DE2136314A1 - Radiation detector - Google Patents
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Description
Strahlungsdetektor Die Erfindung betrifft ein Detektorsystem für sichtbare und infrarote Strahlung. Radiation detector The invention relates to a detector system for visible and infrared radiation.
Für Wellenlängen, die länger als die der sichtbaren Strahlung sind, gibt es wenige geeignet realisierbare Systeme zum Messen, Aufzeichnen und/oder Anzeigen der Intensitätsverteilungen in Bildern.For wavelengths longer than that of visible radiation, there are few suitable realizable systems for measuring, recording and / or displaying of the intensity distributions in images.
Für den sichtbare Teil des Spektrums gibt es Bild-tufzeichnungs-und -Übertragungssysteme, die auf photoleitenden und photoemissiven Effekten beruhen. Das Vidikon ist ein Beispiel für ein System, das den photoleitenden Effekt verwendet: das buperorthikon ein System, das den photoemissiven Effekt benutzt.For the visible part of the spectrum there is image recording and -Transmission systems based on photoconductive and photoemissive effects. The vidicon is an example of a system that uses the photoconductive effect: the buperorthikon a system that uses the photoemissive effect.
Eine Mehrzahl dieser Systeme funktioniert in einer solchen Weise, daß die Intensitäten von mehreren aufgelösten Bereichen in dem Bild auf einanderfolgend abgetastet bzw. gelesen werden. Eine wesentliche Eigenschaft dieser Systeme besteht jedoch darin, daß die Intensität in jedem gegebenen -Bereich in irgendeiner Weise während der Intervalle, wenn sie nicht abgetastet bzw. gelesen wird, integriert wird. Bei einem typischen 625-zeiligen Bernsehbild führt dies zu einer Lichtempfindlichkeit einige 105 bis 106 m7 größer als sie erreicht wurde, wenn ein einziges Element des gleichen photoempfindlichen Materials benutzt und aufeinanderfolgend durch alle die aufgelösten Bereiche des Bildes abgetastet würde.A majority of these systems work in such a way that that the intensities of several resolved areas in the image are consecutive be scanned or read. There is an essential property of these systems however, that the intensity in any given range is in some way integrated during the intervals when it is not being scanned or read will. In the case of a typical 625-line amber image, this leads to light sensitivity some 105 to 106 m7 larger than it was achieved when a single element des same photosensitive material used and sequentially by all the resolved areas of the image would be scanned.
Weiterhin weisen vorhandene Infrarotbild-Detektorsysteme kein geeignetes Integrationsprinzip auf und machen es gerade erforderlich, einen solchen Folgeabtastungs-Arbeitsgang auszuführen.Furthermore, existing infrared image detector systems do not have a suitable one Integration principle and just make it necessary, such a follow-up scanning operation to execute.
Vorhandene Systeme, die mechanisch abgetastete photoleitende Detektoren verwenden, können bis zu 30 Sekunden benötigen, um all die aufgelösten Bereiche abzutasten, die ein Fernsehbild geringer Güte bzw. niedrigzeiliges Fernsehbild liefern (100 x 100 Punkt-Auflösung). Vorhandene Systeme, die thermische Detektoren wie das Thermistor-Bolometer verwenden, benötigen sogar eine längere Zeit im wesentlichen aufgrund der schlechten Hochfrequenz-Empfindlichkeit des thermischen Detektors.Existing systems that mechanically scanned photoconductive detectors Use can take up to 30 seconds to view all of the resolved areas to scan, which provide a television picture of poor quality or low-line television picture (100 x 100 point resolution). Existing systems that have thermal detectors like that Using thermistor bolometers will take essentially an even longer time due to the poor high frequency sensitivity of the thermal detector.
Versuche, Bernsehkameraröhren, in denen entweder thermische, photoleitende oder andere Quanten-Detektoren von einem Elektronenstrahl abgetastet bzw. gelesen werden, sind weitgehend ohne Erfolg geblieben bis auf sichtbare und nahe Infrarotwellenlängen (unter 2,5 Mikron). Ein Grund dafür besteht darin, daß die Streuung der Energien der elektronen in einem Elektronenstrahl es schwierig macht, einen solchen Strahl zum Fühlen von Spannungen mit einer Genauigkeit größer als etwa 100 Millivolt zu benutzen.Attempts to make amber camera tubes in which either thermal, photoconductive or other quantum detectors scanned or read by an electron beam have been largely unsuccessful except for visible and near infrared wavelengths (under 2.5 microns). One reason for this is that the scattering of energies the electrons in an electron beam makes it difficult to get such a beam for sensing voltages with an accuracy greater than about 100 millivolts use.
Erfindungsgemäß ist ein Infrarotbild-Abtastungssystem mit einiger effektiver Integrationszeit und eine Alternative zu der Elektronenstrahlabtastung für krameraröhren sowohl für den sichtbaren als auch den infraroten Bereich vorgesehen.In accordance with the present invention, an infrared image scanning system has some effective integration time and an alternative to electron beam scanning intended for kramer tubes for the visible as well as the infrared range.
Ein erfindungsgemäßer Detektor für sichtbare oder infrarote Strahlung umfaßt eine erste Schicht aus photoleitendem oder.A detector according to the invention for visible or infrared radiation comprises a first layer of photoconductive or.
