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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein optische Transmissionsvorrichtungen
und insbesondere optische Linsen, die Lichtstrahlen in einer Ebene
kollimieren.
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Benutzer-Eingabegeräte für Datenverarbeitungssysteme
können
viele Formen annehmen. Zwei relevante Typen sind berührungsempfindliche
Bildschirme (Touchscreen) und stiftbetätigte Bildschirme. Bei einem
berührungsempfindlichen
Bildschirm oder einem stiftbetätigten
Bildschirm kann ein Benutzer Daten eingeben, indem er den Anzeigebildschirm entweder
mit dem Finger oder einem Eingabegerät, wie einem Eingabestift (Stylus)
oder Stift berührt.
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Ein
herkömmlicher
Ansatz zum Vorsehen eines berührungsempfindlichen
oder stiftbetätigten Eingabesystems
besteht darin, dem Anzeigebildschirm einen Widerstands- oder kapazitiven
Film zu überlagern.
Dieser Ansatz bringt eine Anzahl von Nachteilen mit sich. Zunächst bewirkt
der Film, daß die
Anzeige trüb
erscheint, und verdunkelt die Ansicht der darunter liegenden Anzeige.
Um dies auszugleichen, wird häufig
die Intensität
des Anzeigebildschirms erhöht.
Im Fall der meisten tragbaren Geräte, wie Mobiltelefone, PDAs
und Laptop-Computer, erfordert
die zusätzliche
Intensität
jedoch zusätzliche Leistung,
wodurch sich die Lebensdauer der Batterie des Gerätes verringert.
Die Filme können
auch leicht beschädigt
werden. Zusätzlich
nehmen die Kosten der Filme mit der Größe des Bildschirms dramatisch zu.
Bei großen
Bildschirmen sind die Kosten daher in der Regel nicht vertretbar.
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Ein
weiterer Ansatz zum Vorsehen eines berührungsempfindlichen oder stiftbetätigten Eingabesystems
besteht darin, eine Anordnung aus LED-Lichtquellen (LEDs) entlang
zweier benachbarter X- und Y-Seiten einer Eingabeanzeige und eine reziproke
Anordnung aus entsprechenden Photodioden entlang der gegenüber liegenden
zwei benachbarten X- und Y-Seiten der Eingabeanzeige vorzusehen.
Jede LED erzeugt einen Lichtstrahl, der auf die reziproke Photodiode
gerichtet ist. Wenn der Benutzer die Anzeige entweder mit einem
Finger oder einem Stift berührt,
werden die Unterbrechungen in den Lichtstrahlen von den entsprechenden
X- und Y-Photodioden auf der gegenüber liegenden Seite der Anzeige
erfaßt.
Die Dateneingabe wird somit ermittelt, indem die Koordinaten der
Unterbrechungen berechnet werden, die von den X- und Y-Photodioden
erfaßt
werden. Diese An der Dateneingabe-Anzeige bringt jedoch auch eine
Anzahl von Nachteilen mit sich. Für eine übliche Dateneingabe-Anzeige ist eine
große
Anzahl von LEDs und Photodioden notwendig. Die Positionen der LEDs
und der reziproken Photodioden müssen
ferner ausgerichtet werden. Die relativ große Anzahl der LEDs und Photodioden und
die Notwendigkeit einer präzisen
Ausrichtung machen solche Anzeigen komplex, teuer und schwierig
herzustellen.
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In
Anbetracht der vorhergehenden Erörterung
gibt es andauernde Anstrengungen, eine verbesserte Dateneingabevorrichtung
und verbesserte Verfahren bereitzustellen, die eine kontinuierliche Schicht
oder "Lamina" aus Licht aufweisen,
die im freien Raum an einem Touchscreen angrenzend, vorgesehen ist,
und einen optischen Positions-Digitalisierer anzugeben, der Dateneingaben
detektiert, indem er den Ort von "Schatten" in der Schicht ermittelt, die durch
eine Eingabevorrichtung, wie beispielsweise einen Finger oder einen
Eingabestift, hervorgerufen werden, die die Schicht unterbricht,
wenn sie den Schirm berührt.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist auf optische Transmissionstechniken für die effiziente
Transmission von Lichtstrahlen in einer erwünschten Ebene gerichtet, die
sich oberhalb einer Arbeitsfläche
befindet. Die Techniken bzw. Methoden beziehen sich insbesondere
auf eine optische Transmissionsstruktur, die einen Wellenleiter
und eine optische Linse umfaßt. Die
optische Linse ist auf der Arbeitsfläche ausgebildet und hat eine
ausreichend große
Dicke, um die Ausbildung einer gekrümmten vorderen Linsenfläche zu gestatten,
die transmittierte Lichtstrahlen so kollimiert, daß sie sich
in einer Ebene, die die koplanar zur Arbeitsfläche ist, ausbreiten. Die vorliegende
Erfindung betrifft außerdem
eine Methode zur Herstellung der optischen Transmissionsstruktur,
die die Verwendung eines Photopolymermaterials beinhaltet. Die optische
Transmissionsstruktur kann in verschiedenen Systemen, wie beispielsweise
einem System für
eine optische Dateneingabe, implementiert werden.
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Als
Vorrichtung umfaßt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mindestens ein Tragesubstrat, einen Wellenleiter
und eine optische Linse. Der Wellenleiter überträgt Licht und ist auf der Oberfläche des
Tragesubstrats ausgebildet. Die optische Linse ist integral mit
dem Wellenleiter ausgebildet und hat eine maximale Linsendicke,
die größer als
die Wellenleiterdicke ist. Die von dem Wellenleiter transmittierten
Lichtstrahlen werden durch die optische Linse so kollimiert, daß die Lichtstrahlen
aus der optischen Linse in einer Ebene emittiert werden, die im
wesentlichen koplanar zur Oberfläche
des Tragesubstrats ist. In einer speziellen Ausführungsform der Vorrichtung
hat die optische Linse eine Vorderfläche, durch die Lichtstrahlen
transmittiert und/oder empfangen werden. Außerdem hat die Vorderfläche mindestens
eine In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve, die einen Umriß hat, der
in einer Ebene definiert ist, die senkrecht zur Oberfläche des
Tragesubstrats ist und die mit der Richtung ausgerichtet ist, in
der ein bestimmter Lichtstrahl sich ausbreitet.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Vorrichtung umfaßt
die Erfindung mindestens ein Tragesubstrat, eine Boden-Cladding-Schicht,
einen Wellenleiter und eine optische Linse. Der Wellenleiter ist für die Übertragung
bzw. Transmission von Licht geeignet und ist auf der Boden-Cladding-Schicht
ausgebildet. Die optische Linse hat ein erstes Ende, welches mit
dem Wellenleiter verbunden ist, so daß Lichtstrahlen zwischen dem
Wellenleiter und der optischen Linse übertragen werden können. Die
optische Linse hat außerdem
ein zweites Ende, welches eine vordere Linsenfläche bildet. Die optische Linse hat
ferner einen erhöhten
Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende, wobei die optische
Linse die Lichtstrahlen so kollimiert, daß die durch die vordere Linsenfläche transmittierten
Lichtstrahlen sich parallel zur Oberfläche des Tragesubstrats ausbreiten.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
der Vorrichtung umfaßt
die Erfindung mindestens ein Tragesubstrat, eine Schicht aus Licht,
die über
der Oberfläche
des Tragesubstrats ausgebildet ist, eine Mehrzahl optischer Strukturen
und eine optische Positionsdetektionsvorrichtung. Die Mehrzahl von
optischen Strukturen bilden die Schicht aus Licht, wobei eine jede
der optischen Strukturen aus einem Wellenleiter und einer optischen
Linse gebildet ist. Ein jeder der Wellenleiter ist zur Transmission
von Licht geeignet und auf der Oberfläche des Tragesubstrats ausgebildet.
