DE69629878T2

DE69629878T2 - Kompakter optischer Abtaster vom Wellenleitertyp

Info

Publication number: DE69629878T2
Application number: DE69629878T
Authority: DE
Inventors: David Kashiwa-shi Heard; Noboru Katsushika-ku Ohtani; Yutaka Matsudo-shi Unuma; Manabu Kashiwa-shi Fujimoto
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-07-13
Filing date: 1996-07-12
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2016-07-13
Also published as: DE69629878D1; EP0753958B1; EP0753958A2; US5747796A; EP0753958A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Endung bezieht sich auf einen Bildsensor, der in einer Optikeinheit verwendet wird, um ein Bild eindimensional zu lesen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Verkleinerungsbildsensor, der unter Verwendung von Lichtwellenleitern hergestellt ist.
Außerdem bezieht sich die Erfindung auf die Konstruktion eines optischen Bildsensors, der in einer Vorrichtung wie etwa in einem Faxgerät, in einem Strichcodeleser und in einer Computer-Bildeingabevorrichtung verwendet werden kann. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Optikkonstruktion eines Bildscanners, der unter Verwendung einer Anordnung von Lichtwellenleitern hergestellt ist. Die Erfindung offenbart ein neues Konstruktionsverfahren, in dem der Bildsensor leicht hergestellt werden kann, wobei die Stabilität und die Leistung des Bildsensors im Gebrauch dadurch verbessert werden, dass eine LED-Anordnung mit einem Wellenleitersubstrat integriert ist, um Licht von einer LED-Lichtquelle (Lichtemitterdioden-Lichtquelle) auf ein Objekt zu lenken.
Außerdem bezieht sich die Erfindung auf einen optischen Scanner zum Umsetzen eines Bildes in elektronische Daten, der in einem Faxgerät verwendet werden kann, auf einen Scanner, der zur Eingabe von Zusammenstellungen und Figuren in einen Computer verwendet werden kann, auf einen optischen Strichcodeleser usw.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Bildsensor, der in einem eindimensionalen Leseoptiksystem für einen Ausdruck usw. verwendet wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Verkleinerungsbildsensor, der Lichtwellenleiter verwendet, und auf ein Herstellungsverfahren für diesen Verkleinerungsbildsensor.
2. Beschreibung des verwandten Gebiets
In letzter Zeit werden eine hohe Leistung und Kompaktheit eines eindimensionalen Bildsensors gefordert, der Bildinformationen in ein elektrisches Signal umsetzt, während der Bedarf an einem Bildleser, der in einem Faxgerät, in einem Bildscanner, in einem digitalen Kopiergerät usw. verwendet wird, gestiegen ist. Ein allgemeiner eindimensionaler Bildsensor eines Faxgeräts usw. kann in zwei Arten von Konstruktionen unterteilt werden, die eine Verkleinerungskonstruktion und eine Kontaktkonstruktion (auch Konstruktion mit Gleichvergrößerung genannt) umfassen. In der Verkleinerungskonstruktion wird die Größe eines eindimensionalen Bildes verringert und das Bild durch eine Linse auf eine Fläche einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD-Vorrichtung) projiziert. In der Kontaktkonstruktion projiziert eine Linse das Bild mit der Vergrößerung eins auf einen optoelektronischen Detektor, was dem Bild eins-zu-eins entspricht. In diesem Patent wird ein Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensor beschrieben, der anstelle einer Linse einen Lichtwellenleiter verwendet.
Als Lichtquelle des Bildsensors werden umfassend eine LED-Anordnung mit LEDs, die in einer linearen Form angeordnet sind, und eine lineare Lichtquelle einer Leuchtstofflampe usw. verwendet.
1 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Betriebs eines Verkleinerungsbildsensors. Ein Original 1 wird durch eine linear angeordnete Lichtemitterdioden-Anordnung oder durch eine lineare Lichtquelle 7 wie etwa durch eine Leuchtstofflampe usw. beleuchtet. Die Lichtemitterdiode wird in der folgenden Beschreibung LED genannt. Das von dem Original 1 reflektierte Licht wird durch eine Linse 40 auf eine lichtelektrische Umsetzelementanordnung 30 wie etwa auf eine CCD usw. fokussiert, wo es ein verkleinertes Bild bildet. Die lichtelektrische Umsetzelementanordnung 30 setzt die Bildinformationen des Originals, die das verkleinerte Bild bilden, in ein elektrisches Signal einer Zeitreihe um und gibt dieses umgesetzte elektrische Signal aus.
2 zeigt einen Kompaktbildsensor. Dieser Kompaktbildsensor ist so beschaffen, dass der Detektor einer lichtelektrischen Umsetzelementanordnung 31 die gesamte Lesebreite bedeckt. Das reflektierte Licht von einem Original 1, das mit einer Lichtquelle 7 bestrahlt wird, fällt direkt oder durch eine Linsenanordnung 41 auf die lichtelektrische Umsetzelementanordnung 31, so dass die Bildinfor mationen in ein elektrisches Signal umgesetzt werden.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung (KOKAI) Nr. 6-94346 zeigt einen Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensor, der die Probleme des obigen Verkleinerungsbildsensors und des obigen Kontaktbildsensors löst. 3 ist eine Ansicht, die den Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensor schematisch zeigt. 4 ist eine Draufsicht des Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensors. Der Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensor besitzt eine Mikrolinsenanordnung 4, die entlang der Breite der Vorderfläche angeordnet ist, ein Lichtwellenleitersubstrat 2 und eine lichtelektrische Umsetzelementanordnung 3. In dem Lichtwellenleitersubstrat 2 sind mehrere dreidimensionale Wellenleiter gebildet, die das Licht von einem Eingangsbild zu dem lichtelektrischen Umsetzelement führen. In der folgenden Beschreibung wird jeder der dreidimensionalen Wellenleiter einfach ein Wellenleiter genannt. Der Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensor erhält dadurch, dass er den Wellenleiterabstand am Emissions-Ende des Wellenleiters enger als am Einfalls-Ende des Wellenleiters einstellt, ein verkleinertes Bild. In dem Wellenleiter-Bildsensor sind ein Kopplungsoptiksystem, das Lichtwellenleitersubstrat und die lichtelektrische Umsetzelementanordnung miteinander integriert, so dass keine nachfolgende Ausrichtung oder Justierung erforderlich ist. Ferner besitzt dieser integrierte Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensor eine ausgezeichnete Stoßfestigkeit, während seine Kosten gesenkt werden können.
Die Auflösung des in 1 gezeigten Verkleinerungsbildsensors ist durch die Linsenleistung und durch den Pixelabstand der lichtelektrischen Umsetzelementanordnung 30 bestimmt. Im Fall einer Leseauflösung von 200 dpi (200 Punkte pro Zoll) und einer Lesebreite von 256 mm beträgt die Entfernung (die optische Weglänge) d zwischen dem Original 1 und der lichtelektrischen Umsetzelementanordnung 30 etwa 330 mm. Die Kosten des Verkleinerungsbildsensors sind niedrig, und eine Leseoperation dieses Verkleinerungsbildsensors kann mit hoher Geschwindigkeit ausgeführt werden. Da das Licht durch die Linse 40 gesammelt wird, sind die Elementgrößen in dem Verkleinerungsbildsensor aber groß. Somit kann kein kompakter Verkleinerungsbildsensor hergestellt werden. Ferner ist es schwierig, das Optiksystem des Verkleinerungsbildsensors zu justieren.
Demgegenüber ist die Entfernung (die optische Weglänge) d von dem Original 1 zu der lichtelektrischen Umsetzelementanordnung 31 in dem Kontaktbildsen sor kurz. Die lichtelektrische Umsetzelementanordnung besitzt eine große Größe und ist somit teuer, wobei außerdem eine komplizierte Elektronikschaltung für den Betrieb der lichtelektrischen Umsetzelementanordnung angeordnet werden muss. Somit ist es schwierig, die Kosten des Kontaktbildsensors zu senken.
In der Konstruktion des in 4 gezeigten Wellenleiter-Bildsensors ist der Rauschpegel erhöht und das S/N-Verhältnis (ein Signal/Rausch-Verhältnis) verringert, wenn Streulicht, das durch Licht erzeugt wird, das an Unregelmäßigkeiten des Lichtkopplungsabschnitts (der Wellenleitereintritts-Endfläche) in den Wellenleiter und in die Wellenleiterseite gestreut wird, auf die lichtelektrische Umsetzelementanordnung 3 auffällt.
Die Lichtquelle ist unter Verwendung der LED-Anordnung konstruiert, in der beispielsweise 27 LEDs linear entlang der Originalflächenbreite angeordnet sind. Wie in 3 gezeigt ist, ist die Lichtquelle in einer Stellung angeordnet, in der das erzeugte Licht unter 45 Grad auf das Original auffällt. Die LED-Anordnung besitzt eine Struktur, in der das Original direkt von einer Punktlichtquelle bestrahlt wird. Dementsprechend ist es schwierig, die LED-Anordnung kompakt anzufertigen. Ferner gibt es Probleme einer ungleichförmigen Bestrahlung, eines großen Energieverlusts, der durch die Streuung des Bestrahlungslichts verursacht wird, usw., während es ferner schwierig ist, die LED-Anordnung mit niedriger Spannung zu betreiben und den Leistungsverbrauch der LED-Anordnung zu senken.
Ein Wellenleiter-Bildsensor wird unter Verwendung einer Lichtwellenleiteranordnung hergestellt, die auf einem Kunststoff- oder Glassubstrat gebildet ist. Das von einem Bild gestreute Licht wird zunächst unter Verwendung einer Mikrolinsenanordnung in die Wellenleiteranordnung gekoppelt. Daraufhin wird dieses Licht über einen Wellenleiter an einen CCD-Detektor (Detektor mit einer ladungsgekoppelten Vorrichtung) übertragen. Eine Lichtquelle dieses Vorrichtungstyps ist durch eine Anordnung von LED-Lichtemittervorrichtungen konstruiert.
In diesem Vorrichtungstyp ist eine Anordnung von Lichtwellenleitern auf einem Glas- oder Kunststoffsubstrat hergestellt. Das Licht, das sich von einem Bild ausbreitet, wird zuerst in die Anordnung der Lichtwellenleiter gekoppelt. An schließend wird dieses Licht über diese Wellenleiter zu einem Lichtdetektor vom CCD-Typ übertragen.
Als die Lichtquelle wird eine LED-Anordnung verwendet, die Licht von 570 nm emittiert. In einem typischen Fall ist die LED-Anordnung je nach Konstruktion des Scanners in einer Entfernung von typischerweise 5 mm bis 10 mm unter einem schiefen Winkel (etwa 45 Grad) zu einer Objektebene befestigt. Die LED-Lichtemittervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Licht nicht unidirektional ist, sondern sich über einen breiten Bereich verteilt. Eine typische Diode besitzt eine Spitzenemission unter 30 Grad gegenüber ihrer Normale, wobei ihre Intensität bis zu 85 Grad gegen die Normale nicht bis auf 50% des Spitzenwerts fällt.
Ferner sind in dem allgemeinen System alle Optiksysteme der LED-Anordnung und des Detektors getrennt angeordnet, so dass es eine Gefahr einer Fehlausrichtung dieser Optiksysteme gibt.
