DE69011178T2

DE69011178T2 - Faksimilegerät mit integrierter Optik.

Info

Publication number: DE69011178T2
Application number: DE69011178T
Authority: DE
Inventors: Alan Huang; Juergen Jahns
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-04-28
Filing date: 1990-04-20
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2010-04-21
Also published as: DE69011178D1; US4970381A; EP0394867A3; JPH02301715A; EP0394867B1; EP0394867A2

Description

Die vorliegende Anmeldung steht in Zusammenhang mit mehreren Anmeldungen mit den Titeln: "Planare reflektierende optische Vorrichtungen", "Integration von planaren optischen Freiraumkomponenten" und "Maskenkontrollierte Kopplung von optischen Zwischensubstratkomponenten", die gleichzeitig mit dieser Anmeldung für die gleichen Erfinder eingereicht wurden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System für ein Faksimilegerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Faksimilegerät, welches ein solches optisches System enthält. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere miteinander wechselwirkende Anordnungen von optischen Elementen, die zur Realisierung von Freiraumcomputing nicht mittels unhandlicher mechanischer Anordnungen justiert werden müssen.
Die gegenwärtigen optischen Systeme enthalten eine Vielzahl von optischen Komponenten, wie z.B. Linsen und Strahlungsteiler, die mit mechanischen Mitteln montiert und justiert werden. In komplexen optischen Systemen, die aus vielen einzelnen Komponenten bestehen, werden die Justierung und die Stabilität dieser Komponenten zu kritischen Punkten. Das Justierungsproblem wird insbesondere dann schwerwiegend, wenri sich die erforderliche Genauigkeit den Grenzen der herkömmlichen Feinmechanik nähert.
In optischen Ereiraumcomputersystemen ist die erforderliche Präzision mit der Größe der optischen Logikgatter verbunden, die zur Durchführung logischer Operationen, wie z.B. UND- und ODER-Funktionen verwendet werden. Die Größe der optischen Logikvorrichtungen, die gegenwärtig untersucht werden, liegt typischerweise im Bereich von ein paar Micrometern oder darunter. Dies bedeutet, daß die Justierungstoleranzen für die optischen Komponenten im Submicrometerbereich liegen müssen. Die herkömmliche mechanische Justierung optischer Komponenten ist mit einer Genauigkeit möglich, die im Bereich von 10 Micrometern liegt. Unterhalb dieses Bereiches werden die herkömmlichen Techniken zunehmend teurer. Dies bedeutet, daß bei komplexen optischen Systemen, die einen sehr genauen Aufbau erfordern, alternative Techniken gefunden werden müssen. Das Hauptproblem besteht nun darin, "wie all die Komponenten mit einer Submicrometergenauigkeit so zusammengesetzt werden können, daß die resultierende Anordnung stabil bleibt, ungeachtet von Einflüssen wie z.B. Temperaturänderungen, mechanischen Spannungen, Alterungseffekte, usw.".
In der Halbleitertechnologie stellen Zusammenschaltungen ebenfalls eine Herausforderung dar. Die Herausforderung in der Halbleitertechnik ergibt sich aus der Tatsache, daß elektronische Elemente (z.B. Transistoren, Widerstände, Pfade usw.) im Grunde genommen planare Vorrichtungen sind und die Verbindungen zwischen den elektronischen Elementen auf planare Pfade beschränkt sind. Dies ist insbesondere störend für Verbindungen zu und von integrierten Schaltkreisen. Der Grund hierfür liegt in der Notwendigkeit begründet, eine Kante des integrierten Schaltkreises zu erreichen und in der Notwendigkeit, genügend Stromleitungsmöglichkeiten zu schaffen, um die Signale an den Eingangs/Ausgangsanschiüssen in Anwesenheit von Schaltkreiskapazitäten auf die gewünschten Spannungsniveaus zu bringen.
Zur Lösung des Verbindungsproblems in elektronischen Schaltkreisen wird in Vorschlägen neueren Datums die Verwendung optischer Freiraumeinrichtung empfohlen. Die Konfigurationen zur optischen Verbindung von VLSI-Systemen, die für die vorliegende Erfindung am wichtigsten sind, wurden von Goodman et al. in Proceeding of the IEEE, Band 72, Nr. 7, Juli 1984, Seiten 850 bis 066 und kürzlich von Brenner et al. in Applied Optics, Band 27, Nr. 20, 15. Oktober 1988, Seiten 4251-4254 beschrieben. Beide Veröffentlichungen beschreiben Anordnungen, bei denen die freie Oberfläche eines integrierten Schaltkreises optische Detektoren enthält. Bei den Anordnungen von Goodman et al. läßt man Licht entweder von außerhalb des integrierten Schaltkreises oder von Lichtquellen an den Kanten des integrierten Schaltkreises einfallen. Das Licht ist auf ein Hologrammsubstrat gerichtet, das über der Oberfläche des integrierten Schaltkreises angeordnet ist. Das Hologramm leitet die optischen Signale in Abhängigkeit von den in dem Hologramm enthaltenen Informationen zu den gewünschten Detektoren.
Die Anordnung von Brenner et al. ist zu der von Goodman et al. dahingehend ähnlich, daß sich bei beiden die Lichtquelle und der Detektor auf der gleichen freien Oberfläche des integrierten Schaltkreises befinden. Das Licht wird nach oben auf ein Substrat gerichtet, das über der freien Oberfläche des integrierten Schaltkreises angeordnet ist und das an bestimmten Stellen Hologramme enthält. Die Hologramme befinden sich auf der Oberfläche des Substrates, die dem integrierten Schaltkreis gegenüberliegt (die nahegelegene Oberfläche). Auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrates (der entfernt gelegenen Oberfläche) ist eine verspiegelte Oberfläche angeordnet. Das Licht von einer Lichtquelle des integrierten Schaltkreises dringt durch das Hologramm auf dem Substrat, wird an der gespiegeiten Oberfläche reflektiert und kehrt zur Oberfläche des integrierten Schaltkreises zurück, auf der ein optischer Detektor angeordnet ist (wenn die Anordnung richtig justiert ist). Bei einer Ausführungsform der Anordnung von Brenner et al. wird das von der weiter entfernt gelegenen Oberfläche reflektierte Licht von einem verspiegelten Bereich der näher gelegenen Oberfläche reflektiert und anschließend wieder von der weiter entfernt gelegenen Oberfläche reflektiert, bevor es den integrierten Schaitkreis erreicht. Dies ermöglicht eine Verlängerung des optischen Weges und eine bestimmte Flexibilität in der Anordnung des Lichtdetektors visa-vis der Lichtquelle.
Die obigen Anordnungen lösen vielleicht das Problem der Übertragung von Signalen zu und von integrierten Schaltkreisen. Sie erfüllen jedoch nicht die Erfordernisse von optischen Computingsystemen. Erstens machen sie eine Justierung nicht überflüssig. Die Hologramme und die Spiegel in den oben beschriebenen Anordnungen müssen genau Dustiert werden. Zweitens betreffen sie nur den relativ einfachen Prozeß der Aussendung eines optischen Signals von einem Punkt und dessen Empfang an einem anderen Punkt. Sie lösen nicht das Problem, eine Schaltung mit optischen Elementen zu schaffen, die allgemeiner aufeinander einwirken. Drittens beschäftigen sich die oben beschriebenen Systeme mit Eins-Zu-Eins- Nachrichtenübermittlungen oder mit Nachrichtenübermittlungen von einem Teilnehmer zu vielen, während bei optischen Computinganwendungen Bilder (eine Ansammlung von Spots) übertragen werden. Die Bedeutung dieses Unterschiedes liegt in der Tatsache, daß eine Linse das Bild invertiert. Im Falle einer Spot-zu-Spot-Nachrichtenübermittlung ist diese Inversion irrelevant für den Detektor und wird daher nicht berücksichtigt. Im Gegensatz hierzu kann man bei Bildmanipulationen Bereiche von Bildern nicht ungestraft invertieren.
