[0001] La présente invention concerne les écrans luminescents. Elle concerne également un
procédé de fabrication de ces écrans luminescents.
[0002] Les écrans dont il est question dans la présente invention comportent, notamment,
plusieurs couches de matériau luminescent, sous forme de grains, qui sont déposées
sur un support transparent ; généralement, il s'agit d'un substrat en verre, à faces
parallèles.
[0003] Le matériau luminescent peut être cathodoluminescent, c'est-à-dire qu'il devient
luminescent lorsqu'il est soumis au bombardement d'un faisceau électronique. De tels
écrans cathodolumi- nescents sont utilisés par exemple dans les tubes à rayons cathodiques,
les intensificateurs d'images radiologiques. Le matériau luminescent peut être aussi,
par exemple, électroluminescent, c'est-à-dire qu'il devient luminescent sous l'action
d'un champ électrique.
[0004] Dans la suite de la description, les problèmes à résoudre et les solutions apportées
par l'invention vont être décrits dans le cas d'écrans cathodolu- minescents utilisés
dans des intensificateurs d'images radiologiques ou IIR, mais il est bien entendu
que l'invention s'applique à tous les types d'écrans mentionnés précédemment.
[0005] Sur la figure- 1, on a représenté de façon schématique un IIR. Ce tube comporte un
écran primaire qui assure la conversion des photons X qu'il reçoit en photons lumineux,
puis en photo- électrons. Une optique électronique, qui n'est pas représentée, assure
la focalisation des trajectoires électroniques et le gain en énergie des électrons.
Enfin, un écran secondaire cathodoluminescent assure la conversion des électrons en
photons visibles. C'est de cet écran secondaire qu'il va être question par la suite.
[0006] Sur les figures 2a et b, on a représenté vu en coupe transversale un mode de réalisation
de l'écran secondaire de la figure 1.
[0007] Sur le substrat en verre 1, il y a un dépôt 2 de plusieurs couches de cristaux d'un
corps cathodoluminophore, dont la première couche est en contact direct avec le substrat.
La dernière couche de cristaux est recouverte d'un film métallique 3, en aluminium
par exemple. Ce film sert à réfléchir vers l'observateur la lumière créée dans l'écran
et à appliquer une tension d'accélération aux électrons incidents. La figure 2b montre,
agrandie, la zone de l'écran entourée d'un cercle sur la figure 2a.
[0008] Le corps cathodoluminophore utilisé peut être par exemple du sulfure de zinc dopé
à l'argent. Le diamètre des grains peut varier par exemple entre 1 et 3 µm, selon
la résolution recherchée.
[0009] L'épaisseur du substrat en verre 1 est par exemple, d'1 à 3 mm environ, alors que
l'épaisseur de matériau luminescent est d'environ 10 µm.
[0010] Il est connu que les écrans dont il vient d'être question présentent un phénomène
dit de halos. Lorsque l'écran est excité en un point, on observe autour de ce point,
rendu lumineux, des anneaux lumineux ou halos, centrés sur ce point, qui sont équidistants
à une distance voisine de deux fois l'épaisseur du substrat et dont l'intensité décroît
lorsqu'on s'éloigne du point lumineux central.
[0011] Ce phénomène est illustré par les figures 3a et b.
[0012] Sur la figure 3a, on voit l'écran vu de profil et recevant un impact électronique
dirigé selon l'axe XX'.
[0013] Sur la figure 3b, on voit le point lumineux central dû à cet impact et trois des
halos créés.
[0014] L'explication de ce phénomène de halos va être rappelée en se référant aux figures
4 et 5.
[0015] Sur la figure 4, on a représenté une vue en coupe de l'écran luminescent, l'épaisseur
du film métallique 3 et des couches de matériau luminescent 2 a été fortement augmentée
sur la figure 4 par rapport à l'épaisseur du substrat 1.
[0016] Tout rayon lumineux qui est généré dans un grain A qui n'est pas en contact avec
le substrat, traverse le substrat 1 comme s'il s'agissait d'une lame à faces parallèles
et donne en sortie un rayon A
i. Il en est de même pour les rayons lumineux générés dans des grains qui sont en contact
avec le substrat mais qui émergent des grains en un autre endroit que le point du
contact du grain avec le substrat. C'est le cas pour le rayon B
o issu du grain B.
[0017] Considérons maintenant le cas des rayons lumineux émis par le grain B en contact
avec le substrat et qui en plus pénètrent dans le substrat par le point de contact
du grain et du substrat.
