DE1903562A1 - Festkoerper-Bildwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung "bezieht sich auf einen Festkörper-Bildwandler zum Steuern der lumineszenz einer elektrolumineszierenden Schicht im Verhältnis zu einer Änderung in der elektrischen Impedanz einer energieempfindlichen Schicht, die durch licht, Strahlung oder andere auftreffende Energie verursacht wird, und insbesondere auf eine Vorrichtung dieser Art, "bei der die Elektrolumineszenz elektrisch im Verhältnis zur Änderung in der Impedanz einer photoleitenden Schicht gesteuert wird, die zwischen der energieempfindlichen Schicht und der elektrolumineszierenden Schicht vorgesehen ist und zu der das Licht von der elektrolumineszierenden Schicht im Inneren zurückgeführt wird.

Ziele und Merkmale dieser Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeiohnung. Darin zeigen:

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Pig. 1 einen Schnitt durqh einen herkömmlichen Festkör pa r-Bild wandler |

Fig. 2 und 3 Sohnitte durch verschiedene Ausführungsformen dieser Erfindung und

fig. 4 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung.

Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt der herkömmliche Festkörper-Bildwandler eine Schichtung, die aus einer Elektrode 1, die für Lieht, Strahlung oder andere Arten eines auf treffenden Bildes IL mit einer Energie durchlässig ist, einer energieempfindlichen Schicht 2, einer elektrolumineszieren&en Schicht 4» die für das lumineszierend© Ausgangsbila^sorgt, einer liohtundruohlässigen Sohioht 3, die zwischen der energieempfindlichen Schicht 2 und der elektrolomineszierenden Schicht 4 vorgesehen ist, um eine lumineszierend© Rückführung von der elektrolumineszierenden Schicht 4 zu verhindern, einer weiteren Elektrode 5, die lichtdurchlässig ist, und einer lichtdurchlässigen Tragplatte 6, wie z. B. einer Glasplatte, und eine Stromquelle 7 ist zwischen den Elektroden 1 und 5 angeschlossen, um die Betriebsspannung V aufzubringen.

Bei der oben beschriebenen Konstruktion verringert das auf die energieempfindliche Schicht 2 auf treffende Bild I₁ die elektrische Impedanz oder den Widerstand dieser Schicht 2 und verändert entsprechend den elektrischen Strom. Somit wird die elektrolumineszierende Schicht 4 in Abhängigkeit von dem auf treffenden Bild L^ erregt, um ein entsprechendes lumineszierendes Ausgangsbild Lp zu erzeugen.

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Wenn-in der herkömmlichen, oben beschriebenen Vorrichtung das energieempfindliche Material, aus dem die energieempfindliche Schicht 2 hergestellt ist, keine ausreichend hohe Empfindlichkeit oder Änderung der Impedanz oder des Widerstandes relativ zu der auftreffenden Energie aufweist, wird die Veränderung in dem· lumineszierenden Ausgang aus der Schicht 4 in Abhängigkeit von der auftreffenden Energie zu klein sein, um eine zufriedenstellende Bildv/andlung zu bewirken, ganz zu schweigen vom Betrieb bei hoher Empfindlichkeit.

Wenn außerdem der spezifische Dunkelwiderstand des energieempfindlichen Materials nicht ausreichend hoch ist, flieSt ein elektrischer Strom, der stark genug ist, umBine Elektrolumineszenz hervorzurufen, selbst dann durch die elektrolumineszierende Schicht 4, wenn keine auftreffende Energie vorhanden ist, wodurch der Kontrast in dem lumineszierenden Ausgangsbild L₂ auf der Schicht 4 vermindert wird, so daß man weit von einem zufriedenstellenden Bild entfernt ist.

Wenn andererseits die dielektrische Durchsohlagfestigkeit der energieempfindlichen Schicht 2 nicht ausreichend hoch ist, wird eine Betriebsspannung, die hoch genug ist, um einen ausreichend großen Strom zu veranlassen, durch die elektrolumineszierende Schicht 4 zu fließen, nicht aufgebracht werden können, wodurch ein Betrieb mit hohem lumineszierendem Ausgang und hoher Empfindlichkeit unmöglich wird.

