DE2855774A1

DE2855774A1 - Bildaufnahmegeraet mit abtastung durch akustische wellen

Info

Publication number: DE2855774A1
Application number: DE19782855774
Authority: DE
Inventors: Herve Gautier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1977-12-26
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1979-06-28
Also published as: DE2855774C2; FR2412867A1; GB2013887B; US4225887A; GB2013887A; FR2412867B1

Description

" Bildaufnahmegerät mit Abtastung durch akustische Wellen "

Die Erfindung betrifft ein Bildaufnahmegerät der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art.

Bei einem solchen Bildaufnahmegerät wird ein optisches Bild mit Hilfe von elastischen oder akustischen Oberflächenwellen abgetastet und in elektrische Signale verwandelt.

Es ist bekannt, optische Bilder mit Hilfe von akustischen Wellen beispielsweise unter Ausnutzung der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen zwei elektrischen Feldern abzutasten. Diese elektrischen Felder werden durch die Deformationen eines piezoelektrischen Kristalls verursacht, an dessen Oberfläche sich die akustischen Wellen ausbreiten. Das diese Wechselwirkung repräsentierende Signal kann beispielsweise der elektrische Strom sein, der aus dieser Wechselwirkung resultiert und den Halbleiter durchfließt. Das abzutastende Bild wird auf den Halbleiter geworfen, wo es räumlich die Leitfähigkeit des Halbleiters moduliert. Während einer Bildintegrationsphase wird die Intensität des aus der Wechselwirkung resultierenden Signales moduliert. Ein solches Bildaufnahmegerät ist beispielsweise in der Patentanmeldung P 27 19 201.4-41 der Anmelderin vorgeschlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bildaufnahmegerät mit Bildabtastung durch Schallwellen zu schaffen, das einfach herzustellen ist und das eine gewisse Speicherfunktion aufweist und sich vor allem durch eine erhöhte Sensibilität auszeichnet.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegeben. Das Bildaufnahmegerät besteht aus einem piezoelektrischen Substrat und einem Halbleitersubstrat, an dessen einer, dem piezoelektrischen Substrat gegenüberliegenden Oberflä-

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ehe ein Netz von Speicherelementen, wie etwa Dioden, angeordnet ist. Das optische Bild wird auf diese Fläche geworfen und verursacht eine Entladung der einzelnen Dioden, wobei das Ausmaß der Entladung von der jeweiligen lokalen Lichtintensität abhängt.

Ein akustischer Hochfrequenzimpuls, der sich auf dem piezoelektrischen Substrat ausbreitet, entlädt durch sein hervorgerufenes elektrisches Feld - analog den Vorgängen in einer Vidiconröhre die Dioden und erzeugt so ein Videosignal, das für das optische Bild repräsentativ ist.

Die Vorrichtung kann zum Abtasten von eindimensionalen und auch von zweidimensionalen Bildern verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig.l eine perspektivische Ansicht eines Bildaufnahmegerätes gemäß der Erfindung,

Fig.2 einen Teilschnitt,der die in dem Bildaufnahmegerät verwendeten Speicherelemente zeigt,

Fig.3, a, b, c, d Signalschaubilder,

Fig.4 ein: Bildaufnahmegerät gemäß der Erfindung, das das Abtasten von zweidimensionalen Bildern ermöglicht,

Fig.5 eine Erläuterungsskizze zur Erklärung der Wirkungsweise des Bildaufnahmegerätes der Figur 4.

In Figur 1 ist ein piezoelektrisches Substrat 1 zu erkennen, das beispielsweise aus Lithiumniobat besteht. Des weiteren enthält das in Figur 1 dargestellte Bildaufnahmegerät ein photoempfindliches Halbleitersubstrat 2. Die beiden Substrate liegen sich gegenüber und sind gegenseitig durch eine dünne dielektrische Schicht,

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beispielsweise eine Luftschicht, getrennt. Auf dem Substrat 1 sind zu diesem Zweck zwei Auflagestreifen 11 angeordnet. Die beiden Substrate 1 und 2 sind quaderförmig. In der Richtung OZ, die die Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen an der Oberfläche des Substrates 1 ist, ist der Quader verlängert. Die Abmessungen in Richtung OY, d.h. senkrecht zu den Oberflächen der sich gegenüberliegenden Substrate, sind sehr gering. Das Material des Halbleitersubstrates 2 wird in Abhängigkeit des Anwendungsgebietes des Bildauf nahmeger·^ ., d.h. in Abhängigkeit der Wellenlänge der das abzutastende Bild darstellenden Strahlung gewählt: im sichtbaren Bereich wird Silizium (N-oder P-leitend) oder Galliumarsenid verwendet; im Infrarotbereich Quecksilbertellurit und/oder Cadmiumtellurit, Blei- und Zinntellurit, Indiumantimonid oder auch dotiertes Siliaium.

