DE2716764B2 - Einrichtung zum elektrischen Lesen eines optischen Bildes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs I angegebenen Art zum elektrischen Lesen eines optischen Bildes.

Bei einer bekannten Einrichtung (DE-OS 24 61 561) wird der Piezowiderstandseffekt, der in gewissen Festkörpern auftritt und aus einer Modifizierung des spezifischen Widerstandes des Festkörpers unter der Einwirkung von mechanischen Spannungen, wie der Ausbreitung einer elastischen Welle, besteht, zum sequentiellen Lesen eines Bildes benutzt, das an eiiiem Raster von Fühlern als elektrische Information verfügbar ist und abgetastet wird. Ein als optische Information vorliegendes Bild läßt sich auf diese Weise nicht lesen.

Eine weitere bekannte Einrichtung (DE-OS 23 48 385), die zum elektrischen Lesen einer optischen Bildes dient, enthält ein piezoelektrisches Quarzsubstrat, einen fololeitenden Halbleiterfilm, einen Wandler, der eine Oberflächenschallwelle aufgrund eines elektrischen Signals erzeugt, das eine zwischen 100 kHz und 10 MHz veränderliche Frequenz hat und von einem Abtastfrequenzgenerator geliefert wird, und Einrichtungen zum Entnehmen eines Ausgangssignals, die aus zwei Kontakten bestehen, welche beiderseits des Halbleiterfilms angeordnet sind. Bei dieser Einrichtung wird somit zwar ein Halbleiterfilm benutzt, es ist jedoch nicht zu erkennen, ob von dem Piezowiderstandseffekt Gebrauch gemacht wird oder ob die Wahl des Halbleiterfilms und dessen Dicke überhaupt die Ausnutzung des Piezowiderstandseffekts gestatten würde. Ferner wird aus dem Ausgangssignal die räumliche Fourier-Transformierte des zu lesenden optischen Bildes erzeugt. Dieses Verfahren ist aufwendig, denn zur Erzielung der Fourier-Transformierten ist es erforderlich, eine elastische Welle mit veränderlicher Frequenz zu benutzen und die an den Kontakten entnommenen Ausgangssi-

gnale in einem phasensynchronen Detektor zu verarbeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, mit der sicH ein optisches Bild mit geringerem Aufwand elektriscn lesen läßt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfinduag durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Gemäß der Erfindung wird die Oberfläche des Substrats mit der elastischen Welle mit definie ter Frequenz und in Form eines Impulses abgetastet und dabei die Leitfähigkeit des Substrats durch den Piezowiderstandseffekt mit einer räumlichen Frequenz moduliert, die der definierten Frequenz entspricht. Gleichzeitig wird das Bild auf diese Oberfläche projiziert und durch Fotoleitungseffekt wird die Leitfähigkeit des Substrats in Abhängigkeit von der Beleuchtung räumlich moduliert. Die Elementardetektoren liefern dann sequentiell ein elektrisches Signai, weiches die Leitfähigkeit in jedem Punkt des Substrats darstellt und aus der kombinierten Wirkung des Piezowiderstandseffefcts und des Fotoleitungseffekts resultiert. Das optische Bild wird also punktweise abgetastet, was mit wesentlich weniger Aufwand durchführbar ist ais die Bildung der Fourier-Transformierten. Da die benutzte elastische Welle eine einzige definierte Frequenz besitzt, ist auch kein Frequenzgenerator mit veränderlicher Ausgangsfrequenz erforderlich.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. I das Schema einer Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Einzelheit von Fig. I,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 Elemcntardetcktoren mit Hilfe von PN-Übergängen hergestellt sind und

F i g. 7 noch eine weitere Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung, in der die Elementardetekloren mit Hilfe von MOS- oder M IS-Strukturen hergestellt sind.

In Fig. 1 ist ein piezowiderstandsbehaftclcs und fotolcitendes Substrat 1 dargestellt, das aus Silicium, Germanium oder Galliumarsenid (AsGa) besteht und auf dem angeordnet sind:

— Vorrichtungen 2 zum Erzeugen einer elastischen Welle an de_yr Oberfläche des Substrats I in einer Richtung Ox.und

— Elementardetektoren, die in M Zeilen angeordnet sind, welche zu der .v-Richtung parallel und mit 4.,, 4ß.. .4λ(bezeichnet sind.

