DE4445894A1 - Bildaufnahmesystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bildaufnahmesystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bildaufnahmeröhren gibt es für unterschiedliche Bereiche des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung. Sie werden u. a. auch als Bildwand­ ler bezeichnet. Dabei wird die Strahlung im allgemeinen dazu benutzt, ein Ladungsbild der Leuchtdichteverteilung in einer Bildebene zu erzeu­ gen, welche dann durch einen Elektronenstrahl abgetastet wird. In der Fernsehtechnik werden zur Bildaufnahme Kameraröhren vom Vidicon-Typ benutzt. Ähnliche Aufnahmeröhren haben für industrielle und wissen­ schaftliche Aufgaben außerhalb des sichtbaren Bereiches z. B. hohe Auflösung und/oder hohe Empfindlichkeit. Einsatzfelder sind das UV- bzw. IR-Gebiet. Die aus der Fernsehtechnik bekannten Bildaufnahmeröh­ ren sind beispielsweise aus Bernarth: Technik des Fernsehens, Berlin- Heidelberg-New York, 1986, bekannt.

Da der Elektronenstrahl in der Bildröhre infolge der Abstoßung der Elektronen untereinander nicht beliebig scharf focussierbar ist, kann eine Bildaufnahmeröhre mit einer angestrebten Auflösung von etwa 1 µm mit diesem Prinzip nicht realisiert werden.

Ebenso ungünstig bezüglich der Ortsauflösung sind Arrays von licht­ empfindlichen Halbleiterbauelementen. Hier wären die CCD-Kameras zu erwähnen (CCD = Charge Coupled Device). Ihre Auflösung ist durch die erforderliche Größe der Bildpunktfläche von etwa 8 · 12 µm² und, ab­ hängig von der jeweiligen Schaltkreisarchitektur, durch ggf. vorhandene optisch inaktive Zellen innerhalb des Arrays begrenzt.

Vakuummikroelektronik-Zellen sind aus Veröffentlichungen aus dem Stanford Research Institut, C.A. Spindt, "A Thin-Film Field-Emission Cathode", J. Appl. Phys., Vol. 39, S. 3504, (1968), bekannt. Sie werden bisher überwiegend für Displays verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bildaufnahmesystem an­ zugeben, bei welchem die Ortsauflösung verbessert wird und dessen spektrale Empfindlichkeit durch Wahl geeigneter Photoelement-Materialien in einem weiten Spektralbereich (Röntgen- bis IR-Strahlung) eingestellt werden kann.

Die ganze Anordnung soll außerdem in integrierter Halbleiter- (oder Wafer-) Technologie herstellbar sein.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Anwendung als Röntgen­ bildwandler, welche im medizinischen, wie im technischen Bereich einge­ setzt werden. Insoweit die Strahlung nur in der Lage ist, in einer be­ stimmten Substanz Photoelektronen zu erzeugen, kann man das erfin­ dungsgemäße Bildaufnahmesystem auch in jedem anderen Spektralbereich sowie für Korpuskularstrahlung einsetzen. Die Umsetzung eines Strahlungsbildes in ein Ladungsbild kann auch derart erfolgen, daß in einer sich unmittelbar auf der transparenten Signalelektrode befindenden Szintillationsschicht durch die einfallende Strahlung zunächst Szintillationsstrahlung oder Streustrahlung größerer Wellenlänge erzeugt wird. Diese gelangt auf die für die Szintillationsstrahlung empfindliche Photoelementschicht und erzeugt nun hier das Ladungsbild.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands des Anspruchs 1 sind in den Unteransprüchen angegeben. Daraus ergeben sich insbesondere die Vorteile, daß das Bildaufnahmesystem wegen seiner geringen Bautiefe einen miniaturisierten Aufbau besitzt und sehr kompakt und leicht ist, so daß es transportabel und gut zu handhaben ist. Der Spektralbereich kann durch Wahl der photoelektrischen Schicht oder bei Aufbau mit ei­ ner Szintillationsschicht durch deren spektrale Empfindlichkeit bestimmt werden.

In letzterem Fall muß das "System Photoelement - Szintillations­ strahlung" angepaßt sein. Die Bildfläche läßt sich bezüglich Größe und Form an jedes Problem anpassen. Die Bildaufnahmeplatte zeigt im Vergleich zu CCDs eine hohe Strahlungsresistenz gegen z. B. ionisierende Strahlung und ist im Vergleich zu konventionellen Elektronenstrahlröhren unempfindlich gegen elektrische und magnetische Felder.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhil­ fenahme der Zeichnung erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Bildaufnahmesystem im Schnitt;

Fig. 2 ein Vakuummikroelektronik-Bauelement (VMEB) der Bildaufnahmeplatte;

Fig. 3 eine Schaltung mit Funktionsdarstellung des VMBE und

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Auswerteelektronik.

