DE3643576A1 - Bildsensor und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Bildsensor und verfahren zu dessen herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung, und betrifft insbesondere einen direkt beaufschlagbaren bzw. detektierbaren Bildsensor, der in einer Vorlagenleseeinrichtung eines Faksimilegeräts u. ä. anwendbar ist, und betrifft insbesondere ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Für herkömmliche Vorlagenleseeinrichtungen oder -leser, wie sie beispielsweise in einem Faksimileendgerät installiert sind, ist vor kurzem ein sogenannter direkt beaufschlagbarer bzw. detektierbarer (directly detectable) Bildsensor entwickelt worden, wie er beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 60-134 486 oder einer Veröffentlichung mit dem Titel "A STUDY ON STRUCTURE OF DIRECTLY DETECTABLE IMAGE SENSOR", Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan, Report ED81-35 beschrieben ist. Alle die beschriebenen Sensoren weisen ein Substrat aus Glas, eine lichtabfangende Schicht, eine Isolierschicht, Sensorelemente und Elektroden, welche auf dem Substrat unter Zwischenschaltung der lichtabfangenden und Isolierschichten angeordnet sind, und eine transparente Schutzschicht auf, welche auf den Sensorelementen und Elektroden vorgesehen ist und in einer dünnen Glasschicht ausgeführt ist.
Eine Vorlage liegt auf der Schutzschicht und ist an dieser in satter Anlage gehalten, so daß die Sensorelemente Bilder lesen können, welche auf der Vorlage aufgezeichnet sind. Insbesondere die lichtabfangende Schicht und die Elektroden sind einzeln mit Fenster versehen, um Licht, welches über das Substrat auf den Sensor auftrifft, zu der Vorlage zu leiten; die Sensorelemente sind bezüglich einer Reflexion von der Vorlage empfindlich.
Eine Voraussetzung bei jedem der herkömmlichen Bildsensoren der beschriebenen Art besteht darin, um eine ausreichende Ausgangsleistung für eine Modulationstransferfunktion (MTF) in der Größenordnung von 0,6 zu erhalten, sollte die transparente Schutzschicht 75 µm dick sein, die Fenster sollten eine Größe von 90 µm × 60 µm haben, und die Beleuchtungsstärke auf der Vorlagenoberfläche sollte etwa 2.500 lx sein. Unter dieser Voraussetzung sollte die Schutzschicht mit einer Glasschicht versehen sein, welche etwa 70 bis 80 µm dünn ist. Eine Schwierigkeit bei einer derart dünnen Schutzschicht besteht darin, daß sie die Sensorelemente infolge von Adhäsion oder deren Haftwirkung verschlechtert und bei dynamischen Einwirkungen zerbrechlich ist, wodurch die Ausbeute begrenzt wird. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß im Falle des Einbaus eines solchen Sensors beispielsweise in ein Faksimileendgerät, den äußeren Kräften, durch welche der Sensor beschädigt werden kann, eine besondere Beachtung geschenkt werden muß; dies wiederum führt zu einer Kostenerhöhung. Ferner ist es schwierig, einen Bildsensor mit einem hohen Auflösungsvermögen von beispielsweise 16 Punkten/mm zu schaffen, da jedes der Fenster etwa 90 µm × 60 µm groß sein sollte. Insbesondere kann keines der herkömmlichen Systeme eine Auflösung von 16 Punkten/mm erreichen, wenn nicht die Fenster in der Größe halbiert sind, und die Schutzschicht mit einer Glasschicht versehen ist, deren Dicke geringer als etwa 30 µm ist. Hierdurch würde aber nicht nur die Sensorausgangsleistung erniedrigt, sondern auch die Zerbrechlichkeit des Sensors wird größer.
