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Anordnung zur Umwandlung eines Wärmebildes in ein sichtbares Bild
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandlung eines Wärmebildes in ein sichtbares
Bild, bei dem diese Umwandlung auf rein elektrischem Wege erfolgt.
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In der Praxis hat sich für sämtliche derartigen Umwandlungsverfahren
der Name Grobbildwandler eingebürgert. Während beim eigentlichen Bildwandler ein
im Ultrarot (bis 1,34 liegendes Bild durch einen äußeren Photoeffekt mit großer
Abbildungsschärfe (etwa 1/loo mm) in ein sichtbares Bild umgewandelt wird, lassen
sich für langwelligere Strahlen keine Substanzen mit äußerem Photoeffekt finden.
Diese im Material verbleibenden Elektronen lassen sich nicht wie die Elektronen
des äußeren Effektes beliebig beschleunigen, abbilden usw., sondern können nur unter
dem Einfluß einer elektrischen Feldstärke die Stromverhältnisse eines angeschlossenen
Kreises verändern. Legt man auf zeitliche Übereinstimmung zwischen Wärme- und sichtbarem
Bild Wert, dann muß die Anzahl der Kreise gleich der Anzahl der Bildpunkte sein.
Da man im Aufwand jedoch beschränkt ist, so gelangt man zu einem aus wenigen Bildpunkten
bestehenden Grobbildwandler.
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Verwendet man nur einen einzigen Stromkreis, dann muß die gleichzeitige
Abbildung durch Schaltmaßnahmen in eine Hintereinanderschaltung verwandelt werden.
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Derartige Schaltmaßnahmen können optischer, mechanischer oder elektrischer
Art sein. An optischen Einrichtungen sind solche mit Nipkow-Scheibe,
bewegtem
Spiegel, bewegtem Gegenspiegel, bewegten Schlitzblenden, rotierenden Kurvenscheiben
u. a. bekanntgeworden.
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Mechanische Schaltmaßnahmen wurden als V ielzellenschalter (in Verbindung
mit Thermoelementen), rotierende Schalter und im Bildfeld bewegte Zelle ausgeführt.
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Rein elektrische Verfahren als Schaltmittel wurden zur Umwandlung
von Wärmebildern jedoch noch nicht befriedigend eingesetzt.
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Zur Erklärung dieses Sachverhaltes sei auf eine Arbeit von Theile
(Telefunken Röhre 1938, H. 13, S. 9o bis 126) eingegangen, in der von diesem die
Wirkungsweise einer Halbleiterabtastung im sichtbaren Spektralbereich erklärt wird
(s. Fig. i). h ist eine aus Kupferoxydul bestehende Halbleiterplatte, auf die über
die Linse l das sichtbare Bild entworfen wird. Dadurch entstehen in dem Kupferoxydul
an den belichteten Stellen Widerstandsänderungen. Trifft nun der Elektronenstrahl
e auf die Schicht, so entsteht an der Auftreffstelle Sekundärelektronenemission.
Diese Sekundärelektronen werden von der Fangplatte s abgesaugt. Es entsteht also
ein Stromkreis, der aus Spannungsquelle US, der gestrichelt eingezeichneten Halbleiterstrecke
k, der Sekundärstrecke s und dem Ableitewiderstand Ra besteht. Die Sekundärstrecke
kann als Diodenstrecke aufgefaßt werden, wie die Aufnahme der I3 U3 Kennlinie zeigt
(s. Fig. 2). Durch Hinzuschalten des Halbleiter- und des Ableitewider-Standes tritt
eine Scherung dieser Kennlinie auf (gestrichelte Kurve). Ändert sich durch Bestrahlung
der Halbleiterwiderstand, dann verändert sich die Steilheit der Scherungskennlinie
und damit der Strom des gesamten Kreises. Diese Stromänderung wird als Spannungsänderung
des Ableitewiderstandes Ra dem Verstärker zugeführt. Die Stromänderung ist am größten;
wenn die Scherung der Kennlinie klein bleibt, d. h. wenn der innere Widerstand der
Halbleiterstrecke in die Größenordnung des inneren Widerstandes der Diodenstrecke
kommt. Dies war bei der Theileschen Arbeit der Fall, da das verwendete Kupferoxydul
einen Querwiderstand der Größenordnung 1o5 bis los 12 besitzt. Zur Gewinnung eines
Bildes wird der Elektronenstrahl wie beim Ikonoskop rasterförmig über die Halbleiterplatte
geführt.