Derzeit besitzt der optische Scanner zwei Arten allgemeiner Konstruktionen, wie sie in 5 und 6 gezeigt sind. Eine Lichtquelle ist durch eine Anordnung von Lichtemitterdioden (LEDs) oder durch eine Lichtemitterröhre vom Leuchtstofflampentyp konstruiert und bestrahlt eine Objektabschnitt 71 auf einer zu scannenden Seite oder Zeile. Beispielsweise wird das von dem Objekt 71 reflektierte Licht in einem in 5 gezeigten ersten allgemeinen Beispiel normalerweise mittels einer Linse oder eines Linsensystems 72 auf einem einzelnen Photodetektor 73 wie etwa auf einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD) gesammelt. Die Auflösung dieses Systems ist durch die Teilung der Pixel auf der CCD und durch die Leistung der Linse bestimmt. Im Fall eines Scanners in einem Faxgerät wird eine Auflösung von 200 Punkten pro Zoll verwendet. In dieser Konstruktion ist die Entfernung d zwischen dem Objekt und dem Detektor verhältnismäßig groß. Beispielsweise ist diese Entfernung d in Bezug auf eine Scan-Breite von 256 mm auf etwa 330 mm eingestellt. Wie in 6 gezeigt ist, wird zur Verkürzung der Länge des Optiksystems eine Vorrichtung verwendet, die drei Spiegel verwendet, die das von dem Objekt reflektierte Licht reflektieren. Durch diese Spiegel überschneiden sich die Lichtwege effizient miteinander, so dass die Entfernung zwischen einem Bild und dem Detektor verringert werden kann. Somit beträgt eine tatsächlich verwendete Mindestentfernung zwischen dem Objekt und dem Detektor 83 mm, so dass der Scanner im Vergleich zu dem in 5 gezeigten Scanner beträchtlich kompakt hergestellt werden kann.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung (KOKAI) Nr. 7-30716 zeigt einen Originalleser, in dem die Bildinformationen eines Originals durch einen Lichtwellenleiter verkleinert werden, der in Sektorform angeordnet ist, indem der Wellenleiterabstand auf der Emitterseite der Vorrichtung in Bezug auf den Abstand auf der Einfallsseite der Vorrichtung verringert ist. Dieser Originalleser ist kompakt, wobei im Vergleich zu einer Vorrichtung, die ein Bild unter Verwendung der obigen Linse und der obigen Spiegel verkleinert, die optische Achse nicht justiert zu werden braucht.
In dem in der offengelegten japanischen Patentanmeldung (KOKAI) Nr. 7-30716 gezeigten Originalleser sind die Lichtwellenleiter in Sektorform angeordnet. Dementsprechend wird reflektiertes Licht von dem Objekt nicht effizient in den Wellenleiter gekoppelt und wird Ausgangslicht von dem Wellenleiter nicht effizient aus dem Wellenleiter ausgekoppelt, wenn der Winkel zwischen dem Wellenleiter und der Vorderfläche des Wellenleitersubstrats klein ist. Um sinnvolle Kopplungswirkungsgrade aufrechtzuerhalten, muss der Winkel zwischen dem Wellenleiter und der Vorderfläche des Wellenleitersubstrats groß gehalten werden. Dementsprechend ist es nicht möglich, eine hohe Bildverkleinerungsrate zu haben und gleichzeitig die kompakte Größe zu erhalten.
Kürzlich wurde ein Verkleinerungsbildsensor vorgeschlagen, der mehrere Lichtwellenleiter verwendet. Beispielsweise zeigt die japanische Patentanmeldung Nr. 6-94346 einen Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensor mit einer Linse, einem Lichtwellenleitersubstrat und einer lichtelektrischen Umsetzelementanordnung. Die Linse ist entlang der Breite der Vorderfläche gebildet. Das Lichtwellenleitersubstrat besitzt mehrere Wellenleiter, die in der Weise gebildet sind, dass diese Wellenleiter Licht führen, das von dieser Linse gesammelt wird. Das von diesen mehreren Wellenleitern geführte Licht fällt auf die lichtelektrische Umsetzelementanordnung auf. Die Kosten dieses Bildsensors sind niedrig und die Elemente dieses Bildsensors können kompakt angefertigt werden. Ferner braucht das Optiksystem dieses Bildsensors nicht justiert zu werden.
Es werden mehrere Verfahren zur Herstellung eines Polymerlichtwellenleiters vorgeschlagen, der ein Polymermaterial als Kern verwendet, das in einem sol chen Verkleinerungsbildsensor verwendet werden kann.
In einem ersten Herstellungsverfahren wird unter Verwendung einer normalen Druckgussmaschine ein gemustertes Substrat hergestellt, das ein Polymermaterial wie etwa PMMA usw. enthält und das das Muster einer Nut besitzt, die eine Kapillare bildet. Nachfolgend wird der Nutenabschnitt des hergestellten gemusterten Substrats mit einem Polymervorläufermaterial als Polymerrohmaterial für den Kern des Wellenleiters gefüllt. Daraufhin kommt ein ebenes Substrat, das durch ein Polymer wie etwa PMMA usw. konstruiert ist, mit dem Nutenabschnitt des gemusterten Substrats in engen Kontakt. Anschließend wird der Nutenabschnitt durch Bestrahlen mit Ultraviolettstrahlung usw. polymerisiert, so dass der Kern des durch das Polymermaterial konstruierten Lichtwellenleiters gebildet wird.
Die japanische Patentanmeldung Nr. 6-300807 zeigt ein weiteres Herstellungsverfahren des Polymerlichtwellenleiters. Bei diesem Herstellungsverfahren kommt die gemusterte Fläche des gemusterten Substrats mit dem Muster einer Nut, die eine Kapillare bildet, mit dem ebenen Substrat in engen Kontakt, so dass durch diese Nut die Kapillare gebildet wird. Anschließend wird diese Kapillare durch die Kapillarerscheinung mit einer Monomerlösung als dem Rohmaterial des Kerns des Lichtwellenleiters gefüllt. Daraufhin wird diese Monomerlösung polymerisiert. Bei diesem Herstellungsverfahren wird an der Grenze zwischen dem gemusterten Substrat und dem ebenen Substrat kein Spalt gebildet. Dementsprechend gibt es kein Übersprechen, das durch Lecklicht zwischen den Kernen verursacht wird, so dass ein Polymerlichtwellenleiter mit ausgezeichneten Lichtwellenleitereigenschaften realisiert werden kann.
Der allgemeine Verkleinerungsbildsensor, der ein Linsensystem verwendet, erfordert eine große optische Weglänge zwischen einer Originalfläche und einem Festkörperbildsensor. Somit ist es schwierig, den Verkleinerungsbildsensor kompakt anzufertigen. Ferner muss das Optiksystem jedes Bildsensors justiert werden, wenn der Bildsensor hergestellt wird. Außerdem ist der Verkleinerungsbildsensor schwach in Bezug auf Schwingung.
In dem allgemeinen Kontaktbildsensor besitzt die lichtelektrische Umsetzanordnung die gleiche Größe wie die Originalbreite. Dementsprechend ist das S/N-Verhältnis des lichtelektrischen Umsetzsignals verringert, während es we gen einer parasitären Kapazität zwischen den Verdrahtungen in einem bestimmten Fall schwierig ist, den Kontaktbildsensor mit hoher Geschwindigkeit zu betreiben.
In dem Verkleinerungsbildsensor, der Lichtwellenleiter verwendet, können die Elemente im Vergleich zu den obigen zwei Bildsensoren kompakt angefertigt werden, während keine Justierung des Optiksystems erforderlich ist. Ferner sind die Kosten des Verkleinerungsbildsensors sehr niedrig, während der Verkleinerungsbildsensor eine hohe Leistung besitzt und kompakt angefertigt werden kann. Allerdings gibt es einen gewissen Verlust des Lichtsignals in dem gekrümmten Abschnitt jedes der Wellenleiter, der für eine Verkleinerung der Größe eines Originalbildes unentbehrlich ist.
Ein Herstellungsverfahren des Lichtwellenleiters besitzt die folgenden Probleme.
Der im Stand der Technik beschriebene mit dem ersten Herstellungsverfahren hergestellte Lichtwellenleiter wird dadurch gebildet, dass das gemusterte Substrat mit einem Kernmaterial gefüllt wird und das gemusterte Substrat und das ebene Substrat zusammengeklebt werden. Somit wird ein Polymermaterial für den Kern in einem vorstehenden Zustand zwischen dem ebenen Substrat und dem gemusterten Substrat polymerisiert, so dass eine dicke Schicht etwa im Bereich von 1 bis 10 μm gebildet wird. Wenn Licht auf den Lichtwellenleiter auffällt, entweicht dieses Licht dementsprechend in die Schicht, wobei es in die gesamte Vorrichtung zerstreut wird. Im Gegensatz dazu wird das Kernmaterial heraufgezogen, nachdem das gemusterte Substrat und das ebene Substrat zusammengeklebt worden sind, falls der Lichtwellenleiter unter Verwendung des im Stand der Technik beschriebenen zweiten Herstellungsverfahrens hergestellt wird. Somit gibt es keine Schicht zwischen dem gemusterten Substrat und dem ebenen Substrat, so dass kein Licht zwischen den Kernen entweicht.
Der Verlust des Lichtsignals in dem gekrümmten Abschnitt des Lichtwellenleiters kann dadurch verringert werden, dass eine Nut gebildet wird, die mit einer Substanz mit einem Brechungsindex gefüllt wird, der kleiner als der eines Umfangssubstrats außerhalb dieses gekrümmten Abschnitts ist. Diese Ergebnisse werden durch die Simulation bestätigt und sind beschrieben in "J. Yamauchi u. a.: 'Beam-Propagation Analysis of Bent Step-Index Slab Waveguides', ELECTRONICS LETTERS, 1990, Bd. 26, Nr. 12, S. 822–824".
EP-A-0 297 798 bezieht sich auf einen Kompaktbildsensor mit einem Substrat, das zwischen Photodetektoren und einem Manuskript angeordnet ist, und mit Lichtleitfasern, die in dem Substrat vergraben sind, um Licht zu den Photodetektoren zu übertragen.
EP-A-0 285 351 bezieht sich auf einen S-förmigen Wellenleiter in einem Substrat.
US-A-3767445 offenbart ein Substrat, das aus einem Polymer und aus Lichtwellenleitern, die aus einem Polymer mit einem höheren Brechungsindex konstruiert sind, konstruiert ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist wünschenswert, einen kompakten Scanner zu schaffen, der die Verkleinerungsrate eines Bildes erhöht, während er die Entfernung zwischen dem Objekt und dem Detektor verringert, und der eine einfache Struktur besitzt, die preiswert hergestellt werden kann.
Die Erfindung schafft einen kompakten optischen Scanner, wie er in Anspruch 1 dargestellt ist. Vorzugsweise besitzt jeder der Wellenleiter zwei gekrümmte Abschnitte mit einem Krümmungswinkel von 90 Grad. Dementsprechend kann die Entfernung zwischen dem Objekt und einem Detektor selbst dann klein gemacht werden, wenn das Bildverkleinerungsverhältnis groß ist.
Vorzugsweise wird eine mit dem Substrat integrierte Mikrolinse hergestellt, die auf den Endabschnitt jedes der Lichtwellenleiter auf der dem Objekt gegenüberliegenden Substratfläche ausgerichtet ist, so dass jeder Bildabschnitt zuverlässig für jeden der Wellenleiter gesammelt werden kann.