pyroelektrischem Material, das auf einfallende sichtbare oder infrarote Strahlung anspricht, wodurch seine elektrische Impedanz bzw. eine Potentialdifferenz darüber in Abhängigkeit von der Intensität der einfallenden Strahlung geändert wird, eine zweite Schicht aus photoleitendem oder photovoltaischem Material, das auf eine einfallende Strahlung in dem optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums anspricht, wenn über die zweite Schicht abgetastet wird, wodurch die elektrische Impedanz oder eine Potentialdifferenz über die photoleitende bzw. photovoltaische zweite Schicht in Bereichen geändert wird, die so abgetastet werden, eine die erste und zweite Schicht verbindende Zwischenfläche oder eine Zwischenflächenschicht, die elektrisch die erste und zweite Schicht verbindet, jedoch alle auf die zweite Schicht einfallende Strahlung daran hindert, die Impedanz oder die Potentialdifferenz über die erste Schicht zu ändern, und eine Elektrode auf einer Oberfläche jeder Schicht, die es ermöglichen, daß die einfallenden Strahlungen die erste bzw. zweite Schicht erreichen, wodurch ein elektrisches Signal über die erste und zweite Schicht während der Abtastung ableitbar ist, das zu der auf die erste Schicht einfallenden Strahlung in Beziehung steht.Pyroelectric material that reacts to incident visible or infrared Radiation responds, whereby its electrical impedance or a potential difference above it is changed depending on the intensity of the incident radiation, a second layer of photoconductive or photovoltaic material applied to a incident radiation in the optical region of the electromagnetic spectrum responds when the second layer is scanned, thereby reducing the electrical Impedance or a potential difference across the photoconductive or photovoltaic second layer is changed in areas that are scanned, one the first and second layer connecting interface or an interface layer, which electrically connects the first and second layers, but all to the second Layer of incident radiation prevents the impedance or the potential difference change over the first layer, and place an electrode on one surface each Layer that make it possible that the incident radiations the first or second Layer reach, creating an electrical signal through the first and second layers can be derived during the scanning that to the incident on the first layer Radiation is related.
Bevorzugt sind die erste und zweite Schicht mit halbtransparenten Elektroden oder Elektroden, die nur teilweise die erste und zweite Schicht bedecken, bedeckt. Bei bevorzugten Ausführungsformen umfaßt die zweite Schicht zwei elektrisch getrennte Elemente, von denen jedes vorspringenden Finger aufweist, wobei die Finger eines Elementes mit den anderen ineinandergeschoben sind, oder die zweite Schicht umfaßt eine ditterstruktur, bei der photoleitende Schalter in das Gitter bildende Kreuzglieder eingesetzt sind.The first and second layers with semi-transparent ones are preferred Electrodes or electrodes that only partially cover the first and second layers, covered. In preferred embodiments comprises the second layer two electrically separated elements, each of which has protruding fingers, the fingers of one element being interleaved with the other, or the second layer comprises a ditter structure with photoconductive switches in the lattice forming cross members are used.
Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Detektorsystem für sichtbare oder infrarote Strahlung vorgesehen, das den erfindungsgenäßen Detektor in Kombination mit einer Einrichtung zum Prejizieren eines zu erfassenden Bildes auf die erste Schicht und einer Einrichtung zur FolLeabtastung der zweiten Schicht für die iibleit-ung eines elektrischen signals, das zu dem Bild in Beziehung, steht umfaßt.Furthermore, according to the invention, a detector system for visible or infrared radiation is provided, the detector according to the invention in combination with a device for projecting an image to be captured onto the first Layer and a device for subsequent scanning of the second layer for the output an electrical signal related to the image.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispiels-Weise beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 einen pyroelektrischen Detektor, der durch einen Lichtstrahl abgetastet wird, Fig. L eine Zwischenfläche zwischen pyroelektrischen und photoleitenden Schichten des in Fig. dargestellten. Detektors, Fig. 3 und 4 bevorzugte Elektrodenkonstruktion£n für einen zur findungsgemäßen Detektor, Fig. 5 eine Einrichtung für eine Abtastbewegung eines Lichtstrahls über eine potoleitende Schicht einen Detektors, Fig. 6 eine alternative Abtasteinrichtung, Fig. 7 eine Elektrodenanordnung für einen photoleitenden Dete.-tor und Fig. 8 einen Detektor mit photoleitenden und photovoltaischen Schichten.The invention is illustrated below with reference to the drawing described; in this shows: Fig. 1 a pyroelectric detector, which by a light beam is scanned, Fig. L an interface between pyroelectric and photoconductive layers of that shown in FIG. Detector, Figs. 3 and 4 Preferred electrode construction £ n for a detector according to the invention, Fig. 5 a device for a scanning movement of a light beam over a potoconductive one Layer a detector, FIG. 6 an alternative scanning device, FIG. 7 a Electrode arrangement for a photoconductive detector and FIG. 8 a detector with photoconductive and photovoltaic layers.
Mach Fig. 1 umfaßt ein pyroelekreischer Strahlungsdetektor eine Tafel bzw. Platte aus pyroelektrischem Material i, die zwischen einer Elektrode z und einer Lage aus photoleitendem Material C; angeordnet ist. In Kontakt mit dem photoleitenden material C steht eine Elektrode oder eine Anordnung von Elektroden A. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wird bei der Benutzung ein Infrarot-Bild auf die Vorderfläche der Elektrode E geworfen und ein Lesestrahl tastet die Vorderfläche der Elektrode A ab. Die Wellenlänge des Lesestrahls liegt in dem optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der ultraviolette, sichtbare und nahe infrarote Strahlung umfaßt.In Fig. 1, a pyroelectric radiation detector comprises a panel or plate made of pyroelectric material i, which between an electrode z and a layer of photoconductive material C; is arranged. In contact with the photoconductive material C represents an electrode or an array of electrodes A. As it is in As shown in Fig. 1, in use, an infrared image is applied to the front surface of the electrode E and a reading beam scans the front surface of the electrode A from. The wavelength of the reading beam is in the optical range of the electromagnetic one Spectrum that includes ultraviolet, visible and near infrared radiation.
