DE102005054146B4 - Image converter for converting the spectrum of an optical image - Google Patents

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Abstract

Bildkonverter zur Umwandlung des Spektrums eines optischen Bildes, bestehend aus:
– einem Bildsensor (10), auf dessen Vorderseite ein Eingangsbild (1) projiziert wird und der mit einem ersten Versorgungsspannungsanschluss (3) verbunden ist;
– einer für das Ausgangsbild (2) transparenten Elektrode (20), die in kleiner Entfernung von der Gegenseite des Bildsensors (10) platziert ist und mit einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss (4) verbunden ist;
– einer dünnen Gasschicht (9) zwischen dem Bildsensor (10) und der transparenten Elektrode (20);
wobei in der Gasschicht (9) bei der Anlegung einer Spannung an die Versorgungsspannungsanschlüsse (3, 4) eine Gasentladung gezündet wird, wodurch ein Ausgangsbild (2) entsteht,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bildsensor (10) aus einer Vielzahl von Photodioden (13) besteht, die im Sperrbetrieb arbeiten, wobei sämtliche Photodioden (13) einen gemeinsamen ersten Anschluss (12) haben, der mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss (3) verknüpft ist, die zweiten Anschlüsse (14) der Photodioden (13) unverbunden sind, sich auf...Image converter for converting the spectrum of an optical image, comprising:
- An image sensor (10), on the front side of an input image (1) is projected and which is connected to a first supply voltage terminal (3);
- one for the output image (2) transparent electrode (20) which is placed at a small distance from the opposite side of the image sensor (10) and connected to a second supply voltage terminal (4);
A thin gas layer (9) between the image sensor (10) and the transparent electrode (20);
wherein in the gas layer (9) upon application of a voltage to the supply voltage terminals (3, 4) a gas discharge is ignited, whereby an output image (2) is formed,
characterized,
in that the image sensor (10) consists of a multiplicity of photodiodes (13) which operate in blocking operation, wherein all the photodiodes (13) have a common first terminal (12) which is linked to the first supply voltage terminal (3), the second terminals (14) the photodiodes (13) are unconnected to ...

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Figure 00000001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen zur Umwandlung des Spektrums von zweidimensionalen optischen Bildern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie bezieht sich insbesondere auf Vorrichtungen zur schnellen Konversion von infraroten (IR) und ultravioletten (UV) Bildern in Bilder im Sichtbaren und/oder nahen Infraroten (NIR).The The present invention relates generally to conversion devices the spectrum of two-dimensional optical images according to the preamble of claim 1. It refers in particular to devices for fast conversion of infrared (IR) and ultraviolet (UV) images in visible and / or near infrared (NIR) images.

Man kennt schon Systeme zur Umwandlung eines IR-Bildes in ein Bild im sichtbaren oder NIR-Bereich, die für die Nachtsicht und die Sicht bei schwierigen atmosphärischen Bedingungen verwendet werden können. Die in der Patentschrift DE 693 19 964 T2 beschriebenen Systeme z. B. umfassen: Lichteintrittseinrichtungen; Lichtaustrittseinrichtungen; einen IR-Detektor, auf dem mittels der Lichteintrittseinrichtungen ein IR-Bild abgebildet wird; eine Verarbeitungsschaltung der durch den Detektor gelieferten Signale; sowie eine im Bereich des sichtbaren Lichtes arbeitende Emissionsquelle, welche das genannte einfallende IR-Bild mittels der Lichtaustrittseinrichtungen aufgrund der durch die Verarbeitungsschaltung gelieferten Signale im Sichtbaren aussendet. Dabei können einige oder sämtliche Systemteile auf einem Halbleitersubstrat integriert sein. Generell zeichnen sich diese bekannten Vorrichtungen zur Umwandlung eines IR-Bildes in ein Bild im sichtbaren oder NIR-Bereich durch Komplexität und große Abmessungen aus.Systems are already known for converting an IR image into an image in the visible or NIR range, which can be used for night vision and visibility in difficult atmospheric conditions. The in the patent DE 693 19 964 T2 described systems z. B. include: light entry devices; Light emitting devices; an IR detector on which an IR image is imaged by means of the light entry means; a processing circuit of the signals supplied by the detector; and an emission source operating in the visible light region, which emits said incident IR image in the visible by means of the light emission devices on the basis of the signals supplied by the processing circuit. In this case, some or all system parts can be integrated on a semiconductor substrate. In general, these known devices for converting an IR image into an image in the visible or NIR range are characterized by complexity and large dimensions.

Es ist aus der US 4 914 296 A auch ein IR-Konverter zur Konversion von IR-Bildern in sichtbare Bilder oder in einen Elektronenstrahl bekannt. Das Hauptbauteil der Vorrichtung ist ein IR-Matrixsensor, bestehend aus einem IR-transparenten Substrat, einer photoleitenden Schicht, die unter Wirkung einfallender IR-Photonen ihre Widerstandgröße ändert und die auch p-n-Übergänge aufweisen kann, und einer elektronenemittierenden Schicht sowie einigen weiteren Zusatzschichten, welche im Wesentlichen zur Kontaktierung und Befestigung dienen. Außerdem enthält der genannte Konverter eine Anode, die in gewisser Entfernung von der genannten elektronenemittierenden Schicht platziert ist und mit einer Phosphorbeschichtung zur Konversion des im Vakuum erfolgenden Elektronenflusses in ein sichtbares Bild versehen werden kann. Zusätzlich kann die Vorrichtung einen Elektronenmultiplier enthalten, der eine Vermehrung der aus der elektronenemittierenden Schicht ausgelösten Elektronen erlaubt. Die wesentlichen Nachteile dieser Vorrichtung sind große Komplexität des Aufbaus und der Technologie sowie die Forderung eines sehr hohen spezifischen Widerstandes an das Material der photoleitenden Schicht.It is from the US 4 914 296 A Also known is an IR converter for converting IR images into visible images or into an electron beam. The main component of the device is an IR matrix sensor consisting of an IR-transparent substrate, a photoconductive layer which changes its resistance under the action of incident IR photons and which may also have pn junctions, and an electron-emitting layer and some additional layers. which essentially serve for contacting and fastening. In addition, said converter includes an anode which is placed at a certain distance from said electron-emitting layer and can be provided with a phosphor coating for converting the vacuum current of electrons into a visible image. In addition, the device may include an electron multiplier which allows an increase in the electrons emitted from the electron-emitting layer. The main disadvantages of this device are the great complexity of the design and the technology and the requirement of a very high specific resistance to the material of the photoconductive layer.

Aus der US 4 906 897 A ist ein weiterer IR-Konverter bekannt, bei dem die von einem Bildsensor emittierten Photoelektronen im Vakuum zu einer mit einer Phosphorbeschichtung versehenen Anode beschleunigt werden. Bestandteil des Bildsensors ist dort ein Halbleitersubstrat, auf dem eine Vielzahl von Photodioden ausgebildet ist.From the US 4,906,897 A Another infrared converter is known in which the photoelectrons emitted by an image sensor are accelerated in a vacuum to an anode provided with a phosphor coating. Part of the image sensor is there a semiconductor substrate on which a plurality of photodiodes is formed.

Außerdem sind Vorrichtungen zur schnellen Konversion zweidimensionaler IR-Strahlungsfelder in ein sichtbares Bild bekannt, die auf einer planaren Gasentladungsstruktur basieren. Eine typische in 1A skizzierte Vorrichtung solcher Art besteht aus: einem Bildsensor 10 in der Form eines IR-empfindlichen Halbleiterwafers 11, auf dessen Vorderseite das IR-Bild 1 projiziert wird; einer transparenten Elektrode 20, die in kleiner Entfernung von der Gegenseite des Halbleiterwafers 11 angeordnet ist; und einer dünnen Gasschicht 9 zwischen dem Bildsensor 10 und der transparenten Elektrode 20. Die Vorderseite des Bildsensors 10 ist mit einem IR-transparenten Flächenkontakt 12 versehen. Die transparente Elektrode 20 besitzt üblicherweise ein Ausgangsfenster 21 mit einem für das Ausgangsbild transparenten Schichtkontakt 22 auf der zur Gasschicht gewandten Seite. Dabei wird an die Schichtkontakte 12 und 22 über die Versorgungsspannungsanschlüsse 3 und 4 eine Versorgungsspannung UV angelegt, so dass in dem Gasspalt 9 eine Gasentladung zünden kann. Bei der Abbildung eines IR-Bildes 1 auf den Halbleiterwafer 11 wird dessen Leitfähigkeit entsprechend der IR-Intensitätverteilung zeitlich und räumlich zweidimensional moduliert, was sich in der Stromdichte- und Helligkeitsverteilung der Gasentladung widerspiegelt und was ein Ausgangsbild 2 im Sichtbaren liefert. 1B zeigt exemplarisch Strom-Spannungs-Charakteristiken für die Gasentladung (Kurve IG) mit einer Zündspannung UZ und für den Halbleiterwafer (Geraden IH0 IH1 und IH2) bei drei unterschiedlichen Intensitäten der einfallenden IR-Strahlung ΦIR = 0, Φ1 > 0 und Φ2 > Φ1 des IR-Bildes. Die lokale Stromgröße, welche sich aus den Arbeitspunkten der 1B ergibt, und damit auch die lokale Helligkeit des Ausgangsbildes, sind proportional zur Steigung der Halbleiter-Charakteristik und diese ist wiederum proportional zur lokalen Intensität des einfallendes Bildes. Bei ΦIR = 0 gibt es einen Dunkelstrom I0, der durch den Dunkelwiderstand des Halbleiterwafers und die Versorgungsspannung UV bestimmt wird.Also known are devices for rapidly converting two-dimensional IR radiation fields into a visible image based on a planar gas discharge structure. A typical in 1A sketched device of this kind consists of: an image sensor 10 in the form of an IR-sensitive semiconductor wafer 11 , on the front of which the IR image 1 is projected; a transparent electrode 20 located at a small distance from the opposite side of the semiconductor wafer 11 is arranged; and a thin layer of gas 9 between the image sensor 10 and the transparent electrode 20 , The front of the image sensor 10 is with an IR-transparent surface contact 12 Mistake. The transparent electrode 20 usually has an output window 21 with a transparent layer contact for the output image 22 on the side facing the gas layer. It is to the layer contacts 12 and 22 via the supply voltage connections 3 and 4 a supply voltage U V applied so that in the gas gap 9 can ignite a gas discharge. When imaging an IR image 1 on the semiconductor wafer 11 its conductivity is temporally and spatially modulated two-dimensionally according to the IR intensity distribution, which is reflected in the current density and brightness distribution of the gas discharge and what an output image 2 in the visible supplies. 1B exemplarily shows current-voltage characteristics for the gas discharge (curve I G) with an ignition voltage U Z and the semiconductor wafer (line I H0 I H1 and I H2) at three different intensities of the incident IR radiation Φ IR = 0, Φ 1 > 0 and Φ 2 > Φ 1 of the IR image. The local current size, which results from the operating points of the 1B gives, and thus the local brightness of the output image are proportional to the slope of the semiconductor characteristic and this in turn is proportional to the local intensity of the incident image. When Φ IR = 0, there is a dark current I 0 , which is determined by the dark resistance of the semiconductor wafer and the supply voltage U V.