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Die Nachteile der optischen und mechanischen Abtasteinrichtung sind
von vornherein klar. Sie beruhen hauptsächlich darauf; daß die mechanische Beanspruchung
der bewegten Teile bei den erforderlichen hohen Bildpunkt- und Bildwechselzahlen
an die Grenze der Wechselbruch- und Biegefestigkeit herankommt. Außerdem ist der
Einsatz mechanisch bewegter Teile in beschleunigten Geschossen o. ä. mit Schwierigkeiten
verbunden: Versucht man andererseits, das angeführte elektrische Verfahren auf Wärmebildumwandlung
auszudehnen, so ist dies beim derzeitigen Stand der Technik mit Schwierigkeiten
verbunden, da keine wärmestrahlenempfindlichen Schichten bekannt sind, deren Querwiderstand,
auf den es hier ankommt, in der für die Lichteindringung günstigen Schichtdecke
(etwa 5 y) einen mit dem differentiellen Widerstand der Sekundärstrecke vergleichbaren
Widerstand besitzt. Der differentielle Widerstand der Schaltstrecke liegt beispielsweise
bei 1o4 bis los 92, während der Querwiderstand von beispielsweise kathaphoretisch
aufgebrachten PbS-Schichten zo-4 bis zo -2 S2 beträgt.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist eine Anordnung, in der eine Messung
des Halbleiterwiderstandes in Längsrichtung, wie sie bei den optischen und mechanischen
Schaltverfahren angewendet wird, mit der elektrischen Abtastung verbunden wird.
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Die Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Erfindungsgedankens.
Eine Isolierplatte g wird von Metallstiften m durchzogen, deren Anzahl gleich der
Anzahl der Bildpunkte ist. Auf der der Spiegeloptik sp zugekehrten Seite sind die
mit der Isolierplatte g plan geschliffenen Metallstifte m von einem schmalen Kreuzraster
oder schmalen Stegen umgeben, über die die wärmeempfindliche Schicht aufgebracht
ist. Auf der der Elektronenstrahlquelle zugekehrten Seite der Isolierplatte g sind
die Enden der Metallstiftemitviereckigen Sekundäremissionsplattens verbunden, auf
die der abtastende Elektronenstrahl e auftrifft. Die Fangplatte der Sekundärelektronen
kann dann entweder als Ring auf die Glaswandung (Fig. 4a) aufgedampft werden, als
Metallelektrode um die Prallplatte herumliegen (Fig.4b) oder vor den Prallplatten
als berußtes Netz aufgespannt sein (Fig.4c). Da die geometrische Konfiguration der
Anordnung Prall-, Fangplatte die Steilheit der I, US Kennlinie bestimmt, ist sie
von ausschlaggebender Bedeutung (neben Austrittsgeschwindigkeit und emittierender
Oberfläche) für den inneren Widerstand der Schaltstrecke und verlangt daher besondere
Beachtung. Eine einfache Rechnung ergibt, daß im Fall . des Fangringes auf der Wandung
zwar Ri konstant, aber sehr groß ist. Im Fall der umschließenden Metallelektrode
ändert sich der innere Widerstand von Mitte Abtastplätte zum Rand der Abtastplatte
um das 5- bis iofache. Dies ist bei einem Verhältnis Schaltwiderstand zu Halbleiterwiderstand
kleiner als i von geringer Bedeutung, wenn jedoch dieser Quotient ungefähr gleich
i ist, wie es meist der Fall sein dürfte, dann ergibt dieser Effekt eine untragbar
starke Superposition der Bildfrequenz auf das Nutzsignal im Sinne einer Verkleinerung
des Nutzsignales nach der Bildmitte zu. Im Fall des vor den Prallplatten aufgespannten,
berußten Netzes erhält man den kleinstmöglichen Innenwiderstand, da nun der Abstand
Prall-, Fangplatte außerordentlich klein gemacht werden kann. Nachteilig ist jedoch,
daß bereits ein Teil des primären Elektronenstrahles von dem Netz aufgefangen wird,
wodurch die Steilheit bei einem Netz vom Bedeckungsfaktor 50 °/o um 25 °/a erniedrigt
wird. Dies gilt unter der Voraussetzung eines Sekundäremissionsfaktor von i. Kann
man dieses jedoch durch Verwendung von Schichten größerer Sekundäremission erhöhen,
dann ist der angeführte Nachteil der Netzfangelektrode hinfällig. Störend können
sich nur noch die Unregelmäßigkeiten in der Webart des Netzes bemerkbar machen.