Aus den oben erwähnten Gründen ist es eine wesentliche Erfordernis für den herkömmliohen Festkörper-

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Bildwandler» dafl dae energieeapfindllehe Material eine aohe lmpfiadliohkeit für aoftreffende laergie,hohe Impedana oder k>hen Wideretend, wenn es Aaron keine auftref fende lnergle beetrahlt wird, und hohe dielektrieohe Doroh •ohlagfeitlgkeit aufweist.

Allgemein werden jedoohdie obigen Erfordernisse duroh die üblicherweise in verschiedenen herkömmlichen Inergiedetektoren verwendeten Materialien durchaus nioht erfüllt. D. h. ein Material, dae eine oder awei der obigen BrfordernlMe erfüllt» erfüllt nioht die Übrigen Br- fordernieee. Daher let ee unaöglioh, bei dem oben beeohrie benen herkbittliohen Zustand, einen zufriedenstellenden Bildwandler iuerhalten.

Sin Siel dieser Erfindung ist es, einen neuartigen feetktirper-Blldwandler bu eohaffen, der die oben erwähnte Schwierigkeit beseitigt.

der Erfindung besteht die energieempflndliohe Sohioht aus ewei ßohiohten, von denen eine eine energie* empfindliche Sohioht ist, die als Energiefühler wirkt, und die andere eine photoleitende Sohioht 1st, die einen hohen Dunkelwideretand und hohe dielektrisohe Durchschlagfestigkeit aufweist. Die liohtundurohlässige Sohioht bei der herkömmlichen Vorrichtung wird durch eine halbtraneparente Sohioht ersetzt, um das von der elektrolumineszieren- den Sohioht zurüokgeführte Licht zu übertragen. Außerdem kann die halbtransparente Sohioht entfernt oder durch eine transparente Sohioht ersetzt werden, wenn die Materialien der photoleitenden Sohioht und der elektrolumineszierenden Sohioht so ausgewählt sind, daß der Bmpfindliohkeits-

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bereioh dtr ereteren auf geeignete leise zu dem lumineszierenden Bereioh der letzteren in Beziehung steht. Bei einer solchen Anordnung kann die Vorriohtung außerdem eine Bildspeioherwirkung aufweisen, die durch die vollständige Rliokführung des lumineszierenden Lichtes bewirkt

. Nachfolgend werden Ausführungaformen dieaer Erfindung beschrieben, die dazu bestimmt sind, Höntgenatrahlen als auftreffende Energie zu empfangen.

Die in Pig. 2 gezeigte Vorriohtung umfaßt eine , Tragplatte 6 aua transparentem Glas, daa mit einer lichtdurchlässigen Elektrode 5, beispielsweiae aua Zinnoxyd überzogen ist, eine elektrolumineszierende Sqhicht 4 im Bereioh von 50 Mikron Dicke, die aua einem Pulver aus elektrolumineazierendem, fluoreszierendem ZnS beateht, das über die Elektrode 5 mit Hilfe einesBindemittels, wie z. B. Epoxydharz, gesprüht ist, eine LichtrUckführungs-Steuersohicht 31 in der Größe, von 10 bis 20 Mikron Dicke, die auf die elektrolumineazierende Schioht 4 aufgebraoht ist und ein Gemisch aus BaTiO,-Pulver od. dgl. und einem dem oben erwähnten ähnliohen Bindemittel ist, und eine zusammengesetzte photoleitende Schicht 20, die auf die Lichtrüpkführungs-Steuerschicht 31 aufgeschichtet ist und aus einer ersten photoleitenden Sohicht 21, die mit einer mit Spalten versehenen Elektrode 10 darauf ausgestattet ist, und einer zweiten photöleitenden,Sohioht 22 besteht, und eine Stromquelle 7 ist. zwischen der mit Spalten versehenen Elektrode 1,0 und der lichtdurchlässigen Elektrode 5 angeschlossen, um die Betriebsspannung V aufzubringen.

