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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Raumlichtmodulator, der Energie
in einem Laserstrahl mit hoher optischer Leistung zu modulieren vermag.
Der Raumlichtmodulator ist ein Raumlichtmodulator mit interner Totalreflexion,
in welchem eine ineinander greifende (interleaved) Gitterelektrodenstruktur
zum Einsatz kommt.
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Es
gibt zahlreiche Anwendungen für
optische Raumlichtmodulatoren mit lichtstarken optischen Strahlen.
Insbesondere in kommerziellen Druckanwendungen sind optische Laserleisten
mit einer Ausgangsleistung im Bereich von 20 Watt nicht unüblich. Wenn
diese Laserleisten im Dauerstrichbetrieb (CW) als Hochleistungs-Laserlichtquelle
verwendet werden, wird ein Mittel zur Modulation der starken Lichtstrahlen
zu einer Vielzahl separater Pixel benötigt. Derartige Hochleistungs-Laserstrahlen haben
normalerweise Wellenlängen
im Bereich von 0,8 μm
bis 1 μm.
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US-A-4,281,904
beschreibt die Verwendung eines TIR-Modulators (TIR/total internal
reflection/interne Totalreflexion) zur Modulation eines sichtbaren He-Ne
Laserstrahls. US-A-4,281,904
beschreibt die Verwendung eines Sperrfilters in der Ausgabeoptik, um
den Strahl 0. Ordnung zu sperren und gebeugtes Licht 1. Ordnung
auf das Medium abzubilden und Modulationskontrastwerte im Bereich
von 100 bis 1 für
insgesamt niedrige sichtbare Lichtpegel zu erhalten. Die in der
Anordnung aus US-A-4,281,904 angelegte Spannung entspricht dem Betrag
der Indexänderung,
der in einem Kristall notwendig ist, um einfallendes Licht effizient
zu einem Strahl erster Ordnung zu beugen. Die Beugung aus dem Basismodus
zum Modus erster Ordnung liefert einen großen Kontrast von 20 dB. Bei
dieser Anordnung geht leider Licht verloren (d.h. der nicht gebeugte
Teil und die Teile höherer
Ordnung), und in dem optischen Bild treten Nullen (keine Lichtbrechung)
auf. Weitere Patente, wie US-A-4,673,953 verwenden komplexe Schemata
zur Herstellung von "nullfreien" Vorrichtungen. Diese komplexen
Schemata umfassen die Verwendung zusätzlicher Optik zur Entfernung
von Nullen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt u.a. die Aufgabe zugrunde, einen Modulator
für interne
Totalreflexion bereitzustellen, der die vorstehend genannten Nachteile überwindet.
Die vorliegende Erfindung beschreibt die Konstruktion eines Lichtmodulators
für interne
Totalreflexion, der extrem hohe optische Leistungen bei Infrarotwellenlängen von
0,83 μm
handhaben kann. Die Vorrichtung kann die optische Leistung in einem
derart starken optischen Laserstrahl modulieren und in Pixel umwandeln
(pixilieren). Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich
der Begriff „optisch" auf Licht in den
sichtbaren, infraroten und nahinfraroten Teilen des Spektrums. Der
Modulator benutzt eine Gitterelektrodenstruktur, die durch eine
optische Pufferschicht vor Licht geschützt ist. Das Licht aus dem
Modulator wird von Schlieren-Optiken abgebildet, die mit einem Schlitz
oder einer Apertur (anstelle eines Sperrfilters in der Fourier-Ebene)
kombiniert sind, um ein Kontrastverhältnis > 4:1 in beispielsweise 256 Pixeln zu erzielen.
Der Modulator ist zudem nicht von dem Problem betroffen, dass in
dem Ausgabelicht Nullen auftreten, so dass diese auch nicht unterdrückt zu werden
brauchen. Druckmedien, die mit einem entsprechenden Schwellenwert
arbeiten, wie er im grafischen Gewerbe benutzt wird, können derart
niedrige Kontrastverhältnisse
nutzen.