Für weitere Informationen bezüglich dieser Vorrichtungen, von denen der Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgeht, kann auf folgende Dokumente hingewiesen werden:

  • (1) Yu. A. Astrov, V. V. Egorov, Sh. S. Kasimov, V. M. Murugov, L. G. Paritskii, S. M. Rivkin, Yu. N. Sheremet'ev, "New photographic system for exploration laser radiation characteristics", Quantum Electronics 4, No 8, 1681–1685 (1977).
  • (2) Willebrand, H., Yu. Astrov, L. Portsel, S. Teperick, H. Gauselmann, "An Effective Infrared-Visible Conversion Technique for Remote Quantitative Measurements of Thermal Fields", Infrared Phys. Technol. 36, 809–817 (1995).
  • (3) L. Portsel, Yu. Astrov, I. Reimann, E. Ammelt, H.-G. Purwins, "High Speed Conversion of Infrared Images with a Planar Gas Discharge System", J. Appl. Phys. 85, 3960–3965 (1999).
For further information regarding these devices, from which the preamble of claim 1 is based, reference may be made to the following documents:
  • (1) Yu. A. Astrov, VV Egorov, Sh. S. Kasimov, VM Murugov, LG Paritskii, SM Rivkin, Yu. N. Sheremet'ev, "New photographic system for exploration laser radiation characteristics", Quantum Electronics 4, No 8, 1681-1685 (1977).
  • (2) Willebrand, H., Yu. Astrov, L. Portsel, S. Teperick, H. Gauselmann, "An Effective Infrared-Visible Con Technique for Remote Quantitative Measurements of Thermal Fields ", Infrared Phys., Technol., 36, 809-817 (1995).
  • (3) L. Portsel, Yu. Astrov, I. Reimann, E. Ammelt, H.-G. Purwins, "High Speed Conversion of Infrared Images with a Planar Gas Discharge System," J. Appl. Phys. 85, 3960-3965 (1999).

Diese bekannten Vorrichtungen zur schnellen Konversion zweidimensionaler IR-Strahlungsfelder in Bilder im Sichtbaren zeichnen sich hauptsächlich durch einfachen Aufbau und große Konversionsgeschwindigkeit aus, die auf der Mikro- und Submikrosekundenzeitskala liegen kann. Der größte Nachteil solcher Vorrichtungen liegt in der Anforderung an den photoempfindlichen Halbleiterwafer, einen sehr hohen spezifischen Widerstand zu besitzen, damit der Dunkelstrom und das damit verbundene Rauschen möglichst niedrig gehalten werden. Nach Angaben in der Literatur liegen übliche Werte von in solchen Vorrichtungen verwendeten Materialien im Bereich 107–1010 Ohm·cm, was in den Bereich von Halbisolatoren reicht. Dadurch ist die Wahl von photoempfindlichen Materialien, die sich für die Herstellung von photoempfindlichen Halbleiterwafern für diese Vorrichtungen eignen, sehr eingeschränkt und es kommen nur einige Halbleiter mit extrinsischer Photoleitfähigkeit, wie z. B. Si:Zn, Si:Pt, Si:In, Si:Fe, GaAs:Cr in Frage. Dabei benötigen viele von ihnen, unter den Genannten alle außer GaAs:Cr, eine Abkühlung bis hinunter zu 80–100 K, um hohen Widerstand und genügend kleinen Dunkelstrom zu erreichen. Da zudem solche Materialien eine relativ niedrige Empfindlichkeit aufweisen, ist man gezwungen, die photoempfindliche Elektrode ziemlich dick (häufig bis zu 1.5 mm) zu machen, was eine negative Auswirkung auf die räumliche Auflösung nach sich zieht. Darüber hinaus ist es zum Erreichen einer hohen Empfindlichkeit notwendig, die Versorgungsspannung erheblich, etwa 2 bis 10 mal höher als die Durchbruchspannung des Gasspaltes, zu wählen, was jedoch eine wesentliche Verkomplizierung des Aufbaus und einen erhöhten Dunkelstrom zur Folge hat.These known devices for fast conversion of two-dimensional IR radiation fields in images in the visible are characterized mainly by simple structure and high conversion speed, which can be on the micro- and Submikrosekundenzeitskala. The main disadvantage of such devices is the requirement for the photosensitive semiconductor wafer to have a very high resistivity so that the dark current and the associated noise are kept as low as possible. According to the literature, usual values of materials used in such devices are in the range of 10 7 -10 10 ohm.cm, which is within the range of half-insulators. As a result, the choice of photosensitive materials suitable for the preparation of photosensitive semiconductor wafers for these devices is very limited and only a few semiconductors with extrinsic photoconductivity such as, for example, are used. Si: Zn, Si: Pt, Si: In, Si: Fe, GaAs: Cr in question. Many of them, including all but GaAs: Cr, require cooling down to 80-100 K to achieve high resistance and low enough dark current. In addition, since such materials have a relatively low sensitivity, it is necessary to make the photosensitive electrode rather thick (often up to 1.5 mm), which has a negative effect on the spatial resolution. Moreover, to achieve high sensitivity, it is necessary to select the supply voltage considerably, about 2 to 10 times higher than the breakdown voltage of the gas gap, but this results in a substantial complication of the structure and an increased dark current.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die bei den oben beschriebenen Vorrichtungen auf der Basis einer planaren Gasentladungsstruktur auftretenden Probleme zu lösen und zu ermöglichen, einen Bildkonverter zur Umwandlung des Spektrums von optischen Bildern, insbesondere aus dem IR- oder UV-Bereich in den Bereich des Sichtbaren und/oder nahen Infraroten, zu bauen, in dem gut entwickelte niederohmige photoempfindliche Halbleitermaterialien benutzt werden können und der dadurch potentiell bessere Empfindlichkeits-, Schnelligkeits- und räumliche Auflösungscharakteristiken aufweist.The The aim of the present invention is that described in the above Devices based on a planar gas discharge structure solve problems that arise and to enable an image converter for converting the spectrum of optical images, especially from the IR or UV range in the field of the visible and / or near infrared, in which well-developed low-resistance Photosensitive semiconductor materials can be used and the thereby potentially better sensitivity, speed and spatial resolution characteristics having.

Um dieses Ziel zu erreichen, umfasst der erfindungsgemäße Bildkonverter:

  • – einen Bildsensor, auf dessen Vorderseite ein Eingangsbild projiziert wird und der mit einem ersten Versorgungsspannungsanschluss verbunden ist;
  • – eine für das Ausgangsbild transparente Elektrode, die in kleiner Entfernung von der Gegenseite des Bildsensors platziert ist und mit einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss verbunden ist;
  • – eine dünne Gasschicht zwischen dem Bildsensor und der transparenten Elektrode;
wobei in der Gasschicht bei dem Anlegen einer Spannung an die Versorgungsspannungsanschlüsse eine Gasentladung gezündet wird, wodurch ein Ausgangsbild entsteht;
dabei ist dieser Bildkonverter dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor aus einer Vielzahl von Photodioden besteht, die im Sperrbetrieb arbeiten, wobei sämtliche Photodioden einen gemeinsamen ersten Anschluss besitzen, der mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss verknüpft ist, die zweiten Anschlüsse der Photodioden unverbunden sind, sich auf der Gegenseite des Bildsensors befinden und in Kontakt mit dem Gas stehen.To achieve this goal, the image converter according to the invention comprises:
  • - An image sensor, on the front side of an input image is projected and which is connected to a first supply voltage terminal;
  • A transparent to the output image electrode, which is placed at a small distance from the opposite side of the image sensor and connected to a second supply voltage terminal;
  • A thin gas layer between the image sensor and the transparent electrode;
wherein a gas discharge is ignited in the gas layer upon application of a voltage to the supply voltage terminals, thereby forming an output image;
In this case, this image converter is characterized in that the image sensor consists of a plurality of photodiodes which operate in the blocking mode, wherein all photodiodes have a common first terminal, which is linked to the first supply voltage terminal, the second terminals of the photodiodes are unconnected, on the Located on the opposite side of the image sensor and in contact with the gas.

Ein wesentliches Charakteristikum der vorliegenden Erfindung beruht also auf der Verwendung einer Vielzahl von Photodioden als Bildsensor, die in Sperrrichtung gepolt sind und dadurch einen niedrigen Dunkelstrom garantieren. Dabei muss die Forderung des hohen spezifischen Widerstandes des photoempfindlichen Materials des Bildsensors nicht mehr erfüllt werden, so dass man gut erprobte Halbleitermaterialien mit hoher Empfindlichkeit im erforderlichen Spektralbereich anwenden kann. Außer der erhöhten Empfindlichkeit ist auch eine Verbesserung des raum-zeitlichen Auflösungsvermögens und eine Verringerung der nötigen Speisespannung zu erwarten. (Bezüglich Details siehe die Beschreibung von beispielhaften Ausführungen der Erfindung unten.)One essential characteristic of the present invention is based that is, using a plurality of photodiodes as the image sensor, which are poled in the reverse direction and thus a low dark current to guarantee. The requirement of high resistivity must be the photosensitive material of the image sensor are no longer satisfied, so that you can well-tested semiconductor materials with high sensitivity in the required spectral range can apply. Except the increased Sensitivity is also an improvement in the spatiotemporal resolution and a Reduction of the necessary Supply voltage expected. (In terms of For details, see the description of exemplary embodiments the invention below.)

