DE2533220A1

DE2533220A1 - Optischer zeilenabtaster

Info

Publication number: DE2533220A1
Application number: DE19752533220
Authority: DE
Inventors: Eric Gung-Hwa Lean
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-08-23
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1976-03-04
Also published as: IT1039029B; GB1486509A; FR2282681A1; US3903364A; JPS5138919A; CH597733A5; CA1024646A; FR2282681B1; JPS5524830B2

Description

Böblingen, den 23. Juli 1975 pr-sz

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 973 020 2533220

Optischer Zeilenabtaster

Die Erfindung betriff^ einen optischen Zeilenabtaster zum Umwandeln eines optischen Musters in elektrische Signale.

Auf vielen Gebieten der Technik, beispielsweise auf dem Gebiete der automatischen Zeichenerkennung, sind optische Abtaster erforderlich, die zu identifizierende Muster entweder gleichzeitig oder zeilenweise Punkt für Punkt abtasten und in in zeitlicher Aufeinanderfolge auftretende elektrische Signale verwandeln. Diese elektrischen Signale können anschließend entweder dazu benutzt werden, das optische Muster zu reproduzieren oder sie werden elektronischen Analysierschaltungen zugeführt, um das oder die optischen Muster zu identifizieren. Optische Abtaster sind in vielfacher Ausführung vom Lichtpunktabtaster mit Fernsehraster erzeugenden Kathodenstrahlröhren bis zum Festkörperabtaster nach dem Prinzip der optisch" akustischen Umwandlung zum Ändern akustischer Signale in Abhängigkeit von optischen Mustembekannt geworden.

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In den zuletzt genannten- Abtastern wird das umzuwandelnde Bild einem opti sch -akustischen Umsetzer aufgeprägt, während von einem ersten akustischen Wandler ausgehende Folgen akustischer Impulse sich innerhalb des Umsetzers fortpflanzen. Die Amplitude der akustischen Impulse wird durch die Amplitude des dem Umsetzer aufgeprägten Lichtes moduliert. Ein zweiter akustischer Wandler setzt die modulierten akustischen Impulse in elektrische Signale um, deren Amplituden die Konfiguration des aufgeprägten optischen Musters repräsentieren. Um ein optisches Signal mittels des erwähnten Abtasters in ein elektrisches Signal umzuwandeln, muss das optische Signal zuerst in akustische Signale umgewandelt werden und die akustischen Signale danach in elektrische Signale. Das elektrische Signal wird sodann auf den Eingangswandler zurückgeführt und mehrmals durch den Umsetzer zirkuliert während das gleiche optische Bild den akustischen Impulszügen überlagert wird. Diese Konfiguration verlangt die wiederholte Aufprägung des optischen Musters auf den Umsetzer, um eine annehmbare Auflösung zu erzielen. Das Wiederaufprägen des Signals ist zeitraubend und .reduziert-damit den Wirkungsgrad des Umsetzers erheblich, Zusätzlich Aastet ©.tee I&setewsSchung des sich fortpflanzenden akustischen Signals dödutesli stiStt, etess bei dieser Anordnung die fötoleitende Schicht den akustisdaaa $5&s& t

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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen optischen Festkörper-Zeilenabtaster anzugeben, der eine direkte Umwandlung optischer Muster in elektrische Signale ermöglicht. Als Vorteil des zu beschreibenden erfindungsgemäßen optischen Zeilenabtasters wird angesehen, dass die Auflösung von den akustischen Impulsen unabhängig ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen optischen Zeilenabtaster zum Umwandeln eines optischen Musters in elektrische Signale gelöst, der gekennzeichnet ist durch eine Vielzahl von parallelen Streifen gleicher Breite und Dicke aus einem magnetoresistiven Material, die in untereinander gleichen Abständen auf einem Substrat aus einem Material mit geringer akustischer Dämpfung angeordnet und an einem Ende mit einer elektrisch leitenden Platte verbunden sind, durch eine die einen Enden der Streifen bedeckende fotoleitende Schicht, durch eine transparente Elektrode, die über der fotoleitenden Schicht angeordnet und mit einer Quelle elektrischer Energie verbunden ist, durch einen auf dem Substrat angeordneten akustischen Wandler und durch einen mit den anderen Enden der Streifen verbundenen Detektor,