Eine jede der optischen Linsen hat ein erstes Ende, welches mit
einem zugehörigen
Wellenleiter verbunden ist, so daß Lichtstrahlen zwischen dem
Wellenleiter und der optischen Linse übertragen werden können, und
ein zweites Ende, welches eine vordere Linsenfläche bildet. Eine jede der optischen Linsen
hat einen erhöhten
Bereich zwischen ihrem jeweiligen ersten und zweiten Ende, wobei
eine jede der optischen Linsen die Lichtstrahlen so kollimiert, daß die durch
die vordere Linsenfläche
transmittierten Lichtstrah len sich in einer Ebene ausbreiten, die im
wesentlichen koplanar zur Oberfläche
des Tragesubstrats ist. Die optische Positionsdetektionsvorrichtung
ist optisch mit einem jeden der Wellenleiter gekoppelt und ist dazu
konfiguriert, Dateneingaben in das Eingabesystem zu detektieren,
indem der Ort von Unterbrechungen in der Lichtschicht ermittelt werden,
wenn Daten in das Eingabesystem eingegeben werden.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
in der folgenden Beschreibung der Erfindung und den beigefügten Figuren
mehr im Detail präsentiert,
die anhand von Beispielen die Prinzipien der Erfindung illustrieren.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Die
Erfindung kann zusammen mit weiteren ihrer Vorteile am besten durch
Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
verstanden werden, von denen:
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1 ein
Touchscreen-Anzeigesystem gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 und 3 zeigen
eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer optischen Transmissionsstruktur
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 und 5 zeigen
eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer optischen Transmissionsstruktur
gemäß einer
alternativen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt
ein Flußdiagramm,
welches ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Struktur gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung beschreibt.
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7 und 8 zeigen
eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer Schicht eines Photopolymer-Materials,
die auf ein Tragesubstrat aufgebracht wurde, wobei die Photopolymer-Materialschicht gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bearbeitet wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf einige
bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt
sind. In der folgenden Beschreibung wird eine Vielzahl spezifischer
Details angegeben, um ein gründli ches
Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Es ist dem Fachmann
jedoch offensichtlich, daß die
vorliegende Erfindung auch ohne einige oder sämtliche dieser spezifischen
Details ausgeführt
werden kann. In anderen Fällen
wurden wohlbekannte Vorgänge
nicht im Detail beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötigerweise
zu verschleiern.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Transmissionsmethoden
und -techniken für die
effiziente Transmission von Lichtstrahlen innerhalb einer erwünschten
Ebene, welche sich oberhalb einer Arbeitsfläche befindet. Die Techniken
beziehen sich insbesondere auf eine optische Transmissionsstruktur,
die einen Wellenleiter und eine optische Linse umfaßt. Die
optische Linse ist auf der Arbeitfläche ausgebildet und hat eine
ausreichend große
Dicke, um die Ausbildung einer gekrümmten vorderen Linsenfläche zu gestatten,
die die durchgelassenen Lichtstrahlen kollimiert, so daß sie sich
in einer Ebene ausbreiten, die koplanar zur Arbeitsfläche ist.
Die Form der optischen Linse kollimiert die Lichtstrahlen auf effiziente
Weise ohne zusätzliche
Kollimationslinsen ohne die Herstellungsprozesse, die zum Einbau solcher
zusätzlicher
Linsen notwendig sind, erforderlich zu machen. Die vorliegende Erfindung
betrifft außerdem
eine Methode zum Herstellen der optischen Transmissionsstruktur,
die die Verwendung eines Photopolymer-Materials beinhaltet. Die
optische Transmissionsstruktur kann in verschiedenen Systemen implementiert
werden, wie beispielsweise als ein System zur optischen Dateneingabe.
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Die
vorliegende Beschreibung wird zuerst ein optisches Dateneingabesystem
beschreiben, welches eine optische Transmissionsstruktur nach der
vorliegenden Erfindung verwendet. Dann wird sich die Beschreibung
den Details bezüglich
der optischen Transmissionsstruktur und einem Verfahren zum Herstellen
der optischen Transmissionsstruktur widmen. Man beachte, daß die optische
Transmissionsstruktur der vorliegenden Erfindung verwendet werden
kann, um Lichtsignale zu transmittieren und/oder empfangen, obwohl
der Begriff "Transmission" nahelegen könnte, daß die Struktur
nur für
das Übertragen
bzw. Transmittieren von Signalen zu verwenden ist. Daher schränkt der
Begriff "Transmission" die optische Struktur
funktionell nicht auf die Übertragung
von Signalen ein.
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In 1 ist
ein Touchscreen-Anzeigesystem gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Touchscreen-Anzeigesystem 10 umfaßt eine
zusammenhängende
Ebene oder Schicht bzw. "Lamina" 12 aus
Licht, die in dem freien Raum erzeugt ist, der an einen Anzeigeschirm 14 angrenzend
oder unmittelbar oberhalb desselben erzeugt wird. Die Schicht 12 wird
durch eine X-Achsen-Eingabelichtquelle 16 und eine Y-Achsen-Eingabelichtquelle 18 erzeugt,
die jeweils konfiguriert sind, um Licht durch den freien Raum unmittelbar
oberhalb der Oberfläche
des Schirms 14 in X- bzw. Y-Richtung propagieren zu lassen.
Der freie Raum ist im wesentlichen parallel zur Oberfläche des
Schirms 14 und ist unmittelbar vor dem Schirm 14 angeordnet.
Die Schicht 12 wird somit unterbrochen, wenn eine Eingabevorrichtung
(nicht gezeigt), wie beispielsweise der Finger eines Benutzers oder
ein in der Hand gehaltener Stylus oder Stift verwendet wird, um
den Schirm 14 während
eines Dateneingabevorgangs zu berühren. Ein X-Achsen-Lichtempfangsarray 20 und ein
Y-Achsen-Lichtempfangsarray 22 sind
an den zwei gegenüberliegenden
Seiten des Schirms 14, die der X-Achsen-Lichtquelle 16 bzw.
der Y-Achsen-Lichtquelle 18 gegenüberliegen, angeordnet. Die Lichtempfangsarrays 20 und 22 detektieren
die X-Achsen- und Y-Achsen-Koordinaten einer jeden Unterbrechung
oder eines jeden "Schattens" in der Schicht 12,
die dadurch verursacht wird, daß eine Eingabevorrichtung
die Schicht 12 im freien Raum oberhalb des Schirms 14 während eines
Dateneingabevorgangs durchbricht. Ein Prozessor 24, der
mit dem X-Achsen-Array 20 und
dem Y-Achsen-Array 22 gekoppelt ist, wird verwendet, um
die X-Achsen- und Y-Achsen-Koordinaten
der Unterbrechung zu berechnen. Gemeinsam stellen das X-Achsen-Array 20,
das Y-Achsen-Array 22 und der Prozessor 24 eine
optische Positionsdetektionsvorrichtung zum Detektieren der Position
von Unterbrechungen in der Schicht 12 bereit. Basierend
auf den Koordinaten der Unterbrechung kann eine Dateneingabe auf
dem Schirm 14 bestimmt werden.
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Die
Lichtschicht 12 hat gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine im wesentlichen gleichförmige Intensität. Der benötigte dynamische
Bereich der lichtempfindlichen Schaltung in dem X-Achsen-Empfangsarray 20 und
dem Y-Achsen-Empfangsarray 22 wird daher minimiert, und
es wird eine hohe Interpolationsgenauigkeit beibehalten. In einer
alternativen Ausführungsform
jedoch kann eine nicht gleichförmige
Schicht 12 verwendet werden. Unter diesen Umständen sollte
der Bereich geringster Intensität
der Schicht 12 eine Intensität aufweisen, die die Lichtaktivierungsschwelle
der lichtdetektierenden Elemente, die von den X-Achsen-Array 20 und
dem Y-Achsen-Array 22 verwendet werden, übersteigt.
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Der
Anzeigebildschirm 14 kann eine beliebige Art von Datenanzeige
gemäß verschiedener
Ausführungsformen
der Erfindung sein. Beispielsweise kann der Schirm 14 eine
Anzeige für
einen PC, eine Workstation, einen Server, einen mobilen Computer, einen
Laptop-Computer, ein Verkaufsterminal, ein Personal-Digital-Assistance
(PDA)-Gerät,
ein Mobiltelefon, oder eine beliebige Kombination derselben sein,
oder irgendeine andere An von Vorrichtung, die Dateneingaben empfängt und
verarbeitet.
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Die
X- und Y-Eingabelichtquellen 16 und 18 sind gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung jeweils eine Quelle für kollimierte Lichtstrahlen.
