Устройство считывания изображений на поверхностных акустических волнах с помощью веерных встречно-штыревых преобразователей на подложке из сульфида кадмия.

1., 2., 1.

ЮФУ, г. Ростов-на-Дону МИФИ, Волгодонский филиал

  Считывание изображений в предлагаемом устройстве происходит за счет того, что акустический луч от веерного ВШП при сканировании изображения вдоль апертуры испытывает различное поглощение в следствие различной освещенности подложки. Таким образом получается, что различным распределениям освещенности вдоль апертуры соответствуют различные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ).

  Сканирование изображение происходит за счет того, что веерный ВШП излучает в виде узкого луча, который смещается вдоль апертуры преобразователя с изменением частоты [1], как показано на рис.1. Ширина луча w=л0/иmax.

Рис.1.Распределение амплитуды ПАВ вдоль апертуры веерного ВШП.

л0 – период в середине веерного ВШП (y=0), 2а – апертура веерного ВШП, dл – отклонение периода веерного ВШП по краям его апертуры от периода в его середине, иmax – максимальный угол отклонения электродов веерного ВШП от вертикали.

  Зависимость поглощения ПАВ от освещенности вызвана тем, что в пьезополупроводнике из высокоомного сульфида кадмия (7,5·10-5 1 1/Ом·см [2]), из которого сделана подложка, ПАВ взаимодействует с электронами проводимости, посредством электрических полей, сопровождающих ПАВ. Это взаимодействие приводит к тому, что, ПАВ, отдавая часть своей энергии электронам, испытывают акустоэлектронное поглощение [3]. С увеличением освещенности, концентрация электронов растет, что приводит к росту поглощения ПАВ, т. е. в различных местах подложки вследствие различной освещенности будет различное поглощение ПАВ.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

  На рис.2 и з приведены АЧХ устройства считывания изображений в котором световое пятно проецировалось в различные места подложки на пути распространения ПАВ в линии задержки с веерным ВШП. Из этих рисунков видно, что различным местонахождениям светового пятна соответствуют различные АЧХ.

.

  а  б

Рис.2. Зависимость АЧХ веерного ВШП от подсветки. а – световое пятно находится в широкой части  веерного ВШП, б – световое пятно находится в узкой части  веерного ВШП.

  Засветка подложки производилась от обычной лампы накаливания мощностью в 150 Вт. Питание лампы осуществлялось постоянным током, чтобы не было модуляции яркости во времени. Это необходимо для того, чтобы точнее производить измерение затухания АЧХ устройства, так как модуляция светового пятна по яркости переменным током, приводит к тому, что затухание в том месте, где есть световое пятно тоже будет модулироваться. Следовательно, на АЧХ устройства точка, соответствующая световому пятну будет колебаться с частотой 50 Гц, что делает измерение затухания в данной точке невозможным.

Важно отметить, что увеличение затухания в том месте, где есть световое пятно происходит не мгновенно, а постепенно нарастая до некоторого определённого значения. Причем если убрать световое пятно на короткое время (5-10 с), а затем снова засветить данный участок поверхности, то установление затухания происходит значительно быстрее, чем при засветке других участков ранее не засвечиваемых. Было установлено, что быстрое восстановление затухание происходит даже через 20-30 с после отключения света, т. е. получается запоминание изображения на 20-30 с.

  Объясняется это тем, что под действием света электроны попадают из валентной зоны на ловушки, которых на поверхности сульфида кадмия имеется много типов с различными параметрами релаксации [2]. Поэтому при первоначальной засветке электроны попадают на ловушки и изображение тем самым запоминается. При повторной засветке электроны выходят из ловушек, т. е. затухание в месте светового пятна восстанавливается.

  С помощью системы светофильтров было установлено, что затухание максимально при зеленом свете и практически отсутствует при красном. Поэтому для формирования изображений на устройство считывания наиболее целесообразно использовать белый или зеленый свет.

  Очевидно, что если расположить веерные ВШП во взаимно перпендикулярных каналах (см. рис), то можно будет снимать информацию об изображении в двух измерениях.

Рис.3. Устройство считывания изображения на подложке из сульфида кадмия.

  Недостатком такого способа считывания является то, что сканирующий луч усредняет информацию об изображении вдоль направления распространения ПАВ, так как ПАВ доходит до приемного ВШП, ослабленная за счет суммарного акустоэлектронного поглощения, на всем пути от передающего до приемного ВШП. Для устранения этого недостатка необходимо повернуть изображение относительно устройства считывания на некоторый угол б<р/2.

