegt über einen Analog-Digital-Wandler 15 «in einem Verarbeitungsgerät If) für die Bildsignale, die andererseits mit einer Abtastvorrichtung 17 in Verbindung stehen, von welcher ein feiner Lichtstrahl durch die Elektrode 9 hindurch, die Fotoleiterschicht S der Aufnahmeanordnung >\ abtastend, ausgeht.

Das Gerät K) enthält einen Mikroprozessor 19? in welchen das Signal vom Analog-Digital-Wandler 15 gelangt. Durch

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den Mikroprozessor wird ein Steuersignal über eine Leitung LM) de?- Ah (.ms tvo tr ί eh tunp, 1 7 zur Steuerung der Ab las !.bewegung des Strahl 8 IH zugeführt. Außerdem wird das Signal über einen Anschluß. 21 zu einem Speicher 22 geleitet, von welchem das Bildsignal über eine Leitung 23 einem Rechner 2Ί zugeführt werden kann. Schließlich gelangt das Signal über eine Leitung 25 zu einem Fernsehmonitor 26,wo es auf einem Bildschirm 27 sichtbar gemacht werden kann. Vom Rechner 2^i kann auch eine Leitung 25' für Fernübertragung des Bildsignals ausgehen.

Ein mittels des Strahlenbündels 2 vom Patienten 3 in der ersten Fotoleiterschicht 6 erzeugtes Strahlungsbild ergibt wegen der an die Elektroden 5 und 9 angelegten Spannung von 3000 V eine Freisetzung von Ladungsträgern in der Schicht 6, die im Volumen der Speicherschicht gesammelt werden; es entsteht eine Ladungsverteilung, die der Intens.i tätsverteilung im Strahlen- bündel 2 entspricht. Wird nach Beendigung der Einwirkung des Strahlenbündels 2 auf die Schicht 6 (d.h. nach Ausschalten der Röntgenstrahlcnquellc l) mittels des Schalters 11 in Schaltsteilung Ub die an die Elektroden 5 und 8 angelegte Spannung kurzgeschlossen und mittels 17» d.h. einer Laserabtastanordnung, ein Laserstrahl 18 abtastend über die Anordnung k geführt, so dringt dieser Strahl 18 durch die aus Gold bestehende, 10 nm dicke Elektrode 9 und die 200 nm dicke, aus Zinksulfid (ZnS) bestehende Blockierschicht 9' in die aus Selen (Se) bestehende, ca. 10/um dicke zweite Fotoleiterschicht 8 ein. Der Strahl 18 bewirkt dabei, daß das LadungsbiId durch Ladungen entgegengesetzter Polarität (Löcher) aus der Schicht 8 neutralisiert wird. Dieser durch 8 gelieferte neutralisierende Strom hat einen ihm proportionalen Strom im Außenkreis zur Folge, wodurch eine Bi Idsi grial fo Ige über die Leitungen 10 und 10' an den Verstärker \h gelangen kann. Nach Passieren

VPA 82 P 3HO8 DE des Wandlers 15 und an sich bekannte Verarbeitung im Gerät l6 kann dann auf dem Bildschirm 27 des Monitors 26 das Durchleuchtungsbild des Patienten 3 erscheinen. Die im Gerät 16 angedeutete Bildbearbeitungs- und Fern Seheinrichtung kann in an sich bekannter Weise, wie etwa in "Röntgenpraxis" (> (J⁽)Hl), Seiten 239 bis 2hG beschrieben, in digitaler Röntgentechnik ausgebildet sein, so daß zusätzlich Veränderungen von Helligkeit, Kontrast etc. des Röntgenbildes möglich werden.

12 Patentansprüche
1 Figur

Claims

- <*£ - VPA 82 P 3808 DE Patentansprüche

Bildaufnahmeeinrichtung, bei der sich zwischen zwei flächenhaft ausgedehnten, strahlendurchlässigen, an Gleichspannung liegenden Elektroden und in unmittelbarem Kontakt mit ihnen zwei Festkörperschichten befinden, deren freie Flächen an einer Ladungsspeicherschi'Cht lieg-en, wobei die erste Festkörperschicht eine Fotoleitschicht ist, die mit den Bildstrahlen und die die zweite eine Fotoleitschicht ist, die mit einem in einem Abtastraster bewegten optischen Strahl beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschicht aus einem Material besteht, das Stellen aufweist, in denen Ladungsträger haften bleiben und daß die an der ersten Fotoleitschicht liegende Elektrode die gleiche Polarität besitzt wie die Ladungsträger, für welche die Speicherschicht Haftstellen aufweist.

2„ Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ladungsträgerhaftstellenaufweisende Speicherschicht aus einer Verbindung bzw. Mischung von Arsen mit Schwefel oder/und Selen besteht, wie AsS, , As-S,, As₂Se₅.

3. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschicht 0,01 /ura bis 10/um, vorzugsweise 0,5 bis l/um,dick ist.

^i. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fotoleitschicht 100/um bis 500 /um dick ist und unter der Einwirkung von Röntgenstrahlen Fotoleitungseigenschaften aufwei st.

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5. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fotoleiterschicht 0,5/um bis 100/um, vorzugsweise 5 bis 10/um, dick ist und unter der Einwirkung von sichtbarem, ultravioletten oder infraroten Licht Fotoleitung zeigt.

6. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Fotoleiterschichten aus Solen besteht.

7. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Selen 0,1 bis 5, vorzugsweise 0,5 % Arsen zugemischt ist.

8. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Fotoleiterschjchten aus amorphem Silizium besteht, das 1 bis 30 Atomprozent Wasserstoff enthält.

9. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer oder beiden Elektroden und der jeweils anliegenden Fotoleiterschicht eine zusätzliche, transparente dünne Schicht angeordnet ist, die eine Ladungsträgerinjektion von der Elektrode in den Fotoleiter verhindert*

10. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Schicht aus oino.ni elektrisch isolierenden, organischen Stoff, wie z.B. Polyamid oder Polyimid, besteht.

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11. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese zusätzliche Schicht aus einem anorganischen Material besteht, wie z.B. Al₂O-, SiO₂, ZnS.

12. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekonnzeichnet, daß diese zusätzliche Schicht 10 nm bis 1/um, vorzugsweise lOOnm, dick ist.