[0018] Tout se passe pour ces rayons comme s'ils étaient créés par une source lumineuse
en contact optique intime avec le substrat. Lorsque l'angle d'incidence 6 de ces rayons
sur la face interne de sortie du substrat est inférieur à l'angle 0
0 tel que sin 0
0 = 1/n, avec n l'indice optique du substrat, ces rayons traversent le substrat vers
l'observateur. C'est le cas des rayons B
1 et B
2 de la figure 4. Par contre lorsque l'angle d'incidence est supérieur ou égal à 6
0, il se produit un phénomène de réflexion totale et les rayons tels que B
3 sur la figure 4 sont renvoyés vers la face interne d'entrée du substrat. Ces rayons
sont renvoyés latéralement sur un grain C en contact avec le substrat et distant du
grain B de la distance : D = 2e . 0
0 = 2e, car avec un substrat en verre, n = 1,
5 et 6
0 = 42°. Par diffraction ou diffusion, les rayons venant toucher le grain C sont ré-émis,
certains, tel que C
1, vers l'observateur et d'autres tel que C
2, par réflexion totale, sont renvoyés vers un autre grain D éloigné d'une distance
égale à 2e environ du grain C.
[0019] Ce phénomène se poursuit de proche en proche jusqu'à épuisement de l'intensité lumineuse
et dans toutes les directions autour du point B. Il apparaît ainsi autour d'une tache
lumineuse centrée en B, une multitude d'anneaux, séparés par une distance D et d'intensité
lumineuse I, I
1, I
2, I
3 décroissante. Les autres points tels que C ou D sont le siège de phénomènes de halos,
moins lumineux que les halos centrés au point B.
[0020] Sur la figure 5, le substrat est représenté vu en coupe ainsi que le trajet des rayons
lumineux, et en particulier de ceux qui subissent une réflexion totale. On a également
représenté sur la figure 5 les variations d'intensité 1 observées et correspondant
à la tache centrale et aux différents halos.
[0021] On exposera dans la suite de la description, et en se référant aux figures 6 à 10,
diverses techniques connues qui cherchent à supprimer ce phénomène de halos. Ce phénomène
est très gênant car il donne naissance à des informations qui parasitent l'information
utile. De plus, il produit une diminution du contraste de l'écran.
[0022] Le problème qui se pose est que les techniques connues ne donnent pas satisfaction.
En particulier, ces techniques améliorent le contraste mais font chuter le rendement
lumineux. Certaines de ces techniques produisent une diminution de la résolution.
[0023] La présente invention permet de résoudre ce problème et permet, comme cela sera expliqué
en détails par la suite, d'obtenir un écran à contraste optimisé sans que le gain
ne chute trop et sans que la résolution soit diminuée.
[0024] La présente invention, telle que caractérisée dans la revendication 1, concerne un
écran luminescent comportant notamment, plusieurs couches de matériau luminescent
sous forme de grains, déposées sur un support transparent, caractérisé par la présence
de pavés, disposés entre les grains de la première couche de matériau et le support,
ces pavés ayant une section au plus égale à la section des grains et ayant une transparence
optique inférieure à 1.
[0025] La présente invention, telle que caractérisée dans la revendication 8, concerne également
un procédé de fabrication d'un écran luminescent, comporte les étapes suivantes :
a) on dépose sur le support transparent une couche mince ayant la transparence optique
recherchée ;
b) on dépose sur cette couche une première couche de grains en matériau luminescent
;
c) on réalise une attaque sélective par plasma de la couche mince en utilisant les
grains de la première couche comme masque de façon à obtenir les pavés :
d) on dépose les autres couches de grains luminescents, et on termine l'écran de la
façon habituelle.
[0026] D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la
description suivante, donnée à titres d'exemple non limitatif et illustrée par les
figures annexées qui représentent :
la figure 1, le schéma d'un intensificateur d'image radiologique ;
les figures 2a et b. des vues en coupe d'un écran luminescent ;
les figures 3a et b et 4 et 5, des schémas illustrant le phénomène de halos observé
dans les écrans luminescents ;
les figures 6 à 10, des schémas illustrant les techniques connues utilisées contre
le phénomène de halos ;
la figure 11, une vue en coupe d'un mode de réalisation de l'écran selon l'invention
;
les figures 12a à d, des schémas illustrant les différentes étapes d'un procédé de
fabrication d'un mode de réalisation d'un écran selon l'invention ;
les figures 13a. b, c, des schémas montrant le pavé associé à chaque grain de la première
couche.
