EP0075512B1

EP0075512B1 - Tube intensificateur d'images à mémoire, et mode de mise en oeuvre

Info

Publication number: EP0075512B1
Application number: EP82401670A
Authority: EP
Inventors: Jean-Claude Boit; Jean-Pierre Galves
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1981-09-22
Filing date: 1982-09-14
Publication date: 1985-01-23
Also published as: DE3262058D1; JPS5866241A; EP0075512A1; US4680461A; FR2513438A1; FR2513438B1

Description

L'invention concerne un tube intensificateur d'images et sa mise en oeuvre.
Un tel tube a pour fonction la production d'une image lumineuse a brillance élevée. L'image est formée sur l'écran de sortie du tube, dont l'écran est exposé au rayonnement incident. Entre les deux, un flux d'électrons, émis par une photocathode incorporée à l'écran d'entrée, assure le transfert du signal de chaque point d'une extrémité à l'autre du tube.
Ces tubes sont largement connus de l'art, où ils sont utilisés notamment dans le domaine médical, avec un rayonnement incident X.
Ils assurent en plus dans ce cas la fonction de convertisseurs, dans lesquels le rayonnement X incident est transformé en rayonnement visible.
Généralement, l'écran de sortie est un simple écran cathodo-luminescent, capable d'émettre de la lumière sous l'effet d'un bombardement par des électrons, à savoir ceux du flux dont il a été question. Ils ne permettent alors qu'un fonctionnement en temps réel, où l'image n'est visible sur l'écran de sortie qu'an moment où elle est produite sur l'écran d'entrée, à la persistance près des traces sur l'écran de sortie, de durée variable suivant les dispositions adoptées, mais, de toute façon, très limitée dans l'état actuel de la technique de ces écrans.
On connaît, d'autre part, une autre sorte d'écrans, les écrans électroluminescents en couches minces, qui ont la propriété d'émettre un rayonnement visible sous l'excitation d'une tension électrique appliquée entre leurs faces. Il existe une tension de seuil a partir de laquelle cet effet se manifeste et, pour certains d'entre eux, se prolonge un certain temps après que cette tension ait été ramenée a une valeur inférieure à ce seuil. La chute de luminance se produit alors avec hystérésis, et donne naturellement lieu a un effet de mémoire. On conçoit qu'en utilisant une tension on puisse alors obtenir la mise en mémoire, la visualisation et l'effacement d'un signal, comme c'est usuellement le cas avec les phénomènes d'hystérésis.
Cette sorte d'écran est également sensible à l'action d'un bombardement électronique, comme les écrans cathode-luminescents auxquels il a été fait référence en premier mais à un tout autre égard: le bombardement électronique ajoute ici son action à celle de la tension appliquée et équivaut à une tension supplémentaire qui se superposerait à celle-ci. Il permettrait en particulier de franchir la tension de seuil pour unetension appliquée inférieure à la valeur de ce seuil et, de façon générale, divers traitements du signal, toutes choses qui seront plus amplement précisées ci-dessous.
On a aperçu dans l'art antérieur l'intérêt que l'on pouvait tirer de l'utilisation d'écrans de sortie électroluminescents dans un certain nombre de types de tubes électroniques pour obtenir une persistance prolongée de l'image, et partant une mémoire de celle-ci, et diverses dispositions ont pu être proposées qui montrent des tubes munis de tels écrans (voir notamment le brevet français 2431 184 (79.17428) et le brevet délivré aux Etats Unis d'Amérique sous le n° 3 908 148).
Les réalisations décrits concernent toutes, cependant, des tubes à rayons cathodiques (TRC), à savoir des tubes électroniques utilisant un pinceau d'électrons balayant l'écran de visualisation pour former séquentiellement, point par point, une image sur celui-ci.
Selon les inventeurs, cet intérêt devait être encore plus grand pour des tubes non plus du type TRC, mais dans lesquels, contrairement au cas de ces tubes, l'image sur l'écran de sortie est formée par un flux d'électrons dont l'impact couvre à la fois toute la surface de l'écran de sortie, qui se trouve en quelque sorte, à un instant donné, »arrosé« tout entier par le faisceau. Cet arrosage peut d'ailleurs être permanent pendant la prise de vues, ou appliqué par impulsions, comme on le verra plus loin.
Ce cas est typiquement celui des intensificateurs d'images radiologiques (IIR), destinés aux usages médicaux évoqués plus haut, et des intensificateurs d'images lumineues (IIL) réservés, dans d'autres domaines, au prélèvement d'images à faible éclairement ou nocturnes.
C'est ce genre de tubes, IIR ou IIL, que concerne l'invention, qui prévoit la combinaison d'un écran électroluminescent aux autres éléments de ces tubes, laquelle assure l'obtention d'un certain nombre d'avantages généralement absents des tubes du même type de l'art antérieur, dans les conditions qui seront exposées. Elle concerne, de façon générique, tous les tubes dans lesquels, comme on l'a dit, l'écran de sortie est couvert en même temps en tous ses points par le flux d'électrons porteur du signal en provenance de l'entrée du tube.
L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent:

