Brevet FR2308263A1 — publié le 19761112

La présente invention concerne un procédé de balayage bidimensionnel utilisant la variation de conversion non linéaire d'ondes élastiques de surface sous l'effet de l'illumination d'un matériau photo-sensible. Plus partictlli0renent, l'invention concerne des procédés de balayage bidimensionnel d'une image explorée par plusieurs faisceaux d'ondes élastiques de surface. Enfin, elle concerne la réalisation d'une caméra électronique à état solide. Dans plusieurs articles techniques relativement récents, tel que l'article intitulé "Scanning optical patterns with acoustic surface waves" de N.J. Noll, O.W. Otto et C.. Quate, paru dans la revue "Journal de Physique", colloque C6, supplément au nO 11-12, Tome 33, Novembre-Décembre 1972, pages 231 à 234, ou l'article intitulé "Acoustic transform techniques applied to optical imaging" de H. Gautier, G.S. rino et H.J. Shaw, paru dans "74 IEEE - Ultrasonics Symposium" catalog nO 74CH0896-1SU, on a décrit des procédés de balayage linéaire de la conductivité d'un film semiconducteur associé à une surface piézoélectrique adjacente.Le balayage est réalisé par l'interaction non-linéaire entre des ondes acoustiques de surface résultant du couplage du champ piézoélectrique créé par les ondes de surface, à travers le film semiconducteur, disposé par Q exemple à environ 1000 A au-dessus de la surface piézoélectrique. Dans le premier article cité ci-dessus, on réalise ltexploration d'une ligne d'une image lumineuse projetée sur le film semiconducteur en lançant une première onde acoustique sinusordale sous le film, dans la direction de la ligne à explorer, et une seconde onde acoustique, sons forme d'une impulsion, dans le sens contraire à la première, à partir de l'autre bout de la ligne. L'impulsion perturbe l'onde sinusordale dans la région où elle se superpose à celle-ci, l'amplitude de la perturbation étant fonction de la conductivité du semiconducteur dans la région de superposition, sa fréquence étant égale à la somme des fréquences de la première et de la seconde onde acoustique. En particulier, si les fréquences des première et seconde ondes acoustiques sont égales, la superposition des ondes en un point correspond à un accord des phases des deux ondes en ce point, la fréquence du signal d'interaction étant double -de celles des ondes. Dans le second article cité ci-dessus, on envisage, de plus, l'interaction entre deux ondes de surface, également lancées l'une vers l'autre, les fréquences des deux ondes variant linéairement et leurs amplitudes étant constantes. L'interaction se produit encore à l'accord de phase des deux ondes. Si les coefficients des variations linéaires des deux ondes sont de valeurs absolues égales, mais de signes contraires, la fréquence du signal d'interaction est fixe et le balayage de la ligne est synchrone avec les variations des deux ondes. Toutefois, il faut noter que ces procédés de balayage ou d'exploration ne concernent qu'une ligne, le balayage ou l'exploration successif de plusieurs lignes nécessitant un dispositif mécanique ou optique supplémentaire, déplaçant respectivement soit l'ensemble du substrat piézoélectrique et du film semiconducteur, ou la ligne illuminée projetée sur le film semiconducteur. Un objet de la présente invention consiste à prévoir un procédé de balayage bidimensionnel d'une image projetée sur un film semiconducteur au moyen d'ondes élastiques de surface lancées à la surface d'un substrat sous-jacent, le passage du balayage d'une ligne de l'image au balayage de la ligne suivante étant réalisé par des moyens simples classiques et entièrement iXectroniques. Suivant une caractéristique de l'invention, il est prévu un procédé de balayage dans lequel on lance trois gndes élastiques de surface, sous le film semiconducteur présentant des varfations de conductivité, les directions des trois ondes n'étant pas colinéaires deux à deux, l'interaction non linéaire des trois ondes, aux points où elles sont en phase, produisant une onde élastique dont la fréquence est la somme des fréquences des trois