[0027] Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais,
pour des raisons de clarté, les cotes et proportions de divers éléments ne sont pas
respectées.
[0028] On va rappeler brièvement en se référant aux figures 6 à 10 les solutions utilisées
dans l'art antérieur contre le phénomène de halos.
[0029] Une première solution consiste à utiliser un substrat en verre teinté dans la masse
dont la transparence optique T
l est inférieure à 1.
[0030] Sur la figure 6, on a représenté vu en coupe un tel écran. Les rayons d'intensité
AT
1 et BT
1 ne participent pas à la formation des halos comme c'est le cas pour le rayon d'intensité
CT,
3 qui subit une réflexion totale.
[0031] Le gain G (ou rendement lumineux) de cet écran s'exprime en fonction du gain G
0 d'un écran comportant un substrat en verre transparent par la relation G, = G
o - T
1. On rappelle que le gain est le rapport entre la puissance lumineuse émise par l'écran
et la puissance électrique qu'il reçoit.
[0032] Le contraste Ci de cet écran s'exprime en fonction du contraste C
o d'un écran à substrat en verre transparent par la relation : C, = C
o -(1/T
12). On rappelle que le contraste est le rapport des luminances d'une zone d'écran excitée
et d'une zone d'écran non excitée.
[0033] Cette solution permet donc d'augmenter le contraste mais en contre-partie diminue
le gain. Un compromis doit être établi dans le choix de la transparence T, afin que
le gain minimum acceptable pour les utilisateurs soit respecté.
[0034] Une deuxième solution consiste à rejeter les halos en dehors de la zone utile de
l'écran en augmentant l'épaisseur e de l'écran. Si l'on appelle φ le diamètre de la
zone utile délimitée par un cache 4 sur la figure 7, il est clair que pour que tous
les halos soient situés en dehors de cette zone il suffit que la relation suivante
soit vérifiée : 2e » φ.
[0035] On est limité dans l'augmentation de l'épaisseur e du substrat par des raisons pratiques.
Une trop forte augmentation de cette épaisseur modifierait le chemin optique disponible
à la sortie de l'IIR vers l'utilisation de l'image.
[0036] Les deux autres solutions qui vont être exposées maintenant comportent l'utilisation
d'une couche intermédiaire 5 entre le substrat 1 et la première couche de matériau
luminescent.
[0037] Sur la figure 8 est illustrée la solution où cette couche intermédiaire est métallique,
de transparence T
2. Le gain G
2 et le contraste C
2 s'expriment par le même type de relations que lorsqu'on utilise un substrat en verre
teinté :


[0038] On retrouve donc les mêmes inconvénients d'augmentation du contraste et de diminution
du gain que dans le cas d'un substrat en verre teinté.
[0039] Un inconvénient supplémentaire de la couche intermédiaire métallique est que par
exemple dans le cas du rayon d'intensité A sur la figure 8, il y a transmission vers
l'observateur d'un rayon d'intensité AT
2 et réflexion sur la couche métallique d'un rayon d'intensité A · (1 - T
2) qui est finalement transmis vers l'observateur mais contribue à la diminution de
la résolution de l'écran, car il fait augmenter le diamètre de la tache centrale correspondant
à l'impact du faisceau d'électrons.
[0040] L'autre solution connue utilise une couche intermédiaire 5 qui a été décrite dans
la demande de brevet européen n° 0 018666. Cette couche intermédiaire peut être constituée
de couches alternées d'oxyde de silicium et d'oxyde de titane. On a représenté sur
la figure 9 le coefficient de réflexion R de cette couche en fonction de l'angle d'incidence
6. Lorsque l'angle d'incidence est inférieur à l'angle de réflexion totale 8
0, le coefficient de réflexion est sensiblement nul. Ce coefficient de réflexion devient
sensiblement égal à 1 pour un angle d'incidence supérieur à 6
0.
[0041] En conséquence, cette couche intermédiaire a une transparence T (avec T = 1 - R)
pratiquement totale pour des rayons tels que le rayon A de la figure 10 dont l'angle
d'incidence est inférieur à θ
0. Par contre, cette couche empêche la sortie vers l'observateur des rayons qui contribuent
aux halos. Sur la figure 10, on voit que le rayon B, dont l'angle d'incidence égale
6
0, se propage latéralement dans le substrat sans sortir vers l'observateur. Ce rayon
B subit des réflexions totales successives sur les deux faces du substrat.