Richtet man die Aufmerksamkeit auf die Herstellungstechnik von integrierten Halbleiterschaltkreisen, ist zu bemerken, daß bei den gegenwärtigen Techniken vollständige Schaltkreise auf einem einzigen Substrat erzeugt werden, wobei sich als wesentliches Merkmal ergibt, daß die Verbindungsstruktur für die hergestellten Elemente gleichzeitig mit den Schaltkreiselementen hergestellt wird. Auch die relative Lage der Schaltkreiselemente relativ zueinander ist festgelegt.
Letzteres ist nicht notwendigerweise wichtig für Anwendungen bei elektronischen Schaltungen, da die Verbindungen physische Punkt-zu-Punkt-Verbindungen innerhalb der Schaltungsstruktur sind. Für optische Schaltungen kann es jedoch von entscheidender Bedeutung sein. Im Rahmen dieser Erfindung ist eine optische Schaltung jede Anordnung von optischen Elementen, wie z.B. Spiegel, Linsen usw., die vorbestimmte Transformationen mit optischen Signalen durchführen.
Handwerker haben beispielsweise die Vorzüge von Batch- Halbleiterherstellungstechniken für optische Schaltungen erkannt. Firester et al. beschreiben beispielsweise in "Fabrication of Planar Optical Phase Elements", Optical Communications, Band 8, Nr. 2, Juni 1973, Seiten 160-162 eine Technik zur Herstellung optischer Phasenelemente unter Verwendung relativ herkömmlicher Fabrikationstechniken. Ihr Prozeß geht von einem mit aufgedampftem Aluminium bedeckten Glas aus. Das Aluminium wird mit einem Photoresist beschichtet, eine binäre Mustermaske wird auf das Photoresist aufgebracht und das Aluminium wird chemisch bis auf das durch die Maske genau beschriebene Muster weggeätzt. Anschließend wird das verbleibende Photoresist entfernt und auf der Oberseite wird durch widerstandsbeheiztes Aufdampfen in Vakuum eine Schicht aus Thoriumfluorid abgelagert. Schließlich wird das Aluminiummuster chemisch weggeätzt, so daß das Thoriumfluorid in Kontakt mit dem Glas zurückbleibt.
Erst kürzlich haben Shiono et al. in "Rectangularapertured micro-Fresnel lens array fabricated by electron-beam lithography", Applied Optics, Band 26, Nr. 3, Februar 1987, Seiten 587-591 ein Verfahren zur Erzeugung einer Anordnung von Fresnel-Linsen unter Verwendung eines Elektronenstrahl beschrieben, bei dem das effektive Wegätzen einer auf einem Glassubstrat aufgebackenen Beschichtung durch ein Elektronenstrahlschreibsystem erreicht wird.
Diese Artikel zeigen die Verwendung von Batch- Herstellungstechniken zur Erzeugung einer Vielzahl von optischen Elementen, die als Kombination eine Anordnung von Elementen bilden. Diese Anordnungen werden dazu verwendet, ein bestimmtes optisches Element, wie z.B. eine Linsenanordnung, eine Detektoranordnung, ein Hologramm usw. zu verwirklichen. Ein gemeinsames Kennzeichen dieser Anordnungselemente besteht darin, daß Energie von der gesamten hergestellten Anordnung von Einrichtungen als eine Einheit extrahiert wird oder auf diese aufgebracht wird. Es gibt keine eindeutig konstruierte Wechselwirkung zwischen den Elementen selbst, die ihre besondere Anordnung eher zu einem "Schaltkreis" als zu einem optischen "Makroelement" machen würden.
Es besteht daher immer noch ein Bedürfnis zur Erzeugung optischer Computingschaltungen, die keine genauen mechanischen Justierungen erfordern.
Ein entsprechendes Bedürfnis existiert beispielsweise im Hinblick auf Faksimilegeräte. Herkömmliche Faksimilegeräte verwenden hauptsächlich eine von zwei Techniken zur Erzeugung einer Ansammlung von Zeilenbildern eines sich bewegenden Papiers. Das erste Verfahren verwendet herkömmliche Abbildungstechniken, bei denen Bildsegmente auf eine lineare Anordnung von Lichtdetektoren fokussiert werden. Dies wird entweder mit herkömmlichen Linsen oder Linsenanordnungen erreicht oder mit Anordnungen aus selbst fokussierenden Linsen. Die Auflösung wird durch die Anzahl von Lichtdetektoren bestimmt. Die Anzahl der verwendeten Linsen ist geringer als die Anzahl an Detektoren, was zu den üblichen Problemen führt, die mit Astigmatismus, Fokussierung, Justierung, Randeffekten usw. verbunden sind. Beim zweiten Verfahren werden Lichtleitfasern verwendet, die linear angeordnet sind. Die Anzahl der Lichtleitfasern ist gleich der Anzahl an Lichtdetektoren. Das Problem bei diesem Verfahren besteht darin, daß keine Fokussierungseinrichtungen vorgesehen sind und daher der Abstand zwischen den Eingängen der Lichtleitfasern und dem Papier minimal gehalten werden muß. Dies führt zu Ausieuchtungsproblemen, Abnutzungsproblemen und Problemen, die mit Papiers taub zusammenhängen, der sich an den Enden der Fasern anlagert und das Licht blockiert.
Ein Beispiel eines Faksimilesystems ist in der Patentschrift 3,947,627 dargestellt, die am 30. März 1976 für Tanaka ausgegeben wurde. Neben anderen Aspekten der Faksimiletechnik beschreibt sie eine Anzahl von Mechanismen zum Aufbringen von Licht auf das sich bewegende Papier und zum Extrahieren optischer Informationen aus dem Bild. Ein anderes Beispiel ist in dem amerikanischen Patent 4,317,044 dargestellt, das am 23. Februar 1982 für Reece ausgegeben wurde.
In der EP-A-201 862, die am 7. Mai 1986 von Tanaka unter Beanspruchung der Prioritäten JP 98551/85, 141623/85 und 94840/06 eingereicht wurde, wird eine Anordnung von Kunststofflinsen für ein Faksimilegerät offenbart, die einheitlich als Block ausgebildet ist.
Bei dieser Linsenanordnung sind die Vielzahl von konvexen Objektlinsen, in welche das von einem Objekt kommende Licht auftrifft und die konvexen Bildlinsen auf gegenüberliegenden Seiten des Aufnahmekörpers für die Linsenanordnung angeordnet. Solch eine Anordnung kann beispielsweise bei Temperaturschwankungen, mechanischen Spannungen usw. leicht verstellt werden.
Ein weiterer Nachteil dieses Gerätes aus dem Stand der Technik besteht darin, daß separate CCD-Bildsensoren, die außerhalb der Linsenanordnung angeordnet sind, als Lichtnachweisquellen verwendet werden. Für den Betrieb dieser Vorrichtung ist daher eine beschwerliche mechanische Justierung der CCD-Sensoren und der Linsenanordnung erforderlich.