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D4i auftreffende Bild L₁ ist ein BöntgeniBtrahXen.-bild in diesem lall, und die Vrate photöieitendje Sohioht 21 dient -ale 'enirgitempfinäiiche '

Die ersteι photOleitendV Sohibht 21, die Röntgenätrah.ienf linier dient, beöteht aus einer "dünnen Schiöht eines Materials, wie z; B. OdHgTe, OdSe, PbS oder PbSe, oder eines Gemisches aus Pulver dieses Materials und einem Bindematerial, wie ζ. ΊΒ"; Epoxydharz, und die Dicke der Sehlöht'-liegt in Bereich, von 5Q bis 80 Mikron, Die obigen Materialien wurden wegen der hohen Empfindlichkeit und wegen des schnellen Anspreohens auf ein auftreffendes Bild ausgewählt. Auf dieser ersten photoleitenden Sohioht 21 ist eine Elektrode vorgesehen in Borm eines parallelen G-itters, das aus feinen Metalldrähten hergestellt ist,-beispielsweise Wolframdrähten von'etwa TO bis 50 Mikron "Durchmesser, die mit einer Teilung von etwa 200 bis 600 Mikron angeordnet sind, Oder in Form eines' Netzes mit 30 bis 150 mesh, das aus ähnlichen Metalldrähten gewebt ist^:, öder in anderen geeigneten Formen.

Die zweite photoleitende Sohioht 22 ist aus einem Material hergestellt, das einen hohen spezifischen Dunkelwiderstand und hohe dielektrische Durchschlagfestigkeit aufweist, um einen hohen lumineszierenden Aus- " gang und den Betrieb mit hoher Empfindlichkeit sicherzustellen, und das entsprechend auf das Von der elektrolumineszierenden Schicht zurüokgeführteLicht anspricht. Wenn es erforderlich ist, einen Halbton in Abhängigkeit von auf treffenden Strahlen naturgetreu wiederzugeben,

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■mi dl· tmttäohliehe Menge dtr lumineeeierenden luokftthrung begrenet werden duroh Verringerung dtr Überlappung dtr spektralen Anepreohkurven dtr Aotoleitfähigkeit dtr ■weiten pfeotöleitenden Sohioht 22 and dtr lumineeeierenden Inergie τοη dtr elektrolumineeeierenden Sohioht 4, ob die photoelektrieohen bistabilen Cherakterietiken infolge dtr lumineieierenden EUokfUhrung von dtr Sohioht auf die Sohioht 22 iu unterdrücken* In dieter AoefUhrungefoi« besteht die sweite photoleitende Sohioht 22 tut photoleitendem Pulrer aue Odi-OdSe (feete Löeung au· OdS und CdSe), das mit eint« Bindemittel, ft.B. Ipoxydhare, gtmiebht und in einer 8ohioht τοη 200 bit 400 Mikron Diokt aufgebracht ist, die dioker iet all die Sohioht 21. In diteem Fall beiteht die elektrolumineeeierende Bohioht 4 aue einem Material von der Irt eines grlin-luaineeEierenden ZnS, das einen intensiven lumineeeierenden luagangergibt, auf das aber das oben erwähnte photoleitende Material nicht sehr stark anspricht, um dtn Inneren luminesElerenden RliokfUhrungeeffekt und die spektralen Anapreohoharakteristiken zu steuern.

Bit Stromquelle 7, die die Betriebsspannung V aufbringt» let Ewieohen den Elektroden 5 und 10 verbunden. Die auf die erste photoleitende Sohioht 21 auftreffenden Strahlen I₁ ändern deren Impedanz und verursachen daduroh, daß die elektroluminesssierende Sohioht 4 luminesEiert. Sie Eweite photoleittnde Sohioht 22, die einen hohen Dunkelwiderstand und eine hohe dielektrische Durchschlagfestigkeit aufweist, verringert ihre elektrische Impedans beim Empfang des von der elektroluminesEierenden Sohioht 4 Burtlokgeführten Liohtes, und der elektrische Strom von

