DE2513210A1

DE2513210A1 - Elektrische bildleseeinrichtung

Info

Publication number: DE2513210A1
Application number: DE19752513210
Authority: DE
Inventors: Alain Bert
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1974-03-26
Filing date: 1975-03-25
Publication date: 1975-10-02
Also published as: US4025954A; DE2513210C2; FR2266395B1; JPS50131416A; GB1501427A; FR2266395A1

Description

75008 PARIS / Frankreich

Uns er Zeichen: T 1752

" Elektrische Bildleseeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Bildleseeinrichtung, welche die räumliche Verteilung der empfangenen Lichtenergie in eine Modulation eines elektrischen Signals umsetzt.

In der Aufnahmetechnik, zum Beispiel der Fernsehaufnahmetechnik, sind verschiedene Systeme bekannt und von diesen wird für gewöhnlich die Vidikon-Röhre verwendet. Bekanntlich enthält eine solche Röhre insbesondere eine photoleitende Signalplatte, auf die das Bild projiziert wird,und ein

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Elektronenbündel erlaubt durch punktweises Abtasten der Signalplatte das Lesen des Bildes, d.h. die Umsetzung desselben in ein moduliertes elektrisches Signal. Nachteilig ist bei solchen Systemen eine grosse Komplexität und ein grosser Platzbedarf, die sich insbesondere durch die elektronische Abtastung ergeben.

Die Erfindung schafft eine Bildleseeinrichtung, welche die Vermeidung dieser Nachteile ermöglicht, und zwar durch die Verwendung einer beispielsweise während ihrer Aussendung durch die räumliche Verteilung des empfangenen Lichtes modulierten elastischen Welle, die danach in herkömmlicher Weise in ein das Lesesignal darstellendes elektrisches Signal umgesetzt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:

Die Fig. 1 und 2 Erläuterungsschemata,

die Fig. 3 und 4 im Schnitt bzw. in Draufsicht eine

Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 5 eine Erläuterungskurve, und

die Fig. 6 bis 8 abgewandelte Ausführungsformen der

Einrichtung nach der Erfindung.

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In den Fig. 1 und 2 sind Schemata dargestellt, welche die

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Wirkungsweise der Erfindung veranschaulichen. Diese Figuren zeigen im Schnitt: ein Substrat 1, welches aus einem nichtpiezoelektrischen Material besteht, auf welches zwei interdigital angeordnete Kämme aufgebracht sind, von denen die Zinken 2 dargestellt sind, eine dünne Schicht 3 mit einer Dicke h aus einem piezoelektrischen Material, welches auf das Substrat 1 und die Zinken 2 aufgebracht ist. und in Fig. 2 eine elektrisch leitende Schicht 4, welche die Schicht 3 bedeckt.

Wenn man an die Klemmen des Wandlers 2 in den beiden Fällen (Fig. 1 und 2) eine elektrische Spannung anlegt, werden elastische Oberflächenwellen in herkömmlicher Weise erzeugt, die in der Grössenordnung von einer Wellenlänge der elastischen Wellen in das Innere des piezoelektrischen Materials 3 eindringen und somit zu dem Substrat 1 übertragen werden können. Indessen zeigt die Berechnung und bestätigt die Erfahrung, dass der wirkungsgrad der Einrichtung, d.h. das Verhältnis von in dem Substrat erzeugter mechanischer Energie zu der empfangenen elektrischen Energie sich mit der Dicke h der piezoelektrischen Schicht 3 ändert, aber in unterschiedlicher Weise je nach dem, ob die leitende Schicht 4 vorhanden ist oder nicht. So ist bei einer Dicke h in der Nähe von ττρτ , wobei λ die Wellenlänge der elastischen Welle ist, der Wirkungsrad der Einrichtung von Fig. 1 (ohne die Schicht 4) sehr klein, während der Wirkungsgrad der Einrichtung von Fig. 2 (mit der Schicht 4) durch ein Maximum geht.

Die Fig. 3 und 4 zeigen in Schnittansicht bzw. in Draufsicht eine Ausführungsform der Leseeinrichtung nach der Erfindung, bei welcher die oben beschriebene Eigenschaft ausgenutzt wird.

