DE2716764A1 - Einrichtung zum elektrischen lesen eines optischen bildes - Google Patents
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- H04N3/10—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical
Description
Patentanwälte
8 München 60
THOMSON - CSF 15. April 1977
173t Bd. Haussmann
75008 Paris / Frankreich
75008 Paris / Frankreich
Einrichtung zum elektrischen Lesen eines optischen Bildes
Die Erfindung betrifft das elektrische Lesen eines optischen Bildes.
Sie bezieht sich insbesondere auf eine Einrichtung, bei welcher IQr diesen Zweck der Piezowiderstandseffekt ausgenutzt wird.
Bekanntlich tritt der Piezowiderstandseffekt in gewissen Festkörpern
auf und besteht aus einer Modifizierung des spezifischen Widerstandes des Materials^unter der Einwirkung von mechanischen Belastungen.
Verschiedene bekannte Einrichtungen nutzen diesen Effekt aus, insbesondere
zum Feststellen einer elastischen Welle oder zum
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271676«;
-sr-6
sequentiellen Lesen einer an einem Raster von Fühlern vei—
fugbaren elektrischen Information durch Abtastung, wie in der deutschen Patentanmeldung P 24 61 561 .0-51 beschrieben.
Ziel der Erfindung ist die Ausnutzung des Piezowiderstandseffekts für das Lesen von optischen Bildern. Zu diesem Zweck wird
ein Substrat benutzt, das sowohl fotoleitend ist als auch Piezo—
Widers tands ei genschaften hat, auf dem Elementardetektoren zum
Feststellen der Leitfähigkeit des Substrats angeordnet werden. Eine impulsförmige elastische Welle mit der Trägerfrequenz F wird
an der Oberfläche des Substrats erzeugt und tastet letzteres ab, wobei sie seine Leitfähigkeit (Piezowiderstandseffekt) mit der der
Trägerfequenz F entsprechenden räumlichen Frequenz moduliert. Gleichzeitig wird das zu lesende Bild auf dieselbe Oberfläche
projiziert und durch Fotolei tu ngs effekt wird die Leitfähigkeic des
Substrats in Abhängigkeit von der Beleuchtung räumlich moduliert. Die Elementardetektoren liefern dann sequentiell ein elektrisches
Signal, welches die resultierende Leitfähigkeit in jedem Punkt und infolgedessen die Abtastung des projizierten Bildes darstellt.
Weitere Ausgestaltungen und Ergebnisse der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführuhgsbeispielen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 das Schema einer Ausführungsform der
Einrichtung nach der Erfindung,
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Fig. 2 eine Einzelheit von Fig. 1 ,
die Fig. 3a und 3b Diagramme, welche Signale zeigen, die
der Einrichtung nach der Erfindung zugeführt
oder durch dieselbe erzeugt werden,
Fig. 4 eine Teilschnittansicht von Fig. 1 ,
die Fig. 5 und 6 weitere Ausführungsformen der Einrichtung
nach der Erfindung, in denen die Elementardetektoren mit Hilfe von PN-Übergängen
hergestellt sind, und
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der Einrichtung
nach der Erfindung, in der die Elementardetektoren mit Hilfe von MOS- oder MIS-Strukturen
hergestellt sind.
In den verschiedenen Figuren tragen gleiche Teile gleiche Bezugszeichen.
In Fig. 1 ist ein piezowiderstandsbehaftetes und fotoleitendes Substrat
1 dargestellt, das aus Silicium, Germanium oder Galliumarsenid (AsGa) besteht und auf dem angeordnet sind:
- Einrichtungen 2 zum Erzeugen einer elastischen Welle an der Oberfläche des Substrats 1 in einer Richtung Ox; und
- Elementardetektoren, die in M Zeilen angeordnet sind, welche zu der x-Richtung parallel und mit 4 , 4p,···4 bzeichnet sind.
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Die Vorrichtungen 2 zur Erzeugung einer elastischen Welle
bestehen in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform aus einer dünnen Schicht 22 aus piezoelektrischem Material, zum
Beispiel Zinkoxid (ZnO), die auf das Substrat 1 aufgebracht ist, und aus zwei Elektroden 21 und 23 in Form von interdigital angeordneten
Kämmen. Das Anlegen eines elektrischen Signasl S an die Klemmen der Elektroden 21 und 23 hat zur Folge, daß durch
piezoelektrischen Effekt eine elastische Welle (die auch als Schallwelle bezeichnet wird) hervorgerufen wird, die sich an der
Oberfläche des Substrats 1 in der Richtung Ox ausbreitet, welche zu den Zinken der Elektroden 21 und 23 normal ist.