Die vorstehend genannten Probleme des Standes der Technik werden durch ein optisches System für ein Faksimilegerät gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Die bestehenden Probleme bei optischem Faksimileköpfen werden dadurch gelöst, daß die gesamte Optik in einem einzigen Aufbau integriert ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden alle benötigten optischen Komponenten in einem einzigen Aufbau integriert, wobei die Komponenten derart angeordnet sind, daß sie zur Ausführung der gewünschten Funktionen miteinander wechselwirken. Dies umfaßt Lichtquellen, optische Detektoren, verspiegelte Oberflächensegmente und durchlässige und reflektierende Linsen. Bei einer Ausführungsform enthält die Baugruppe ein einziges Substrat, bei dem alle Linsen und Lichtdetektoren in der von dem sich bewegenden Papier abgewandten Seite integriert sind. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Linsen, die Lichtdetektoren und die Lichtgeneratoren auf einer Oberfläche eines Substrates integriert. Dieses Substrat ist mit einem zweiten transparenten Substrat bedeckt, das sowohl einige reflektierende Elemente als auch Lichtzugangspfade zu dem Papier enthält. In einer weiteren Ausführungsform sind die Lichtnachweiseinrichtungen CCD- Streifen. Die lichterzeugenden oder emittierenden Einrichtungen können aus einer Anordnung von lichtemittierenden Vorrichtungen oder aus einer einzigen lichtemittierenden Vorrichtung bestehen.
In den Abbildungen zeigen:
Fig. 1 ein 4-f-Abbildungssystem, das aus zwei Linsen und aus einem Beugungsgitter besteht;
Fig. 2 eine gefaltete Version des in Fig. 1 dargestellten Abbildungssystems gemäß den Prinzipien der Erfindung;
Fig. 3 eine Seitenansicht einer Fresnel-Linse;
Fig. 4 eine planare Mehrschichtausführung der Linse gemäß Fig. 3;
Fig. 5 zwei Anordnungen zum Aufbringen reflektierender Schichten, die zur Bildung einer reflektierenden planaren Linse auf die Ausführung gemäß Fig. 4 aufgebracht sind;
Fig. 6 eine Ausführungsform der Anordnung gemäß Fig. 4, die durch Ätztechniken erzeugt wurde;
Fig. 7 ein transparentes Substrat, bei dem die Linsen die auf der oberen Oberfläche angeordnete Schaltung bilden;
Fig. 8 eine Anordnung zweier miteinander verbundener Substrate, die es Licht ermöglicht, mit optischen Elementen auf beiden Substraten zu wechselwirken;
Fig. 9 die in den Substraten 70 und 80 in Fig. 8 hergestellten Justierungseinrichtungen, die eine genaue Justierung der zwei Substrate ermöglichen;
Fig. 10 die Anordnung gemäß Fig. 8, bei der das untere Substrat aus einem Material hergestellt ist, das die Herstellung von lichtemittierenden optischen Vorrichtungen und von optischen Lichtnachweisvorrichtungen ermöglicht;
Fig. 11 eine Anordnung zum Zusammenbau einer Vielzahl von Substraten, die genau aneinander angepaßt sind entsprechend den Prinzipien der Erfindung;
Fig. 12 eine andere Anordnung zum Zusammenbau einer Vielzahl von Substraten, die genau aneinander angepaßt sind entsprechend den Prinzipien der Erfindung;
Fig. 13 ein optisches Abbildungssystem aus Linsen für einen optischen Faxkopf;
Fig. 14 die gefaltete Version des optischen Abblldungssystems gemäß Fig. 13 entsprechend den Prinzipien der Erfindung;
Fig. 15 eine Draufsicht auf die Linsenanordnungen in der in Fig. 14 dargestellten Struktur;
Fig. 16 ein anderes optisches Abbildungssystem aus Linsen für einen optischen Faxkopf;
Fig. 17 die gefaltete Version des in Fig. 16 dargestellten optischen Abbildungssystems entsprechend den Prinzipien der Erfindung;
Fig. 10 eine Draufsicht auf die Linsenanordnungen in der in Fig. 16 dargestellten Struktur;
Fig. 19 die lichtemittierende Anordnung des optischen Faxkopfes gemäß Fig. 16;
Fig. 20 eine Ausführung des Abbildungssystems gemäß Fig. 19, bei dem zwei aneinander angepaßte Substrate verwendet werden;
Fig. 21 eine Ausführung des optischen Faxkopfes, bei dem alle positions-sensitiven optischen Vorrichtungen auf der von dem sich bewegenden Papier entfernten Oberfläche angeordnet sind und
Fig. 22 eine Anordnung, die das Aufbringen von Licht auf optische Vorrichtungen in senkrechter Richtung ermöglicht.
Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß verschiedenartige optische Vorrichtungen auf einem Substrat hergestellt werden können, wobei die relative Anordnung der Vorrichtungen dergestalt ist, daß sie zur Bildung einer optischen Schaltung optisch miteinander wechselwirken können.
Fig. 1 zeigt ein typisches 4-f-Abbildungssystem, das in einer ersten Ebene ein Bild 10 enthält sowie eine Linse 20, die eine Brennweite von dem Bild entfernt angeordnet ist und ein Phasengitter 30, das eine Brennweite von der Linse 20 entfernt und zwei Brennweiten von dem Bild 10 entfernt angeordnet ist. Eine weitere Brennweite von dem Bild 10 entfernt, ist die Linse 40 angeordnet (koaxial mit der Linse 20 und dem Phasengitter 30) und eine weitere Brennweite von dem Bild 10 entfernt befindet sich die Abbildungsebene 50. Der optische Aufbau in Fig. 1 ist ziemlich allgemein, da er sowohl für einfache Abbildungen verwendet werden kann als auch für andere Anwendungen in der analogen oder digitalen Datenverarbeitung. Dieser Aufbau kann entsprechend den Lehren von Brenner und Huang in der amerikanischen Patentanmeldung mit der Nr. 296,284, die am 11. Januar 1989 eingereicht wurde, beispielsweise auch zur Implementierung einer Stufe des perfekten Shuffle-Verbindungsnetzwerkes verwendet werden. Das Phasengitter 30 kann dazu vorgesehen sein, einen einfachen Strahlungsteiler zu realisieren, was zu der gewünschten räumlichen Verschiebung des einen Bildes in Ebene 50 in Bezug auf das andere Bild führt. Die Verschiebung kann (wie in der zuvor erwähnten Anmeldung beschrieben) so durchgeführt werden, daS sich eine perfekte Shuffle-Anordnung ergibt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die in Fig. 1 dargestellte Anordnung durch die in den Fig. 2 und 7 gezeigte Anordnung verwirklicht werden.
Fig. 2 zeigt in einer Querschnittsansicht die grundlegende Idee der Anwendung der VLSI-Techniken zur Herstellung planarer optischer Komponenten zur Bildung optischer Schaltungen, welche die Schwierigkeiten der Justierung optischer Komponenten vermeiden. Das Substrat 60 in Fig. 2 ist transparent. Das entlang des Weges 61 einfallende Licht trifft auf die planare Linse 62, die an der Bodenfläche des Substrats 60 gefertigt ist. Die äußere Oberfläche der Linse 62 (die von dem Glassubstrat abgewandte Oberfläche) ist mit einer reflektierenden Schicht beschichtet, damit aus der Linse 62 eine reflektierende Linse wird. Das durch die planare Linse 62 durchtretende Licht wird daher reflektiert und erreicht die obere Oberfläche des Substrats 60, auf der ein planarer Strahlungsteiler 63 gefertigt ist. Die äußere Oberfläche des Strahlungsteilers 63 (die von dem Glassubstrat abgewandte Oberfläche) ist ebenfalls mit einer reflektierenden Schicht beschichtet. Das durch den Strahlungsteiler 63 durchtretende Licht wird daher reflektiert und erreicht die Bodenfläche des Substrates 60, auf der eine planare Linse gefertigt ist. Die Linse 64 ist identisch mit der Linse 62. Das von der Linse 62 reflektierte Licht verläßt das Substrat entlang des Weges 65.