ondes élastiquesoinitiales. Suivant une autre caractéristique, la somme vectorielle des vecteurs d'onde des trois ondes élastiques initiales est nulle, le vecteur d'onde d'une onde ayant pour direction et sens la direction et le sens de déplacement de l'onde élastique, et pour grandeur une quantité proportionnelle à la vitesse de l'onde élastique dans la direction considérée. Suivant une autre caractéristique le passage du balayage d'une ligne au balayage de la ligne suivante est obtenue en déphasant convenablement une des ondes élastiques par rapport aux deux autres. Suivant une autre caractéristique, la première onde élastique est une onde sinusotdale continue, tandis que la seconde et la troisième sont modulées en impulsions, le passage d'une ligne à la suivante résultant d'un déphasage entre la seconde et la troisième onde élastique. Suivant une autre caractéristique, les trois ondes élastiques sont émises de façon continue pendant le balayage d'une ligne, avec chacune des variations de fréquences linéaires, deux d'entre elles ayant les mêmes coefficients de linéarité de variation, différents de celui de la troisième, mais étant déphasées suivant la ligne à balayer, les coefficients de linéarité étant déterminés par la vitesse désirée de balayage d'une lignerez des conditions aux limites. Suivant une autre caractéristique, on utilise, comme substrat sous-jacent sur lequel sont lancées lesdites ondes acoustiques, un matériau isotrope, tel qu'une céramique, les vecteurs d'onde des trois ondes étant respectivement à 120e les uns des autres. vivant t une autre caractéristique, on utilise, comme substrat sous-jacent À la surface duquel sont lancées lesdites ondes acoustiques, un cristal admettant a tR surface un axe de répétition d'ordre 3, comme, par exemple, un cristal de niobate de lithium en coupe Z, un cristal de Bi12Ge020 ou de Bir2SiO20, un cristal de germanium ou de silicium, ou encore tout cristal cubique en coupe III. Il faut encore noter que la lumière projetée sur un film semiconducteur n'est pas la seule à y provoquer des variations de conductivité, des images acoustiques ou dans l'infrarouge peuvent également être utilisées pour moduler la conductivité du film. Par conséquent, le procédé de balayage bidimensionnel suivant l'invention s'applique, en dehors des images visibles, aux images acoustiques ou aux images infrarouge. D'autres caractéristiques de l'invention apparattront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. t est une vue en perspective d'un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé de balayage suivant l'invention, la Fio. 2 est une vue très schématique permettant d'illustrer, dans un cas rportant de géométrie, comment trois ondes acoustiques interagissent suivant le procédé de l'invention, la Fig. 3 est une autre vue très schématique illustrant, dans un autre cas de géométrie, comment les trois ondes acoustiques interagissent, la Fig. 4 est une vue schématique d'une caméra suivant l'invention, les Figs. 5a, 5b et 5c montrent des formes d'ondes de balayage utilisables dans une second procédé de balayage suivant l'invention, et la Fig. 6 est un bloc-diagramme d'un dispositif fonctionnant suivant le procédé de balayage illustré aux Figs. 5a à 5c. Le dispositif de la Fig. 7 comprend un substrat pièzoélectrtque 1, sous lequel est prévue une électrode de masse 2. Au-dessus du Substrat 1, monté sur des cales d'espacement 3, un film semiconducteur 4, par exemple en silicium, recouvert, sur toute sa surface supérieure, par une électrode 5 transparente, est éClairé par un dispositif optique de projection, non montré. Les différents éclairements du film 4 se traduisent par des variations de conductivité du semiconducteur. Le film 4 a une forme triangulaire que l'on comprendra mieux par la suite de la description. Le substrat 1 a également une forme triangulaire, sans que cela soit obligatoire. Autour de la surface triangulaire définie par la projection du film 4 sur la surface du substrat 1, parallèlement aux dbtés de cette surface triangulaire, à égales distances de ces cotés, sont