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In
der vorliegenden Erfindung wurde ein Elektrodengitterabstand (d.h.
der Abstand des ineinandergreifenden Elektrodengitters) unter folgenden Bedingungen
ermittelt, der das Licht bei interner Totalreflexion von der Oberfläche des
elektrooptischen Kristalls beugt:
- a) der Abstand
muss groß genug
sein, um eine ausreichende elektrische Feldtiefe zu erhalten, so dass
eine ausreichende Interaktion mit dem optischen Feld möglich ist;
und
- b) der Abstand darf nicht so groß sein, dass die Betriebsspannung
(die Halbwellenspannung) auf über
100 Volt verstärkt
wird.
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Der
Abstand wurde durch Herstellung eines Testmodulators mit Abständen von
10 μm und
30 μm von
Mitte zu Mitte ermittelt, während
der Arbeitszyklus der Gitterstruktur modifiziert wurde. Die Elektrodenstrukturen
mit 10 μm
erzielten in keinem Fall einen hohen Kontrast, während die Strukturen mit 30 μm einen guten
Kontrast erzielten, jedoch mit extrem hohen Betriebsspannungen arbeiteten.
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Gleichzeitig
wurde eine geschlossene Lösung
zur Eindringtiefe des elektrischen Feldes in der elektrooptischen
Kristalloberfläche
als eine Funktion des Elektrodenabstands, der Elektrodenbreite und der
angelegten Spannung gesucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchung
wurden mit einer Finite-Elemente-Bewertung der optischen Wechselwirkungen innerhalb
des Phasengitters kombiniert, um eine Schätzung der Eigenschaften in
Bezug auf Kontrast, Wechselwirkungslänge, Übertragung und Rekonstruktion
der elektrodeninduzierten elektrooptischen Gitterstrukturen zu erhalten.
Man kam zu dem Schluss, dass die Elektrodenperiode 15 μm überschreiten
sollte, um einen ausreichend hohen optischen Kontrast zu erzielen.
Der Bereich von 15 bis 20 μm
gilt daher als bevorzugter Elektrodenabstand.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Raumlichtmodulator mit interner
Totalreflexion mit einem Kristallsubstrat, einer mit einem Muster
oder einer Struktur versehenen Pufferschicht mit Pufferabschnitten,
die auf einer Trägerfläche des
Kristallsubstrats ausgebildet sind; und einer Elektrodenanordnung,
die aus einer Vielzahl von Elektroden besteht. Die Elektrodenanordnung
ist mit einer Struktur versehen, basierend auf der mit einer Struktur
versehenen Pufferschicht, derart, dass jede Elektrode der Elektrodenanordnung
auf jedem Pufferabschnitt der mit einer Struktur versehenen Pufferschicht
angeordnet ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Raumlichtmodulator mit interner
Totalreflexion mit einem Kristallsubstrat, das mit winklig zueinander
angeordneten Endseiten versehen ist; eine mit einer Struktur versehenen
Pufferschicht, die auf einer Fläche
des Kristallsubstrats ausgebildet ist; und eine Elektrodenanordnung,
die auf der strukturierten Pufferschicht angeordnet ist.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst zudem eine Druckerbaugruppe, die eine
Lichtquelle umfasst, und einen Modulator mit interner Totalreflexion zur
Modulation von Licht aus der Lichtquelle, wobei der Modulator ein
Kristallsubstrat und eine auf dem Kristallsubstrat angeordnete strukturierte
Pufferschicht umfasst. Der Modulator mit interner Totalreflexion
umfasst Elektroden, die auf Pufferabschnitten der strukturierten
Pufferschicht angeordnet sind, derart, dass jede Elektrode auf jeder
Pufferschicht angeordnet ist. Der Drucker umfasst zudem eine Optikbaugruppe
zur Abbildung von Licht aus dem Modulator auf eine Druckebene.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Modulation
eines Lichtstrahls mit konstanter Wellenlänge, der aus einer leistungsstarken optischen
Infrarotlichtquelle stammt. Das Verfahren umfasst die Schritte zur
Anordnung einer strukturierten Pufferschicht mit Pufferabschnitten
auf einer Oberfläche
eines Kristallsubstrats und das Positionieren einer Elektrodenanordnung über der
strukturierten Pufferschicht, derart, dass jede Elektrode der Elektrodenanordnung über einem
Pufferabschnitt der strukturierten Pufferschicht angeordnet ist.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1a eine
Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur.