Gemäß der Erfindung soll daher ein direkt beaufschlagbarer bzw. detektierbarer Bildsensor für einen Vorlagenleser geschaffen werden, welcher ein hohes Auflösungsvermögen und eine hohe Ausgangsleistung erreicht, und es soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bildsensors geschaffen werden. Darüber hinaus soll ein unmittelbar beaufschlagbarer bzw. ein detektierbarer Bildsensor für einen Bildleser, welcher bezüglich dynamischer Beanspruchungen steif und dauerhaft ist, und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Sensors geschaffen werden. Schließlich soll noch ein unmittelbar beaufschlagbarer Bildsensor für einen Bildleser, welcher frei von negativen Beeinflussungen infolge einer Adhäsion des Sensors und eines Substrates ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Sensors geschaffen werden.
Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Bildsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. bei einem Verfahren zum Herstellen eines solchen Bildsensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen auf die Ansprüche 1 bzw. 10 rückbezogenen Unteransprüche. Durch die Erfindung ist somit ein insgesamt verbesserter unmittelbar detektierbarer bzw. beaufschlagbarer Bildsensor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung geschaffen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Abschnitt eines herkömmlichen direkt beaufschlagbaren Bildsensors;
Fig. 2 einen Abschnitt eines direkt beaufschlagbaren bzw. detektierbaren Bildsensors gemäß der Erfindung und ein Verfahren zu dessen Herstellung;
Fig. 3 ein Abschnitt eines Glassubtrats, welches in dem Sensor der Fig. 2 vorgesehen ist;
Fig. 4 eine perspektivische Anschicht des Glassubstrats und
Fig. 5 einen Abschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und eines Verfahrens zu dessen Herstellung.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zuerst kurz ein herkömmlicher direkt beaufschlagbarer bzw. detektierbarer Bildsensor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anhand von Fig. 1 beschrieben. Wie in Fig. 1 dargestellt, weist der in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnete, herkömmliche Bildsensor der beschriebenen Art ein Glassubstrat 12, eine lichtabfangende Schicht 14 und eine Isolier- oder Schutzschicht 16 auf, welche nacheinander auf dem Substrat 12 vorgesehen sind. Sensorelemente 18 und Elektroden 20 sind auf dem Substrat 12 angeordnet, wobei die Schichten 14 und 16 dazwischen liegen. Ferner ist eine transparente Schutzschicht 22, welche eine dünne Schicht aus Glas aufweist, auf den Sensorelementen 18 und den Elektroden 20 vorgesehen. Eine Vorlage 24 liegt satt auf der Schutzschicht 22 auf, so daß die Sensorelemente 18 Bilder lesen können, welche auf der Vorlage 24 aufgebracht sind. Insbesondere die lichtabfangende Schicht 14 und die Elektroden 20 sind jeweils mit Fenstern 26 versehen, um so über das Substrat 12 Licht zu leiten, welches auf den Sensor 10 auftrifft; die Sensorelemente 8 sind empfindlich bezüglich einer Reflexion von der Vorlage 24. Bei dem herkömmlichen unmittelbar beaufschlagbaren Sensor 10 mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau haben sich verschiedene eingangs angeführte Schwierigkeiten ergeben.
Anhand von Fig. 2 bis 4 werden daher ein direkt beaufschlagbarer bzw. detektierbarer Bildsensor gemäß der Erfindung und ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben. Wie dargestellt, weist der in seiner Gesamtheit mit 30 bezeichnete Bildsensor ein Sensorsubstrat 32 auf, welches aus zwei Glassubstratteilen 32 a und 32 b gebildet ist, welche miteinander verbunden sind. Insbesondere das Glassubstratteil 32 a weist in seiner rückseitigen Oberfläche Ausnehmungen 34 auf, welche genau bezüglich der Stellen ausgerichtet sind, an welchen Sensorteilchen (bits) festzulegen sind; das Glassubstratteil 32 b ist mit Ausnehmungen 36 versehen, welche identisch mit den Ausnehmungen 34 sind. Die Ausnehmungen 34 bzw. 36 legen die eine und die andere Hälfte einer Linsenanordnung 38 fest. Ein Material, dessen Brechungsindex sich von demjenigen der Substratteile 32 a und 32 b unterscheidet, wird in die Ausnehmungen 34 und 36 gefüllt, um dadurch die Miniaturlinsenanordnung 38 zu schaffen. Eine lichtabfangende Schicht 40 mit Fenstern 40 a und eine Isolier- bzw. Schutzschicht 42 werden auf einer Hauptfläche des Substrats 32, d. h. der Oberfläche des Substratteils 32 b vorgesehen, nachdem Sensorelemente 44, Elektroden 46 und eine Schutzschicht 48 nacheinander vorgesehen sind. Dann wird eine weitere lichtabfangende Schicht 50 mit Fenstern 50 a auf der Schutzschicht 48 aufgebracht. Bei dieser Ausführung ist eine Vorlage 52 die auf die andere Oberfläche des Substrats 32, d. h. der Oberfläche des Substrateils 32 a zu legen.