prévus trois transducteurs 6, 7 et 8, qui sont capables, d'une manière classique, d'émettre des ondes élastiques de surface dans des directions respectivement perpendiculaires aux cotés adjacents du triangle. Les transducteurs 6, 7 et 8 ont des dimensions telles que les largeurs des pistes, le long desquelles se propagent les ondes élastiques, sont pratiquement égales aux longueurs respectives des côtEs du triangle. Les bornes d'entrée des transducteurs 6, 7 et 8 sont respectivement reliées aux sorties des générateurs de signaux électriques 9, 10 et 11.Enfin les électrodes 5 et 2 sont reliées aux bornes d'entrée d'un circuit de sortie 12. Plus particulièrement, dans l'exemple décrit, le matériau du substrat 1 est isotrope, comme une céramique, ou admet, à sa surface, un axe de répétition d'ordre 3, comme un cristal de niobate de lithium bien connu comme support de propagation d'ondes acoustiques. De plus, le triangle 4, ainsi que sa projection 13 sur la surface de 12 est un triangle équilatéral. Donc les transducteurs 6, 7 et 8 émettent des ondes de surface dont les directions font respectivement entre elles des angles de 120 , comme l'indiquent les vecteurs d'onde ir, t2 et , dont les modules sont égaux par raison de symétrie. Dans l'exemple décrit en relation avec la Fig. 2, qui ne représente que la surface du substrat 1, le générateur 11 délivre au transducteur 8 un signal d'amplitude constante et de pulsation a > . Le générateur 9 délivre au transducteur 6 un signal en forme d'impulsions de morne pulsation to avec une période de répétition T, tandis que le générateur 10 délivre au transducteur 7 un signal en forme d'impulsion, de méme durée que celui émis par 6 et de mSme pulsation > , mais avec une période de répétition légèrement différente T + T. En se référant à la Fig. 2, on supposera que les impulsions 14 et 15 ont été émises par 6 et 7 au mfrie instant. Donc au moment t dans une zone élémentaire 16 qui se trouve sur la hauteur AH du triangle 13 et, ensemble y interagissent avec l'onde continue, non représentée, émise par 8. Le signal d'interaction a une pulsation 3s et une amplitude fonction de la lumière projetée sur cette zone. Le signal d'interaction de pulsation 3= est recueilli entre les électrodes 2 et 5. Il faut noter que le signal 3w peut effectivement entre recueilli entre les électrodes de grande surface 2 et 5 car l'onde de surface de pulsation 3ua a un vecteur d'onde t, tel que: Etant donné dans l'exemple décrit, les modules et les arguments des vecteurs t1, t2 et il apparat que K est nul. Donc, à un instant donné, le signal d'interaction recueilli entre 2 et 5 ne correspond qu'à la zone d'interaction. Quand le temps t varie, la zone 16 se déplace, de haut en bas, sur a hauteur AH du triangle. On a donc réalisé avec des impulsions 14 et 15, émises au mEme instant, le balayage ou l'exploration de la ligne AH et le signal de sortie du circuit 12, pendant cette période T, correspond au signal de ligne de télévision de la ligne AH. Dans 12, pour distinguer les lignes, une liaison est prévue entre 9 et 12 par laquelle 9 transmet à 12 un signal de synchronisation chaque fois qu'une impulsion 14 est émise. Comme la période de répétition des impulsions 15 est, par exemple, légèrement plus longue, avec hT positif, que celle des impulsions 14, la période qui suit l'émission synchrone de 14 et 15, verra 15 légèrement retardée par rapport à 14. Donc, dans cette période suivante, la zone dtinteraction 16 va décrire une ligne parallèle à AH, mais légèrement décalée vers la droite. Le résultat est alors analogue à celui, qui est montré à titre d'illustration à la Fig. 3, où le transducteur 7' est plus éloigné du bord adjacent du triangle 13' que le transducteur 6'. A la Fig. 3, deux impulsions 14' et 15' émises en même temps par 6' et 7' effectuent, en coopération avec l'onde continue émise par 8', le balayage de la ligne 17 qui intersecte partiellement le triangle 13'. La zone 16, Fig. 2 est pratiquement un losange dont les côtés sont paral vièles aux cités du triangle voisins de 6 et 7. Si N est le