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1b eine
Phasenverschiebung zu einem unterhalb der Elektroden aus 1a übertragenen Lichtstrahl,
die aus der Anregung der Elektroden resultiert;
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2A ein
Umriss einer Erdungselektrode mit Serpentinenstruktur aus 256 aktiven
Pixeln mit einer Seitenansicht eines optischen Kristalls;
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2b eine
vergrößerte Ansicht
eines Anschlussbereichs der Elektrodenstruktur aus 2a;
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2c eine
isolierte Ansicht zur Darstellung von spannungsführenden Leitungen und einem
Erdungsanschluss aus 2b;
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3a eine
herkömmliche
Anordnung aus Elektrode und Puffer;
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3b eine
erfindungsgemäße Anordnung aus
Elektrode und Puffer;
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3c eine
isolierte Ansicht eines erfindungsgemäßen Elektroden- und Pufferabschnitts;
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4 eine
weitere Ansicht der erfindungsgemäßen Anordnung aus Elektrode,
Puffer und Kristallsubstrat mit einer elektrisch isolierenden Deckschicht;
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5 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Modulators innerhalb einer
Druckbaugruppe;
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6 eine
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kristallsubstrats;
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7 eine
weitere Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kristallsubstrats; und
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8a und 8b schematische
Darstellungen der X-, Y- und Z-Achsen des Kristallsubstrats; und
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9 die
Lage der elektronischen Treiberschaltungen für das Kristallsubstrat.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern für gleiche
oder entsprechende Teile der jeweiligen Ansichten stehen, zeigt 1a einen
Umriss zur Darstellung eines Beugungspixels, das aus drei „leitenden" Elektroden 20a–20c und
vier Erdungselektroden 23a–23d zusammengesetzt
ist. 1b zeigt die ungefähre Phasenverschiebung, die
sich aus der Anregung der Elektroden ergibt. Um Pixel innerhalb
einer ineinander greifenden Elektrodenstruktur zu definieren, werden
Bereiche der ineinander greifenden Gitterelektrodenstruktur mit
einer elektrischen Kontaktstelle verbunden. Um einen adäquaten Beugungswirkungsgrad
zu erzielen, werden drei volle Zyklen der Elektrodenstruktur bevorzugt.
Daher beträgt
die minimale Pixelgröße hier
120 μm,
d.h. vier Erdungselektroden, die drei stromführende Elektroden umschließen, wie
in 1a gezeigt. Vier stromführende und fünf Erdungselektroden
je Pixel (d.h. 160 μm
Pixel) wären
ebenfalls verwendbar, mit dem Unterschied, dass damit für einen
Modulator aus 256 Pixeln die Breite des Kristalls von 30,72 mm auf
40,98 mm angehoben würde.
Dies stellt einen starken Anstieg im Platzbedarf des elektrooptischen
Kristalls dar und würde
eine größere Optik
mit einem großen
Feld erfordern.
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Wie
zuvor erwähnt,
hat eine der Konstruktionen 256 Pixel und somit eine Breite von
30,72 mm (256 × 120 μm). Das in
diesem Fall verwendete elektrooptische Material war Lithiumniobat.