Vorzugsweise sind die numerischen Aperturen der Mikrolinse und des Polymers jedes der Lichtwellenleiter so festgelegt, dass sie einander gleich sind. Dementsprechend ist sichergestellt, dass auf jeden der Wellenleiter nur Licht auffällt, das von einem gescannten Bildabschnitt gestreut wird.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Be schreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung hervor, wie sie in der beigefügten Zeichnung gezeigt sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines allgemeinen Verkleinerungsbildsensors;
2 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines allgemeinen Kontaktbildsensors;
3 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines allgemeinen Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensors;
4 ist eine Draufsicht, die die Konstruktion des in 3 gezeigten Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensors zeigt;
5 ist eine schematische Ansicht, die die Konstruktion eines allgemeinen optischen Scanners zeigt;
6 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Betriebs eines in dem allgemeinen optischen Scanner verwendeten Optiksystems;
7 ist eine Ansicht, die in dem allgemeinen optischen Scanner angeordnete Detektoren zeigt;
8 ist eine Ansicht, die die Konstruktion eines Wellenleiter-Bildsensors in Übereinstimmung mit einem ersten Beispiel zeigt;
9 ist eine Draufsicht, die die Konstruktion eines Lichterfassungsabschnitts des in 8 gezeigten Wellenleiter-Bildsensors zeigt;
10 ist eine Draufsicht, die die Konstruktion des Lichterfassungsabschnitts in Übereinstimmung mit einem zweiten Beispiel eines Wellenleiter-Bildsensors zeigt;
11 ist eine Draufsicht, die die Konstruktion einer in 8 gezeigten Wellenleiter-Lichtquelle zeigt;
12a und 12b sind Ansichten, die die Wellenleiter-Lichtquelle aus 8 genau zeigen;
13 ist eine Draufsicht, die die Konstruktion einer in 10 gezeigten Wellenleiter-Lichtquelle zeigt;
14a und 14b sind jeweils eine graphische Darstellung, die das emittierte Lichtmuster von dem Lichterfassungsabschnitt aus 8 zeigt;
15 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Konstruktion eines Bildsensors zeigt;
16 ist eine Querschnittsansicht, die ein weiteres Beispiel der Konstruktion eines Bildsensors zeigt;
17 ist eine Querschnittsansicht, die ein weiteres Beispiel der Konstruktion eines Bildsensors zeigt;
18 ist eine Ansicht, die die Fortpflanzung des Lichts in einem Substrat eines Bildsensors zeigt;
19a und 19b sind jeweils eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel einer Konstruktion eines Bildsensors zeigt;
20 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Konstruktion des Substrats des Bildsensors zeigt;
21a bis 21f sind Ansichten, die ein Herstellungsverfahren des Wellenleiterabschnitts des Bildsensors zeigen;
22a bis 22c sind Ansichten, die einen optischen Scanner in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung zeigen;
23a und 23b sind jeweils eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Krümmungswinkel eines gekrümmten Abschnitts eines Wellenleiters in dem optischen Scanner aus 22 und der Breite dieses optischen Scanners zeigt;
24 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Betriebs einer Mikrolinse, die in dem optischen Scanner aus 22a bis 22c angeordnet ist;
25a und 25b sind Ansichten, die einen Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensor in Übereinstimmung mit einem weiteren Beispiel zeigen;
26a bis 26e sind Ansichten, die die erste Phase zur Herstellung der in den 25a und 25b gezeigten Wellenleiter zeigen;
27a und 27b sind Ansichten, die die zweite Phase zur Herstellung der in 25a und 25b gezeigten Wellenleiter zeigen;
28a und 28b sind Ansichten, die die dritte Phase zur Herstellung der in 25a und 25b gezeigten Wellenleiter zeigen;
29 ist eine graphische Darstellung, die die Reduzierungswirkungen des Lichtverlusts in Bezug auf die Breite einer außerhalb eines gekrümmten Abschnitts jedes der Wellenleiter angeordneten Nut zeigt;
30 ist eine graphische Darstellung, die die Reduzierungswirkungen des Lichtverlusts in Bezug auf die Entfernung zwischen einem Wellenleiterkernabschnitt und der außerhalb des gekrümmten Abschnitts des Wellenleiterkernabschnitts angeordneten Nut zeigt; und
31 ist eine graphische Darstellung, die die Reduzierungswirkungen des Lichtverlusts in Bezug auf die Differenz des spezifischen Brechungsindex zwischen dem Wellenleiterkernabschnitt und dem Material eines Mantelabschnitts zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden anhand der beigefügten Zeichnung ausführlich Beispiele eines Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensors und eines Herstellungsverfahrens dafür beschrieben.
Jede der folgenden Ausführungsformen ist ein Beispiel, das auf einen eindimensionalen Bildsensor (mit einer Scan-Breite von 256 mm, was einem Papierbogen B4 entspricht) für ein G3-Faxgerät mit einer Auflösung von 200 dpi angewendet wird. Ein lichtelektrisches Umsetzelement vom Typ μPD3743D wird von Nippon Denki (NEC) Co., Ltd., in Japan hergestellt und besitzt einen Abstand von 14 μm sowie 2048 Pixel.
8 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Konstruktion eines Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensors in Übereinstimmung mit einem ersten Beispiel. Der Wellenleiter-Bildsensor aus 8 ist mit einem Wellenleiter-Lichterfassungsabschnitt und mit einer linearen Wellenleiter-Lichtquelle konstruiert.
9 ist eine Draufsicht, die die Konstruktion des Wellenleiter-Lichterfassungsabschnitts des in 8 gezeigten Bildsensors zeigt. Der Lichterfassungsabschnitt ist mit einer Mikrolinsenanordnung 4, mit einem Lichtwellenleitersubstrat 2 und mit einer CCD-Anordnung (Anordnung einer ladungsgekoppelten Vorrichtung) 3 konstruiert. Die Mikrolinsenanordnung 4 sammelt reflektiertes Licht von einem Original 1 auf der Auffall-Fläche des Lichtwellenleitersubstrats 2. Das Lichtwellenleitersubstrat 2 besitzt einen Lichtwellenleiter, der das gesammelte Licht zu der CCD-Anordnung 3 führt. Die CCD-Anordnung 3 ist ein lichtelektrisches Umsetzelement, das das geführte Licht in ein elektrisches Signal umsetzt und dieses elektrische Signal ausgibt.
Das Lichtwellenleitersubstrat 2 hat eine Größe von 270 mm_25 mm_2 mm und besitzt 2048 Wellenleiter. Der Abstand der jeweiligen Wellenleiter auf der Auffall-Endfläche 21 beträgt 127 μm. Die Wellenleiter sind in Form eines Buchstabens L gebildet, so dass die Wellenleiter senkrecht zu der Auffall-Fläche 21 und zu der Emissions-Fläche 22 sind, die senkrecht zu dieser Auffall-Fläche 21 ist. Der Abstand der jeweiligen Wellenleiter an der Emissions-Endfläche beträgt 14 μm. Der Kernabschnitt der Wellenleiter ist in Rechteckform mit einer Breite von 8 μm und mit einer Tiefe von 8 μm gebildet. Der Krümmungsradius des gekrümmten Abschnitts 23 jedes der Wellenleiter beträgt 2 mm.
Jeder der Wellenleiter wird durch ein Kapillarverfahren hergestellt, das in der offengelegten japanischen Patentanmeldung (KOKAI) 6-300807 gezeigt ist.
Beispielsweise wird als ein Wellenleiter-Substratmaterial (ein Wellenleiterman telabschnitt) PMMA (Polymethylmethacrylat) verwendet. Ferner wird als Wellenleiterkernmaterial DAI (Diallylisophthalat) mit einem Brechungsindex, der größer als der von PMMA ist, verwendet.
Zunächst wird mit einem Druckgussverfahren auf dem Substrat eine rechteckige Wellenleiternut mit einer Breite von 8 μm und mit einer Tiefe von 8 μm mit dem obigen Muster gebildet, so dass ein gemustertes Substrat hergestellt wird. Wie in den 27a und 27b gezeigt ist, werden das gemusterte Substrat und ein ebenes Substrat (ein PMMA-Substrat) nachfolgend durch eine Lehre geklemmt, so dass eine Wellenleiterflächenseite des gemusterten Substrats mit dem ebenen Substrat in engen Kontakt gelangt.
Die Wellenleiternut wird unter Verwendung eines DAI-Monomers, das 5% Benzoylperoxid enthält, mit einer Monomerlösung gefüllt. Das geklemmte Substrat und die Monomerlösung werden in einer Unterdruckkammer angeordnet. Aus dem Innern der Unterdruckkammer werden Gase abgelassen, bis ein Unterdruckgrad von 10^–4 Torr erzielt ist. Somit wird eine Entgasungsverarbeitung der DAI-Monomerlösung ausgeführt. Anschließend wird ein offenes Ende des obigen geklemmten Substrats in die Monomerlösung getaucht. Daraufhin wird das Innere des Unterdruckkammer belüftet, so dass der Druck in der Unterdruckkammer allmählich von einem Unterdruck zum Luftdruck geändert wird. Somit wird die Wellenleiternut mit der Monomerlösung gefüllt. Anschließend wird das geklemmte Substrat sechs Stunden bei einer Temperatur von 85°C durch einen Ofen erwärmt, so dass die DAI-Monomerlösung polymerisiert wird. Daraufhin wird das geklemmte Substrat aus der Klemmlehre gelöst, wobei die Auffall-Endfläche und die Emissions-Endfläche des geklemmten Substrats poliert werden, so dass ein Lichtwellenleitersubstrat hergestellt wird.
In Bezug auf den Polymerlichtwellenleiter, der in dieser ersten Ausführungsform hergestellt wird, besitzt das PMMA-Polymer einen Brechungsindex von 1,49, während das DAI einen Brechungsindex von 1,59 besitzt. Dementsprechend wird eine numerische Apertur (NA) dieses Lichtwellenleiters aus der folgenden Formel NA = ((n(Kern))2 – n(Mantel)2)1/2 zu 0,55 geschätzt.
Der Ausbreitungsverlust dieses Wellenleiters ist etwa 0,1 dB/cm.
Die Mikrolinsenanordnung 4 wird ähnlich dem Wellenleiterabstand konstruiert, so dass über eine Länge von 256 mm (eine Originalbreite eines Blattes der Größe B4) 2048 Mikrolinsen mit einem Durchmesser von 127 μm in linearer Form angeordnet sind.
Es ist theoretisch bekannt, dass 84% der Gesamtmenge parallelen Lichts, das auf eine Mikrolinse auffällt, in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser w, der durch die folgende Formel (1) gezeigt ist, gesammelt wird: w = 1,22λ/NA. (1)
Hier ist NA die numerische Apertur der obigen Mikrolinse und λ eine Wellenlänge des Lichts, die auf 570 nm festgelegt ist. Die Mikrolinse besitzt eine NA von 0,15, so dass das Licht auf eine Fleckgröße w mit einem Durchmesser von 4,6 μm gesammelt wird. Das in der Mikrolinse verwendete Glassubstrat besitzt eine Dicke von 0,45 mm, so dass das Licht auf der Auffall-Endfläche des Lichtwellenleitersubstrats gesammelt wird.
Wie oben erwähnt wurde, beträgt die numerische Apertur (NA) der Mikrolinse 0,15, während die NA des Wellenleiters 0,55 beträgt. Dementsprechend gibt es keinen Lichtkopplungsverlust, der von der Fehlanpassung der numerischen Aperturen (NAs) verursacht wird, so dass das reflektierte Licht von einer Originalfläche durch die Mikrolinse ideal an den Wellenleiter gekoppelt werden kann.
Das obige Lichtwellenleitersubstrat 2, die obige Mikrolinsenanordnung 4 und die obige CCD-Anordnung 3 werden mit einem Optikklebemittel mit einem Brechungsindex in der Nähe dessen des Substrats zusammengeklebt, so dass ein Lichterfassungsabschnitt hergestellt wird. Beispielsweise ist dieses Optikklebemittel ein mittels Ultraviolettstrahlung aushärtendes LA-3556, das von Toyo Ink Seizo Co., Ltd., hergestellt wird.
Die 14a und 14b zeigen Messergebnisse des Wellenleiterausgangslichtmusters, die die Wirkungen des Lichterfassungsabschnitts in der obigen ersten Ausführungsform verifizieren. Die Lichtquelle verwendet eine allgemeine LED-Anordnung, und es wird das reflektierte Licht eines weißen Originals erfasst. 14a zeigt das Ausgangslichtmuster des Lichterfassungsabschnitts. 14b zeigt das Ausgangslichtmuster eines in 4 gezeigten allgemeinen Lichterfassungsabschnitts. Der allgemeine Lichterfassungsabschnitt besitzt einen hohen Rauschpegel und ein kleines C/N-Verhältnis (Träger/Rausch-Verhältnis). Demgegenüber besitzt der Lichterfassungsabschnitt in dem ersten Beispiel eine Spitzenintensität des Signallichts, die gleich der des allgemeinen Typs ist, jedoch einen niedrigen Rauschpegel, so dass im Vergleich zu dem allgemeinen Typ ein hohes C/N-Verhältnis erhalten werden kann. In dem allgemeinen Typ ist der Rauschpegel wegen des Streulichts, das von dem von dem Wellenleiter entkoppelten Licht von der Lichtquelle usw. verursacht wird, hoch In dem Lichterfassungsabschnitt können Einflüsse des obigen Streulichts verringert werden, so dass das C/N-Verhältnis verbessert ist. Dementsprechend bewirkt der Lichterfassungsabschnitt der Erfindung selbstverständlich eine Verbesserung eines S/N-Verhältnisses (Signal/Rausch-Verhältnisses).
