DE2657562A1

DE2657562A1 - Festkoerperbildabtaster

Info

Publication number: DE2657562A1
Application number: DE19762657562
Authority: DE
Inventors: Eric Gung Hwa Lean
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1976-12-18
Publication date: 1977-07-07
Also published as: JPS5282192A; GB1530928A; US4084189A

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörperbildabtaster mit einem piezoelektrischen Substrat und elektroakustischen und akustoelektrischen Wandlern.

Auf vielen Gebieten der Wissenschaft und der Technik ist die Abtastung, Erfassung und Auswertung von Helligkeitsverteilungen, wie Zeichnungen, grafischen Darstellungen, Texten oder Skalen von großer Wichtigkeit. Die ersten bekanntgewordenen Abtastvorrichtungen bestanden im wesentlichen aus Nipkowscheiben oder Elektronenstrahlröhren und waren daher sehr kompliziert, umfangreich, kostspielig und unter rauhen Betriebsbedingungen störanfällig. Die ersten bekanntgewordenen sogenannten Festkörperbildabtaster bestanden aus Fotozellenrastern, die bei relativ geringem Auflösungsvermögen ebenfalls sehr umfangreich und aufwendig waren. Die in neuerer Zeit bekanntgewordenen, ein wesentlich höheres Auflösungsvermögen und kleinere Abmessungen aufweisenden Fotodiodenraster konnten das für viele Anwendungen erforderliche Auflösungsvermögen nicht aufbringen und benötigten zudem besondere, relativ komplizierte Vorrichtungen zur Umwandlung der in Parallelform vorliegenden Informationen in eine mit nachrichtentechnischen Mitteln übertragbare serielle Darstellungsweise.

In den Literaturstellen "Echo Phenomenon in Piezoelectric Crystals" von Shiren, Physical Review Letters, Vol. 31, rir. 13,

709827/0928

September 24, 1973, Seiten 819 bis 822 und "Parametric Field Echoes in CdS" von Melcher, ebendort, Seiten 558 bis 560 wird das Vorliegen von Echos oder in Rückwärtsrichtung verlaufende¹¹ Wellen in piezoelektrischen Kristallen beschrieben. Melcher et al haben darauf hingewiesen, daß dieser Effekt bei optischen Abtastern zur Umwandlung von optischen Informationen in amplitudenmodulierte elektrische Hochfrequenzsignale zur Datenübertragung verwendet werden kann, siehe beispielsweise US-Anmeldung Seriennummer 643 971. Die von Melcher und Mitarbeitern vorgeschlagene Vorrichtung besteht beispielsweise aus einem mit einem fotoempfindlichen Halbleiter überzogenen piezoelektrischen Substrat, die beide zwischen zwei Elektroden angeordnet sind, von denen eine durchsichtig ist. Auf den fotoempfindlichen Halbleiter wird ein optisches Bild fokussiert und eine akustische Welle durch das piezoelektrische Substrat geleitet. Sobald die akustische Welle in den Bereich des fotoempfindlichen Halbleiters gelangt, wird ein elektrisches Feld an die Elektroden gelegt, durch das Ladungsträger erregt werden, die in Störstellen-Fangstellen im fotoempfindlichen Halbleiter eingefangen werden, und zwar in einer räumlichen Verteilung, die der den Halbleiter beaufschlagenden Lichtintensitätsverteilung entspricht. Das an den fotoempfindlichen Halbleiter angelegte elektrische Feld bewirkt eine Umverteilung der Raumladung in Form eines Cosinusgitters, das nur in den von Licht beaufschlagten Bereichen des fotoempfindlichen Halbleiters vorliegt. Zu einem späteren Zeitpunkt wird ein zweiter elektrischer Feldimpuls angelegt, um das Gitter zu erregen, so daß in Vorwärtsrichtung und Rückwärtsriehtng verlaufende akustische Oberflächenwellen entstehen. Eine oder beide dieser Wellen können durch geeignete Wandler in mit der optischen Information amplitudenmodulierte elektrische Hochfrequenzsignale umgewandelt werden. Melcher und Mitarbeiter schlagen weiterhin vor, daß eine in Rückwärtsrichtung verlaufende akustische Welle mit Hilfe eines einzigen elektrischen Feldimpulses erzeugt werden kann. Die Größe dieser in Rückwärtsrichtung ver-

YO 975 030

709827/0 <r> 8

laufenen Welle wird bestimmt durch die Dichte der aufgefüllten Störstellen-Fangstellen (traps) im Kristall. Die örtliche Dichtzahl hängt ihrerseits von der Lichtintensität in einem bestimmten Punkt des Kristalls ab. In einer derartigen Vorrichtung wird die nach rückwärts verlaufende Welle demnach durch die Lichtintensität amplitudenmoduliert.