- figure 1: une vue en coupe schématique d'un écran électrolumininescent;
- figure 2: un diagramme montrant le cycle d'hystérésis de l'écran électroluminescent utilisé dans les tubes intensificateurs d'images de l'invention;
- figures 3 et 4: une vue en coupe d'un tube intensificateur d'images de l'invention et un diagramme de ses utilisations, respectivement;
- figures 5 à 8: des diagrammes de la tension appliquée dans differents modes de mise en oeuvre du tube de l'invention.

On rappellera tout d'abord la constitution générale des écrans électroluminescents et un certain nombre de leurs propriétés.
Ces écrans constitués de plusieurs couches.
La figure 1, montre en coupe un exemple de structure d'écran électroluminescent.
On y distingue une couche centrale 4 en sulfure de zinc, dopé au manganèse, disposée entre deux couches 3 et 5 en matériau diélectrique: par exemple oxyde d'aluminium, oxyde de tantale, nitrure de silicium, etc. Ces trois couches ont des épaisseurs à peu près égales et de l'ordre de quelques centaines de nm; elles sont prises entre deux couches conductrices 2, 6; la couche 2, en oxyde d'indium, étain est transparente aux radiations lumineuses émises par la cellule; la couche 6 constituée d'aluminium est, elle, opaque à ces radiations, pour éviter toute perturbation de la photocathode. Dans le tube, la couche 6 fait face au bombardement d'électrons. Entre les couches 2 et 6 est établie en fonctionnement une différence de potentiel; cette différence de potentiel, comme figuré, est généralement alternative et de forme quelconque: sinusoïdale, à impulsions de formes diverses, rectangulaires, triangulaires ..., de largeur et fréquence variées. Le tout repose, par la couche 2, sur un support épais en verre 1, qui n'est pas représenté en proportions quant à son épaisseur.
Ce type d'écran présente la propriété d'émettre un rayonnement lumineux dans le spectre visible lorsqu'il est excité par la tension appliquée. Cette émission ne commence qu'au-dessus d'une certaine tension de seuil V_s et croît rapidement en intensité au-delà de cette valeur. Pour fixer les idées on indiquera qu'une valeur courante de V_s est de 150 volts environ, le point d'utilisation, correspondant à la tention Vu, ne dépassant généralement pas 180 volts (Vu-V_s de l'ordre de 30 volts), dans les conditions normales de fonctionnement: point de la partie extrême du haut de la courbe de la figure 2 décrite plus loin. La fréquence de cette tension, très variable, est par exemple de 5 kHz, tous ces chiffres étant donnés à titre d'exemple et dépendant de la composition exacte de l'écran, de celle de la couche 4 notamment.
Pour certaines compositions de cette couche, et notamment pour certaines teneurs en manganèse, comprises entre 1% et 5% du total en poids, le même type d'écran peut présenter un effet de mémoire lié aux phénomènes d'hystérésis dont il est le siège (voir Howard - Appl. Phys. Letters vol 31 page 399 Septembre 1977).
La figure 2 montrant la luminance L en fonction de la tension V, (L=f(V)), donne un exemple d'une de ces cycles d'hystérésis, où l'on distingue la tension de seuil V_s précédente et trois valeurs Ve_f, V_e et Va dont la signification sera donnée ci-dessous.
L'écran, ou cellule électroluminescente, est excité par les impulsions positives et négatives d'une tension d'amplitude V_e dite tension d'entretien. La cellule n'est pas illuminée.
La cellule est ensuite excitée avec une tension d'adressage Va (toujours en impulsions + et -). Le point de fonctionnement se situe en A et la luminance de la cellule est LA.