11 ist eine Draufsicht, die die Konstruktion der linearen Wellenleiter-Lichtquelle zeigt. Die 12a und 12b sind jeweils eine vergrößerte Ansicht, die eine Struktur um den Lichtquellenabschnitt 6 zeigt. Die lineare Wellenleiter-Lichtquelle ist mit einem Lichtquellenabschnitt 6 und mit einem Lichtwellenleitersubstrat 5 konstruiert, das aus Wellenleitern und aus einem planaren Wellenleiter zusammengesetzt sind.
Das Lichtwellenleitersubstrat 5 besitzt eine Größe von 270 mm_30 mm_2 mm und ist aus mehreren L-förmigen Wellenleitern 51 und aus einem planaren Wellenleiter 52, der entlang einer Originalflächenbreite (260 mm) gebildet ist, konstruiert.
Jeder der L-förmigen Wellenleiter 51 besitzt einen planaren Wellenleiter-Kopplungsabschnitt 53 und einen Wellenleiter 55, der um 90 Grad gekrümmt ist, so dass der Wellenleiter 55 senkrecht zu einer LED-Lichtauffall-Fläche 54 ist. In dem ersten Beispiel sind in einem Zwischenraum von 20 mm an dem Emissions-Ende (in einem Kopplungsabschnitt des planaren Wellenleiters) 13 L-förmige Wellenleiter gebildet. Ferner sind an der Auffallseite verjüngte Wellenleiter 56 gebildet, so dass jeder der verjüngten Wellenleiter 56 an seiner Auffall-Endfläche breit ist, während er an seinem Kopplungs-Ende mit dem L-förmigen Wellenleiter schmal ist. Der Aufweitungswinkel eines verjüngten Abschnitts jedes der verjüngten Wellenleiter 56 ist auf ein Grad festgelegt. Ähnlich wie bei dem Lichterfassungsabschnitt ist hier jeder der mehreren L-förmigen Wellen leiter mit einer rechteckigen Form und mit einer Größe von 8 μm_8 μm gebildet.
Die L-förmigen Wellenleiter besitzen verschiedene Längen, so dass die Lichtverluste bis zu den Kopplungsabschnitten mit dem Planaren Wellenleiter verschieden voneinander sind. Somit wird die emittierte Lichtmenge je nach Wellenleitermenge geändert, wenn die gleiche Lichtmenge im Wellenleiter geführt wird. Eine offene Breite d1 an einer Endfläche jedes der verjüngten Wellenleiter ist in Bezug auf einen Wellenleiter, der sich in der Nähe der Lichtquelle befindet und einen kleinen Ausbreitungsverlust in dem L-förmigen Wellenleitern besitzt, schmal festgelegt, während sie in Bezug auf einen langen L-förmigen Wellenleiter breit festgelegt ist, so dass die Lichtmenge in dem Kopplungsabschnitt mit dem Planaren Wellenleiter für eine gleichförmige bestrahlte Lichtmenge konstant ist.
Die offene Breite d1 eines verjüngten Wellenleiters kann aus der Länge des L-förmigen Wellenleiters und aus dem Wellenleiter-Ausbreitungsverlust konstruiert werden. Beispielsweise ist die offene Breite in dem ersten Beispiel etwa 530 μm in Bezug auf einen L-förmigen Wellenleiter 56a, der der Lichtquelle am nächsten ist, etwa 550 μm in Bezug auf einen benachbarten L-förmigen Wellenleiter 56b und etwa 920 μm in Bezug auf einen längsten L-förmigen Wellenleiter 56c. Die Länge des verjüngten Abschnitts und ein Wellenleiter-Zwischenraum werden jeweils in Übereinstimmung mit der offenen Breite des verjüngten Wellenleiters geändert und können aus dem Aufweitungswinkel (ein Grad an einer Seite) des verjüngten Abschnitts und aus der offenen Breite des Wellenleiters konstruiert werden. Beispielsweise beträgt die Länge des verjüngten Abschnitts des L-förmigen Wellenleiters 56a in dem ersten Beispiel 1,52 mm, während die Länge eines verjüngten Abschnitts des L-förmigen Wellenleiters 56b 1,58 mm beträgt. Ferner ist der Wellenleiter-Zwischenraum 540 μm.
Wie in 11 gezeigt ist, ist der Planare Wellenleiter 52 so gebildet, dass er eine Breite der Wellenleiterkopplungsfläche von 240 mm, eine Breite des Emissions-Endes von 260 mm und eine Breite von 15 mm besitzt. An beiden Enden des Planaren Wellenleiters 52 sind verjüngte Abschnitte gebildet. Wie bereits oben erwähnt wurde, sind 13 L-förmige Wellenleiter in einem Zwischenraum von 20 mm an der Wellenleiterkopplungsfläche 53 ineinander gekoppelt. Das Licht von jedem der L-förmigen Wellenleiter wird unter einem Winkel von 33 Grad auf einer Seite von dem planaren Wellenleiter 52 emittiert. Die Breite der planaren Wellenleiter ist so konstruiert, dass die Aufweitungsbreite des von dem L-förmigen Wellenleiter emittierten Lichts auf der Emissionsfläche des planaren Wellenleiters 20 mm und gleich dem Zwischenraum der L-förmigen Wellenleiter ist, um die Lichtmenge an der Emissionsfläche des planaren Wellenleiters anzugleichen. Dementsprechend kann die Breite der planaren Wellenleiter dadurch verringert werden, dass der Zwischenraum der L-förmigen Wellenleiter verringert wird, die an den planaren Wellenleiter gekoppelt ist. Das heißt, die Breite der planaren Wellenleiter kann dadurch verringert werden, dass die Anzahl der Wellenleiter erhöht wird. Beispielsweise kann die Breite der planaren Wellenleiter auf etwa 7,5 mm festgelegt werden, falls der Wellenleiter-Zwischenraum 10 mm ist und die Anzahl der Wellenleiter 26 beträgt.
Der Lichtquellenabschnitt 6 ist aus einer LED-Anordnung 61 mit mehreren LEDs, die in linearer Form angeordnet sind, und aus einer Zylinderlinse 62 konstruiert. Der Lichtquellenabschnitt 6 ist an der Auffall-Endfläche des Lichtwellensubstrats 5 angeordnet. Die 12a und 12b sind Ansichten, die die schematische Konstruktion der Auffall-Fläche der LED-Anordnung zeigen. In dem Lichtquellenabschnitt in der ersten Ausführungsform sind 5 LEDs linear angeordnet, wobei das Licht von der Zylinderlinse mit einer numerischen Apertur von 0,15 in Streifenform gesammelt wird.
In der obigen Konstruktion wird durch die Zylinderlinse Licht von dem Lichtquellenabschnitt auf der Auffall-Fläche des Lichtwellenleitersubstrats mit den verjüngten Wellenleitern gesammelt. Dieses Licht wird entlang eines L-förmigen Wellenleiters geführt und in dem planaren Wellenleiter mit dem Aufweitungswinkel, der durch die numerische Apertur (NA) des Wellenleiters bestimmt ist, ausgebreitet, so dass dieses Licht gleichförmig ist. Daraufhin wird dieses Licht von der Endfläche des planaren Wellenleiters emittiert.
Das Lichtwellenleitersubstrat wird ähnlich wie der Lichterfassungsabschnitt durch die obenerwähnte Konstruktion unter Verwendung des in der offengelegten japanischen Patentanmeldung (KOKAI) Nr. 6-300807 beschriebenen Kapillarverfahrens hergestellt.
Die Verteilungen der Beleuchtungsstärke (L) in der Wellenleiter-Lichtquelle in dem ersten Beispiel und in der allgemeinen LED-Anordnungslichtquelle werden zum Vergleich gemessen. Diese allgemeine LED-Anordnungslichtquelle besitzt eine Struktur, in der 27 LEDs in einem gleichen Zwischenraum linear angeordnet sind. Eine Beleuchtungsstärkenabweichung ΔL ist durch die folgende Formel definiert. ΔL = ((LMAX – LMIN)/LMAX + LMIN))_100.
Eine maximale Beleuchtungsstärkenabweichung in dem allgemeinen Typ ist etwa 18%. Demgegenüber ist die maximale Beleuchtungsabweichung in der Wellenleiter-Lichtquelle etwa 10%. Dementsprechend ist die Verteilung der bestrahlten Lichtmenge selbstverständlich verbessert.
Da das entkoppelte Licht nicht auf das lichtelektrische Element auffällt, kann in dem Lichterfassungsabschnitt in dem obigen ersten Beispiel verhindert werden, dass ein Signal verschlechtert wird. Ferner ist ein gekrümmter Abschnitt des Wellenleiters im Vergleich zu der Konstruktion des Wellenleiter-Bildsensors aus 4 nur an einer Stelle gebildet, so dass ein Lichtverlust in dem gekrümmten Abschnitt des Wellenleiters verringert werden können.
In Übereinstimmung mit der Wellenleiter-Lichtquelle in dem obigen ersten Beispiel ist es möglich, eine lineare Lichtquelle mit einer kleinen Abweichung der bestrahlten Lichtmenge und mit einer gleichförmigen bestrahlten Lichtmenge zu erhalten. Ferner kann die Anzahl der LEDs verringert werden, so dass der Leistungsverbrauch des Bildsensors gesenkt werden kann. Ferner kann der Bildsensor im Vergleich zu der allgemeinen Lichtquelle, in der die LEDs in einem gleichen Zwischenraum angeordnet sind, dünn angefertigt werden. Dementsprechend kann der Bildsensor durch Kombination der Lichtquelle mit dem Wellenleiter-Lichterfassungsabschnitt kompakt und mit niedrigem Gewicht angefertigt werden.
Ferner braucht die Lichtquelle nicht durch Integration der Lichtquelle hergestellt und justiert zu werden, so dass ein Herstellungsverfahren des Bildsensors vereinfacht werden kann. Ferner kann ein Bildsensor mit ausgezeichneter Stoßfestigkeit geschaffen werden.
Ferner kann ein Lichtwellenleiter, der einer großen Originalbreite entspricht, mit niedrigen Kosten durch ein Ionendiffusionsverfahren, durch ein Druckgussverfahren usw. leicht hergestellt werden.
Nachfolgend wird anhand der 10 und 13 usw. ein zweites Beispiel eines Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensors erläutert.
Die 10 und 13 sind jeweils eine Draufsicht zur Erläuterung der Konstruktion des Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensors in dem zweiten Beispiel. 10 zeigt einen Lichterfassungsabschnitt, in dem eine lichtelektrische Umsetzelementanordnung in zwei Abschnitte unterteilt ist, wobei an jeden der unterteilten Abschnitte 1024 Wellenleiter gekoppelt sind. Somit kann die Breite eines Wellenleitersubstrats von 25 mm auf 12,5 mm verringert werden.
13 zeigt eine Wellenleiter-Lichtquelle. Die Wellenleiter sind ähnlich wie der Lichterfassungsabschnitt durch Unterteilen eines Lichtquellenabschnitts in zwei Abschnitte unterteilt, so dass die Breite eines Wellenleitersubstrats von 25 mm auf 20 mm verringert werden kann. Wie in dem ersten Beispiel erwähnt worden ist, kann ferner die Breite des Wellenleitersubstrats auf 17,5 mm festgelegt werden, falls die Anzahl der Wellenleiter verdoppelt und ein Kopplungswellenleiter-Zwischenraum auf 10 mm festgelegt wird. Die längste Wellenleiterlänge kann außerdem dadurch um die Hälfte verringert werden, dass die Lichtquelle in zwei Abschnitte unterteilt wird, so dass der Wellenleiterverlust um die Hälfte verringert werden kann.
Wie oben erwähnt wurde, können die Wellenleiter in zwei Richtungen unterteilt werden, so dass der Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensor noch kompakter gemacht werden kann.
Da das entkoppelte Licht nicht auf das lichtelektrische Element auffällt, kann in einem wie obenbeschriebenen Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensor verhindert werden, dass ein Signal verschlechtert wird. Ferner ist ein gekrümmter Abschnitt des Lichtwellenleiters im Vergleich zu der Konstruktion eines allgemeinen Wellenleiter-Bildsensors an nur einer Stelle gebildet, so dass der Lichtverlust in dem gekrümmten Wellenleiterabschnitt verringert werden kann.
Außerdem ist die Konstruktion eines Lichterfassungsmittels vereinfacht und können die Kosten des Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensors gesenkt werden.