Kommen beispielsweise auf die Breite des Elektronenstrahles fünf Netzdrähte und
ist die Zeit, die der Strahl zum Überstreichen seiner eigenen Breite braucht, '.'144,
sec, dann gibt dies eine ungefähre Störfrequenz von 7,5 kHz. Bei
zehn
Drähten sind es etwa 15 kHz. Man muß versuchen, diese Störfrequenz, die allerdings
auch höhere Harmonische besitzt, durch ein zusätzliches RC- oder Filterglied zu
entfernen.
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Um abschätzen zu können, welcher Schaltwiderstand bzw. welche Steilheit
bei vorgegebenem Halbleiterwiderstand erforderlich ist, sei in folgendem klargestellt,
um welchen Faktor V eine derartige Schaltanordnung schlechter ist als eine Empfängeranordnung,
die nur aus Halbleiterzelle, Ableitewiderstand und Stromquelle besteht (s. Fig.
5). Falls Ra = R, ist, so hat die Vergleichsanordnung 5 a die maximal erreichbare
Empfindlichkeit. Setzt man
wobei Ri = Differentieller Widerstand der Schaltstrecke, R. = Halbleiterdunkelwiderstand,
A = 2. i04 F2 Uz = 2o, F = Rauschfaktor der Schaltstrecke, U" = Zellenspannung,
D = Rauschäquivalent des Halbleiters = io ist, dann hat der Faktor V, der bezeichnet,
um wieviel die Empfindlichkeit der Schaltanordnung Sb schlechter ist als die der
Vergleichsanordnung SA, die in Fig. 6 angegebene Größe gemäß der Funktion
Man sieht, daß die Abhängigkeit von ß gering ist. Die Abhängigkeit von a zeigt,
daß man zur Erreichung tragbarer Empfindlichkeitsverkleinerung entweder Ri <
R, (d. h. a < i) machen oder A und D verkleinern muß. A kann man
verkleinern, indem man im Raumladungsgebiet der Schaltstrecke arbeitet. D kann man
durch spezielle Wahl des Kontaktmaterials der Halbleiterzelle erniedrigen. Da jedoch
v bei a = i stets > i sein muß, ist es von wesentlicher Bedeutung Ri < Rz zu
machen.
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Die als Ausführungsbeispiel angegebene Konstruktion erfüllt diese
Bedingungen, indem nämlich auf der Vorderseite der Isolierplatte g (Fig. 3) der
Halbleiter in seiner Längsrichtung gemessen wird. Es tritt zwar eine Widerstandsverminderung
dadurch ein, daß nicht eine reine Längsmessung vorgenommen wird, sondern die eine
von der anderen Elektrode umgeben ist; diese Verminderung beträgt jedoch höchstens
eine Größenordnung. Statt die Netzelektrode um die Stifte viereckig zu machen, kann
man sie sechseckig machen und hat dann den Vorteil, eines etwas erhöhten Widerstandes
sowie einer Form, die dem Zerstreuungskreis der Optik besser angepaßt ist.