nombre de points séparables le long d'un de ces côtés du triangle 13 et T le tempe de balayage de la hauteur AH par la zone 16, les impulsions 15 doivent avoir une période de récurrence décalée de + T/N par rapport aux impulsions 14 pour que chaque ligne soit décalée, à droite ou à gauche selon le signe, par rapport à la précédente de la largeur d'une ligne, c'est à dire de la petite diagonale de la zone élémentaire 16. A noter encore que la zone d'interaction 16 se déplace sur une ligne de balayage avec une vitesse 2V, V étant la vitesse des ondes de surface sur le substrat 1. On peut effectivement vérifier, sur la Fig. 2, que, quand la zone 16 parcourt AH, l'impulsion 15 ne parcourt que la distance HD et que HD = AH/2. Ainsi la vitesse V et par conséquent le temps de balayage T sont liés à la nature du substrat, mais indépendants de la période de récurrence des impulsions appliquées par 9 et 10 aux transducteurs 6 et 7. D'autre part, la période de balayage de l'image peut autre supérieure à NT ce qui entraînerait une fréquenceligne inférieure à 1/T. Il faudrait alors remettre périodiquement en phase les trains d'impulsions émis par 9 et 10. Le balayage peut être plus simple si la fréquence-image est égale à 1/NT et la fréquence de ligne à 1/T. Les impulsions délivrées par 9 seront alors récurrentes à la fréquence 1/T tandis que celles délivrées par 10 seront récurrentes à la fréquence N/(N ± 1 )T. On peut alors dire que le balayage est adapté. Il est évident que le décalage de fréquence entre les générateurs 9 et 10 peut etre obtenu par des moyens bien connus de l'homme de l'art. La Fig. 4 montre une vue schématique, en perspective, d'une caméra suivant l'invention. La caméra comprend une chambre noire, symbolisée par une chambre à soufflets 18 d'un appareil photographique, un objectif photographique 19 et une plaque 20 portant le dispositif de la Fig. 1. La partie électrique de commande n'est pas montrée. Cet ensemble permet de projeter un objet 21 sur le film semiconducteur du dispositif suivant l'invention, pour y former une image 22, qui peut être explorée comme on vient de le décrire. Au lieu d'appliquer au transducteur 8, à partir du générateur 11, un signal d'amplitude constante de pulsation q on peut en modifiant ce générateur lui appliquer une suite d'impulsions récurrentes de même pulsation u > , avec une fréquence de récurrence relativement élevée. En effet, en supposant que l'on a N points séparables sur la hauteur AH -de longueur Hi Fig. 2, 9n conçoit qu'il est possible de supprimer le signal de 8 pendant que la zone élémentaire 16 descend à la vitesse 2V d'un point à un autre. Comme l'onde émise par 8 ne se déplace à la rencontre de 16 qu'à la vitesse V des ondes sur le substrat 1, il faut que la distance sur le substrat entre deux impulsions émises par 8 soit égale à 3/2 H/N, ce qui correspond à une fréquence 3N/T.La largeur des impulsion émises par 8 doit rester suffisante pour couvrir une largeur H/N. Le gain en énergie du régime pulsé par rapport au régime sinusoïdal est donc au maximum de 1/3. Il faut noter que, dans le procédé de balayage décrit en relation avec la Fig. 2, chaque ligne est explorée à une vitesse qui est définie uniquement par la vitesse des codes acoustiques sur le substrat. On peut ralentir le balayage en appliquant aux transducteurs 6, 7 et 8 des signaux wobulés, c'est à dire à variation linéaire et périodique de fréquence. Un second procédé de balayage utilisant des signaux wobulés va maintenant etre décrit, étant entendu que la condition t1 + K2 + X3 = K = 0 reste respectée. Ce second procédé de balayage est décrit en relation avec les Figs. 5 et 6. On définit d'abord la durée de balayage ligne par T1, la fréquence-ligne par F1 avec T1 = 1/F1, la durée d'une image par Ti= NTl, N étant le nombre de lignes par image et, également, le nombre de points par ligne. Pratiquement, un signal wobulé est un signal périodique, dont la fréquence instantanée varie linéairement pendant la période ou au moins une partie de la période, l'amplitude du signal étant constante quand la fréquence