Die Lichtwellenleiter können in rechte und linke Abschnitte unterteilt sein und auf der rechten und auf der linken Seite angeordnet sein. Dementsprechend kann die Breite eines Lichtwellenleitersubstrats verringert sein und kann der Ausbreitungsverlust eines längsten Wellenleiters um die Hälfte verringert sein.
Außerdem kann ein Lichtquellenmittel kompakt und/oder dünn hergestellt werden.
Es kann eine gleichmäßig bestrahlte Lichtintensitätsverteilung erhalten werden und das Licht eines lichtemittierenden Elements effizient verwendet werden. Dementsprechend kann die Anzahl lichtemittierender Elemente verringert werden und kann der Leistungsverbrauch des Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensors gesenkt werden.
Die Lichtwellenleiter können in rechte und linke Abschnitte unterteilt sein und auf der rechten und auf der linken Seite angeordnet sein. Dementsprechend kann die Breite eines Lichtwellenleitersubstrats verringert sein und der Ausbreitungsverlust des längsten Wellenleiters um die Hälfte verringert sein.
Ein Lichterfassungsmittel und ein Lichtquellenmittel können miteinander integriert sein, so dass der Bildsensor kompakt hergestellt werden kann. Da ein Kopplungsoptiksystem, das Lichtwellenleitersubstrat, ein lichtelektrisches Umsetzelement und eine Lichtquelle miteinander integriert sind, braucht ferner der Bildsensor nicht justiert zu werden, so dass das Herstellungsverfahren des Bildsensors vereinfacht werden kann und der Bildsensor eine ausgezeichnete Stoßfestigkeit besitzt.
Ferner können die in dem Lichtwellenleitersubstrat der Lichtquellenmittel/der Lichterfassungsmittel angeordneten Lichtwellenleiter durch ein Ionendiffusionsverfahren, ein Druckgussverfahren usw. leicht hergestellt werden, so dass jeder der Lichtwellenleiter eine beliebige Größe besitzt. Dementsprechend kann ein Bildsensor, der einer Originalbreite entspricht, mit niedrigen Kosten hergestellt werden.
Eine LED-Anordnung kann in verschiedenartigen Formen angeordnet sein. Die 15 bis 17 zeigen verschiedene Realisierungen eines Bildsensors, in dem LEDs an einem Wellenleitersubstrat angebracht sind. Die 15 und 16 sind jeweils eine Querschnittsansicht des Substrats in seiner Breitenrichtung.
17 ist eine Querschnittsansicht des Substrats in seiner Längsrichtung.
In 15 ist ein CCD-Element 103 zum Lesen eines Bildes an dem auf der linken Seite gezeigten hinteren Abschnitt des Substrats angebracht. Ferner ist eine LED 104 als eine Lichtquelle direkt an diesem hinteren Abschnitt des Substrats angebracht. Das von der LED ausgegebene Licht wird direkt in das Substrat gekoppelt und pflanzt sich entlang des Substrats fort, während dieses Licht in dem Substrat, wie in 18 gezeigt ist, oft reflektiert wird. Auf diese Weise wirkt das Substrat als planarer Lichtleiter. Das Substrat besitzt einen Brechungsindex von etwa 1,5, während die Luft einen Brechungsindex von 1,0 besitzt. Bei allen Winkeln, bei denen ein wie in 18 gezeigter Winkel 8 kleiner als 48,2 Grad ist, tritt Totalreflexion auf. In diesem Fall wird das Licht in dem Substrat übertragen. Von der LED ausgegebenes Licht wird ausgestrahlt, wobei aber 90% des gesamten von einer typischen LED ausgegebenen Lichts in einem Winkel von plus oder minus 48,2 Grad enthalten ist. Wenn das Licht den auf der rechten Seite von 15 gezeigten Vorderflächen-Endabschnitt des Substrats erreicht, der so geformt ist, dass er eine Zylinderlinse 105 bildet, wird dieses Licht von dem Substrat ausgegeben. Diese Form besitzt die Wirkung, das Licht auf ein Objekt zu fokussieren. Im Scheitel der Zylinderlinse ist in Längsrichtung des Substrats eine lineare Mikrolinsenanordnung 106 angeordnet, die das von dem Objekt reflektierte Licht erfasst. Der Abstand der Mikrolinsenanordnung ist genau an den der Wellenleiteranordnung angepasst. Das reflektierte Licht von dem Objekt wird durch diese Mikrolinse in einen Wellenleiter gekoppelt. Die Mikrolinsenanordnung hat typischerweise einen Durchmesser von 125 μm. Dementsprechend hat die Mikrolinsenanordnung wenig Einfluss auf den Betrieb der Zylinderlinse, die typischerweise einen Durchmesser von mehreren Millimetern hat.
16 zeigt eine Realisierung, in der eine LED-Anordnung an einer Seitenfläche (einem unteren Abschnitt in 16) des Substrats angebracht ist. In diesem Fall ist in dem Substrat eine angewinkelte reflektierende Platte 108 angeordnet. Diese reflektierende Platte ist mit einem Metall, das eine Lichtreflexionseigenschaft besitzt, wie etwa mit Aluminium beschichtet und durch Verdampfen oder Zerstäuben gebildet worden. Das Licht von der LED fällt zuerst auf die angewinkelte reflektierende Platte auf. Die Ausbreitungsrichtung dieses Lichts wird in der Weise gedreht, dass sich dieses Licht entlang des Substrats fortpflanzt. Anschließend wird dieses Licht wie in dem vorigen Beispiel be schrieben in dem Substrat reflektiert. Da die angewinkelte reflektierende Platte leicht durch Druckguss gebildet werden kann, ist dieses Verfahren für ein Kunststoffsubstrat besonders geeignet. Es besitzt außerdem den Vorteil, dass eine LED-Lichtquelle und ein CCD-Detektor an verschiedenen Flächen des Substrats angebracht sind. Das heißt, unter rein geometrischem Aspekt kann in vertikaler Richtung in 16 ein dünneres Substrat verwendet werden.
17 zeigt eine Konfiguration, in der zwei LED-Anordnungs-Lichtquellen verwendet werden. Diese zwei LED-Anordnungs-Lichtquellen sind entlang der seitlichen Endabschnitte des Substrats angeordnet. Diese Konfiguration ist außerdem nützlich, da eine LED-Anordnung 104 und ein CCD-Detektor 103 voneinander getrennt sind und das Substrat dünner hergestellt werden kann. Der seitliche Endabschnitt des Substrats ist angewinkelt, so dass das Licht nach vorn auf ein Objekt fällt. Die Änderung der Intensität des von der Vorderfläche des Substrats auf der linken Seite von 17 ausgegebenen Lichts wird dadurch gleichförmig gemacht, dass die Intensität des LED-Lichtemitterkörpers in der LED-Anordnung geändert wird. Dies kann einfach dadurch erzielt werden, dass Serienwiderstände mit geeigneten Widerstandswerten in der LED-Schaltung angeordnet werden. Die Spannung einer LED in einem Mittelabschnitt des Substrats muss höher festgelegt werden als eine Spannung, die durch das Licht der LED in einem Endabschnitt des Substrats geliefert wird.
In allen diesen Fällen kann die LED fest an dem Substrat befestigt sein. Dementsprechend besteht bei Verwendung der LED-Anordnung kein Risiko einer Fehlausrichtung, das in einem allgemeinen System verursacht wird, in dem alle Optiksysteme der Linsen und eines Detektors getrennt angeordnet sind.
Die folgende Erläuterung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren einer Optikvorrichtung, in der ein Druckguss-Polymersubstrat verwendet wird, um optische Wellenleiter herzustellen, die Licht von der LED-Anordnung durch eine integrierte kreisförmige Linse zu einem gescannten Objekt übertragen.
In einem PMMA-Substrat (Acrypet, das von Mitsubishi Rayon Company aus Japan geliefert wird) wird durch Druckguss ein in 19a und 19b gezeigtes Wellenleitermuster gebildet. Die Nut zum Bilden jedes der Wellenleiter besitzt eine Größe von 8 μm_8 μm. Falls diese Nut mit einem Polymer mit einem anderen Brechungsindex gefüllt wird, bildet diese Nut Mehrmoden-Wellenleiter.
Die Wellenleiter sind in einem Zwischenraum von 125 μm in Längsrichtung des Substrats an der Vorderfläche des Substrats angeordnet. Dies entspricht einer Auflösung von 200 Punkten pro Zoll, was der Standard für momentane Faxgeräte ist. Die Eingangsfläche des Substrats ist wie folgt geformt. Das heißt, die gesamte Form der Eingangsfläche des Substrats bildet zunächst die untere Hälfte einer Zylinderlinse. Zweitens ist entlang eines oberen Endabschnitts eines Substrats eine Anordnung von Mikrolinsen mit einem Durchmesser von 125 μm und mit einem Abstand von 125 μm gebildet. Die Stellung jeder der Mikrolinsen ist genau auf die der Nut ausgerichtet, die jeden der Wellenleiter bildet, so dass das Licht in den Wellenleiter gekoppelt wird. Jede der Mikrolinsen steht etwas aus dem verbleibenden Abschnitt des Substrats vor, so dass ein Verbindungsabschnitt, der gebildet wird, wenn eine obere Hälfte des Substrats zusammengebaut wird, beseitigt wird. 20 zeigt eine untere Substratkonstruktion. Außerdem zeigt 20 eine Nut mit einem Winkel von 45 Grad, die auf der Unterseite des Substrats gebildet ist und eine reflektierende Platte bildet.
Daraufhin wird das Substrat in einem Unterdruckverdampfer angeordnet, so dass es in einem Gebiet der angewinkelten Nut mit einer Aluminiumschicht mit einer Dicke von 100 nm beschichtet wird. Obgleich normale Verdampfungsprozeduren verwendet werden, wird das Substrat in einer Kammer angeordnet und maskiert, so dass lediglich die angewinkelte Oberfläche des Substrats mit der Aluminiumschicht beschichtet wird.
Die obere Hälfte des Substrats wird ebenfalls aus einem ähnlichen Material durch Druckguss gebildet, wobei diese Bildung aber hier nicht beschrieben wird.
Nachfolgend wird anhand der 21a bis 21f ein Herstellungsverfahren für das Substrat erläutert.
Wie in den 21a und 21b gezeigt ist, werden die obere und die untere Hälfte eines Substrats zusammengesetzt und die Nähte des Substrats durch Ultraschallschweißen miteinander verbunden. Bei dem Ultraschallschweißen wird ein Polymer in der Weise geschmolzen, dass die Umfangsabschnitte der Endabschnitte des Substrats abgedichtet werden.
Die Nuten in dem Substrat werden mit RAV7 gefüllt, das von Mitecs, Japan, geliefert wird. Zunächst werden 15 ml RAV7 mit 0,58 g Benzoylperoxid gemischt, das als Polymerisationskatalysator wirkt. Das Füllverfahren ist in den 21c, 21d und 21e gezeigt. Wie in 21c gezeigt ist, wird zunächst ein Monomergemisch 15 Minuten in einem Unterdruck von 10^–4 Torr angeordnet, um es zu entgasen. Daraufhin wird das Substrat zusammen mit dem Monomergemisch in einer Unterdruckkammer angeordnet. In 21d wird die Unterdruckkammer 30 Minuten entleert. Daraufhin wird die Probe in einem Zustand, in dem die offenen Enden der Nuten auf eine untere Seite festgelegt sind, in das Polymergemisch abgesenkt. In 21e wird der Druck in der Unterdruckkammer allmählich auf Luftdruck erhöht. Der Druck in der Nut ist niedriger als der um den Monomer, so dass der Monomer entlang der Nut angehoben wird. Wenn die Nut mit dem Monomer gefüllt ist, wird die Probe in 21f 6 Stunden bei 80°C in einem Ofen angeordnet. Während dieser Zeit polymerisiert der Monomer und bildet einen festen Monomer.
Eine Endfläche des Substrats auf einer einem geformten Endabschnitt gegenüberliegenden Seite befindet sich auf der offenen Endseite eines Wellenleiters und wird unter Verwendung von Aluminiumoxid-Polierpulver mit einer Körnung bis hinab zu 0,2 μm poliert. Daraufhin wird ein CCD-Zeilensensor (NEC μ PD3743D ohne Abdeckfenster) ausgerichtet und unter Verwendung von Optikepoxidharz an dieser Endfläche des Substrats angebracht.