In weiteren Ausführungsformen, die in den Figuren nicht dargestellt
sind, können die Vorrichtungen zur Erzeugung einer elastischen Welle die Form annehmen, die in der oben erwähnten
deutschen Patentanmeldung P 24 61 561 .0-51 beschrieben ist, oder aber aus einem dünnen piezoelektrischen Plättchen bestehen,
das auf jeder seiner Flächen mit einer Elektrode bedeckt ist und über eine der Elektroden an einer Fläche des Substrats 1 anliegt,
die zu der x-Achse normal ist.
In der Aus füh rungs form von Fig. 1 bestehen die Elennentardetektoren
jeweils aus zwei parallelen Elektroden, wie in größerem Maßstab in Fig. 2 gezeigt. In Fig. 2 sind nämlich fünf Elementardetektoren
41, 42, 43, 44 und 45 der Zeile 4 dargestellt, die jeweils aus zwei Elektroden 45 und 47 bestehen, welche zu der x-Richtung
orthogonal und durch einen Abstand I voneinander getrennt sind, der viel kleiner ist als die Wellenlänge λ der elastischen Welle,
die sich in der Richtung Ox ausbreitet. Ein typischer Wert für
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den Abstand I kann in der Größenordnung von λ/5 liegen. Die
Elektroden 46 der Detektoren sind miteinander verbunden, um einen Kamm zu bilden, und sie sind über eine Schaltung
3 mit einer Potentialquelle 31 verbunden, die eine Spannung V liefert (Fig. 1). Die Elektroden 47 bilden in derselben Weise
einen Kamm, der auf dem Bezugspotential gehalten wird. Vorzugsweise werden die Elektroden 46 und 47 aus einem lichtdurchlässigen
oder halblichtdurchlässigen Metall (beispielsweise polykris tall ines Silicium) gebildet, das den optischen Zugang zu der
empfindlichen Oberfläche erleichtert.
Oie Detektoren 41 ... 45 sind durch einen konstanten Abstand
voneinander getrennt, der gleich λ ist, wie in Fig. 2 dargestellt, oder der gleich einem Vielfachen von λ ist, um die Phasenbedingungen
für die Feststellungen durch die Elementardetektoren -einzuhalten.
Das zu lesende Bild wird auf die die M Zeilen von Detektoren tragende Oberfläche des Substrats 1 , die als Wechselwirkungsfläche
bezeichnet wird, projiziert, was durch die Pfeile L symbolisch dargestellt ist.
Das Lesesignal P wird von der Schaltung 3 geliefert.
Die Einrichtung nach der Erfindung arbeitet folgendermaßen: Das zu lesende Bild L wird auf das Substrat 1 projiziert und
die Leitfähigkeit desselben wird durch fotoelektrischen Effekt in Abhängigkeit von der Lichtintensität in jedem Punkt räumlich
moduliert. Außerdem wird eine elastische Welle durch die Vorrichtung 2 an der Oberfläche des Substrats 1 ausgesandt, wobei
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es sich um eine Sinuswelle der Frequenz F und der Periode T handelt, die die Form eines Impulses der Dauer τ hat,
wie in Fig. 3a dargestellt. Diese elastische Welle, die ebenso wie das sie erzeugende elektrische Signal mit S
bezeichnet wird, moduliert ihrerseits die Leitfähigkeit des Substrats 1 durch Piezowiderstandseffekt.
Bekanntlich besteht der Piezowiderstandseffekt aus einer Modifizierung
der Leitfähigkeit des Substrats unter der Einwirkung von mechanischen Belastungen. Wenn ein durch einen Elementardetektor
fließender Strom I in Abwesenheit der elastischen Welle S vorhanden ist, drückt sich der Vorbeigang der Welle
S durch eine Modulation dieses Stroms aus, wobei für die Amplitude von dessen Komponente mit der Frequenz F
geschrieben werden kann:
1/2
i = I.G. (2TT.F.P) ' (1)
i = I.G. (2TT.F.P) ' (1)
wobei G ä&r Eichfaktor ist, der das das Substrat bildende Material kennzeichnet, und wobei ρ die Leistungsdichte der
elastischen Oberflächenwelle ist.