Es ist offensichtlich, daß sowohl die planare Linse 62 als auch die anderen planaren optischen Einrichtungen unter Verwendung wohlbekannter Techniken hergestellt werden können. Man sollte jedoch klar die Konzepte, die sich auf die Herstellung von Einrichtungen beziehen, von denjenigen Konzepten trennen, welche den Entwurf dessen lehren, was hergestellt werden soll. Im Hinblick auf ersteres sind herkömmliche Techniken zur Massenproduktion von Halbleitervorrichtungen verfügbar und, wie oben bereits angedeutet, wurden viele dieser Techniken für die Herstellung von optischen Vorrichtungen übernommen. Auch für die Entwicklung dessen, was herzustellen ist, sind interessante Ansätze verfügbar. Bekannte Ansätze verwenden eine Doppelschichtausführung der benötigten optischen Antwort. Ein Ansatz, der hier verwendet wurde, ist ein Mehrschichtherstellungsverfahren, das praktisch eine digitale Ausführungsform einer analogen Konstruktion einer planaren optischen Vorrichtung ist. Wachstum, Ätzen und Diffusion sind einige der unterschiedlichen Herstellungstechniken, die zur Verfügung stehen.
Fig. 3 zeigt beispielsweise eine Querschnittsansicht unserer Fresnel-Linsen. Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht unserer "planarer optischer Mehrschichtlinsenausführung" der optischen Vorrichtung gemäß Fig. 3. Diese Konstruktion kann mit dem optischen System aus Fig. 2 verwendet werden. Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform läßt man die planare optische Einrichtung auf das Substrat aufwachsen unter Verwendung einer Anzahl von Masken, die gleich ist dem log&sub2; der Anzahl von gewünschten Schichten. Als letzter Schritt bei der Erzeugung der in Fig. 2 verwendeten Vorrichtungen wird eine reflektierende Beschichtung verwendet.
Wie bereits oben angedeutet, wirken die optischen Elemente in der Anordnung gemäß Fig. 2 auf Signale, die sich innerhalb des Substrates fortpflanzen. Dementsprechend ist die reflektierende Beschichtung auf der Oberseite der gewachsenen Struktur. Bei Anwendungen, bei denen die planaren optischen Elemente auf Signale einwirken, die das optische Element von außerhalb des Substrates erreichen, kann die reflektierende Beschichtung als erste Schicht des Substrates aufgebracht werden. Diese Variationen sind in Fig. 5 dargestellt, in der die reflektierenden Oberflächen mit den Bezugszeichen 66 und 67 versehen sind.
Fig. 6 zeigt eine Linsenausführungsform, bei der eher Ätztechniken als Wachstumstechniken verwendet wurden. Wiederum ist die reflektierende Schicht der Schritt, der auf die Bildung der Linse folgt. Es sei nebenbei darauf hingewiesen, daß die reflektierende Oberfläche bei der Ausführung gemäß Fig. 6 sowohl für das die Planare Linse von außerhalb des Substrates als auch von innerhalb des Substrates erreichende Licht zu einer Linsenwirkung führt.
Der Weg zwischen der Linse 62 und dem Strahlungsteiler 63 ist ziemlich kurz (Fig. 2) . Dieser Weg kann auf einfache Art und Weise so weit als benötigt verlängert werden, indem man die Lichtstrahlen wiederholte Male an der oberen und unteren Oberfläche des Substrates reflektieren läßt. Ein Beispiel für diese Anordnung ist in Fig. 7 dargestellt. Ein wesentliches Merkmal der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform, die sich nicht direkt auf das Problem der Weglänge bezieht, besteht darin, daß alle komplexen planaren optischen Vorrichtungen, deren Struktur und Anordnung relativ zueinander kritisch sind, auf derselben Oberfläche des Substrates 60 angeordnet sind. Die andere Oberfläche des Substrates 60 kann eine einfache reflektierende Oberfläche oder ein Markierungsgitter sein.
Fig. 8 illustriert die Prinzipien der vorliegenden Erfindung, wenn zwei oder mehr Substrate verwendet werden. Das Substrat 70 in Fig. 8 ist transparent, während das Substrat 80 opak ist. Wie in Fig. 7 trifft das Licht entlang des Weges 61 von außerhalb der Anordnung auf. Es verläuft durch die planaren optischen Vorrichtungen 71 bis 79, bevor es entlang des Weges 65 austritt. Bei den optischen Vorrichtungen 73, 76 und 78 handelt es sich um reflektierende planare optische Vorrichtungen der oben in Zusammenhang mit den Fig. 2 und 7 beschriebenen Art. Sie sind auf der Oberseite des Substrates 780 gefertigt. Die planare Vorrichtung 77 ist eine reflektierende planare optische Vorrichtung, die auf der Bodenseite des Substrates 70 gefertigt ist. Diese Seite ist mit der Oberseite des Substrates 80 verbunden. Die Vorrichtungen 71 und 74 sind ebenfalls auf der Bodenseite des Substrates 70 gefertigt. Bei ihnen handelt es sich aber um durchlässige planare optische Vorrichtungen. Das bedeutet, daS es die Vorrichtungen 71 und 74 dem Licht, welches durch die Vorrichtungen verändert wird, ermöglicht, das Substrat 80 zu erreichen. Wie bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform können dadurch wesentliche Vorteile erzielt werden, indem die meisten, wenn nicht alle, der positions-sensitiven optischen Vorrichtungen auf den Seiten der Substrate 70 und 80 gefertigt werden, die miteinander verbunden sind.
Es sei darauf hingewiesen, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine reflektierende planare optische Vorrichtung eine Vorrichtung ist, die Mittel zum Reflektieren, wie z.B. eine reflektierende Beschichtung aufweist, die integraler Bestandteil der erzeugten optischen Vorrichtung sind. Sie umfaßt beispielsweise nicht eine durchlässige optische Vorrichtung, die auf einem transparenten Substrat gefertigt ist, mit einem Spiegel auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats. Diese Anordnung wird im Sprachgebrauch der vorliegenden Erfindung als eine Anordnung bezeichnet, die eine durchlässige optische Vorrichtung und einen Spiegel enthält. Ein Spiegel ist selbstverständlich auch eine optische Vorrichtung. Um zwischen Spiegeln und etwas komplexeren optischen Vorrichtungen, wie z.B. Linsen, Prismen, Strahlungsteilern usw. zu unterscheiden, werden mit dem Ausdruck "optische Vorrichtungen der Stufe A" Spiegel bezeichnet, während mit dem Ausdruck "planare optische Vorrichtungen der Stufe B" andere Vorrichtungen als Spiegel bezeichnet werden.
Das Substrat 80 enthält die optischen Elemente 72, 75 und 79. Sie sind alle entweder reflektierende planare optische Vorrichtungen, Lichtdetektoren oder Lichtemitter.
Das Verbinden der zwei Substrate 80 und 70 wirft zwei Probleme auf. Das erste Problem hängt mit der Veränderung der Brechungsindizes zwischen dem Substrat 70 und der Luft zwischen den Substraten 70 und 80 zusammen. Bei Anwendungen, bei denen das Substrat 80 auch transparent ist und durchlässige optische Vorrichtungen verwendet werden, muß auch der Brechungsindex des Substrates 80 in Betracht gezogen werden. Bei anderen Anwendungen können die mit dem Brechungsindex zusammenhängenden Probleme durch die Verwendung einer index-anpassenden Flüssigkeit zwischen den Substraten 70 und 80 oder antireflektierenden Beschichtungen auf den Oberflächen verringert werden.