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Diese Einrichtung besteht hauptsächlich aus: dem nichtpiezoelektrischen Substrat 1, welches beispielsweise aus Glas, aus Saphir oder vorzugsweise aus Silizium besteht, zwei Elektroden 21 und 22 in Form von interdigital angeordneten Kämmen, die auf das Substrat 1 aufgebracht sind, der piezoelektrischen Schicht 3, die auf die vorgenannten Teile aufgebracht ist und beispielsweise aus Zinkoxid oder aber aus Cadmiumsulfid oder Lithiumniobat besteht, und einer photoleitenden Schicht 40, die auf den Teil der Schicht 3 aufgebracht ist, der den auf diese Weise gebildeten elektromechanischen Wandler T bedeckt. Die Einrichtung enthält ausser· dem einen auf das Substrat 1 aufgebrachten elektromechanischen Ausgangswandler S. Der Wandler S kann, wie als Beispiel in den Fig. 3 und 4 dargestellt, ebenfalls aus zwei Elektroden in Form von interdigital angeordneten Kämmen 23 und 24 gebildet sein, die durch die piezoelektrische Schicht 3 und eine elektrisch leitende Schicht 41, beispielsweise eine metallische Schicht, bedeckt sind. Er kann ausserdem durch dieselben Kämme 23 und 24 gebildet sein, die aber mit einer dickeren piezoelektrischen Schicht bedeckt sind (üblicherweise in der Grössenordnung von -τ ). Zur besseren Übersichtlichkeit der Fig. 4 sind die Schichten 40 und 41 gestrichelt dargestellt und sie haben als Beispiel jeweils eine unterschiedliche Form, wobei die Schicht 41 die Elektroden 23 und 24 in ihrer Gesamtheit überdeckt. Schliesslich sind an den Enden der Einrichtung Elemente 50 und 51 vorgesehen, welche die Schallwellen absorbieren, damit die Reflexion dieser Wellen an den Enden der Einrichtung nicht den Betrieb derselben stört.

Im Betrieb wird die zu lesende Licht- oder Bildinformation auf die photoleitende Schicht 40 projiziert, wie durch die Pfeile 6 in Fig. 3 angegeben, wodurch diese Schicht örtlich leitend gemacht wird. Wenn die Dicke h der Schicht

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etwa gleich -rrr gewählt wird, verhält sich die Einrichtung in den schwach beleuchteten Zonen wie die Einrichtung von Fig. 1, d.h. der Wirkungsgrad der Erzeugung von elastischen Wellen ist klein, und sie verhält sich in den stark beleuchteten Zonen wie die Einrichtung von Fig. 2, d.h. der Wirkungsgrad der Erzeugung von elastischen Wellen ist gross. Über die Klemmen A und B wird an die Kämme 21 und 22 eine Potentialdifferenz ν_ΛΟ angelegt, deren zeitliche Änderung in Fig. 5 angegeben ist: das Potential ν wird von dem Anfangszeitpunkt an langsam angelegt und bis zu einem Zeitpunkt t, aufrechterhalten, während das zu lesende Bild auf die photoleitende Schicht 40 projiziert wird, bis zu diesem Zeitpunkt t, werden statische mechanische Spannungen erzeugt, deren Amplitude somit von der örtlichen Beleuchtung abhängig ist. In dem Zeitpunkt t, wird die angelegte Potentialdifferenz ν_Λτ. Null und auf diese Weise wird eine sich in der piezoelektrischen Schicht 3 und dem Substrat 1 ausbreitende elastische Schwingung freigesetzt, die durch die räumliche Verteilung der Lichtenergie amplitudenmoduliert ist und deren Frequenz von der dem Wandler T gegebenen Geometrie abhängig ist. Diese elastische Schwingung wird durch den Ausgangswandler S in ein elektrisches Lesesignal umgesetzt, welches an den Klemmen C und D der Kämme 23 und 24 entnommen wird.

Es ist anzumerken, dass die bei der Ausführung der Wandler gewählte Anordnung der Schichten, d.h. die piezoelektrische Schicht 3, welche die photoleitende Schicht von den Kämmen trennt, ausserdem den Vorteil hat, dass sie selbst in Anwesenheit von Beleuchtung die Zinken der Kämme voneinander isoliert. Das drückt sich bei dieser Einrichtung durch die Tatsache aus, dass die elastische Welle mit grösserer Amplitude an den Stellen stärkerer Beleuchtung erhalten wird.