Um einen elektrischen Anschluss zu einer derartig großen Elektrodenstruktur
herzustellen (unter der Annahme, dass die Verbindungsstellen üblicherweise
127 μm breit
sind mit einer Lücke
von 127 μm)
müsste
die Struktur auf einem Kristall angeordnet werden, das 33 mm breit
(senkrecht zur Elektrodenstruktur) und 38 mm lang ist. Dies setzt
voraus, dass die aktive Elektroden-/Gitterstruktur 5 mm lang ist
und dass die Elektrodenkontaktstellen außerhalb der Breite der 3 bis
5 mm langen Elektrode angeordnet sind. Das Kristall ist so ausgerichtet,
dass das elektrische Feld von den Elektroden grundsätzlich entlang
der Kristallachse mit dem größten elektrooptischen
Effekt angelegt wird. In typischen elektrooptischen Kristallen,
wie Lithiumniobat und Lithiumtantalat, ist diese Achse die C-Achse
oder die Z-Achse, weshalb jede Kristallausrichtung verwendbar ist,
solange die Ausbreitungsachse nicht die Z-Achse ist und solange Elektroden an
die Kristallfläche
angelegt werden können,
um den elektrooptischen Effekt der C-Achse zu nutzen. Weil der optische
Strahl mit dem angelegten elektrischen Feld in einem begrenzten
Bereich, der als optische Wechselwirkungsdistanz bezeichnet wird,
interagiert, kann die Länge
der strukturierten Elektrode die effektive optische Wechselwirkungsdistanz
entlang einer Ausbreitungsrichtung überschreiten. Größtenteils
aufgrund der Hellfeldimplementierung des TIR-Modulators braucht
die Elektrodenlänge nicht
angepasst zu werden, um die Wechselwirkungslänge zu ermitteln. Die Wechselwirkungslänge lässt sich
stattdessen als eine optische Entwurfseinschränkung vorgeben. Die Zulassung
längerer
Elektroden erleichtert nicht nur Entwurf und Verarbeitung, sondern
gewährleistet
auch, dass mögliche
Grenzfelder zwischen den Elektroden an den Elektrodenenden im Wesentlichen
aus dem Bereich der optischen Wechselwirkung verbannt werden.
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Die
Elektrodenstruktur ist detailliert in 2a, 2b und 2c dargestellt. 2A zeigt einen
Umriss einer Erdungselektrode mit Serpentinenstruktur aus 256 aktiven
Pixeln mit einer Seitenansicht eines optischen Kristalls 27.
Die Elektrodenstruktur 25 umfasst zudem einen ineinandergreifenden
Gitterelektrodenbereich 2b zeigt
eine Vergrößerung des
Bereichs 29 aus 2b. Wie
in 2b gezeigt, erfolgt der Zugriff auf die Gitterelektrode 31 ungefähr alle
zwei bis vier Pixel, um Kontinuität zu gewährleisten. Jedes der 256 Pixel
wird einzeln adressiert, während
die mäanderförmig verlaufende
Erdungsleitung mit den Verbindungen von den Erdungselektroden 31 fortläuft und
sich zu einer zentralen Erdungsbusleiste 33 hin erstreckt,
wie in 2a und 2b zu
sehen ist. Die zahlreichen Verbindungen zur Busleiste 33 gewährleisten,
dass die Erdung über
die volle Länge
der Elektrode fortläuft. 2c zeigt
die in 1 dargestellte Gitterstruktur im
Detail und ein Verfahren zur Verbindung eines Pixels mit drei stromführenden
Gitterleitungen 35 und einer Erdungsverbindung 31.
Die Gitterstruktur aus 2c zeigt eine gekrümmte Linie
in der Mitte, um zu verdeutlichen, dass die Struktur größer als
in der Figur dargestellt ist. Die Breite, das Profil und die Lage
des aktivierten Pixels werden durch die feste Position der Erdungselemente
ermittelt. Obwohl dieser Ansatz eine Rasterung der Pixelposition
unterdrückt,
sind in Verbindung mit einer Mehrmodenquelle kaum Interpixel-Nullen
vorhanden. Es besteht daher keine Notwendigkeit zur Rasteradressierung.