De nouveau on lui applique des impulsions V_e. Le point de fonctionnement se situe en B. La luminance est LB. La cellule émet de la lumière, alors que dans le premier cas pour la même tension, aucune lumière n'était émise (V_e inférieure à V_s).
L'amplitude des impulsions est diminuée jusqu'à une tension V_ef. La cellule s'éteint; aucune lumière n'est émise: V_ef est la tension d'effacement.
L'amplitude des impulsions est ramenée à V_e: (tension d'entretien). La cellule n'émet aucune lumière.
Ces écrans ont, en outre, comme on l'a dit, la propriété de répondre à une excitation par bombardement d'électrons - et en général aussi par rayonnement utraviolet. Une tension leur étant appliquée dans les conditions indiquées plus haut, l'apport supplémentaire d'un tel bombardement permet de se déplacer sur le diagramme d'hystérésis, cet apport étant équivalent à une tension supplémentaire V appliquée à l'écran. Un tel apport constitue donc un moyen d'adressage d'un signal sur l'écran. C'est ce qui est fait dans les tubes intensificateurs de l'invention dans lesquels l'écran de sortie consiste en l'un de ces écrans électroluminescents. La quantité V est ici celle apportée par le bombardement d'électrons en provenance de l'écran d'entrée du tube.
On rappelle ci-dessous à l'aide de la figure 3, sur laquelle ce tube porte le repère d'ensemble 10, la structure générale d'un tube intensificatuer d'images, largement connue.
Dans une enveloppe à vide 20, on distingue sur la figure 3, un écran d'entrée globalement par le repère 21, situé à l'extrémité gauche de l'enveloppe et, à l'autre extrémité, un écran de sortie 22 vers lequel convergent (flèches) les électrons émis par la photocathode incorporée à l'écran 21, dans lequel elle est placée en regard d'une autre partie de l'écran, éventuellement en contact avec elle et appelée scintillateur, qui convertit le rayonnement incident, des rayons X dans l'exemple, en photons à l'usage de la photocathode. Une série d'électrodes, désignées globalement par le repère 23, représentées chacune avec son passage, sans repère, assure l'accélération et la concentration des électrons vers l'écran de sortie de petite taille, comparé à l'écran d'entrée; l'écran de sortie en question est représenté, comme c'est souvent le cas, disposé au fond d'une boîte équipotentielle sans repère, dont la face de devant est percée d'un petit trou à l'endroit du point de convergence du faisceau d'électrons. L'objet dont on veut former l'image, exposé au rayonnement incident (flèches de gauche) porte le repère 25. On n'a pas représenté sur le dessin l'ensemble des sources servant, en fonctionnement, à l'alimentation du tube dans les conditions connues de l'art; par contre, la source par laquelle est appliquée la tension à l'écran de sortie électroluminescent a été figurée, avec le repère S.
On donne sur la figure 4 certaines des utilisations possibles d'un tube intensificateur selon la figure 3, dont il sera question dans la suite.
A la sortie de l'écran 22 le faisceau lumineux 12 est repris soit par une caméra photographique 26 pour la présentation de films, soit par un appareil photographique 24 pour la réalisation de photos séparées (radiophotos), soit par une caméra de télévision 28, pour visualisation en temps réel, sur un moniteur de télévision 30. On obtient couramment avec un intensificateur d'images un gain en photons de 150.000, à savoir 150.000 photons lumineux émis par l'écran de sortie pour 1 photon X incident.
Enfin au sujet des propriétés de ces écrans mises à profit dans l'invention, on précisera que l'accroissement de tension LN précédent, résultant du bombardement de l'écran électroluminescent par le faisceau d'électrons, dépend:

- de la durée de ce bombardement;
- de la densité des électrons de bombardement.