Den prinzipiellen Aufbau der Bildaufnahmeröhre zeigt Fig. 1. Auf einem Substrat 1 sind kegelförmige Emitter 2 aufgebracht, welche als Kathode von Vakuummikroelektronik-Bauelementen VMEB dienen.

Vakuummikroelektronik-Zellen von C. Spindt beruhen auf der gesteuer­ ten Feldemission von Elektronen aus einer Metallspitze 2 ins Vakuum 8. Die hierbei max. erreichbaren Stromstärken (1 . . . 100 µA/Emitter) zeigen eine starke Abhängigkeit von der aktuellen Geometrie (d. h. Feldstärke) und der Elektronenaustrittsarbeit des Emittermaterials und eventuell vorhandener Verunreinigungen, Adsorbate etc.

In Fig. 2 ist der prinzipielle Aufbau eines vertikalen Vakuummikroelek­ tronik-Bauelements VMEB zur Bildpunktabtastung dargestellt. Die Metall­ spitze der Kathode 2 befindet sich auf Raumtemperatur. Durch die Form der Emitterspitze und deren Abstand H zum Gate 4, welches ein kreisrundes Loch mit dem Durchmesser D in einer Metallisierung ist, sind an der Emitteroberfläche Feldstärkeüberhöhungen bis in den Bereich einiger 10⁷ V/cm möglich. Diese Feldstärken reichen aus, um den Potentialberg in der Höhe der Austrittsarbeit zu durchtunneln.

Wegen des geringen Abstandes der Kathodenspitze zum Gate 4 und des wesentlich größeren Abstands zur Anode 5 (bei Spannungen in der gleichen Größenanordnung an beiden Elektroden), bestimmt im wesentlichen die Gate-Spannung die für die Feldemission an der Kathode herrschende Feldstärke. Praktisch realisierbar sind z.Z. Werte von H = 0,25-1 µm (und darüber) und ebenso für D (D 0,25 µm).

Beim Standardaufbau des VMEB im Display sollen alle Elektronen auf die Anode gelangen. Die Elektronen werden nach dem Austreten aus der Spitze bereits in Kathodennähe auf Endgeschwindigkeit beschleunigt. Ihre Flugrichtung wird im wesentlichen durch den Austrittswinkel be­ stimmt, solange die Anodenspannung größer als die Gate-Spannung ist. Ist die Anodenspannung kleiner als die Gate-Spannung, werden die Elektronen in Anodennähe abgebremst. Einige Elektronen (mit großem Winkel zur Rotationsachse der Spitze) kehren ihre Geschwindigkeits­ richtung um und fliegen zum Gate. Die übrigen Elektronen erreichen die Anode. Einige von ihnen werden von der Anode reflektiert und fliegen ebenfalls zum Gate. Mit Photoleiterschicht 6 verhält sich das VMEB etwas anders.

Das Gate 4 besteht in einer Ausführungsform der Erfindung aus ringförmigen Elektroden um das kreisförmige Loch, durch welches die Elektronen vom Emitter 2, der Kathode, durch das Loch in der Anode 5 zur Photoleiterschicht 6 fliegen. In dieser Photoleiterschicht 6 entstehen bei Belichtung durch Ladungstrennung örtliche Unterschiede in der Leitfähigkeit, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Die Isolationsschicht 3 ist in Fig. 1 und 2 zwischen Substrat 1 und Gate 4 und zwischen Gate 4 und Anode 5 im Schnitt gezeichnet.

Die Vorspannung Uv der über der Schicht 6 befindlichen Elektrode 7 bewirkt eine der Leitfähigkeit entsprechende positive Ladung der kathodenseitigen Oberfläche der Photoleiterschicht 6.

Wenn beim Abtasten ein Emitter 2 Elektronen in Richtung der Photoleiterschicht 6 aussendet, werden diese an den "belichteten" Stellen auf positive Ladungen treffen, welche sie kompensieren.

An den Stellen, an denen einem mikroelektronischen Bauelement keine positive Ladung gegenübersteht, werden die Elektronen reflektiert und gelangen zur Anode 5. Das positive Ladungsbild wird also von den emittierten Elektronen abgetastet und neutralisiert.

Es sind mehrere Abtastungsvarianten möglich:
Die Abtastung kann über getaktete Ansteuerung der Gate-Elektroden erfolgen, wobei alle Emitter auf konstantem (Kathoden-)Potential gehalten werden, oder durch getaktete Ansteuerungen der Kathoden (Emitter), wobei alle Gate-Elektroden auf konstantem (Gate-) Potential gehalten werden.