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In folgendem seien einige beispielhafte Herstellungsverfahren zur
Fertigung der Platte angegeben (s. Fig. 7) Man stellt eine Metallplatte m her, in
der sich Löcher L in der Anzahl und vom Durchmesser der Stifte s befinden. In diese
Platte werden die Metallstifte s, die bereits mit Glas umwickelt sein können, hineingesteckt.
Beim Erhitzen der ganzen Anordnung setzt sich das Glas auf die Platte ab. Sodann
wird die Metallplatte entfernt und die Glasplatte g beiderseitig abgeschliffen.
Auf der einen Seite (wärmeempfindlichen Seite), die mit WS bezeichnet ist, wird
durch eine Schlitzschablone das Netz aufgedampft oder auf andere Weise aufgebracht.
Auf der anderen Seite (Schaltseite S) wird über eine Netzschablone die Sekundäremissionsplatte
aufgedampft. Sodann wird auf der WS die Halbleiterschicht kataphoretisch oder durch
Aufdampfen aufgebracht und die Schicht bei bestimmter Temperatur formiert. Danach
wird die Schaltseite S bei niedrigerer Temperatur, wieder mit der gleichen Netzschablone,
mit einer Emissionsschicht versehen.
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Nach einem anderen Herstellungsverfahren (Fig. 8) benutzt man viereckige
Glasstäbe g, in die der Metallstift bereits eingelassen ist, schichtet diese Glasstäbe
nebeneinander, legt zwischen jede Lage eine nicht ganz zur Rückseite durchgehende
Metallelektrode und schmilzt das Ganze zusammen. Man hat dadurch nach dem Abschleifen
das Aufbringen des Netzes auf die WS gespart. Da man bei den Platten nach diesem
Verfahren die Stifte nicht allseitig von Gegenelektroden umgeben hat, ist der Halbleiterzellenwiderstand
etwas höher. Bei der Abtastung muß man darauf achten, daß die Abtastung in der Zellenrichtung
rechtwinklig zu den Gegenelektroden erfolgt. Derweitere Herstellungsgang ist der
gleiche wie beim ersten Beispiel.
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Die Auflösungsgüte einer Anordnung der beschriebenen Art ist gleich
dem Durchmesser der einzelnen Netzelemente. Sind die Anforderungen an die Reichweite
des Gerätes gering, dann ist die Auflösungsgüte nur durch die technologische Herstellbarkeit
der Platte begrenzt. Ist jedoch die Reichweite und damit die Empfindlichkeitsanforderung
hoch, dann macht sich ein bis jetzt nicht berücksichtigter Faktor bemerkbar, der
gerade für die Auflösung von außerordentlicher Bedeutung ist. Sowohl der Zellendunkelwiderstand
wie die Zellensteilheit und der Sekundäremissionskoeffizient sind über die Zellenfläche
verschieden. Da diese Verschiedenheiten zur Zeit noch außerordentlich groß sein
können und das sich daraus ergebende Störsignal in seiner Frequenz in die Größe
der Nutzsignalfrequenz kommt, kann ihre Ausschaltung nur auf dem Wege einer Modulation
des primär eingestrahlten Lichtes vorgenommen werden. Auch starke Einstrahlungen
auf den Halbleiter ergeben eine 2 bis 3 Sekunden andauernde Empfindlichkeitsänderung.
Durch die primäre Lichtmodulation wird dieser Effekt umgangen. Hinter dem Verstärker
wird die Modulationsfrequenz herausgefiltert und dem Abbildungsgerät zugeführt.
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Da die Lichtmodulationsfrequenz bei den derzeitigen PbS-Zellen nicht
größer als etwa 5 kHz sein kann, andererseits auf jeden Bildpunkt einige Schwingungen
kommen müssen, damit der Verstärker einschwingen kann, ist man bei vorgegebener
Bildwechselzahl an eine bestimmte Bildpunktzahl gebunden. Dies bedingt beim Vorhandensein
einer Optik mit gegebenem Bildwinkel und gegebener Brennweite die erreichbare Auflösung.