DE4203727A1 - Lichtzufuehrvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtzuführvorrichtung, insbeson­ dere für einen hochauflösenden optischen Druckkopf, mit auf einem Substrat angeordneten lichtemittierenden Elementen und mit mindestens einer linearen Anordnung lichtfokussierender Elemente, die den lichtemittierenden Elementen optisch zu­ geordnet sind. Das Substrat kann aus einem dotierten Halb­ leiterchip (z. B. p-Silizium) bestehen, auf dem die licht­ emittierenden Elemente bildende pn-Übergänge geschaffen sind.

Eine derartige Lichtzuführvorrichtung ist aus dem Prospekt "Hitachi LED PRINTHEAD", 1989 der Fa. Hitachi Cable, Ltd. (Chiyoda Bldg. 2-12, Maruouchi, Chiyoda-ku, Tokyo, 100 Japan), beispielsweise unter der Bezeichnung HLA 324 A, bekannt. Diese bekannte, in einem optischen Druckkopf verwendete Lichtzuführ­ vorrichtung enthält als lichtemittierende Elemente linear auf einem Substrat angeordnete lichtemittierende GaAlAs-Dioden, die gemäß eingangsseitig angelegten Druckdaten über eine Steuerschaltung zur gezielten Lichtemission ansteuerbar sind. Den lichtemittierenden Elementen sind lichtfokussierende Elemente aus einer linearen Anordnung selbstfokussierender Linsen (sog. Selfoc Lens Array) zugeordnet. Über die licht­ fokussierenden Elemente wird das von den lichtemittierenden Elementen bedarfsweise abgegebene Licht auf einem beabstandet angeordneten Aufzeichnungsträger fokussiert.

Bei der bekannten Lichtzuführvorrichtung müssen die lichtemit­ tierenden Elemente der gewünschten Anordnung und Teilung der auf dem Aufzeichnungsträger zu erzeugenden Bildpunkte ent­ sprechend innerhalb geringster Toleranzen ausgebildet und positioniert werden. Zur Herstellung der bekannten Lichtzu­ führvorrichtung sind viele Füge- und Positionierschritte mit höchster Genauigkeit - insbesondere zwischen den lichtemit­ tierenden Elementen - erforderlich. Wegen der Abstrahlcha­ rakteristik der lichtemittierenden Elemente (Dioden) müssen diese einen verhältnismäßig großen Koppelabstand zu den lichtfokussierenden Elementen aufweisen, der sich in einem verhältnismäßig geringen Koppelwirkungsgrad niederschlägt. Um die lichtfokussierenden Elemente von Wärmeeinflüssen unbe­ einträchtigt zu lassen, muß für eine möglichst hohe Wärmeab­ fuhr von dem Substrat gesorgt werden. Ein nicht funktions­ fähiges lichtemittierendes Element auf dem Substrat beein­ trächtigt direkt die Funktionsfähigkeit der Lichtzuführ­ vorrichtung bzw. des Druckkopfes. Schließlich sind einer Erhöhung der Auflösung bzw. Teilung der zu erzeugenden Licht­ punkte auf dem Aufzeichnungsträger durch die Positionsge­ nauigkeit und - auch im Hinblick auf Trennprozesse des Sub­ strats aus der Ausgangsplatte (Siliziumwafer) notwendige - Mindestabstände zwischen den lichtemittierenden Elementen Grenzen gesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach und kostengünstig herstellbare Lichtzuführvorrichtung zu schaffen, die sich durch eine positionsgenaue, hohe Auflösung aus­ zeichnet.