Die Elektrode E ist auf die pyroelektrische Platte P beispielsweise durch chemische Abscheidung oder Aufdampfen aufgebracht. Für eine optimale Empfindlichkeit ist es erwünscht, daß die Elektrode z und die pyroeiektrische Platte P zusammen einen hohen Anteil der einfallenden Strahlung, die in einem Bild in einem interessierenden Spektralbereich enthalten ist, absorbieren. Unter bestimmten Umständen weist die Elektrode E bevorzugt die Form eines Gitters oder eine ähnliche Struktur auf. Da die Impedanz zwischen den Flächen der pyroele-trischen Platte @ 1000 Megohm pro cm2 oder mehr betragen kann, kann der Widerstand der Elektroden E und A 10 Megaohm pro cm² oder mehr betragen, ohne daß das elektrische Verhalten bzw. die elektrische Arbeitsweise der Einrichtung in bedeutender Weise beeinträchtigt wird. Wenn Elektroden mit einem solchen Widerstand durch Aufdampfen eira; geeigneten Metalls wie Aluminium oder Gold unter V£rwendung der üb chen Vakuumtechniken hergestellt werden, erweisen sie aldi als im wesentlichen transparent für die einfallende Strahlung.The electrode E is on the pyroelectric plate P, for example applied by chemical deposition or vapor deposition. For optimal sensitivity it is desirable that the electrode z and the pyroelectric plate P be together a high proportion of the incident radiation that is present in an image in an interesting one Spectral range is included, absorb. Under certain circumstances, the Electrode E preferably has the shape of a grid or a similar structure. There the impedance between the faces of the pyroelectric plate @ 1000 megohms per cm2 or more, the resistance of electrodes E and A can be 10 megohms per cm² or more without affecting the electrical behavior or the electrical The operation of the facility is significantly impaired. When electrodes with such resistance by evaporation eira; suitable metal such as aluminum or gold can be produced using standard vacuum techniques they aldi as essentially transparent to the incident radiation.
Die pyroelektrische Platte P ist irgendein geeignetes Material, das einen pyroelektrischen Effekt zeigt. Geeignete Materialen sind: Triglycinsulfat, Strontium-Bariumniobat, Strontium-Natriuimniobat, Strontium-kaliumniobat, Triglycinselenat, Kaliumtartrat, Rochelle-Salz, Natriumnitrit, dydratisiertes Litiumsulfat, Gluco(no)lacton, Bariubtitanat, Bleititanat, Kaliumniobat, bestimmte piezoelektrische keramische Stoffe und viele andere.The pyroelectric plate P is any suitable material that shows a pyroelectric effect. Suitable materials are: triglycine sulfate, Strontium barium niobate, strontium sodium niobate, strontium potassium niobate, triglyc island enate, Potassium tartrate, Rochelle Salt, Sodium Nitrite, Dehydrated Lithium Sulphate, Gluco (no) lactone, bariubitanate, lead titanate, potassium niobate, certain piezoelectric ceramic fabrics and many others.
Die Abmaße und Dicke der Platte P sind Funktionen von Parametern wie der erforderlichen räumlichen Auflösung, der Zykluszeit (frame time), der Empfindlichkeit und anderer.The dimensions and thickness of the plate P are functions of parameters such as the required spatial resolution, the cycle time (frame time), the sensitivity and others.
Tpyischerweise kann bei einem System eine pyroelektrische Platte P der Fläche 20 X 30 mm mit einer Dicke in Bereich von 012 bis /1 nun angewendet werden. Das Verfahren zur Herstellung der pyroelektrischen Platte hängt von dem gewählten pyroelektrischen Ilaterial ab. Bei Triglycinsulfat, einem in weitem Umfang benutzten Material, kann eine geeignete Platte von einem Kristall abgespalten bzw. geschnitten werden, der aus einer wässrigen Lösung gezogen bzw. gezüchtet ist.Typically, a pyroelectric plate P of the area 20 X 30 mm with a thickness in the range from 012 to / 1 can now be applied. The method of making the pyroelectric plate depends on the one chosen pyroelectric material. At triglycine sulfate, a widely used one Material, a suitable plate can split off or cut from a crystal grown from an aqueous solution.
Wenn nicht die pyroelektrische Platte P und die Frontelektrode E beide im hohen Maße transparent für die zu der photoleitenden dchicht C gehenden Strahlung sind, ist es erforderlich, eine elektrisch leitende, optisch undurchsichtige und bevorzugt reflektierende schicht an dieser Zwischenfläche anzuordnen, um zu verhindern, dS Strahlung von dem Lesestrahl in der pyroelektrischen Platte P absorbiert wird. bin einen Verlust des Bildes durch Leitung entlang der Zwischenfläche zu vermeiden, ist s erforderlich, daß der Leiter die Form eines Ibsaiks von kleinen, wechselweise isolierten Elementen aufweist, wobei ein Elementenabmaßen nicht größer als ein geplanter räumlicher Auflösungsbereich ist. Uni eine solche Schicht optisch reflektierend zu machen, ist eine Gitterstrucktur aus ähnlichem optisch undurchlässugem und bevorzugt reflektierendem Material erforderlich, die kleine Zwischenräume zwischen den Elementen des refektierenden Mosaiks bedeckt. Eine solche Schicht wird in isolierende Schichten eingesetzt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.If not the pyroelectric plate P and the front electrode E both highly transparent to the radiation going to the photoconductive layer C. are, it is required to be electrically conductive, optically opaque and it is preferable to arrange a reflective layer at this intermediate surface in order to prevent dS radiation from the reading beam in the pyroelectric plate P is absorbed. am to avoid loss of image by conduction along the interface, it is necessary that the ladder take the form of an ibsaik of small, alternating has isolated elements, with an element dimension not larger than a planned one spatial resolution range is. Uni such a layer is optically reflective To make a grid structure of similar optically opaque and preferred Reflective material required that small spaces between the elements of the reflective mosaic. Such a layer is made into insulating layers used, as shown in FIG.
Diese struktur kann auf der Flache der pyroelektrischen Platte P durch bekannte Aufdampfungstechnischen abgelagert werden, wobei Aluminium oder Gold geeignete Halterialien für diese reflektierende Struktur sind; Siliciummonoxid oder Siliciumdioxid sind geeignete Materialen für die isolierenden Schichten. Viele andere leitende und isolierende Materialen sind gleich gut geeignet.This structure can be on the surface of the pyroelectric plate P by known vapor deposition techniques, aluminum or gold being suitable Holding materials for this reflective structure are; Silicon monoxide or silicon dioxide are suitable materials for the insulating layers. Many other senior managers and insulating materials are equally suitable.