Prinzipiell lässt die Erfindung die Anwendung aller bekannten Typen von Photodioden. Allerdings kann wegen der Unterschiede in der Entwicklung von Photodioden-Detektoren für unterschiedliche Spektralbereiche der eine oder andere Photodiodentyp vorteilhafter sein. So sind für den sichtbaren, den UV- sowie den NIR-Spektralbereich hochempfindliche und schnelle p-i-n- und Lawinen-Photodioden heutzutage sehr gut entwickelt – sie müssen bei einer gewerblichen Implementierung der Erfindung für diese spektrale Bereiche als erste in Betracht gezogen werden. Unter deren Vorzügen ist auch eine erhöhte maximale Rückspannung, insbesondere bei Lawinen-Photodioden, zu betonen. Das vereinfacht die Arbeit mit der Vorrichtung und macht diese zuverlässiger. Lawinen-Photodioden bieten zudem den weiteren wesentlichen Vorteil einer zusätzlichen Verstärkung des Photosignals direkt im Bildsensor, was das Erreichen größeren Signal-Rauschverhältnisses ermöglicht. Aus dem Gesagten ergeben sich also zwei vorteilhafte Ausführungsarten der Erfindung: Gemäß der einen dieser speziellen Ausführungsarten des erfindungsgemäßen Bildkonverters werden als Photodioden p-i-n-Photodioden eingesetzt, bei der anderen sind es Lawinen-Photodioden.In principle, the invention allows the use of all known types of photodiodes. However, due to differences in the development of photodiode detectors for different spectral ranges, one or the other type of photodiode may be more advantageous. Thus, for the visible, UV, and NIR spectral regions, highly sensitive and fast pin and avalanche photodiodes are now very well developed - they must be considered first in a commercial implementation of the invention for these spectral regions. Among its advantages is also an increased maximum reverse stress, especially in avalanche photodiodes to emphasize. This simplifies the work with the device and makes it more reliable. Avalanche photodiodes also offer the further significant advantage of an additional amplifier kung of the photosignal directly in the image sensor, which allows the achievement of greater signal-to-noise ratio. From the above, two advantageous embodiments of the invention thus result: according to one of these special embodiments of the image converter according to the invention, pin photodiodes are used as photodiodes, in the other avalanche photodiodes.

Die Erfindung setzt keine prinzipiellen Einschränkungen in Bezug auf Bauweise und Herstellungstechnologie des Bildkonverters voraus. Besonders vorteilhafte Implementierungsarten der Erfindung bieten sich durch Anwendung von Verfahren der modernen Planar-Mikrotechnik an, da auf diese Weise ein besonders kompaktes Design des Bildsensors und folglich der ganzen Vorrichtung erreichbar ist.The Invention sets no fundamental restrictions in terms of construction and manufacturing technology of the image converter. Especially advantageous implementations of the invention offer themselves Application of methods of modern Planar microtechnology, since in this way a particularly compact design of the image sensor and Consequently, the entire device is reachable.

Entsprechend dem vorher Gesagten ergibt sich eine besondere Ausführungsart des erfindungsgemäßen Bildkonverters dahin gehend, dass sämtliche Photodioden des Bildsensors auf einem für die einkommende Strahlung transparenten Substrat mittels Planartechnologie integriert sind. Das heißt, dass die eigentlichen Photodioden innerhalb einer oder (üblicherweise) mehrerer monolithischen dünnen Schicht/-en auf einem Substrat und/oder in der oberflächennahen Schicht dieses Substrates durch Planartechnik-Verfahren wie etwa Diffusions-, Epitaxie-, Lithografie-Technik etc. realisiert sind. Einige der möglichen bevorzugten Ausführungsarten, die sich mittels moderner Planar-Mikrotechnik realisieren lassen, werden mit Hilfe von den später gezeigten und beschriebenen Abbildungen exemplarisch demonstriert.Corresponding what has been said before results in a particular embodiment the image converter according to the invention to the effect that all Photodiodes of the image sensor on a for the incoming radiation transparent substrate are integrated by planar technology. This means, that the actual photodiodes within one or (usually) several monolithic thin layer (s) on a substrate and / or in the near-surface layer of this substrate by planar technology methods such as diffusion, epitaxy, lithography technique etc. are realized. Some of the possible preferred embodiments which can be realized by means of modern planar microtechnology, be with the help of the later shown and described illustrations exemplified.

Eine besonders einfache Ausführungsgeometrie des Bildsensors ist mit einer Planartechnologie dann zu erreichen, wenn das Substrat, auf dem alle nötigen monolithischen Schichten zum Bilden der Photodioden aufgebracht sind, nicht nur transparent, wie es oben schon gefordert wurde, sondern auch elektrisch leitend ist. Dabei dient ein solches Substrat sowohl als Trägerplatte für die Photodioden als auch als deren erster gemeinsamer elektrischer Anschluss, der eines der kennzeichnenden Merkmale der Erfindung ist. Auf diese Weise werden individuelle Leitungen überflüssig.A particularly simple execution geometry of the image sensor can then be achieved with a planar technology if the substrate on which all the necessary monolithic layers are applied to form the photodiodes, not only transparent, as already required above, but also electrically conductive is. In this case, such a substrate serves both as a support plate for the Photodiodes as well as their first common electrical connection, which is one of the characterizing features of the invention. To this In this way, individual lines become superfluous.

Die im Gasspalt bei der Anlegung einer Hochspannung entstehende Gasentladung kann unter Umständen ziemlich starke Emissionslinien im Empfindlichkeitsbereich der Photodioden aufweisen. Dadurch kann eine positive optische Kopplung von der leuchtenden Gasschicht auf die Photodioden erfolgen, was zu Einschwingprozessen oder gar zur Bistabilität führen kann. Zur Vermeidung dieses möglichen negativen Effektes kann eine Ausführungsart der Erfindung dienen, in der der zweite Anschluss jeder Photodiode eine für die einfallende Strahlung nichttransparente Schichtkontakt, am einfachsten einer Metallschicht, aufweist. Darüber hinaus wird eine solche Metallschicht durch Rückreflexion der in Photodioden nicht absorbierten Eingangsstrahlung zur Erhöhung der Empfindlichkeit beitragen.The in the gas gap at the application of a high voltage resulting gas discharge may possibly fairly strong emission lines in the sensitivity range of the photodiodes exhibit. This allows a positive optical coupling of the glowing gas layer on the photodiodes, resulting in transient processes or even to the bistability to lead can. To avoid this possible negative effect can serve an embodiment of the invention, in the second terminal of each photodiode one for the incident Radiation nontransparent layer contact, the easiest one Metal layer having. About that In addition, such a metal layer is formed by back reflection of the photodiodes unabsorbed input radiation to increase sensitivity.

Im Folgenden werden noch einige weitere Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung aufgeführt sein, bei denen die Verbesserung der einen oder der anderen Charakteristika des Bildkonverters durch Modifikationen der Gasschicht und der transparenten Elektrode erreicht wird.in the Below are some other embodiments of the present Invention listed be where the improvement of one or the other characteristics of the image converter by modifications of the gas layer and the transparent Electrode is reached.

Bei einer dieser weiteren besonderen Ausführungsarten des Bildkonverters ist in der Gasschicht eine Mikrokapillarplatte (MKP) aus einem dielektrischen Material eingesetzt, die zur Strukturierung der Gasschicht dient. Dadurch wird laterale Diffusion sowohl von angeregten Gasteilchen, Elektronen und Ionen als auch die Verbreitung der Resonanzstrahlung unterdrückt bzw. verringert, was eine höhere räumliche Auflösung der Konversion ermöglicht. Es wird in der vorliegenden Erfindung prinzipiell keine bestimmte Festsetzung betreffs der Form und der Anordnung von Kanälen der Mikrokapillarplatte sowie deren Zuordnung zu den Photodioden verlangt. Bei einer bevorzugten Ausführung ist jeder Photodiode ein Mikrokanal der Mikrokapillarplatte zugeordnet.at one of these further particular embodiments of the image converter In the gas layer, a microcapillary plate (MKP) is made of a dielectric Material used, which serves to structure the gas layer. This causes lateral diffusion of both excited gas particles, Electrons and ions as well as the spread of resonance radiation repressed or decreased, which is a higher spatial resolution the conversion allows. In principle, there is no specific one in the present invention Fixing as to the form and arrangement of channels of the Microcapillary plate and their assignment to the photodiodes required. In a preferred embodiment each photodiode is associated with a microchannel of the microcapillary plate.

Bei einer weiteren Ausführungsart der Erfindung stellt die transparente Elektrode eine Fensterscheibe mit einer leitenden Beschichtung auf der zur Gasschicht gewandten Seite dar. Die leitende (und transparente) Beschichtung kann beispielweise aus ITO (Indium-Tin-Oxide) hergestellt sein und darf dann aus einer homogenen Schicht bestehen. Man kann diese Beschichtung auch in Form eines Gitters oder einer Kombination von schmalen Schichtleitungen herstellen – dann kann sie auch aus Metall sein.at another embodiment According to the invention, the transparent electrode constitutes a windowpane with a conductive coating on the gas layer facing The conductive (and transparent) coating can, for example from ITO (indium tin oxide) be made and may then consist of a homogeneous layer. You can also this coating in the form of a grid or a Combining narrow stratified lines - then you can they also be metal.

In einer weiteren speziellen Ausführungsart der Erfindung ist auf der zur Gasschicht gewandten Seite der transparenten Elektrode eine Lumineszenzschicht aufgebracht, die unter dem Einfluss der Gasentladung leuchtet. Durch eine solche Schicht, die von Elektronen und/oder Ultraviolettstrahlung der Gasentladung angeregt wird, kann unter Umständen einer oder beide der folgenden Vervollkommnungen erzielt werden: 1) Transformation des Spektrums des Ausgangsbildes in den gewünschten sichtbaren Bereich und 2) wesentliche Erhöhung der Ausgangshelligkeit, wenn keine große Geschwindigkeit der Konversion benötigt wird und deswegen möglich ist, langsamere aber hellere Leuchtstoffe zu benutzten.In another special embodiment of the Invention is on the side facing the gas layer of the transparent Electrode applied a luminescent layer under the influence the gas discharge lights up. By such a layer, by electrons and / or ultraviolet radiation of the gas discharge is excited possibly one or both of the following accomplishments are achieved: 1) transformation the spectrum of the output image in the desired visible range and 2) substantial increase the output brightness, if no high speed of conversion needed becomes possible and therefore is to use slower but lighter phosphors.

Schließlich kann im erfindungsgemäßen Bildkonverter die transparente Elektrode aus einer leitenden (bzw. Metall-)Beschichtung der vom Bildsensor abgewandten Seite der Mikrokapillarplatte bestehen. Bei einer solchen Ausführungsart der Erfindung kann Absorption und Reflexionen der Gasentladungsausstrahlung, die durch ein Fenster verursacht werden können, komplett vermieden werden. Dieser Vorteil ist insbesondere nennenswert bei der direkten Kopplung des erfindungsgemäßen Bildkonverters mit einem Bilddetektor wie etwa CCD- oder CMOS-Sensoren. Auf diese Weise kommt man ohne zusätzliche Fenster und weitere Verzerrungen verursachende optische Komponenten zwischen dem Bildkonverter und dem Bildsensor aus.Finally, in the image converter according to the invention, the transparent electrode of a conductive (or metal) coating of the Image sensor side facing away from the microcapillary exist. In such an embodiment of the invention, absorption and reflections of the gas discharge radiation that can be caused by a window can be completely avoided. This advantage is particularly significant in the direct coupling of the image converter according to the invention with an image detector such as CCD or CMOS sensors. In this way, one gets without additional windows and other distortion causing optical components between the image converter and the image sensor.