Das Bildaufnahmegerät der Figur 1 enthält eine ebene Elektrode 5, im folgenden Signalelektrode genannt, die auf derjenigen Oberfläche des Substrates 2 liegt, die von dem Substrat 1 abgewandt ist, eine ebene Elektrode 4, im folgenden Masseelektrode genannt, die auf derjenigen Oberfläche des Substrates 1 liegt, die dem Substrat 2 abgewandt ist und einen elektromechanischen Wandler 6, der an einem Ende des piezoelektrischen Substrates 1 angeordnet ist, das nicht durch das Halbleitersubstrat 2 bedeckt ist.

Das piezoelektrische Bildaufnahmegerät weist die Form von zwei Kämmen auf, deren Zähne abwechselnd in die Zahnzwischenräume des jeweiligen anderen Kammes eingreifen.

Figur 2 zeigt einen Teilschnitt des Bildaufnahmegerätes der Figur 1, wobei die Ebene YOZ die Schnittebene ist.

In dieser Figur ist das piezoelektrische Substrat 1 und das Halbleitersubstrat 2 zu erkennen. Beide Substrate sind durch eine Luftschicht 3 getrennt. Das Substrat 2 besteht beispielsweise aus η-leitendem Silizium.

Das Halbleitersubstrat 2 trägt auf der dem Substrat 1 gegenüberliegenden Fläche eine Matrix oder ein Netz von Speicherelementen

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24, die in der dargestellten Ausführungsform aus p-n-Dloden beste hen. Diese Dioden bestehen aus einer P -Zone 21, die in dem Substrat beispielsweise durch Diffusion oder Ionenimplantation erzeugt wird. Die Bereiche 21 sind durch eine Isolierschicht 23 beispielsweise aus Siliziumoxyd, das auf der Substratoberfläche 2 angebracht ist, voneinander getrennt. Die Bereiche 21 sind mit leitendem Material 22 bedeckt. Die Dioden 24 sind in regelmäßigen Abständen ρ angeordnet.

Das abzutastende Bild, das in Figur 1 durch eine Strahlung L dargestellt ist, wird auf diejenige Fläche des Halbleitersubstrates 2 geworfen, auf der die Dioden 24 angeordnet sind. Der Bereich, in dem das Bild liegt, wird im folgenden "Wechselwirkungsbereich" genannt. In dem dargestellten Beispiel wird das Bild auf den Halbleiter 2 durch die transparente Isolierschicht 23 und das transparente Substrat 1 sowie durch die Elektrode 4, die transparent oder halbtransparent sein muß, geworfen.

Figur 3a zeigt ein zeitabhängiges elektrisches Signal S, das dem elektromechanischen Wandler 6 zugeführt wird. Es handelt sich um einen sinusähnlichen Impuls von der Dauer T", der Kreisfrequenz ω und der Amplitude A. Die Umhüllende dieses Impulses ist im wesentlichen rechteckförmig.

Figur 3b zeigt die Verteilung der Lichtenergie in einer Richtung (Richtung OZ) des Wechselwirkungsbereichs. Die Pfeile 31 deuten die Lage der Dioden 2k an und weisen folglich gegenseitige Abstände ρ auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in der Figur nur wenige Pfeile 31 eingezeichnet. Es versteht sich von selbst, daß diese in Wirklichkeit weitaus zahlreicher und dichter sind. Ihr Abstand ρ darf höchstens eine halbe Wellenlänge der akustischen Wellen betragen.

Das in Figur 1 dargestellte Bildaufnahmegerät arbeitet wie folgt:

Zu einem Zeitpunkt to sind die Dioden 2k gleichmäßig bis zu einem Wert Qo geladen, d.h. daß eine Ladungsmenge Qo (im Beispiel der Figur ist diese negativ) durch Leitung in die Bereiche 21 (Berei-

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ehe P) gebracht wurde. Diese Ladung· sperrt die Dioden 2k und wird auf diese Weise gespeichert.