Um einen genügend hohen Dunkelwiderstand zu erreichen, Luß eine photoleitende Substanz mit einem genügend breiten Energieabstand bzw. Bandabstand zwischen den Leitungs-und Valenzbändern ihrer Ferskörperstruktur für die photoleitende Schicht C benutzt werden. Wenn die Einrichutng nicht in einem gekühlen Zustand betrieben werden soll, bedeutet das die Benutzung eines Photoleiters mit einer Spitzenempfindlichkeit (peak response) für eine Strahlung mit Wellenlängen kürzer als 3 Mikron. Mögliche photoleitende Materialen sind: Cadmiumsulfid, amorphes Selen, Bleisulfid, Bleiselenid, Germanium, Silicium, Lanksulfid, Cadmiumselenid, Zinkoxid. Die photoleitende Schicht C wird beispielsweise durch Aufdampfen im Vakuum oder chemische Abscheidung aus einer Lösung hergestellt. Die oben erwähnten photoleitenden Materialien sind nur Beispiele von vielen anderen, die benutzt Werden können. Unter bestimmten Ümständen besteht die photoleitende Schict aus einer innigen Vermischung von zwei oder Echr photoleitenden Materialien und unter anderen Umständem ist eine Mehrlagenstruktur von zwei oder mehr Materialien bevorzugt.In order to achieve a sufficiently high dark resistance, a photoconductive one is required Substance with a sufficiently wide energy gap or band gap between the Conduction and valence bands of their heel body structure for the photoconductive layer C can be used. When the device is not operated in a cool state is to be, it means using a photoconductor having a peak sensitivity (peak response) for radiation with wavelengths shorter than 3 microns. Possible photoconductive materials are: cadmium sulfide, amorphous selenium, lead sulfide, lead selenide, Germanium, silicon, lank sulfide, cadmium selenide, zinc oxide. The photoconductive layer C is made up, for example, by vacuum evaporation or chemical deposition a solution made. The photoconductive materials mentioned above are only Examples from many others that can be used. Under certain circumstances the photoconductive layer consists of an intimate mixture of two or echr photoconductive materials and among other circumstances is a multilayer structure preferred by two or more materials.
Die zweite Elektrode A muß es ermöglichen, daß die photoleitende Schicht C von dem Lesestrahl bestrahlt wird. Die L?lektrode Ä ist infolgedessen entweder sehr dünn und im wesentlichen transparent oder so vorgesehen, daß sie nur einen kleinen Teil der Oberfläche des Photoleters beaeckt, oder beides. In den Fig. 3 und 4 sind zwei Elektrouenstrukturen dargestellt. Sie beziehen sich auf die verschiedenen nachfolgend beschriebenen Betriebsweisen.The second electrode A must allow the photoconductive layer C is irradiated by the reading beam. As a result, the soldering electrode Ä is either very thin and essentially transparent or designed to be only one covers a small part of the surface of the photoleter, or both. In FIGS. 3 and 4, two electrical structures are shown. They relate to the various modes of operation described below.
Ein pyroelektrischer Effekt umfaßt eine spontane elektrische Polarisation einer Substanz, wobei die Amplitude der Polarisation streng temperaturabhängig ist, so daß wenn sich die Temperatur der pyroelektrischen Platte P als eine Folge der Absorption entweder von sichtbarer oder infraroter Strahlung durch die Platte P oder durch irgendeine Schicht, die mit ihr in gutem thermischen Kontakt steht, ändert, eine elektrische Ladung an ihren Flächen auftritt. Die chniken, mit denen die pyroelektrischen Substanzen ausgewählt, prapariert und gepolt werden, so daß sie sich auf diese Weise verhalten, sind bekannt.A pyroelectric effect involves spontaneous electrical polarization a substance, where the amplitude of the polarization is strictly temperature dependent, so that when the temperature of the pyroelectric plate P changes as a result of the Absorption of either visible or infrared radiation by the plate P or by any layer that is in good thermal contact with it, changes, an electric charge occurs on their surfaces. The techniques with which the pyroelectric Substances are selected, prepared, and polarized so that they are in this way behave, are known.
Die Anordnungen zum Tragen des Detektorsystems hängen von den Materialien ab, die für die pyroelektriechen und photoleitenden Schichten benutzt werden. Wenn die eine oder die andere von diesen genügend starr ist, kann ein an seinen kanten abgestütztes bzw. getragenes System konstruiert werden. Oftmals wird das Detektorsystem bevorzugt auf einer Substratschicht getragen, die transparent für die abtastende Strahlung ist, wenn sie in Brühung nit der Elektrode A in Fig. 1 steht, und transparent fiir die infrarote oder andere Signalstrahlung ist, wenn sie in Berührung mit der Elektrode E in lrig. '! steht.The arrangements for carrying the detector system depend on the materials used for the pyroelectric and photoconductive layers. if one or the other of these is sufficiently rigid, one can at its edges supported or supported system can be constructed. Often times the detector system preferably carried on a substrate layer that is transparent to the scanning Radiation, when in contact with electrode A in FIG. 1, is transparent for infrared or other signal radiation when it comes into contact with the Electrode E in ir. '! stands.
Die Platte Benutzung eines solchen Substrates ist insofern bevorzugt, als dadurch die Definition bzw. die Bildschärfe des von dem System abgeleiteten Bildes verbessert wird, indem die thermische Leitung in der Ebene der pyroelektrischen ein auf Minimum herabgesetzt wird.The use of such a substrate is preferred insofar as than thereby the definition or the sharpness of the image derived from the system Image is enhanced by placing the thermal conduction in the plane of the pyroelectric one is reduced to a minimum.