Obwohl die oben genannten Vorrichtungen funktionsfähig zu sein scheinen, weisen sie doch eine ganze Reihe von Nachteilen auf. Da die von Melcher und Mitarbeitern vorgeschlagene Vorrichtung aufgrund von durch Licht erregten Ladungsträgern und eines fotoempfindlichen Halbleiters arbeitet, sind hohe Verluste der akustischen Oberflächenwellen nicht vermeidbar. Außerdem ist es schwierig, ein Material zu finden, dessen Eigenschaften als Halbleitersubstanz und als fotoempfindliche Substanz den vorgegebenen Anforderungen entsprechen.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung einen Festkörperbildabtaster anzugeben, der unter Ausnutzung der in piezoelektrischen Kristallen auftretenden Echos arbeitet und der nicht von uar Erregung von Ladungsträgern in fotoempfindlichen Halbleitern abhängt, so daß die damit verbundene Dämpfung der akustischen Welle nicht auftritt. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß die vorliegende Erfindung gegenüber den bekannten Vorrichtungen nicht nur einen wesentlich einfacheren Aufbau und einen höheren Wirkungsgrad hat sondern auch bezüglich der erforderlichen Substanzen wesentliche Vorteile aufweist. Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

YO 975 030

709827/0928

Pign. 1A und 1B ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 1C ein Diagramm zur Veranschaulichung der zeitlichen Folge des Auftretens der einzelnen Impulse;

Fign. 2A und 2B ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2C ein elektrisches Ersatzschaltbild für das in

Fig. 2B dargestellte Ausführungsbeispiel;

Fign. 3A und 3B ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3C ein elektrisches Ersatzschaltbild für das in

Fig. 3B dargestellte Ausführungsbeispiel;

Fign. 4A und 4B ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4C ein elektrisches Ersatzschaltbild der in Fig.

4B dargestellten Vorrichtung.

Vor einem näheren Eingehen auf die oben genannten Ausführungsbeispiele werden die von Melcher gemachten Vorschläge beschrieben, damit die Vorteile der vorliegenden Erfindung klarer erkannt werden können.

Bei der von Melcher vorgeschlagenen Vorrichtung findet eine parametrische Wechselwirkung zwischen einer in einem piezoelektrischen Kristall in Vorwärtsrichtung sich fortpflanzenden akustischen Welle mit einem angelegten elektrischen Feld statt. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung wird ein fotoempfindlicher Halbleiter auf einem piezoelektrischen Kristall angeordnet, der von einer elastischen Welle durchsetzt wird. Das den fotoempfindlichen Halbleiter durchsetzende elektrische Feld wird mit Hilfe eines Elektrodenpaares erzeugt. Auf den fotoempfindlichen HaIb-

YO 975 030

709827/0928

leiter wird ein optisches Signal fokussiert. Das elektrische Feld wird angelegt, sobald die akustische Welle in den Bereich des fotoempfindlichen Halbleiters gelangt. Die Wechselwirkung zwischen der akustischen Welle und dem elektrischen Feld erzeugt parametrisch eine in Rückwärtsrichtung verlaufende akustische Welle, deren Amplitude durch die Dichte der aufgefüllten Störstellen-Fangstellen im fotoempfindlichen Halbleiter bestimmt wird. Die örtliche Dichte wird ihrerseits durch die in einem gegebenen Punkt wirksamwerdende Lichtintensität bestimmt.

Die in Rückwärtsrichtung verlaufende akustische Welle, die ein Ergebnis der parametrischen Zwischenwirkung ist, ist eine Funktion der Dichte der aufgefüllten Störstellen-Fangstellen, der Amplitude der in Vorwärtsrichtung verlaufenden akustischen Welle und der Amplitude des elektrischen Feldes. Bei der von Melcher beschriebenen Vorrichtung wird somit die örtliche Dichte der aufgefüllten Störstellen-Fangstellen moduliert, um eine in Rückwärtsrichtung verlaufende, mit der gewünschten Imformation modulierte akustische Welle zu erzeugen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine fotoleitfähige Schicht auf einem piezoelektrischen Kristall angeordnet. Durch Einkoppelung des elektrischen Feldes durch die fotoleitfähige Schicht in den piezoelektrischen Kristall kann das elektrische Signal durch das auf die fotoleitfähige Schicht fokussierte optische Signal moduliert werden. Bei einem Teil der beschriebenen Ausführungsbeispiele wirkt die fotoleitfähige Schicht als fotoinduzierter Shunt-Widerstand für das angelegte elektrische Feld und zwar derart, daß in beleuchteten Bereichen die fotoleitfähige Schicht eine Wechselwirkung des elektrischen Feldes mit dein piezoelektrischen Kristall verhindert. In Bereichen, in denen die fotoleitfähige Schicht nicht beleuchtet wird, hat der Shunt-Widerstand einen relativ hohen Wert, so daß eine Wechselwirkung zwischen elektrischem Feld und piezoelektrischem Kristall stattfinden kann. Bei einer anderen Ausführungsform hat ein rela-