varie. La Fig. 5a montre le signal appliqué par le générateur 23 au transducteur 6. Ce signal a une période T1. Au début de chaque période, la pulsation instantanée est Wd i puis elle décroît linéairement avec une pente p jusqu'à l'instant Tb, où l'amplitude du signal devient nulle. La Fig. 5b montre le signal applique par le générateur 24 au transducteur 7. Ce signal est identique à celui de la Fig. 5a, sauf que sa période est légèrement plus courte (dans le cas montré) et égale à T1(1 - i/N). La différence entre les périodes de récurrences des ondes émises par 6 et 7 permet, comme on l'a montré en relation avec les Figs. 2 et 3, d'explorer des lignes successives parallèles. La Fig. 5c montre le signal appliqué au transducteur 8 par le générateur 25. Ce signal est analogue à ceux des Figs. 5a et 5b, mais en diffère par la pente de la variation de fréquence et la période de récurrence, comme on va le voir ci-dessous. Soit la fréquence instantanée des ondes émises par 6 et 7, qui s'écrit #6,7 = #o + sst (1) L'interaction non linéaire entre ces deux ondes émises par 6 et 7 définit une zone élémentaire, analogue à 16, où w6 = w7 Cette zone se déplace, parallèlement à la hauteur du triangle AH, Fig. 6, avec une vitesse 2V, avec V égal à la vitesse des ondes élastiques de surface. La fréquence d'interaction des ondes émises par 6 et 7 varie le long d'une ligne parallèle à AH suivant la relation suivante: #' = #'a + ss'(x - 2Vt) (2) qui correspond à la propagation d'une onde wobulée se déplaçant à la vitesse 2V dans le sens AH. Le signal émis par le transducteur 8, qui permet de réaliser l'accord de phase nécessaire pour avoir r = o, se déplace a la vitesse V dans le sens HA et peut s'écrire: #8 = #8a + ss8(x = VT) (3) Afin de déterminer les valeurs de #'a, #8a, ss' et ss8, on va considérer la hauteur AH et, successivement, ce qui se passe au temps t = O et au temps Td2 suivant (#b étant le temps de balayage effectif d'une ligne, Figs. 5a et 5b). Au temps t = O, on suppose que w' = wo = M > a et que le point A (x = O) est en accord de phase. On a alors d'après (2) et (3): = a a 8 a Au temps t = Tb/2, on suppose que la zone d'interaction est en H. On a alors: 'J = #8 = wb et x = a#3/2 = H (5) où a est le cité du triangle et H sa hauteur. On a alors, d'après (2), (4) et (5) #b = #a + ss'(H - 2VTb/2 (6) b a + (H et, d'après (3), (4) et #b = #a + ss(H + VTb/2 (7) En désignant wb - wa par cw, il vient d'après (6): = H - VTb et 8 H + VTv2 Soient les fréquences instantanées suivantes émises par 6, 7 et . ainsi que les périodes de récurrence des signaux émis par ces transducteurs:: Transducteur 6 wg = a - 2 x4 Vt T1 6 H - vTb i 2 > Vt T(I i/N) Transducteur 7 tJ = a - T1(1 H - ) H + Vt Transducteur 8 = a + a;(H 2 Vu) (1 - 1 ) Ainsi, si le signal émis par 7 a une période de récurrence plus grande que celle du signal émis par 6, à un instant considéré qui suit le début du signal émis par 6, l'accord de phase se produira en une zone plus rapprochée de 7, à la même distance de 6, donc plus éloignée de 8.C'est pourquoi la période de récurrence des signaux émis par 8 doit alors être plus courte, la valeur absolue étant la même étant donné la symétrie d'ordre 3 que celle des signaux émis par 6. Il doit être bien entendu que le cas du triangle équilatéral et d'un axe de répétition d'ordre 3, que l'on a décrit ci-dessus en détail en relation avec deux procédés de balayage, ne constitue qu'un cas particulier et qu'une autre géométrie peut être utilisée tant que le vecteur somme r reste nul. Toutefois, ce cas particulier revêt une importance certaine car il s'applique à des substrats en niobate de lithium ou en germaniu ou en silicium, En particulier, quand on utilise du silicium ou du germanium, le support du dispositif peut hêtre constitué par ce matériau, le substrat piézoélectrique étant remplacé par une couche piézoélectrique déposée sur le support de silicium ou germanium. Une-telle couche piézoélectrique peut etre, par exemple, une couche d'oxyde de zinc (zno). Quand on utilise un substrat piézoélectrique, il est également possible, à titre