Das zweite Anpassungsproblem zwischen den Substraten 70 und 80 besteht einfach in der Schwierigkeit bei der Justierung zwischen den Vorrichtungen auf dem Substrat 70 und den Vorrichtungen auf dem Substrat 80. Die reflektierende Vorrichtung 72 auf dem Substrat 80 und die durchlässige Vorrichtung 71 auf dem Substrat 70 müssen beispielsweise genau zueinander justiert werden. Entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden die Substrate 70 und 80 unter Verwendung von Justierungselementen, die in den Substraten zusammen mit den optischen Vorrichtungen hergestellt werden, miteinander verbunden. Genauer ausgedrückt, werden die optischen Vorrichtungen auf dem Substrat, wie oben angedeutet, entweder durch Ätz-, Diffusions- oder Wachstumsverfahren oder durch eine Kombination dieser Verfahren hergestellt, um in der Oberfläche der Substrate eine Struktur mit Ausbuchtungen und Einbuchtungen zu erzeugen. Durch Verwendung der gleichen Maske (oder einer anderen, die charakteristischen Merkmale steuernden Vorrichtung), welche die optischen Vorrichtungen erzeugt, zur Erzeugung der Ausbuchtungen und Einbuchtungen für die Justierung, können die Substrate 70 und 80 mit der Genauigkeit miteinander verbunden werden, die auch bei der Herstellung der planaren optischen Vorrichtungen im ersten Fall erreicht wird. Dieses Zusammenfügen ist in Fig. 9 dargestellt, welche eine vergrößerte Darstellung des Segmentes der in Fig. 7 gezeigten Anordnung zeigt, welche sowohl einen Teil der optischen Vorrichtung 79 als auch der Justierungsstrukturen 66 enthält.
Wie oben bereits angedeutet wird, besteht einer der Vorteile, die sich aus der Anordnung in Fig. 7 ergeben, in der Möglichkeit, opake Substrate zu verwenden, die aus einem Material hergestellt sind, das geeigneter ist als Quarzglas. Das Substrat 80 kann beispielsweise ein Silizium- Halbleitersubstrat sein, ein Galliumarsenid-Substrat oder selbst ein Silizium-Substrat, auf dem Galliumarsenid aufgewachsen ist. Mit solch einem Substrat können Phototransistoren, LEDs, optische Modulationsvorrichtungen und Laser hergestellt werden. Dies ermöglicht es, Licht auf dem Substrat nachzuweisen, optisch oder sogar elektronisch zu manipulieren und mit den gleichen oder mit anderen Elementen auf dem Substrat rückzukoppeln.
Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der die optische Vorrichtung 81 in dem Substrat 80 Licht erzeugt, die optischen Vorrichtungen 82, 83 und 84 in dem Substrat 70 mit diesem Licht wechselwirken und die optische Vorrichtung 85 in dem Substrat 80 das Licht nachweist. Es ist selbstverständlich möglich, daß das Substrat 80 Vorrichtungen 81 und 85 aufweist, die physisch auf dem Substrat befestigt sind, obwohl einige der Vorzüge, die im Zusammenhang mit dem Zusammenfügen der Substrate 70 und 80 beschrieben wurden, schwieriger zu realisieren sind.
Fig. 11 zeigt eine Anordnung für ein noch größeres optisches System, als das System in den Fig. 7, 8 und 10. Die Anordnung enthält Substrate 91, 92, 93 und 94, die in einer Anordnung zusammengefügt sind, die der Anordnung von Dominosteinen ähnlich ist. Bei dieser Anordnung bewegt sich Licht entlang des Weges 98 durch die Substrate. Im Verlaufe dieses Weges schlängelt sich das Licht durch das Substrat 91, verläuft dann durch das Substrat 92 und 93 und schließlich durch das Substrat 94. Die Substrate sind mit Hilfe der Justierungselemente 95 zusammengefügt. Der gleiche Effekt kann selbst bei einer kompakteren Anordnung erreicht werden. Die in Fig. 12 dargestellte Anordnung ist eine gefaltete Version der in Fig. 11 gezeigten Anordnung. Zwei Unterschiede zwischen den in Fig. 11 und Fig. 12 dargestellten Anordnungen sollten jedoch herausgestellt werden. Ein Unterschied besteht darin, daß an einigen Grenzflächen der in Fig. 12 gezeigten Ausführungsform, an denen Licht von einem Substrat auf das andere übergeht, eine durchlässige planare optische Prismenvorrichtung vorgesehen sein muß, um das Licht neu auszurichten. Bei den Vorrichtungen 96 und 97 handelt es sich um solche durchlässigen planaren Prismen. Der zweite Unterschied besteht darin, daß die in Fig. 11 gezeigte Ausführungsform praktisch die Erzeugung einer einzigen Oberfläche erlaubt. Unter Verwendung dieser Eigenschaft würde die in Fig. 11 gezeigte Ausführungsform, die positions-sensitiven optischen Vorrichtungen nur auf dieser einzigen Oberfläche enthalten, welche die Oberfläche ist, die aus den Oberflächen der zusammengefügten unterschiedlichen Substraten besteht. In der Erwähnung "positions-sensitive" Vorrichtungen liegt die Implikation, daß einige Vorrichtungen nicht positions-sensitiv sind. In gewissem Sinne sind alle optischen Vorrichtungen positions-sensitiv. Die einzige Frage besteht nur darin, bis zu welchem Umfange. Die Anbringung eines Spiegels ist beispielsweise im allgemeinen nicht positionssensitiv. Eine Linse kann in zwei Dimensionen positionsinsensitiv sein, in der dritten Dimension jedoch positionssensitive.
Dieses Verfahren unterscheidet sich von dem von Goodman und Brenner vorgeschlagenen Punkt-zu-Punkt-Verfahren dadurch, daß die Linsen 20 und 40 in Fig. 1 durch eine Anordnung von kleinen Linsen ersetzt werden müßten. Jeder Punkt des Bildes 10 müßte über eine kleine Linse in Position 20 zu einer kleinen Linse in Position 40 übertragen werden und dann auf einen zugehörigen Punkt auf der Ausgabeebene 50 projiziert werden. Dies würde die Herstellung komplizieren, optische Abhängigkeiten schaffen und räumliches Quantisierungsrauschen, wie z.B. eine gegenseitige Beeinflussung zwischen benachbarten Spots einführen.
Das oben Erwähnte spricht nicht alle Probleme an, die auftreten können, da das Licht in einem von einem rechten Winkel verschiedenen Winkel auf die verschiedenen optischen Vorrichtungen auftrifft. Da der Winkel in der Nähe von 90º liegt, sind Aberrations- und Stigmatismusprobleme zunächst nicht besonders schwerwiegend. Falls dies jedoch nicht der Fall ist, müssen kompensierende Maßnahmen ergriffen werden. Bei der Verwendung beugender Linsen, wie in Fig. 4 beschrieben, ist es möglich, das Muster in einer Richtung so zu verdrehen, daß ein kreisförmiges Muster beispielsweise elliptisch wird. Hierdurch würde jeder möglich Astigmatismus beseitigt werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, das optische System so anzuordnen, daß das Licht immer in einem Winkel von 90º auf die optischen Vorrichtungen auftrifft. Dies wird beispielsweise durch den in Fig. 22 dargestellten Aufbau erreicht. Die oberste Schicht und die Bodenschicht sind Markierungsgitter. Die oberste Schicht richtet einen sich unter einem schiefen Winkel ausbreitenden Lichtstrahl neu aus, so daß er unter 90º reflektiert wird. Die Bodenschicht richtet ein sich unter einem Winkel von 90º ausbreitenden Lichtstrahl neu aus, so daß er unter einem korrespondierenden schiefen Winkel reflektiert wird. Auf diese Art und Weise wird ein Lichtstrahl, der unter einem 90º-Winkel auf die Bodenschicht auftrifft, unter einem Winkel zu der oberen Schicht reflektiert, wo wieder unter 90º zu der Bodenschicht reflektiert wird usw.
Die zentrale Schicht in Fig. 22 enthält optische Vorrichtungen wie z.B. Linsen, Strahlungsteiler usw. Sie sind weit genug zueinander beabstandet angeordnet, so daß das sich unter einem schiefen Winkel ausbreitende Licht zwischen den optischen Vorrichtungen durchtreten kann und dicht genug, daß das sich unter einem Winkel von 90º ausbreitende Licht durch die Vorrichtungen hindurchtreten kann. Die obere Schicht und die Bodenschicht enthalten Fenster, durch die das Licht in die Anordnung eintreten und sie wieder verlassen kann.