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3a zeigt
eine herkömmliche
Gitterelektrodenstruktur mit kontinuierlicher Erdung, bei der die Elektroden 37a, 37b, 37c auf
einer kontinuierlichen Pufferschicht 39 auf einem elektrooptischen
Kristall 38 angeordnet sind. Eines der Probleme, die einige der
elektrooptischen Kristalle, wie Lithiumniobat haben, ist der durch
den Ladungseinfangvorgang unter einer Grenzfläche zwischen Elektrodenpuffer
und Kristall 36 verursachte Drift (beispielsweise aufgrund von
SiO2 Ablagerungen) (siehe 3a).
In der vorliegenden Erfindung wurde dieses Problem durch Fertigung
einer Elektrodenstruktur gelöst,
das nur unmittelbar unter der Elektrodenstruktur aufgebracht wurde,
wie in der diskontinuierlichen Pufferstruktur aus 3b gezeigt.
Wie insbesondere in 3a gezeigt, migriert die Ladung 45 entlang
einer kontinuierlichen Puffer-/Kristallgrenzfläche 36. In der in 3b gezeigten
Erfindung wird eine Pufferschicht auf einem Kristallsubstrat 47 in
Form einer Struktur aufgebracht, so dass die Pufferabschnitte 41a, 41b, 41c ausgebildet
werden. Eine die Elektroden 40a, 40b, 40c umfassende
Elektrodenanordnung ist auf der strukturierten Pufferschicht derart
angeordnet, dass die Elektrode 40a auf dem Pufferabschnitt 41a,
die Elektrode 40b auf dem Pufferabschnitt 41b und
die Elektrode 40c auf dem Pufferabschnit 41c usw.
angeordnet ist. Es sei darauf hingewiesen, dass 3b lediglich
einen Teil der Struktur zeigt, und dass die Elektroden und die Pufferabschnitte
der verbleibenden Struktur so wie in 3b gezeigt
platziert würden.
Bei der Struktur aus 3b kann die Ladung nicht entlang
der Grenzfläche 49 zwischen
Puffer und Kristall migrieren, da die Grenzfläche 49 nicht kontinuierlich
ist. In der Struktur aus 3b tritt
Ladung nur an der Puffer-/Kristall-Grenzfläche 49a, 49b, 49c auf
und nicht an der Overlay-/Kristall-Grenzfläche. Daher kann die Ladung
nicht zu entgegengesetzt geladenen Elektro den wandern und die angelegte Spannung
verändern. 3c ist
eine detaillierte Ansicht einer einzelnen Elektrode 40a,
die auf dem Pufferabschnitt 41a angeordnet ist, der sich
auf dem Kristallsubstrat 47 befindet. In einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann die Elektrode 40a eine
Dicke von 0,5 mm aufweisen, und eine Haftschicht 60 kann
zwischen dem Pufferabschnitt 41a und der Elektrode 40a angeordnet
sein, wie in 3c gezeigt.
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Nach
einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung sei darauf hingewiesen,
dass sich sehr starke elektrische Felder zwischen den Elektroden befinden
und dass über
der Elektrodenstruktur ein Material aufgetragen werden sollte, um
einen Zusammenbruch des elektrischen Feldes zu verhindern, der ansonsten
unter Luft auftreten könnte.
Diese Oberflächenbeschichtung
wird in 4 gezeigt. Insbesondere zeigt 4 einen
Schnitt der Elektrodenstruktur, einschließlich der Elektroden 40a–40g, der
Pufferabschnitte 41a–41g und
des Kristallsubstrats 47. Eine Deckschicht 50,
beispielsweise eine acrylartige Deckschicht, kann aufgebracht werden, um
einen Zusammenbruch des elektrischen Feldes in der Luft zu verhindern.