Es ist bekannt, daß diese Ladung Qo bei jeder Diode durch einen Strom in Sperrrichtung abgebaut wird, der von der Beleuchtung der Diode abhängt: bei Dunkelheit nimmt die Ladung sehr langsam ab, während bei zunehmender Lichteinwirkung sich die Abnahme beschleunigt. Die LadungsabnahmeÄQ.<z) einer Diode nach einer Zeit ti ist: AQ(z) = Ql(z) - Qo₅

wobei Q(z) die in der Diode verbleibende Ladungsmenge ist. Diese hängt von der Zahl der von der Diode aufgenommenen Photonen ab. Es gilt:

AO (z)<^0 (z) .ti (1)

wobei 0 (z) der an dem betrachteten Punkt (z) aufgenommene Photonenfluß ist. ·

Wenn der Impuls S an den Wandler 6 angelegt wird, erzeugt dieser eine Schallwelle, die im folgenden aus Gründen der Einfachheit auch mit S bezeichnet wird, von derselben Frequenzco und von derselben Wellenzahl k (k =<jJ/v, wobei ν die Ausbreitunp-sgeschwindigkelt der akustischen Wellen ist). Dieser Impuls breitet sich an der Oberfläche des piezoelektrischen Substrates 1 in Richtung OZ aus. Der Impuls weist eine Länge ν . Tauf. Durch das den akustischen Impuls begleitende elektrische Feld werden die Dioden 24 nacheinander beim Durchlaufen des Impulses in Richtung OZ wieder aufgeladen. Der Aufladestrom ist proportional zum Ladungsverlust AO(z) jeder Diode und folglich proportional zu der auf die Diode gefallenen Lichtmenge gemäß Gleichung (1). Dieser Strom wird an den Elektroden 4 und 5 gewonnen und durch ein Tiefpaßfilter 7 mit Durchlaßbandbreite zwischen O und l/T geführt, wonach das in Figur 3c mit E bezeichnete, zeitabhängige Videosignal erhalten wird. Es weist im Grunde dieselbe Form wie das Lichtsignal L auf und erstreckt sich über eine Zeitdauer tb, die gleich der Abtastdauer des Wechselwirkungsbereiches ist, der durch den akustischen Impuls S abgetastet wird.

Es ist ersichtlich, daß bei dem Bildaufnahmegerät beim Durchlaufen

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der akustischen Welle die Information (d.h. die GrößeΔ0(ζ)) erfaßt wird und gleichzeitig die Dioden für den nächsten Abtastvorgang wieder geladen werden, analog wie dies bei der Auffangelektrode einer Vidiconröhre geschieht, wo ein Elektronenstrahl die Ladungsverteilung auf der Auffangelektrode analysiert und gleichzeitig diese für den nächsten Abtastvorgang wieder auflädt.

Darüber hinaus ist das erhaltene Videosignal E "positiv", d.h. es ändert sich im selben Sinne wie die Lichtstärke, was gegenüber bekannten Aufnahmegeräten mit Abtastung durch Oberflächenwellen ein wesentlicher Vorteil ist, da diese bekannten Geräte "negative" Videosignale liefern.

Figur 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform des Bildaufnahmegeräts gemäß der Erfindung, mit der Bilder in zwei Dimensionen abgetastet werden können.

Es ist ein piezoelektrisches, im wesentlichen quadratisches Substrat 10 zu erkennen, das an seiner Unterseite eine Masseelektrode 40 trägt. Ein Wandler 62 sendet akustische Impulse S2 in Richtung OZ, wobei das Signal S2 bis auf die Amplitude (A2) gleich dem Signal S ist. Ein Halbleitersubstrat, das in diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen quadratische Form aufweist, trägt eine quadratische Matrix von Speicherelementen 24 an seiner Unterseite und eine Signalelektrode 50 an seiner Oberseite.

Das Bildaufnahmegerät weist darüber hinaus einen zweiten elektromechanischen Wandler 60 auf, der einen akustischen Impuls, entsprechend einem elektrischen Signal Sl,in die Richtung OX aussendet. Das Signal Sl ist in Figur 3d dargestellt. Es handelt sich um einen sinusförmigen Impuls, dessen Dauer vorzugsweise gleich V ist. Die Kreisfrequenz istwl und vorzugsweise gleich u> und die Amplitude ist Al. Der Impuls ist gegenüber dem Signal S2 um 6 verzögert.