Die beiden zuvor beschriebenen Ansteuerungsvarianten setzen voraus, daß zu jedem Gate (1. Variante) oder zu jedem Emitter (2. Variante) je­ weils ein isolierter Anschluß existiert, wodurch sich bei Arrays mit großer Bildpunktzahl eine enorme Anzahl erforderlicher Anschlüsse er­ gibt. Dieser Aufwand kann erheblich reduziert werden, wenn jeweils z. B. alle Emitter einer Zelle einen gemeinsamen Kathoden-Anschluß und alle Emitter einer Spalte einen gemeinsamen Gate-Anschluß haben (s. Fig. 4).

Die Abtastung kann jetzt so erfolgen, daß zunächst an eine ganze Zelle das Kathoden-Potential durchgeschaltet wird (Fig. 4, Zeilenansteuerung), und anschließend durch Beschaltung einer ganzen Spalte mit Gate-Po­ tential (Fig. 4, Spaltenansteuerung) das sich am Kreuzungspunkt der selektierten Zeile und Spalte befindende VMEB für eine bestimmte Zeit (Abtastzeit/Bildpunkt) eingeschaltet wird.

Dieses Bildsignal wird mit der zugehörigen Ortsinformation (abgeleitet aus Zellen- und Spaltenansteuerung) in ein Normsignal (z. B. Video, PAL, NTSC etc.) umgewandelt. Das Photoschichtelement besitzt eine Kapazität C1 und einen Schichtwiderstand R1, welcher dem Kondensator parallel liegt. Während des Abtastvorgangs wird die Kapazität C1 annähernd bis auf die Vorspannung Uv aufgeladen (s. Fig. 3). Dies geschieht, weil das Potential der Elektrode 7 gleich Uv ist und das Potential der photolei­ tenden Schicht 6 durch die Abtastung gleich Null wird. In den Abtast­ pausen fließt über den ohne Belichtung hochohmigen Widerstand R1 entsprechend der Zeitkonstanten nur eine kleine Ladung ab. Dieser Ladungsverlust entspricht dem Dunkelstrom.

Die Dauer des Abtastvorganges pro Bildpunkt hängt von verschiedenen Faktoren, z. B. der gewünschten Abtastfrequenz, der Anzahl der Bild­ punkte, Photoelektronenausbeute des Photoelementes usw. ab und kann daher nicht pauschal angegeben werden; Analoges gilt für die Abtast­ pausen.

Das Ausgangssignal wird über den Koppelkondensator C über eine elek­ tronische Schaltung einem Monitor zugeführt.

Die bisherigen Beispiele betragen die Verwendung von Spitzen als Kathoden. Es gibt bereits sogenannte laterale VMEBs, die eine Kante als Kathode zur Erzeugung von Elektronen aufweisen. Diese Kathoden können in Anwendungen, bei denen nur eine Ortskoordinate zu ermitteln ist, von Vorteil sein.

Die Bildaufnahmeplatte wird üblicherweise in Dünnschichttechnologie hergestellt, ebenso die Ansteuerelektronik. Am elegantesten ist eine Lösung, bei der beide auf einem Substrat hergestellt werden. Wenn dies technologisch zu schwierig ist, können beide Scheiben separat hergestellt und mit dem "Flip-Chip"-Verfahren übereinander kontaktiert werden.

Claims (7)

1. Bildaufnahmesystem, welches eine Bildaufnahmeplatte aufweist, mit einer Elektronen aussendenden Kathode (2), einem Gate (4) zur Steuerung des Elektronenstromes und einer Anode (5), welche die von einer photoleitfähigen Schicht (6) reflektierenden Elektronen auffängt, dadurch gekennzeichnet, daß Kathode, Gate und Anode aus Vakuummikroelektronik-Bauele­ menten (VMEB) bestehen, die nacheinander und zeilenweise EIN- und AUS-tastbar sind, wobei ein Bild aufgrund von Signalen entsteht, welche einem Monitor synchronisiert zuführbar sind.

2. Bildaufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der photoleitenden Schicht (6) eine Substanz beigemischt ist, welche im zu detektierenden Spektralbereich einen erhöhten Pho­ toeffekt zeigt.

3. Bildaufnahmesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerelektronik auf dem Substrat, auf dem sich auch die Vakuummikroelektronik-Bauelemente befinden, in Dünnschichttechnologie hergestellt ist.

4. Bildaufnahmesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerelektronik für die gesteuerte Abtastung des La­ dungsbildes auf der gleichen Halbleiterscheibe (1) integriert ist wie die Bildaufnahmeplatte.

5. Bildaufnahmesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung über das Gate (4) erfolgt.

6. Bildaufnahmesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung über die Kathode (2) erfolgt.

7. Bildaufnahmesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerelektronik unterhalb der Bildaufnahmeplatte angeordnet ist und die Ansteuerpunkte für die Elektroden der Bildaufnahmeplatte über den Ausgängen der Ansteuerelektronik liegen und mit diesen durchkontaktiert sind.