Wie oben erwähnt wurde, wird ein großer Teil des von der Beleuchtungsvorrichtung emittierten Lichts durch die Totalreflexion in dem Substrat an die dem Objekt gegenüberliegende Fläche des Substrats übertragen, so dass das Objekt effizient beleuchtet wird.
Das Substrat kann mit einer konvexen Fläche an der dem Objekt gegenüberliegenden Seite konstruiert sein und somit eine Zylinderlinse bilden. Dementsprechend wird in das Substrat übertragenes Licht an dem Objekt gesammelt, so dass das Objekt noch wirksamer beleuchtet wird. Ferner kann eine Lichtquelle mit einem Wellenleiter integriert sein, wobei eine Endfläche des Wellenleiters die Zylinderlinse bildet. Dementsprechend brauchen die Lichtquelle und das Objekt nicht ausgerichtet zu werden, so dass der Bildsensor stabil genutzt werden kann.
Die Beleuchtungsfläche kann an einer Fläche angeordnet sein, die von einer Fläche mit den ausgerichteten CCD-Elementen getrennt ist, so dass das Substrat dünn angefertigt werden kann.
Die 22a bis 22c sind Ansichten, die die schematische Konstruktion eines optischen Scanners einer Ausführungsform der Erfindung zeigen. Ein gescanntes Objekt 201 wird von einer Lichtquelle beleuchtet, die ähnlich einer allgemeinen Lichtquelle ist. Das reflektierte Licht von dem Objekt 201 fällt auf eine Anordnung von Mikrolinsen 205 auf. Jede der Mikrolinsen 205 fokussiert und bildet auf einer Endfläche eines Wellenleiters einen Abschnitt des Objekts als ein Bild. Das Licht von einem einzelnen horizontalen Abschnitt des Objekts wird über eine Wellenleiteranordnung übertragen und fällt auf einen linearen CCD-Detektor 203 auf. Das Objekt wird in einer Richtung senkrecht zu der Mikrolinsenanordnung bewegt. Jede der horizontalen Zeilen des Bildes wird wiederholt gescannt, so dass das gesamte Objekt gescannt wird. Die Auflösung des gescannten Bildes in einer horizontalen Ebene ist durch die Größe und durch den Abstand der Mikrolinsen und der Wellenleiteranordnungen bestimmt. In einem G3-Faxgerat ist eine Auflösung von 200 dpi (Punkte/Zoll) erforderlich. Diese Auflösung entspricht einem Durchmesser von 125 μm der Mikrolinsen und Abständen von 125 μm der Mikrolinsen und des Wellenleiters. Die Größe und der Abstand der Mikrolinsen können verringert werden, um die Auflösung wie in einem Computerbild-Scanner zu verbessern, so dass leicht eine Auflösung von 600 dpi erzielt werden kann. Die Auflösung ist durch die Mikrolinsengröße und durch eine Scan-Geschwindigkeit in vertikaler Richtung bestimmt.
Ein planarer Lichtwellenleiter wird durch verschiedenartige Verfahren hergestellt, die durch den Fachmann auf dem Gebiet realisiert werden können. Beispielsweise wird unter Verwendung eines Verfahrens, das auf dem Druckguss beruht, ein Polymermaterial hergestellt, das den Wellenleiter bilden kann. In diesem Verfahren wird durch Druckguss ein Polymersubstrat mit einer Nut angefertigt. Auf dem Substrat wird ein Monomer wie etwa ein Optikepoxidharz usw. ausgebreitet, so dass diese Nut mit dem Monomer gefüllt wird. Auf diesem Substrat wird eine getrennte Polymerabdeckung angeordnet und gehalten, während der Monomer polymerisiert wird oder das Epoxidharz aushärtet. In diesem Verfahren wird durch die in dem Polymersubstrat geformte Nut ein Wellenleitermuster vorgeschrieben. Das Material zum Füllen der Nut wird in der Weise gewählt, dass dieses Material einen höheren Brechungsindex als das Polymersubstrat besitzt, wobei die gefüllte Nut zu einem Lichtwellenleiter wird. Das Polymersubstrat kann unter Verwendung von Druckguss mit niedrigen Kosten durch Massenproduktion hergestellt werden. Dementsprechend kann die Erfindung leicht auf einen verhältnismäßig großen Scanner angewendet werden.
Es ist wichtig, dass die Wellenleiteranordnung in der Erfindung in der Weise konstruiert wird, dass die Entfernung zwischen dem Objekt und dem Detektor klein ist. Das heißt, bei der Konstruktion des optischen Scanners kann eine Breite W des optischen Scanners, wie sie in 22a gezeigt ist, durch die folgende Formel berechnet werden. W = s' + 2r + (n/2)(a + b)cos(γ – 90) + |(n/2)Dtan(γ – 90)|
Hier ist s' die Entfernung zwischen einer Linse und einem Wellenleiter und r der Krümmungsradius eines gekrümmten Abschnitts des Wellenleiters. Ferner ist n die Gesamtzahl der Wellenleiter und a die Breite des Wellenleiters. Ferner ist b der Mindestzwischenraum der Wellenleiter und D der Durchmesser der Linse an der Eingangsfläche. Wenn die Beziehung zwischen der Scanner-Breite W und einem Krümmungswinkel γ des gekrümmten Abschnitts des Wellenleiters durch die obige Formel berechnet wird, wird die Scanner-Breite selbstverständlich in Übereinstimmung mit dem Krümmungswinkel γ des gekrümmten Abschnitts des Wellenleiters, wie er in 23a gezeigt ist, stark geändert. In dieser Ausführungsform ist z. B. s' gleich 548 μm, r gleich 1 mm, n gleich 2048, a gleich 8 μm, b gleich 6 μm und D gleich 125 μm. 25b zeigt vergrößert eine graphische Darstellung in der Nähe eines Mindestabschnitts der in 23a gezeigten Scanner-Breite. Wie aus den graphischen Darstellungen der 23a und 23b deutlich zu sehen ist, besitzt die Scanner-Breite in der Erfindung einen Mindestwert, wenn der Krümmungswinkel des gekrümmten Abschnitts des Wellenleiters auf 90 Grad festgelegt ist. Das heißt, wenn die Entfernung zwischen dem Objekt und dem Detektor minimiert ist, ist es ausreichend, jede der beiden 90-Grad-Kurven in dem gekrümmten Abschnitt des Lichtwellenleiters zu nutzen.
Aus der graphischen Darstellung aus 23a ist klar, dass die Scanner-Breite schmaler als 83 mm ist, wenn der Krümmungswinkel des gekrümmten Abschnitts des Wellenleiters größer als 62,1 Grad und kleiner als 117,9 Grad ist. Das heißt, im Fall des allgemeinen optischen Scanners, in dem ein Optiksystem unter Verwendung dreier Spiegel dreimal geknickt ist, beträgt die minimale Scanner-Breite 83 mm. Dementsprechend bewirkt die Erfindung eine weitere Verringerung dieser Scanner-Breite. Somit ist der Krümmungswinkel des gekrümmten Abschnitts jedes Wellenleiters in dem optischen Scanner der Erfindung größer als 62,1 Grad und kleiner als 117,9 Grad festgelegt.
22a zeigt deutlich die Konstruktion unter Verwendung jeder der beiden 90-Grad-Kurven in dem gekrümmten Abschnitt dieses Lichtwellenleiters. Bei 90 Grad gelangt der Wellenleiter sowohl mit der Eingangs- als auch mit der Ausgangsfläche des optischen Scanners in Kontakt. Somit ist sichergestellt, dass die Größe des optischen Scanners minimiert und der Kopplungswirkungsgrad maximiert ist. Der Wellenleiter besitzt eine Größe, die in der Weise gewählt ist, dass der Lichtdurchsatz maximiert ist, während die Störung und das Übersprechen zwischen benachbarten Wellenleitern minimiert ist. Konkret wird die Größe des Wellenleiters wie folgt gewählt.
Die Anordnung der Mikrolinsen kann mit vielen Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann die Mikrolinsenanordnung durch Innendiffusion in Glas oder durch reaktives Ionenätzen von Glas hergestellt werden. Die Mikrolinsenanordnung wird unter Verwendung von Optikepoxidharz usw. ausgerichtet auf die Wellenleiter an dem Substrat befestigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Mikrolinsenanordnung gleichzeitig unter Verwendung des gleichen Druckgussverfahrens wie desjenigen, das zum Bilden der Nuten in dem Polymersubstrat verwendet wird, gebildet werden. Dieses Verfahren besitzt deutliche Vorteile. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens ist, dass die Linsenanordnung und die Mikrolinsenanordnung nicht ausgerichtet zu werden brauchen, nachdem der optische Scanner hergestellt worden ist. Die Form und die Position der Mikrolinsen und der Wellenleiter werden festgelegt, wenn eine Gießform in einem Druckgussverfahren vorbereitet wird. Die Mikrolinsenanordnung und das Kunststoffsubstrat mit einer im Voraus auf die Mikrolinsenanordnung ausgerichteten Nut werden als eine Einheit hergestellt. In weiteren Vorteilen des obigen Druckgussverfahrens wird der optische Scanner im Vergleich zu zwei Einheiten leicht hergestellt, während die optische Leistung verbessert und die Betriebsstabilität des optischen Scanners erhöht wird.
Die Mikrolinsenanordnung ist so konstruiert, dass jeder der Bildabschnitte in einem getrennten Wellenleiter gesammelt wird. Ferner wird dadurch, dass die numerische Apertur der Mikrolinse gleich der des Lichtwellenleiters festgelegt ist, nur Licht, das von einem Abschnitt des gescannten Objekts gestreut wird, in den Wellenleiter gekoppelt. Da das andere Licht größere Winkel als den Kopplungswinkel des Wellenleiters besitzt, wird das andere auf den Wellenleiter auffallende Licht nicht in diesen Wellenleiter gekoppelt. Eine Ausgangsfläche der Wellenleiteranordnung wird mechanisch poliert und eine CCD-Anordnung auf diese Ausgangsfläche ausgerichtet und unter Verwendung von Optikepoxidharz usw. an dieser Ausgangsfläche befestigt.
Nachfolgend wird anhand der 22a bis 22c ein kompakter optischer Scanner der vorliegenden Ausführungsform erläutert. Dieser kompakte optische Scanner wird in einem G3-Faxgerät mit einer Breite von 256 mm, das für eine Papierbogengröße bis B4 geeignet ist, mit einer Auflösung von 200 dpi (Punkte/Zoll) als ein konkretes Beispiel verwendet. In den 22a bis 22c bezeichnen die Bezugszeichen 201, 203 und 205 jeweils ein zu lesendes Objekt, einen CCD-Sensor und eine Mikrolinsenanordnung. Die Bezugszeichen 206 und 207 bezeichnen jeweils ein Substrat mit Lichtwellenleitern und eine LED-Anordnung zum Beleuchten des Objekts. Als Lichtquelle wird eine LED-Anordnung Citizen Electronics SNK-06A-27 verwendet. Diese Lichtquelle benötigt eine Spannungsversorgung von 24 V und emittiert Licht bei 570 nm. Als der optische Detektor wird ein Zeilensensor NEC μPD3743DCCD verwendet. Dieser Sensor enthält 2048 Pixel mit einer Teilung von 14 μm.
Zur Herstellung des Substrats wird ein Polymethylmethacrylat-Material (PMMA-Material) gewählt, das Acrypet VH genannt wird (geliefert von Mitsubishi Rayon K. K., Japan). Dieses Material besitzt bei einer Wellenlänge von 570 nm und 20°C einen Brechungsindex von 1,492 und ferner eine hohe optische Lichtdurchlässigkeit und ist für den Druckguss gut geeignet ist. Unter Verwendung eines Materials auf der Grundlage von Dimethylcarbonat, das RAV7 H1 genannt wird (geliefert von Mitecs K. K., Japan), wird ein Wellenleiterkernmaterial gebildet. Dieses Kernmaterial kann durch Erwärmen in Anwesenheit von Benzoylperoxid polymerisiert werden. Das polymerisierte Kernmaterial besitzt bei einer Wellenlänge von 570 nm und 20°C einen Brechungsindex von 1,503. Außerdem besitzt dieses polymerisierte Kernmaterial ausgezeichnete optische Eigenschaften. Die numerische Apertur (NA) der mit diesen Materia lien hergestellten Lichtwellenleiter beträgt 0,181.