Das kollimierte Licht kann auf eine beliebige Weise unter einer
Reihe von unterschiedlichen Arten erzeugt werden. Beispielsweise
kann es von einer einzelnen Lichtquelle erzeugt werden, die am Brennpunkt
einer Kollimationslinse montiert ist. Alternativ können die kollimierten
Lichtstrahlen von einer Mehrzahl von punktförmigen Lichtquellen und zugehörigen Kollimationslinsen
erzeugt werden. In noch einer weiteren Ausführungsform können die
X- und Y-Eingabelichtquellen 16 und 18 durch Fluoreszenzlicht
und einen Diffusor gebildet werden. Die Punktlichtquelle oder -quellen
können
durch eine LED oder durch einen „Vertical Cavity Surface Emitting
Laser" (VCSEL) gebildet
werden.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform kann
die Lichtquelle durch einen Lichtsender bzw. -transmitter mit voneinander
beabstandeten Facetten gebildet werden, denen Licht von einem Vertikallaser zugeführt wird.
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Die
Wellenlänge
des durch die X-Achsen- und Y-Achsen-Lichtquelle 16 bzw. 18 erzeugten Lichts,
welches zum Erzeugen der Schicht 12 verwendet wird, kann
gemäß unterschiedlichen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ebenfalls variieren. Beispielsweise kann
das Licht eine große Bandbreite
aufweisen mit einem ausgedehnten Wellenlängenspektrumsbereich von 350
Nanometer bis 1100 Nanometer, wie beispielsweise weißes Licht aus
einer Glühlichtquelle.
Alternativ kann das Eingabelicht ein schmales Band aufweisen mit
einem beschränkten
Spektrum, welches in einem Bereich von 2 Nanometer liegt. Die Verwendung
von Licht mit einem schmalen Band gestattet das Filtern von breitbandigem
Rausch-Licht. Die Verwendung eines schmalbandigen Lichtes gestattet
es außerdem,
die Lichtwellenlänge
im wesentlichen an das Ansprechprofil des X-Achsen-Lichtempfangsarrays 20 und
des Y-Achsen-Lichtempfangsarray 22 anzupassen.
In noch einer weiteren Ausführungsform
kann homogenes Licht mit einer einzigen Wellenlänge verwendet werden. Beispielsweise
kann bei dieser Anwendung Infrarot- bzw. IR-Licht verwendet werden,
welches üblicherweise
bei drahtlosen Datenübertragungskommunikationen
verwendet wird.
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Die
Lichtquellen können,
unabhängig
von ihrem Typ, außerdem
entweder kontinuierlich oder periodisch betrieben werden, unter
Verwendung eines Ein/Aus-Zyklus. Ein Ein/Aus-Zyklus spart Leistung, minimiert
die von der Lichtquelle erzeugte Wärme und gestattet eine zeitliche
Filterung, um Rauschen zu verringern, wie beispielsweise eine Loch-in-Detektion.
Während
des Aus-Zyklus messen das X-Lichtempfangsarray 20 und das
Y-Lichtempfangsarray 22 das passive oder "dunkle" Licht (Rauschen). Die
Dunkellichtmessung wird dann von dem aktiven Licht subtrahiert,
welches während
des Ein-Zyklus detektiert wird. Die Subtraktion filtert somit einen Gleichstrom-Hintergrund
heraus, der durch das Umgebungslicht erzeugt wird. Während eines
jeden Aus-Zyklus kann außerdem
das passive Licht kalibriert werden, was es dem System gestattet,
sich auf veränderliche
Umgebungslichtmuster einzustellen.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
können
die X-Achsen- und Y-Achsen-Lichtquelle 16 bzw. 18 intermittierend
zyklisch ein- und ausgeschaltet werden. Während der alternierenden Zyklen
ist die X-Achsen-Quelle 16 eingeschaltet, wenn die Y-Achsen-Quelle 18 ausgeschaltet
ist, und umgekehrt. Diese Anordnung benötigt weniger Spitzenleistung,
da nur eine Lichtquelle gleichzeitig eingeschaltet ist, während sie
immer noch die Subtraktionsfilterung während eines X- und Y-Ein/Aus-Zyklus
gestattet.
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Um
den Stromverbrauch zu verringern, kann außerdem ein "Schlafmodus" für
die X-Achsen- und Y-Achsen-Lichtquellen 16 und 18 verwendet
werden. Wenn für
eine vorbestimmte Zeitdauer keine Dateneingaben vorgenommen werden,
kann die Intensität der
X-Achsen- und Y-Achsen-Lichtquellen 16 und 18 herabgesetzt
bzw. gedimmt werden. Die Rate, mit der Schatten-Unterbrechungen
abgetastet werden, wird ebenfalls auf eine niedrigere Rate abgesenkt, beispielsweise
5-mal pro Sekunde. Wenn eine Schatten-Unterbrechung detektiert wird,
werden die Intensität
der X-Achsen- und Y-Achsen-Lichtquellen 16 und 18 und
die Abtastrate auf einen normalen Betriebsmodus erhöht. Wenn
nach einer vorbestimmten Zeitdauer keine Schatten-Unterbrechungen
detektiert werden, werden die X-Achsen- und Y-Achsen-Lichtquellen 16 und 18 wiederum
gedimmt und die Abtastrate verringert.
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Das
X-Achsen- und Y-Achsen-Array 20 bzw. 22 enthalten
jeweils Substrat-Wellenleiterarrays und lichtempfindliche Elemente.
Die lichtempfindlichen Elemente sind dazu konfiguriert, Lichtsignale
in elektrische Signale umzuwandeln, die kennzeichnend für die Intensität des empfangenen
Lichts sind. Insbesondere hat jedes Substrat eine Mehrzahl von Wellenleitern.
Ein jeder Wellenleiter hat ein dem freien Raum zugewandtes Ende,
welches sich dicht bei der Schicht 12 befindet, und ein
Ausgabe-Ende, welches sich dicht bei einem lichtempfindlichen Element
befindet. Die lichtempfindlichen Elemente sind jeweils entweder
an dem Ausgabe-Ende der Wellenleiter befestigt oder an diesem angrenzend
angeordnet. Für eine
detaillierte Erläuterung
der Verwendung und Herstellung von Wellenleitern wird auf das US
Patent Nr. 5,914,709 von David Graham et al. verwiesen, des Erfinders
der vorliegenden Anmeldung, welches durch Bezugnahme in die vorliegende
Beschreibung aufgenommen wird. Die lichtempfindlichen Elemente können unter
Verwendung einer Reihe von bekannten Arten implementiert werden,
beispielsweise unter Verwendung von ladungsgekoppelten Vorrichtungen (charge-coupled
devices, CCD) oder CMOS/Photodioden-Arrays. Jeder der Typen von
Abbildungselementen kann in vielfältigen Formen implementiert werden,
zum Beispiel auf einer speziell vorgesehenen integrierten Schaltung,
wie beispielsweise einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung
(application specific integrated circuit), einer programmierbaren
Schaltung oder irgendeiner anderen Art von integrierter oder diskreter
Schaltung, die lichtempfindliche Bereiche oder Komponenten enthält. Wiederum
sind zusätzliche
Details bezüglich
der verschiedenen Arten von lichtempfindlichen Elementen, die mit
der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, in dem zuvor genannten
Patent diskutiert. Unabhängig
vom Typ der verwendeten lichtempfindlichen Elemente werden die elektrischen Ausgabesignale,
welche kennzeichnend für
die Intensität
des empfangenen Lichtes entlang der X- und Y-Koordinaten sind, dem Prozessor 24 zur
Verfügung gestellt.
Der Prozessor 24 bestimmt den Ort jeglicher Schatten in
der Schicht, die durch eine Unterbrechung in der Schicht 12 während eines
Eingabevorgangs hervorgerufen werden, basierend auf den elektrischen
Signalen.
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2 und 3 zeigen
eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer optischen Transmissionsstruktur 100 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die optische Transmissionsstruktur 100 umfaßt einen
Wellenleiter 102 und eine optische Linse 104.
