DE69117547T2

DE69117547T2 - Fotodetektor und Bildabtaster dafür

Info

Publication number: DE69117547T2
Application number: DE69117547T
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Kishida
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1990-03-15
Filing date: 1991-03-08
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2011-03-09
Also published as: US5153422A; EP0446812A3; EP0446812A2; DE69117547D1; EP0446812B1; JPH03266463A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Photosensor, der zur Überwachung einer Abtastposition eines Lichtstrahls verwendet wird.

Beschreibung des Standes der Technik

Bei einem Prozeßscanner des Flachbett-Typs oder dgl. ist es für das Lesen oder Aufzeichnen eines Bildes erforderlich, einen Lichtstrahl längs einer Hauptabtastrichtung periodisch abzulenken. Für eine solche periodische Ablenkung wird beispielsweise ein rotierender oder oszillierender Lichtablenker, wie etwa ein Polygonspiegel, ein Galvanospiegel, eine Hologrammscheibe oder dergleichen verwendet.
Der Ort eines Lichtstrahls, der mit einem solchen Lichtablenker abgelenkt wird, definiert jedoch nicht notwendigerweise eine vollständige, gerade Linie auf einer abgetasteten Ebene, sondern ist vielmehr in einer Konfiguration gekrümmt, die typisch für den Lichtablenker ist. Bei einem Polygonspiegel ist es beispielsweise bekannt, daß eine solche Krümmung durch Oberflächenneigung von Spiegelflächen begründet ist, wobei eine solche Krümmung so korrigiert werden muß, daß der Ort des Lichtstrahls eine Gerade definiert. Ähnlich ist im Falle eines Galvanospiegels eine Taumelkorrektur und im Falle einer Hologrammscheibe eine Scanbow-Korrektur erforderlich.
Als eine Technik zur Durchführung einer solchen Korrektur beschreibt US-A-4 661 699 eine Vorrichtung zum Nachweisen eines zusammen mit einem Hauptlichtstrahl abgelenkten Referenzlichtstrahls durch einen Photosensor und zum Kompensieren einer Einstrahlabweichung des Hauptlichtstrahls in eine Nebenabtastrichtung auf der Grundlage eines photoelektrischen Ausgangssignals dieses Photosensors. Dieser Photosensor wird ausgebildet, indem ein Glaselement, welches mit einem streifenförmigen Lichtabschirmmuster versehen ist, auf eine Hauptfläche eines langen photoelektrischen Elements aufgeklebt wird, wobei das Glaselement Gitter-Glaselement genannt wird. Elementarmuster, die die Streifen bilden, haben zulaufende Abschnitte, so daß sich die Ausgangswellenform des photoelektrischen Elements ansprechend auf den Wert der Einstrahlungsabweichung des Lichtstrahls in die Nebenabtastrichtung ändert. Die Abtastlagen des Hauptlichtstrahls und des Referenzlichtstrahls in der Nebenabtastrichtung werden entsprechend der Ausgangswellenform geändert, womit die Einstrahlungsabweichung korrigiert wird.
Andererseits beschreibt JP-A-63-278020 eine Technik der Anordnung von zwei unabhängigen Photosensoren parallel zueinander für den Empfang eines Referenzlichtstrahls und der Einstrahlungsabweichungskorrektur eines Lichtstrahls auf der Grundlage von deren photoelektrischen Signalen.
Bei dem in US-A-4 661 699 beschriebenen Photosensor ist es jedoch nicht einfach, das dabei verwendete Gitter-Glaselement herzustellen, weshalb die Herstellungskosten beträchtlich erhöht sind. Eine solche Tendenz ist insbesondere deshalb ausgeprägt, weil spezielle Muster mit zulaufenden Abschnitten erforderlich sind.
Bei der in JP-A-63-278020 beschriebenen Technik müssen andererseits die beiden unabhängigen Photosensoren mit gleichförmigem Zwischenraum in der Nebenabtastrichtung aneinandergebracht werden, weshalb es schwierig ist, Relativlagen bei der Integration dieser Photosensoren einzustellen.
Ein Photosensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ergibt sich aus EP-A-0263774.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf einen für den Nachweis der Abtastlage eines Lichtstrahls verwendbaren Photosensor, wie er im Patentanspruch 1 definiert ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden eine Anzahl von Photosensoren, von denen jeder den oben angegebenen Aufbau hat, auf einer Grundplatte aufgereiht. Auch wenn der Abtastbereich des Lichtstrahls groß ist, können Lagen des Lichtstrahls und seine Abweichungen von einer Referenzlage nachgewiesen werden. Die Referenzlage ist zwischen dem Paar der zweiten Halbleiterschichten definiert.