Die Anordnung in Fig. 22 kann auf verschiedene Art und Weise hergestellt werden. Unter Verwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung kann die Anordnung in Fig. 22 jedoch aus zwei Substraten 150 und 160 hergestellt werden. Beide Substrate enthalten eine Oberfläche, auf der das Markierungsgitter gefertigt ist. Die andere Oberfläche von einem oder von beiden der Substrate können die für die Implementierung der gewünschten optischen Funktionen notwendigen optischen Elemente enthalten und wahlweise die in Zusammenhang mit den Fig. 8 und 9 beschriebenen Justierungsmittel.
Von der vorliegenden Erfindung können eine Vielzahl von Anwendungen profitieren. Eine solche Anwendung betrifft beispielsweise Faksimilegeräte. Ein Faksimilegerät enthält einen optischen Kopf, der die Aufgabe hat, eine Zelle des Originaltextes abzubilden oder auf eine eindimensionale Nachweisanordnung zu zeichnen. Die Nachweisanordnung ist typischerweise eine CCD-Zeilenabtastungskamera. Der de facto Standard für die Auflösung bei Faxanwendungen beträgt 300 Punkte pro Zoll, was einem Pixeldurchmesser von näherungsweise 85 Micrometer entspricht und 2400 Pixeln für eine Bildlinie von 8 Zoll.
Es war daher noch nicht möglich, ein optisches System, das diese vielen Punkte auflöst und gleichzeitig kompakt gebaut ist, herzustellen. Gegenwärtige Systeme verarbeiten das Bild mit vielen kleinen Linsen, wobei jede Linse lediglich einen Bereich des Bildes verarbeitet. Bei vielen der heutigen Faxgeräte werden Gradientenindex-Stablinsen verwendet, die typischerweise einen Durchmesser von 1 mm und eine Brennweite von 10 bis 20 mm aufweisen. Die Arbeitsdistanz, d.h. die Entfernung zwischen dem Blatt Papier und den Linsen ist daher groß genug, eine Beleuchtung des Papiers von der Seite unter einem schiefen Winkel zu ermöglichen. Dies wird durch Verwendung einer eindimensionalen Anordnung von lichtemittierenden Dioden oder Laserdioden erreicht. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die drei wichtigsten Komponenten in dem optischen Kopf eines Faxsystems Linsen, Beleuchtungslichtquellen und die Lichtdetektoren sind. Gegenwärtig müssen diese Komponenten zusammengebaut und justiert werden.
Unter Verwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung kann der gesamte optische Kopf eines Faxsystems als eine einzige Einheit erzeugt werden.
Um solch einen optischen Kopf zu entwickeln, sind zwei unterschiedliche optische Ansätze möglich. Bei dem einen wird das Originalbild in kleine aber ausgedehnte Bereiche im Bereich von 0,5 bis 1 mm aufgeteilt und bei dem anderen wird das Originalbild in Bereiche aufgeteilt, die der Pixelgröße entsprechen, so daß jedes Pixel seinen eigenen optischen Kanal besitzt.
Entsprechend dem ersten Ansatz muß ein doppelter Abbildungsschritt verwendet werden, um das Bild nicht zu verändern, das aus der Ansammlung von Bildern erzeugt wird, die von der Vielzahl an Linsen erzeugt werden. Dies gerantiert ein aufrechtes Bild. Das Prinzip zeigt Fig. 13, während die gefaltete Version in Fig. 14 dargestellt ist. In der gefalteten Version ist die Linse 8 eine durchlässige Linse, während die Linse 99 eine reflektierende Linse ist. Die Vorrichtung 101 ist ein Spiegel. Wie in Fig. 11 dargestellt ist, sind beide Linsen auf der Bodenseite des Substrates 100 gefertigt. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß diese Linsen selbstverständlich auch an der Oberseite des Substrates 100 gefertigt werden können oder sowohl auf der Oberfläche als auch auf der Bodenfläche. Das das Bild enthaltende Papier wird in der durch den Pfeil x markierten Richtung von links nach rechts bewegt.
Der Durchmesser der Linsen 98 und 99 beträgt typischerweise 1 mm. Die Arbeitsdistanz w zwischen dem sich bewegenden Papier und den Linsen beträgt typischerweise 10 mm. Dies führt zu einem relativ kleinen Winkel α von näherungsweise 5º, unter der Annahme, daß die Linsen 98 und 99 gleich groß sind und ohne Abstand zueinander angeordnet sind.
Das Blickfeld einer Linse ist gewöhnlich kleiner als sein Durchmesser. Wie durch die Linie 130 in Fig. 15 dargestellt ist, müssen die Linsen daher räumlich versetzt zueinander angeordnet sein, wenn man die gesamte Bildzeile abdecken möchte. Die versetzte Anordnung beeinflußt selbstverständlich nicht die Funktionsweise des Systems. In Übereinstimmung mit gut eingeführten Techniken erfordert sie lediglich eine geringe Modifikation beim Timing der Detektoren.
Entsprechend dem zweiten Ansatz zeigt Fig. 16 eine optische Anordnung, bei der jedem Pixel ein optischer Kanal zugeordnet ist. Die gefaltete Version der in Fig. 16 gezeigten Anordnung ist in Fig. 17 dargestellt. Diese Anordnung ist zu einer Anordnung ähnlich, bei der eine lineare Anordnung von optischen Fasern verwendet wird, wobei jede Faser die von einem einzigen Pixel kommende Lichtintensität weiterleitet. Die Verwendung von Linsen, die das Licht fokussieren, ermöglichen jedoch eine Arbeitsdistanz w, die wesentlich größer ist, als die Arbeitsdistanz bei der Ausführung mit optischen Fasern. Bei der letzteren Realisation muß die Arbeitsdistanz so nah wie irgendwie ausführbar bei 0 liegen, was zu Problemen führt, wie z.B. Abnutzung, Staub usw. In der augenblicklichen Ausführungsform kann die Arbeitsdistanz zwischen 1 und 10 mm liegen.
Ein interessanter Aspekt des in Fig. 17 gezeigten Ansatzes besteht darin, daß keine doppelte Abbildung nötig ist. Dies vereinfacht die optische Anordnung, obwohl zur Vermeidung von gegenseitigen Beeinflussungen ein Kollimationssystem, wie es in Fig. 16 dargestellt ist, vorgeschlagen wird. Die planare Anordnung der Linsen in Fig. 17 ist in Fig. 18 dargestellt. Die Distanz t zwischen den zwei Linsen in Fig. 15 ist nicht kritisch, so daß auch die Distanz d zwischen den Linsen in den Fig. 17 und 18 nicht kritisch ist (anders als die Abhängigkeit von dem Winkel α und der Dicke des Glassubstrates). Die komplexen planaren optischen Vorrichtungen können wiederum auf der von dem Papier entfernten Oberfläche des Substrates hergestellt werden, um die Zuverlässigkeit zu verbessern.
Fig. 19 zeigt die Ausführungsform eines vollständigen optischen Faxkopfes, der die abbildenden Lichtquellen, die lichtfokussierenden Pfade und die Detektoren enthält. Genauer ausgedrückt, enthält das Substrat 120 durchlässige Linsen 121 und 122, eine reflektierende Linse 123, einen Spiegel 124, eine Lichtquelle 125 und einen Lichtdetektor 126. Jedes dieser dargestellten optischen Elemente repräsentiert selbstverständlich eine vollständige Reihe von Elementen, wie in Fig. 10 dargestellt ist. Die einzige Schwierigkeit bei der Realisierung der Anordnung gemäß Fig. 7 liegt in der Erzeugung von Lichtquellen 125 und von Detektoren 126 auf dem Glassubstrat. Die Detektoren können dadurch hergestellt werden, daß amorphes Silizium direkt auf das Glassubstrat aufgesputtert wird. Die Lichtquellen sind allerdings schwieriger zu realisieren. LEDs und Laserdioden werden im allgemeinen aus Galliumarsenid hergestellt und gegenwärtig sind keine Methoden bekannt, dieses Material auf Quarzglas oder auf einem anderen transparenten Substrat zu integrieren. Entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung können jedoch sowohl die Lichtquellen als auch die Detektoren entweder physisch auf dem Substrat 120 befestigt werden oder, alternativ hierzu, kann der Faxkopf, wie in Fig. 20 dargestellt, aus zwei zusammengefügten Substraten hergestellt werden. Das untere Substrat 120 ist transparent und enthält die Linsen. Das obere Substrat 130 enthält die Lichtquellen und Detektoren.