Die optische Transmissionsstruktur 100 ist auf einer Boden-Verkleidungsschicht 120, einer
sogenannten "Cladding"-Schicht ausgebildet, die
auf einer Tragestruktur 106 ausgebildet ist. Eine obere
Cladding-Schicht 122 bedeckt die obere Fläche des
Wellenleiters 102. Die gestrichelten Richtungslinien der 2 und 3 illustrieren
allgemein den Weg der Lichtstrahlen, die die optische Struktur 100 durchlaufen.
Die Richtungspfeile zeigen die Lichtstrahlen an, die aus der optischen
Struktur 100 heraus übertragen
werden, aber man beachte, daß die
Lichtstrahlen auch in der optischen Struktur 100 entlang
der im wesentlichen selben Wege, wie sie durch die gestrichelten
Linien gezeigt sind, empfangen werden können.
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Der
Wellenleiter 102 und die optische Linse 104 können aus
einem jeden geeigneten Material zur Übertragung von Licht oder Lichtsignalen
durch ihr Medium gebildet sein, wie beispielsweise einem polymerbasierten
Material, optischem Kunststoff und Epoxidharz. Der Wellenleiter 102 und
die optische Linse 104 können integral miteinander ausgebildet sein,
separat ausgebildet sein und danach aneinander befestigt sein oder
sogar an einander nahe benachbarten Orten ausgebildet sein. Wie
in 2 und 3 gezeigt ist, sind der Wellenleiter 102 und
das Element 104 integral miteinander ausgebildet. Die integral
ausgebildeten Wellenleiter 102 und optische Linse 104 lassen
sich leichter herstellen, da Ausrichtungsprobleme zwischen den zwei
Komponenten umgangen werden. Typischerweise sind der Wellenleiter 102 und
die optische Linse 104 aus demselben Material gebildet.
Jedoch können
in manchen Ausführungsformen,
in denen der Wellenleiter 102 und die optische Linse 104 separat
ausgebildet werden, diese zwei Komponenten auch aus verschiedenen Materialien
bestehen.
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Die
obere Cladding-Schicht 122 und die Boden-Cladding-Schicht 120 dienen
dazu, die optischen Transmissionseigenschaften des Wellenleiters 102 zu
verbessern. Die obere Cladding-Schicht 122 und
die Boden-Cladding-Schicht 120 sind so ausgewählt, daß sie Brechungsindizes
aufweisen, die diejenigen des Wellenleiters 102 ergänzen bzw.
komplementieren. Die Cladding-Schichten dienen außerdem dazu,
den Wellenleiter 102 zu schützen, der aus einem zerbrechlichen
Material bestehen kann. Die obere Cladding-Schicht 122 bedeckt
den Wellenleiter 102 in 3. Jedoch
bedeckt in alternativen Ausführungsformen
die obere Cladding-Schicht 122 ebenfalls
die rückwärtige Fläche bzw.
Rückseite 110 der optischen
Linse 104. Die obere Cladding-Schicht 122 sollte
nicht die Flächen
der optischen Linse 104 bedecken, durch die die Lichtstrahlen
ein- und auslaufen. In manchen Ausführungsformen wird keine obere
Cladding-Schicht auf die Oberfläche
des Wellenleiters 102 aufgebracht. In diesen Ausführungsformen
wird der Wellenleiter 102 ohne physischen Schutz gelassen,
und die Umgebungsluft wirkt als Cladding-Schicht. Der Brechungsindex
von Luft kann oft optimal für
Lichtübertragungszwecke
sein. Man beachte, daß die
obere Cladding-Schicht 122 in 2 nicht
gezeigt ist, um die Struktur des Wellenleiters 102 klarer
darzustellen.
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Die
Boden-Cladding-Schicht 120 erstreckt sich unterhalb des
Wellenleiters 102 und der optischen Linse 104.
In manchen Ausführungsformen wird
die Boden-Cladding-Schicht 120 nicht verwendet, da das
Tragesubstrat 106 als eine Cladding-Schicht wirken kann.
In diesen Aus führungsformen
sollte das Tragesubstrat 106 auf geeignete Weise nach seinem
Brechungsindex ausgewählt
sein.
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Der
Wellenleiter 102 ist eine längliche Struktur zum Übertragen
von Licht zwischen zwei Punkten. Bei der vorliegenden Erfindung
ist ein Ende des Wellenleiters 102 mit einer optischen
Linse 104 verbunden, und das gegenüberliegende Ende ist mit einer
Lichtquelle oder einer Lichtdetektionsvorrichtung verbunden. Die
Licht-Transmissionskapazität
des Wellenleiters 102 kann eingestellt werden, indem die Abmessungen
des Wellenleiters 102 eingestellt werden. Beispielsweise
kann der Durchmesser oder die Breite und Höhe des Wellenleiters 102 auf
geeignete Weise bemessen sein. Die Höhe oder Dicke HW des Wellenleiters 102 ist
in 3 zu sehen, und die Breite WW des
Wellenleiters 102 ist in 2 zu sehen. Die
Querschnittsform des Wellenleiters 102 kann rechteckig
oder abgerundet sein.
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Die
optische Linse 104 hat eine Höhe oder Dicke HL die
größer als
HW ist. Die optische Linse 104 steigt
in ihrer Höhe
von ihrer Schnittstelle mit dem Wellenleiter 102 zum Scheitelpunkt 108 mit
der Höhe HL der optischen Linse 104 an. Die
Rückseite 110 definiert
die Form der optischen Linse 104 zwischen dem Wellenleiter 102 und
dem Scheitel 108. In dieser Ausführungsform hat die Rückseite 110 eine
im wesentlichen ebene Oberfläche.
Die Höhe
der optischen Linse 104 gestattet es, daß eine Vorderseite bzw.
-fläche
der optischen Linse 104 eine Krümmung aufweist, die entweder
in zwei oder drei Dimensionen definiert ist. Eine zweidimensionale
Krümmung
der optischen Linse 104 ist eine Kurve mit einem Umriß, der innerhalb
einer einzigen Ebene definiert ist, beispielsweise in der X-Y-,
X-Z- oder Y-Z-Ebene. Mit anderen Worten ist die Kurve in zwei Dimensionen
definiert. Eine dreidimensionale Krümmung ist in drei Dimensionen
definiert. Beispielsweise hätte
eine solche Kurve eine Umrißform,
die innerhalb einer jeden von zwei Ebenen, wie beispielsweise der
X-Y- und der X-Z-Ebene
definiert ist. Wie noch beschrieben wird, hat die optische Linse 104 von 2 und 3 eine
dreidimensionale Krümmung,
bei der die Krümmung
eine Umrißform
aufweist, die in der X-Y- und X-Z-Ebene definiert ist.
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Die
Vorderfläche
der optischen Linse 104 fällt vom Scheitel 108 zum
vorderen Rand der Linse 104 ab, welcher eine Schnittstelle
oder Grenze mit dem Tragesubstrat 106 bildet. Diese Neigung
bzw. Steigung ist in der Seitenansicht der optischen Struktur 100 von 3 zu
sehen. 3 zeigt außerdem die
Querschnittsansicht der optischen Struktur 100 in der X-Z-Ebene. Die geneigte
Fläche
ist gekrümmt und
bildet die In-der-Ebene- Kollimationslinsenkurve 112.
Die In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve 112 wird durch
die Vorderfläche
der optischen Linse 104 gebildet und kollimiert austretende
Lichtstrahlen so, daß sie
im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Tragesubstrats 106 sind.
Die In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve 112 richtet
die Lichtstrahlen über
das Tragesubstrat anstatt zu gestatten, daß einige der Lichtstrahlen
von dem Tragesubstrat 106 fortschießen.
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Der
Umriß der
In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve 112 ist in einer Ebene
definiert, die senkrecht zur Oberfläche des Tragesubstrates 106 ist
und die mit der Richtung ausgerichtet ist, in der sich ein bestimmter
Lichtstrahl ausbreitet. Somit ist die In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve 112 in
der Seitenansicht von 3 zu sehen, die außerdem die X-Y-Ebene
repräsentiert. 3 zeigt
die In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve 112 für Lichtstrahlen,
die sich entlang der Längsachse 116 des
Wellenleiters 102 ausbreiten, wie in der Draufsicht von 2 zu sehen
ist. Die Krümmung
der In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve 112 hängt von
der Höhe
der optischen Linse 104 und dem Abstand zwischen der Vorderfläche der
optischen Linse 104 und dem Wellenleiter 102 ab.