de variante, de déposer directement à la surface du substrat une couche semi-conductrice. Cette couche semi-conductrice peut être une couche d'oxyde de zinc ou encore de sulfure ou de séléniure de cadmium (CdS ou Bien que les principes de la présente invention aient été décrits cidessus en relation avec des exemples particuliers de réalisation, il faut comprendre que ladite description n'a été faite qu'à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1; Procédé de balayage bidimensionnel d'une image projetée sur un film sem-lconducteur au moyen d'ondes élastiques de surface lancées à la surface d'un substrat piézoélectrique sous-jacent, caractérisé en ce que, sous le film semiconducteur, sont lancées trois ondes élastiques de surface, dont les directions ne sont pas colinéaires deux à deux, l'interaction non linéaire des trois ondes, aux points où elles sont en phase, produisant une onde élastique dont la fréquence est la somme des fréquences des trois ondes élastiques initiales et l'amplitude fonction de la lumière projetée en ces points sur ledit film semiconducteur. 2) Procédé de balayage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la somme vectorielle des vecteurs d'onde des trois ondes élastiques initiales est nulle, le signal d'interaction étant recueilli entre deux électrodes, l'une au-dessus du substrat et l'autre au-dessous. 3) Procédé de balayage suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le passage du balayage d'une ligne au balayage de la ligne suivante est obtenue en déphasant convenablement une des ondes élastiques par rapport aux deux autres. 4) Procédé de balayage suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la première onde élastique est une onde sinusoIdale continue, tandis que la seconde et la troisième sont modulées en impulsions, le passage d'une ligne à la suivante résultant d'un déphasage entre la seconde et la troisième onde élastique. 5) Procédé de balayage suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les trois ondes élastiques sont émises de façon continue pendant le balayage d'une ligne, avec chacune des variations de fréquences linéaires, deux d'entre elles ayant les mimes coefficient de linéarité de variation, différents de celui de la troisième, mais étant déphasées suivant la ligne à balayer, les coefficients de linéarité étant déterminés par la vitesse désirée de balayage d'une ligne et des conditions aux limites. 6) Procédé de balayage suivant l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le substrat sous-jacent sur lequel sont lancées les trois ondes acoustiques initiales est constitué par un matériau isotrope, tel qu'une céramique, les vecteurs d'onde des trois ondes étant respectivement à 120 les uns des autres. 7) Procédé de balayage suivant l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le substrat sous-jacent sur lequel sont lancées les trois ondes acoustiques initiales est constitué par un cristal admettant à sa surface un axe de répétition d'ordre 3, tel qu'un cristal de niobate de lithium en coupe Z, un cristal de Bi12GeO20ou de Bi12SiO20, un cristal de germanium ou de silicium, ou encore tout cristal cubique en coupe III. 8) Caméra dans laquelle la plaque sur laquelle est projetée l'image est un film semiconducteur sur un substrat piézoélectrique sur lequel sont lancées des ondes élastiques de surface, caractérisée en ce que le balayage bidimensionnel de la plaque est réalisé suivant l'un des procédés des revendications 1 a 7. 9) Caméra suivant la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend des générateurs de signaux délivrant à des transducteurs les signaux nécessaires pour engendrer lesdites ondes élastiques de surface initiales et un circuit de sortie accordé sur la fréquence du signal d'interaction relié à une paire d'électrodes dont l'une est dessus et l'autre dessous le substrat piézoélectrique. 10) Caméra suivant la revendication 9, caractérisée en ce que les fonctionnements des générateurs et du circuit de sortie sont commandés de manière à assurer un balayage par lignes et trames de la plaque.