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 IiBe Draufsicht auf einen gleichstromgekoppelten optischen

Fig. 2 Eiftea Qaertetiöitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1

Fig. 3 lin Ersatzschaltbild des in Fig. 1 dargestellten Zeilenabtaste

Fig. 4 line Braufsieht auf einen wechselstroragekoppölten Zeilenabtaster

Fig. 5 Einen Scfimitt entlang der linie 5-5 in Fig. 4

Fig. 6 Ein, Ersatzschaltbild des in Fig. 4 dargestellten Abtasters

Fig. 7 Bier Abbildung eines optischen Musters auf den Abtaster

Fig. 8 Die Ausgangs spannung für die in Fig. 7 dargestellten Ver-

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Eine Ausführungsform eines Zeilenabtasters mit hohem Auflösungsvermögen ist in den Fign. 1 und 2 dargestellt. Eine Mehrzahl von magnetoresistiven Streifen 20 mit einer Breite a, einem gegenseitigen Abstand b und einer Dicke t ist auf einem Substrat angeordnet, das beispielsweise aus gegossenem Quarz bestehen kann. Neben Quarz kann auch ein anderes Material verwendet werden, das ähnlich geringe akustische Verluste aufweist, wie beispielsweise Glas. Ein Ende eines jeden der Streifen 20 ist mit einer leitenden Platte 22 von der Breite χ verbunden. Die Abstände zwischen den leitenden Platten 22 sind ebenfalls gleich x. Die Abmessungen und gegenseitigen Abstände der leitenden Platten 22 bestimmen das Auflösungsvermögen für das elektrische Ausgangssignal der Anordnung. Beispielsweise wurden bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einer Grosse χ = 0,125 mm befriedigende Ergebnisse für einen Seitenleser erzielt. Die Grosse χ kann jedoch auch kleiner oder grosser gewählt werden, in Abhängigkeit von der typischen Grosse der hellen und dunklen Bereiche auf einem zu verarbeitenden Aufzeichnungsträger.

Ueber den leitenden Platten 22 ist eine Schicht von fotoleitendem Material 24 angeordnet, deren Breite sich nach der Breite einer Zeile auf einem bedruckten Aufzeichnungsträger richtet. Die Anbringung des foto-

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leitenden Materials 24'über den Platten 22, jedoch nicht über dem akustischen Pfad, ergibt den Vorteil, unnötige akustische Dämpfung zu vermeiden, die von einem sich über den akustischen Pfad erstreckenden Ibtoleiter verursacht würde. Im übrigen wird die Auflösung unabhängig von der Breite der Akustischen Impulse und hängt letztlich nur von der Grosse der leitenden Platten 22 ab.

Auf der fotoleitenden Schicht 24 ist eine¹ transparente Elektrode 32 angeordnet, die mit einer Konstantspannungsquelle 26 verbunden ist. Die fotoleitende Schicht 24 arbeitet wie eine Vielzahl von Schaltern, die in hellen Bereichen eines dem Abtaster aufgeprägten optischen Bildes schliessen und die Elektrode 32 mit den, leitenden Platten 22 verbinden, und die in den dunklen Regionen geöffnet bleiben. Bei Aufprägen des optischen Bildes auf den Abtaster kann jede konventionelle Technik benutzt werden, wie beispielsweise das direkte Auflegen des Aufzeichnungsträgers auf den Abtaster und Belichtung mit einem fokussierten Lichtstrahl von der Rückseite, oder die Benutzung einer Linsenkombination, wenn eine Vergrösserung des Bildes erwünscht ist.