Die Deckschicht 50 kann transparent und optisch klar sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Deckschicht 50 nicht
auf eine acrylartige Deckschicht beschränkt ist. Die Deckschicht 50 kann
zudem aus einem im Elektronikbereich verwendeten Standardbeschichtungsmaterial bestehen,
sofern dieses nicht absorbierend ist, einen relativ niedrigen Index
(<<2,2) aufweist und
elektrisch isolierend ist. Die vorliegende Erfindung ist zudem nicht
auf die Verwendung einer Deckschicht zur Vermeidung des Zusammenbruchs
des elektrischen Feldes in der Luft beschränkt. Als weitere Option könnte ein
Luftevakuierungsverfahren benutzt werden, um einen Zusammenbruch
des elektrischen Feldes zu vermeiden.
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Die
Spannung, die zur Modulation der Lichtintensität von einem Maximum bis zu
einem Minimum verwendet wird, ist nicht notwendigerweise eine π (pi) Phasenverschiebung,
wie im Falle der in US-A-4,281,904 beschriebenen Modulatorkonfiguration,
wo dem gebeugten Licht auslegungsgemäß eine Beugungsspitze erster
Ordnung verliehen wird und das in einer Raumsperrfilter-Konfiguration
verwendet wird. Es ist für
den Benutzer von Vorteil, eine Spannung zu verwenden, die zu einer
Besselfunktion höherer
Ordnung gehört
(höher
als die 1. Ordnung), welche die Beugung eines sinusförmigen Phasengitters
definiert. In der vorliegenden Erfindung wird ein Schlitz oder eine
Apertur verwendet, und indem Licht in einer höheren Ordnung gebeugt wird,
wird Licht aus der 0. Ordnung entfernt. Es ist vorwiegend Licht 0. Ordnung,
das auf dem Medium abgebildet wird. Zwar kann die gewählte Ordnung
nicht immer den größten Beugungswirkungsgrad
aus der 0. Ordnung erzeugen, aber der Sammlungswirkungsgrad lässt sich
optimieren (siehe Parallelanmeldung mit Attorney Docket Nr. 79162).
Dies vereinfacht die Raumfilterkonstruktion mit Schlitz oder Apertur
in dem Volldrucksystem. Da das gebeugte Licht nicht verwendet wird,
führt Licht
mit Beugungen höherer
Ordnung nicht zu einer Zunahme der Größe, Komplexität oder Kosten
der Ein- und Auslassoptik. Ein Schlitz oder eine Apertur ist äußerst nützlich,
weil die Druckanwendungen hohe optische Leistungspegel auf dem Medium
erfordern und es nicht hinnehmbar ist, dass optische Leistung verloren
geht, wie dies mit der Raumsperrfilterkonfiguration der Fall ist.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Druckerbaugruppe und
einen resultierenden Lichtweg unter Verwendung des erfindungsgemäßen Modulators.
Wie in 5 gezeigt, wird Laserlicht aus einer Lichtquelle,
wie beispielsweise einer leistungsstarken Laserdiode, geformt und
tritt in Form einer Laserlinienbelichtung 70 in den Modulator 73 ein.
Der Modulator 73 ist mit einer Elektrode und Pufferstruktur
ausgebildet, wie zuvor beschrieben. Nachdem das Laserlicht 75 durch
den Modulator 73 getreten ist, tritt es in die Fourierlinse 77 ein
und weiter durch den Schlitz 76. Eine Abbildungslinse 79 bildet
das Licht auf einer Druckebene 79 ab.
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6 und 7 zeigen
weitere Merkmale der Erfindung in Bezug auf das Kristallsubstrat.