YO 975 030

709827/0928

tiv niedriger Widerstand der beleuchteten fotoleitfähigen Schicht zur Folge, daß praktisch das gesamte elektrische Feld in den piezoelektrischen Kristall eingekoppelt wird. Bei dieserAusführungsform verhindert der relativ hohe Widerstand der unbeleuchteten fotoleitfähigen Schicht eine Wechselwirkung zwischen elektrischem Feld und piezoelektrischem Kristall. Auf diese Weise wird die Wechselwirkung oder die Koppelung des elektrischen Feldes mit dem piezoelektrischen Kristall als Funktion der auf der fotoleitfähigen Schicht fokussierten Abbildung räumlich moduliert.

Die Amplitude der in Rückwärtsrichtung verlaufenden Welle E, wird definiert durch φ SE„, wobei φ die Dichte der aufge-

■Ο Γι ώ XX

füllten Störstellen-Fangstellen, S die in Vorwärtsrichtung verlaufende akustische Welle und E₂ das elektrische Feld ist. Aus dem bisher Gesagten ergibt sich, daß bei der von Melcher vorgeschlagenen Vorrichtung die Modulation von E, durch eine Veränderung von φ erfolgt, während gemäß der vorliegenden Erfindung die Änderung des durch die Belichtung der fotoleitfähigen Schicht beeinflußten effektiven elektrischen Feldes E„ ausgenützt wird.

Aus Fig. 1A ergibt sich eine charakteristische Verwendung des erfindungsgemäßen Festkörperbildabtasters. Es sei angenommen, daß ein eine optische Information enthaltendes Objekt 5 in Richtung des eingezeichneten Pfeiles durch einen belichteten, mittels gestrichtelten Linien angedeuteten Bereich bewegt wird. Dieser belichtete Bereich wird durch das von einer Lichtquelle 6 ausgehende Licht definiert. Das vom belichteten Bereich reflektierte Licht wird durch ein fokussierendes Element 7 auf einen Abtaster 8 fokussiert. Das die optische Information enthaltende Objekt kann beispielsweise ein graphische oder alphanumerische Informationen enthaltendes Blatt Papier sein.

Fig. 1B ist eine Schnittansicht der in Fig. 1A dargestellten Vorrichtung. Sie veranschaulicht das Zusammenwirken des Ab-

YO 975 030

709827/0928

tasters 8 mit dem fokussierenden Element 7 und dem Objekt 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein optisches Bild des Objektes 5 erzeugt und durch das fokussierende System 7 auf den Abtaster 8 fokussiert. Der Abtaster 8 enthält einen Wandler 15, der mit einer Treiberschaltung 2 und einer Detektorschaltung 3 verbunden ist. Der Wandler 15 kann beispielsweise zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch mit jeder anderen Art von geführten akustischen Wellen betrieben werden. Die Treiberschaltung 2 stellt eine Energiequelle zum Betreiben des Wandlers 15 dar, der im Abtaster 8 akustische Oberflächenwellen erzeugt. Die durch parametrische Wechselwirkung entstehende in rückwärtiger Richtung verlaufende Welle wird durch den gleichen Wandler 15 in elektrische Signale umgewandelt, die durch die Detektorschaltung 3 ausgewertet werden. Der Abtaster selbst besteht aus einem piezoelektrischen Kristall, der einen Fotoleiter trägt. In Fig. 1B ist weiterhin ein Elektrodensystem 13, 14 dargestellt, mit dessen Hilfe die zur parametrischen Wechselwirkung und Erzeugung der in rückwärtiger Richtung verlaufenden akustischen Welle erforderliche elektrische Feldkomponente erzeugt wird.