Bei dem Photosensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Paar von pn-Übergängen, die jeweils in der Form von Streifen vorliegen, auf einer Hauptfläche einer gemeinsamen Halbleiterschicht (der ersten Halbleiterschicht) angeordnet. Zwei Signale, die durch photoelektrisches Umwandeln eines Lichtstrahls, welcher aus Zwischenräumen eines Lichtabschirmmusters eingeführt wird, durch die betreffenden pn-Übergänge gewonnen sind, enthalten Information, die sich auf eine Einfallage des Lichtstrahls beziehen. Jeweilige zeitliche Änderungen der beiden Signale drücken nämlich Abtastpositionen des Lichtstrahls in einer ersten Richtung aus, während der Unterschied zwischen den beiden Signalen eine Abweichung des Lichtstrahls in einer zweiten Richtung ausdrückt. Die Abtastzeit des Lichtstrahls in der ersten Richtung (der Hauptabtastrichtung) wird also auf der Grundlage dieser Signale überwacht, während die Einstrahlabweichung des Lichtstrahls in der zweiten Richtung (der Nebenabtastrichtung) entsprechend der vorgenannten Differenz korrigiert werden kann.
Da das Lichtabschirmmuster dieses Photosensors direkt auf einer geschichteten Halbleiterstruktur, die einen Sensorkörper bildet, ausgebildet wird, ist es nicht erforderlich, getrennt ein Gitter-Glaselement mit einem speziellen Muster herzustellen. Einheits-Lichtabschirmschichten, die das Lichtabschirmmuster bilden, haben die Form einfacher Streifen und sind leicht auszubilden. Ferner ist es nicht erforderlich, mehrere Photosensoren parallel anzuordnen, wodurch keine Lagekontrolle hoher Genauigkeit bei der Integration in eine geforderte Vorrichtung erforderlich ist.
Das Photosensorfeld kann in einem Bild-Scanner zur Korrektur von Abweichungen der Lichtstrahlablenkung verwendet werden. Der Bild-Scanner kann so betrieben werden, daß eine Gegenstandsoberfläche periodisch mit einem Hauptlichtstrahl in einer vorgeschriebenen Hauptabtastrichtung abgetastet wird und die abgetastete Oberfläche und der Hauptlichtstrahl längs einer Nebenabtastrichtung relativ zueinander bewegt werden, womit eine Bildaufzeichnung auf der Gegenstandsoberfläche oder ein Bildlesen von der Gegenstandsoberfläche durchgeführt wird.
Das Rückkopplungssignal reagiert bei dem Bild-Scanner des Anspruchs 7 auf die Differenz zwischen dem ersten und zweiten zusammengesetzten Signal und wird an den Vorablenker als Steuersignal geliefert. Andererseits wird das Zeitsignal zur Bestimmung einer Zeit der Bildaufzeichnung oder des Bildlesens durch den Hauptlichtstrahl auf der Gegenstandsoberfläche verwendet.
Die Anzahl der in dem Feld enthaltenen Photosensoren bestimmt sich nach Maßgabe des Abtastbereiches eines Referenzlichtstrahls in einer Anordnungsposition des Photosensorfeldes etc. Verglichen mit dem Fall des Standes der Technik, der eine Anzahl von Photosensoren parallel anordnet, ist die Montagekontrolle einfach im Falle der Anordnung der Photosensoren entlang ihrer Längsrichtung. Dies liegt daran, daß die Raumkontrolle nur in kurzen Randseiten der Photosensoren im Falle einer seriellen Anordnung in Längsrichtung durchgeführt zu werden braucht, wohingegen Photosensoren mit konstanten Zwischenräumen vollständig entlang der Längsrichtung im Falle einer Parallelanordnung angeordnet werden müssen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Photosensors zum Nachweisen einer Abtastlage, der bei niedrigen Kosten hergestellt wird und keine eingebaute Lagekontrolle hoher Genauigkeit fordert.
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung deutlicher werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine teilweise abgebrochene perspektivische Ansicht, welche einen Photosensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, welches einen Bildabtastaufzeichner zeigt, bei welchem der Photosensor gemäß der Erfindung verwendet wird,
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild, welches das Regelsystem in der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung zeigt,
Fig. 4A ist eine Vorderansicht eines Photosensorfeldes,
Fig. 4B ist eine vergrößerte Ansicht einer Feldgrenze zwischen Photosensoren im Photosensorfeld,
Fig. 5A ist eine typische Vorderansicht des Photosensorfelds,
Fig. 5B ist ein Ersatzschaltbild des Photosensorfelds,
Fig. 6A und 6B zeigen in Kombination miteinander ein Schaltbild einer photoelektrischen Signalverarbeitungsschaltung,
Fig. 7, 8A und 8B sind Arbeitswellenformdiagramme der photoelektrischen Signalverarbeitungsschaltung, und
Fig. 9A bis 9C sind Verfahrens-Schnittdiagramme, welche ein Herstellungsverfahren für den Photosensor zeigen.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