Die Krümmung
der In-der-Ebene-Kollimationslinse hängt außerdem von anderen Faktoren ab,
wie beispielsweise dem Wesen der Lichtstrahlen und dem Brechungsindex
des Linsenmaterials und der Umgebung. Im Hinblick auf das Dateneingabesystem 10 von 1 ermöglicht die
In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve 112 der optischen
Linse 104, daß die
Eingabelichtquellen 16 und 18 eine Lichtschicht 12 auf
effizientere Weise bilden, da ein geringerer Lichtverlust auftritt.
Dies verringert auf vorteilhafte Weise den Leistungsbedarf, der
zum Ausbilden der Lichtschicht 12 benötigt wird. Ohne die In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve 112 würden die
Lichtstrahlen aus der optischen Struktur 100 gebeugt, und
ein Teil der Lichtstrahlen würde
von der Tragefläche 106 fort
gerichtet werden. Um dieselben Funktionen wie die In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve 112 herzustellen,
müßte eine
zusätzliche
optische Linse vor der optischen Linse 104 angeordnet werden.
Dies wäre
ein komplizierter herzustellendes optisches System hinsichtlich
Zeit, Aufwand und Material. Beispielsweise wäre der Prozeß des Ausrichtens
der zusätzlichen
Linse mit der optischen Linse 104 zeitaufwendig, und er
wäre Ausrichtungsfehlern stark
ausgesetzt.
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Man
beachte, daß die
In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve 112 eine Kurve aufweist,
die einen Abschnitt eines hemisphärischen Bogens bildet. Daher
kann man sagen, daß die
optische Linse 104 eine Hälfte einer vollständigen Linse
bildet, wobei die fehlende Hälfte
das Spiegelbild der optischen Linse 104 entlang der X-Achse
wäre. Wie
unten beschrieben wird, kann die Form der optischen Linse 104 leichter hergestellt
werden, als wenn die optische Lin se 104 eine vollständige Linsenform
hätte.
Außerdem
gestattet die "Halblinsenform" der optischen Linse 104 eine
einfachere Integration und Ausrichtung mit dem Wellenleiter 102.
Insbesondere macht die "Halblinsenform" der optischen Linse 104 einen
photolithographischen Herstellungsprozeß ideal für die Herstellung der optischen
Struktur 100.
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Die
In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve 112, wie sie in der
Seitenansicht von 3 zu sehen ist, ist unabhängig von
der Richtungs-Kollimationslinsenkurve, die in der Draufsicht von 2 zu
sehen ist. Man beachte, daß die 2 eine
Ansicht der optischen Struktur 100 in der X-Y-Ebene zeigt.
Die Umrißform
der Richtungs-Kollimationslinsenkurve 114 ist in einer
Ebene definiert, die koplanar mit der Oberfläche des Tragesubstrats 106 ist.
Die Richtungs-Kollimationslinsenkurve 114 kollimiert die
austretenden Lichtstrahlen, so daß sie sich parallel zueinander
und in einer einzigen Richtung ausbreiten. Im wesentlichen gestattet
die Richtungs-Kollimationslinsenkurve 114, daß die optische
Linse 104 einen gleichförmigen Lichtstrahl
erzeugt. Im Hinblick auf das Dateneingabesystem 10 von 1 gestattet
die Richtungs-Kollimationslinsenkurve 114, daß eine jede
optische Struktur 100 einen gleichförmigen Lichtstrahl bildet, der
sich über
den Anzeigeschirm 14 hinweg ausbreitet.
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Die
optische Linse
104 ist so geformt, daß sie die Ausbreitung von Lichtstrahlen
zwischen der vorderen Linsenfläche
112 und
dem Wellenleiter
102 gestattet. Um zu gestatten, daß die maximale
Lichtmenge aus dem Wellenleiter
102 von der vorderen Linsenfläche
112 kollimiert
wird, sollte die Rückseite
110 einen
Winkel von mindestens sin
–1 haben. Solch ein Winkel wird
als der kritische Winkel
118 der optischen Linse
104 bezeichnet.
Man beachte, daß n
1 der Brechungsindex des Wellenleiters
102 ist,
n
2 der Brechungsindex der oberen Cladding-Schicht
120 oder
Boden-Cladding-Schicht
122 ist, je nachdem, welcher größer ist,
und n
3 der Brechungsindex der optischen
Linse
104 ist. Man beachte, daß, wenn die optische Linse
104 und
der Wellenleiter
102 aus denselben Materialien bestehen,
n
1 und n
3 denselben
Wert haben würden.
Man beachte, daß die
maximale Menge von Licht, die durch die vordere Linsenfläche
112 kollimiert
werden kann, inhärent
aufgrund der Form der optischen Linse
104 begrenzt ist.
Da die optische Linse
104 eine Teil-Linsenform hat, wobei
eine vollständige
Linse eine Form hätte,
die dem Spiegelbild der optischen Linse
104 entlang der
X-Achse entspräche, geht
ungefähr
die Hälfte
des vom Lichtleiter
102 übertragenen Lichtes verloren.
Somit hat die optische Struktur
100 einen Lichtverlust
von ungefähr
3 dB. In manchen Ausführungsformen
ist es angemessen, etwas mehr Lichtverlust zu opfern, indem erlaubt
wird, daß die
Rückseite
110 einen
geringeren Winkel als den kritischen Winkel aufweist, um eine optische
Linse mit einem geringeren Wert H
L zu erhalten.
In einer alternativen Ausführungsform
kann sich die Rückseite
110 der
optischen Linse
104 über
eine ebene Fläche
erheben, die durch den kritischen Winkel
118 definiert
ist (siehe
4 und
5). Solch
eine Ausführungsform
ist ebenfalls effektiv, da das Material oberhalb des kritischen
Winkels
118 keinen Einfluß auf die Lichtstrahlen hat,
die durch den Rest der optischen Linse
104 verlaufen.
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Wie
in der Draufsicht von 2 zu sehen ist, hat die optische
Linse 104 eine Kegelform, bei der die Breite WL der
optischen Linse 104 mit zunehmendem Abstand vom Wellenleiter 102 ansteigt.
Die Kegelform der optischen Linse 104 gestattet es den
Lichtstrahlen aus dem Wellenleiter 102, sich durch die
optische Linse 104 aufzuweiten, bis sie durch die Richtungs-Linsenkurve 114 in
einen gleichförmigen
Strahl kollimiert werden. Die kegelartigen Proportionen der optischen
Linse 104 hängen
von den optischen Leistungsanforderungen einer jeden optischen Struktur 100 ab.
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In
alternativen Ausführungsformen
kann die optische Linse 104 verschiedene Formen und Größen aufweisen.
Beispielsweise muß die
optische Linse 104 in einer Draufsicht wie derjenigen von 2 nicht
unbedingt eine Kegelform haben. Außerdem könnte die optische Linse 104 in
der Draufsicht von 2 in Situationen, in denen die
Lichtstrahlen nicht als gleichförmiger
Lichtstrahl emittiert zu werden brauchen, in einer Draufsicht wie
derjenigen von 2 eine ebene Vorderfläche haben.
In einer Ausführungsform
kann die optische Linse 104 eine Höhe HL im
Bereich von 50 bis 200 μm
und eine Länge
im Bereich von ungefähr
0,8 bis 1,2 mm aufweisen. Manchmal ist die Größe der optischen Linse 104 durch
die Größe des Systems
beschränkt,
in welchem sie verwendet wird, beispielsweise eines Anzeigeschirms,
wie er in 1 gezeigt ist. Spezifische Größen der
optischen Linse 104 werden außerdem durch relative Brechungsindizes
der optischen Struktur 100 und der Umgebung bestimmt. Beispielsweise ist
die Art des Claddings, welches die optische Struktur 100 umgibt,
ebenfalls bestimmend für
die Abmessungen der optischen Linse 104.