Fig. 1C stellt ein Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Auftretens und der Dauer der durch den Wandler 15 erzeugten akustischen Welle und des durch das Elektrodensystem erzeugten elektrischen Feldes dar. Wie in der Figur dargestellt, beginnt die akustische Welle zum Zeitpunkt T1 und erstreckt sich bis zum Zeitpunkt T2, wobei die Dauer des Impulses T(T2 - T1) mindestens gleich der Länge des Elektrodensystems dividiert durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Welle ist. Das Elektrodensystem kann beispielsweise eine Länge von 5 cm haben und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit in einem geeigneten Material 3 χ 10 cm/sec betragen, so daß eine Impulsdauer T von mindestens 16,6 us ensteht. Die Verzögerung zwischen dem Ende der akustischen Welle (T2) und der Anlegung des elektrischen Feldes (T3) wird durch den Abstand zwischen dem Wandler 15 und

YO 975 030

709827/0928

dem Elektrodensystem dividiert durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit bestimmt. Die Länge des elektrischen Feldimpulses Δ beträgt beispielsweise 8 nsec. Mit den oben genannte Parametern beträgt die Gesamtauflösung, d.h. die Anzahl der Punkte, die auf einer Länge von 5 cm ermittelt werden können, rund 20 000, sie ist genau Τ/Δ.

Während des Betriebes der Vorrichtung wird die Treiberschaltung mit Hilfe von nicht dargestellten Vorrichtungen periodisch eingeschaltet, um den Wandler 15 zu erregen. Nach einer geeigneten Verzögerung, in der die durch den Wander 15 erzeugte akustische Welle in den Bereich des Elektrodensystems gelangt ist, wird dieses System erregt, um das erforderliche elektrische Feld zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt beeinflußt das elektrische Feld den piezoelektrischen Kristall, wobei es eine in Rückwärtsrichtung sich fortpflanzende akustische Welle erzeugt, die beim Auftreffen auf den Wandler 15 in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Das den piezoelektrischen Kristall erreichende elektrische Feld wird durch die die Leitfähigkeit der fotoleitfähigen Schicht beeinflussende optische Information moduliert. Dieser Vorgang wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den Fign. 2A bis 2C beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel besteht aus einem piezoelektrischen Kristall mit einem Paar Hauptflächen, von denen die eine mit einem fotoleitfähigen schichtförmigen Körper 12 überzogen ist. Der fotoleitfähige Körper 12 trägt einen an sich bekannten Wandler 15 zur Erzeugung von akustischen Obeflächenwellen. Zur Vereinfachung der Darstellung sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Verbindungen zwischen dem Wandler 15, der Treiberschaltung 2 und der Detektorschaltung 3 nicht dargestellt. Der fotoleitfähige Körper 12 weist auch ein Elektrodensystem auf, das aus einem Elektrodenpaar 13, 14 besteht. Wie dargestellt, weisen diese Elektroden eine rechteckige Form auf und sind parallel zueinander angeordnet. Wie aus Fig. 2A ersichtlich, ist eine dieser Elektroden, nämlich die Elektrode

YO 975 030

709827/0928

14 geerdet, während die andere dieser Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Für ein einwandfreies Funktionieren der Vorrichtung sollten die Elektroden 13 und 14 mindestens die gleiche Längenausdehnung wie der Bereich haben, auf dem das fokussierende Element 7 das optische Signal des Objektes 5 fokussiert.

Der piezoelektrische Kristall kann aus einem Isolator oder aus einem Halbleiter bestehen und LiNbO₃, LiTaO₃, AnO, CdS, GaAs oder andere Materialien enthalten, die ähnliche piezoelektrische Eigenschaften haben. Der fotoleitfähige Körper 12 kann organische oder anorganische fotoleitende Substanzen wie CdS, CdSe usw. enthalten.

Der beleuchtete Bereich hängt selbstverständlich von der Breite des beleuchteten Objektes und von der Länge des beleuchteten Teils des Objektes ab. Der erfindungsgemäße Festkörperbildabtaster ist im wesentlichen eine eindimensionale Vorrichtung, d.h., die Amplitude der in Rückwärtsrichtung verlaufenden Welle entspricht zu jedem Zeitpunkt einem bestimmten Punkt in der Richtung der Hauptabmessung des Abtasters. Diese Amplitude ist die Summe der Wechselwirkungen, die über die Breite des Abtasters im Bereich dieses Punktes stattfinden. Das optische Signal wird daher vorzugsweise als eindimensional betrachtet. Zu diesem Zweck sollte die Breite des beleuchteten Bereiches relativ klein, beispielsweise 0,05 cm sein.

Im folgenden wird anhand der Fign. 2B und 2C erläutert, in welcher Weise das optische Signal das elektrische Feld moduliert. Fig. 2B ist eine Schnittansicht der in Fig. 2A dargestellten Vorrichtung entlang einer beliebigen Ebene im Bereich der Elektroden 13 und 14. Es ist einleuchtend, daß die räumlichen Veränderungen des auf den piezoelektrischen Kristall 10 einwirkenden elektrischen Feldes durch die Aufsummierung einer Anzahl derartiger Schnittansichten definiert werden können. Fig.