[0042] Cette couche intermédiaire a l'inconvénient de provoquer une baisse de la résolution
par le même phénomène que celui expliqué pour la couche métallique. De plus, elle
est difficile et coûteuse à réaliser.
[0043] Sur la figure 11, on a représenté vu en coupe un mode de réalisation d'un écran selon
l'invention. Entre les grains de la première couche de matériau luminescent et le
support transparent 1, on trouve des pavés 6, ayant une section au plus égale à la
section des grains et ayant une transparence optique T
3 inférieure à 1.
[0044] On voit sur la figure 11 que les rayons lumineux générés dans un grain qui n'est
pas en contact avec le substrat ressortent vers l'observateur sans être atténués,
c'est le cas du rayon A.
[0045] Les rayons lumineux générés dans les grains de la première couche mais qui émergent
de ces grains en un autre endroit que le point de contact du grain avec le substrat
peuvent avoir à traverser un pavé 6 comme cela est représenté sur la figure 11. On
obtient alors un rayon d'intensité BT3 par exemple. Il peut se faire aussi que ces
rayons n'aient pas à traverser de pavé.
[0046] Considérons maintenant le cas des rayons lumineux émis par un grain en contact avec
le substrat et qui en plus pénètrent dans le substrat par le point de contact du grain
et de substrat.
[0047] Certains de ces rayons ne subissent pas la réflexion totale et sortent, par exemple
avec une intensité B · T
3. D'autres subissent une réflexion totale, par exemple le rayon d'intensité CT
3. Un tel rayon peut sortir du substrat avec une intensité CT
33 après s'être réfléchi sur un autre grain et avoir traversé deux fois le pavé supportant
ce grain.
[0048] Par rapport à la figure 6, qui concerne l'utilisation d'un support en verre teinté,
on constate que les rayons générés dans des grains autres que ceux de la première
couche ne sont pas atténués.
[0049] Ceci permet d'améliorer le gain et le contraste par rapport aux solutions connues.
[0050] On désigne par G
3 et C
3, le gain et le contraste de l'écran selon l'invention.
[0051] Le calcul montre que dans l'hypothèse, où la transparence T
3 des pavés et celle T
1 du support 1 en verre teinté sont les mêmes, on obtient les relations suivantes :

[0052] Les relations ci-dessus montrent que l'invention permet d'obtenir - pour T
3 = T
1 - un contraste C
3 supérieur à celui Ci obtenu avec un support en verre teinté, et supérieur à celui
C
o obtenu sans aucun aménagement. L'invention permet simultanément d'obtenir un gain
G
3 supérieur à celui obtenu avec une glace teintée G
1, mais inférieur à celui G
o obtenu sans aménagement.
[0053] Le calcul montre aussi que dans l'hypothèse où un gain minimum est respecté, pour
un écran selon l'invention et pour un écran à support en verre teinté, l'invention
permet une transparence plus faible. Comme lorsque la transparence est la même, le
contraste est meilleur avec les pavés selon l'invention, il est clair que l'invention
permet en respectant un gain minimum d'améliorer encore le contraste.
[0054] Un autre avantage de l'invention est que la présence de pavés ne diminue pas la résolution,
alors que cela se produit lorsqu'il y a une couche intermédiaire entre le substrat
en verre et la première couche de grains.
[0055] On va décrire maintenant un procédé de réalisation d'un écran selon l'invention en
se référant aux figures 12a, b, c et d.
[0056] On dépose sur le substrat 1 une couche mince 7 de matériau ayant la transparence
voulue-voir figure 12a. Ce dépôt peut être réalisé par exemple, par évaporation sous
vide ou par voie électrochimique. Cette couche 7 peut avoir par exemple une épaisseur
de quelques centaines d'angs- trôms.
[0057] Le matériau utilisé peut être n'importe quel matériau absorbant, par exemple du métal
ou du carbone.
[0058] On dépose sur la couche 7, une première couche de grains en matériau luminescent.
Par des techniques classiques, on obtient des grains bien individualisés - voir figure
12b. On réalise une attaque sélective par plasma de la couche 7 en utilisant les grains
de la première couche comme masque. Cette attaque est symbolisée par des flèches verticales
sur la figure 12b.
[0059] Dans le cas d'une couche 7 en argent ou en or, on attaque par des ions Argon par
exemple.