Die Elementardetektoren, die mit den Klemmen einer Spannungsquelle V verbunden sind, genauer gesagt, von denen die
Elektrode 46 mit der negativen Klemme verbunden ist, wenn das Substratlein N-leitendes Substrat ist, gestatten somit,
die Leitfähigkeit zu messen, die sich bei dem Vorbeigang der elastischen Welle durch die Modulation einerseits aufgrund dieser
elastischen Welle und andererseits aufgrund des projizierten
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Bildes L ergibt.
In dem Ausdruck (1) ist dann nämlich der Strom I ein Fotostrom,
welcher von der Bei eu chtu ngs I eis tu ng J abhängig ist.
Wenn der Dunkelstrom vernachlässigt wird, gilt I = Q VJ, wobei α ein Proportionalitätsfaktor ist, der insbesondere
von dem Material abhängig ist, aus welchem das Substrat besteht. Für den Wert des Stroms i mit der Frequenz F,
der von einem Detektor geliefert wird, gilt somit:
1/2 I = α VJ.G.(2ττ.F.p) ' (2).
Flg. 3b veranschaulicht die Form des elektrischen Signals P,
das nach einer solchen Abtastung durch den Impuls S erhalten werden kann. Dieses Signal wird an dem Ausgang der Schaltung
3 erhalten, die die Vorspannung V des Nutzsignals um die Frequenz F eliminiert.
Das Signal P stellt sich wie ein Signal der Periode T (die der elastischen Welle S) dar, das durch eine Treppenkurve
moduliert ist, wobei die Dauer einer Treppenstufe (OA beispielsweise)
der Fortpflanzungszeit der elastischen Welle von einem Elementardetektor zum nächsten entspricht (beispielsweise von
dem Elementardetektor 41 zu dem Elementardetektor 42 in Fig. 2). In dem Fall, in welchem der Abstand zwischen zwei
Detektoren gleich der Wellenlänge λ der elastischen Welle ist, ist diese Dauer gleich der Periode T des Signals S.
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-P-
Wenn die elastische Welle S eine Dauer τ = kT hat, stellt das Signal P die Integration der Information über k Elementardetektoren
dar (immer in dem Fall, in welchem diese gleiche Abstände λ haben) und es kann ein "Bildpunkt" durch k Detektoren
definiert werden. In den Figuren, insbesondere in den Fig. 2 und 3a, ist der Fall k = 5 dargestellt und die Ausdehnung
eines Bildpunktes gezeigt: Länge L = k · λ und Breite L , die vorzugsweise gleich L ist. Wenn die Zeilen 4 «..4 jeweils
aus η Elementardetektoren bestehen, ist das Bild durch N = n/k Punkte pro Zeile definiert.
Gemäß Fig. 3b entspricht die Länge OB einer Dauer τ (=kT) und die Länge OC einer Dauer N · τ , d.h. der Zeit für die Abtastung
einer Zeile durch die elastische Welle.
Alle vorstehenden Darlegungen beziehen sich auf eine einzelne Zeile, d.h. daß die Schaltung 3 (Fig. 1) gestattet, das von
einer der Zeilen 4 «..4 gelieferte Signal während der Abtastzeit
N · τ zu erhalten.
In der Praxis kann die Umschaltung von einer Zeile 4 zur nächsten durch die Schaltung 3 entweder, vorzugsweise, auf der Höhe
der Versorgung der Elektroden mit der Gleichspannung V oder aber auf der Höhe der Signale der Frequenz F erfolgen.
Am Ende der Zeit N · τ wird eine weitere Folge von elastischen
Wellen der Dauer τ durch die Vorrichtung 2 ausgesandt und die Schaltung 3 liefert das Signal, das durch eine nächste Zeile
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erhalten wird.
Fig. 4 zeigt im Schnitt eine Ausführungsform der Einrichtung von Fig. 1. ,
In dieser Ausführungsform ist das Substrat 1 ein N-leitendes
Siliciumsubstrat und enthält N -dotierte Streifen 10 und 11,
die unter den Elektroden 46 bzw. 47 gelegen sind, um den elektrischen Kontakt zwischen dem Substrat und diesen Elektroden
zu erleichtern.