Die Vorrichtungen 2 zum Erzeugen 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 Signals 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 I in der Richtung öJausbreitet, welche zu den Zinken der Elektroden 2i und 23 normal ist.

Die Vorrichtungen 2 zum Erzeugen einer elastischen Welle können auch 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 χ-Achse normal ist.

In der Ausführungsform von F i g. 1 bestehen die Elementardetektoren jeweils aus zwei j/arallelen Elektroden, die in größerem Maßstab F i g. 2 zeigt. In F i g. 2 sind fünf Elementardetektoren 41, 42, 43,44 und 45 der Zeile 4« dargestellt, die jeweils aus zwei Elektroden 46 und 47 bestehen, welche zu der x-Richtung orthogonal und durch einen Abstand / voneinander getrennt sind, der viel kleiner ist als die Wellenlänge λ der elastischen Welle, die sich in der Richtung Öx ausbreitet Ein typischer Wert für den Abstand / 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 3t verbunden, die eine Spannung Vliefert (Fi g. 1). Die Elektroden 47 bilden in derselben Weise einen Kamm, der auf dem Bezugspoteniial gehalten wird. Vorzugsweise werden die Elektroden 46 und 47 aus einem lichtdurchlässigen oder halblichtdurchlässigen Metall (beispielsweise polykristallinem Silicium) gebildet, das den optischen Zugang zu der empfindlichen Oberfläche erleichtert.

Die Detektoren 41 ... 45 sind durch einen konstanten Abstand voneinander getrennt, der gleich A ist. wie in F i g. 2 dargestellt, oder der gleich einem Vielfachen von A ist, um die Phasenbedingungen für die Elemcntarerfassungen einzuhalten.

Das zu lesende Bild wird auf die die A/ Zeilen von Detektoren tragende Oberfläche des Substrats I. die die Wechselwirkungsfläche bildet, projiziert, was durch die Pfeile L symbolisch dargestellt ist.

Das Lesesignal Pwird von der Schaltung 3 geliefert.

Die Einrichtung 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 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 I durch Piezowiderstandseffekt.

Bekanntlich besteht der Piezowiderstandseffekt aus einer Modifizierung der Leitfähigkeit des Substrats unter der Einwirkung von mechanischen Spannungen. Wenn ein durch einen Eleinentardetektor fließender Strom / 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:

wobei G der Eichfaktor ist, der das das Substrat bildende Material kennzeichnet, und wobei ρ die Leistungsdichte der elastischen Oberflächenwelle ist.

Die Elementardelektoren, die mit den Klemmen einer Spannungsqueile V verbunden sind, d. h. von denen die Elektrode 46 mit der negativen Klemme verbunden ist, wenn das Substrat 1 ein N-Ieitendes 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 Bildes /. ergibt.

In dem Ausdruck (1) ist dann nämlich der Strom /ein in Fotostrom, welcher von der Beleuchtungsleistung J abhängig ist. Wenn der Dunkelstrom vernachlässigt wird, gilt /=a V], wobei λ ein Proportionalitätsfaktor ist, der insbesondere von dem Material abhängig ist, aus welchem das Substrat besteht. Für den Wert des Stroms ι ί /mit der Frequenz F. der von einem Detektor geliefert wird, gilt somit:

/ = \ VJ ■ Ο ■ (2.7 ■ /■" ·/))' ^:

(2)

Fig. 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 bei der Frequenz F eliminiert.

Das Signal Pstellt sich wie ein Signal der Periode T (die Periode 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 F i g. 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 rdes Signals S.

Wenn die elastische Welle 5 eine Dauer τ = kT hat, steilt das Signal Pdie 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 F i g. 2 und 3a, ist der Fall k=5 dargestellt und die Ausdehnung eines Bildpunktes gezeigt: Länge Li = k ■ λ und Breite L₁, die vorzugsweise gleich Lt ist. Wenn die Zeilen 4a ... ^m jeweils aus π Elementardetektoren bestehen, ist das Bild durch N= n/k Punkte pro Zeile definiert.

Gemäß F i g. 3b entspricht die Länge OB einer Dauer 77 ( = kT) und die Länge OC einer Dauer N ■ τ,ά. 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 4a ... ^m 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 Voder aber auf der Höhe der Signale der Frequenz Ferfolgen.