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Die
Tragestruktur 106 kann eine jegliche Fläche sein, über die hinweg die Lichtstrahlen
gerichtet werden sollen, beispielsweise ein Anzeigeschirm 14, wie
er in 1 gezeigt ist. Alternativ kann die Tragestruktur 106 auch
eine Struktur sein, die von einem Anzeigeschirm separat ist. Beispielsweise
kann die Tragestruktur eine separate Montagefläche sein, die eine jede optische
Struktur 100 trägt,
die dann in der Nähe
einer Arbeitsfläche,
wie beispielsweise eines Anzeigeschirms angeordnet wird. In diesen
anderen Ausführungsformen
kann die Tragestruk tur eine Schicht aus Kunststoff, Epoxidharz oder
einem Polymer sein. Die Tragestruktur 106 kann außerdem eine Cladding-Schicht
sein, die dazu bestimmt ist, den Wellenleiter 102 vor physischer
Beschädigung
zu schützen
und den optischen Transmissionswirkungsgrad des Wellenleiters 102 zu
erhöhen.
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In
einer Ausführungsform
werden viele optische Strukturen 100 in einer Reihe ausgebildet,
so daß viele
Lichtstrahlen über
eine Arbeitsfläche
hinweg gerichtet werden, wie beispielsweise über einen Anzeigeschirm 14 von 1.
Gleichzeitig ist eine weitere Reihe optischer Strukturen 100 ausgebildet, um
einen jeden Lichtstrahl zu empfangen. Zwei Sätze solcher optischen Strukturen
können
dann so ausgebildet werden, daß Lichtstrahlen
den Anzeigeschirm 14 entlang zweier Achsen, wie beispielsweise einer
X- und einer Y-Achse, überqueren.
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4 und 5 zeigen
eine Draufsicht bzw. Seitenansicht einer optischen Transmissionsstruktur 200 gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die optische Transmissionsstruktur 200 umfaßt einen
Wellenleiter 202 und eine optische Linse 204.
Die optische Transmissionsstruktur 200 ist auf einer Tragestruktur 206 ausgebildet. Die
gestrichelten Richtungslinien von 4 und 5 zeigen
allgemein den Weg der Lichtstrahlen, die die optische Struktur 200 durchlaufen.
Die Richtungspfeile zeigen die Lichtstrahlen, wie sie aus der optischen
Struktur 100 übertragen
bzw. gesendet werden, jedoch versteht es sich, daß die Lichtstrahlen
auch in der optischen Struktur 200 entlang der im wesentlichen
selben Wege, die durch die gestrichelten Linien gezeigt sind, empfangen
werden können.
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Man
beachte, daß keine
obere Cladding-Schicht auf der Oberseite des Wellenleiters 202 und
der optischen Linse 204 aufgebracht ist. Man beachte außerdem,
daß keine
Boden-Cladding-Schicht die
optische Struktur 200 trägt. Jedoch kann das Tragesubstrat 206 als
Boden-Cladding-Layer
dienen, indem das Material des Tragesubstrats 206 so ausgewählt ist,
daß es
einen geeigneten Brechungsindex hat.
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Wie
unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben
wurde, hat die optische Linse 204 ebenfalls eine In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve 212, die
in 5 zu sehen ist, und eine Richtungs-Linsenkurve 214,
die in 4 zu sehen ist. Wie jedoch in 5 zu
sehen ist, hat die optische Linse 204 eine Rückseite 210,
die sich über
den kritischen Winkel 118, wie er in 3 gezeigt
ist, hinaus erstreckt. Die Rückseite 210 hat
eine Höhe
HL, die im wesentlichen gleichförmig ist,
bis sie rasch abfällt,
um sich mit dem Wellenleiter 202 zu vereinigen. Wie außerdem in
der Draufsicht auf 4 zu sehen ist, hat die optische Linse 204 einen
ausgedehnten Abschnitt 208 mit einer gleichförmigen Breite
WL. In manchen Situationen können die
speziellen Abmessungen und Proportionen der optischen Linse 104 einfach
hergestellt werden und leichter mit einem weiteren System integriert
werden.
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6 zeigt
ein Flußdiagramm 300,
welches ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Struktur gemäß einer
Implementierung der Erfindung beschreibt. In manchen Ausführungsformen
hat die hergestellte optische Struktur eine Linsenfläche mit
einer Krümmung,
die in drei Dimensionen definiert ist. 7 und 8 werden
außerdem
gemeinsam mit 6 beschrieben, um die Abläufe des
Flußdiagramms 300 vollständiger darzustellen. 7 und 8 zeigen
eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer Schicht aus einem Photopolymer-Material 400, welches
auf ein Tragesubstrat 402 aufgebracht wurde, wobei die
Photopolymer-Materialschicht gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bearbeitet wird.
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Im
allgemeinen beschreibt das Flußdiagramm 300 die
Herstellung einer optischen Struktur durch die Verwendung von Photopolymeren,
Grauwertmasken und photolithographischen Methoden. Man beachte jedoch,
daß es
andere Techniken und Methoden zum Herstellen der optischen Struktur
der vorliegenden Erfindung gibt. Beispielsweise können Mikroform-Techniken verwendet
werden, um die Linsenstrukturen in erwünschten Größen und Maßstäben herzustellen. Außerdem können die
Linsenstrukturen aus Glas, Kunststoff, Keramik und anderen Materialien
hergestellt werden, unter Verwendung dreidimensionaler Grauwert-Photoresiststrukturen,
dreidimensionaler Resiststrukturen, die durch "Reflow"-Techniken gefolgt von einem industriellen
Trockenätzprozeß, welcher
reaktives Ionenätzen
umfaßt,
hergestellt werden, Ionenfräsen
und anderer plasmabasierter Kombinationen und Verfahren.
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Photopolymere
sind Abbildungszusammensetzungen, die auf Polymeren, Oligomeren
oder Monomeren basieren, die durch Aussetzen gegenüber Lichtstrahlung,
wie beispielsweise Ultraviolettlicht, selektiv polymerisiert und/oder
vernetzt werden können.
Photopolymere werden industriell wirksam als musterbare oder strukturierbare
Systeme eingesetzt, bei denen lichtinduzierte chemische Reaktionen
in der Polymerchemie zu einer differentiellen Veränderung
in der Löslichkeit
zwischen Bereichen führen, die
Licht ausgesetzt sind und Bereichen, die Licht nicht ausgesetzt
(maskiert) sind. Photopolymere können
in verschiedene Formen gemacht werden, darunter Film-/Schicht-Form,
flüssige
Form, Lösung
etc., die in Druckplatten als Photoresists und in der Stereolithographie
und Abbildung verwendet werden können.
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Eine
herkömmliche
Verwendung von Photopolymeren besteht in der Ausbildung von Druckplatten,
bei der eine Photopolymerplatte einem Lichtmuster ausgesetzt wird,
um eine Druckplatte zu erzeugen. Die Platte wird dann für Tintendruck
verwendet. Photopolymere werden in der Elektronik und Mikrogeräteindustrie
als Photoresists verwendet, die verwendet werden, um komplizierte
Muster in mikroskopischen Schaltungen auf Halbleiterchips, Platinen und
anderen Produkten zu erzeugen. Photopolymere werden außerdem als
Ultraviolett-Haftmittel verwendet, die zum Befestigen von optischen
Fasern oder für
andere industrielle Anwendungen verwendet werden.
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Photopolymermaterialien
können
Licht ausgesetzt werden, welches durch eine gemusterte Maske geschickt
wird. Solche gemusterten Masken können Grauwertmasken sein. Grauwertmasken
haben ein entworfenes Muster, welches zusätzlich dazu, daß es den
Durchgang von Licht in einem erwünschten
Muster gestattet, außerdem
gestattet, daß das
Licht die Maske mit variierenden Intensitäten durchdringt. Grauwertmasken
können
es daher ermöglichen,
daß eine
Photopolymerschicht einem Lichtmuster ausgesetzt wird, das variierende
Lichtintensitäten
aufweist. Auf diese Weise können
Abschnitte einer Photopolymerschicht in Abhängigkeit von dem Grad der empfangenen
Lichtintensität
entfernt werden. Dies bedeutet, daß die Tiefe der Entfernung
des Photopolymermaterials gesteuert werden kann. Beispielsweise
kann das Photopolymermaterial von einem gesamten Abschnitt oder
von einem Teil des Photopolymermaterials entfernt werden, um eine verbleibende
Schicht übrigzulassen,
die eine variierende Dicke hat. Photopolymere können daher in spezifische Strukturen
mit vorbestimmten Abmessungen in drei Dimensionen geformt werden.