Спроецируем на устройство считывания изображения в виде нескольких концентрических колец (см. рис.4). Такое изображение выбрано потому, что по интерференционным кольцам Ньютона можно судить о качестве поверхности зеркал. На рис 4.5. показаны темновые характеристики, а на рис 4.6 при сканировании изображения в виде колец вдоль осей X и Y соответственно. Как видно и при проецировании изображения в виде колец АЧХ вдоль осей X и Y почти одинаковы. Это и понятно, так как кольца имеют круговую симметрию.  Реальные кольца Ньютона, полученные от зеркал, имеют отклонения от концентричности, по которой судят о качестве поверхности зеркал. Следовательно, идеальные кольца Ньютона являются как бы фоном, на котором можно видеть отклонения, т. е. судить о нарушении концентричности колец можно по сравнению АЧХ от колец Ньютона от реального зеркала с АЧХ от идеальных колец Ньютона.

Рис.4. Устройство считывания изображений, на которое спроецированы кольца.

  а  б

Рис.5. Темновые АЧХ: а) – ВШП излучает ПАВ вдоль оси Y, б) – ВШП излучает ПАВ вдоль оси X.

  Поэтому на устройство считывания мы спроектировали изображение от колец с дефектами, представляющими собой перемычки между отдельными кольцами. Число перемычек равнялось двум, а их размеры не превышали толщины колец (300мкм). В системе координат, центр которой расположен в центре квадрата (см. рис4.4), сторона которого равна апертуре веерного ВШП и рана 6 мм, дефекты имели следующие координаты: 1-ый дефект X=-1,1 мм, Y= -0,9 мм, 2-ой дефект X= 1,06 мм, Y=1,4 мм.

  а  б

Рис.6. АЧХ соответствующие изображению колец без дефектов. а – веерный ВШП излучает ПАВ вдоль оси Y, б – веерный ВШП излучает ПАВ вдоль оси X.

Рис.7. Устройство считывания изображений, на которое спроецированы кольца с дефектами

  На рис.4.7. показаны АЧХ, полученные от колец с указанными дефектами. Сравнивая эти АЧХ с АЧХ от колец без дефектов находим, что они не совпадают на следующих частотах:

  а  б

Рис.8. АЧХ соответствующие изображению колец с дефектами. . а – веерный ВШП излучает ПАВ вдоль оси Y, б – веерный ВШП излучает ПАВ вдоль оси X.

  При распространении ПАВ вдоль оси Y

  f1 =13,312 МГц,  f2=14,600 МГц; при распространении ПАВ вдоль оси X  f1 =13,185 МГц,  f2=14,450 МГц.

  Тогда координаты искомых точек определяются по формулам из [15]:

В данном случае f0=13,825 МГц, df=1,72 МГц, а=3 мм. Для первого дефекта находим X1=-1,11 мм, Y1=-0, 890 мм. Для второго дефекта находим X2=1,05 мм, Y2=1, 345 мм.

Как видно из сравнения координат дефектов, рассчитанным по АЧХ и измеренной они различаются во втором знаке после запятой, что объясняется тем, что ширина луча ПАВ, сканирующего изображение в данном случае по уровню 0,707 w=0,5 мм.

По описанной выше процедуре нахождения дефектов по АЧХ устройства была составлена программа. В этой программе задается массив данных, соответствующий АЧХ от колец без дефектов, затем массив данных соответствующий АЧХ от колец с дефектами, а также допустимая величина отклонения АЧХ от колец с дефектами на одной и той же частоте, превысив которую программа считает, что на этой частоте дефект и выдает его координаты.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (проект № 000.01-11/2014-25 (1985).

Литература

, Исследование веерных  ВШП и их применение в фильтрах на ПАВ // Диэлектрики и полупроводники – Киев:  Изд – во  Киев. Ун – та-  Вып. 21. − 1982. − С. 22-26. , Исследование усиления поверхностных ультразвуковых волн в сульфиде кадмия.//Акустический журнал, т. XV, вып. 4, 1969, с.528-533 О влиянии электрических неоднородностей поверхностного слоя полупроводника на распределение поверхностных волн// сб. «Упругие поверхностные волны», «Наука», Новосибирск,  1974, с.64