Insbesondere die Substratteile 32 a und 32 b sind jeweils aus Borsilikatglas hergestellt und haben eine Dicke von 0,5 mm. Die Vertiefungen 34 und 36 sind in den Substrateilen 32 a bzw. 32 b mit einem Krümmungsradius von 1 mm und einer Dicke bzw. Tiefe von etwa 0,05 mm ausgebildet. Danach werden die Substrateile optisch poliert (siehe Fig. 3). Die Vertiefungen 34 und 36 werden mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens mit einem amorphen Diamantmaterial gefüllt, und die Substratteile 32 a und 32 b werden dann so miteinander verbunden, daß dazwischen die Miniarturlinsenanordnung 38 angeordnet ist, wobei jede der Miniaturlinsen 38 als eine konvexe Zylinderlinse dient (siehe Fig. 4). Das sich ergebende Sensorsubstrat 32 wird durch Aufdampfen im Vakuum von NiCr in einer Dicke von 2000 Å mit der lichtabfangenden Schicht 40 und Fenstern 40 a versehen; anschließend wird SiO2 in einer Dicke von etwa 1 µm aufgebracht, um dadurch die Isolier- oder Schutzschicht 42 auszubilden. Dann wird eine a-Si : H-Schicht mittels des Plasma CVD-Verfahrens auf der Isolier- oder Schutzschicht 42 vorgesehen, so daß die Sensorelemente 44 in einem Bitmuster von 16 Punkten/mm in den Abbildungsteilen ausgebildet sind, welche durch die einzelnen Miniarturlinsen 38 festgelegt sind. Ferner werden die Elektroden 46 in der Weise vorgesehen, daß sie die Sensorelemente 44 tragen. Die Schutzschicht 48 kann eine Si3N4- Schicht aufweisen, welche ebenfalls mittels des Plasma- CVD-Verfahrens aufgebracht wird. Die Lichtisolier- bzw. Schutzschicht 50 kann beispielsweise aus NiCr hergestellt werden.
Wie in Fig. 2 dargestellt, wird die Vorlage 52 auf die Fläche des Substratteils 32 a gelegt, welche der Oberfläche des Substratteils 32 b, in welcher die Sensorelemente 44 vorgesehen sind, abgewandt ist. Licht fällt dann auf die Seite des Sensors 30, welche die Sensorelemente 40 verbindet, und pflanzt sich durch die Fenster 50 a, die Fenster 40 a und das Substrat 32 bis zu der Vorlage 52 fort. Eine Reflexion von der Vorlage 52 wird auf den einzelnen Sensorelementen 44 durch die ihnen zugeordneten Miniaturlinsen 38 fokussiert und mittels der Sensorelemente 44 gelesen. Ein Versuch hat gezeigt, daß, wenn die Fenster 50 a jeweils eine Größe von 50 µm × 40 µm haben und die Beleuchtungsstärke auf der Vorlagenoberfläche etwa 100 lx ist, eine Modulationstransferfunktion (MTF) von bis zu 0,7 erreicht wird.