A. Gesamtaufbau

Fig. 2 veranschaulicht den Gesamtaufbau eines Bildabtastaufzeichners 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser Bildabtastaufzeichner 1 definiert einen Prozeß-Scanner eines Flachbett-Typs, welcher einen Polygonspiegel 9 als Hauptablenker aufweist. In Fig. 2 gezeigte Symbole X und Y bezeichnen die Hauptabtastrichtung und die Nebenabtastrichtung bei einer Bildabtastung zur Aufzeichnung eines Bildes.
Ein von einer Laser-Quelle 2 abgegebener Laser-Strahl LB wird durch einen Hauptspiegel 3 in einen Hauptlichtstrahl LM und einen Referenzlichtstrahl LR unterteilt. Ein akustooptischer Modulator (AOM) 4, der durch ein Bildsignal SI gesteuert wird, ist im optischen Weg des Hauptlichtstrahls LM angeordnet, so daß der Hauptlichtstrahl LM durch den AOM 4 EIN-AUS-moduliert wird. Der modulierte Hauptlichtstrahl LM wird durch einen Spiegel 5 reflektiert und fällt danach auf einen akustooptischen Deflektor (AOD) B, der als Vorablenker dient, ein.
Der Referenzlichtstrahl RL wird andererseits durch Spiegel 6 und 7 aufeinanderfolgend so reflektiert, daß er am AOM 4 vorbeiläuft und in den AOD 8 als Strahl eintritt, der zum Hauptlichtstrahl LM parallel ist. Der AOD 8 dem, wie später noch beschrieben, ein Strahlablenksignal SM zugeführt wird, lenkt die Lichtstrahlen LM und LR in einer Richtung Fy ansprechend auf das Signal SM ab. Die Richtung Fy ist zur Nebenabtastrichtung Y optisch konjungiert, und die Lichtstrahlen LM und LR werden im wesentlichen unter dem gleichen Winkel abgelenkt. In der vorliegenden Erfindung wird der Ausdruck "konjungierte Richtungen' zur Angabe von Richtungen verwendet, die zueinander auf Laufwegen von Lichtstrahlen optisch äquivalent sind.
Die mit dem AOD abgelenkten Lichtstrahlen LM und LR treten in einen Polygonspiegel 9 ein, der in einer Richtung α mit konstanter Geschwindigkeit dreht. Folglich werden die Lichtstrahlen LM und LR periodisch in einer Richtung Fx der Drehung des Polygonspiegels 9 folgend abgelenkt. Die Richtung Fx ist zu der Hauptabtastrichtung X optisch konjungiert.
Von den abgelenkten Lichtstrahlen LM und LR durchläuft der Hauptlichtstrahl LM eine Linse 10 und wird danach durch einen Spiegel 11 auf ein lichtempfindliches Material 12 reflektiert. Der Drehung des Polygonspiegels 9 folgend tastet daher der Hauptlichtstrahl LM das lichtempfindliche Material 12 längs der Hauptabtastrichtung X ab, wobei dessen Oberfläche ausgewählt belichtet wird. Ein geometrischer Ort TL dieser Abtastung definiert eine Abtastlinie bei der Bildaufzeichnung. Das lichtempfindliche Material 12 wird durch einen (nicht gezeigten) Bewegungsmechanismus in der Nebenabtastrichtung Y in Bezug auf den Hauptlichtstrahl LM relativbewegt, wodurch ein zweidimensionales Bild entsprechend dem Bildsignal SI auf dem lichtempfindlichen Material 12 als Latentbild aufgezeichnet wird.
Andererseits durchläuft der durch den Polygonspiegel 9 abgelenkte Referenzlichtstrahl LR die Linse 10 und fällt danach auf ein Photosensorfeld 100 ein. Dieses Photosensorfeld 100 wird durch lineares Aufreihen und Befestigen einer Anzahl von (z. B. sechs) Photosensoren 20a, 20b, . . ., 20n auf einem langen isolierenden Substrat 40 ausgebildet. Das Photosensorfeld 100 wird so angeordnet, daß seine langgestreckte Richtung Dx und Querrichtung Dy zur Hauptabtastrichtung X und der Nebenabtastrichtung Y konjungiert sind. Das Photosensorfeld 100 ist mit anderen Worten in einer Stellung angeordnet, welche konjungiert in Bezug auf den geometrischen Ort TL des Hauptlichtstrahls LM auf dem lichtempfindlichen Material 12 ist.
Wie nachfolgend im einzelnen beschrieben, weist jeder der Photosensoren 20a bis 20n einen oberen Sensor und einen unteren Sensor auf, die parallel zueinander angeordnet sind. Die einzelnen oberen Sensoren der Photosensoren 20a bis 20n sind zu einem oberen Sensorfeld 100U elektrisch verbunden. Die einzelnen unteren Sensoren der Photosensoren 20a bis 20n sind zu einem unteren Sensorfeld 100L elektrisch verbunden. Der Referenzlichtstrahl LR, der vom Photosensorfeld 100 empfangen wird, wird durch das obere Sensorfeld 100U und das untere Sensorfeld 100L photoelektrisch umgewandelt, wobei die umgewandelten Signale als Paar photoelektrischer Umwandlungssignale SU und SL ausgegeben werden.
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild, welches einen Regler 200 zur Durchführung einer Modulationszeitregelung in dem AOM 4 und Ablenkungsregelung in dem AOD 8 auf der Grundlage der Signale SU und SL zeigt. Die von den oberen und unteren Sensorfeldern 100U und 100L ausgegebenen Signale SU und SL werden an eine photoelektrische Signalverarbeitungsschaltung 50 geliefert. Diese Verarbeitungsschaltung 50 erzeugt, wie später noch beschrieben, durch Signalverarbeitung einen Hauptabtastsynchronisiertakt (oder Gittertakt) CKX und ein Strahlablenksignal SM. Das Strahlablenksignal SM ist so eingerichtet, daß es angibt, wie eine Einfallstelle des Referenzlichtstrahls LR auf dem Photosensorfeld 100 von einer Referenzlinie RF abweicht, die auf der Grenze zwischen dem oberen Sensorfeld 100U und dem unteren Sensorfeld 100L definiert ist. Da ferner die Richtung und Größe der Ablenkung im Polygonspiegel 9 im Referenzlichtstrahl LR und im Hauptlichtstrahl LM im wesentlichen identisch sind, drückt das Strahlablenkungssignal SM im wesentlichen das Ausmaß der Ablenkung des Hauptlichtstrahls LM auf dem lichtempfindlichen Material 12 in der Nebenabtastrichtung Y aus. Die Ablenkung der Lichtstrahlen LM und LR in diesen Richtungen Y und Dy wird hauptsächlich durch Oberflächenneigung des Polygonspiegels 9 bewirkt.
Das Strahlablenksignal SM wird dem AOD 8 als Ablenksteuersignal zugeführt. Die Ausmaße der Ablenkung der Lichtstrahlen LM und LR in dem AOD 8 werden durch das Strahlablenksignal SM geändert, wodurch die Lichtstrahlen LM und LR so gesteuert werden, daß sie regelmäßig lineare geometrische Orte ziehen. Ablenkungen von Einstrahlpositionen der Lichtstrahlen LM und LR in der Nebenabtastrichtung Y und Dy, die durch Oberflächenneigung des Polygonspiegels 9 bewirkt werden, werden durch Ansteuerung des AOD 8 beruhend auf dem Strahlablenksignal SM kompensiert.
Andererseits wird der Hauptabtastsynchronisiertakt CKX einem Bildsignalgenerator 71 zugeführt. Dieser Bildsignalgenerator 71 kann so eingerichtet sein, daß er eine bestimmte Verarbeitung auf einem durch Lesen einer Vorlage gewonnenen Bildsignal durchführt und dasselbe ausgibt, oder so, daß er aufeinanderfolgend Bildsignale ausliest, die vorab in einem Bildspeicher gespeichert worden sind. Ein Bildsignal SI, welches in Form eines Halbtonpunktsignals in diesem Bildsignalgenerator 71 erzeugt wird, wird jedes Pixel auf einen AOM 4 mit einer durch den Hauptabtastsynchronisiertakt CKX bestimmten zeitlichen Lage übertragen. Der AOM 4 moduliert den Hauptlichtstrahl LM ansprechend auf den Wert des Bildsignals SI EIN/AUS.