Die Elektroden 46 und 47 sind auf dem Substrat 1 in der In den Fig. 1 und 2 gezeigten Weise angeordnet.
Fig. 5 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform der Einrichtung
nach der Erfindung, in der die Elementardetektoren aus PN-Übergängen bestehen.
In dieser Ausführungsform ist das Substrat 1 beispielsweise N-leitend. Es enthält Streifen 12 und 13, deren Leitfähigkeit
von der des Substrats verschieden ist und die sich unter den Elektroden 46 bzw. 47 erstrecken, welch letztere in der in
-Flg. 1 und 2 gezeigten Weise angeordnet sind.
Wie zuvor sind die unter der Elektrode 47 gelegenen Streifen,
die jetzt mit der Bezugszahl 13 bezeichnet sind, N -dotiert.
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Die Streifen 12, die unter den Elektroden 46 gelegen sind, sind P -dotiert und mit der Minusklemme der Spannungsquelle
31 von Fig. 1 verbunden. Auf diese Weise wird auf der Höhe des P N -Überganges (Zone 12 bis Zone 13) eine an Majoritäts·
ladungsträgem freie Raumladungszone erzeugt, in der die oben angegebenen Modulationen der Leitfähigkeit empfindlichere
Auswirkungen haben werden.
Die unter den Elektroden gelegenen Streifen 12 und 13 sind,
wie in dem Fall von Fig. 4, stark dotiert, um die elektrischen Kontakte zu erleichtern.
Fig. 6 zeigt, ebenfalls im Schnitt, eine Variante der in Fig.
5 dargestellten Ausfuhrungsform, in der die Elementardetektoren zwar auch aus PN-Übergängen bestehen, in der aber eine der
Zonen aus dem Substrat 1 selbst besteht.
Fig. 6 zeigt wieder das Substrat 1 , das beispielsweise N-leitend
ist und auf der Wechselwi rkungs fläche die Elektrode 46 trägt, die mit dem Potential V über die Schaltung 3 verbunden ist, und
unter der Elektrode 46 den P -dotierten Streifen 12. Der andere Teil des Überganges besteht aus dem Substrat 1 , dessen untere
Fläche, nämlich die, die die Elektrode 46 nicht trägt, von einer ebenen Elektrode 48 bedeckt ist, welche auf dem Bezugspotential
gehalten wird.
Der elektrische Kontakt zwischen dem Substrat 1 und der Elektrode 48 kann, wie zuvor, durch eine Zone 14 mit höherer Leitfähigkeit
, d.h. durch eine
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erleichtert werden, d.h. durch eine N -dotierte Zone, die sich
-Y-
unter der Elektrode 48 erstreckt.
Fig. 7 zeigt noch eine weitere Aus füh rungs form der Einrichtung nach der Erfindung, in der die Elementardetektoren aus MOS
(Metall-Oxid-Halbleiter)- oder aus MIS(Metall-Isolator-Halbleiter)-Strukturen
bestehen.
Fig. 7 zeigt wieder das Substrat 1 , das hier beispielsweise P-leitend ist und auf der Wechselwirkungsfläche das Gitter von
Elektroden 46, das mit dem Potential V über die Schaltung 3 verbunden ist, und das Gitter von Elektroden 47 trägt, das mittels
einer P -dotierten Zone 48 auf dem Bezugspotential gehalten wird. Unter den Elektroden 46 und 47 trägt das Substrat 1
jeweils N -dotierte Streifen 15 und 16, die die Source- und die Drainelektroden von MOS-Transistoren bilden. Die Elektroden
46 und 47 sind an der Oberfläche des Substrats durch einen isolierenden Streifen 49 voneinander getrennt, der eine Elektrode
50 trägt, die die Gateelektrode der MOS-Transistoren bildet.
Wenn die Gateelektrode 50 der Transistoren positiv vorgespannt
ist, wird in herkömmlicher Weise eine Inversions zone 17 (N-Kanal) erzeugt, die das Feststellen der oben erwähnten Leitfähigkeitsmodulationen
gestattet.
Es sei angemerkt, daß die positive Vorspannung der Gateelektrode 50 in gewissen Fällen weggelassen werden kann, wenn elektrische
Ladungen an der Grenzfläche zwischen dem Isolator 49 und dem Halbleiter 1 vorhanden sind, die dann die Inversions zone 17 von
selbst erzeugen.