[0060] On peut utiliser une couche de carbone réalisée par exemple par évaporation, par
utilisation d'un plasma comportant un gaz hydrocarbure ou en déposant une couche unique
de particules de carbone d'un diamètre inférieur à 0,1 ¡Jom par exemple, alors que
les grains de matériau luminescent ont un diamètre beaucoup plus important, d'une
dizaine de µrn par exemple. Dans le cas d'une couche 7 de carbone, on réalise une
attaque par plasma oxygène.
[0061] La figure 12c montre le résultat de cette attaque. Cette attaque doit être arrêtée
à la surface du substrat pour ne pas le dépolir, et ainsi ne pas détériorer la résolution
de l'écran.
[0062] Ensuite, on dépose d'autres couches de grains de matériau luminescent sur la première
couche et on termine l'écran de la façon habituelle - voir figure 12d.
[0063] Sur les figures 13a, b, c, on a représenté un grain de matériau luminescent 2 et
son pavé 6. Sur la figure 13a, le pavé a une section sensiblement égale à celle du
grain, sur les figures 13b et c, le pavé a une section décroissante sensiblement,
inférieure à celle du grain. Il est clair que plus la section du pavé est limitée
au point de contact entre le grain et le pavé, plus le rendement et le contraste sont
améliorés. Ainsi, on limite l'atténuation d'intensité due au pavé aux rayons créés
au point de contact grain-pavé.
[0064] Le procédé de réalisation décrit permet d'obtenir des pavés de section au plus égale
à la section des grains. Pour obtenir des configurations telles que celle de la figure
13c, on peut jouer sur la directivité d'attaque du plasma.
[0065] Le matériau utilisé pour réaliser les pavés doit présenter une bonne adhérence avec
le verre du substrat. Il doit aussi pouvoir être bien attaqué par plasma alors que
le matériau luminescent des grains et le verre sont peu attaqués. On a vu que l'on
peut utiliser un métal comme l'argent ou l'or par exemple, ou du carbone, on peut
utiliser aussi une couche telle que celle citée précédemment et décrite dans la demande
du brevet européen n° 0 018 666. On accroît ainsi le gain et le rendement, sans diminuer
la résolution de l'écran. Il faut dans ce cas aussi utiliser pour l'attaque sélective,
un plasma qui attaque très préférentiellement cette couche alors que le matériau luminescent
des grains et le support sont peu attaqués.
[0066] On peut en même temps qu'on utilise des pavés entre le substrat en verre et les grains
de la première couche augmenter l'épaisseur e du substrat. Cette épaisseur e doit
rester inférieure au rayon de la zone utile, car autrement il n'y a plus de halos
mais cette trop grande épaisseur entraîne d'autres problèmes.
1. Leuchtschirm, der insbesondere mehrere Schichten aus Lumineszenzmaterial (2) in
Form von Körnern aufweist, welche auf einem lichtdurchlässigen Träger (1) abgelagert
sind, gekennzeichnet durch das Vorhandensein von Blöckchen, die zwischen den Körnern
der ersten Materialschicht und dem Träger angeordnet sind, wobei diese Blöckchen einen
Querschnitt aufweisen, der höchstens gleich dem Querschnitt der Körner ist, und eine
optische Transparenz (T3) aufweisen, die kleiner als 1 ist.
2. Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöckchen (6) aus Metall
oder Kohlenstoff bestehen.
3. Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöckchen (6) abwechselnde
Schichten aus Siliziumoxid und Titanoxid sind.
4. Schirm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere
Schichten eines Katodenstrahl-Lumineszenzmaterials (2) aufweist.
5. Schirm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtdurchlässige
Träger (1) aus Glas ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Schirmes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß es folgende Schritte umfaßt :
a) auf dem lichtdurchlässigen Träger (1) wird eine Dünnschicht (7) aufgebracht, welche
die gewünschte optische Transparenz (T3) aufweist ;
b) auf dieser Schicht (7) wird eine erste Schicht aus Körnern des Lumineszenzmaterials
(2) aufgebracht;
c) eine selektive Plasmaätzung der Dünnschicht (7) wird durchgeführt, indem die Körner
der ersten Schicht als Maske verwendet werden, um so die Blöckchen (6) zu erhalten
;
d) die weiteren körnigen Lumineszenzschichten werden aufgebracht, und der Schirm wird
in üblicher Weise fertiggestellt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht (7) aus
Silber ist und daß eine selektive Ätzung durch Argonionen vorgenommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht aus Kohlenstoff
ist und daß eine selektive Ätzung durch ein Sauerstoffplasma vorgenommen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf die
Richtwirkung des Plasmas eingewirkt wird, um den Querschnitt der Blöckchen zu vermindern.