B. Photosensorfeld 100

Fig. 1 ist eine teilweise abgebrochene perspektivische Ansicht, welche den Aufbau eines im Photosensorfeld enthaltenen Photosensors 20a zeigt. Da die übrigen Photosensoren 20b bis 20n gleiche Aufbauten haben, wird nun nur der Photosensor 20a beschrieben.
Der Photosensor 20a hat ein p-Halbleitersubstrat 31, welches sich in einer Richtung Dx erstreckt. Die Hauptfläche des Halbleitersubstrats 31 ist zu einer Ebene parallel, welche durch die Richtungen Dx und Dy definiert ist. Ein Paar von n-Halbleiterschichten 32U und 32L sind auf dieser Hauptfläche ausgebildet. Die n-Halbleiterschichten 32U und 32L haben die Form streifenförmiger Senken, die sich in der Richtung Dx erstrecken und mit einem kleinen Abstand in Richtung Dx benachbart zueinander liegen. Durch die betreffenden Berührgrenzflächen zwischen den n-Halbleiterschichten 32U und 32L und dem p-Halbleitersubstrat 31 wird ein Paar von pn-Übergängen YU und YL gebildet. Alternativ können die Halbleiterschichten 32U und 32L auch aus einem p- Halbleitermaterial gebildet sein, wenn das Halbleitersubstrat 31 durch ein n-Substrat gebildet wird.
Die pn-Übergangsbereiche JU und JL sind für eine photoelektrische Umwandlung von Licht, das in Fig. 1 von oben eintritt, eingerichtet. Der Photosensor 20a umfaßt also ein Paar von Teil- Photosensoren 21U und 21L, die sich in der Richtung Dx erstrecken. Diese Teilsensoren 21U und 21L, die in der in Fig. 2 gezeigten Lagebeziehung vertikal angeordnet sind, werden obere bzw. untere Sensoren genannt.
Eine große Anzahl von Elementarlichtabschirmschichten 33 sind auf den n-Halbleiterschichten 32U und 32L angeordnet. Die Elementarlichtabschirmschichten 33 haben die Form linearer Streifen, die sich in der Richtung Dy erstrecken und periodisch in der Richtung Dx angeordnet sind und so zusammen ein Lichtabschirmmuster (Gittermuster) 34 definieren. Das Lichtabschirmmuster 34 ist beispielsweise aus Aluminium. Ein Verfahren zur Herstellung des Photosensors 20A wird im folgenden beschrieben.
Fig. 4A ist eine Vorderansicht, welche das Photosensorfeld 100 zeigt. Die Photosensoren 20a bis 20n, von denen jeder den vorgenannten Aufbau hat, sind auf einem isolierenden Substrat 40 in der Richtung Dx angeordnet. Die n-Halbleiterschichten 32U der einzelnen Photosensoren 20a bis 20n sind durch elektrische Verdrahtungen 32, die typischerweise in Fig. 4A gezeigt sind, verbunden, so daß ein erstes photoelektrisches Umwandlungssignal SU abgenommen wird. Ähnlich sind die anderen n-Halbleiterschichten 32L der einzelnen Photosensoren 20a bis 20n durch andere Verdrahtungen 24 miteinander verbunden, so daß ein zweites photoelektrisches Umwandlungssignal SL abgenommen wird. Ferner sind die p-Halbleitersubstrate 31 der Photosensoren 20a bis 20n durch Verdrahtungen 25 oder eine gedruckte Metallschicht, die auf der Oberfläche des isolierenden Substrats 40 vorgesehen ist, miteinander verbunden, und liegen so auf Massepotential GND.
Die Photosensoren 20a bis 20n sind so linear aufgereiht, daß sie das obere Sensorfeld 100U als einen Satz der oberen Sensoren 21U und das untere Sensorfeld 100L als ein Satz der unteren Sensoren 21L ausbilden. Die Referenzlinie RF, die eine gedachte Linie ist, ist längs des Grenzabschnitts zwischen oberem und unteren Sensorfeld 100U und 100L definiert.
Fig. 4B ist eine vergrößerte Ansicht, welche einen Grenzabschnitt zwischen benachbarten Photosensoren 20a und 20b zeigt. Jede der Elementarlichtabschirmschichten 33, ausgenommen diejenigen, die an den Enden des Photosensors 20a vorgesehen sind, hat eine bestimmte Breite W in der Richtung Dx, wobei zwischen benachbarten Elementarlichtabschirmschichten 33 vorgesehene spaltartige Fenster 35 ebenfalls die gleiche Breite W haben. Diese Breite W hat ungefähr den gleichen Wert wie der Strahldurchmesser des Referenzlichtstrahls LR an der Stelle des Photosensorfelds 100. Jede der beiden an den Enden des Photosensors 20a vorgesehenen Elementarlichtabschirmschichten 33 hat eine Breite Wa, die kleiner als die Breite W ist. Der Feldzwischenraum G zwischen den Photosensoren 20a und 20b ist so bestimmt, daß der Abstand zwischen inneren Rändern EA und EB der Elementarlichabschirmschichten 33, die einander über den Zwischenraum G gegenüberliegen, mit der vorgenannten Breite W zusammenfällt. Anders ausgedrückt, gilt die folgende Gleichung:
2Wa + G = W
Dieses Feld von Fenstern 35 im Photosensor 20a ist räumlich auf die Fenster 35 des benachbarten Photosensors 20b ausgerichtet.
Eine solche Ausrichtbeziehung gilt auch für die übrigen Photosensoren 20b bis 20n. Die Fenster 35 sind also mit der gleichen Periode (Gitterabstand) 2W über die gesamten Photosensoren 20a bis 20n hinweg angeordnet. Da die räumliche Justierung der Photosensoren 20a bis 20n bereits durch Justierung des Feldzwischenraums der Photosensoren 20a bis 20n längs der kurzen Seiten der Photosensoren, d. h., längs der Richtung Dy, erreicht wird, ist der Vorgang für eine solche Justierung verhältnismäßig einfach, verglichen mit dem Fall, wo mehrere Photosensoren parallel in der Richtung Dy angeordnet sind.
Die Länge des Photosensorfelds 100 längs der Richtung Dx bestimmt sich im Verhältnis zum Abtastbereich des Referenzlichtstrahls LR längs der Richtung Dx an der Stelle des Feldes 100. Da keiner der Photosensoren 20a bis 20n eine Länge haben kann, die größer als der Durchmesser der für seine Herstellung verwendeten Halbleiterscheibe ist, wird ein dem vorgenannten Abtastbereich entsprechender Abtastbereich durch Ausbildung des Feldes von Photosensoren 20a bis 20n sichergestellt. Die Gesamtzahl der im Photosensorfeld 100 enthaltenen Photosensoren 20a bis 20n wird also durch das Verhältnis des vorgenannten Abtastbereichs zur Länge eines jeden Photosensors bestimmt.
Fig. 5A ist eine typische Vorderansicht des Photosensorfelds 100 und Fig. 5B ein Ersatzschaltbild des Photosensorfelds 100, das in Entsprechung zur Fig. 5A gezeichnet ist. Das Lichtabschirmmuster ist in Fig. 5A weggelassen. Da die einzelnen oberen und unteren Sensoren 21U und 21L photoelektrische Umwandlungsfunktionen haben, ist das obere Sensorfeld 100U einer Parallelschaltung von Photodioden PUa bis PUn äquivalent, und das untere Sensorfeld 100L einer Parallelschaltung von Photodioden PLa bis PLn äquivalent. Eine zusammengesetzte Ausgabe der oberen Photodioden PUa bis PUn wird als Signal SU abgenommen, während eine zusammengesetzte Ausgabe der unteren Photodioden PLa bis PLn als Signal SL abgenommen wird. Betrachtet man eine obere Photodiode (z. B. PUa) und eine dazu entsprechende untere Photodiode (z. B. PLa) in einem tatsächlichen Vorrichtungsaufbau, so dient das in Fig. 1 gezeigte p-Haltleitersubstrat 31 als gemeinsamer Anodenbereich, weshalb keine Notwendigkeit besteht, zwei Massedrähte, wie in Fig. 5B gezeigt, zu verwenden, vielmehr ist eine Masseleitung, wie in Fig. 4A gezeigt, ausreichend.