YO 975 030

709827/0928

2C stellt ein Ersatzschaltbild der durch die Schnittansicht in Fig. 2B wiedergegebenen Anordnung dar. Wird eine Spannung an die Elektroden 13 und 14 gelegt, so entsteht ein die Elektroden verbindendes elektrisches Feld. In Abhängigkeit des Verhältnisses der spezifischen Widerstände des fotoleitfähigen Körpers 12 und des piezoelektrischen Kristalls wird das elektrische Feld entweder auf den piezoelektrischen Kristall 10 einwirken oder nicht einwirken. Die elektrischen Feldlinien E₁ und E„ stellen daher zwei mögliche Feldverteilungen dar. um ein einwandfreies Funktionieren der Vorrichtung zu gewährleisten, sollte der spezifische Widerstand des fotoleitfähigen Körpers im unbeleuchteten Zustand so vom spezifischen Widerstand im- beleuchteten Zustand verschieden sein, daß der Widerstand für das elektrische Feld im fotoleitfähigen Körper 12 im unbeleuchteten Zustand wesentlich größer als der spezifische Widerstand im piezoelektrischen Kristall 10 ist. Im beleuchteten Zustand sollte der Widerstand des fotoleitfähigen Körpers für das elektrische Feld etwa gleich dem Widerstand des piezoelektrischen Kristalls 10 sein. Unter diesen Bedienungen wird im unbeleuchteten Zustand nur wenig oder gar kein elektrisches Feld in den fotoleitfähigen Körper 12 eingekuppelt, während der Großteil des elektrischen Feldes in den piezoelektrischen Kristall 10 eingekoppelt wird bzw. auf diesen Kristall einwirkt, wo er mit der akustischen Welle in Wechselwirkung tritt. Im beleuchteten Zustand wird ein bedeutender Anteil des elektrischen Feldes nicht in den piezoelektrischen Kristall 1O eingekoppelt werden. Auf diese Weise moduliert das optische Signal den Umfang, in dem das elektrische Feld in den piezoelektrischen Kristall 10 eingekoppelt wird. Demnach bildet der fotoleitfähige Körper 12 einen veränderlichen Widerstand, der parallel zum Widerstand des piezoelektrischen Kristalls 10 liegt, d.h., diesen "shunted". Diese Wirkungsweise ergibt sich aus Fig. 2C, in der ein Widerstand des piezoelektrischen Kristalls entsprechender Widerstand 10A parallel zu einem dem durch den fotoleitfähigen Körper 12 gebildeten Widerstand entsprechenden veränderbaren Widerstand 12A geschaltet ist. Unter den oben

YO 975 030

709827/0928

angegebenen Umständen wird die Amplitude des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der Lichtintensität verringert. Nachdem die Amplitude der in Rückwärtsrichtung verlaufenden akustischen Welle proportional der Amplitude des elektrischen Feldes ist, ist die Amplitude dieser Welle umgekehrt proportional zum Lichtsignal. D.h., das Vorliegen von Licht bewirkt eine kleine Amplitude der in Rückwärtsrichtung verlaufenden akustischen Welle, während die Abwesenheit von Licht eine relativ große Amplitude dieser akustischen Welle zur Folge hat. Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Spalt zwischen den Elektroden etwa 25 um breit. Die zur Erzeugung des elektrischen Feldes erforderliche Spannung liegt unter 20 Volt.

In den Fign. 3A, 3B und 3C wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, das sich von dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel im wesentlichen durch die Ausrichtung der Elektroden in bezug auf die Oberfläche des piezoelektrischen Kristalls 10 unerscheidet. Wenn im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die zur Erzeugung eines elektrischen Feldes im Bereich des piezoelektrischen Kristalls 10 verwendeten Elektroden 13 und 14 im wesentlichen in einer parallel zu einer Hauptfläche des Kristalls liegenden Ebene angeordnet sind, liegen im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Elektroden 20 und 21 in verschiedenen Ebenen, von denen jedoch jede parallel zur Ebene der Hauptfläche des piezoelektrischen Kristalls 10 ist. Das in Fig. 3A dargesellte Ausführungsbeispiel besteht aus einem zwei Hauptflächen aufweisenden piezoelektrischen Kristall 10 von denen eine einen fotoleitfähigen Körper 12 trägt. Eine Elektrode 21 ist parallel und in unmittelbarer Nachbarschaft einer zweiten Hauptfläche des Kristalls 10 angeordnet. Schließlich ist eine durchsichtige Elektrode 20 parallel zu den Hauptflächen des Kristalls 10 auf dem fotoleitfähigen Körper 12 angeordnet, der auch einen elektroakustischen Wandler 15 nach Art des in Fig. 2A beschriebenen trägt. Ebenso wie in Fig. 2A sind die leitenden Verbindungen zum Wandler 15 der Einfachheit halber

YO 975 030

709827/0928

Jh

weggelassen. Abgesehen von der unterschiedlichen Ausrichtung der Elektroden 20 und 21 in bezug auf den Kristall 10 können die in den Fign. 2A und 3A dargestellten Ausführungsbeispiele die gleichen Abmessungen haben. Auch bei dem in Fig. 3A dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Linie mit Punkten mit Hilfe eines fokussierenden Elements auf den Abtaster fokussiert. Die räumliche Verteilung der Lichtintensität wird mit Hilfe des Wandlers in ein elektrisches Hochfrequenzsignal umgewandelt.