Da der erfindungsgemäße Modulator
eine extrem hohe optische Leistung moduliert, werden Lichtstrahlreflexionen
zu einem Problem. Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden gegenüberliegende
Endflächen 47a, 47b des
optischen Kristalls 47',
durch die der optische Strahl wandert, in einem Winkel von ca. 7
Grad geneigt (als eine Funktion des Brechungsindex, dem das Licht
beim Eintreten in und beim Austreten aus dem elektrooptischen Kristall
unterworfen ist, sowie der Wellenlänge des verwendeten Lichts),
so dass der gebeugte Strahl auf den ineinandergreifenden Gitterelektrodenbereich 25 gelenkt
wird (6), derart, dass Licht 80 (7)
auf einem geraden Weg parallel zu und zusammenfallend mit dem Ausgangsstrahl
in das Kristallsubstrat 47' treten
kann. Innerhalb des Kristalls ist das Licht einer internen Totalreflexion
von einer elektrooptischen Kristallfläche 85 unterworfen,
auf der sich die Elektroden befinden. Da das Kristall 47' üblicherweise
ein Material mit hohem Index ist, wie z.B. Lithiumniobat, können Reflexionen
von jeder optischen Oberfläche einen
großen
Prozentsatz der optischen Leistung ausmachen. Um einen guten Laserstrahl-Durchgangswirkungsgrad
zu erzielen, ist es zudem notwendig, Antireflexionsbeschichtungen 90 in
einer einzelnen Schicht oder im Mehrschichtenformat auf den Endflächen 47a und 47b zu
verwenden. Schon die Verwendung einer einzelnen 140 nm dicken Schicht
aus Siliciumdioxid als Antireflexionsschicht auf den Endflächen 47a, 47b kann
die Reflexionen an jeder Grenzfläche
von 14% auf einige wenige Prozent reduzieren. Mehrschichtige Antireflexionsbeschichtungen
vermögen
diesen Prozentsatz viel deutlicher zu senken, wodurch die Vorrichtung
zu einem hohen optischen Durchsatz in der Lage ist und wodurch gewährleistet
ist, dass starke Streulichtreflexionen das Kristall oder die Elektrodenstruktur nicht
beschädigen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt somit einen elektrooptischen Modulator
mit interner Totalreflexion bereit, der einen Lichtstrahl mit kontinuierlicher
Wellenlänge
moduliert, der von einer leistungsstarken Infrarotlichtquelle erzeugt
wird. In der vorliegenden Erfindung umfasst das Kristall (47, 47'), welches im
Bereich der sichtbaren und der IR-Wellenlängen transparent sein kann,
X, Y und Z Achsen, die so wie in 8a und 8b gezeigt
konfiguriert sein können, und
ist aus einem elektrooptischen Material mit IR-Wellenlängen ausgebildet
(einschließlich
0,8 μm–1,0 μm). 8a zeigt
das bevorzugte Ausführungsbeispiel,
in dem die Polarisation des Eingangslichts innerhalb der Kristallebene
und parallel zur Z-Achse liegt, während 8b ein
alternatives Ausführungsbeispiel
zeigt, in dem die Lichtpolarisation rechteckig zur Kristallfläche erfolgt.
Der Modulator umfasst eine strukturierte Pufferschicht mit Pufferabschnitten,
die über
einer der Oberflächen
des Kristalls angeordnet und aus einem organischen Material ausgebildet
sind, das elektrisch isolierend und nicht absorbierend ist und einen
niedrigeren Brechungsindex aufweist als das Kristallsubstrat bei
der Wellenlänge
von Interesse. Der Modulator umfasst zudem eine Elektrodenanordnung,
die derart ausgebildet ist, dass die Elektrode nur unmittelbar auf
jedem Abschnitt der strukturierten Pufferschicht strukturiert ist. Die
Dicke des Puffers ist so gewählt,
dass der Effekt der abklingenden Wellen für das IR-Licht innerhalb des
Kristalls und in Wechselwirkung mit den Elektroden minimiert ist.
Die Dicke des Puffers ist also sorgfältig so gewählt, dass die Absorption von
abklingenden Wellen bei interner Reflexion durch die Elektroden
minimiert wird, so dass die Elektroden nicht durch Abschmelzen beschädigt werden.
Das Elektrodenmuster wird mit der Kristallachse derart ausgerichtet,
dass der größte elektrooptische
Effekt verwendet werden kann. Dies ist der elektrooptische Koeffizient
r33 in standardmäßigen elektrooptischen Kristallen,
wie Lithiumniobat.