Die Mikrolinsenanordnung ist so beschaffen, dass jede Mikrolinse einen Durchmesser von 125 μm besitzt. Diese Konstruktion entspricht einer Spezifikation von 200 dpi. Die Linse ist so konstruiert, dass sie eine numerische Apertur von 0,181 besitzt, die an die des Wellenleiters angepasst ist. Eine Brennweite feiner solchen Linse kann mit der folgenden Standardformel berechnet werden, in der D der Linsendurchmesser ist.
Aus der obigen Formel ist die Brennweite 345 μm.
Ein Krümmungsradius der Mikrolinse kann außerdem unter Verwendung der Gaußschen Formel für eine einzelne Kugeloberfläche berechnet werden.
Hier ist n der Brechungsindex der Luft und n' der Brechungsindex sowohl der Linse als auch des Polymersubstrats. In diesem Fall wird die Linse aus Acrypet VH hergestellt. Ferner wird n auf 1,0 und n' auf 1,492 festgelegt. In 24 wird eine Konvergenzentfernung s auf eine Brennweite (345 μm) der Mikrolinse festgelegt und die Entfernung s' von einer entsprechenden Linse zu einem Wellenleiter auf unendlich festgelegt. In diesem Fall ist r durch Berechnen der obigen Formel gleich 170 μm. Die Linse fokussiert auf eine Eingangsfläche des Wellenleiters und bildet dort einen Bildabschnitt mit einer Länge von 125 μm. Da der Wellenleiter einen Durchmesser von 8 μm besitzt, muss das Bild durch die Linse um eine Rate von 15,6 verkleinert werden. Die Vergrößerung m ist aus der in 24 gezeigten einfachen geometrischen Optik durch die folgende Formel gegeben.
Dementsprechend sind die Werte von s und s' unter Verwendung dieser Formel und der Gaußschen Formel für eine einzelne Kugelfläche 5,74 mm bzw. 548 μm.
Der Wellenleiter wird mit einer Breite von 8 μm und mit einer Mindestteilung von 6 μm konstruiert. Der Abstand der Wellenleiter wird an einer Grenzfläche mit dem CCD-Sektor auf 14 μm und an einer Eingangsfläche auf 125 μm festgelegt. Um den maximalen Kopplungswirkungsgrad sicherzustellen, gelangen die Wellenleiter sowohl mit der Eingangs- als auch mit der Ausgangsfläche in Kontakt.
Wenn jeder der Lichtwellenleiter gekrümmt wird, wird inhärent ein gewisser optischer Verlust verursacht. Allerdings kann dieser Verlust dadurch, dass der Krümmungsradius (ROC) eines gekrümmten Abschnitts wie folgt erhöht wird, vernachlässigbar gemacht werden.
Hier ist N der effektive Brechungsindex des Wellenleiters, λ die Wellenlänge und a die Wellenleiterbreite. Falls N gleich 1,503 und der Brechungsindex n eines Mantels 1,492 und ein Änderungsbetrag des Brechungsindex gleich 0,011 ist, entspricht in diesem Fall ein Mindestkrümmungsradius (ROC) etwa 200 μm. Um diesen Verlust vollständig zu beseitigen, wird als der Krümmungsradius ein Wert von 1,0 mm gewählt. Wenn diese Parameter verwendet werden, ist eine Gesamtbreite der Wellenleitervorrichtung 16,9 mm.
Daraufhin wird unter Verwendung der bisher berechneten Konstruktionskriterien eine wie obenerwähnte Master-Gießform hergestellt. Diese Gießform kann durch Ionenstrahlätzen einer Nickelplatte unter Verwendung von Standardtechniken mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Dieser Master wird in einer Standarddruckgussmaschine verwendet, um ein Acrypet-VH-Polymersubstrat mit einer Dicke von 2 mm herzustellen, das eine Wellenleiternut enthält. Daraufhin wird RAV7HI mit 5% Benzoylperoxid gemischt und 15 Minuten unter einem Unterdruck von 10^–4 Torr entgast. Dieses Gemisch wird auf dem geformten Substrat ausgebreitet, so dass die Nut vollständig mit dem Gemisch gefüllt wird. Auf diesem Gemisch wird ein zweites, ebenes VH-Polymersubstrat angeordnet und befestigt. Daraufhin wird eine befestigte Einheit 6 Stunden in einem Ofen mit 80°C angeordnet, um das RAV7HI-Kernmaterial zu polymerisieren.
Die Ausgangsfläche des Wellenleiters wird unter Verwendung einer Standardpoliermaschine (Musashino Denshi MA300) mit einer Aluminiumoxidsuspension mit einer Größe bis hinab zu 0,1 μm poliert. Daraufhin wird die CCD-Einheit ausgerichtet und mit der Wellenleiteranordnung aneinander gefügt und unter Verwendung eines Optikepoxidharzes (Lens Bond, Summers Laboratories, USA) befestigt, so dass der optische Scanner vollständig hergestellt ist.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in einem durch ein Polymermaterial gebildeten Substrat mehrere Lichtwellenleiter enthalten, die ein Eingangsbild an die CCD-Elemente übertragen. Jeder der Wellenleiter ist aus einem Polymer mit einem höheren Brechungsindex als das Substratmaterial konstruiert. Jeder der Wellenleiter besitzt zwei gekrümmte Abschnitte mit einem Krümmungswinkel von 90 Grad und ist vertikal auf einer Substratoberfläche angeordnet, die einem Objekt und einer Fläche mit den ausgerichteten CCD-Elementen an beiden Enden jedes der Wellenleiter gegenüberliegt. Dementsprechend kann die Entfernung zwischen dem Objekt und einem Detektor selbst dann klein gemacht werden, wenn das Bildverkleinerungsverhältnis groß ist.
Dementsprechend kann die Ausführungsform einen kompakten Scanner schaffen, der das Verkleinerungsverhältnis erhöhen und die Entfernung zwischen dem Objekt und dem Detektor verkleinern kann und der eine einfache Struktur besitzt, die leicht und preiswert hergestellt werden kann.
In Übereinstimmung mit der Erfindung sind in einem durch ein Polymermaterial gebildeten Substrat mehrere optische Wellenleiter enthalten, die ein Eingangsbild an CCD-Elemente übertragen. Jeder der Wellenleiter ist aus einem Polymer mit einem höheren Brechungsindex als das Substrat konstruiert. Jeder der Wellenleiter besitzt zwei gekrümmte Abschnitte mit einem Krümmungswinkel größer als 62,1 Grad und kleiner als 117,9 Grad. Jeder der Wellenleiter ist vertikal auf einer Substratoberfläche angeordnet, die einem Objekt und einer Fläche mit ausgerichteten CCD-Elementen an beiden Enden jedes der Wellenleiter gegenüberliegt. Dementsprechend kann die Entfernung zwischen dem Objekt und einem Detektor selbst dann klein gemacht werden, wenn das Bildverkleinerungsverhältnis groß ist.
Dementsprechend kann die Erfindung einen kompakten Scanner schaffen, der das Verkleinerungsverhältnis erhöhen und die Entfernung zwischen dem Objekt und dem Detektor verringern kann und der eine einfache Struktur besitzt, die leicht und preiswert hergestellt werden kann.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine mit dem Substrat integrierte Mikrolinse auf einem Endabschnitt jedes der Lichtwellenleiter auf der Substratfläche, die dem Objekt gegenüberliegt, ausgerichtet angeordnet, so dass jeder der Bildabschnitte zuverlässig in jedem der Wellenleiter gesammelt werden kann.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die numerischen Aperturen der Mikrolinse und des Polymers jedes der Lichtwellenleiter zueinander gleich festgelegt. Dementsprechend ist sichergestellt, dass nur von einem gescannten Bildabschnitt gestreutes Licht in jeden der Wellenleiter gekoppelt wird.
Nachfolgend wird anhand der 25 bis 31 ein Wellenleiter-Verkleinerungsbildsensor in einem weiteren Beispiel erläutert.
Zunächst wird anhand der 26a bis 26e ausführlich das Herstellungsverfahren eines gemusterten Substrats erläutert. Wie in 26a gezeigt ist, wird zunächst auf einem PMMA-Substrat 501 ein Photoresistfilm 502 mit einer Dicke von 8 μm gebildet. Wie in 26b gezeigt ist, wird nachfolgend durch Photolithographietechniken ein Nutenmuster übertragen. Das heißt, mit diesem Photoresistfilm 502 gelangt eine Maske 503 in engen Kontakt, wobei der Photoresistfilm 502 und die Maske 503 mit Ultraviolettstrahlung 511 belichtet werden. Wenn daraufhin die Entwicklungsverarbeitung ausgeführt wird, wird das Nutenmuster der Maske 503 auf den Photoresistfilm 502 übertragen. Somit wird, wie in 26c gezeigt ist, der Photoresistfilm 502 mit dem Nutenmuster gebildet. Diese Nut besitzt in diesem Beispiel ebenfalls eine Breite von 8 μm. Wie in 26d gezeigt ist, wird nachher eine Oberfläche des gemusterten Photoresistfilms 502 durch ein RIE-Ätzverfahren mit Ionen 512 bestrahlt, so dass in einem Substratabschnitt ohne Resistfilm eine Nut mit einer Tiefe von 10 μm gebildet wird. Schließlich wird der Photoresistfilm 502 unter Verwendung eines Resisttrennmittels aufgelöst, so dass, wie in 26e gezeigt ist, ein gemustertes PMMA-Substrat mit der Nut als einer Kapillare mit einer Breite von 8 μm und mit einer Tiefe von 10 μm hergestellt wird.
Wie in 25a gezeigt ist, wird die in dem Beispiel verarbeitete Nut auf das Muster eines Verkleinerungslichtwellenleiters mit zwei gekrümmten Abschnitten festgelegt. Außerhalb jedes der gekrümmten Abschnitte des Lichtwellenleiters 401 ist eine Nut 402 benachbart, um den Verlust eines optischen Signals in den gekrümmten Abschnitten zu verringern. 25b ist eine vergrößerte Ansicht, die jeden der gekrümmten Abschnitte und die benachbarte Nut ausführlich zeigt. Beispielsweise besitzt die Nut 401 als der Lichtwellenleiter eine Breite w von 8 μm, während die Entfernung d zwischen dieser Nut und der benachbarten Nut 402 2 μm beträgt. Die benachbarte Nut 402 besitzt eine Breite u von 2 μm und der gekrümmte Abschnitt der Nut 401 einen Krümmungsradius R von 200 μm. Jede der Nuten für den Lichtwellenleiter erreicht beide Enden des PMMA-Substrats. Demgegenüber ist die benachbarte Nut 402, die das Ende des PMMA-Substrat an keinem Ende erreicht, so angeordnet, dass diese benachbarte Nut 402 einen gekrümmten Abschnitt besitzt, der in konzentrischer Bogenform außerhalb jedes der gekrümmten Abschnitte der Nuten 401 der Lichtwellenleiter gebildet ist.
Zweitens wird anhand der 27a und 27b ein Verfahren zur Anfertigung des gemusterten Substrats erläutert, das wie oben in engen Kontakt mit einem ebenen Substrat gelangt. Wie in 27a gezeigt ist, werden das gemusterte Substrat 501 und das ebene Substrat 601 innerhalb einer Lehre b 10 zur Klemmung festgesetzt, wobei sie unter Verwendung dieser Lehre zur Klemmung in engen Kontakt miteinander gelangen. Somit wird der Nutenabschnitt des gemusterten Substrats 501 in Form eines Hohlraums gebildet, so dass eine Kapillare 602 gebildet wird. Wie in 27b gezeigt ist, werden somit drei Seitenflächen der geklemmten Substrate mit Ausnahme einer Seitenfläche, die einen offenen Abschnitt der Kapillare 602 als Saugöffnung für den Monomer besitzt, unter Verwendung des Abdichtharzes 603 für Niederdruck, das von Epoxidharz usw. gebildet wird, abgedichtet. Somit wird der andere offene Abschnitt, der nicht die Monomersaugöffnung der Kapillare 602 bildet, ebenfalls abgedichtet. Die Nut, die nicht an ihren beiden Enden die Enden des PMMA-Substrats erreicht, erhält einen Zustand, in dem die Luft in dem Hohlraum dieser Nut abgedichtet ist.