C. Photoelektrische Signalverarbeitungsschaltung 50

Fig. 6A kombiniert mit Fig. 6B ist ein Schaltbild, welches die photoelektrische Signalverarbeitungsschaltung 50 zeigt. Die photoelektrischen Umwandlungssignale SU und SL der oberen und unteren Sensorfelder 100U und 100L werden durch Operationsverstärker 51U und 51L und Inversionspuffer IVU und IVL einer Strom- Spannungsumwandlung unterworfen. So erhaltene Spannungssignale A&sub0; und B&sub0; werden Komparatoren 52U und 52L eingegeben. Eine bestimmte Referenzspannung VR eines Referenzspannungsgenerators 53 wird als andere Eingaben den Komparatoren 52U und 52L zugeführt.
Fig. 7 veranschaulicht Wellenformen an Teilen der photoelektrischen Signalverarbeitungsschaltung 50 für jeweilige Abtastpositionen eines Strahlpunktes BS in der Richtung Dx, der auf das Photosensorfeld 100 mit dem Referenzlichtstrahl LR eingestrahlt wird. Durch strichpunktierte Linien dargestellt, sind die Abbildungsmaßstäbe der einzelnen Wellenformen längs der Richtung Dx verglichen mit denjenigen des Photosensorfelds 100 vergrößert.
Fig. 7 veranschaulicht den Fall, wo die Mittellage des Strahlpunkts BS nach oben von der Referenzlinie RF abweicht.
Infolge der Aufwärtsabweichung des Strahlpunkts BS bildet das Signal A&sub0;, das am oberen Sensorfeld 100U erhalten wird, wenn der Strahlpunkt BS durch die Fenster 35 geht, ein breites Maximum. Andererseits bildet das Signal B&sub0;, das am unteren Sensorfeld 100L erhalten wird, ein schmales Maximum. Die Komparatoren 52U und 52L vergleichen diese Signale A&sub0; und B&sub0; mit der gemeinsamen Referenzspannung VR und geben die Ergebnisse des Vergleichs als binarisierte Signale SA und SB aus. Von den Signalen, deren Wellenform so binarisiert ist, ist das Signal SA ein breiter binärer Impuls und das Signal SB ein schmaler binärer Impuls.
Das ODER-Glied 54 der nächsten Stufe berechnet die logische Summe dieser Signale SA und SB und gibt diese als Hauptabtastsynchronisierungstakt CKX aus. Wie sich aus Fig. 7 ergibt, hat der Takt CKX die gleiche Wellenform wie das Signal SA, wenn sich der Strahlpunkt BS in einem nach oben abweichenden Zustand befindet. Wenn sich der Strahlpunkt BS in einem nach unten abweichenden Zustand befindet, wird andererseits ein Satz von Wellenformen erhalten, bei welchem die in Fig. 7 gezeigten Wellenformen der Signale A&sub0; und B&sub0; durcheinander ersetzt sind und diejenigen der Signale SA und SB ebenfalls durcheinander ersetzt sind. In diesem Fall hat daher der Takt CKX die gleiche Wellenform wie das Signal SB. Wenn sich die Mitte des Strahlpunktes BS auf der Referenzlinie RF befindet, haben ferner die Signale A&sub0; und B&sub0; im wesentlichen identische Wellenformen, und der Takt CKX wird durch Binarisierung der gemeinsamen Wellenform erhalten.
Es wird nämlich dasjenige der Signale SA und SB, das die größere Impulsbreite hat, im wesentlichen als Takt CKX verwendet. Es ist durch Einstellen des Wertes der Referenzspannung VR möglich, die Impulsbreite CW des Taktes CKX auf ungefähr 50% der Lichtabschirmungsmusterzyklusperiode 2W im Sinne von Abstand einzustellen. Der Takt CKX wird also ein Impulszug mit einem Tastverhältnis von 1/2.
Der Hauptabtastsynchronisierungstakt CKX wird dem in Fig. 3 gezeigten Bildsignalgenerator 71 sowie einer in Fig. 6B gezeigten Zeiterzeugungsschaltung 60 zugeführt. Der Takt CKX wird an Verzögerungsschaltungen 61 und 62 eines in der Zeiterzeugungsschaltung 60 vorgesehenen zweistufigen Aufbaus einer zweistufigen Verzögerung unterworfen (siehe Fig. 8A). Ein im unteren Teil der Fig. 8A gezeigter Impulszug ST wird durch ein Exklusiv-ODER-Glied 63 und ein Nicht-UND-Glied 64, die in einer hinteren Stufe derselben vorgesehen sind, gewonnen. Dieser Impulszug ST ist ein Signal, welches einmal in jeder Periode eine negative Spitze ausbildet, wenn der Referenzlichtstrahl LR in die einzelnen Fenster 35 des Photosensorfelds 100 eingestrahlt wird. Es ist durch Einstellen der Verzögerungszeiten der Verzögerungsschaltung 61 und 62 möglich, die negative Spitze des Impulszuges ST an der Mitte des Fensters 35 zu erzeugen.