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 erhalten wird.

Fig.4 zeigt im Schnitt eine Ausführungsform der Einrichtung von F i g. 1.

55

t,o

b5 In dieser Ausführungsform ist das Substrat 1 ein N-Ieitendes 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 F i g. 1 und 2 gezeigten Weise angeordnet.

F i g. 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-Ieiiend. 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 Fig. 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.

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 Majoritätsladungsträgern 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 F i g. 4, stark dotiert, um das Herstellen der elektrischen Kontakte zu erleichtern.

F i g. 6 zeigt, ebenfalls im Schnitt, eine Variante der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform, in der die Elementardetektoren zwar auch aus PN-Übergängen bestehen, in der aber eine der Zonen aus dem Substrat 1 selbst besteht.

F i g. 6 zeigt wieder das Substrat 1, das beispielsweise N-!eitend ist und auf der Wechselwirkungsfläche 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.

Das Herstellen des elektrischen Kontakts zwischen dem Substrat 1 und der Elektrode 48 kann, wie zuvor, durch eine Zone 14 mit höherer Leitfähigkeit erleichtert werden, d. h. durch eine N +-dotierte Zone, die sich unter der Elektrode 48 erstreckt.

F i g. 7 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Einrichtung, in der die Elementardetektoren aus MOS(Metall-Oxid-Halbleiter)- oder aus MIS(Metall-Isolator-Halbleiter)-Strukturen bestehen.

F i g. 7 zeigt wieder das Substrat 1, das hier P-Ieitend 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 bzw. 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

Inversionszone 17(N-Kanal) erzeugt, die das Feststellen der obenerwähnten 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 Inversionszone 17 von selbst erzeugen.

Hierzu 3 Bkitt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum elektrischen Lesen eines optischen Bildes, mit einem Substrat, mit Vorrichtungen zum Erzeugen einer sich an der Oberfläche des Substrats ausbreitenden elastischen Welle und mit Einrichtungen zum Entnehmen des elektrischen Lesesignals, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) piezowiderstandsbehaftet und fotoleitend ist, daß die Vorrichtungen (2) zum Erzeugen einer elastischen Welle (S) diese mit einer definierten Frequenz (F) und in Form eines Impulses erzeugen, und daß die Einrichtungen zum Entnehmen des elektrischen Lesesignals aus einem System von Elementardetektoren (4_A ... 4_M) bestehen, die in Zeilen, welche zu der Ausbreitungsrichtung (Ox) der elastischen Welle parallel sind, auf der die Wechselwirkungsfläche des Substrats (1) bildenden Oberfläche angeordnet sind, auf die das Bild (L) projiziert wird, und jeweils ein elektrisches Signal liefern, das punktweise 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 Fotoleitungseffekt darstellt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementardetektoren (4λ ... 4m) einen Abstand voneinander haben, der gleich der Wellenlänge (A) der elastischen Welle (S)oder gleich einem Vielfachen derselben ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemenlardelektoren (4λ - · · 4m) jeweils 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 (A) der elastischen Welle ist, die zu der Ausbreitungsrichlung (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^ ... 4m) in Zeilen angeordnet sind 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 untereinander 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 Elementardetcktoren (4λ ... 4m) jeweils aus einem PN-Übergang bestehen, der zwei Zonen (!2, 13) von entgegengesetzter Leitfähigkeit aufweist, die an der Wechselwirkungsfläche gebildet sind, wobei der PN-Übergang mittels zwei auf der Wechselwirkungsfläche angebrachter elektrischer Kontakte (46, 47) in Sperrichtung betrieben wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementardetektoren (4_A... 4_M) jeweils aus einem PN-Übergang bestehen, welcher eine Zone (12) mit einem Leitungstyp, der dem des Substrats (1) entgegengesetzt ist, an der Wechselwirkungsfläche 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 ^r> Wechselwirkungsfläche entgegengesetzten Fläche des Substrats (1) angeordnet ist, in Sperrichtung betrieben wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementardetektoren je-

Hi weils 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

ι > sind, weiche 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

.?ii Zeilen in Synchronismus mit dem Aussenden der elastischen Welle ^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

.'"i Wechselwirkungsfläche gleichzeitig mehrere EIemeruardetektoren bedeckt.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Silicium, Germanium oder Galliumarsenid besteht.