Es sei in Bezug auf Implementierung der transparenten Elektrode betont, dass die Erfindung diesbezüglich keine Einschränkungen macht und dass außer den oben vorgestellten auch andere Ausführungsarten und -varianten unter Umständen vorteilhaft sein können. Um nur einige davon zu nennen, kann die transparente Elektrode z. B. in Form einer (auf einem Rahmen gespannten) Maschenelektrode realisiert werden, ohne dabei eine Trägerfensterscheibe zu benötigen. Oder die Fensterscheibe, die als Träger einer Schichtenelektrode dient, kann eine faseroptische Scheibe oder einen faseroptischen Taper darstellen. Das ermöglicht eine direkte Kopplung mit Bilderfassungskameras, die einen faseroptischen Eingang besitzen, und somit das Erreichen einer wesentlich größeren Kopplungseffizienz.It be emphasized regarding implementation of the transparent electrode, that the invention in this regard no restrictions makes and that except the above presented also other embodiments and variants in certain circumstances may be advantageous. To name just a few, the transparent electrode z. B. realized in the form of a (stretched on a frame) mesh electrode be without a carrier window pane to need. Or the window pane, which supports a layer electrode can serve a fiber optic disk or a fiber optic Taper represent. This allows a direct coupling with image acquisition cameras that have a fiber optic input own, and thus achieving a much greater coupling efficiency.

Die transparente Elektrode funktioniert entweder als Kathode oder als Anode der Gasentladungsschicht – die erforderliche Polung wird durch die Voraussetzung bestimmt, dass die Photodioden im Sperrbetrieb arbeiten müssen. Als Gegenelektrode der Gasentladungsschicht dienen dabei die zweiten, im Kontakt mit der Gasschicht stehenden Anschlüsse der Photodioden des Bildsensors. Wie schon angemerkt wurde, ist der Bildkonverter im Townsend-Modus der Gasentladung zu betreiben, da dadurch eine lineare und stabile Konversion im großen dynamischen Bereich erreicht wird. Eine wesentliche Erweiterung des Strombereiches des Townsend-Regimes eines Gasentladungssystems lässt sich unter Umständen – insbesondere wenn dessen Elektrodenabstand vergleichbar zu oder kleiner als dessen Elektrodenabmessung senkrecht zur Stromrichtung ist – durch Benutzung einer hochohmigen Kathode bzw. einer hochohmigen Beschichtung der Kathode realisieren. Diese vorteilhafte Eigenschaft haben die im Folgenden besprochenen zwei Ausführungsarten des erfindungsgemäßen Bildkonverters.The transparent electrode works either as a cathode or as a Anode of the gas discharge layer - the required polarity is determined by the requirement that the photodiodes must work in the blocking mode. As counter electrode the Gas discharge layer serve the second, in contact with the Gas layer standing connections the photodiodes of the image sensor. As has already been noted, is to operate the image converter in Townsend mode of gas discharge, as a result, a linear and stable conversion in the large dynamic Area is reached. A significant expansion of the electricity sector of the Townsend regime of a gas discharge system can be possibly - especially if its electrode spacing is comparable to or less than that Electrode dimension perpendicular to the current direction is - through Use of a high-resistance cathode or a high-resistance coating realize the cathode. This advantageous property have the in the following two embodiments of the image converter according to the invention discussed.

Bei einer dieser besonderen Ausführungsarten weist die transparente Elektrode eine Widerstandsoberschicht auf und ist als Kathode gepolt. Nach der anderen Ausführung ist dahingegen die transparente Elektrode als Anode gepolt, wobei der zweite, jetzt als Kathode dienende Anschluss der Photodioden eine Widerstandsoberschicht aufweist. Diese Widerstandsschicht trägt in beiden Fällen zur Stabilisierung der Gasentladung im Townsend-Modus bei, was auch einen größeren dynamischen Bereich der Konversion zur Folge hat. Der Wirkungseffekt einer solchen Widerstandschicht kann im ersten Falle besonders günstig für ein optimales Funktionieren des Bildkonverters sein, da die transparente Elektrode in ihren Abmessungen wesentlich größer als der zweite Anschluss der Photodioden ist. Physikalisch gesehen besteht die Wirkung der Widerstandsoberschicht darin, dass der Gasentladungsstrom an dieser einen (räumlich ausgedehnten) Spannungsabfall verursacht. Folglich wird die Entstehung starker lokaler Stromdichten unterdrückt und der Strom jeder Photodiode verteilt sich über den Querschnitt des entsprechenden angrenzenden Bereichs der Gasentladungsschicht im wesentlichen homogen. Das erbringt eine angemessene Erhöhung der oberen Stromgrenze des Townsend-Modus der Gasentladung.at one of these particular embodiments the transparent electrode has a resistive upper layer and is poled as a cathode. After the other execution is whereas the transparent electrode is poled as an anode, the second now serving as a cathode terminal of the photodiodes a resistive upper layer having. This resistance layer contributes to stabilization in both cases the gas discharge in Townsend mode at, which is also a larger dynamic Range of conversion. The effect of such a Resistance layer can be particularly favorable for an optimal in the first case Functioning of the image converter, since the transparent electrode considerably larger in size than the second connection the photodiode is. Physically speaking, the effect of the Resistance top layer in that the gas discharge current at this one (spatially extended) voltage drop caused. Consequently, the emergence strong local current densities and the current of each photodiode suppressed spread over the cross section of the corresponding adjacent region of the gas discharge layer essentially homogeneous. That provides a reasonable increase in the upper current limit of Townsend mode of gas discharge.

Es ist darauf aufmerksam zu machen, dass die Erfindung prinzipiell beliebige Gase und Gasgemische zum Einsatz im Gasspalt zulässt. Die Wahl eines optimalen Gases bzw. Gasgemisches soll generell eine Vielzahl erforderlicher/erwünschter Charakteristiken in Betracht ziehen. Dabei ist zu denken an: die Strom-Licht-Konversionseffizienz, den Spektralbereich des Leuchtens, die Schnelligkeit der Konversion, die Durchbruchspannung etc. Bei Anwendung einer Phosphorschicht auf der transparenten Elektrode (nach einer der oben genannten Ausführungsarten) kann es zum Erreichen einer höheren Gesamtkonversionseffizienz des Gas-Phosphor-Systems vorteilhaft sein, eine Gasart mit starken UV-Emissionslinien und einen dementsprechend durch UV-Strahlung effektiv erregbaren Phosphortyp zu wählen, wie es zum gleichen Zweck in Plasmen-Display-Panelen gemacht wird. Hierauf soll im Weiteren nicht eingegangen werden, denn der Fachmann besitzt solche Kenntnisse.It is to draw attention to the fact that the invention in principle Any gases and gas mixtures for use in the gas gap allows. The Choosing an optimal gas or gas mixture is generally a Variety required / desired Consider characteristics. It is important to remember: the Current-light conversion efficiency, the spectral range of lighting, the speed of conversion, the breakdown voltage, etc. At Application of a phosphor layer on the transparent electrode (according to one of the above embodiments) can reach it a higher one Overall conversion efficiency of the gas-phosphorus system advantageous be a gas with strong UV emission lines and a accordingly to select by ultraviolet radiation effectively energizable type of phosphorus, such as it is done for the same purpose in plasmas display panels. hereupon should not be discussed further, because the expert has such knowledge.

Die beschriebenen Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung werden mit Hilfe der folgenden schematischen Abbildungen und der weiteren Beschreibung dargestellt.The described features and embodiments The invention will be described with the help of the following schematic illustrations and the further description.

1A zeigt einen Querschnitt eines herkömmlichen und meistens im Infraroten Spektralbereich zum Einsatz kommenden Bildkonverters auf der Basis einer planaren Gasentladungsstruktur mit einem hochohmigen Volumenhalbleiterwafer. In 1B werden mit Hilfe von Kennlinien der Gasentladung und des Halbleiterswafers das Arbeitsprinzip und einige Mängel eines solchen Bildkonverters verständlich gemacht. 1A shows a cross section of a conventional and mostly in the infrared spectral range used Bildkonverters on the basis of a planar gas discharge structure with a high-impedance volume semiconductor wafer. In 1B With the aid of characteristic curves of the gas discharge and the semiconductor wafer, the working principle and some shortcomings of such a picture converter are made understandable.

2A ist eine verallgemeinerte Darstellung des erfindungsgemäßen Bildkonverters. 2B zeigt anschaulich Strom-Spannungskennlinien der Gasentladung und der Photodioden in einem solchen Bildkonverter. 2A is a generalized representation of the image converter according to the invention. 2 B shows graphically current-voltage characteristics of Gas discharge and the photodiodes in such a picture converter.

3A ist eine schematische und partielle Schnittansicht einer möglichen Ausführungsart des erfindungsgemäßen Bildkonverters. 3B ist eine Aufsicht auf den Bildsensor des in 3B skizzierten Konverters von der Seite der Gasschicht aus. 3A is a schematic and partial sectional view of a possible embodiment of the image converter according to the invention. 3B is a top view of the image sensor of the 3B sketched converter from the side of the gas layer.

4A zeigt schematisch und partiell eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Bildkonverters, in dem die Gasschicht mit Hilfe einer Mikrokapillarplatte strukturiert ist, wobei die transparente Elektrode als Metallbeschichtung der vom Bildsensor abgewandten Seite der Mikrokapillarplatte ausgeführt ist. 4B präsentiert eine der möglichen Topologien von Kanälen der MKP in einem derartigen Bildkonverter. 4A shows schematically and partially a sectional view of the image converter according to the invention, in which the gas layer is patterned by means of a microcapillary plate, wherein the transparent electrode is designed as a metal coating facing away from the image sensor side of the microcapillary. 4B presents one of the possible topologies of MKP channels in such an image converter.

Es sei angemerkt, dass aus zeichentechnischen Gründen alle Zeichnungen schematisch und absichtlich nicht maßstäblich gemacht sind, wodurch einige Abmessungen stark verzerrt wurden. Darüber hinaus sind allgemein bekannte und zum Verständnis des Erfindungswesens im wesentlichen unrelevante Bauteile bzw. Merkmale, wie etwa Gehäuse, Befestigungselemente, elektrische Durchführungen, unter Umständen nötige Kühlungselemente etc. aus Gründen der zeichnerischen Vereinfachung nicht gezeigt und werden im weiteren auch nicht diskutiert.It It should be noted that for drawing technical reasons, all drawings schematically and deliberately not to scale are, whereby some dimensions were heavily distorted. Furthermore are well known and to the understanding of the invention essentially non-relevant components or features, such as housings, fasteners, electrical feedthroughs, in certain circumstances necessary cooling elements etc. for reasons The graphic simplification is not shown and will be discussed below also not discussed.

Wesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung werden mit Hilfe von 2A und 2B erläutert. Dabei stellt 2A eine schematische und partielle Schnittansicht des verallgemeinerten Aufbaus eines Bildkonverters nach dem Hauptanspruch der Erfindung dar und 2B enthält Strom-Spannungskennlinien der Gasentladung und der Bildsensor-Photodioden in diesem. Der Bildkonverter besteht im wesentlichen aus:

  • – einem Bildsensor 10, der eine Vielzahl von im Sperrbetrieb arbeitenden Photodioden 13 darstellt und von seiner Vorderseite ein zweidimensionales Eingangsbild 1 erfasst;
  • – einer transparenten Elektrode 20, die sich in kleiner Entfernung von der Gegenseite des Bildsensors befindet;
  • – einer dünnen Gasschicht 9 zwischen der Gegenseite des Bildsensors 10 und der transparenten Elektrode 20.
Significant features and advantages of the invention will be described with the aid of 2A and 2 B explained. It puts 2A a schematic and partial sectional view of the generalized structure of an image converter according to the main claim of the invention is and 2 B Contains current-voltage characteristics of the gas discharge and the image sensor photodiodes in this. The image converter essentially consists of:
  • - an image sensor 10 , which is a plurality of blocking photodiodes 13 represents and from its front a two-dimensional input image 1 detected;
  • - a transparent electrode 20 located a short distance from the opposite side of the image sensor;
  • - a thin gas layer 9 between the opposite side of the image sensor 10 and the transparent electrode 20 ,

Alle Photodioden 13 des Bildsensors 10 sind an deren ersten elektrischen Anschluss 12 miteinander und mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss 3 verbunden. Der zweite Anschluss 14 jeder Photodiode ist unbeschaltet und so konstruiert, dass er auf der Gegenseite des Bildsensors in elektrischen Kontakt mit dem Gas kommt. Die transparente Elektrode ist an den zweiten Versorgungsspannungsanschluss 4 angeschlossen und ist im gezeigten Beispiel als Katode gepolt. Wie schon bei der Beschreibung möglicher Ausführungsweisen der transparenten Elektrode angegeben wurde, kann die Kathode zur Erweiterung des Strombereiches des Townsend-Modus der Gasentladung und dadurch zum Erreichen eines größeren dynamischen Bereiches mit einer Widerstandsoberschicht versehen werden. Eine solche Widerstandschicht ist in 2A sowie in weiteren Abbildungen von Ausführungsformen der Erfindung nicht gezeigt und ist einfach als eine Oberbeschichtung der als Kathode dienenden Elektrode bzw. Schicht vorzustellen.All photodiodes 13 of the image sensor 10 are at their first electrical connection 12 with each other and with the first supply voltage connection 3 connected. The second connection 14 each photodiode is unpowered and designed to make electrical contact with the gas on the opposite side of the image sensor. The transparent electrode is connected to the second supply voltage terminal 4 connected and is poled in the example shown as the cathode. As already indicated in the description of possible embodiments of the transparent electrode, the cathode can be provided with a resistive upper layer to widen the current range of the Townsend mode of the gas discharge and thereby to achieve a larger dynamic range. Such a resistance layer is in 2A as well as in further illustrations of embodiments of the invention is not shown and is easy to imagine as an upper coating of serving as a cathode electrode or layer.

Die angelegte Speisespannung wird so eingestellt, dass sie etwas über der Gasentladungs-Zündspannung liegt und derartig gepolt ist, dass die Photodioden im Sperrbetrieb arbeiten. 2B zeigt, wie dabei Kennlinien der Gasentladung und der Photodioden verlaufen. Kurve IG präsentiert eine typische Kennlinie der Gasentladung. Für den Fall, dass die Kathode eine oben erwähnte Widerstandsoberschicht aufweist, zeigt die Kurve IGW beispielhaft die Kennlinie des Systems „Gasentladung-Widerstandsoberschicht". Dabei ist unter dem elektrischen Strom IG bzw. IGW derjenige Strom im Gas zu verstehen, der durch den zweiten Anschluss 14 der Photodioden fließt. Kurven IP0, IP1 und IP2 sind exemplarische Kennlinien mit verschiedener Intensität ΦP beleuchteter Photodioden. Die Photodiodenkennlinie IP0 ist die Dunkelstromkennlinie. Die Schnittpunkte der Kennlinien der Photodioden mit der Kennlinie der Gasentladung stellen deren Arbeitspunkte dar und liefern Stromwerte (hier I0, I1 und I2), die durch die entsprechenden Photodioden und die an diesen angegrenzten Bereiche der Gasentladungsschicht fließen. Beim Betrieb des Konverters sollen Arbeitspunkte, wie auch bei herkömmlichen Halbleiter-Gasentladungs-Bildkonvertern mit Volumenhalbleiterbildsensoren, am besten im Townsend-Bereich der Gasentladung liegen, wo die Kennlinie der letzteren praktisch parallel zur Stromachse verläuft. Bei dünnen Gasschichten, was beim erfindungsgemäßen Bildkonverter auch der Fall ist, kann sich der senkrechte Teil der Gasentladungs-Kennlinie über bis zu 5 Größenordnungen des Stromes und sogar mehr ausstrecken. Das sorgt für einen entsprechend großen dynamischen Bereich mit linearer Konversion.The applied supply voltage is set so that it is slightly above the gas discharge ignition voltage and is poled so that the photodiodes operate in the blocking mode. 2 B shows how characteristic curves of the gas discharge and the photodiodes run. Curve I G presents a typical characteristic of the gas discharge. In the case where the cathode has an above-mentioned resistance upper layer, the curve I GW shows by way of example the characteristic curve of the system "gas discharge resistance upper layer." In this case, the electric current I G or I GW is the current in the gas which passes through the second connection 14 the photodiodes flows. Curves I P0 , I P1 and I P2 are exemplary characteristics with different intensities Φ P of illuminated photodiodes. The photodiode characteristic I P0 is the dark current characteristic. The points of intersection of the characteristic curves of the photodiodes with the characteristic curve of the gas discharge represent their operating points and supply current values (here I 0 , I 1 and I 2 ), which flow through the corresponding photodiodes and the areas of the gas discharge layer adjoined thereto. In operation of the converter, operating points, as in conventional semiconductor gas discharge image converters with bulk semiconductor image sensors, are best located in the town-sent region of the gas discharge where the characteristic of the latter is substantially parallel to the current axis. With thin gas layers, which is also the case with the image converter according to the invention, the vertical part of the gas discharge characteristic can extend over up to 5 orders of magnitude of the current and even more. This ensures a correspondingly large dynamic range with linear conversion.

Wie man sehen kann, befinden sich die Photodioden unter der Sperrspannung UV–UZ, wo UV die Versorgungsspannung ist und UZ der Gasentladungs-Zündspannung entspricht. Dank dem bekannten Fakt, dass Photodioden, mit Ausnahme von Lawinen-Photodioden, sich im Sperrbetrieb schon mit geringen Rückspannungen in den aktiven Arbeitsbereich linearer Licht-Strom-Umwandlung einschalten lassen, muss die erforderliche Versorgungsspannung nur wenig über der Zündspannung der Gasentladung liegen. Diese Eigenschaft zählt zu besonderen Merkmalen der vorliegenden Erfindung. Lawinenphotodioden können zu ihrem optimalen Betrieb eine Sperrvorspannung bis zu etwa 100 V benötigen, was in Hinblick auf typische Gasentladungs-Zündspannungswerte von 150–200 V und höher eine verhältnismäßig niedrige Versorgungsspannungen bedeutet. Darüber hinaus und von besonderer Bedeutung sind jedoch im Vergleich zu Volumenbildsensoren generell wesentlich höhere Empfindlichkeit und Schnelligkeit von Photodioden sowie die Möglichkeit, mit entsprechend kleinflächigen Photodioden eine bessere räumliche Auflösung der Bildkonversion zu erreichen.As you can see, the photodiodes are below the reverse voltage U V -U Z , where U V is the supply voltage and U Z corresponds to the gas discharge ignition voltage. Thanks to the known fact that photodiodes, with the exception of avalanche photodiodes, can be switched on in the blocking mode with low reverse voltages in the active working range of linear light-current conversion, the required supply voltage must be only slightly above the ignition voltage of the gas discharge. This property is special ren features of the present invention. Avalanche photodiodes may require a reverse bias voltage of up to about 100V for their optimal operation, which means relatively low supply voltages with respect to typical gas discharge spark voltage values of 150-200V and higher. In addition, and of particular importance, however, in comparison to volume image sensors generally much higher sensitivity and speed of photodiodes and the ability to achieve with correspondingly small-area photodiodes a better spatial resolution of the image conversion.

Die Leuchtintensität der Gasentladung ist dem Strom proportional und ist räumlich in der Gasschichtebene wie der Strom verteilt. Damit ist sie auch wie die Eingangsintensität verteilt. Dabei wird das Spektrum des Ausgangbildes durch das Emissionsspektrum des verwendeten Gases sowie dessen mögliche Änderung beim Durchgehen durch die transparenten Elektrode definiert. Für Verwendung im erfindungsgemäßen Bildkonverter sind in erster Linie Gase mit intensiveren Emissionslinien im sichtbaren oder nahen infraroten Bereich bis etwa 1.0 μm zu empfehlen, da für diesen Bereich auf dem Markt viele hochempfindliche und schnelle Kameras existieren, die zur Erfassung der Ausgangsstrahlung des Konverters eingesetzt werden können.The light intensity The gas discharge is proportional to the current and is spatially in the gas layer layer as the electricity distributed. So she is like that too the input intensity distributed. The spectrum of the output image is determined by the emission spectrum of the gas used and its possible change when going through defines the transparent electrode. For use in the image converter according to the invention are primarily gases with more intense emission lines in the visible or near infrared range to about 1.0 μm recommended for this Range in the market many high-sensitivity and fast cameras exist that for detecting the output radiation of the converter can be used.

Es sei betont, dass der in 2A dargestellte und oben beschriebene verallgemeinerte Aufbau des erfindungsgemäßen Bildkonverters nur seine wesentlichen Merkmale nach dem Hauptanspruch der Erfindung erschließt. Die weiterfolgende Beschreibung erläutert einige der möglichen gewerblich orientierten Ausführungsarten der Erfindung und deren besondere Eigenschaften.It should be emphasized that the in 2A illustrated and described above generalized structure of the image converter according to the invention only discloses its essential features according to the main claim of the invention. The following description illustrates some of the possible commercially oriented embodiments of the invention and their particular characteristics.