In Fig. 21 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Sie ist eine kompaktere Ausführungsform des optischen Kopfes in dem Sinne, als daß sie nur ein einziges Glassubstrat enthält, nur zwei Anordnungen von reflektierenden planaren Linsen, eine spiegelnde Oberfläche, eine lichtemittierende Anordnung, die separat hergestellt und auf die Oberfläche des Substrates aufgebracht (z.B. geklebt) ist und eine Anordnung von Lichtdetektoren, die durch Aussputtern von amorphem Silizium auf das Substrat und geeignetes Bearbeiten des Siliziums zur Bildung eines Phototransistors hergestellt wurden.
Beim Betrieb beleuchtet die lichtemittierende Anordnung 131 das Papier, das sich in x-Richtung entlang einer Oberfläche bewegt, deren Querschnitt durch den Pfeil x gekennzeichnet ist. Die Linsen in der mit dem Bezugszeichen 132 bezeichneten linearen Anordnung (eine Draufsicht auf diese Anordnung ist in Fig. 10 dargestellt) fokussiert auf eine Linie auf der Oberfläche des Papiers und empfängt das dort von dem Papier reflektierte Licht. Das von jeder der Linsen empfangene Licht wird kolliminiert und auf die spiegelnde Oberfläche 133 reflektiert. Das von der Oberfläche 133 reflektierte Licht trifft auf die mit dem Bezugszeichen 134 bezeichnete lineare Anordnung von Linsen, von wo aus es reflektiert wird. Das von jeder der Linsen in der Anordnung 134 reflektierte Licht wird wiederum von der spiegelnden Oberfläche 133 reflektiert und auf einen Detektor in einer mit dem Bezugszeichen 135 bezeichneten lineare Anordnung von Detektoren fokussiert.
Eine effizientere Betriebsweise kann selbstverständlich durch Fokussierung des Lichtes auf das Papier erreicht werden. Dies kann durch die Anordnung einer planaren Linse an dem Punkt 136 erreicht werden. Die Anordnung der Linsen auf der von dem Papier abgewandten Oberfläche des Substrates 140 ist jedoch für die in Fig. 21 gezeigte Anordnung sehr vorteilhaft, da Papierstaub, der die Linsen beeinflussen könnte, von den Linsen ferngehalten wird. Dieser Vorteil sollte jedoch auf die lichtfokussierenden Linsen ausgedehnt werden. Für solch eine Ausführungsform zeigt Fig. 21 eine lichtemittierende Anordnung 139, eine Linsenanordnung 137 und eine verspiegelte Oberfläche 138. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich bei der Anordnung 131 nicht um eine lichtemittierende Anordnung sondern um eine Linsenanordnung. Das von den Lichtemittern 139 ausgestrahlte Licht wird durch die Linse 137 kolliminiert und dann durch die Linsenanordnung 131 auf einen bestimmten Bereich des Papiers fokussiert.
Die Anzahl der LEDs in der Anordnung 139 und die Anzahl der Linsen (und ihre Anordnung) ist eine Funktion dessen, ob der erste Konstruktionsansatz verwendet wird (bei dem die Optik Bildsegmente verarbeitet) oder der zweite Konstruktionsansatz verwendet wird (bei dem die Optik einzelne Pixel verarbeitet).
Die obige Beschreibung des optischen Faxkopfes läßt zumindest implizit darauf schließen, daß die das Licht nachweisende Anordnung so breit ist wie das Bild, das von dem sich bewegenden Papier abgetastet wird. Dies muß selbstverständlich nicht der Fall sein. So wie die Anordnung reflektierender Linsen mit Licht betrieben werden kann, das sich unter einem Winkel bezüglich der x-Richtung ausbreitet (s. Fig. 17-20), kann die Anordnung auch mit Licht betrieben werden, das sich unter einem Winkel bezüglich der zu der x- Richtung (in der Abbildung) senkrechten Richtung ausbreitet. Da CCD-Detektorstreifen mit einer Auflösung von 2400 Pixel pro Zoll einfach hergestellt werden können, ist es sinnvoll, die Detektoranordnung auf 1 Zoll zu verkleinern, selbst wenn die von dem sich bewegenden Papier abgetastete Zeile eine Länge von 8 Zoll aufweisen kann. Die Verwendung solch eines CCD in der in Fig. 21 gezeigten optischen Anordnung würde bloß das Anbringen (z.B. Kleben) eines herkömmlichen CCD-Streifens auf dem Substrat erfordern.
Ähnliches gilt auch im Zusammenhang mit der Unterbaugruppe, die das Licht auf das Papier fokussiert. Es bestehen keine Erfordernisse für die Erzeugung einzelner Strahlen, die das Licht auf einzelne Pixel auf dem sich bewegenden Papier fokussieren. Falls es von einem kommerziellen Standpunkt aus gesehen sinnvoll ist, beispielsweise eine einzige Laserdiode zu verwenden; ist es gut möglich, die Optik so herzustellen, daß das Licht fächerförmig auf eine Zeile des sich bewegenden Papiers verteilt wird.
Entsprechen den in Fig. 21 gezeigten Prinzipien kann der optische Faxkopf weiterhin in dem opaken Substrat 130 erzeugt werden. Das bedeutet, daß das Substrat 130 so hergestellt werden kann, daß es die lichtemittierenden Elemente enthält, die das Licht nachweisenden Elemente, alle positionssensitiven reflektierenden planaren optischen Vorrichtungen und vielleicht einige der positions-insensitiven reflektierenden planaren optischen Vorrichtungen. Bei solch einer Ausführungsform ist das Substrat 120 ein transparentes Substrat, das nur die positions-insensitiven Elemente enthält. Es dient auch als Schutzschild für die reflektierenden Elemente des Substrats 120.
Schließlich muß die oben beschriebene Anordnung eines optischen Kopfes lediglich mit geeigneten elektronischen und mechanischen Mitteln gekoppelt werden, um eine komplette Faksimilevorrichtung zu verwirklichen. Genauer ausgedrückt müssen mechanische Mittel vorgesehen sein, um das Papier entlang des optischen Systems zu bewegen, so daß das gesamte Bild gescannt wird. Für diesen Zweck sind viele herkömmliche mechanische Faksimileanordnungen geeignet, sie werden hier jedoch im Hinblick auf die Kürze nicht besprochen. Bei den elektronischen Schaltungen wären wiederum die meisten herkömmlichen Anordnungen für die Realisierung eines Faksimilesystems gut geeignet. Es sei nebenbei darauf hingewiesen, daß entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, denengemäß ein Substrat verwendet wird, das Halbleiterkomponenten tragen kann (so wie wenn das Substrat 120 aus einem Halbleitermaterial besteht), die Elektronik in dem Substrat enthalten sein kann. Dies ergibt eine extrem kompakte Anordnung. Sie ist in der Tat so kompakt, daß sie einen in der Hand haltbaren Faksimile-Handlesekopf bilden kann, der lediglich eine elektrische Kopplung mit dem Telefonnetzwerk erfordert oder mit anderen Kommunikationsmitteln, welche auch immer ins Auge gefaßt werden.