Anhand der in Fig. 3B dargestellten Schnittansicht wird im folgenden beschrieben, wie die in Rückwärtsrichtung wandernde Welle durch die parametrische Wechselwirkung zwischen der in Vorwärtsrichtung wandernde akustischen Welle und dem angelegten elektrischen Feld entsteht. Fig. 3B ist eine Schnittansicht der in Fig. 3A dargestellten Vorrichtung in Richtung einer Ebene/ die innerhalb des aktiven Bereiches des fotoleitfähigen Körpers 12 liegt, d.h., im Bereich auf dem das Lichtsignal auffällt. Ebenso wie bei dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die in Vorwärtsrichtung wandernde akustische Welle durch einen elektroakustischen Wandler 15 erzeugt. Befindet sich die Welle im aktiven Bereich des fotoleitfähigen Körpers, d.h., im Bereich auf dem das Lichtsignal fokussiert wird, wird für eine kurze Zeit, beispielsweise für 8 nsec ein elektrisches Feld erzeugt. Der Umfang, in dem das elektrische Feld in den piezoelektrischen Kristall 10 eingekoppelt werden kann, um in Wechselwirkung mit der akustischen Welle zu treten, ist abhängig vom Widerstand den der fotoleitfähige Körper 12 für das elektrische Feld darstellt. In Bereichen, in denen Licht relativ hoher Intensität auf den fotoleitfähigen Körper 12 auffällt, wird dieser einen relativ niedrigen Widerstand haben, so daß ein Großteil des elektrischen Feldes in den piezoelektrischen Kristall eingekoppelt wird. Dagegen wird in Bereichen, in denen Licht relativ kleiner Intensiät auf den fotoleitfähigen Körper 12 auftritt, dieser einen relativ hohen Widerstand für das elektrische Feld auf-

YO 975 030

709827/0928

weisen, so daß ein relativ kleinerer Prozentsatz dieses Feldes in den piezoelektrischen Kristall 10 eingekoppelt wird. Das hat zur Folge, daß das in den piezoelektrischen Kristall 10 eingekoppelte elektrische Feld eine räumliche Verteilung aufweist, die der räumlichen Verteilung der Lichtintensität entspricht. Da die Amplitude der durch die parametrische Wechselwirkung erzeugten, in Rückwärtsrichtung verlaufenden Strahlung der Amplitude des an dieser Wechselwirkung beteiligten elektrischen Feldes proportional ist, wird die in Rückwärtsrichtung verlaufende Welle eine Amplitude aufweisen, die räumlich eine Funktion der Lichtintensität ist.

Ebenso wie Fig. 2C ist Fig. 3C ein elektrisches Ersatzschaltbild, bei dem zwei in Serie geschaltete Widerstände 12A und 1OA mit einer Spannungsquelle Ξ verbunden sind. Der Widerstand 12A ist veränderbar und entspricht dem in Abhängigkeit von der Intensität des örtlich auftreffenden Lichtes veränderbaren Widerstand des fotoleitfähigen Körpers für das elektrische Feld. Somit ist die Ausgangsspannung Eg eine Funktion des örtlichen Wertes des Widerstandes der dem Widerstand 12A entspricht. Es ist leicht einzusehen, daß bei dem in Fig. 3A dargestellten Ausführungsbeispiel der fotoleitfähige Körper 12, im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2A, in dem er als Shunt-Widerstand dient, einen Reihenwiderstand darstellt. Aus den obigen Ausführungen ergibt sich für den Fachmann in eindeutiger Weise sowohl die Art als auch die Dicke des erforderlichen fotohalbleitfähigen Körpers.