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Ihr Vorteil besteht darin, dass es nicht erforderlich ist, diskrete Bauelemente, hauptsächlich Widerstände, jedem der Zinken der Kämme zuzuordnen, um genau eine, zumindest vorübergehende, Relativisolierung zwischen diesen Zinken zu schaffen.

Ausserdem ist die dünne piezoelektrische Schicht 3, welche das gesamte Substrat 1 überdeckend dargestellt ist, nur zum Bilden der Wandler T und S erforderlich und sie kann zwischen ihnen unterbrochen sein, wobei die Unterbrechung vorzugsweise ohne scharfe Kante erfolgt, um die Reflexionen der elastischen Wellen zu verringern.

Schliesslich ist bei dieser Ausführungsform die Modulation der elastischen Welle während des Aussendens derselben durch das Lichtbild beschrieben worden. Es ist selbstverständlich gleichwertig, in herkömmlicher Weise eine elastische Welle zu erzeugen und sie dann während ihres Empfangs durch einen Wandler zu modulieren, der dann dem Wandler T der Fig. 3 und 4 analog ist.

Ein wichtiger Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass das Zeitintervall O-t, lang sein kann, so dass eine Integration der Einwirkungen des Lichtbildes auf die photoleitende Schicht 40 und infolgedessen eine grosse Empfindlichkeit ermöglicht wird«

Eine solche Einrichtung ermöglicht nicht das Lesen eines Bildes in seiner Gesamtheit, sondern ist insbesondere einem Lesesystem angepasst, bei welchem aufeinanderfolgende Zeilen gelesen werden, es ist dann erforderlich, ihm ein optisches oder mechanisches System zuzuordnen, mittels welchem der übrige Teil des Bildes abgedeckt werden kann.

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Fig. 5 zeigt nach dem Zeitpunkt t, zwischen zwei Zeitpunkten t_? und t eine Änderung des Potentials V_A , die der vorangehenden Änderung zwischen den Zeitpunkten O und t, analog ist und das Lesen einer folgenden Zeile durch die Einrichtung darstellt. Das Zeitintervall■t»-t ist ausreichend gross gewählt/ damit die durch die vorangehende Information erzeugten mechanischen Spannungen nicht das Lesen der folgenden Information stören.

In dem Fall, in welchem eine solche Einrichtung beim Fernsehen verwendet wird, besteht eine nicht dargestellte abgewandelte Ausführungsform darin, das Muster des Wandlers T so zu verändern, dass an den Enden jeder Zeile Synchronsignale erhalten werden: indem beispielsweise eines der Enden der Kämme mit einer metallischen Schicht bedeckt wird, deren Breite in Abhängigkeit von der für das Synchronsignal gewünschten Form gewählt wird.

Ein weiterer grosser Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie auf einem nichtpiezoelektrischen Substrat 1 hergestellt wird, was ermöglicht, einerseits sich von einem Teil der den piezoelektrischen Materialien immanenten technologischen Zwänge zu befreien, und andererseits, da das Substrat aus Silizium bestehen kann, die Einrichtung in eine Anordnung von integrierten Schaltungen einzufügen.

In den Figuren sind die Kämme 21 und 22 zwischen dem Substrat 1 und der piezoelektrischen Schicht 3 dargestellt, und die leitende Schicht 4 oder 40 ist auf der piezoelektrischen Schicht 3 dargestellt. Eine solche Reihenfolge ist in bezug auf die Positionen der Kämme und der leitenden Schicht nicht zwingend; diese können vertauscht werden ,wobei die Vertauschung zwei Arten von Vorteilen aufweist: einerseits kann das aus Silizium bestehende Substrat 1 auch die Rolle des Photoleiters

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übernehmen, wodurch die Schicht 40 beseitigt wird, und andererseits wird eine bessere Isolierung zwischen den Zinken der Kämme 21 und 22 erreicht.

Eine weitere Lösung zum Verbessern dieser Isolierung zeigt Fig. 6, in welcher die Wandler T und S von dem Substrat 1 durch eine isolierende Schicht 10 getrennt sind, welche in dem Fall, in welchem das Substrat 1 aus Silizium besteht, aus Siliziumoxid besteht. Eine solche Struktur arbeitet wie die in Fig. 3 beschriebene und ermöglicht die Verringerung der Verluste, die durch die Einwirkung des zwischen den Zinken der Kämme 21 und 22 vorhandenen Feldes auf das Silizium hervorgerufen werden.