In alternativen Ausführungsformen
der Erfindung können auch
Masken verwendet werden, die erlauben, daß Licht entweder vollständig durchtritt
oder vollständig geblockt
wird.
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Das
Flußdiagramm 300 von 6 beginnt bei
Block 302, in dem eine Schicht von Photopolymermaterial 400 auf
die Oberfläche
eines Tragesubstrats 402 aufgebracht wird. Man beachte,
daß die bei
der Beschreibung des Flußdiagramms 300 erwähnten Bezugszeichen
die Bezugszeichen reflektieren, die in 6, 7 und 8 gezeigt
sind. Die Schicht des Photopolymermaterials 400 hat typischerweise
eine relativ gleichförmige
Dicke. Da manche Ausführungsformen
des Herstellungsprozesses 300 verwendet werden, um die
optische Struktur herzustellen, wie sie in 2 bis 5 zu
sehen ist, sollte die Photopolymerschicht 400 eine Dicke
haben, die wenigstens gleich der Höhe HL der
optischen Linse ist. Das Photopolymermaterial sollte eine Beschaffenheit
haben, daß es
Licht effizient transmittiert. Beispielsweise kann das Pho topolymermaterial von
einer sehr klaren Beschaffenheit sein. Das Photopolymermaterial
kann für
Photolithographiezwecke einen positiven oder negativen Ton („positive/negative
Tone") aufweisen.
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Das
Tragesubstrat 402 hat eine Oberfläche, auf der die Photopolymermaterialschicht 400 aufgebracht
wird. Das Tragesubstrat 402 wird typischerweise ein Substrat
sein, welches in einem Photolithographiesystem befestigt werden
kann, so daß die Schicht
des Photopolymermaterials 400 bearbeitet werden kann. Das
Tragesubstrat 402 kann aus Materialien gebildet sein, wie
beispielsweise, ohne auf diese beschränkt zu sein, Kunststoff, Polymere,
Keramiken, Halbleiter, Metalle und Glas. Das Tragesubstrat 402 kann
außerdem
eine Cladding-Schicht bilden, die dazu gedacht ist, einen Wellenleiter
zu umgeben, welcher aus dem Photopolymermaterial gebildet werden
wird. Solch eine Cladding-Schicht schützt Strukturen, die aus der
Photopolymerschicht 400 gebildet werden, und ihr inhärenter Brechungsindex
erleichtert die Transmission von Licht durch das Photopolymermaterial.
Am Ende des Herstellungsprozesses können die Tragestruktur 402 und
die aus der Photopolymermaterialschicht 400 gebildeten
Strukturen transportiert werden und dann an einer Vorrichtung befestigt
werden, wie beispielsweise einer optischen Eingabevorrichtung 10,
wie sie in 1 gezeigt ist.
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In
einer alternativen Ausführungsform
wird eine Boden-Cladding-Schicht auf dem Tragesubstrat 402 aufgebracht,
woraufhin die Photopolymermaterialschicht 400 dann auf
der Boden-Cladding-Schicht aufgebracht
wird. In der in den 6 bis 8 gezeigten
und beschriebenen Ausführungsform
kann, in Abhängigkeit
von der Materialauswahl, das Tragesubstrat 402 als Boden-Cladding-Schicht
dienen. eine Boden-Cladding-Schicht kann auch durch photolithographische
Methoden auf der Oberfläche
des Tragesubstrats 206 aufgebracht werden.
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Bei
Block 304 wird die Schicht aus Photopolymermaterial 400 einem
Lichtmuster ausgesetzt, welches mit einer gemusterten Grauwertmaske 404 erzeugt
wird. Dies wird bewerkstelligt, indem mit einer Lichtquelle durch
die gemusterte Grauwertmaske 404 geleuchtet wird, oder
indem Licht daran gehindert wird, diese Maske zu durchdringen. Die
Grauwertmaske 404 ist zum Erzeugen eines Wellenleiters und
einer optischen Linse innerhalb der Photopolymermaterialschicht 400 gemustert.
Der Wellenleiter und die optische Linse können integral ausgebildet sein,
wie in 2 bis 5 gezeigt ist. Unter Verwendung
derselben Bezugszeichen wie in 2 und 3 repräsentieren
der querschraffierte Bereich in 7 und 8 den
Wellenleiter 102 und die optische Linse 104, die
innerhalb der Photopolymermaterialschicht 400 ausgebildet werden.
Mit anderen Worten repräsentiert
der querschraffierte Bereich den Abschnitt der Photopolymerschicht 400,
der übrigbleiben
wird, nachdem der Photolithographieprozeß beendet wurde. Die Draufsicht
von 7 zeigt, daß die
Grauwertmaske 404 es gestattet, den Bereich der Photopolymermaterialschicht 400 außerhalb
des Wellenleiters 102 und der optischen Linse 104 zu
belichten, und schützt
andersherum das Photopolymermaterial 400, welches den Wellenleiter 102 und
die optische Linse 104 bilden wird, vor der Belichtung.
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Licht,
welches durch die Graustufenmaske
404 scheint, ist in
8 durch
gerichtete gestrichelte Linien repräsentiert. Die Grauwerteigenschaft
der Maske
404 gestattet den Durchgang von Licht mit variierenden
Intensitäten,
und gestattet daher, daß das Licht
die Photopolymermaterialschicht
400 bis zu variierenden
Tiefen durchdringt. Der Endpunkt einer jeden der Linien
406 repräsentiert
die Tiefe, bis zu der ein jeder Lichtstrahl die Photopolymermaterialschicht
400 durchdringt.
Die Materialzusammensetzung der Photopolymerschicht
400 wird
durch die Belichtung nur bezüglich
der Tiefe der Lichtpenetration und der daraus resultierenden chemischen
Veränderungen im
Photopolymersystem, die durch diesen Belichtungsgradienten hervorgerufen
werden, geändert. Der
Belichtungsgradient bezieht sich auf das Lichtmuster, welches durch
die Grauwertmaske erzeugt wird, wobei die Lichtstrahlen, die die
Maske passieren, variierende Intensitäten aufweisen. Auf diese Weise
können
dreidimensionale (oder mit Konturen versehene) Strukturen, wie beispielsweise
die optische Linse
104, aus der Photopolymermaterialschicht
gebildet werden. Insbesondere kann eine vordere Linsenfläche, die
eine In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve
112 hat, ausgebildet
werden, wie in der Seitenansicht von
8 zu sehen
ist. Wie oben beschrieben wurde, hat die In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve
einen Umriß,
der innerhalb einer Ebene definiert ist, welche senkrecht zur Oberfläche der
Tragestruktur
106 ist. Außerdem hat die vordere Linsenfläche eine
Richtungs-Kollimationslinsenkurve
114, wie in der Draufsicht
von
7 zu sehen ist. Wie oben beschrieben wurde, hat
die Richtungs-Kollimationslinsenkurve einen Umriß, der innerhalb einer Ebene
definiert ist, welche koplanar mit der Oberfläche der Tragestruktur
106 ist.
Außerdem
hat die optische Linse
104 eine Rückseite bzw. rückwärtige Fläche
110,
die geneigt ist und sich von dem Wellenleiter
102 zum höchsten Punkt
der optischen Linse
104 erstreckt. Die Grauwertmaske
404 kann
so gemustert werden, daß die
Rückseite
110 eine
beliebige Form erhält,
solange sie sich mindestens über
den kritischen Winkel
118 von sin
–1 erstreckt,
wobei n
1 der Brechungsindex des Wellenleiters
102 ist, n
2 der Brechungsindex des Tragesubstrats
402,
der als Boden-Cladding-Schicht wirkt, und n
3 der
Brechungsindex der optischen Linse
104 ist.
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In
alternativen Implementierungen von Block 304 kann die Photopolymermaterialschicht 400 verschiedenen
Mustern von Licht durch die Grauwertmaske 404 ausgesetzt
werden, um verschiedene Strukturen innerhalb der Photopolymermaterialschicht
auszubilden. Beispielsweise können
verschiedene dreidimensionale oder zweidimensionale Strukturen ausgebildet
werden. Insbesondere könnte die
optische Linse 104 eine Linsenfläche haben, die entweder eine
In-der-Ebene-Kollimationskurve
oder eine Richtungs-Kollimationskurve aufweist. Eine optische Linse 104,
die nur eine Richtungs-Kollimationslinsenkurve 114 aufweist,
kann eine Höhe
haben, die gleich der Höhe
des Wellenleiters 102 ist, so daß die optische Struktur eine
ebene Oberfläche
hat.