Als Folge des Auftretens dieser elektrischen Ladung ist auf der Flache der Platte P, die sich nächst der photoleitenden schicht G befindet, eine Spannungsverteilung vorhanden, die an allen Punkten proportional zu der Temperaturänderung ist, der die pyroelektrische Platte unterworfen worden ist, vorausgesetzt, daß die Temperaturänderung in einer Zeit aufgetreten ist, die nicht länger als eine elektrische Zeitkonstante der Platte P ist.As a result of the appearance of this electrical charge is on the flat the plate P, which is located next to the photoconductive layer G, a stress distribution which is proportional to the temperature change at all points the pyroelectric plate has been subjected, provided that the temperature change occurred in a time no longer than an electrical time constant the plate P is.
Wenn die photoleitende Schicht C nicht beleuchtet wird, ist ihre Impedanz hoch und durch die Spannungsverteilung wird kein Stromfluß durch die Elektrodenstruktur A zu einem äußeren Verstärker 1, der in Fig. 1 dargestellt ist, verursacht.When the photoconductive layer C is not illuminated, its impedance is high and due to the voltage distribution there is no current flow through the electrode structure A to an external amplifier 1 shown in FIG.
Wenn die photoleitende Schicht C in irgendeinem Bereich beleuchtet wird, wird ihre Impedanz verringert, so daß Strom in der Nachbarschaft des beleuchteten Bereiches zwischen den Elektroden E und A und zu dem Verstärker 1 fließen kann. Durch elektronische Verstärkung dieses Stroms wird ein elektrisches Signal erzeugt, das in Beziehung zu der Temperaturänderung der pyroelektrischen Platte P in dem Bereich steht, in dem sie durch Beleuchten leitend gemacht worden ist.When the photoconductive layer C illuminates in any area its impedance is reduced, so that current is in the vicinity of the illuminated Area between the electrodes E and A and to the amplifier 1 can flow. By electronically amplifying this current, an electrical signal is generated, that in relation to the temperature change of the pyroelectric plate P in the Area in which it has been made conductive by lighting.
Somit kann durch Abtasten mit einem Lichtstrahl in irgendeinem gewünschten Raster über die photoleitende Schicht C ein "Video" Signal erhalten werden, das proportional zu der Temperaturänderung an allen abgetasteten Punkten in dem Bild und somit zu er Intensität der von dem Bild an solchen abgetasteten Punkten absorbierten Strahlung ist.Thus, by scanning with a light beam in any desired Raster over the photoconductive layer C a "video" signal can be obtained, the proportional to the temperature change at all scanned points in the image and hence the intensity of the absorbed by the image at such sampled points Radiation is.
der Lichtstrahl kann Benutzung einer fosten oder beweg-bzw. abtastend bewegt lichten Lichtwuelle / werden, die auf die photoleitende Schicht G abgebildet wird mittels eines mechanisch gerasterten Systems von sich drehenden, nickenden oder oszillierenden Linsen, Spiegeln, Prismen, Beugungsgittern, optische Übertragungsfasern oder anderen optischen Komponenten oder kombinationen von diesen. Eine beispielsweise Kombination eines sich drehenden Spiegels 8 für eine Zeilenabtastung und eine oszillierenden Spiegels 9 zur Bildabtastung ist in Fig. 5 dargestellt. mine Strahlungsquelle 10 ist vor einer Ellipsoidreflektor 11 angeordnet, wodurch die Strahlung auf die photoleitende Schicht -10 des Detektors fokussiert wird.the light beam can use a fosten or moving or. scanning moving light waves of light / are imaged on the photoconductive layer G. is made of rotating, nodding by means of a mechanically rasterized system or oscillating lenses, mirrors, prisms, diffraction gratings, optical transmission fibers or other optical components or combinations of this. An example combination of a rotating mirror 8 for a line scan and an oscillating mirror 9 for image scanning is shown in FIG. mine radiation source 10 is arranged in front of an ellipsoidal reflector 11, whereby the radiation is focused on the photoconductive layer -10 of the detector.
Eine Alternative besteht darin, den Schrimreäger einer hathodenstrahlenröhre 12 oder einer ähnlichen elektrooptischen Bildeinrichtung auf die photoleitende Schicht C durch die Verwendung von festen optischen Komponenten abzubilden, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Durch die Abtastbewegung ; des erleuchteten Punktes auf der Katodenstrahlenröre 12 in einem Raster vom Ferbsehtyp mittels der üblicen elektronischen Einrichtung wird dann der gewünschte Raster auf der photoleitenden Schicht U erzeugt, weis dargestellt ist. Eine Linse 13 ist zwischen die Katodenstrahlenröhre 12 2 und die photoleitende Schicht a eingesetzt.An alternative is to use a hat testicular ray tube 12 or a similar electro-optical imaging device onto the photoconductive layer C through the use of solid optical components, as shown in Fig. 6 is shown. By the scanning movement; of the illuminated point on the cathode ray tube 12 in a television type grid by means of the usual electronic equipment the desired grid is then generated on the photoconductive layer U, shown in white is. A lens 13 is between the cathode ray tube 12 2 and the photoconductive one Layer a used.