Die Streifen 2.Q sind wie erwähnt einseitig mit den leitenden Platten 22

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verbunden. Mit ihrem anderen Ende sind sie an eine Sammelleitung 28 an-

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geschlossen, die an einen Ladungs-Detektor 30 geführt ist. Der Ladungs-Detektor 30 kann aus einem Widerstand in Verbindung mit einem Operationsverstärker oder einem andern bekannten Abtaster bestehen. Ein akustischer Wandler 27, der mit einem Impulsgenerator verbunden ist, ist in der Nähe der Streifen 20 auf dem Substrat 25 befestigt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Oberflächenwellen erzeugender akustischer Wandler verwandt. Selbstverständlich kann auch ein solcher Wandler Verwendung finden, der Körperschall erzeugt.

Wenn der akustische Wandler 27 erregt wird, erzeugt er akustische Impulse in dem Substrat 25, die in der Richtung quer zur Längenausdehnung der Streifen 20 laufen und während der Zeit der Einwirkung in den Streifen 20 eine vorübergehende Widerstandsänderung erzeugen. Wenn also ein akustischer Impuls über das Substrat 25 läuft, werden nacheinander alle magnetoresistiven Streifen 20 einer Widerstandsänderung unterworfen, und es ergibt sich am Ausgang eine entsprechende Stromänderung, wenn der Fotoleiter-Schalter geschlossen ist. Das Durchlaufen des akustischen Impulses bewirkt, dass die Ausgangs signale sämtlicher Streifen 20 von dem Detektor 30 seriell erfasst werden- .

Das Ausgangssignal des Detektors 30 hat digitale Form und kann gespei-

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chert oder benutzt werden, um das optische Eingabemuster zu reproduzieren.

In den Fign, 4 ttöd S ist ©in wechselstromgekoppeltes Ausführungsbeispiel eines Zeilenabtaiters gezeigt. Eine Wechselspannungsquelle 40 ist mit einer Grundplatte 42 verbunden, auf welcher eine Schicht dielektrischen Materials 44 i«f«ordnet 1st. Das dielektrische Material 44 befindet sich somit zwischen den leifeßdin Platten 22 und der Grundplatte 42. Die Ausgangsenden der Streifen 20 sind mit Platten 45 verbunden. Eine dielektrische Schicht 48 erstreckt sich über den Platten 45 und koppelt das Ausgangssignal flljttr elfte Opazität 46 auf den Detektor 30.Die übrige Struktur ist die gleiche w4@ .iffl Zasammerihang mit den Fign. 1 und 2 beschrie-" ben.

Fig. 6 zeigt das Ersatzschaltbild für den wechselstromgekoppelten Zeilenabtaster. Die Koppe !kapazitäten sind gegeben durch

Die Kapazität C₀ ist bestimmt durch das geschichtete dielektrische Mate-■s

rial 44, dessen Dielektrizitätskonstante 6 und Dicke t sind, und die

s s

Kapazität C_n hängt mit der dielektrischen Schicht 48 am Ausgang zusammen, deren Dielektrizitätskonstante £, und deren Dicke t_o sind. Die Fläche der

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leitenden Platten 22 und 45 ist mit χ bezeichnet. R_n ist der zur Kapa·

zität C_n parallel liegende Verlustwiderstand. B

Wenn auf dem Zeilenabtaster eine Stelle beleuchtet ist, wird die Kapazität C₀ mit einer Zeitkonstanten R_DC_C von der angelegten Spannung aufgeladen. Um zu vermeiden, dass eine Aufladung bei der Abtastung einer dunklen Stelle eintritt, muss die Zeitkonstante (R_p + 2R) CV2 des Nebenschluss-Zweiges wesentlich grosser sein als die Zeitkonstante R_pC Wenn die Kapazität C_c aufgeladen ist, erzeugt die durch die Einwirkung des akustischen Abtastimpulses auf den magnetoresistiven Streifen bewirkte Widerstandsänderung AR»,,, ein schnelles Wechselstromsignal im

