DE69023266T2

DE69023266T2 - Maskenkontrollierte Kopplung zwischen optischen Komponenten auf einem Substrat.

Info

Publication number: DE69023266T2
Application number: DE69023266T
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: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2010-04-21
Also published as: US4966446A; EP0394866A3; EP0394866A2; DE69023266D1; JPH02301704A; EP0394866B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anzahl von Anmeldungen mit gleichem Anmeldedatum für die selben Erfinder mit den Titeln: "Ebene reflektierende optische Vorrichtungen", "Integration von planaren optischen Freiraum-Komponenten" und "Integrierter optischer Faksimileapparat".
Diese betrifft integrierte Optik für Freiraum-Rechnerumgebungen. Insbesondere betrifft dies Techniken zur Entwicklung von interaktiven Feldern für optische Elemente, die nicht mit raumgreifenden, mechanischen Anordnungen zur Umsetzung von Freiraum-Rechnern ausgerichtet sein müssen.
Herkömmliche optische Systeme verwenden eine Vielzahl von optischen Elementen, wie z. B. Linsen und Strahlverzweiger, die mit Hilfe mechanischer Einrichtungen montiert und ausgerichtet sind. In komplexen optischen Systemen, die aus vielen einzelnen Komponenten bestehen, wird das Ausrichten und die Stabilität dieser Komponenten ein entscheidendes Kriterium. Das Problem des Ausrichtens wird insbesondere schwierig, wenn die erforderliche Präzision sich den Grenzen herkömmlicher Feinmechanik nähert.
In optischen Freiraum-Rechnersystemen ist die erforderliche Präzision abhängig von der Größe der optischen, logischen Gattern, die zur Durchführung der logischen Operationen verwendet werden, wie z. B. UND und ODER Funktionen.
Typischerweise sind die Größen der optischen, logischen Vorrichtungen, die im vorliegenden Fall untersucht werden, in der Größenordnung von einigen Mikrometern oder weniger. Das heißt, daß die Toleranzen zum Ausrichten für die optischen Komponenten in der Submikrometer-Größenordnung sein müssen. Herkömmliches mechanisches Ausrichten optischer Komponenten ist mit einer Präzision in der Größenordnung von 10 Mikrometer möglich. Unterhalb dieser Größenordnung werden herkömmliche Techniken zunehmend teuer. Das heißt, daß für die Aufgabe des Gestaltens komplexer optischer Systeme, die sehr präzise Montage erfordern, alternative Techniken heranzuziehen sind. Das Problem ist dann: "Wie setzen wir alle Komponenten zusammen mit einer Präzision im Submikrometerbereich, so daß die sich ergebende Anordnung stabil bleibt, trotz Einflüßen wie z. B. Temperaturänderungen, mechanischen Spannungen, Alterung, etc...".
Auf dem Gebiet der Halbleiter stellen Verbindungen auch eine Herausforderung dar. Die Herausforderung auf dem Gebiet der Halbleiter folgt aus der Tatsache, daß elektronische Elemente (z. B. Transistoren, Widerstände, Übergänge, etc. ) im Grunde genommen ebene Vorrichtungen darstellen und die Verbindungen zwischen den elektronischen Elementen sich auf ebene Übergänge beschränken. Dies ist insbesondere nachteilig für Verbindungen zu und von integrierten Schaltkreisen. Der Grund dafür liegt in der Forderung, einen Rand des integrierten Schaltkreises zu erreichen und der Forderung nach ausreichender Stromführungskapazität, um im Umfeld der Kapazitäten des Schaltkreises das Signal an den Eingabe/Ausgabe Anschlüssen auf die gewünschten Spannungsniveaus zu bringen.