Die einfachste Betriebsweise für den pyroelektrischen Dettirtor ist in Fig. 1 dargestellt. Die zweite Elektrode A ist eine ebene, halbtransparente Elektrode, die den gesamten Bereich der photoleitenden Schicht C bedeckt. Jedoch wird der Betriebswirkungsgrad dieses Systems durch zwei Effekte verringert, so daß es unwahrscheinlich ist, daß es sehr wirkungsvoll bei nehr als einigen zehn von aufgelösten Bereichen funktioniert. Erstens da das Verhältnis der Dunkelleitfähigkeit zu der bei Beleuchtung nicht null in irgendeinem Fall ist, enthält das Videosignal einen kleinen Anteil aufgrund der endlichen Leitung über den gosamten Bereich des Photoleiters ebenso wie das Signal von dem tatsächlich ausgelesenen Bereich. Zweitens, wenn die Bildstrahllang, wie es bei Infraretsystemen üblich ist, moduliert wird, um ein Wechselspannungssignal vorzusehen, tritt eine Signall@kage bzw. ein Signalvorlust über die photoleitende Schicht C als Folge ihrer elektrischen Kapazität auf. Da diese Kapazität in der gleichen Größenordnung wie die Kapazität eines entsprochenden Bereiches der pyroelektrischen Platte P liegt, ist dieser Verlust sehr wahrscheinlich bedeutend.The simplest mode of operation for the pyroelectric Dettirtor is shown in Fig. 1. The second electrode A is a flat, semi-transparent electrode, which covers the entire area of the photoconductive layer C. However, the operating efficiency becomes this system is reduced by two effects so that it is unlikely it works very effectively on more than a few tens of resolved areas. First, because the ratio of dark conductivity to that when illuminated is not zero in any case, the video signal contains a small fraction due to the finite conduction over the whole area of the photoconductor as well as the signal from the area actually read out. Second, if the image beam is long, like it is common in infrared systems to be modulated to an AC voltage signal to be provided, occurs a signal @ kage or a signal foretaste over the photoconductive Layer C as a result of their electrical capacitance. Because this capacity in of the same order of magnitude as the capacity of a corresponding area of the pyroelectric plate P, this loss is likely to be significant.
Ein Weg zur Verringerung dieses Effektes besteht darin, den Lesestrahl mittels eines mecanischen, elektrooptische oder anderen Strahlmodulators und mittels eines abgestimmten Filters, eines Synchronverstärkers oder einer anderen Frequenzauswahleinheit in dem Verstärker zu moduliern, um nur die Komponente des Signals in einer schanlen Bandbreite auszuwahlen, die auf die Modulationsfrequenz zentriert ist. Die Frequenz dieser Modulation muß genügend hoch sein, so daß einige vollständige Zyklen der Modulation in der Zeit möglich sind, die der Abtaststrahl benötigt, um das Signal in gend@inen aufgelösten Bereich zu lesen.One way to reduce this effect is to use the reading beam by means of a mechanical, electro-optical or other beam modulator and by means of a matched filter, synchronous amplifier, or other frequency selection unit in the amplifier to modulate only the component of the signal in a loop Select the bandwidth that is centered on the modulation frequency. The frequency this modulation must be sufficiently high that a few complete cycles of the Modulation are possible in the time it takes the scanning beam to pass the signal read in a resolved area.
Andere Wege zur Kompensation des Signalverlustes erfordern sowie komplexere Elektrodenstrukturen die in den Fig. ½, und 4 gezeigten sind. In fig. 3 sind zwei Elektroden 2 und 3 von gleicher Fläce in der Form von ineinander gesteckten Fingern dargestellt. die Abtastfinger sind antweder halbtransparent oder bedecken nur einen kleinen Teil des Bereiches bzw. der Fläche der photoleitenden Scicht C. Die elektrischen Signale von den zwei Elektroden 2 und W werden zu den Klemmen eines Differentialverstärkers 4 geführt. Der abtastende Lichtstrahl beleuchtet einen Bereich, dessen Querschnitt kleiner als die Hälfte des Abstandes zwischen entsprechenden Punkten auf benachbarten Findern der Elektroden ist. Durch Benutzung der Signalsdifferenz @ zwischen den Elektroden auf diese Weise wird der J~nalverlst weitgehend beseitigt.Other ways of compensating for the signal loss require as well as more complex electrode structures are those shown in Figs. In fig. 3 shows two electrodes 2 and 3 of the same area in the form of nested fingers. the scanning fingers are either semi-transparent or cover only a small part of the area or the surface of the photoconductive layer C. The electrical signals from the two electrodes 2 and W are fed to the terminals of a differential amplifier 4. The scanning light beam illuminates an area, the cross section of which is smaller than half the distance between corresponding points on adjacent finders of the electrodes. By using the signal difference between the electrodes in this way, the junction loss is largely eliminated.
Nach Fig. 3 wird durch eine Zeilenabtastung senkrecht zur Richtung der ßinger ein alternierendes Signal an dem ausgang des Differentialverstärkers 4 erzeugt. ;enn der ausgang in dieser Form erforderlich ist, ist es erwünscht, daß der ifbstand der Finger klein ist im Vergleich mit der erforderlichen räumlichen Auflösung des Systems. Wenn die Zeilenabtastung parallel zu der Richtung der Finger erfolgt, wird ein Signal konsistenter bzw. fester Polarität erhalten durch Abtasten mit dem Lichtstrahl entlang den Fingern von nur einer Elektrode. die Elektroden 2 und 3 können in der Form von einen halbtransparenten Satz von Fingern, die mit einem undurchlässioen Satz von Fingern ineinandergeschoben sind, vorgesehen sein, wodurch das Brfordernis vermieden wird, die Belegung des Abtaststrahls mit der Richtung der Finger sorgfältig auszurichten.According to Fig. 3, a line scan is perpendicular to the direction the ßinger an alternating signal at the output of the differential amplifier 4 generated. ; if the output is in this form is required it is desirable that the finger spacing be small compared to that required spatial resolution of the system. When the line scan is parallel to the direction the finger takes place, a signal of consistent or fixed polarity is obtained by scanning the light beam along the fingers from only one electrode. the electrodes 2 and 3 can be in the form of a semi-transparent set of fingers, nested with an impermeable set of fingers are provided be, thus avoiding the requirement to occupy the scanning beam with align carefully with the direction of the fingers.