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Abtastkreis, das eine Zeitkonstante R C CV (C_c+C ) aufweist. Damit die wechselstromgekoppelte Anordnung richtig arbeiten kann, müssen die Zeitkonstanten der einzelnen Pfade sorgfältig gewählt werden, indem man ein dielektrisches Material wählt, dessen Dielektrizitätskonstante und Dicke den entsprechenden Zeitkonstanten angepasst sind. Im übrigen sind die Arbeitsweisen der wechselstromgekoppelten Anordnung und der gleichstromgekoppelten Anordnung identisch, wie weiter unten ausgeführt wird.

Wenn eine Linie eines optischen Bildes mit einer Punktauflösung X auf die fotoleitende Schicht 24 fällt (Fign. 3 und 7), wird an der beleuchteten

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Stelle der Widerstand R der fotoleitenden Schicht 24 herabgesetzt, so dass von der Elektrode 32 durch den Fotoleiter 24 zu der unter der Stelle liegenden Platte 22 Strom fliesst. Dieser Strom durchmesst die mit der leitenden Platte 22 verbundenen magnetoresistiven Streifen 20 sowie die Sammelleitung 28 und wird durch den Detektor 30 abgefüllt.

Der Wandler 2 7 erzeugt akustische Impulse im Substrat 2 5, die sich senkrecht zu den Streifen 20 fortpflanzen. Wenn ein durchlaufender akustischerImpuls auf einen beleuchteten magnetoresistiven Streifen 20 trifft, erzeugt er eine Widerstandsänderung AR während der Einwirkungszeit Δ Τ und induziert eine Stromänderung ΔΙ, die durch Beobachtung des Spannungί abfalls über dem Ausgangswiderstand R abgetastet werden kann.

Die Werte für die Schaltelemente des Ersatzschaltbildes der Fig. 3 ergeben sich wie folgt: 1 *p

^Rp - σ 2

R = p —

MR ^ a

-". ε ²

worin R der veränderliche fotoleitende Widerstand zwischen der transpa

2 rentenElektrode 32 und der leitenden Platte 22 mit ihrer Fläche χ ist. Die Grosse des Widerstandes R_n ist bestimmt durch die Leitfähigkeit er

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des Fotoleiters, die von der Lichtintensität am beleuchteten Punkt und von der Dicke t der Fotoleiters abhängt. R_MR ist der Widerstand der einzelnen magnetoresistiven Streifen 20 und ist bestimmt durch den Flächen widerstand ^> , die Länge Z und die Breite der Streifen 20. C_p ist die Kapazität der fotoleitenden Schicht 24 zwischen der Elektrode und der leitenden Platte 22. C_p hängt von Dielektrizitätskonstante S ,

der Dicke t der Fotoleiterschicht 24 und der Fläche χ der Platte 22 ab. P

Fig. 8 zeigt die Spannungsverteilung über dem Ausgangswiderstand R . Während des Zeitabschnitts T wird der Fotoleiter 24 an einer beleuchteten Stelle leitend und arbeitet als Schalter, wobei er die Elektrode 32 mit dem Streifen 20 unterhalb der beleuchteten Stelle verbindet. Ein

Strom !.,„ fliesst durch den Streifen 20 und den Ausgangswiderstand R-, MK

wobei die Spannung über dem Widerstand R_ bis gegen die Elektrodenspannung V„_ ansteigt.