Dieser Impulszug ST wird Abtast-Halte-Schaltungen 55U und 55L als Zeitsteuersignale zugeführt. Die Abtast-Halte-Schaltungen 55U und 55L tasten die Werte der Signale A&sub0; und B&sub0; ab, wenn der Impulszug ST eine negative Spitze ausbildet, und halten die abgetasteten Werte, bis die nächste negative Spitze ausgebildet wird. Die einzelnen Ausgangssignale A und B der Abtast-Halte- Schaltungen 55U und 55L werden also Signale, die, wie in Fig. BB gezeigt, vorhergehende Spitzenwerte der Signale A&sub0; und B&sub0; ausdrücken, so daß Werte, die nicht null sind, auch dann beibehalten werden können, wenn der Strahlpunkt BS gerade durch die Lichtabschirmschicht 33 geht. Die Oberflächenneigungskorrektur des Polygonspiegels 9, beruhend auf den Signalen A und B, kann also zeitlich kontinuierlich durchgeführt werden.
Die Signale A und B werden dem Operationsverstärker 56 der nächsten Stufe zugeführt. Der Operationsverstärker 56 dient als Analogsubtrahierer, und der andere Operationsverstärker 57 dient als Analogaddierer. Die Operationsverstärker 56 und 57 geben daher ein Differenzsignal (A-B) und ein Summensignal (A + B) aus. Ein Dividierer 58 dividiert das Differenzsignal (A-B) durch das Summensignal (A + B) und wertet die normierte Abweichung M folgendermaßen aus
M = (A-B)/(A + B)
und erzeugt ein den Wert M ausdrückendes Strahlabweichungssignal SM zur Ausgabe desselben auf den AOD B. Dieses Strahlabweichungssignal SM ist, wie oben bereits beschrieben, für eine Korrektur der Oberflächenneigung des Polygonspiegels 9 in Echtzeit eingerichtet.
Das Steuersignal für den AOD B wird nicht durch das Differenzsignal (A-B) selbst, sondern durch die normierte Abweichung M gebildet, wodurch die Abweichung des Strahlpunktes BS von der Referenzlinie RF quantitativ und korrekt auch dann ausgedrückt wird, wenn die Lichtintensität des Referenzlichtstrahls LR, die durch das Photosensorfeld 100 photoelektrisch umgewandet wird, nicht konstant ist. Die Oberflächenneigung des Polygonspiegels wird also mit hoher Genauigkeit korrigiert.

D. Verfahren zur Photosensorherstellung

Die Fig. 9A bis 9C sind Schnittansichten, genommen längs der Linie IX-IX der Fig. 1, die ein Verfahren zur Herstellung des Photosensors 20a zeigen. Die übrigen Photosensoren 20b bis 20n werden ebenfalls durch ein ähnliches Verfahren hergestellt.
Zunächst wird eine p-Halbleiterscheibe 91 (Fig. 9A) bereitgestellt und ihre obere Hauptfläche mit einer n-Verunreinigung zur Ausbildung einer n-Halbleiterschicht 92 dotiert. Auf der n-Halbleiterschicht 92 wird ein Aluminiumfilm 93 durch Gasphasenabscheidung ausgebildet und danach darauf eine Resist- Schicht 94 mit einem periodischen Spaltmuster ausgebildet.
Dann wird der Aluminiumfilm 93 durch die Resist-Schicht 94, die als Maske dient, ausgewählt geätzt (Fig. 9B). Wenn die Resist-Schicht 94 entfernt ist, sind daher spaltartige Fenster 35 und abwechselnd angeordnete Elementarlichtabschirmschichten 33 gewonnen (Fig. 9C). In dem in Fig. 9C gezeigten Zustand wird die Scheibe in Streifen, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, unterteilt, um den Photosensor 20a zu gewinnen. Das Halbleitersubstrat 91 und die Halbleiterschicht 92 nach einer solchen Teilung sind genau das Halbleitersubstrat 31 und die Halbleiterschicht 32, die in Fig. 4A gezeigt sind.