In Fig. 4 ist eine alternative Anordnung dargestellt, in der ein einziger Satz von Parallelfinger-Llc'-troden 5 mit einer gemeinsamen Elektrode 6 über eine Reihe von photoleitenden Schaltern 7 verbunden ist. Jeder photoleitende schalter 7 besteht aus einen kleinen Element aus photoleitendem Material, das zwischen zwei Elektroden gesetzt ist. Bei einer möglichen Anordnung ist das photo leitende Material ein Teil der photoleitenden Schicht C und die gemeinsame Elektrode befindet sich in der gleichen Ebene wie die Zwischenfläche zwischen der pyroelektrischen Platte r und der photoleitenden Schicht C, ist jedoch elektrisch gegen die pyroelektrische Platte P isoliert. Die Fingerelektroden 5 können halbtransparent sein.In Fig. 4, an alternative arrangement is shown in which a single Set of parallel finger Llc'-electrodes 5 with a common electrode 6 via a Series of photoconductive switches 7 is connected. Any photoconductive switch 7 consists of a small element of photoconductive material that sits between two Electrodes are in place. One possible arrangement is the photoconductive material part of the photoconductive layer C and the common electrode is located in the same plane as the interface between the pyroelectric plate r and the photoconductive layer C, however, is electrical against the pyroelectric Plate P isolated. The finger electrodes 5 can be semitransparent.
In diesem system werden zwei Lichtstrahlen benutzt; einer wählt einen der photoleitenden Schalter 7, während der andere die durch die entsprechende Fingerelektrode 5 definierte Linie bzw. Zeile abtasten. Andere Anordnungen von elektroden und photoleitenden Schaltern sind möglic. durch diese Technick werden die Beiträge zu dem Video bzw. Anteile an den Video aufgrund von Lekage- bzw. Verlust- und Kapazitäts-Effekten stark reduziert. E wird jetzt ein Strahlungsdetektorsystem betrachtet, das zwei photoleitende Schichten und eine Elektrodenstruktur mit einem Lichtstrahl-Auslesen benutzt.In this system two beams of light are used; one chooses one the photoconductive switch 7, while the other is through the corresponding finger electrode 5 Scan the defined line or line. Other arrangements of electrodes and photoconductive Switches are possible. Through this technique, the contributions to the video or Shares in the video due to leakage or loss and capacity effects greatly reduced. Now consider a radiation detector system that has two photoconductive layers and an electrode structure with a Beam readout used.
wenn ein Strahl von sichtbarem Licht zum Abtasten eines Detektors benutzt wird, wird die pyroelektrische Platte P des in Ffflg. 1 gezeigten Detektors durch eine primäre photoleitende Schicht ersetzt und ein genügend hohes Vorspannungspotential (positiv oder negativ) wird an die erste Elektrode E angelegt, um die Zwischenfläche zwischen der primären photoleitenden schicht und der photoleitenden Schicht C zu laden.when a beam of visible light for scanning a detector is used, the pyroelectric plate P of the FIG. 1 shown detector replaced by a primary photoconductive layer and a sufficiently high bias potential (positive or negative) is applied to the first electrode E, around the interface between the primary photoconductive layer and the photoconductive layer C to load.
Ein Ladungseffekt tritt auf, wenn Stromträger in der primären photoleitenden Schicht gelöst bzw. freigesetzt werden. Am einen Vorteil in dem Signal/Rausch-Verhältnis und der Empfindlichkeit gegenüber den Abtasttechniken mit einem einzigen Element zu verwirklichen, sollte die Träger-Lebensdauer in dem photoleitenden Material mit der Bildzeit bzw. Zyklusdauer vergleichbar sein.A charging effect occurs when current carriers are in the primary photoconductive Layer are dissolved or released. On one advantage in the signal-to-noise ratio and sensitivity to single element scanning techniques To realize, the carrier life should be included in the photoconductive material be comparable to the image time or cycle duration.
Die Überlegungen, die sich auf die Elektroden A und E, die Zwischenfläche zwischen der primären photoleitenden Schicht und der photoleitenden Schicht G und die photoleitende beziehen Schicht zu 0 selbst sind die gleichen, wie die, die für den oben beschriebenen pyroelektrischen Detektor in Frage kommen. Der einzige wesentliche Unterschild besteht darin, daß die erste Elektrode irgendeine merkliche Menge von einfallender Bild strahlung nicht absorbieren nuß, bzw. darf.The considerations pertaining to electrodes A and E, the interface between the primary photoconductive layer and the photoconductive layer G, and the photoconductive layer relate to 0 itself are the same as those used for the pyroelectric detector described above. The only significant sub-sign is that the first electrode must not, or must not, absorb any appreciable amount of incident image radiation.
Die primäre ph ,leitende Schicht kann irgendein geeigneter Photoleiter sein, wobei die Wähl durch die gewünschte Spektralempfindlichkeit bzw. Farbempfindlichkeit des System beeinflußt wird. Sie kann ebenfalls eine innige Mischung von zwei oder mehr Photeleitern oder eine Mehrschichtstruktur mit schichten von zwei oder mehr photoleitenden Materialien sein, die ausgelegt ist, um eine bestimmte Farbempfindlichkeit zu erreichen.The primary pH conductive layer can be any suitable photoconductor be, the selection by the desired spectral sensitivity or color sensitivity of the system is affected. You can also be an intimate mixture of two or more photoconductors or a multilayer structure with layers of two or more photoconductive material that is designed to have a certain color sensitivity to reach.
Ein modifizierter Detektor ist in Fig. 7 dargestellt, der einen größeren Wirkungsgrad erreicht durch Verwendung von orthogonalen Fingerelektroden 14 und 15 zusammen mit photoleitenden Schaltern 16 und 17 für die Elektroden obwohl auf der Bild- als auch auf der Lesefläche. Ausgangselektroden 18 und 19 sind vorgesehen, wie es dargestellt ist. auf diese Weise kann die Vorspannung wahlweise an eine Zeile zu einer Zeit angelegt werden, während das Lesen wahlweise mit einer zweiten rechtwinkligen Zeile in Verbindung Jrebracht wird, wobei der Kreuzungspunkt dieser zwei den zu lesenden Auflösungsbereich definiert.A modified detector is shown in FIG. 7 which is a larger one Efficiency achieved by using orthogonal finger electrodes 14 and 15 along with photoconductive switches 16 and 17 for the electrodes though on the image as well as the reading area. Output electrodes 18 and 19 are provided, as it is shown. in this way the bias can optionally be applied to one line can be applied at a time while reading optionally with a second right-angled Line in connection with the crossing point of these two to reading resolution range defined.