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In
der vorliegenden Erfindung kann ein ineinandergreifendes Elektrodengitter
mit einer Periodenbreite von 10 μm
und einem Periodenabstand von 10 μm
und 3 Gitterperioden, die ein Pixel mit 120 μm ausmachen, so ausgelegt sein,
dass der Kontrast des modulierten Strahls besser als 4:1 ist. Die
Elektrodenperiode mit einem Arbeitszyklus kann beispielsweise, aber
nicht abschließend,
auf 50% reduziert sein.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann die Gitterperiode
zwischen 10 μm
und 30 μm
betragen, und es wird eine Spannung von typischerweise kleiner als
100 V angelegt, um unerwünschtes
Licht aus dem Systemschlitz herauszustreuen.
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Ein
weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung umfasst ein Mittel zum
Anlegen von Spannungen, wie in 9 gezeigt,
an verschiedene Elektroden der strukturierten Elektrodenanordnung,
um elektrische Felder in dem Kristall zu erzeugen, die Abschnitte
des Lichtstrahls abwandeln, der unterhalb der Elektrostruktur und
innerhalb des optisch transparenten Kristalls hindurchtritt, und
zwar durch den elektrooptischen Effekt mittels Modulation dieser Spannungen.
Die Mittel zum Anlegen von Spannungen können als elektrische Treiberschaltkreise
700 ausgebildet sein.
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Eine
zuvor beschriebene Deckschicht kann eine optisch klare (auch gegenüber IR-Wellenlängen) und
elektrisch isolierende Deckschicht sein und diese kann über den
Elektroden und den dazwischen angeordneten strukturierten klaren
Abschnitten angeordnet sein.
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Das
Kristallsubstrat kann so ausgebildet sein, dass die gegenüberliegenden
Flächen,
durch die starkes Laserlicht tritt, geneigt oder in Winkeln ausgebildet
sind, so dass das leistungsstarke Licht, das in das Kristall eintritt,
derart gebeugt wird, dass es auf die Kristallfläche unter den Elektroden trifft
und von der Kristallfläche
intern total reflektiert wird. Das Licht wird dann gebeugt, um aus
dem Kristall auszutreten, so dass der starke Austrittslichtstrahl
mit 0. Ordnung parallel und übereinstimmend
zu dem Lichtstrahl verläuft,
der in das Kristall eintritt.
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Die
schrägen
oder winkligen Ein- und Austrittsflächen für den starken Lichtstrahl oder
die Endflächen
des Kristallsubstrats sind mit Antireflexionsschichten beschichtet,
so dass das unerwünschte Licht,
das von den Ein- und Austrittsflächen
reflektiert wird, minimiert wird.
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Der
erfindungsgemäße Modulator
kann 256 Pixel aufweisen, die derart verbunden sind, dass sich normalerweise
128 Pixelstellen auf jeder Kante des Kristalls befinden, die parallel
zum optischen Strahl verlaufen. Eine Erdungsverbindung, die mäanderförmig in
Serpentinen um jedes Pixel herumläuft, weist zahlreiche Verbindungen
zu einer gemeinsamen Busleiste auf jeder Seite des Kristalls parallel
zur Richtung der Lichtausbreitung auf. Alternativ hierzu kann eine
getrennte Erdungsverbindung zu jedem Pixel vorgesehen sein.
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In
einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann der Betrag
des von jedem Pixel auf der Medienebene abgebildeten Lichts gesteuert
und somit ausgeglichen werden, indem die Impulsdauer der Spannung
auf jedes einzelne Pixel während
einer Liniendruckzeit abgestimmt wird. Hierbei müssten die Pixel vor dem Drucken
kalibriert werden, um die Impulsdauer für jedes Pixel zu ermitteln.
Auf diese Weise würde
ein gleichmäßigeres
Drucken durch die gesamte Pixelanordnung erzielt. Dadurch wird ein Mittel
zur Korrektur gewisser Ungleichmäßigkeiten
in der Beleuchtung, bei den Elektroden, den Beschichtungen und dem
Kristall bereitgestellt.