Zur Lösung der Verbindungsprobleme in elektronischen Schaltkreisen schlagen neuere Vorschläge die Verwendung von optischen Freiraum-Einrichtungen vor. Die Konfigurationen für optische Verbindungen von VLSI Systemen, die für diese Erfindung am wichtigsten sind wurden von Goodman et al. beschrieben in "Proceeding of the IEEE, Band 72, Nr. 7, Juli 1984, Seite 850 - 866 und später vo Brenner et al. in Applied Optics, Band 27, Nr. 20, 15. Okt. 1988, Seite 4251 - 4254. Beide Veröffentlichungen beschreiben Anordnungen, deren exponierte Oberflächen eines integrierten Schaltkreises optische Detektoren enthält. Bei den Anordnungen von Goodman et al. wird Licht etweder von außerhalb des integrierten Schaltkreises oder von Lichtquellen an den Rändern des integrierten Schaltkreises verwendet. Das Licht wird auf ein Hologramm-Substrat gerichtet, das über der Oberfläche des integrierten Schaltkreises angeordnet ist, und das Hologramm lenkt die optischen Signale auf der Grundlage der in dem Hologramm enthaltenen Information zu den gewünschten Detektoren.
Die Anordnung von Brenner et al. ist insoweit ähnlich mit der von Goodman et al. als beide, die Lichtquelle und der Detektor, auf der selben exponierten Oberfläche des integrierten Schaltkreises sind. Das Licht ist nach oben gerichtet auf ein Substrat, das über der exponierten Oberfläche des integrierten Schaltkreises gehalten ist und das Hologramme an bestimmten Orten des Substrats enthält. Die Hologramme sind an der Oberfläche des Substrats, die dem integrierten Schaltkreis gegenuberliegt (der Oberfläche nahe dem Ende). Eine verspiegelte Oberfläche ist an der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats (der Oberfläche fern dem Ende) angeordnet. Das Licht von einer Lichtquelle von einem integrierten Schaltkreis dringt durch das Substrat des Hologramms, wird von der verspiegelten Oberfläche reflektiert und kehrt zu der Oberfläche des integrierten Schaltkreises zurück, wo ein optischer Detektor angeordnet ist (wenn die Anordnung ordentlich ausgerichtet ist). In einer Ausführung der Anordnung von Brenner et al. wird das Licht, das von der Oberfläche fern dem Ende reflektiert wird, reflektiert von einem verspiegelten Abschnitt auf der Oberfläche nahe dem Ende, und wird wieder reflektiert von der Oberfläche fern dem Ende bevor es den integrierten Schaltkreis erreicht. So wird ein Verlängerung des optischen Übergangs möglich und eine gewisse Flexibilität geboten beim Positionieren des Lichtdetektors gegenüber der Lichtquelle.
Die obigen Anordnungen lösen vielleicht das Problem der übertragenen Signale zu und von integrierten Schaltkreisen. Sie lösen jedoch nicht den Bedarf an einem optischen Rechnersystem. Zunächst heben sie nicht den Bedarf für das Ausrichten auf. Die Hologramme und die Spiegel in den oben beschriebenen Anordnungen müssen genau ausgerichtet sein. Zweitens richten sie sich nur auf das relativ einfache Verfahren, ein optisches Signal von einem Punkt zu senden und es an einem anderen wieder aufzunehmen. Sie lösen nicht das Problem, einen Schaltkreis zu schaffen mit optischen Elementen, die allgemeiner untereinander zusammenwirken. Drittens befaßen sich die oben beschriebenen Systeme im Grunde genommen mit der Kommunikation von Punkt zu Punkt oder von einem zu vielen Punkten, wohingegen optische Rechneranwendungen Bilder übertragen müssen (eine Sammlung von Punkten). Die Bedeutung dieses Unterschieds liegt in der Tatsache, daß eine Linse das Bild umkehrt. Im Falle einer Kommunikation von Punkt zu Punkt, ist diese Umkehrung bedeutungslos und wird daher nicht berücksichtigt. Im Fall von Bildbearbeitung hingegen darf man Abschnitte des Bilds nicht ungestraft umkehren.
Wird die Aufmerksamkeit auf die Herstellung von integrierten Schaltkreisen aus Halbleitern gerichtet, kann festgestellt werden, daß die gängigen Techniken ganze Schaltkreise auf einem einzelnen Substrat herstellen, mit der sich ergebenden Eigenschaft, daß die Anordnung der Verbindungen für die bearbeiteten Elemente gleichzeitig mit der Herstellung der Elemente des Schaltkreises selbst gefertigt wird. Auch die relative Positionierung der Elemente des Schaltkreises, relativ zueinander, ist festgelegt.