In Fig. 4A wird ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben, das im Zusammenhang mit den Fign. 4B und 4C erläutert wird. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den vorigen Ausführungsbeispielen durch die Anordnung des Elektrodensystems auf dem piezoelektrischen Kristall 10. Wie aus Fig. 4A ersichtlich ist auf einer der beiden Hauptoberflächen des piezoelektrischen Kristalls 10 eine fotoleitfähige Schicht 12 angeordnet,

YO 975 030

709827/0928

auf der ein akustische Oberflächenwellen erzeugender Wandler vorgesehen ist. Dieser Wandler erzeugt die akustische Welle/ die ein Element zur Erzeugung der durch das Lichtsignal modulierten, in Rückwärtsrichtung verlaufenden Welle ist. Ein nicht dargestelltes fokussierendes Element fokussiert das optische Signal auf die fotoleitfähige Schicht 12 im von den Doppelkammelektroden 31 und 32 umgebenen Bereich. Wie aus Fig. 4A ersichtlich, entsteht der elektrische Feldimpuls E_ zwischen dieses Elektroden 31 und 31. Die zeitliche Abstimmung des Auftretens der akustischen Welle und des elektrischen Feldes erfolgt wie in Fig. 1C wiedergegeben. Durch Anlegen des elektrischen Feldes zu einem Zeitpunkt, in dem die akustische Welle im Bereich der Elektroden 31 und 32 ist, wird eine in Rückwärtsrichtung verlaufende akustische Welle E erzeugt. Fig. 4B stellt eine Schnittansicht des in Fig. 4A dargestellten Abtasters in Richtung einer senkrecht zur Hauptfräche des Kristalls 10 und parallel zur Fortpflanzungsrichtung der akustischen Welle liegenden Ebene dar. Außer dem Kristall 10 und der fotoleitfähigen Schicht 12 sind in Fig. 4B noch Elektroden 31A und 31B sowie 32A dargestellt, die Teile der Doppelkammelektroden 31, 32 und mit diesen verbunden sind. Es ist leicht einzusehen, daß die Elektroden 31A und 31B auf dem gleichen Potential liegen und daß in bezug zur Elektrode 32A eine Potentialdifferenz besteht. Die Potentialfeldlinien E₁ und E„ stellen zwei mögliche Verläufe des aufgrund dieser Potentialdifferenz entstehenden elektrischen Feldes dar. Die Potentialfeldlinien E₂ sind mit dem piezoelektrischen Kristall 10 verbunden, so daß das entsprechende Feld mit der in Vorwärtsrichtung verlaufenden, durch den Wandler 15 erzeugten akustischen Welle in Wechselwirkung treten kann. Dagegen ist die Potentialfeldlinie E₁ nicht mit dem piezoelektrischen Kristall verbunden, so daß keine Wechselwirkung zwischen dem entsprechenden elektrischen Feld und der in Vorwärtsrichtung verlaufenden akustischen Welle stattfindet. In diesem Ausführungsbeispiel wirkt die fotoleitfähige Schicht 12 als ein Potential-Shunt für die elektrischen Feldlinien, der im beleuchteten Zustand eine Verbindung

YO 975 030

709827/0923

dieser Feldlinien mit dem piezoelektrischen Kristall verhindert. Demzufolge wird der örtliche Widerstand der fotoleitfähigen Schicht 12 in Bereichen, in denen diese stark beleuchtet wird, so niedrig sein, daß ein wesentlicher Anteil des elektrischen Feldes nicht mit dem piezoelektrischen Kristall verbunden werden kann. Andererseits wird in Bereichen, in denen die fotoleitfähige Schicht 12 nicht oder nur schwach beleuchtet wird, ein relativ hoher Widerstand der fotoleitfähigen Schicht 12 entstehen, so daß ein größerer Anteil der Feldlinien mit dem piezoelektrischen Kristall verbunden sind. Fig. 4C stellt ein elektrisches Ersatzschaltbild dar, bei dem der Kristall 10 einem Widerstand 10A und die fotoleitfähige Schicht einem veränderbaren Widerstand 12A entspricht. Es ist leicht einzusehen, daß der Widerstand 12A für Bereiche relativ hoher Lichtintensität niedrige Werte aufweist. Dagegen entsprechen Bereichen niedriger Lichtintensität hohe Werte des Widerstandes 12A. Als Ergebnis einer räumlichen Verteilung der Lichtintensitäten werden die örtlichen Amplituden des elektrischen Feldes, die mit der akustischen Welle in Wechselwirkung treten können, verändert. Da die Amplitude der als Ergebnis der Wechselwirkung in Rückwärtsrichtung verlaufenden akustischen Welle proportional der Amplitude des elektrischen Feldes ist, wird auch die Amplitude der in Rückwärtsrichtung verlaufenden akustischen Welle entsprechend moduliert.