Cette densité est modulée spatialement par l'objet dont on cherche à reproduire l'image, car l'intensité des rayons X ayant traversé l'objet est fonction du point traversé.
De ce qui précède, il résulte un certain nombre de possibilités nouvelles ouvertes par les tubes intensificateurs de l'invention à écran de sortie électroluminescent développées ci-dessous.
Le bombardement par les électrons faisceau induit en chaque point de la cellule électroluminescente une polarisation interne dont le champ s'ajoute au champ créé par la tension alternative appliquée à la cellule; celà équivaut à une augmentation de la tension V appliquée à la cellule.
Les effets diffèrent suivant le mode de mise en oeuvre adopté, dont des exemples sont donnés ci-dessous.
Dans un premier mode de mise en oeuvre, le dispositif fonctionne en impulsions: le rayonnement X est appliqué sur l'objet par impulsions.
Pendant toute la durée de l'impulsion X, qui peut être de quelques millisecondes, à 1 seconde, par exemple, la cellule se trouve adressée par le faisceau, modulé spatialement, comme on l'a dit; elle reçoit en ses différents points le signal image c'est-à-dire l'information; cette information n'est perçue qu'a la condition que la tension appliquée à la cellule soit suffisante pour que, superposée au signal d'adressage, elle soit supérieure à la tension de seuil V_s. Ceci est obtenu avec une tension V appliquée, fonction alternee du temps t de la forme représentée sur la figure 5, sans paliers à V=0, dont les maxima de part et d'autre du zéro sont de l'ordre de la tension d'entretien V_e comprise entre les valeurs V_ef et V_s. Ceci est également possible, en appliquant une tension V constante égale à V_e; la différence entre les deux cas étant que dans le premier l'image est visible pendant l'adressage et que dans le second elle ne l'est pas.
La lecture de l'information peut se faire alors en temps réel pendant tout le temps de l'adressage, partie à gauche du trait sur la figure; elle peut se prolonger, immédiatement après l'impulsion X, pendant tout le temps désiré, en maintenant entre les faces de la cellule la tension d'entretien V_e, partie à droite du trait: elle peut aussi être arrêtée pendant le temps désiré et rétablie de nouveau; pendant cet arrêt il y a stockage, c'est-à-dire mémoire de l'information.
La figure 6, montre le diagramme de la tension correspondant à ce dernier cas. Cette interruption peut être obtenue, comme représenté sur cette figure, en donnant à la tension appliquée une valeur invariable dans le temps mais suffisante pour empêcher l'effacement, supérieure à V_ef. Cette tension est avantageusement la tension V_e précédente. Pendant tout le temps r que dure l'échelon large du centre de la figure, la cellule, sous tension constante, ne donne aucune image, celle-ci se trouvant stockée éteinte; celle-ci réapparaît à la fin de cet échelon, lorsque la tension alternative V_e est de nouveau appliquée à la cellule, et subsiste pendant tout le temps r₂ que cette tension V_e est maintenue. Il y a donc possibilité de stockage de l'image pendant un temps donné choisi, après l'adressage, et avant une nouvelle lecture. L'opération peut se répéter plusieurs fois, plusieurs lectures successives de la même image étant possibles, séparées par des intervalles de temps où celle-ci est stockée.
Ceci est un premier résultat à l'avantage de l'invention par rapport à l'art antérieur.
Mais on notera aussi un certain nombre d'autres points.