Claims

1. Optisches System fur ein Faksimile-Gerät mit:

einem transparenten Substrat (100; 110; 120; 140), das zwei Hauptftächen besitzt;

einer Lichtquelle (125; 139) zur Beleuchtung einer in einer vorgewahlten Entfernung (w) von einer Hauptfläche angeordneten Objektfläche;

einer ersten Anordnung von N Linsen (101; 122; 132), die derart ungeordnet ist, daß sie das von der Objektfläche reflektierte Licht empfängt; sowie

einer Anordnung von M Detektoren (126, 135) von denen jeder derart angeordnet ist, daß ein von der Objektfläche durch eine zweite Anordung von N Linsen (99; 123; 134) gebildetes Bild empfangen wird;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Linsen der ersten und der zweiten Anordnung (99; 101; 122; 123; 132, 134) planare Linsen sind;

daß die erste (101, 122, 132) und zweite (99; 123; 134) Anordung von N Linsen in bzw. auf derselben, ersten Hauptfläche des Substrates (100; 110; 120; 140) angeordnet sind,

daß in bzw. auf der zweiten Hauptfläche des Substrates (100; 110; 120; 140) Spiegeleinrichtungen angeordnet sind;

daß die relative Anordnung der ersten und der zweiten Anordnung von Linsen (101; 99; 122; 123; 133; 134) und der Spiegeleinrichtungen (124; 133), die alle auf demselben Substrat (100; 110; 120; 140) aufgebaut sind, derart erfolgt, daß die erste und die zweite Anordnung von Linsen (101; 99; 122; 123; 133; 134) und die Spiegeleinrichtungen optisch miteinander wecbselwirken, um eine optische (124; 133) optisch miteinander wechselwirken, un eine optische Schaltung zur Bildung einer Abbildung von der Objektfläche auf die Anordung von M Detektoren (136, 135) darzustellen.

2. System nach Anspruch 1,

wobei die Lichtquelle eine Anordnung von N1 Lichtemittern (125, 139) ist, und wobei N1 eine ganze Zahl ist.

3. System nach Anspruch 1,

wobei die Lichtquelle eine Anordnung von N Lichtemittern (125, 139) ist, und wobei jeder Lichtemitter einen Lichtstrahl entlang einer Hauptachse des Strahles emittiert und jeder Lichtemitter derart angeordnet ist, daß der Strahl mit seiner Hauptachse durch eine unterschiedliche Linse der N Linsen in der ersten Anordnung planarer Linsen hindurchtritt

4. System gemaß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, wobei N gleich M ist.

5. System noch irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, das des weiteren umfaßt:

eine dritte Anordnung planarer Linsen (121, 131, 136), die in bzw. auf einer der Hauptflachen angeordnet ist, um eine Abbildung der Lichtquelle auf die Objektfläche darzustellen.

6. System nach Anspruch 1,

wobei die Anordnung der Lichtdetektoren (126) in bzw. auf der zweiten Hauptfläche des Substrates (120) angeordnet ist.

7. System nach Anspruch 2,

wobei die erste Hauptfläche des Substrates (140) die Anordnung von Lichtdetektoren (135) und die Anordnung von Lichtemittern (139) umfaßt;

die Anordnung von Lichtemittern (139) derart angeordent ist, daß sie Licht durch die zweite Hauptfläche des Substrates (140) führt,

und daß die Anordnung von Lichtdetektoren (135) derart angeordnet ist, daß sie Licht, das durch die zweite Hauptfläche des Substrates (140) hindurchtritt, detektiert.

8. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,

wobei die Anordnung von Detektoren (126, 135) eine CCD-Anordnung ist, die in bzw. auf einer der Hauptflächen angeordnet ist.

9. System nach Anspruch 5,

das eine vierte Anordnung planarer Linsen (137) zum Empfang von Licht von der Lichtquelle (130) umfaßt.

10. System nach Anspruch 9,

wobei die dritte und vierte Anordnung planarer Linsen (131, 137) in bzw. auf der ersten Hauptfläche angeordnet ist.

11. System nach Anspruch 9,

wobei die Lichtquelle eine Anordnung von N lichtemittierenden Bauteilen (139) ist.

12. System nach Anspruch 11, worin die erste Hauptfläche des Substrates (140) die Anordnung von Lichtdetektoren (135) und von lichtemittierenden Bauteilen (139) umfaßt, und

wobei die Spiegeleinrichtungen verspiegelte Abschnitte (133, 138) umfassen.

13. Faksimile-Gerät mit einem System gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, das des weiteren umfaßt:

mechanische Einrichtungen zur Bewegung von Papier über das transparente Substrat (100, 110, 120, 140) und Elektronikeinrichtungen zur Abtastung der von der Anordnung von Detektoren (136, 135) erzeugten Signale, zur Aufarbeitung der abgetasteten Signale und zur übertragung der aufbereiteten Signale an einem Ausgangsanschluß des Gerätes.