YO 9 75 030

709827/0928

Leerseite

Claims

PA T ENTA N SPRÜCHE

1. Festkörperbildabtaster mit einem piezoelektrischen Substrat und elektroakustischen und akustoelektrisehen Wandlern, gekennzeichnet durch eine auf einer Hauptfläche des piezoelektrischen Substrates (10) angeordnete fotoleitfähige Schicht (12) zur Beaufschlagung mit einem abzubildenden Lichtmuster sowie durch Elektroden (13, 14; 31, 32) zur Erzeugung eines die durch den elektroakustischen Wandler (15) induzierten akustischen Wellen örtlich in Abhängigkeit von der in die fotoleitfähige Schicht durch Einwirkung des Lichtmusters induzierte Leitfähigkeitsverteilung beeinflussenden elektrischen Feldes.

2. Festkörperbildabtaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das elektrische Feld erzeugenden Elektroden (13, 14; 31, 32) auf einer Hauptfläche des piezoelektrischen Substrates (10) angeordnet sind.

3. Festkörperbildabtaster nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das elektrische Feld ereugenden Elektroden (13, 14; 31, 32) auf der dem piezoelektrischen Substrat (10) abgewandten Seite der fotoleitfähigen Schicht (12) angeordnet sind.

4. Festkörperbildabtaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das elektrische Feld erzeugenden Elektroden (20, 21) an gegenüberliegenden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrates (10) angeordnet sind.

5. Festkörperbildabtaster nach den Ansprüchen 1, 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die das elektrische Feld erzeugenden Elektroden (30, 31) als Doppelkammelektroden ausgebildet sind.

YO 975 030

709827/0928
ORIGINAL INSPECTED

6. Festkörperbildabtaster nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Substrat (10) aus einem Isolator besteht.

7. Festkörperbildabtaster nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Substrat (10) aus einem Halbleiter besteht.

3. Festkörperbildabtaster nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in das piezoelektrische Substrat (10) induzierten Wellen Volumenwellen sind.

9. Festkörperbildabtaster nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in das piezoelektrische Substrat (10) induzierten Wellen Oberflächenwellen sind.

10. Festkörperbildabtaster nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der die
akustischen Wellen induzierende elektroakustische Wandler gleichzeitig als akustoelektrischer Wandler zur Umwandlung der in Form von akustischen Wellen vorliegenden Abtastinformation in elektrische Signale ausgebildet ist.

11. Festkörperbildabtaster nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der elektoakustische Wandler aus Doppelkammelektroden besteht.

12. Festkörperbildabtaster nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung entlang von zur Richtung der induzierten akustischen Wellen parallelen Zeilen erfolgt.

YO 975 030

70982-770 9 28

13. Festkörperbildabtaster nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch ein abbildendes Element (7) zur Abbildung des eindimensionalen abzutastenden Lichtmusters auf einer auf einem piezoelektrischen Substrat (10) angeordneten fotoleitfähigen Schicht (12) und durch Elektroden (13, 14; 20, 21; 31, 32) zur Erzeugung eines in Abhängigkeit von der auf die fotoleitfähige Schicht (12) örtlich auftreffenden Lichtintensität das piezoelektrische Substrat (10) beeinflussenden elektrischen Feldes, an dem die durch den elektroakustischen Wandler (15) induzierten akustischen Wellen reflektiert bzw. gestreut werden.

14. Festkörperbildabtaster nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die das elektrische Feld erzeugenden Elektroden (13, 14; 20, 21; 31, 32) parallel zur Fortpflanzung der in Vorwärtsrichtung verlaufenden akustischen Welle liegen.

15. Festkörperbildabtaster nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die das elektrische Feld erzeugenden Elektroden (13, 14; 20, 21; 31, 32) der Größe des zu übertragenden Lichtmusters entsprechen .

16. Festkörperbildabtaster nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die das elektrische Feld erzeugenden Elektroden (31, 32) als Doppelkammelektroden ausgebildet sind.

17. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 16, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: 1) Abbildung des abzutastenden Lichtmusters auf einen vorgegebenen Bereich einer auf einem piezoelektrischen Substrat (10) angeordneten fotoleitfähigen Schicht (12),

YO 9 75 030

709827/09 2 8

2) Erzeugung einer in Längsrichtung dieses Bereiches verlaufenden akustischen Welle,

3) Erzeugung eines die fotoleitfähige Schicht (12) und das piezoelekrische Substrat senkrecht durchsetzenden elektrischen Feldes sobald die akustische Welle den vorgegebenen Bereich erreicht hat,

4) Modulation des elektrischen Feldes durch das abgebildete Lichtmuster,

5) Modulation der akustischen Welle durch das das piezoelektrische Substrat örtlich unterschiedlich beeinflussende elektrische Feld,

6) Umwandlung der so modulierten akustischen Welle in ein elektrisches Signal,

YO 975 030

7 09827/09 2