Eine weitere Ursache für die Dämpfung der elastischen Welle können die Reflexionen derselben auf der Höhe der Zinken der Kämme sein: es ist dann selbstverständlich möglich, sie durch eine Änderung der Breite dieser Zinken zu kompensieren. Diese Änderung ist experimentell derart realisierbar, dass bei einer gleichmässigen Beleuchtung das erzielte Lesesignal keine Modulation aufweist.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung, bei welcher die piezoelektrischen und photoleitenden Materialien nicht mehr übereinander angeordnet sind. Diese Figur zeigt wieder das nichtpiezoelektrische Substrat 1, auf welchem die Wandler T und S mit ihrer piezoelektrischen Schicht angeordnet sind.Das Substrat 1 ist hinter den Wandlern T und S verlängert, um die photoleitende Schicht 40 aufzunehmen, die von der Schicht 3 getrennt ist. in Fig. 7 zu einander parallele metallische Streifen 42 bedecken nacheinander die Schicht 40, das Substrat 1 zwischen den Schichten 40 und 3 und die Schicht 3. Diese Streifen verfügen im Hinblick auf die Zinken der Kämme über dieselbe Teilung und über dieselbe Breite.

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Diese Einrichtung arbeitet analog den vorhergehenden: die Lichtenergie wird einzig und allein auf die photoleitende Schicht 40 projiziert (Pfeile 6), die Schicht 3 ist gegebenenfalls mit einem lichtundurchlässigen Schirm bedeckt und die Leitfähigkeitsänderung der Schicht 40 wird mittels der Streifen 42 zu der Anordnung aus dem Substrat 1 und dem Wandler T übertragen.

Die abgewandelte Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung hat einen doppelten Vorteil: zu allererst erfolgt bei ihr die Trennung der Funktionen der Erzeugung der elastischen Welle (Wandler T) und der Modulation dieser Welle (photoleitende Schicht 40), was insbesondere eine bequemere Einwirkung auf die verschiedenen Parameter der Einrichtung ermöglicht, ferner wird bei ihr jede Störung aufgrund des eventuell leicht photoleitenden Charakters des für die piezoelektrische Schicht 3 gewählten Materials, insbesonder Zinkoxid, vermieden. Schliesslich ermöglicht sie Informationsverarbeitungen bereits auf der Höhe der Bildaufnahme: zum Beispiel können durch Zusammenschluss von zwei oder mehr Streifen 42 Signale addiert werden.

Fig. 8 zeigt in Draufsicht eine abgewandelte Ausführungsform der Leseeinrichtung nach der Erfindung, welche das Erzielen eines zeitlich gedehnten Lesesignals mit Hilfe einer dispersiven Verzögerungsleitung ermöglicht. Fig. 8 zeigt wieder das Substrat 1, den Wandler T, der von einer photoleitenden Schicht 43 bedeckt ist, die hier die Anordnung der Kämme überdeckend dargestellt ist, und den Ausgangswandler S.

Die Einrichtung enthält ausserdem eine dispersive Verzögerungsleitungsstruktur, welche aus drei Rastern von Unterbrechungen

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61, 62 und 63 besteht, welche die elastischen Wellen im Verlauf ihrer Ausbreitung in dem Substrat 1 reflektieren. Diese Unterbrechungen bestehen in herkömmlicher Weise beispielsweise, aus in die Ausbreitungsfläche der Einrichtung eingravierte Rillen, die zueinander parallel und in zunehmenden oder abnehmenden Intervallen angeordnet sind. In dem in Fig. 8 dargestellten Fall sind z.B. vier dispersive Verzögerungsleitungen in Reihe geschaltet, wobei die höchsten Frequenzen in bezug auf die niedrigsten Frequenzen verzögert werden. Zu diesem Zweck nehmen die Intervalle von der Mitte der Einrichtung aus zu den Enden hin ab und die Wandler T und S erzeugen oder empfangen die elastischen Wellen im wesentlichen in der Mitte der Einrichtung. Die Unterbrechungen der verschiedenen Raster sind ausserdem geneigt und derart angeordnet, dass im Betrieb die von dem Wandler T ausgehenden Schallwellen von dem ersten Raster 61 zu dem zweiten Raster 62 reflektiert werden, der sie zu dem dritten Raster 63 reflektiert, welcher sie seinerseits zu dem Ausgangswandler S reflektiert, und dass ausserdem die Verzögerungsdifferenzen, die jeder der Raster zwischen den elastischen Wellen verschiedener Frequenzen hervorruft, sich addieren: hier legen die Wellen mit hoher Frequenz den längsten Weg zurück, da die am dichtesten benachbarten Unterbrechungen, die sie reflektieren, an der Peripherie der Einrichtung angeordnet sind.