3A ist eine schematische und partielle Schnittansicht einer anderen Ausführungsart des erfindungsgemäßen Bildkonverters und 3B ist eine Aufsicht auf den Bildsensor von der Seite der Gasschicht her. Diese Ausführung besteht im Wesentlichen aus einem Bildsensor 10, einem Ausgangsfenster 21 mit der leitenden Beschichtung 22 als transparente Elektrode 20, getrennt durch eine dünne Gasschicht 9 zwischen denen, deren Dicke durch den Abstandhalter 8 determiniert wird. Die Photodioden des Bildsensors sind monolithisch mittels Planartechnologie auf einem für das einfallende Licht transparenten und elektrisch leitenden Trägersubstrat 30 integriert, das als gesamter erster Anschluss der Photodioden dient und durch Schichtkontakt 31 mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss 3 verbunden ist. Die Photodioden sind der Vereinfachung halber schematisch bestehend aus drei Halbleiterschichten 13a, 13b und 13c gezeichnet, was der klassischen Struktur von p-i-n-Photodioden entspricht aber die Möglichkeit nicht ausschließt, auch andere Photodiodentypen bzw. -Strukturen zur Implementierung des Bildsensors zu benutzen. Die untere, so genannte Buffer-Schicht 13a weist üblicherweise eine höhere Konzentration von Störstellen auf, die ihr den vorgewählten Leitungstyp verleihen, und ist dazu für die einfallende Strahlung transparent. Die mittlere, so genannte aktive Schicht 13b hat den gleichen Leitungstyp wie die untere Schicht 13a und kann generell aus einigen Subschichten bestehen. Bei üblichen p-i-n-Photodioden ist es eine einzelne Absorptionsschicht, die nur leicht- oder undotiert ist (weswegen sie üblicherweise auch als i-Schicht bezeichnet wird) und aus diesem Grunde eine viel geringere Leitfähigkeit – nahe zur eigenen Leitfähigkeit – besitzt. Bei Lavinen-Photodioden umfasst die aktive Schicht 13b mehrere Schichten – normalerweise eine Absorptionsschicht, eine Multiplikationsschicht (oder eine gemeinsame Absorptions-Multiplikationsschicht) sowie einige Grading-Layers. Die obere Schicht 13c der Photodioden ist im Vergleich zu den unteren Schichten jedoch von einem umgekehrten Leitungstyp und besitzt gewöhnlich eine erhöhte Konzentration von Störstellen. Bei einigen speziellen Photodioden kann diese Schicht auch aus einigen Subschichten gebildet werden. Bei Schottky-Photodioden ist die obere Schicht eine Metallschicht, die mit dem unterliegenden Halbleiter eine Schottky-Barriere bildet. 3A is a schematic and partial sectional view of another embodiment of the image converter according to the invention and 3B is a plan view of the image sensor from the gas layer side. This design consists essentially of an image sensor 10 , an output window 21 with the conductive coating 22 as a transparent electrode 20 separated by a thin layer of gas 9 between those whose thickness through the spacer 8th is determined. The photodiodes of the image sensor are monolithic by means of planar technology on a transparent to the incident light and electrically conductive carrier substrate 30 integrated, which serves as the entire first terminal of the photodiodes and by layer contact 31 with the first supply voltage connection 3 connected is. For the sake of simplicity, the photodiodes are schematically composed of three semiconductor layers 13a . 13b and 13c which corresponds to the classical structure of pin photodiodes but does not exclude the possibility of using other types of photodiodes or structures for implementing the image sensor. The lower, so-called buffer layer 13a typically has a higher concentration of impurities imparting the preselected conductivity type and is transparent to the incident radiation. The middle, so-called active layer 13b has the same conductivity type as the bottom layer 13a and can generally consist of some sublayers. In conventional pin photodiodes, it is a single absorption layer, which is only lightly or undoped (which is why it is commonly referred to as i-layer) and for this reason has a much lower conductivity - close to its own conductivity - has. For lavine photodiodes, the active layer comprises 13b multiple layers - usually an absorption layer, a multiplication layer (or a common absorption multiplication layer) as well as some grading layers. The upper layer 13c However, the photodiodes are of a reverse conductivity type compared to the lower layers and usually have an increased concentration of impurities. For some special photodiodes, this layer can also be formed from some sublayers. In Schottky photodiodes, the upper layer is a metal layer that forms a Schottky barrier with the underlying semiconductor.

Bei der angelegten Versorgungsspannung UV oberhalb der Durchbruchspannung UZ der Gasschicht 9 befinden sich die Photodioden im Sperrbetrieb mit starkem elektrischem Feld in der aktiven Schicht. Die in der aktiven Schicht 13b unter Wirkung der einfallenden Strahlung generierten freien Ladungsträger werden dadurch sehr schnell getrennt und entsprechend deren Typ (Elektronen oder Löcher) zu einem der angrenzenden Schichten 13a bzw. 13c gebracht und bilden einen photoelektrischen Strom, der einen gleichermaßen Strom durch den anliegenden Bereich der Gasentladung determiniert. Wenn die Photodioden Lawinen-Photodioden sind, wird dieser Photostrom schon in den Photodioden zusätzlich verstärkt.At the applied supply voltage U V above the breakdown voltage U Z of the gas layer 9 The photodiodes are in the blocking mode with strong electric field in the active layer. Those in the active layer 13b Free charge carriers generated as a result of the incident radiation are thereby separated very rapidly and corresponding to their type (electrons or holes) to one of the adjacent layers 13a respectively. 13c and form a photoelectric current that equally determines a current through the adjacent area of the gas discharge. If the photodiodes are avalanche photodiodes, this photocurrent is amplified even in the photodiodes.

Die in 3A dargestellte Ausführungsart des erfindungsgemäßen Bildkonverters benutzt ein Mesa-Verfahren zur Isolierung der Photodioden von einander. Die Mesa-Gräben 33 sollen sich dabei mindestens durch die ganze obere Schicht 13c hindurch bis in die aktive Schicht 13b vertiefen und sind mit einer Isolierschicht 34 versehen, die den Kontakt des p-i-Übergangs und aller unteren Schichten mit der Gasentladung preventiert. Die aktive Schicht 13b kann dabei im unteren größeren Teil kontinuierlich (durch die Mesa-Gräben ungeteilt) bleiben, da in dieser Schicht ein starkes transversales elektrisches Feld existiert, das die dort photogenerierten Ladungsträger sehr schnell aus der Schicht hinaus führt und dadurch deren laterales Ausbreiten effektiv verhindert. Das Letztere ist zudem dadurch erschwert, dass auf alle Photodioden praktisch die identische Sperrspannung wirkt, die sich an der Differenz von Versorgungsspannung und Zündspannung bestimmt, so dass das laterale elektrische Feld in der aktiven Schicht vernachlässigbar ist. Darüber hinaus sind die lateralen Dimensionen der Photodioden (mit sinnvoller Größe in den meisten Fällen nicht kleiner als 20 μm) viel größer als die Dicke der aktiven Schicht (ca. 2–3 μm), was zusammen mit den oben genannten Gründen das Erscheinen einer möglichen lateralen Ausbreitung der Photo-Ladungsträger und der dadurch verursachten Bildverschmierung so gut wie unmöglich macht.In the 3A illustrated embodiment of the image converter according to the invention uses a mesa method for isolating the photodiodes from each other. The mesa trenches 33 should be doing at least through the whole upper layer 13c through to the active layer 13b deepen and are covered with an insulating layer 34 provided that prevents the contact of the pi junction and all lower layers with the gas discharge. The active layer 13b can remain in the lower major part continuously (undivided by the mesa trenches), since there is a strong transverse electric field in this layer, which leads the photogenerated charge carriers there very quickly out of the layer and thereby effectively ver the lateral spreading prevents. In addition, the latter is made more difficult by the fact that virtually identical blocking voltage acts on all photodiodes, which is determined by the difference between the supply voltage and the ignition voltage, so that the lateral electric field in the active layer is negligible. In addition, the lateral dimensions of the photodiodes (meaningful size in most cases not less than 20 microns) are much larger than the thickness of the active layer (about 2-3 microns), which together with the above reasons, the appearance of a possible lateral propagation of the photo-charge carriers and the resulting image blurring makes it virtually impossible.

Die auf die obere Schicht 13c der Photodioden aufgebrachte undurchsichtige Metallschicht 14 dient zur Prävention möglicher optischer positiver Rückwirkung des Leuchtens der Gasentladung auf die Photodioden, was sonst bei einer ungünstig großen Überlappung des Emissionsspektrums des Gases mit der spektralen Empfindlichkeitskurve der Photodioden lange Einschwingprozesse oder Bistabilität verursachen kann. Darüber hinaus trägt diese Schicht zur Empfindlichkeitserhöhung bei, da sie in den Photodioden nicht absorbierte Eingangsstrahlung zurück reflektiert und noch einmal durch die Absorptionsschicht durchgehen lässt. Zur Verringerung von Verlusten der einkommenden Photonen wegen Reflektion von der ersten Seite des Trägersubstrats, ist auf diese eine Antireflexionsschicht 32 aufgebracht.The on the upper layer 13c the photodiodes applied opaque metal layer 14 serves to prevent possible optical positive feedback of the illumination of the gas discharge on the photodiodes, which otherwise can cause long transient processes or bistability with an unfavorably large overlap of the emission spectrum of the gas with the spectral sensitivity curve of the photodiodes. In addition, this layer contributes to the increase in sensitivity, as it reflects in the photodiodes unabsorbed input radiation back and once again pass through the absorption layer. To reduce losses of the incoming photons due to reflection from the first side of the carrier substrate, this is an antireflection layer 32 applied.

Zur Herstellung des Bildsensors des in 3A und 3B dargestellten Bildkonverters können je nach erforderlichen Charakteristiken diverse dem Fachmann bekannte Materialien und Verfahren verwendet werden, die unter Umständen auch unterschiedliche bevorzugte Strukturen des Bildsensors und der eigentlichen Photodioden bedeuten können. Beispielweise, statt der gezeigten Mesa-Gräben mit der darin befindlichen Isolierschicht darin können zur Isolierung der Photodioden von einander auch andere Verfahren einfacher und vorteilhafter sein. Unter denen sei der Einbau von hochohmigen Bereichen zwischen den Photodioden mit Hilfe einer Ionenimplantation oder einer Protonenbestrahlung als nächstes genannt – diese Technik wird als eine Alternative zum Mesa-Verfahren für viele Materialien und Strukturen immer besser entwickelt und immer mehr anerkannt. Als eines der nach dem jetzigen Stand der Technik gut etablierten Beispielen von Materialkombinationen für den nahen IR-Bereich bis zu 1.7–2.3 μm lässt sich InGaAs für die aktive Absorptionsschicht mit dem IR-transparenten und gut leitenden Trägersubstrat aus n-InP nennen. Die untere Buffer-Schicht besteht dabei auch aus n-InP; die aktive InGaAs-Absorptionsschicht weist sehr niedrige Störstellenkonzentration des n-Typs auf und die beiden Schichten werden durch das Epitaxial-Wachstum erhalten. Die obere Schicht 13c wird durch Diffusions- oder Ionenimplantations-Verfahren bis zur nötigen Konzentration von Störstellen des p-Typs (üblicherweise Zn-Atomen) dotiert.For producing the image sensor of in 3A and 3B Depending on the required characteristics, it is possible to use various materials and methods known to the person skilled in the art, which under certain circumstances may also mean different preferred structures of the image sensor and of the actual photodiodes. For example, instead of the illustrated mesa trenches with the insulating layer therein, other methods may be simpler and more advantageous for isolating the photodiodes from each other. Among them, the next is the installation of high-resistance regions between the photodiodes by means of ion implantation or proton irradiation - this technique is becoming increasingly better developed and increasingly recognized as an alternative to the mesa process for many materials and structures. As one of the well-known examples of material combinations for the near IR range up to 1.7-2.3 μm, InGaAs for the active absorption layer with the IR-transparent and highly conductive carrier substrate can be named n-InP. The lower buffer layer also consists of n-InP; the InGaAs active absorption layer has very low n-type impurity concentration, and the two layers are obtained by the epitaxial growth. The upper layer 13c is doped by diffusion or ion implantation techniques to the required concentration of p-type impurities (typically Zn atoms).