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ι
Leer
Leer
Claims (11)
1. Einrichtung zum elektrischen Lesen eines optischen Bildes, gekennzeichnet durch ein Piezowiderstands- und fotoleitendes
Substrat (1);
durch Vorrichtungen (2) zum Erzeugen einer elastischen Welle (S) mit der Frequenz (F), die die Form eines Impulses hat
und sich an der Oberfläche des Substrats (1) ausbreitet;
durch ein System von Elementardetektoren (4....4..), die in
A M
Zeilen, welche zu der Ausbreitungsrichtung (Ox) der elastischen
Welle parallel sind, auf einer Oberfläche, der Wechselwirkungsfläche, des Substrats (1) angeordnet sind, auf die das Bild
L projiziert wird, wobei die Detektoren (4 ...4. ) jeweils ein
r^
(Vl
elektrisches Signal liefern, das die örtliche Leitfähigkeit des
Substrats (1) unter der kombinierten Wirkung der elastischen Welle (S) durch den Piezowiderstandseffekt und der optischen
Energie des Bildes (L) durch den Fotoleitur»gseffekt darstellt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die
Elementardetektoren (4Α...41Λ einen Abstand voneinander haben,
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ORIGINAL INSPECTED
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der gleich der Wellenlänge (λ) der elastischen Welle (S) oder
gleich einem Vielfachen derselben ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elennentardetektoren (4a***\/i) Jewe^s aus einer
ersten Elektrode (46) und aus einer zu ihr parallelen zweiten Elektrode (47) bestehen, deren gegenseitiger Abstand (I) kleiner
als ein Viertel der Wellenlänge (λ) der elastischen Welle ist, die zu der Ausbreitungsrichtung (Ox) der elastischen Welle
(S) im wesentlichen normal sind und zwischen denen eine Potentialdifferenz (V) aufrechterhalten wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementardetektoren (4 .,.4 ) in Zeilen angeordnet sind
r^
IVI
und daß die ersten Elektroden (46) ein und derselben Zeile miteinander verbunden sind und auf diese Weise einen ersten
Kamm bilden und daß die zweiten Elektroden (47) ebenfalls untei—
einander verbunden sind und einen zweiten Kamm bilden, der interdigital mit dem ersten angeordnet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige der Kämme, dessen Potential als Bezugspotential gewählt
ist, zwei benachbarten Zeilen gemeinsam ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementardetektoren (4....4 ) jeweils aus einem PN-
r^
IVI
Übergang bestehen, der zwei Zonen (12, 13) von entgegengesetzter
Leitfähigkeit aufweist, die an der Wechselwirkungsfläche
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gebildet sind, wobei der PN-Übergang mit Hilfe von zwei
auf der Wechselwirkungsfläche angebrachten elektrischen Kontakten (48, 47) in Sperrichtung vorgespannt ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elementardetektoren (4- ...4 ) jeweils aus einem PN-
v A M
Übergang bestehen, welcher eine Zone (12) mit einem Leitungstyp, der dem des Substrats (1) entgegengesetzt ist, an der
Wechs elwi rku ngs fläche aufweist und mittels eines elektrischen Kontaktes (46), der auf der Zone angeordnet ist, und mittels
einer Elektrode (48), die allen Detektoren gemeinsam ist und auf der zu der Wechs elwi rku ngs fläche entgegengesetzten Fläche
des Substrats (1) angeordnet ist, in Sperrichtung vorgespannt ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementardetektoren jeweils aus einem MIS- oder
MOS-Feldeffekttransistor bestehen, welcher auf der Wechselwirkungsfläche
zwei Zonen (15, 16) aufweist, deren Leitungstyp dem des Substrats (1) entgegengesetzt ist und die durch
eine Gateelektrode (50) voneinander getrennt sind, welche auf das Substrat über eine Isolierschicht (49) aufgebracht ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein Element (3), das sequentiell die Zeilen auswählt,
wobei die Umschaltung der Zeilen in Synchronismus mit dem
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Aussenden der elastischen Welle S erfolgt.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die elastische Welle (S) eine derartige Dauer hat, daß sie auf der Wechselwirkungsfläche gleichzeitig
mehrere Elementardetektoren bedeckt.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat (1) aus Silicium, Germanium oder Galliumarsenid besteht.
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Applications Claiming Priority (1)
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