Drittens wird nachfolgend anhand der 28a und 28b ein Verfahren erläu tert, um die Kapillare, die durch Anfertigen des Mustersubstrats und des ebenen Substrats, die wie oben erwähnt in engen Kontakt gelangen, gebildet wird, mit einer Monomerlösung als dem Kernrohmaterial zu füllen. Das gemusterte Substrat 501 und das ebene Substrat 601, die durch die Klemmlehre 610 geklemmt sind, wird wie in 28a gezeigt in einem Halter 701 in einer Unterdruckkammer 710 festgesetzt. Der Halter 701 ist so konstruiert, dass die Klemmlehre 610 in vertikaler Richtung bewegt werden kann. In der Unterdruckkammer 710 wird ein Behälter 702 angeordnet, der mit der Monomerlösung aus Allyldiglycolcarbonat (RAV7) gefüllt ist, die 5% Benzoylperoxid enthält, so dass sich dieser Behälter direkt unter der Klemmlehre 610 befindet. Das Benzoylperoxid, das die RAV7-Monomerlösung enthält, wirkt als ein Katalysator, der den RAV7-Monomer polymerisiert, wenn das Benzoylperoxid erwärmt wird. Nachfolgend wird die Unterdruckkammer 710 auf einen Unterdruck von 10^–4 Torr entleert, so dass die RAV7-Monomerlösung entgast wird, wobei die Gase in der an ihrem einen Ende geöffneten Kapillare daraus entfernt werden. Anschließend wird die Klemmlehre 610 unter Verwendung des Halters 701 in Abwärtsrichtung bewegt und der offene Abschnitt der Kapillare in die RAV7-Monomerlösung getaucht. Wenn daraufhin das Innere der Unterdruckkammer 710 belüftet wird, so dass sich der Druck in der Unterdruckkammer allmählich von einem Unterdruck auf den Luftdruck ändert, ist der Druck in der Kapillare kleiner als der Umfangsdruck der RAV7-Monomerlösung, so dass die RAV7-Monomerlösung in die Kapillare gesaugt wird. Auf diese Weise kann das Verfahren des Füllens des Monomers in die Kapillare ausgeführt werden, wenn eine verhältnismäßig lange Kapillare mit dem Monomer gefüllt wird, falls eine Druckänderung unter Verwendung des Unterdrucks ausgenutzt wird, so dass die durch die Kapillarerscheinung erhaltenen Wirkungen unterstützt werden. Keine an ihren beiden Enden abgedichtete Nut wird mit der Monomerlösung gefüllt, so dass diese Nut weiter mit Gasen gefüllt ist.
Nachdem schließlich das Innere der Kapillare mit der RAV7-Monomerlösung gefüllt ist und der Druck in der Unterdruckkammer den Luftdruck erreicht, wird die Klemmlehre 610 von dem Halter 701 gelöst und die RAV7-Monomerlösung 6 Stunden bei einer Temperatur von 85°C unter Verwendung eines Ofens erwärmt, so dass die RAV7-Monomerlösung polymerisiert wird. Die Oberfläche eines wie oben hergestellten Polymerlichtwellenleiters wird mit einer Standardpoliervorrichtung poliert, die eine Diamantsuspension mit einer Größe gleich oder kleiner als 0,5 μm nutzt, so dass das Abdichtharz von dieser Oberfläche entfernt wird. Somit kann der Polymerlichtwellenleiter in dem vorliegenden Beispiel hergestellt werden.
Auf das Auffall-Ende eines Kerns des wie oben hergestellten Polymerlichtwellenleiters fällt das Licht von einem Laser auf. Das von diesem Polymerlichtwellenleiter emittierte Licht wird gemessen und der Übertragungsverlust in dem Lichtwellenleiter berechnet.
Im Ergebnis werden durch einen Lichtwellenleiter mit einem Krümmungsradius von 200 μm und ohne benachbarte Nut 55% des Lichts übertragen. Dagegen werden durch einen Lichtwellenleiter mit einem Krümmungsradius von 200 um und mit einer Nut 92% des Lichts übertragen.
29 ist eine graphische Darstellung, die die Reduzierungswirkungen des Lichtverlusts in dem in dem Beispiel hergestellten Polymerlichtwellenleiter zeigt, wenn die Breite einer außerhalb des gekrümmten Abschnitts eines Wellenleiterkernabschnitts angeordneten und in 25b mit u gezeigten Nut geändert wird. In 29 zeigt die Achse der Ordinate das Verhältnis der Emissionsintensität des Lichts von dem Wellenleiter für den Fall mit der Nut zu einer Emissionsintensität des Lichts von dem Wellenleiter für den Fall ohne die Nut. Das heißt, falls der Wert dieses Verhältnisses auf der Ordinatenachse größer als eins ist, gibt es Wirkungen der außerhalb des gekrümmten Abschnitts des Wellenleiterkernabschnitts angeordneten Nut. Ferner werden diese Wirkungen erhöht, während dieser Verhältniswert erhöht wird. Der Wellenleiterkernabschnitt wird so festgelegt, dass er eine Breite von 8 μm besitzt, während die Entfernung zwischen der Nut und dem Wellenleiterkernabschnitt auf 2 μm festgelegt wird. Aus 29 ist bekannt, dass die Breite u der außerhalb des gekrümmten Abschnitts des Wellenleiterkernabschnitts angeordneten Nut angesichts der Kompaktheit des Wellenleiters und der Reduzierungswirkungen des Lichtverlusts geeignet gleich oder kleiner als 2 μm festgelegt wird. Da es schwierig ist, die Nut fein zu verarbeiten, wird diese Nutenbreite in diesem Beispiel auf 2 μm festgelegt.
30 ist eine graphische Darstellung, die die Reduzierungswirkungen des Lichtverlusts in dem in dem Beispiel hergestellten Polymerlichtwellenleiter zeigt, wenn die Entfernung d in 25b zwischen dem Wellenleiterkernabschnitt und einer außerhalb des gekrümmten Abschnitts des Wellenleiterkern abschnitts angeordneten Nut geändert wird. Die Ordinatenachse zeigt in 30 den gleichen Inhalt wie in 29. Der Wellenleiterkernabschnitt besitzt eine Breite von 8 μm und die Nut eine Breite von 2 μm. Aus 30 ist bekannt, dass die Entfernung d zwischen dem Wellenleiterkernabschnitt und der außerhalb des gekrümmten Abschnitts des Wellenleiterkernabschnitts angeordneten Nut geeignet eingestellt wird, damit sie angesichts der Kompaktheit dieses Wellenleiters und der Reduzierungswirkungen des Lichtverlusts gleich oder kleiner als 2 μm ist. Allerdings wird diese Entfernung in dem Beispiel auf 2 μm eingestellt, da es schwierig ist, die Nut und den Wellenleiterkernabschnitt fein zu bearbeiten.
31 ist eine graphische Darstellung, die die Reduzierungswirkungen des Lichtverlusts in dem wie oben hergestellten Polymerlichtwellenleiter zeigt, wenn die Differenz des spezifischen Brechungsindex zwischen dem Wellenleiterkernabschnitt und dem Material eines Mantelabschnitts geändert wird. In 31 zeigt die Ordinatenachse den gleichen Inhalt wie in 29. Aus 31 ist bekannt, dass die Materialien des Kerns und des Mantels angesichts der Reduzierungswirkungen des Lichtverlusts geeignet in der Weise gewählt werden, dass die Differenz des spezifischen Brechungsindex zwischen dem Kern und dem Mantel kleiner als 1,5% ist. In dem Beispiel liefern die Materialien des Kerns und des Mantels 0,86% als Differenz des verwendeten spezifischen Brechungsindex.
In diesem Beispiel ist ein Gas, das in die zu dem gekrümmten Abschnitt des Lichtwellenleiters benachbarte Nut gefüllt ist, durch Luft konstruiert. Allerdings kann die zu dem gekrümmten Abschnitt benachbarte Nut mit verschiedenen anderen Arten von Gasen als Luft gefüllt werden, indem das gemusterte Substrat und das ebene Substrat in einer Umgebung mit einem anderen Gas als Luft zusammengeklebt werden. Dementsprechend ist das in diese Nut gefüllte Gas in dem vorliegenden Beispiel nicht auf Luft beschränkt.
Ferner sind die Materialien des Mantel- und des Kernabschnitts in diesem Beispiel nicht auf die obigen Materialien beschränkt, sondern können unter Verwendung verschiedener Materialien in einer Kombination konstruiert werden, so dass die Differenz des spezifischen Brechungsindex kleiner als 1,5% ist.
In Übereinstimmung mit dem obenbeschriebenen Wellenleiter vom Verkleinerungstyp kann ein Lichtverlust, der verursacht wird, wenn Licht durch den gekrümmten Abschnitt eines Wellenleiters übertragen wird, verringert werden. Dementsprechend kann die Lichtübertragung des Wellenleiters erhöht werden.
Eine Nut kann leicht dadurch mit Gas gefüllt werden, dass dieser Bildsensor in einer Gasumgebung hergestellt wird.
Der Lichtverlust in dem gekrümmten Abschnitt kann wirksam verringert werden, wenn der Wellenleiter kompakt hergestellt wird.
Der Lichtverlust in dem gekrümmten Abschnitt kann wirksam verringert werden, wenn der Wellenleiter kompakt hergestellt wird.
Der Lichtverlust in dem gekrümmten Abschnitt kann weiter wirksam verringert werden, wenn die Größen usw. des Wellenleiters und der Nut zueinander gleich festgelegt werden.
In Übereinstimmung mit einem wie obenbeschriebenen Herstellungsverfahren können der Lichtwellenleiter und die Nut leicht mit den jeweiligen Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes gefüllt werden. Ferner kann der Lichtwellenleiter unter Verwendung dieses Herstellungsverfahrens sehr einfach hergestellt werden.

Claims

Kompakter optischer Scanner zum Scannen des Bildes eines Objekts (201), während dieses Objektbild eingegeben und gelesen wird, mit: einem Substrat (206), das eine Fläche in der Nähe des Objekts (201) zum Eingeben des Objektbildes und eine Fläche mit ausgerichteten CCD-Elementen (203) zum Lesen des Objektbildes besitzt; und mehreren Lichtwellenleitern, die das eingegebene Bild an die CCD-Elemente (203) übertragen und in dem Substrat (206) in der Weise angeordnet sind, dass ein Ende jedes der Lichtwellenleiter auf der Substratfläche in der Nähe des Objekts (201) angeordnet ist und das jeweils andere Ende jedes der Lichtwellenleiter mit einem jeweiligen CCD-Element (203) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (206) aus einem Polymer konstruiert ist; jeder der Lichtwellenleiter aus einem Polymer konstruiert ist, das einen Brechungsindex besitzt, der höher als jener des Polymers des Substrats (206) ist; jeder der Lichtwellenleiter zwei gekrümmte Abschnitte mit einem Krümmungswinkel, der größer als 62,1 Grad und kleiner als 117,9 Grad ist, besitzt; und jeder der gekrümmten Lichtwellenleiter auf der Substratfläche, die in einer Ebene senkrecht zum Objekt (101) liegt, angeordnet ist.
Kompakter optischer Scanner nach Anspruch 1, bei dem die Lichtwellenleiter zwei gekrümmte Abschnitte mit einem Krümmungswinkel von 90 Grad besitzt.
Kompakter optischer Scanner nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem eine in das Substrat (206) integrierte Mikrolinse (205) auf der Substratfläche in der Nähe des Objekts (201) so angeordnet ist, dass sie jeweils auf einen Endabschnitt der Lichtwellenleiter ausgerichtet ist.
Kompakter optischer Scanner nach Anspruch 3, bei dem die numerischen Aperturen der Mikrolinse (205) bzw. des Polymers des Lichtwellenleiters so festgelegt sind, dass sie einander gleich sind.