Ausführlichere Information über Photodiodenstrukturen sowie Materialien und Verfahren zur deren Herstellung sind in zahlreichen Publikationen zu finden, wie etwa:

  • (4) P. Norton, "Detector Focal Plane Array Technology." In Encyclopedia of Optical Engineering, 320–348 (2003).
  • (5) J. C. Dries, T. Martin, W. Huang, M. J. Lange and M. J. Cohen. "Two-dimensional Indium Gallium Arsenide Avalanche Photodiode Arrays for High-Sensitivity, High-Speed Imaging." IEEE LEOS Proceedings (2002).
  • (6) J. B. Barton, R. F. Cannata, and S. M. Petronio, "InGaAs NIR Focal Plane Arrays for Imaging and DWDM Applications." Proc. SPIE 4721 (2002).
  • (7) M. A. Itzler, K. K. Loi, S. McCoy, N. Codd, and N. Komaba, "Manufacturable Planar Bulk-InP Avalanche Photodiodes For 10 Gb/s Applications." Proc. LEOS'99, 1999, San Francisco.
  • (8) L. J. Kozlowki and W. F Kosonocky, "Infrared Detector Arrays." In Handbook of Optics, Chap. 23, McGraw-Hill: New York, 1995.
More detailed information about photodiode structures, as well as materials and methods of making the same, can be found in numerous publications, such as:
  • (4) P. Norton, "Detector Focal Plane Array Technology." In Encyclopedia of Optical Engineering, 320-348 (2003).
  • (5) JC Dries, T. Martin, W. Huang, MJ Lange and MJ Cohen. "Two-dimensional Indium Gallium Arsenide Avalanche Photodiode Arrays for High-Sensitivity, High-Speed Imaging." IEEE LEOS Proceedings (2002).
  • (6) JB Barton, RF Cannata, and SM Petronio, "InGaAs NIR Focal Plane Arrays for Imaging and DWDM Applications." Proc. SPIE 4721 (2002).
  • (7) MA Itzler, KK Loi, S. McCoy, N. Codd, and N. Komaba, "Manufacturable Planar Bulk-InP Avalanche Photodiodes For 10 Gb / s Applications." Proc. LEOS'99, 1999, San Francisco.
  • (8) LJ Kozlowki and W.F. Kosonocky, "Infrared Detector Arrays." In Handbook of Optics, Chap. 23, McGraw-Hill: New York, 1995.

Als transparente Elektrode wird im Bildkonverteraufbau nach 3A eine leitende und transparente Beschichtung 22 auf dem Ausgangsfenster 21 aufgebracht. Die lässt sich in den meisten Fällen am einfachsten als homogenes ITO-Layer herzustellen. Es kann jedoch auch eine Metallbeschichtung sein, die als solche nicht durchsichtig ist aber die Form eines feinen Gitters hat, wie es schon angemerkt wurde. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann auf die transparente Elektrode eine Phosphorschicht aufgebracht werden, die in 3A nicht gezeigt und einfach als zweite Schicht über die Beschichtung 22 auf dem Ausgangsfenster 21 vorzustellen ist. Solch eine Phosphorschicht, die sich von Elektronen und/oder UV-Ausstrahlung der Gasentladung anregen lässt, kann sowohl zur Transformation des Spektrums als auch zur Verstärkung der Intensität des Ausgangsbildes dienen. Geeignete Verfahren und Materialien zum Erstellen leitender und transparenter Beschichtungen sowie von Phosphorschichten sind unter Spezialisten allgemein gut bekannt.As a transparent electrode in the image converter structure according to 3A a conductive and transparent coating 22 on the output window 21 applied. In most cases, this is easiest to create as a homogeneous ITO layer. However, it may also be a metal coating, which as such is not transparent but has the form of a fine grid, as already noted. In a preferred embodiment, a phosphor layer can be applied to the transparent electrode, which in 3A not shown and simply as a second layer over the coating 22 on the output window 21 is to be presented. Such a phosphor layer, which can be excited by electrons and / or UV radiation of the gas discharge, can serve both to transform the spectrum and to increase the intensity of the output image. Suitable methods and materials for creating conductive and transparent coatings as well as phosphor layers are generally well-known among specialists.

4A zeigt schematisch und partiell einen erfindungsgemäßen Bildkonverter, in dem die Gasschicht 9 durch eine Mikrokapillarplatte 23 strukturiert ist und die transparente Elektrode eine Metallbeschichtung 24 der vom Bildsensor 10 abgewandten Seite der Mikrokapillarplatte 23 darstellt. 4B, die eine schematische und partielle Aufsicht auf die MKP eines derartigen Bildkonverters von der Seite der Metallbeschichtung 24 darstellt, demonstriert eine der möglichen Topologien von Kanälen der MKP in einem derartigen Bildkonverter. 4A schematically and partially shows an image converter according to the invention, in which the gas layer 9 through a microcapillary plate 23 is structured and the transparent electrode is a metal coating 24 that of the image sensor 10 opposite side of the microcapillary plate 23 represents. 4B , which is a schematic and partial plan view of the MKP of such image converter from the side of the metal coating 24 demonstrates one of the possible topologies of channels of MKP in one such image converter.

Ähnlich wie im vorher beschriebenen Bildkonverter in 3A sind die Photodioden des Bildsensors bei diesem Aufbau monolithisch mittels Planar-Mesa-Technologie auf einem für die auftretende Strahlung transparenten und antireflexionsbeschichteten Trägesubstrat 30 hergestellt und schematisch bestehend aus drei Schichten 13a, 13b und 13c gezeigt, für deren Funktionen die Beschreibung der entsprechenden Schichten der 3A gilt. Es wird jedoch angenommen, dass das Trägesubstrat elektrisch nicht oder schlecht leitend ist und deswegen als gesamter erster Anschluss aller Photodioden nicht dienen kann. Dazu wird die untere Buffer-Schicht 13a genutzt. Zur Verringerung des Widerstandes dieses Anschlusses, ist in den zur Isolierung der Photodioden dienenden Mesa-Gräben 33, die speziell bis zur Buffer-Schicht 13a hinein vertieft sind, eine maschenartige Metallleitung 12 verlegt, die im elektrischen Kontakt mit der Buffer-Schicht 13a steht und mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss 3 verbunden ist. Zur Prävention der Berührung dieser Metallleitung, der aktiven Schicht 13b sowie des p-i-Übergangs (der Grenze zwischen den Schichten 13b und 13c) mit dem Gas sind die Mesa-Gräben 33 mit Isolierung 34 beschichtet. Wenn die Leitfähigkeit der Buffer-Schicht 13a hoch genug ist, kann auf diese Metallleitung und Vertiefung der Gräben verzichtet werden, was den Aufbau des Bildsensors vereinfacht.Similar to the previously described image converter in 3A In this construction, the photodiodes of the image sensor are monolithic by means of planar mesa technology on a support substrate which is transparent to the radiation occurring and is antireflection-coated 30 manufactured and schematically consisting of three layers 13a . 13b and 13c for whose functions the description of the corresponding layers of the 3A applies. However, it is believed that the support substrate is electrically or poorly conductive and therefore can not serve as the entire first terminal of all photodiodes. This is the lower buffer layer 13a used. To reduce the resistance of this terminal, is in serving to isolate the photodiode mesa trenches 33 specifically to the buffer layer 13a are deepened in, a mesh-like metal line 12 laid in electrical contact with the buffer layer 13a stands and with the first supply voltage connection 3 connected is. To prevent the contact of this metal line, the active layer 13b and the pi-junction (the boundary between the layers 13b and 13c ) with the gas are the mesa trenches 33 with insulation 34 coated. When the conductivity of the buffer layer 13a is high enough, can be dispensed with this metal line and recess of the trenches, which simplifies the construction of the image sensor.

Bei dem Aufbau in 4A ist die transparente Elektrode des erfindungsgemäßen Bildkonverters als Metallbeschichtung 24 der MKP 23 ausgeführt und die Gasentladung besteht aus einer Vielzahl von Mikroentladungen, die in den MKP-Kanälen zwischen dem zweiten Anschluss 14 jeder Photodiode und der Metallbeschichtung 24 gezündet werden. Dadurch besitzt ein derartiger Bildkonverter wichtige zusätzliche Vorzüge. Bei einem genügend kleinen Abstand von den MKP-Kanälen kann eine wesentlich bessere räumliche Auflösung der Bildkonversion erreicht werden, denn die für die Verschmierung von kleinen Bilddetails verantwortlichen Diffusionsvorgänge von Elektronen, angeregten Atomen und/oder Molekülen sowie die Verbreitung der Resonanzstrahlung werden stark gehindert. Das fehlende Ausgangsfenster bringt besondere Vorteile bei direkter Kopplung des Bildkonverters mit einem Bildsensor wie etwa CCD- oder CMOS-Sensoren, da die optische Ausstrahlung der Gasentladung sehr effektiv, ohne Verluste und Reflexionen an Zwischenkomponenten zum angekoppelten Bildsensor übertragen werden kann. Ein solcher Sensor ist in 4A schematisch mit 25 bezeichnet. Im Falle eines herkömmlichen optischen Ausgangs wird statt dessen ein Ausgangsfenster benutzt, das auch für einen abgeschlossenen Gasraum sorgt.When building in 4A is the transparent electrode of the image converter according to the invention as a metal coating 24 the MKP 23 executed and the gas discharge consists of a variety of microdischarges, which in the MKP channels between the second port 14 each photodiode and the metal coating 24 to be detonated. As a result, such an image converter has important additional advantages. At a sufficiently small distance from the MKP channels, a much better spatial resolution of the image conversion can be achieved because the diffusion processes of electrons, excited atoms and / or molecules responsible for the smearing of small image details and the spread of resonance radiation are severely hindered. The missing output window brings particular advantages in direct coupling of the image converter with an image sensor such as CCD or CMOS sensors, since the optical emission of the gas discharge can be transmitted very effectively, without losses and reflections to intermediate components to the coupled image sensor. Such a sensor is in 4A schematically with 25 designated. In the case of a conventional optical output, an output window is used instead, which also provides for a closed gas space.