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Der
Wellenleiter 102 kann so ausgebildet sein, daß er eine
rechteckige oder eine abgerundete Querschnittsform aufweist. In
einer Ausführungsform kann
der Wellenleiter 102 so ausgebildet sein, daß er eine
rechteckige Querschnittsform mit einer Höhe und einer Breite von jeweils
ungefähr
8 bis 10 μm
hat. Die Abmessung in Längsrichtung
des Wellenleiters 102 kann sich entlang eines geraden oder
gekrümmten
Weges erstrecken, um eine Verbindung mit einer Lichtquelle oder
einem Lichtdetektor herzustellen.
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Die
Verwendung der Photopolymermaterialschicht 400 ist vorteilhaft,
da die optische Linse 104 und der Wellenleiter 102 einfach
integral miteinander ausgebildet werden können. Dies macht die mühsame Aufgabe
des Ausrichtens eines Wellenleiters mit einer optischen Linse entbehrlich.
Die Fähigkeit,
eine optische Linse auszubilden, die eine In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve 112 aufweist,
vereinfacht außerdem
den Herstellungsprozeß von
gewissen optischen Strukturen, indem keine separate Linse benötigt wird,
um die Funktion der In-der-Ebene-Kollimationslinsenkurve 112 zu übernehmen.
Solch eine separate Linse würde
einen zusätzlichen
Aufwand für
die Linse selbst und für
deren Positionierung und Ausrichtung benötigen.
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Identische
optische Linsenstrukturen können in
Photopolymeren unter Verwendung von Positiv-Ton-Masken mit einem
optischen Negativ-Ton-Photopolymer erzeugt werden, oder durch Verwendung
von Negativ-Ton-Masken mit einem optischen Positiv-Ton-Photopolymer.
Positiv-Ton-Photopolymermaterialsysteme und Negativ-Ton-Photopolymermaterialsysteme
können
mit Grauwertmaskentechniken verwendet werden, um Belichtungsgradienten
zu erzeugen, die nach Entwicklung in dreidimensionalen Polymerstrukturen
resultieren. Wiederum bilden Strukturen, die durch das Photopolymermaterial
gebildet werden, geplante Strukturen, wie beispielsweise die Wellenleiter
und optischen Linsen.
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In 7 und 8 kann
der Abschnitt der Photopolymermaterialschicht 400, der
belichtet ist, in einem nachfolgenden Entwicklungsprozeß entfernt werden – "Positiv-Ton". Die Länge einer
jeden gestrichelten Linie 406 von 8 kann die
Energievektoren repräsentieren,
oder die Menge von Lichtenergie eines jeden Lichtstrahls, der auf
die Photopolymermaterialschicht 400 scheint.
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In
alternativen Ausführungsformen,
in denen die Photopolymermaterialschicht einen negativen Ton aufweist,
bewirkt das Licht, daß sich
das Photopolymermaterial in festere Strukturen vernetzt als diejenigen,
die mit Positiv-Ton-Photopolymersystemen gebildet werden. Die unbelichteten
Bereiche des Photopolymermaterials werden fortgewaschen. Während die
Länge einer
jeden gestrichelten Line 406 von 8 als proportional
zur Lichtenergie eines jeden Lichtstrahls für eine Photopolymermaterialschicht
mit positivem Ton betrachtet werden kann, ist die inverse Menge
der Energie, welche durch eine jede gestrichelte Linie 406 repräsentiert
wird, geeignet für
eine Negativ-Ton-Photopolymermaterialschicht.
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In
manchen Implementierungen des Herstellungsprozesses 300 können mehrere
optische Strukturen sowohl eines Wellenleiters 102 als
auch einer optischen Linse 104 ausgebildet werden. Die
mehreren optischen Strukturen können
so ausgebildet werden, daß ein
Array von Lichtstrahlen aus den optischen Linsen 104 herausgerichtet
sind. Solch ein Array von Lichtstrahlen kann eine Lichtschicht 12 bilden,
wie sie in 1 gezeigt ist.
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In
Block 306 wird mit einer Entwicklerlösung über die Photopolymermaterialschicht 400 gewaschen,
um die Photopolymermaterialschicht 400 zu entwickeln. Die
Entwicklerlösung
kann ein organisches Lösungsmittel
oder eine wäßrige Lösung sein. Beispielhafte
Entwicklerlösungen
umfassen, ohne auf diese beschränkt
zu sein, Methyl-Iso-Butyl-Keton(MIBK), Tetra-Methyl-Ammonium-Hydroxid(TMAH) und Kaliumhydroxid
(KOH). Es ist auch eine trockene Entwicklung unter Verwendung einer plasmabasierten
Bearbeitung möglich.
Die Entwicklerlösung
entfernt belichtete Bereiche mit anderen Raten als Bereiche, die
nicht belichtet wurden (eine differentielle Löslichkeit wird durch lichtinduzierte chemische
Reaktionen in den Photopolymeren induziert), was zu nützlichen
Mustern führt,
die dem Entwicklungsprozeß folgen.
Die Abschnitte des Photopolymermaterials 400, die nicht
belichtet wurden, bleiben intakt und bilden die erwünschte Struktur,
wie beispielsweise den Wellenleiter 102 und die optische Linse 104.
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In
Block 308 wird eine weitere wäßrige Lösung, beispielsweise ein organisches
Lösungsmittel, verwendet,
um die Entwicklerlösung
und die gelösten Teile
der Photopolymermaterialschicht 400 fortzuspülen.
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Dann
wird in Block 310 die verbleibende optische Struktur, die
aus der Photopolymermaterialschicht 400 und dem Tragesubstrat 402 gebildet
ist, einem Trocknungsprozeß unterzogen.
In diesem Prozeß wird
die wäßrige Spüllösung getrocknet.
Der Trocknungsvorgang von Block 310 kann auf verschiedene
Weisen durchgeführt
werden, beispielsweise durch Wärme,
Schleudern und/oder mit Hilfe eines Luftgebläses.
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Das
Tragesubstrat 402 und die Photopolymermaterialschicht 400 können mit
einer Größe und Form
ausgebildet werden, die in ein Photolithographiesystem passen, wie
beispielsweise eines, welches für
Halbleiterherstellung geeignet ist. In einer Ausführung kann
das Tragesubstrat 402 und die Photopolymermaterialschicht 400 auf
einem Wafer ausgebildet sein, wie beispielsweise einem Halbleiterwafer,
der in einem Photolithographiesystem plaziert werden kann.
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Bei
manchen Implementierungen des Verfahrens 300 kann eine
Cladding-Schicht oben auf den Wellenleiter 102 und die
optische Linse 104 aufgebracht werden.
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Während diese
Erfindung anhand von mehreren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde,
gibt es Änderungen,
Vertauschungen oder Äquivalente,
die in den Rahmen der Erfindung fallen. Man beachte, daß es außerdem viele
alternative Arten der Implementierung der Verfahren und Vorrichtungen
der vorliegenden Erfindung gibt. Es ist daher beabsichtigt, daß die folgenden
anhängenden
Ansprüche
so interpretiert werden, daß sie
alle solche Änderungen,
Vertauschungen und Äquivalente
umfassen, die in den wahren Geist und Rahmen der vorliegenden Erfindung
fallen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Optische
Transmissionsstrukturen umfassen einen Wellenleiter und eine optische
Linse, wobei die optische Linse eine ausreichend große Dicke
hat, um die Ausbildung einer gekrümmten vorderen Linsenfläche zu gestatten,
die transmittierte Lichtstrahlen so kollimiert, daß sie sich
in einer Ebene ausbreiten, die koplanar zu einer Arbeitsfläche ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Methode zur Herstellung
der optischen Transmissionsstruktur, die die Verwendung eines Photopolymermaterials
beinhaltet. Die optische Transmissionsstruktur kann in verschiedenen
Systemen, wie beispielsweise einem System für optische Dateneingabe, verwendet
werden.