Diese Aufgabe wird bei einer Lichtzuführvorrichtung der ein­ gangs genannten Art gelöst durch einen faseroptischen Quer­ schnittswandler, dessen lichteingangsseitige Faseranordnung auf die Anordnung der lichtemittierenden Elemente abgestimmt ist und dessen lichtausgangsseitige Faseranordnung hinsicht­ lich Faserdurchmesser und Faserbeabstandung auf die gewünschte Auflösung und Teilung abgestimmt und den lichtfokussierenden Elementen gegenüberliegend angeordnet ist. Faseroptische Querschnittswandler sind für sich auf anderen Gebieten der Optik, beispielsweise im Zusammenhang mit einer Einrichtung zum Abtasten durchsichtiger Bildvorlagen aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 85 26 934.4, bekannt.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lichtzuführ­ vorrichtung besteht in der mechanischen und thermischen Ent­ kopplung der auf dem Substrat angeordneten lichtemittieren­ den Elemente von den lichtfokussierenden Elementen; durch elastische Eigenschaften des Querschnittswandlers kann das Substrat mit den lichtemittierenden Elementen annähernd be­ liebig in bezug auf die gewünschte Fokussierungsebene ange­ ordnet werden. Die lichtemittierenden Elemente können direkt auf einem Kühlkörper zur optimalen Wärmeabfuhr angeordnet werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsge­ mäßen Lichtzuführvorrichtung besteht darin, daß die licht­ emittierenden Elemente nahezu beliebig auf dem Substrat an­ geordnet werden können, ohne die positionsgenaue Ausgabe der fokussierten Lichtpunkte z. B. auf einem Aufzeichnungsträger zu beeinflussen. Die erfindungsgemäße Lichtzuführvorrichtung hat ferner den wesentlichen Vorteil, daß auch funktionsgestör­ te oder unbrauchbare einzelne lichtemittierende Elemente bei der Herstellung der Lichtführvorrichtung nicht zwangsläufig zum Ausschuß des gesamten Substrats (z. B. des Silizium-Halb­ leiterchips mit den die lichtemittierenden Elemente bildenden pn-Übergängen) führen; die defekten lichtemittierenden Ele­ mente werden entweder nicht an den faseroptischen Querschnitts­ wandler angekoppelt oder das einem defekten lichtemittierenden Element zugeordnete lichtausgangsseitige Faserende wird nicht einem lichtfokussierenden Element gegenüber angeordnet. Zu­ sätzlich vorgesehene lichtemittierende Ersatzelemente können anstelle der defekten Elemente an den faseroptischen Quer­ schnittswandler angekoppelt und ersatzweise angesteuert wer­ den. Zwischen den lichtemittierenden Elementen und der licht­ eingangsseitigen Faseranordnung des Querschnittwandlers ist ein verhältnismäßig geringer Abstand ermöglicht, der einen wesentlich verbesserten Koppelwirkungsgrad bewirkt. Damit ist eine geringere Lichtintensität ausreichend, die eine Redu­ zierung der Energieaufnahme und der Wärmeumsetzung auf dem Substrat erlaubt. Die erfindungsgemäße Lichtzuführvorrichtung gestattet einen einfachen modularen Aufbau.

Zur Reduzierung der Einkoppelverluste zwischen den lichtemit­ tierenden Elementen und der lichteingangsseitigen Faseranord­ nung ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfin­ dung vorgesehen, daß zwischen den lichtemittierenden Elementen und den Stirnflächen der lichteingangsseitig angeordneten Faserenden ein von der Stirnflächennormalen abweichender Lichteinfallswinkel vorgesehen ist. Der so gebildete Winkel zwischen Lichteinstrahlrichtung und Faserstirnflächennormalen muß innerhalb der numerischen Apertur liegen.

Eine fertigungstechnisch besonders vorteilhafte Möglichkeit der Reduzierung der Einkoppelverluste besteht darin, daß die Stirnflächen der lichteingangsseitigen Faserenden abgeschrägt sind.

Eine besonders hohe Auflösung wird gemäß einer vorteilhaften Fortbildung der erfindungsgemäßen Lichtzuführvorrichtung dadurch erreicht, daß die Faserenden der lichtausgangsseitigen Faseranordnung unter dichtester Packung zweireihig parallel versetzt angeordnet sind.

Ein besonders kompakter, platzsparender und das Grundmaterial eines substratbildenden Silizium-Halbleiterchips gut aus­ nutzender Aufbau läßt sich gemäß einer weiteren vorteilhaften Fortbildung der erfindungsgemäßen Lichtzuführvorrichtung dadurch erreichen, daß die lichtemittierenden Elemente auf dem Substrat zweidimensional in Matrixform verteilt sind.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lichtzuführvorrichtung und

Fig. 2 eine Draufsicht auf lichtfokussierende Elemente der erfindungsgemäßen Lichtzuführvorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Lichtzuführvor­ richtung ist für die Verwendung bei einem hochauflösenden optischen Druckkopf ausgebildet und enthält ein im wesent­ lichen quadratisches Substrat 1 aus p-dotiertem Silizium, auf dem eine Vielzahl lichtemittierender Elemente 2 in Form von pn-Übergängen ausgebildet ist. Diese sind mittels einer nicht gezeigten Ansteuerschaltung gemäß auszugebender Druckdaten erregbar. Bei Erregung gibt ein lichtemittierendes Element 2 für eine vorgegebene Zeitdauer einen Lichtimpuls ab.