Bei gewerblicher Realisierung des Bildkonverters nach dem Aufbau in 4A und 4B können sich unterschiedliche Materialien und Herstellungsverfahren eignen, die dem Fachmann gut bekannt sind. So lassen sich z. B. für einen erfindungsgemäßen Bildkonverter, der im ultravioletten Spektralbereich empfindlich ist und im sichtbaren Bereich der Strahlung keine oder sehr geringe Sensitivität aufweisen soll, d. h. solar-blind ist, p-i-n-Photodioden aus AlGaN auf einem Saphir-Trägersubstrat einsetzen. Für detaillierte Informationen bezüglich Aufbauprinzipien, Zusammensetzung von Materialien, Herstellungstechnologien und erreichbarer Charakteristiken solcher Photodioden kann man folgende Dokumente sowie darin genannte Quellen konsultieren:

  • (9) H. Morkoç, "Nitride Semiconductors and Devices," Springer Verlag, Heidelburg, 1999.
  • (10) J. D. Brown, Jizhong Li, P. Srinivasan, J. Matthews and J. F. Schetzina, "Solar-Blind AlGaN Heterostructure Photodiodes", MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 5, 9 (2000).
  • (11) N. Biyikli, T. Kartaloglu, O. Aytur, I. Kimukin and E. Ozbay, "High-Performance Solar-Blind AlGaN Schottky Photodiodes", MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 8, 2 (2003).
  • (12) J. P. Long, S. Varadaraajan, J. Matthews, and J. F. Schetzina, "UV detectors and focal plane array imagers based on AlGaN p-i-n photodiodes", Opto-Electronics Rev. 10(4), 251–260 (2002).
  • (13) J. C. Carrano, D. J. H. Lambert, C. J. Eiting, C. J. Collins, T. Li, S. Wang, B. Yang, A. L. Beck, R. D. Dupuis, and J. C. Campbell, "GaN avalanche photodiodes", Appl. Phys. Lett. 76, 924–926 (2000).
In commercial realization of the image converter after construction in 4A and 4B For example, various materials and methods of preparation that are well known to those skilled in the art may be suitable. So can be z. B. for a picture converter according to the invention, which is sensitive in the ultraviolet spectral range and should have no or very low sensitivity in the visible range of radiation, ie solar-blind, use pin photodiodes of AlGaN on a sapphire carrier substrate. For detailed information regarding design principles, composition of materials, manufacturing technologies and achievable characteristics of such photodiodes, the following documents and sources can be consulted:
  • (9) H. Morkoç, "Nitride Semiconductors and Devices," Springer Verlag, Heidelberg, 1999.
  • (10) JD Brown, Jizhong Li, P. Srinivasan, J. Matthews and JF Schetzina, "Solar Blind AlGaN Heterostructure Photodiodes", MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 5, 9 (2000).
  • (11) N. Biyikli, T. Kartaloglu, O. Aytur, I. Kimukin and E. Ozbay, "High-Performance Solar Blind AlGaN Schottky Photodiodes", MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 8, 2 (2003).
  • (12) JP Long, S. Varadaraajan, J. Matthews, and JF Schetzina, "UV detectors and focal plane array imagers based on AlGaN pin photodiodes", Opto-Electronics Rev. 10 (4), 251-260 (2002).
  • (13) JC Carrano, DJH Lambert, CJ Eiting, CJ Collins, T.Li, S. Wang, B.Yang, AL Beck, RD Dupuis, and JC Campbell, "GaN avalanche photodiodes," Appl. Phys. Lett. 76, 924-926 (2000).

Was die Mikrokapillarplatte betrifft, so kann diese zur Zeit sowohl aus Glass als auch aus Polymerfolienmaterialien mittels solchen gut bekannten und industriell etablierten Verfahren wie etwa Ätzen oder Laser-Evaporation separat von den anderen Bauteilen hergestellt werden. Darüber hinaus ist es prinzipiell möglich, die MKP durch eine relativ dicke dielektrische Schicht mit Mikrokanälen zu ersetzen, die mittels Planartechnologie auf das Substrat mit den schon angefertigten Photodioden aufgebracht und entsprechend strukturiert ist.What Concerning the microcapillary plate, this may currently both made of glass as well as polymer film materials by means of such well known and industrially established methods such as etching or Laser evaporation produced separately from the other components become. About that In addition, it is possible in principle to replace the MKP by a relatively thick dielectric layer with microchannels that using planar technology on the substrate with the already made Photodiodes applied and structured accordingly.

Claims (13)

Bildkonverter zur Umwandlung des Spektrums eines optischen Bildes, bestehend aus: – einem Bildsensor (10), auf dessen Vorderseite ein Eingangsbild (1) projiziert wird und der mit einem ersten Versorgungsspannungsanschluss (3) verbunden ist; – einer für das Ausgangsbild (2) transparenten Elektrode (20), die in kleiner Entfernung von der Gegenseite des Bildsensors (10) platziert ist und mit einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss (4) verbunden ist; – einer dünnen Gasschicht (9) zwischen dem Bildsensor (10) und der transparenten Elektrode (20); wobei in der Gasschicht (9) bei der Anlegung einer Spannung an die Versorgungsspannungsanschlüsse (3, 4) eine Gasentladung gezündet wird, wodurch ein Ausgangsbild (2) entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (10) aus einer Vielzahl von Photodioden (13) besteht, die im Sperrbetrieb arbeiten, wobei sämtliche Photodioden (13) einen gemeinsamen ersten Anschluss (12) haben, der mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss (3) verknüpft ist, die zweiten Anschlüsse (14) der Photodioden (13) unverbunden sind, sich auf der Gegenseite des Bildsensors (10) befinden und im Kontakt mit dem Gas stehen.Image converter for converting the spectrum of an optical image, comprising: - an image sensor ( 10 ), on whose front side an input image ( 1 ) and which is connected to a first supply voltage terminal ( 3 ) connected is; - one for the output picture ( 2 ) transparent electrode ( 20 ) located at a short distance from the opposite side of the image sensor ( 10 ) and with a second supply voltage connection ( 4 ) connected is; A thin gas layer ( 9 ) between the Image sensor ( 10 ) and the transparent electrode ( 20 ); wherein in the gas layer ( 9 ) when applying a voltage to the supply voltage terminals ( 3 . 4 ) a gas discharge is ignited, whereby an output image ( 2 ), characterized in that the image sensor ( 10 ) from a plurality of photodiodes ( 13 ) operating in the blocking mode, all photodiodes ( 13 ) a common first connection ( 12 ) connected to the first supply voltage terminal ( 3 ), the second ports ( 14 ) of the photodiodes ( 13 ) are unconnected, on the opposite side of the image sensor ( 10 ) and are in contact with the gas. Bildkonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodioden (13) p-i-n-Photodioden sind.Image converter according to Claim 1, characterized in that the photodiodes ( 13 ) are pin photodiodes. Bildkonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodioden (13) Lawinen-Photodioden sind.Image converter according to Claim 1, characterized in that the photodiodes ( 13 ) Avalanche photodiodes are. Bildkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodioden (13) monolithisch auf einem für die einfallende Strahlung (1) transparenten Substrat (30) mittels Planartechnologie integriert sind.Image converter according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the photodiodes ( 13 ) monolithic on one for the incident radiation ( 1 ) transparent substrate ( 30 ) are integrated by means of planar technology. Bildkonverter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Substrat (30) auch leitend ist und zum Verbinden der ersten elektrischen Anschlüsse (12) der Photodioden (13) mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss (3) genutzt wird.Image converter according to claim 4, characterized in that the transparent substrate ( 30 ) is also conductive and for connecting the first electrical connections ( 12 ) of the photodiodes ( 13 ) with the first supply voltage connection ( 3 ) is being used. Bildkonverter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss (14) jeder Photodiode (13) einen nichttransparenten Schichtkontakt aufweist, der eine mögliche positive Rückwirkung der Gasentladungsausstrahlung auf die Photodioden (13) vermeidet und durch Rückreflexion der in den Photodioden (13) nicht absorbierten Eingangsstrahlung zur Empfindlichkeitserhöhung beiträgt.Image converter according to claim 4 or 5, characterized in that the second connection ( 14 ) each photodiode ( 13 ) has a nontransparent layer contact, which has a possible positive effect of the gas discharge radiation on the photodiodes ( 13 ) and by back reflection in the photodiodes ( 13 ) unabsorbed input radiation contributes to sensitivity enhancement. Bildkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasschicht (9) eine Mikrokapillarplatte (23) aus einem dielektrischen Material eingesetzt ist.Image converter according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the gas layer ( 9 ) a microcapillary plate ( 23 ) is inserted from a dielectric material. Bildkonverter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Photodiode (13) ein Mikrokanal der Mikrokapillarplatte (23) zugeordnet ist.Image converter according to claim 7, characterized in that each photodiode ( 13 ) a microchannel of the microcapillary plate ( 23 ) assigned. Bildkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Elektrode (20) eine Fensterscheibe (21) mit einer leitenden Beschichtung (22) auf der zur Gasschicht (9) gewandten Seite darstellt.Image converter according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the transparent electrode ( 20 ) a window pane ( 21 ) with a conductive coating ( 22 ) on the gas layer ( 9 ) page. Bildkonverter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Elektrode (20) eine Beschichtung (24) der vom Bildsensor (10) abgewandten Seite der Mikrokapillarplatte (23) darstellt.Image converter according to claim 7 or 8, characterized in that the transparent electrode ( 20 ) a coating ( 24 ) of the image sensor ( 10 ) facing away from the microcapillary plate ( 23 ). Bildkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Elektrode (20) als Kathode gepolt ist und eine Widerstandsoberschicht aufweist, die der Stabilisierung der Gasentladung dient und dadurch einen größeren dynamischen Bereich der Konversion erlaubt.Image converter according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the transparent electrode ( 20 ) is poled as a cathode and has a resistive top layer which serves to stabilize the gas discharge and thereby allow a larger dynamic range of conversion. Bildkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Elektrode (20) als Anode gepolt ist und der zweite Anschluss (14) der Photodioden (13) eine Widerstandsoberschicht aufweist, die zur Stabilisierung der Gasentladung beiträgt und dadurch einen größeren dynamischen Bereich der Konversion ermöglicht.Image converter according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the transparent electrode ( 20 ) is polarized as an anode and the second connection ( 14 ) of the photodiodes ( 13 ) has a resistive topcoat that helps to stabilize the gas discharge, thereby allowing a larger dynamic range of conversion. Bildkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zur Gasschicht (9) gewandten Seite der transparenten Elektrode (20) eine Lumineszenzschicht aufgebracht ist, die unter Wirkung der Gasentladung leuchtet.Image converter according to one of claims 1 to 9, characterized in that on the gas layer ( 9 ) facing side of the transparent electrode ( 20 ) A luminescent layer is applied, which lights up under the effect of the gas discharge.
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