Das Bild wird wie im ersten Ausführungsbeispiel auf die Diodenmatrix durch das piezoelektrische Substrat 10 geworfen, wobei jedoch beachtet werden muß, daß die Zahl der vor der Abtastung

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empfangenen Elektronen die ursprüngliche Ladungsmenge Qo um nicht mehr als die Hälfte verringert. Jeder der Wandler 62 und 60 sendet einen akustischen Impuls S2 bzw. Sl aus. Diese treffen sich in einem Flächenbereich p, im folgenden der Einfachheit halber Punkt genannt, der ein Quadrat mit der Seitenlänge f. ν ist. In diesem Punkt P überlagern sich die beiden Schallwellen linear. Wenn Vo die der Ladung Qo entsprechende Spannung ist, werden die Amplitu-. den A2 und Al cipr Signale S2 und Sl so gewählt, daß das zu jedem der Impulse öd und Sl gehörende elektrische Feld einem Potential vom Wert Vo/2 entspricht. Mit der angenommenen Bedingung für Qo in Bezug auf die einfallende Strahlung ist es offensichtlich, daß die elektrischen Felder im allgemeinen nicht ausreichen, um die Dioden wieder aufzuladen. Lediglich im Punkt P wird ein Potential Vo erhalten. Die Information wird folglich nur im Punkt P abgetastet und die Dioden werden nur dort wieder aufgeladen.

Wie im ersten Ausführungsbeisoiel wird das Videosignal an den äußeren Elektroden 40 und 50 gewonnen und danach verstärkt und gefiltert.

Im folgenden wird die Informationserfassung in einem Punkt P beschrieben. Dieser Punkt P überstreicht den Wechselwirkungsbereich in der in Figur 5 illustrierten Art, wie dies auch in der DE-PS 2 643 053 der Anmelderin beschrieben ist.

In Figur 5 sind zwei elektromechanische Wandler 60 und 62 zu erkennen, die akustische Wellen Sl und S2 in zwei zueiandern senkrechten Richtungen aussenden. Durch ihren Schnittbereich ABCD definieren die Wellen einen Wechselwirkungsbereich, der die Nutzfläche darstellt, auf die das aufzunehmende Bild projiziert wird.

In der Figur sind die beiden Impulse Sl und S2 veranschaulicht, die gleichzeitig (β = 0) zu einem Zeitpunkt ti ausgesandt wurden. Sie treffen sich im Punkt Pl. Zum Zeitpunkt t2>tl treffen sich dieselben Wellen im Punkt P2. Es ist ersichtlich, daß der Punkt P sich auf einer Abtastgeraden 1 bewegt, die bei gleichzeitigem Aussenden der beiden Impulse (Θ = 0) die Winkelhalbierende des durch die beiden Wandler 60 und 62 gebildeten Winkels ist, **_

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vorausgesetzt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der beiden Wellen in der Grenzschicht des piezoelektrischen Substrates identisch ist. Um das Bild in Zeilen parallel zu 1 abzutasten, muß die Verzögerungszeit θ um positive und negative Werte variiert werden. In der Figur ist eine Zeile Ig eingezeichnet, längs der sich der Punkt P^q bewegt, wenn θ positiv ist, d.h. wenn bezogen auf die dargestellte Ausführungsform Sl gegen S2 verzögert ist.

Es wurde beispielshalber ein eindimensionales Bildaufnahmegerät gemäß der Erfindung, hergestellt, das aus folgendem bestand:

einem Substrat (2) aus η-leitendem Silicium, mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von lOiTcm; einem Netz von pn-Dioden mit einer Länge von 20 mm, einer Breite von etwa 1,5 mm, wobei der Diodenabstand ρ 12,5/ήι betrug;

einem Lithiumniobatsubstrat (1), in dem die Ausbreitungsgeschwindigkeit (v) für akustische Wellen etwa 3500 m/s beträgt.

Die Dauer Tdes Impulses S war ungefähr 10 ns und folglich die Bandbreite größenordnungsmäßig 100 MHz. Hieraus folgt eine Abtastdauer für die Wechselwirkungszone von ungefähr 6/'s. Wählt man eine Auflösung von 600 Punkten pro Zeile, entspricht Jeder Punkt

-2 2,7 Dioden und es wird eine Empfindlichkeit von etwa 10 f<> W/cm bei einer Bildfolge von 25 pro Sekunde erhalten. Dies ist die übliche Abtastfrequenz, wobei zu bemerken ist, daß die Empfindlichkeit des Aufnahmegerätes von der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastungen abhängt.