In einem Abstand 3 von dem Substrat 1 ist ein faseroptischer Querschnittswandler 4 angeordnet, dessen lichteingangsseitige Faseranordnung 5 auf die Anordnung der lichtemittierenden Elemente 2 abgestimmt ist. Dazu ist jeweils mindestens ein (stark vergrößert dargestelltes) Faserende 6 mit seiner Stirnfläche 7 im wesentlichen einem lichtemittierenden Element 2 gegenüberliegend angeordnet. Vorzugsweise sind die Stirnflä­ chen 7 der lichteingangsseitigen Faserenden abgeschrägt, so daß die Lichteinkopplung in einem von der Stirnflächennormalen 7a abweichenden, innerhalb der numerischen Apertur liegenden Winkel erfolgt. Der faseroptische Querschnittswandler 4 weist als lichtausgangsseitige Faseranordnung 8 eine im wesentlichen lineare Anordnung der jeweils anderen Faserenden 9 auf, wobei die Beabstandung der Faserenden 9 auf die gewünschte Auflösung und Teilung abgestimmt ist. Den Faserenden 9 der lichtaus­ gangsseitigen Faseranordnung 8 sind in einem vorgegebenen Abstand 10 als lichtfokussierende Elemente 11 jeweils selbst­ fokussierende Linsen in Form eines sog. "Selfoc-Lens-Arrays" 12 zugeordnet. Die lichtfokussierenden Elemente 11 haben einen Durchmesser von ca. 1 mm und fokussieren das aus den Faseren­ den 9 der lichtausgangsseitigen Faseranordnung 8 austretende Licht in vorgegebener Entfernung auf eine Brennebene 14, die z. B. auf einem nicht dargestellten Aufzeichnungsträger liegen kann. An der Fokussierung des aus einem Faserende 9 austreten­ den Lichts können mehrere Linsen des "Selfoc-Lens-Array" be­ teiligt sein, wobei deren Fokussierungsanteile zu einem scharfen Bildpunkt in der Brennebene beitragen.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht der lichtfokussierenden Elemente 11 von der querschnittswandlerfernen Seite aus. Die lichtfo­ kussierenden Elemente 11 sind in dichtester Packung (Pa­ rallelversatz 15) zweireihig angeordnet. Die lichtausgangs­ seitigen Faserenden 9 (Fig. 1) sind hinsichtlich ihrer zwei­ reihigen Anordnung in dichtester Packung und in ihrem Durchmesser auf die gewünschte Auflösung und Teilung abge­ stimmt.

Der Querschnittswandler 4 ermöglicht eine im wesentlichen be­ liebige Anordnung der lichtemittierenden Elemente 2 auf dem Substrat 1, wobei lediglich die lichtausgangsseitige Faser­ anordnung 8 der Faserenden 9 auf die gewünschte Teilung ab­ zustimmen ist. Damit ist die erzielbare Auflösung und Teilung von der Positioniergenauigkeit und der Miniaturisierung der lichtemittierenden Elemente unabhängig und im wesentlichen durch die Positionierung und Abmessungen der lichtausgangs­ seitigen Faserenden 9 bestimmt. Die lichtemittierenden Ele­ mente 2 können in vorteilhafter Weise direkt auf einem Kühl­ körper montiert werden. Eine Einzelpositionierung der licht­ emittierenden Elemente 2 ist nicht erforderlich. Sollten einzelne lichtemittierende Elemente 2 nicht funktionstüchtig sein, kann dennoch das Substrat 1 mit den übrigen lichtemit­ tierenden Elementen 2 verwendet werden, so lange die Gesamt­ zahl funktionierender lichtemittierender Elemente 2 die Zahl der notwendigen, zu erzeugenden Bildpunkte nicht unterschrei­ tet. Der verhältnismäßig geringe Abstand 3 zwischen den lichtemittierenden Elementen 2 und der lichteingangsseitigen Faseranordnung 5 gewährleistet zusammen mit der vorzugsweise schrägen Lichteinstrahlung einen sehr günstigen Koppelwir­ kungsgrad.

Bei einer gewünschten Auflösung von z. B. 600 dpi (= dots per Inch/entsprechend 23,6 Punkte/mm) ergibt sich ein Abstand der Fasermittelpunkte in der lichtausgangsseitigen Faseran­ ordnung 8 von 42 µm. Damit ist der Faserdurchmesser kleiner oder gleich 42 µm zu wählen; derartige Fasern sind marktüblich und werden beispielsweise von der Fa. SCHOTT, Wiesbaden geliefert (vgl. Prospekt der Fa. SCHOTT "Lichtleitfasern von SCHOTT" T 7104/3d V/87).

Claims (5)

1. Lichtzuführvorrichtung, insbesondere für einen hochauf­ lösenden optischen Druckkopf, mit auf einem Substrat (1) ange­ ordneten lichtemittierenden Elementen (2) und mit mindestens einer linearen Anordnung lichtfokussierender Elemente (11), die den lichtemittierenden Elementen (2) optisch zugeordnet sind, gekennzeichnet durch einen faseroptischen Querschnittswandler (4), dessen lichteingangsseitige Faseran­ ordnung (5) auf die Anordnung der lichtemittierenden Elemente (2) abgestimmt ist und dessen lichtausgangsseitige Faseranord­ nung (8) hinsichtlich Faserdurchmesser und Faserbeabstan­ dung auf die gewünschte Auflösung und Teilung abgestimmt und den lichtfokussierenden Elementen gegenüberliegend (11) angeordnet ist.

2. Lichtzuführvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den lichtemittierenden Elementen (2) und den Stirnflächen (7) der lichteingangsseitig angeordneten Faserenden (6) ein von der Stirnflächenormalen (7a) abweichender Lichteinfallswinkel vorgesehen ist.

3. Lichtzuführvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (7) der lichteingangsseitigen Faserenden (6) abgeschrägt sind.

4. Lichtzuführvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserenden (9) der lichtausgangsseitigen Faseranordnung (8) unter dichtester Packung mehrreihig angeordnet sind.

5. Lichtzuführvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierenden Elemente (2) auf dem Substrat (1) zweidimensional in Matrixform angeordnet sind.