Wie oben beschrieben, ist in dieser Ausführungsform der Sensor 30 grundsätzlich identisch mit einem direkt beaufschlagbaren bzw. detektierbaren a-Si-Bildsensor, in welchem die lichtabfangende Schicht 40, die Isolierschicht 42, Sensorelemente 44 und Elektroden nacheinander vorgesehen sind. Das Sensorsubstrat 32 ist aus zwei Glassubstratteilen 32 a und 32 b hergestellt, welche so miteinander verbunden sind, daß dazwischen die Miniaturlinsenanordnung 38 angeordnet ist, so daß Bilder auf einer Vorlage durch die zugeordneten Miniaturlinsen 38 auf den Sensorelementen 44 fokussiert werden. Hierdurch ist die Verschlechterung von Bildelementen ausgeschaltet, welche bisher durch die Adhäsion der Sensorelemente und eines Substrats zustande gebracht worden ist. Das Substrat 32 ist bezüglich dynamischer Beanspruchungen steif und fest und daher auch dauerhaft haltbar. Da die Reflexion von einer Vorlage durch die Miniaturlinsenanordnung 38 auf den Sensorelementen 44 fokussiert wird, kann die Ausgangsleistung (im Falle einer Beleuchtungsstärke von 2500 lx) gegenüber dem herkömmlichen System um eine Stelle verbessert werden; hierdurch ist ein Auflösungsvermögen von 16 Punkten/mm realisiert.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei dieselben oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wie die Elemente, welche in Fig. 2 bis 4 dargestellt sind. Der in Fig. 5 dargestellte Aufbau entspricht im wesentlichen demjenigen der Fig. 2 bis 4, außer daß die konvexen Zylinderlinsen in der Anordnung 38 durch konkave Zylinderlinsen ersetzt sind, welche in einer Anordnung 56 vorgesehen sind. Ein Sensorsubstrat 54 weist zwei Glassubstratteile 54 a und 54 b, zwischen welchen die Miniaturlinsenanordnung 56 vorgesehen ist. Die Linsenanordnung 56 kann dadurch hergestellt werden, daß beispielsweise Vertiefungen 58 und 60 in den Substrateilen 54 a und 54 b mit Trockenstickstoff gefüllt werden. Auch in diesem Fall werden Bilder auf einer Vorlage mit Erfolg auf den einzelnen Sensorelementen 44 fokussiert. Bei dieser Ausführungsform wurden MTF-Werte von bis zu 0,6 gemessen.
Durch die Erfindung ist somit ein direkt beaufschlagbarer bzw. detektierbarer Bildsensor geschaffen, welcher eine ausreichende dynamische Steifigkeit und damit Haltbarkeit hat und infolge einer Anordnung von Miniaturlinsen eine hohe Ausgangsleistung und ein hohes Auflösungsvermögem aufweist. Ferner weist der erfindungsgemäße Bildsensor keine Verschlechterungen auf, welche sonst bei einem Sensor infolge Adhäsion eines Sensors und eines Sensorsbustrats hervorgerufen worden sind.

Claims (18)

1. Bildsensor zum Lesen von einer Vorlage aufgezeichneten Bildern, gekennzeichnet durch erste und zweite Substratteile (32 a, 32 b; 54 a, 54 b), die jeweils aus einem transparenten Material hergestellt sind und an einer Fläche miteinander verbunden sind, um ein Sensorsubstrat (32;54) zu bilden;
eine Anordnung von Miniaturlinsen (38;56), welche aus einem Material hergestellt sind, dessen Brechungsindex sich von demjenigen der beiden Substratteile (32 a, 32 b; 54 a, 54 b) unterscheidet, wobei die Miniaturlinsen in der Grenzfläche zwischen den ersten und zweiten Substratteilen (32 a, 32 b; 54 a, 54 b) angeordnet sind, und
eine Sensoreinrichtung (44, 46), welche auf einer Oberfläche des einen (32 b; 54 b) der beiden Substratteile (32 a, 32 b; 54 a, 54 b) vorgesehen ist.
2. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine lichtabfangende Fläche (40) auf der einen Oberfläche des einen Substrats (32 b) vorgesehen und mit Fenstern (40 a) zum Beleuchten einer Vorlage versehen ist, und daß auf der lichtabfangenden Schicht (40) eine Isolierschicht (42) vorgesehen ist, auf welcher wiederum die Sensoreinrichtung (44, 46) vorgesehen ist.
3. Bildsensor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Schutzschicht (48), welche eine Oberfläche der Isolierschicht (42) und die Sensoreinrichtung (44, 46) gänzlich bedeckt, und mit Fenstern (50 a) für einen Lichteinfall versehen ist.
4. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Substratteile (32 a, 32 b; 54 a, 54 b) aus Borosilikatglas hergestellt sind.
5. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Miniaturlinsen (38; 56) aus amorphem Diamantmaterial hergestellt sind.
6. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung Sensorelemente (44) und Elektroden (46) aufweist, welche die Sensorelemente (44) in einem Verhältnis von eins-zu-eins tragen.
7. Bildsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabfangende Schicht (40) aus NiCr hergestellt ist.
8. Bildsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (42) aus SiO2 hergestellt ist.
9. Bildsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (48) aus Si3N4 hergestellt ist.
10. Verfahren zum Herstellen eines Bildsensors zum Lesen von auf einer Vorlage aufgezeichneten Bildern, dadurch gekennzeichnet, daß
  • (a) zwei flache Substratteile (32 a, 32 b, 54 a, 54 b) vorgesehen werden, welche aus einem transparenten Material hergestellt sind;
  • (b) Vertiefungen (34, 36) mit einer vorherbestimmten Form an den Stellen einer Oberfläche der Substratteile (32 a, 32 b; 54 a, 54 b) ausgebildet werden, welche zueinander ausgerichtet sind;
  • (c) die Oberflächen der Vertiefungen (34, 36) optisch poliert werden;
  • (d) die Vertiefungen (34, 36) mit einer optischen Substanz gefüllt werden;
  • (e) die Substratteile (32 a, 32 b; 54 a, 54 b) miteinander verbunden werden, wodurch eine Anordnung von Miniaturlinsen (38; 56) an der Grenzfläche zwischen den Substratteilen (32 a, 32 b; 54 a, 54 b) geschaffen ist;
  • (f) eine lichtauffangende Schicht (40) auf einer Außenfläche eines der Substratteile (32 a, 32 b, 54 a, 54 b) vorgesehen wird, wobei die lichtabfangende Schicht (40) zum Beleuchten einer Vorlage mit Fenstern (40 a) versehen ist;
  • (g) eine Isolierschicht (42) auf der lichtabfangenden Schicht (40) vorgesehen wird, und
  • (h) Sensorelemente (44) und Elektroden (46) auf der Isolierschicht (42) vorgesehen werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
  • (i) eine Schutzschicht (48) vorgesehen wird, welche die Isolierschicht (42), die Sensorelemente (44) und die Elektroden (46) gänzlich bedeckt.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Substratteile (32 a, 32 b; 54 a, 54 b) jeweils ein 0,5 mm dickes Borsilikatglas-Substrat aufweisen.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (34, 36) einen Krümmungsradius von 1 mm und eine Tiefe von 0,05 mm haben.
14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Substanz amorphes Diamantmaterial aufweist, und daß beim Schritt (d) die Vertiefungen (34, 36) durch ein Plasma-CVD-Verfahren mit dem amorphen Diamantmaterial gefüllt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt (f) die lichtabfangende Schicht (40) und die Fenster (40 a) zum Beleuchten einer Vorlage durch Aufdampfen von NiCr im Vakuum in einer Dicke von 2000 1Ð ] ausgebildet werden.
16. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (42) eine SiO2- Schicht aufweist, welche 1 µm dick ist.
17. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente durch ein Plasma- CVD-Verfahren durch eine a-Si : H-Schicht ausgebildet werden.
18. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt (i) die Schutzschicht (48) durch ein Plasma-CVD-Verfahren aufgebracht wird.
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