Das Letztere ist nicht notwendigerweise bedeutungsvoll für die Ausgestaltung von elektronischen Schaltkreisen, da die Verbindungen physisch sind, Punkt zu Punkt Verbindungen innerhalb der Struktur des Schaltkreises. Es könnte aber von vitalem Interesse in optischen Schaltkreisen sein. Im Kontext der Erfindung ist ein optischer Schaltkreis jede Anordnung optischer Elemente, wie z. B. Spiegel, Linsen, etc., die vorgegebene Übertragungen von optischen Signalen durchführen. Hersteller haben die Vorteile von Stapel-Techniken zur Herstellung von Halbleitern für optische Schaltkreise erkannt. Zum Beispiel in "Fabrication of Planar Optical Phase Elements", Optical Communications, Band 8, Nr. 2, Juni 1973, Seite 160 - 162, Firester et al. wird eine Technik zur Herstellung von optischen Phasenelementen beschrieben, bei der relativ herkömmliche Techniken zur Herstellung verwendet werden. Ihr Verfahren startet mit Glas, das von verdampftem Aluminium bedeckt ist. Das Aluminium ist beschichtet mit einem Photowiderstand, eine binäre Muster-Maske wird auf den Photowiderstand angewandt und das Aluminium wird chemisch auf das von der Maske vorgezeichnete Muster geätzt. Danach wird der verbleibende Photowiderstand entfernt und eine Schicht Thorium-Fluorid wird darauf abgelagert, wobei widerstandserhitzte Vakuumverdampfung verwendet wird. Am Ende wird das Aluminiummuster weggeätzt und zurück bleibt das Thorium Fluorid, das Kontakt hatte mit dem Glas.
Vor kurzem beschrieben Shino et al. in "Rectangular apertured micro Fresnel lens array fabricated by electron beam lithography", Applied Optics, Band 26, Nr. 3, Feb. 1987, Seite 587 - 591, einen Ansatz mit einem Elektronenstrahl zur Erzeugung eines Feldes von Fresnel-Linsen, bei dem das tatsächliche Ätzen von Beschichtung, die auf ein Glassubstrat gebacken war, erzielt wurde mittels eines Elektronenstrahl Schreibsystems.
Diese Artikel zeigen die Verwendung von Stapel- Verfahrenstechniken zur Erzeugung einer Vielzahl optischer Elemente, die in Kombination ein Feld von Elementen bilden. Derartige Felder werden verwendet um ein besonderes optisches Element zu bewirken, wie ein Feld von Linsen, ein Feld von Detektoren, ein Hologramm, etc. Eine gemeinsame Eigenschaft dieser Feldelemente ist es, daß Energie entzogen oder aufgebracht wird auf das gesamte Herstellungsfeld von Vorrichtungen als eine Einheit. Es gibt keine einzige vorbestimmte Wechselwirkung zwischen den Elementen selbst, die deren besondere Anordnung umformen würde zu einem "Schaltkreis" anstelle eines "Makro" optischen Elements.
Es besteht somit noch ein ungelöster Bedarf an der Herstellung optischer Rechnerschaltkreise, die keine strenge mechanische Ausrichtung erfordern.
Die Defizite beim Ausrichten der optischen Rechner gemäß dem Stand der Technik sind überwunden worden mittels Integration aller erforderlichen optischen Komponenten auf einem einzelnen Substrat und durch Anordnen der Elemente auf eine Weise, die diese dazu veranlaßt, aufeinander zu wirken, um die gewünschte Funktion zu erbringen. Dies beinhaltet Lichtquellen, optische Detektoren, verspiegelte Oberflächensegmente, gerasterte Segmente, transmissive Linsen und reflektierende Linsen. Das Substrat weist eine oder zwei Hauptoberflächen auf und die Elemente werden gezogen oder hergestellt auf diesen Oberflächen unter Verwendung herkömmlicher Herstellungstechniken für integrierte Schaltkreise. In einem derartigen Schaltkreis werden die relativen Positionen der optischen Elemente von der Herstellungsmaske festgelegt. Die Herstellungsmasken können von einem Elektronenstrahlschreiber erzeugt werden, der eine Positionierungsgenauigkeit bietet in der Größenordnung von 0,1 Mikrometer. Die Maske kann einen Durchmesser von mehreren Inches aufweisen. Die Linsen können zur Übertragung von Bildern entworfen sein (die Sammlungen von Punkten sind) anstelle Licht von einem Punkt zum nächsten zu senden.