Während des Zeitabschnitts T_ wirkt der vom akustischen Wandler 27 ausgehende akustische Impuls auf den Streifen 20 ein und bewirkt einen Anstieg des Streifenwiderstandes um ^R und eine entsprechende Verringerung des Stromes um Al.._D. Die Zunahme des Widerstandes um

M.K

_11n vergrössert den Spannungsabfall über dem Streifen 20 und verur-MK

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sacht eine Abnahme der Spannung über dem Widerstand R . Unter der Annahme, dass* die Elnjschaltzeit T des Fotoleiters 24 gleich der Zeitkonstanten RpC *=■ 200 /as ist, die Breite der magnetoresistiven Streifen 2 0

a = 0,025 mm, der Abstand zwischen den Streifen 20-'b = 0,25 mm und die Breite der vom Wandler 27 ausgehenden akustischen Impulse ^t =20 ns sind und die Geschwindigkeit des akustischen Impulses 5 kmfs beträgt, so erzeugt der Impuls Spannungsimpulse im Ausgangswiderstand R von 25 ns Breite, jeweils wenn er auf einen Streifen 20 trifft. In Fig. 7 sind die Streifen 1 und 4 leitend, da die mit ihnen verbundenen Platten 22 über hellen Stellen des Dokumentes liegen, während die Streifen 2 und 3 nichtleitend bleiben. In Fig. 8 ist der Zeitabschnitt T„, der sich auf die Abtastzeit des akustischen Impulses bezieht, auseinandergezogen dargestellt Es ist daraus ersichtlich, dass zu den Zeiten 1 und 4 , zu denen der akustische Impuls auf die Streifen auftrifft, Spannungsimpulse von 25 ns Breite auftreten, während bei 2 und 3 keine Impulse auftreten. Die Spannungsimpulse können mit einem geeigneten Detektor, wie beispielsweise einem Operationsverstärker, abgefüllt werden und dazu dienen, das optische Eingangsmuster zu rekonstruieren. Während des Zeitabschnitts T schaltet der Fotoleiter ab und wird für die nächste Zeilenabtastung zurückgesetzt.

Die Auswahl eines Fotoleiters, dessen Zeitkonstante kleiner ist als die

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zum Lesen einer Zeile auf einem bewegten Dokument benötigte Zeit, befähigt den Zeilenabtaster die gesamte Seite zu lesen. Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Sammelleitung 28, die zu einem gemeinsamen Detektor 30 führt, durch je einem Streifen 20 zugeordnete Detektoren ersetzt werden kann.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Optischer Zeilenabtaster zum Umwandeln eines optischen Musters in elektrische Signale, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von parallelen Streifen (20) gleicher Breite aus einem magnetoresistiven Material, die in untereinander gleichen Abständen auf einem Substrat (25) aus einem Material mit geringer akustischer Dämpfung angeordnet und an einem Ende mit je einer elektrisch leitenden Platte (22) verbunden sind, durch eine die einen Enden der Streifen (201 bedeckende fotoleitende Schicht (24), durch eine transparente Elektrode (32), die über der fotoleitenden Schicht (24) angeordnet und mit einer Quelle elektrischer Energie (26, 40) verbunden ist, durch einen auf dem Substrat (25) angeordneten akustischen Wandler (27) und durch einen mit den anderen Enden der Streifen (20) verbundenen Detektor (30).

2. Optischer Zeilenabtaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Wandler (27) zum Erzeugen von sich in und/oder auf dem Substrat (25) senkrecht zur Längsausdehnung der magnetoresistiven Streifen (20) fortpflanzenden Schallwellen ausgebildet ist.

3. Optischer Zeilenabtaster nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Streifen (20) mit ihren zweiten Enden mit je einer zweiten Platte (45) verbunden sind.

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4. Optischer Zeilenabtaster nach den Anspruchenl bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Enden der Streifen (20) mit einer Sammelleitung (28) verbunden sind, an die ein Detektor (30) angeschlossen ist.

5. Optischer Zeilenabtaster nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Platten (45) mit einer dielektrischen Schicht (48) bedeckt sind, an welche ein Detektor (30) kapazitiv (46) angekoppelt ist.

6. Optischer Zeilenabtaster nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitigen Abstände der Platten (22, 45) sowie ihre Breiten gleich groß sind.

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