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der Stromquelle 7 steigt entsprechend. Infolgedessen wird die elektrolumineszierende Schicht 4 weiter erregt, und ein verstärktes und umgewandeltes Bild Ip wird als Ausgang erhalten. Da die erhöhte dielektrische Durchschlagfestigkeit zwischen "beiden Elektroden infolge der Einführung der Schicht 22 ein Aufbringen einer extrem hohen Spannung ermöglicht, kann ein stark leuchtendes Ausgangsbild Ip erzielt werden. D. h. wenn die erste photoleitende Schicht 21, die hohe Empfindlichkeit und schnelles Ansprechvermögen gegenüber der auftreffenden Energie aufweist, ein auftreffendes Bild empfängt, das ein Röntgenstrahlenbild I₁ ist, dann nimmt der Querwiderstand über den Spalten der mit Spalten versehenen Elektrode 10 effektiv mit dem höhen Ansprechvermögen und der hohen Empfindlichkeit ab. Entsprechend fließt ein Strom unter der Betriebsspannung V von der Stromquelle 7 her, um die elektrolumineszierende Sohicht 4 zum Lumineszieren zu veranlassen, was wiederum die zweite photoleitende Sohioht 22 duroh die halbtransparente Schicht 31 hindurch erregt. Die erregte zweite Schioht 22 verringert ihren Widerstand und erregt dadurch weiterhin die elektrolumineszierende Sohioht 4. Somit wird ein verstärktes und umgewandeltes Ausgangsbild Ip von der Schicht 4 erhalten.

Die lumineszierende lichtrüakführungs-Steuersohicht 31t die im wesentlichen aus einem Pulver aus ferroelektrisohem Material besteht, wie z. B. BaTiO-, und deren lichtdurchlässigkeit vorherbestimmt werden kann, steuert die Menge der pichtrüokführung von der Schicht 4 zu der Schioht 22, je nachdem wie es erforderlich ist,

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und erhöht gleichzeitig die Stärke des Ausgangslichtes ' mit ihrer guten Reflexionsfähigkeit. Außerdem dient die hohe dielektrisohe Konstante des Materials der Schicht 31 dazu, einen wesentlichen Abfall der Wechselstromspannung zu verhindern, und die hohe dielektrische Durchschlagfestigkeit der Schicht 31 ist sehr wirksam, um einen dielektrischen Zusammenbruch der Sohichten zwischen den Elektroden 5 und 10 zu verhindern.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform dieser Erfindung, die aus einer transparenten Tragplatte 6, die mit einer lichtdurchlässigen Elektrode 5 überzogen ist, einer ersten elektrolumineszierenden Schicht 42, die auf der Elektrode 5 vorgesehen ist, um das Ausgangslioht zu erzeugen, einer lichtundurchlässigen Schicht 31, die auf der Sohicht 42 vorgesehen ist, um das von der Sohioht 42 kommende Licht abzufangen, einer zweiten elektrolumineszierenden Sohioht 41, die auf der lichtundurchlässigen Sohioht 31 vorgesehen ist, um die lumineszierende Rückführung su bewirken, und einer zusammengesetzten photoleitenden Sohicht 20 besteht, die auf der Sohicht 41 vorgesehen ist und aus einer ersten photoleitenden Schicht 21, die mit einer mit Spalten versehenen Elektrode 10 darauf versehen ist und als Fühler für die auftreffenden Strahlen dient, und einer zweiten photoleitenden Sohioht 22 besteht, und eine Stromquelle 7 zum Zuführen der Betriebsspannung V ist zwischen der mit Spalten versehenen Elektrode 10 und der liohtdurchlassigen Elektrode 5 verbunden.

Wenn das auftreffende Bild beispielsweise ein Röntgenstrahlenbild iat, besteht die erste photoleitend·

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Schicht 21, die als Fühler dienen soll, aus einem photoleitenden Material, das schnell auf das auftreffende Röntgenstrahlenbild anspricht, und eine mit Spalten versehene Elektrode, beispielsweise in Form eines parallelen G-itters aus dünnen Metalldrähten, ist auf der Schioht 21 vorgesehen.