Zusammenfassung der Erfindung

In Anbetracht der Tatsache daß ein optischer Schaltkreis größer sein kann, als das was auf einem einzelnen Substrat hergestellt werden kann, ist die Erfindung in Anspruch 1 definiert und bewältigt das Problem der Anbringung und des Ausrichtens, indem Substrate mittels Vorsprungs- und Vertiefungs-Ausrichtungseinrichtungen, wie z. B. Stegen und Rillen, physisch aneinandergekuppelt werden, die als Teil des Herstellungsverfahrens der optischen Elemente in die Substrate eingebettet sind. Bei Herstellungsverfahren, die Masken verwenden, werden die Ausrichtungseinrichtungen und die optischen Vorrichtungen auf den selben Masken festgelegt und werden daher gleichzeitig hergestellt. Die sich ergebende Übereinstimmung zwischen den optischen Elementen und den Ausrichtungseinrichtungen ist so genau wie die Auflösung der die Maske erzeugenden Ausrüstung. Bei anderen Herstellungstechniken besteht immer noch das Prinzip, daß die Positionierungsgenauigkeit nur begrenzt ist von der Genauigkeit des Mechanismus, der die einzelnen Merkmale der hergestellten optischen Vorrichtungen bestimmt. Verbindung der Substrat auf diese Weise eliminiert an sich das Erfordernis nach gesonderter Ausrichtung. Uberdies vermindert die enge physische Verbindung der Substrate die nachteiligen Wirkungen der Änderungen des Refraktionsindexes zwischen Substraten. Am vorteilhaftesten ist, daß alle Vorrichtungen, für die die Positionierung wichtig ist, und die Ausrichtungseinrichtungen hergestellt werden auf einer Oberfläche von jedem Substrat, und daß die andere Oberfläche der Oberflächen des Substrats Vorrichtungen enthalten, für die die Positionierung unwichtig ist, wie zum Beispiel Spiegel.