Ein Bildaufnahmegerät gemäß der Erfindung ist einfach aufgebaut und vollkommen massiv. Es ermöglicht eine rasche Bildabtastung in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden sowie eine Speicherung über mehrere Sekunden und infolge seiner Empfindlichkeit die Aufnahme von sehr lichtschwachen Bildern.

Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, die pn-Dloden der Speicherelemente beispielsweise durch Schottky-Dioden zu ersetzen.

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v/2 ;

Leerseite

Claims

rAicNTANWÄLTr-

RZ: N:. a PRIlTSCH

M Ö M C H EN 2 1 22.Dezember 197^P

GOTTHARDSTR. 81 10.766-V/Ni

Thomson-CSF, Bl. Haussmann 173, F-75OO8 Paris (Frankreich)

P a t e η t a η s ρ r ü c h e

(lj) Bildaufnahmegerät mit Abtastung durch akustische Wellen, das ein piezoelektrisches Substrat mit einer Ausbreitungsflache für akustische Wellen und ein Halbleitersubstrat aufweist, das der Ausbreitunpsf lache gegenüberliegt, jedoch elektrisch von dieser isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die der Ausbreitungsfläche gegenüberliegende Fläche des Halbleitersubstrats (2;20) ein Netz von lichtempfindlichen Speicherelementen (24) aufweist,

b) das optische Bild (L) auf dieses Netz geworfen wird und eine von der an dem jeweiligen Punkt herrschenden Lichtintensität abhängige Entladung der Speicherelemente (24) hervorgerufen wird,

c) das Bildaufnahmegerät mindestens einen Sender (6) für akustische impulsförmige Hochfrequenzwellen (S;S2) aufweist, die sich auf der Ausbreitungsfläche ausbreiten (OZ), und die Speicherelemente (24) während ihrer Ausbreitung wieder aufladen und so einen entsprechenden Aufladestrom hervorrufen und daß

d) das Bildaufnahmegerät Mittel (4,5) zur Entnahme des Aufladestromes aufweist, der ein Videosignal darstellt, das dem abgetasteten optischen Bild (L) entspricht.
2. Bildaufnahmegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherelemente (24) Dioden (21,22) sind.

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ORIO(NAL FWPPPCTED
3. Bildaufnahmegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherelemente (24) regelmäßig mit einem gegenseitigen Abstand (p) angeordnet sind, der kleiner oder gleich der halben Wellenlänge des Wellenzuges der akustischen Wellen ist.
4. Bildaufnahmegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild zweidimensional ist und das Gerät zusätzliwu Mittel zur Begrenzung der Entladung der Speicherelemente (2*1) auf einen bestimmten (Spannungs-)Wert und einen Sender (60) zum Aussenden eines zweiten akustischen impulsförmigen Hochfrequenzwellenzuges (Sl) aufweist, wobei sich der Wellenzug des zweiten Senders längs der Ausbreitungsfläche jedoch in einer zum ersten Wellenzug unterschiedlichen Richtung (OX) ausbreitet, und daß die größte Amplitude der Wellenzüge kleiner als der bestimmte Wert und ihre Summe größer als dieser Wert ist.
5. BiIdaufnahmegerät nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenzüge (Sl,S2) zwei Serien kurzer Impulse sind, die so ausgesendet werden, daß sich die Impulse des ersten Wellenzuges mit den Impulsen des zweiten Wellenzuges in einem Punkt (P) treffen und sich dieser Punkt zeitlich auf einer Geraden (1) fortbewegt, die eine Abtastzeile für das optische Bild (L) darstellt, wobei ein Raster von im wesentlichen parallelen Abtast zeilen durch Änderung der Verzögerung zwischen entsprechenden Impulsen des ersten und des zweiten Impulszuges erhalten wird.
6. Bildaufnahmegerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wellenzug (Sl) die gleiche Frequenz und Amplitude wie der erste Wellenzug aufweist und in einer Richtung (OX) senkrecht zur Richtung (OZ) des ersten Wellenzuges ausgesendet wird.
7. Bildaufnahmegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bild (L) auf das Halbleitersubstrat (2;20) durch das piezoelektrische Substrat (l;10) _,_

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2 ρ, r ■; 7 7 £

hindurchgeworfen wird.
8. Bildaufnahmegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Entnahme des Aufladestroms aus zwei Elektroden (4,5) bestehen, die an den gegenseitig entfernt liegenden Außenflächen der beiden Substrate liegen.
9. Bildaufnahmegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Filter (7) und einen Verstärker für den das Videosignal darstellenden Aufladestrom aufweist.

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