Die zweite photoleitende Schicht 22 besteht aus einem photoleitenden Material, das auf die Lichtrückführung von der elektrolumineszierenden Schicht 41 ansprioht, und hat einen hohen spezifischen Dunkelwiderstand und hohe dielektrische Durchschlagfestigkeit, wie es vorher erwähnt wurde. Außerdem ist das Material für die zweite photoleitende Schicht 22 so ausgewählt, daß es einen Empfindliohkeitsbereich für eine Wellenlänge hat, der im wesentlichen den Betriebsbereioh des elektrolumineszierenden Materials überlappt, das die Schicht 41 bildet. Somit wird die Speichertätigkeit mit der Sohicht 22 für das auftreffende Bild möglich gemaoht durch Verwendung der photoelektriaohen bistabilen Charakteristiken infolge der inneren lumineszierenden Rückführung. In diesem Jail wird ein organges elektrolumineszierendes Material der ZnCdS-Art für die Sohicht 4-1 verwendet, und ein photoleitendes Material von der CdS-Art wird für die Sohioht 22 verwendet. Eine Stromquelle zum Zuführen der Antriebsspannung V ist zwisohen den Elektroden 5 und 10 verbunden. Wenn bei dieser Anordnung die Vorrichtung die auf treffende Energie empfängt, d. h. das Röntgenetrahlenbild I₁, verringert die erste photoleitende Sohioht 21, die hohe Empfindlichkeits- und schnelle Anspreoheigensohaften aufweilt, wirksam Ihren Qutrwiderstand über den Spalten der mit Spalten versehenen Elektrode 10 mit der

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schnellen Ansprechgeschwindigkeit und der hohen Empfindlichkeit. Die Verringerung dieses Widerstandes ruft einen unter der Betriebsspannung V der Stromquelle 7 fließenden elektrischen Strom hervor, der die elektrolumineszierenden Schichten 41 und 42 zum lumineszieren bringt. Das Licht von der Sohioht 41 erregt die zweite photoleitende Schicht 22, um deren elektrischen Widerstand zu verringern, was wiederum einen weiteren elektrischen Strom veranlaßt, durch die elektrolumineszierende Schicht 42 zu fließen und dadurch die Schicht 42 noch stärker zum Lumineszieren veranlaßt. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß Teile der Sohicht 41, die duroh eine relativ schwache auftreffende Energie beeinflußt werden, mit entsprechend niedriger Intensität lumineszieren und relativ wenig Licht zu der Sohicht 22 zurückführen. Wenn daher das auftreffende Bild entfernt wird, stellen diese Abschnitte den anfänglichen dunklen Zustand wieder her. Abschnitte die durch relativ starke auftreffende Energie beeinflußt werden, können jedoch eine derart große Liohtmenge zu der Schicht 22 zurückführen, daß das Hüokftihrungs- und Verstärkungssystem, das aus den Schichten 41 und 22 besteht, veranlaßt wird zu oszillieren, und der lumineszierende Ausgang aus den entsprechenden Absohnitten der elektrolumineszierenden Sohioht 42 hält den starken und stabilen lumineszierenden Zustand aufrecht. In diesem Zustand kann die Vorrichtung, selbst wenn die auftreffende Energie entfernt wird, nioht mehr den anfänglichen dunklen Zustand wieder herstellen. D. h. die Vorrichtung kann als Speicherbild verwendet werden, indem das auftreffende Bild L₁ auf einen bistabilen luminoszierenden Pegel eingestellt wird.

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D. h. gemäß der Erfindung wird selbst die geringste Veränderung in der Lumineszenz der elektrolumineszierenden Schicht infolge einer Änderung des Widerstandes oder der Impedanz des Fühlers, wie z. B. der photoleitenden Schicht, verstärkt und durch ein inneres Rückführungs- und Verstärkungssystem dargestellt, das aus einem elektrolumineszierenden Element und einem photoleitenden Element besteht. Daher können jetzt energieempfindliche Materialien, wie z. B. magnetische Widerstandsmaterialien oder Piezo-Widerstandsmaterialien, die bisher infolge ihres niedrigen spezifischen Widerstandes, ihrer geringen Empfindlichkeit und ihrer geringen dielektrischen Durchschlagfestigkeit nioht in Bildwandlern verwendet werden konnten, zur Bildung der Schicht 21 verwendet werden, und dadurch wird die Umwandlung von magnetischer Energie, elastischer Energie oder anderen Energiestrahlen möglich. Diese Möglichkeit wird erreicht durch Einführung eines photoleitenden Elementes, das hohen spezifischen Widerstand, hohe dielektrische Durchschlagfestigkeit und hohe Empfindlichkeit gegen sichtbares licht aufweist, in das innere Riickfiihrungs- und Verstärkungssystem.