Die Einrichtung enthält ausserdem an den äusseren Enden jedes Rasters Elemente 50 bis 55, die zur Absorption der elastischen Wellen dienen.

Diese besondere Ausführungsform der Erfindung ermöglicht, das Lesesignal zeitlich zu dehnen, wodurch es insbesondere den Fernsehsystemen angepasst wird, in welchen die übliche Abtastdauer sehr viel grosser ist als die Lesezeit, die

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insbesondere mit der Länge des Wandlers T verknüpft ist, bei den vorangehenden Ausführungsformen. Es ist indessen erforderlich, in diesem Fall der Einrichtung nach der Erfindung ein System zur Demodulation des erhaltenen Lesesignals zuzuordnen, dass dann in Form einer Aufeinanderfolge von Signalen mit zunehmenden Frequenzen vorliegt.

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Claims

Patentansprüche :

1.)Elektrische Bildleseeinrichtung, die ein moduliertes ^elektrisches Signal liefert, welches das Bildlesesignal darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein aus einem nichtpiezoelektrischen Material bestehendes Substrat und zwei elektromechanische Wandler aufweist, die eine elastische Welle in eine elektrische Welle umsetzen können und umgekehrt, dass einer dieser Wandler aus zwei interdigital angeordneten Kämmen, einer dünnen Schicht aus einem piezoelektrischen Material, die auf das Substrat gegenüber den Kämmen aufgebracht ist, und einer Schicht aus einem photoleitenden Material besteht, auf die das Bild projiziert wird, und dass das photoleitende Material mit den Kämmen nicht in Berührung ist und mit dem piezoelektrischen Material auf der Höhe der Kämme in elektrischem Kontakt* ist, wobei der Wandler so die Modulation der Welle vornimmt, die er erzeugt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Schicht eine Dicke von etwa einem Zwanzigstel der Wellenlänge der elastischen Welle hat.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Kämme zwischen dem Substrat und der piezoelektrischen Schicht in mechanischem Kontakt mit denselben angeordnet sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein elektrisches Signal empfängt und eine modulierte elastische Welle erzeugt.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite der Wandler zwei interdigital

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angeordnete Ausgangskämme, die mit Ausgangsverbindungen versehen sind, an denen das Lesesignal abgenommen wird, den Teil der piezoelektrischen Schicht, die diese Kämme bedeckt, und eine leitende Schicht aufweist, welche diesen Teil der piezoelektrischen Schicht bedeckt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die piezoelektrische Schicht nur auf die Kämme und auf den zweiten der Wandler erstreckt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch eine isolierende Schicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die Kämme und die piezoelektrische Schicht auf die isolierende Schicht aufgebracht sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Silizium besteht.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht aus Siliziumoxid besteht.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die photoleitende Schicht gegenüber den Kämmen auf die piezoelektrische Schicht aufgebracht ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die photoleitende Schicht auf dem Substrat ohne mechanischen Kontakt mit dör piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, dass der elektrische Kontakt mit der piezoelektrischen Schicht durch elektrisch leitende Streifen hergestellt ist, die parallel zu einander und zu den Zinken der Kämme angeordnet sind und sich ohne Unterbrechung über die photoleitende Schicht, das Substrat und

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die piezoelektrische Schicht erstrecken.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Streifen gegenüber den Zinken der Kämme angeordnet sind.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine dispersive Verzögerungsleitung, die auf dem Substrat zwischen dem Wandler und den Ausgangseinrichtungen angeordnet ist.

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