Die pyroelektrische Platte P des in Fig. 1 dargestellten Detektors kann durch eine photovoltaische Schicht ersetzt werden, die eine Spannung erzeugt, wenn sie durch ein Bild beleuchtet wird. Diese Spannung ist an allen Punkten proportional zu der Intensität des Bildes. Der Leseprozeß kann der gleiche sein alie der in Verbindung mit den oben beschriebenen Detektoren angewendete, wobei die gleichen b'berlegungen für die Elektroden zutreffen. Eine zufriedenstellende Empfindlichkeit macht es erforderlich, daß die Lebensdauer der an der photovoltaischen Verbindung erzeugten Träger vergleichbar mit der Zykluszeit ist.The pyroelectric plate P of the detector shown in FIG can be replaced by a photovoltaic layer that generates a voltage, when it is illuminated by an image. This tension is proportional at all points to the intensity of the image. The reading process can be the same as that in connection applied with the detectors described above, with the same considerations apply to the electrodes. Satisfactory sensitivity requires that the life of the carrier generated on the photovoltaic connection is comparable with the cycle time.
Die photovoltaische Schicht umfaßt eine Verbindung bzw eine Trennfläche zwischen zwei verschiedenen halbleitenden Substanzen oder einem Halbleiter und einem Leiter. Geeignete Verbindungsflächen können durch Kombinationen von Germanium oder silicium vom n- und p-gyp oder eine Sombination von Selen, Kupforexid, reinen Eisen, Kupfer und einer Reihe von anderen Halbleitern und Metallen vorgesehen werden.The photovoltaic layer comprises a connection or an interface between two different semiconducting substances or a semiconductor and one Ladder. Suitable connection surfaces can be achieved by combinations of germanium or silicon of the n- and p-gyp or a combination of selenium, copper exide, pure iron, Copper and a number of other semiconductors and metals can be provided.
Ein weiterer Detektor ist in Fig. 8 dargestellt, der im Betrieb mit einem sichtbaren oder einem infraroten Bild, das auf einer primären photoleitenden Schicht oder Platte 20 geformt wird, angeirdnet wird. Die Platte oder Schicht 20 ist hinter einer Elektrode 21, die im wesentlichen transparent in dem interessierenden Spektralbereich bzw. Farbbereich sein muß, und vor einer Zwischenflächenschicht oder Zwischenflächenschichten 22 im wesenteinen ;e sie oben beschrieben sind, angeordnet, die jedoch dafür gedacht sind, einen Abtast-Lichtstrahl daran zu hindern, in das photoleitende Material einzutreten. Auf der anderen Seite diesor Zeischenfächenschicht oder Schichten 22 befindet sich eine Schicht aus photovoltaischem Material 25. wenn dessen Oberfläche nicht genügend leitet, wird eine im wesentlichen transparente Elektrodenschicht 24 in Kontakt mit der photovoltaischen Schicht 25 an deren äußeren Oberflache angeordnet.Another detector is shown in Fig. 8, in operation with a visible or an infrared image based on a primary photoconductive Layer or plate 20 is formed, is connected. The plate or layer 20 is behind an electrode 21 which is essentially transparent in the area of interest Must be spectral range or color range, and in front of an interface layer or interfacial layers 22 essentially as described above arranged, however, they are intended to prevent a scanning light beam from entering the photoconductive material to enter. On the other side of the drawing fan layer or layers 22 is a layer of photovoltaic material 25. if whose surface does not conduct sufficiently, it becomes an essentially transparent one Electrode layer 24 in contact with the photovoltaic layer 25 on its outer Arranged surface.
Der Abtast-Lichtstrahl bestrahlt die photovoltaische Schicht 23 zur erzeugt somit eine Vorspannung, die es ermöglicht, daß der leitende Zustand des Photoleiters mittels dem Ausgangsstrom von einer Elektrode 25 auf der Bildseite abgefragt bzw. abgetastet wird. Eine Elektrode 26 ist mit der Elektrodenschicht 24 oder eoner leitenden photovoltaischen Schicht 23 verbunden. Um einen nutzbaren Gewinn in der Empfindlichkeit gegenüber der Folgeabtastnung bzw. fortlaufenden Bildabtastung zu erreichen, muß die Trägerlebensdauer in dem Photoleiter mit der Bildzeit bzw. Zyklusdauer vergleichbar sein.The scanning light beam irradiates the photovoltaic layer 23 to thus creates a bias voltage that enables the conductive state of the Photoconductor by means of the output current from an electrode 25 on the image side is queried or scanned. An electrode 26 is with the electrode layer 24 or a conductive photovoltaic layer 23 connected. To make a usable Gain in sensitivity compared to subsequent scanning or continuous image scanning To achieve this, the carrier life in the photoconductor must increase with the image time or Cycle time to be comparable.
Das System arbeitet erfolgreich mit Elektroden die gleichförtransparente inge Schichten sind, wie wie es oben beschrieben ist. - Patentansprüche -The system works successfully with electrodes that are uniformly transparent Layers are as described above. - patent claims -
Claims (12)
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19712136314 Pending DE2136314A1 (en) | 1970-07-21 | 1971-07-20 | Radiation detector |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2136314A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2595025A1 (en) * | 1986-02-25 | 1987-08-28 | Thomson Csf | MEMORY IMAGE DETECTOR |
-
1971
- 1971-07-20 DE DE19712136314 patent/DE2136314A1/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2595025A1 (en) * | 1986-02-25 | 1987-08-28 | Thomson Csf | MEMORY IMAGE DETECTOR |
EP0236206A1 (en) * | 1986-02-25 | 1987-09-09 | Thomson-Csf | Image detector with memory |
US4782227A (en) * | 1986-02-25 | 1988-11-01 | Thomson-Csf | Image sensor with memory |
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