E. Ergänzung und Schluß

Die Genauigkeit des Nachweises der Abweichung wird mit abnehmendem Abstand zwischen dem Paar von Halbleiteschichten 32U und 32L erhöht. Wenn der Abstand extrem vermindert ist, wird jedoch ein parasitärer npn- (oder pnp-)Transistor unerwünschterweise durch die Halbleiterschichten 32U und 32L, die als Kollektoren und Emitter dienen, und einen Teil des Halbleitersubstrats 31, der zwischen den Halbleiterschichten 32U und 32L liegt und als Basis dient, gebildet. Der vorgenannte Abstand beträgt daher vorzugsweise beispielsweise ungefährt 0,01 mm. Der Gitterabstand 2W beträgt beispielsweise bevorzugt ungefähr 0,8 mm.
Außer für eine Bildlese- oder Bildaufzeichnungsvorrichtung mit einem Polygonspiegel als Hauptablenker ist der Photosensor gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf eine Bildlese- oder Bildaufzeichnungsvorrichtung, welche einen Galvanospiegel, eine Hologrammscheibe oder dergleichen als Hauptablenker verwendet, anwendbar. Im Falle des Lesens eines Bildes wird eine Originaloberfläche mit einem Hauptlichtstrahl so abgetastet, daß sein durchgelassenes oder reflektiertes Licht von dem Photosensor empfangen wird, während die Zeit, mit der das Photoempfängersignal in einen Bildspeicher oder dergleichen genommen wird, durch den Hauptabtastsynchronisierungstakt CKX gesteuert wird. Das Verfahren der Oberflächenneigungskorrektor usw. selbst ist ähnlich dem bei der Bildaufzeichnung. Der Referenzlichtstrahl LR kann von einer Lichtquelle abgegeben werden, die sich von derjenigen für den Hauptlichtstrahl LM unterscheidet.
Wie oben beschrieben, sind zwei pn-Übergänge auf einer gemeinsamen Halbleiterschicht in paralleler Weise ausgebildet, wobei die Lagebeziehung zwischen ihnen festliegt, wodurch keine Montagelagekontrolle hoher Genauigkeit erforderlich ist, wenn der Photosensor gemäß der vorliegenden Erfindung in gegebene Vorrichtungen eingebaut wird.
Da ferner das Lichtabschirmungsmuster durch ein Feld einfacher streifenförmiger Lichtabschirmungsschichten gebildet wird, die direkt auf dem Sensorkörper ausgebildet werden, ist kein Gitter-Glaselement mit einem speziellen Lichtabschirmmuster erforderlich. Folglich ist es möglich, die Herstellungskosten zu verringern. Ferner wird bei einem Bildabtaster gemäß der vorliegenden Erfindung ein Photosensorfeld verwendet, welches durch regelmäßiges Anordnen der vorgenannten Photosensorfelder entlang seiner Längsrichtung ausgebildet ist, wodurch der Bildabtaster die vorgenannten Vorteile bewirkt.

Claims

1. Photosensor, der zur Feststellung einer Abtastposition eines Lichtstrahls verwendbar ist, mit

(a) einer ersten Halbleiterschicht (31) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Hauptfläche, die durch erste und zweite Richtungen (Dx, Dy) definiert ist und sich längs der ersten Richtung (Dx) in Form eines Streifen erstreckt, wobei die erste Richtung (Dx) einer Abtastrichtung des Lichtstrahls entspricht und die zweite Richtung (Dy) senkrecht zur ersten Richtung ist,

(b) einem Paar von zweiten Halbleiterschichten (32U, 32L) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die in der Hauptfläche längs der ersten Richtung (Dx) in Form von Streifen ausgebildet sind und in der zweiten Richtung (Dy) benachbart zueinander liegen, gekennzeichnet durch

(c) ein an der Hauptfläche anhaftendes Abschirmmuster, welches Elementar-Lichtabschirmschichten (33) aufweist, von denen jede streifenförmig ist und sich längs der zweiten Richtung (Dy) erstreckt, und welche periodisch längs der ersten Richtung (Dx) mit Zwischenräumen (35) dazwischen angeordnet sind und ausgewählt das Paar von zweiten Halbleiterschichten (32U, 32L) abdecken, wobei erste und zweite photoelektrische Umwandlungssignale, die die Abtastposition des Lichtstrahls angeben, aus ersten und zweiten pn-Übergängen, die zwischen der ersten Halbleiterschicht und betreffenden des Paares von zweiten Halbleiterschichten definiert sind, gewonnen werden, wenn die Hauptfläche mit dem Lichtstrahl abgetastet wird.

2. Photosensor nach Anspruch 1, wobei jeder der Zwischenräume (35) die gleiche Breite wie jede der Elementarabschirmschichten (33) in der ersten Richtung (Dx) hat.

3. Photosensor nach Anspruch 2, wobei die Breite im wesentlichen gleich einem Durchmesser des Lichtstrahls auf der Hauptfläche ist.

4. Photosensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Lichtabschirmmuster ferner zusätzliche Abschirmschichten aufweist, die an entgegengesetzten Endflächen der Hauptfläche vorgesehen sind und sich längs der zweiten Richtung mit solchen Zwischenräumen zwischen den Elementar-Abschirmschichten (33) und den zusätzlichen Lichtabschirmschichten erstrecken, so daß ausgewählt betreffende Enden des Paares von zweiten Halbleiterschichten abgedeckt werden, wobei die zusätzlichen Lichtabschirmschichten eine Breite haben, die kleiner als die Breite einer jeden Elementar-Lichtabschirmschicht ist.

5. Photosensor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Lichtabschirmmuster aus Metall besteht.

6. Photosensorfeld, welches zur Feststellung einer Abtastposition eines Lichtstrahls verwendbar ist, mit einer Anzahl von Photosensoren nach Anspruch 4, ausgerichtet auf einer Platte (40) in der ersten Richtung (Dx), wobei

die Photosensoren in der ersten Richtung mit Ausrichtungszwischenräumen (G) zwischen ihnen ausgerichtet sind, wobei jeder der Ausrichtungszwischenräume von solcher Art ist, daß die folgende Gleichung gilt:

2Wa + G = W

wobei:

Wa die Breite einer jeden zusätzlichen Lichtabschirmschicht ist,

G ein Wert ist, der jeden der Ausrichtungszwischenräume darstellt, und

W die Breite eines jeden Elementar-Lichtabschirmmusters ist.

7. Bildabtaster zum periodischen Abtasten einer Objektoberfläche (12) mit einem Hauptlichtstahl (LM) in einer vorgegebenen Hauptabtastrichtung (X) und Relativbewegen der abgetasteten Oberfläche (12) und des Hauptlichtstrahls (LM) längs einer Nebenabtastrichtung (X), womit eine Bildaufzeichnung auf der Objektoberfläche oder ein Bildlesen von der Objektoberfläche durchgeführt wird, mit einem Photosensorfeld gemäß Anspruch 6, wobei die Photosensoren (20a, . . . 20n) desselben in einer ersten Richtung (Dx) konjugiert zur Hauptablenkrichtung (X) linear angeordnet sind und an einer Stelle liegen, die den Referenzlichtstrahl (LR) empfangen kann, wobei der Bildabtaster

(a) Lichtstrahlabgabemittel (2, 3, 6) zum Abgeben des Hauptlichtstrahls (LM) unter gleichzeitiger Abgabe eines Referenzlichtstrahls (LR), der zu dem Hauptlichtstrahl parallel ist,

(b) einen Vorablenker (8), der im optischen Weg von Haupt- und Referenzlichtstrahl liegt, zum Ablenken von Haupt- und Referenzlichtstrahl in eine Vorablenkrichtung (Fy), die zu der Nebenabtastrichtung (Y) konjugiert ist, ansprechend auf ein Steuersignal,

(c) einen Hauptablenker (9) für den Empfang von Haupt- und Referenzlichtstrahls nach Ablenkung durch den Vorablenker (B) und zum periodischen Ablenken von Haupt- und Referenzlichtstrahl in eine Hauptablenkrichtung (Fx), welche zur Hauptabtastrichtung (X) konjugiert ist,

(d) Mittel (11) zum relativen Ändern betreffender Laufrichtungen von Haupt- und Referenzlichtstrahl nach Ablenkung durch den Hauptablenker, wodurch nur der Hauptlichtstrahl auf die abgetastete Oberfläche geleitet wird,

(e) Mittel zum Aufsummieren betreffender in den Photosensoren gewonnener erster photoelektrischer Umwandlungssignale zur Erzeugung eines ersten zusammengesetzten Signals (SU),

(f) Mittel zum Aufsummieren betreffender in den Photosensoren gewonnener zweiter photoelektrischer Umwandlungssignale zur Erzeugung eines zweiten zusammengesetzten Signals (SL), und

(g) Rückkopplungsmittel (50) für den Empfang von erstem und zweitem zusammengesetzten Signal zur Erzeugung eines Rückkopplungssignals (SM) ansprechend auf die Differenz zwischen erstem und zweitem zusammengesetzten Signal, wobei das Rückkopplungssignal an den Vorablenker (B) als das Steuersignal geliefert wird, und

eines Zeitsignals (CKX) zur Bestimmung einer Zeit für das Bildaufzeichnen oder Bildlesen mit dem Hauptlichtstrahl auf der Objektoberfläche aufweist.

B. Bildabtaster nach Anspruch 7, wobei

die Rückkopplungsmittel (50)

(h-1) Mittel (52U, 52L) zur Binarisierung von erstem und zweitem zusammengesetzten Signal zur Gewinnung eines ersten und zweiten Binärsignals (SA, SB), und

(h-2) Mittel (54) zur Gewinnung einer logischen Summe von erstem und zweitem Binärsignal zur Erzeugung des Zeitsignals aufweisen.

9. Bildabtaster nach Anspruch 8, wobei

die Rückkopplungsmittel (50) ferner

(h-3) Mittel (55U, 55L) zum Abtasten und Halten betreffender Spitzenwerte des ersten und zweiten zusammengesetzten Signals synchron mit dem Zeitsignal zur Gewinnung von eines ersten und zweiten elektrischen Signals (A, B), aus welchen das Rückkopplungssignal gewonnen wird, aufweisen.

10. Bildabtaster nach Anspruch 9, wobei die Rückkopplungsmittel (50) ferner

(h-4) Mittel (56) zum Berechnen einer Differenz zwischen dem ersten und zweiten elektrischen Signal zur Gewinnung eines Differenzsignals (A-B),

(h-5) Mittel (57) zum Berechnen einer Summe aus erstem und zweitem elektrischen Signal zur Gewinnung eines Summensignals (A+B), und

(h-6) Mittel (58) zum Dividieren des Differenzsignals durch das Summensignal zur Erzeugung des Rückkopplungssignals (SM) aufweisen.