Concernant notamment le gain, on notera que celui-ci, vu la forme des courbes qui composent en général un diagramme d'hystérésis, comme celui donné à la figure 2 pour la cellule électroluminescente, a, dans les tubes de l'invention, une valeur propre en chacun des points de l'image, contrairement à ce qui se passe dans les tubes du même genre de l'art antérieur, où ce gain, aux défauts d'écran prés, est le même pour tous les points. Il sera différent pour un point de l'écran auquel correspondent les états A et B et pour un point auquel correspondent les états A' et B' portés sur la figure 2, états qui dépendent, d'après ce qui précède, de la densité des électrons dans le faisceau, correspondant à ces points. La dynamique du gain à la surface de l'image s'en trouvera très différente de ce qu'elle était dans l'art antérieur, comme on peut l'apercevoir sur les courbes portant les flèches descendantes de la figure 2, qui dépendent elles-mêmes de la pente de la courbe de droite (fléches montantes), caractéristique de la cellule choisie. C'est ainsi que pour obtenir des luminances élevées, on pourra choisir des points de fonctionnement (V_e) près de la tension de seuil V_s et pour des contrastes élevés, des valeurs de V_e prés de V_ef au contraire.
Un autre point important, et qui constitue un autre avantage de l'invention, est que le gain en photons, rapport du nombre de photons lumineux émis par un point de la cellule au nombre de photons X reçus par le point correspondant de l'écran d'entrée, peut atteindre des valeurs extrêmement élevées, largement supérieures à celle citée, grâce à la possibilité de stockage et d'observations successives pendant une durée total très longue; ceci présente un grand intérêt pour la production de radiophotos (24, figure 4); inversement, à gain donné, il est possible de diminuer la dose d'irradiation.
Ce gain dépend d'ailleurs, toutes choses étant égales, de la fréquence de la tension alternative appliquée; il est multiplié par un facteur 100 environ lorsque l'on passe de 50 Hz à 50 kHz.
Dans les tubes de l'invention, il peut être aisément adapté à la valeur optimale correspondant à chacune des utilisations qui est faite de l'image produite sur l'écran de sortie du tube (voir figure 4), à intensité d'irradiation incident fixe.
L'intégration réalisée grâce aux possibilités de stockage et de lectures répétées est d'autre part favorable à une amélioration du rapport signal/ bruit.
Le fonctionnement dans le voisinage de la zone de saturation de la courbe L=f (V) (figure 2) permet éventuellement de diminuer le bruit quantique.
Ceci amène à préciser qu'il est nécessaire de limiter la durée de l'adressage, car la tension induite par le faiceau dans la cellule, croissant à chaque alternance, risquerait de provoquer cette saturation.
Enfin la structure en couches minces de la cellule électroluminescente, telle qu'elle ressort des chiffres d'épaisseur donnés plus haut, permet de grandes résolutions des images de sortie. Les cellules sur leur support ont couramment la forme de disques de 25 à 50 mm de diamètre.
L'effacement de l'image s'obtient simplement en abaissant l'amplitude de la tension appliquée au dessous de la valeur V_ef. On aperçoit les échelons qui correspondent à cette phase du cycle dans la partie droite de la figure 7, dans laquelle la partie entre les deux traits mixtes de gauche correspond à la lecture, qui suit ici immédiatement l'impulsion du rayonnement incident comme dans le cas de la figure 5, et celle à droite du dernier trait mixte à l'adressage d'une nouvelle image.
Dans un autre mode de mise en oeuvre, on opère en rayonnement X continu (figure 8).
Dans ce mode de fonctionnement, on opère en temps réel, c'est à dire sans aucun stockage de l'information. L'image est présentée pendant toute la période d'adressage, puis effacée; puis de nouveau, une deuxième image est adressée, et ainsi de suite.
Un cycle image comprend alors deux phases:

- un adressage par bombardement électronique et présentation de l'image en temps réel. Pendant toute la durée de l'adressage, la luminance croît à chaque échelon de la tension appliquée, car la polarisation interne de la cellule croit pendant toute la durée de l'adressage. Pendant cette période, la cellule est alimentée par la tension d'entretien V_e (partie de la figure entre les deux premiers traits mixtes);
- la deuxième phase du cycle est la phase d'effacement de l'image qui peut se faire sous bombardement électronique; elle consiste simplement à diminuer l'amplitude de la tension appliquée à une valeur inférieure à V_ef, et éventuellement, cette fois, à séparer les échelons de la tension appliquée par des temps morts ou à amplitude nulle (partie de la figure entre les deux derniers traits mixtes).

La durée d'un cycle peut être de 20 ms, rendant ainsi compatible la présentation de l'image avec une prise de vue par caméra photo ou caméra de télévision (repères 26 et 28 de la figure 4).
La fréquence de la tension d'entretien, son amplitude, la durée d'adressage, la fréquence image (ou durée d'un cycle complet), la dose X, la tension d'accélération des électrons d'adressage sont autant de paramètres qui permettent d'adapter la présentation de l'image à l'utilisation qui en est faite.
Un fonctionnement mixte, combinant les deux modes précédents, peut aussi être envisage, permet:

- une analyse en temps réel, avec reprise par caméra de télévision pour toute image évolutive, suivant le processus qui vient d'être décrit (continu), et
- un arrêt sur une image fixe, par suppression simultanée de l'adressage, par coupure des X, et de la phase d'effacement du cycle image. La dernière image est alors mémorisée et présentée pendant le temps nécessaire à l'observation suivant le premier mode de fonctionnement, en impulsions.

Claims

1. Tube intensificateur d'images comprenant un écran d'entrée exposé au rayonnement incident et un écran de sortie, et des moyens dirigeant en fonctionnement le flux d'électrons émis par une photocathode incorporée à l'écran d'entrée sur l'écran de sortie, de façon à y former l'image du rayonnement incident, caractérisé en ce que cet écran de sortie est constitué d'une cellule électroluminescente,

- douée de la propriété une lumière visible lorsqu'une tension électrique alternée d'amplitude supérieure à un seuil donné V_s est appliquée entre ses faces,

- douèe d'hystérésis, l'extinction de cette lumière n'intervenant que lorsque l'amplitude de cette tension descend au dessous d'une valeur d'effacement, inférieure à V_s,

- et douée de la propriété d'être adressable par un bombardement d'électrons, c'est-à-dire d'émettre une lumière visible sous l'effet d'un tel bombardement pour une tension appliquée V_e, dite tension d'entretien, d'amplitude inférieure à V_s.

2. Mode de mise en oeuvre du tube intensificateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, la cellule étant munie, en fonctionnement, de moyens appliquant entre ses faces une tension électrique V, ladite tension est l'une ou l'autre des tensions suivantes:

- une tension continue V_i de valeur comprise entre V_er et V_s;

- une tension V₂ alternée, constituée d'impulsions rectangulaires positives et négatives d'amplitude comprise entre V_ef et V_s, sans paliers de tension nulle entre les impulsions;

- une tension V₃ alternée, constituée d'impulsions rectangulaires positives et négatives d'amplitude inférieure à V_ef;

- une tension V₄ alternée, constituée d'impulsions rectangulaires positives et négatives d'amplitude inférieure à V_ef, et présentant des paliers de valeur nulle entre les impulsions.

3. Mode de mise oeuvre du tube intensificateur d'images suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'application de la tension V à la dite cellule se fait suivant un cycle déterminé au cours duquel sont utilisées les tensions V₁, V₂, V₃ et V₄.

4. Mode de mise en oeuvre du tube intensificateur d'images suivant la revendication 3, caractérisé en ce que, le rayonnement incident étant appliqué à l'objet sous la forme d'impulsions séparées, le dit cycle comprend pour chaque impulsion les phases suivantes:

A) pendant toute la durée de l'impulsion du rayonnement incident, application de l'une des tensions V_i ou V₂, laquelle application assure l'adressage de la cellule pendant cette impulsion;

B) immédiatement après la fin de la phase précédente, application de l'une ou l'autre des tensions Vi et V₂ pendant des durées données choisies à l'avance et, éventuellement, application alternées de l'une ou l'autre de ces tensions, les dites applications assurant le maintien de l'image dans la cellule à l'état visible lorsque la tension appliquée est la tension V₂, et à l'état non visible lorsque la tension appliquée est la tension Vi ;

C) immédiatement après la fin de la phase précédente, et avant l'application sur l'objet de l'impulsion de rayonnement suivante, application de la tension V₃, la dite application assurant l'effacement de l'image correspondant à la dite impulsion de rayonnement.

5. Mode de mise en oeuvre du tube intensificateur d'images suivant la revendication 3, caractérisé en ce que, le rayonnement incident étant appliqué à l'objet de façon continue, le dit cycle comprend les phase alternées suivantes:

A') application de la tension V₂, la dite application assurant l'adressage de la cellule et l'apparition d'une image visible sur celle-ci;

B') Application de la tension V₄, la dite application assurant l'effacement de l'image.