In den obigen Ausführungsformen wurde eine mit Spalten versehene Elektrode verwendet, um die Änderung des Widerstandes oder der Impedanz des Fühlers oder der Schicht 21 hauptsächlich in Querrichtung infolge auftreffender Energie zu verwenden. Es kann jedoch auch eine ebene Elektrode ohne Spalte benutzt werden, die allerdings fttr auftreffende Energie durchlässig ist, um die Widerstandsänderung der'Sohicht 21 in Richtung der Dicke

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zu verwenden. Außerdem ist der Eingang der Vorrichtung nicht auf ein Energiebild begrenzt. Gemäß der Erfindung kann ein auftreffendes Energiesignal L₁ in einen lumineszierenden Ausgang L₂ umgewandelt werden, das in monostabiler oder bistabiler Weise gesteuert wird, und zwar mit der in Pig. 4 gezeigten Anordnung, die ein Fühlerelement 21, wie z. B. ein Piezo-Widerstandselement oder magnetisches Widerstandselement, ein photoleitendes Element 22 und ein lumineszierendes Element 4* wie z. B. . ein elektrolumineszierendes Element, aufweist, wobei diese Elemente elektrisch mit einer Stromquelle 7 verbunden sind und das photoleitende Element 22 so angeordnet ist, daß es eine Lichtrückführung von dem lümines-.zierenden Element 4 aufnimmt.

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Claims (6)

-H- Patentansprüche :

1. Festkörper-Bildwandler, gekennzeichnet durch ein lumineszierendes Element (4)> dessen lumineszierende Intensität entsprechend der Intensität eines angelegten elektrischen Feldes gesteuert wird, und ein zusammengesetztes Element (20), das ein photoleitendes Element (21), das auf eine Lichtrückführung von dem lumineszierenden Element (4) anspricht, und ein energieempfindliches Element (22) einschließt, das seine Impedanz in Abhängigkeit von auftreffender Energie ändert, wobei die Änderung der lumineszierenden Intensität des lumineszierenden Elementes (4) infolge der Änderung der Impedanz des energieempfindlichen Elementes (22) im Verhältnis zu der auftreffenden Energie durch ein lumineszierendes Rüokführungs- und Verstärkungssystem verstärkt wird, das aus dem lumineszierenden Element und dem photoleitenden Element besteht.

2. Pestkörper-Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das energieempfindliche Element (22) eine photoleitende Schicht ist.

3. Pestkörper-Bildwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zwischen dem lumineszierenden Element (4) und dem zusammengesetzten Element (20) vergesehene Zwischenschicht (31), die einen Teil des Lichtes von dem lumineszierenden Element (4) gegen das Iuffiineszierende Element reflektiert und einen anderen Teil des Lichtes zu dem zusammengesetzten Element (20) zurückführt .

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4. Festkörper-Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das photoleitende Element (21) und das lumineszierende Element (4) so gewählt sind, daß der Empfindlichkeitsbereich in der Wellenlänge des photoleitenden Elementes (21) das lumineszierende Spektrum des lumineszierenden Elementes (4) beträchtlich überlappt, um einen bistabilen Zustand der Lumineszenz zu erhalten.

5. Festkörper-Bildwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die photoleitende Schicht (22) des zusammengesetzten Elementes (20) so gebildet ist, daß sie eine hohe Empfindlichkeit und eine sohnelle Ansprechzeit gegen auftreffendes Licht aufweist, und daß ein weiteres photoleitendes Element (21) eine photoleitende Schicht ist, die einen hohen Dunkelwiderstand und eine hohe dielektrische Durchschlagfestigkeit aufweist.

6. Festkörper-Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lumineszierende Element aus einer ersten elektrolumineszierenden Schicht (42) zum Erzeugen des lumineszierenden Ausgangs und aus einer zweiten elektrolumineszierenden Schicht (41) zum Zurückführen von Licht zu dem zusammengesetzten Element (20) besteht und daß eine lichtabfangende Schicht (31) zwischen die ersten und zweiten elektrolumineszierenden Schichten eingeschaltet ist.