Figurenbeschreibung

Fig. 1 zeigt eine 4f-Abbildungsanordnung mit zwei Linsen und einem Einteilungselement,
Fig. 2 stellt eine gefaltete Ausführung der Abbildungsanordnung von Fig. 1 dar,
Fig. 3 stellt eine Seitenansicht einer Fresnel-Linse dar,
Fig. 4 stellt eine mehrstufige, ebene Umsetzung der Linse von Fig. 3 dar,
Fig. 5 zeigt zwei Anordnungen zur Anwendung reflektierender Schichten auf die Umsetzung gemäß Fig. 4 zur Bildung einer reflektierenden, ebenen Linse,
Fig. 6 zeigt eine Ausgestaltung der Anordnung von Fig. 4, die mittels Ätztechniken entwickelt wurde,
Fig. 7 zeigt ein transparentes Substrat, bei dem die Linsen, die den Schaltkreis bilden, auf der oberen Oberfläche angeordnet sind,
Fig. 8 zeigt eine Anordnung von zwei matierten Substraten, die es dem Licht gestatten, zwischen optischen Elementen auf beiden Substraten zu wirken,
Fig. 9 stellt die Ausrichtungseinrichtungenen dar, die in dem Substrat 70 und 80 von Fig. 8 hergestellt sind, die genaue Ausrichtung der zwei Substrate erlauben,
Fig. 10 zeigt die Anordnung von Fig. 8, wobei das untere Substrat aus einem Material hergestellt ist, das die Herstellung lichtemittierender optischer Vorrichtungen und lichtempfindlicher optischer Vorrichtungen erlaubt,
Fig. 11 zeigt eine Anordnung für den Zusammenbau einer Vielzahl von Substraten, die genau miteinander verbunden sind gemäß den Prinzipien unserer Erfindung,
Fig. 12 zeigt eine weitere Anordnung für den Zusammenbau einer Vielzahl von Substraten, die genau miteinander verbunden sind gemäß den Prinzipien unserer Erfindung,
Fig. 13 stellt eine optische Anordnung von Linsen für einen optischen Kopf eines Faxgerätes dar,
Fig. 14 stellt die gefaltete Ausführung der optischen Anordnung von Fig. 13 dar,
Fig. 15 zeigt eine Ansicht von oben der Felder der Linsen der in Fig. 14 gezeigten Struktur,
Fig. 16 stellt eine weitere optische Anordnung von Linsen für einen optischen Kopf eines Fax's dar,
Fig. 17 stellt die gefaltete Ausführung der optischen Anordnung von Fig. 16 dar,
Fig. 18 zeigt eine Ansicht von oben der Felder der Linsen der in Fig. 16 gezeigten Struktur,
Fig. 19 beinhaltet das lichtemittierende Feld des optischen Kopf 5 eines Faxgerätes von Fig. 16,
Fig. 20 stellt eine Ausführung der Anordnung von Fig. 19 dar, die zwei verbundene Substrate verwendet,
Fig. 21 stellt eine Umsetzung des optischen Kopfs des Fax's dar, wobei alle optischen Vorrichtungen, für die die Positionierung wichtig ist, hergestellt werden auf der Oberfläche, die von dem beweglichen Papier abgewandt ist, und
Fig. 22 zeigt eine Anordnung, die es erlaubt, daß Licht in senkrechter Richtung auf optische Vorrichtungen aufgebracht wird.

Detaillierte Beschreibung

Ein Aspekt dieser Erfindung umfaßt die Tatsache, daß verschiedene ebene optische Vorrichtungen auf einem Substrat hergestellt werden können, wobei eine relative Positionierung der Vorrichtungen so ist, daß die Vorrichtungen optisch untereinander zusammenwirken, um einen optischen Schaltkreis zu bilden.
In einer Grundausführung der Erfindung ist das Substrat aus transparentem Material gefertigt, wie z. B. Glas, und ebene optische Elemente werden auf zwei Oberflächen des Substrats hergestellt. Die Elemente sind für Licht angeordnet, das in das Substrat eintritt, um mit den Elementen zusammen zu wirken, indem es in dem Substrat zwischen den verschiedenen Linsen, Strahiverzweigern, Spiegeln, etc. hin und herspringt. Um das Licht in dem Substrat zu halten, sind alle ebenen optischen Vorrichtungen mit einer reflektierenden Beschichtung bedeckt.
Gemäß einer weiteren Grundausführung der Erfindung kann das Substrat, auf dem ebene optische Elemente hergestellt werden, undurchlässig sein und ein transparentes Substrat wird oben auf die optischen Elemente aufgesetzt. Das transparente Substrat enthält mindestens eine verspiegelte Oberfläche, aber es kann gemäß der Erfindung auch weitere und komplexere ebene, optische Elemente enthalten. Der Vorteil der zweiten Ausgestaltung liegt in der Tatsache, daß das erste, undurchlässige Substrat aus Material mit gewünschten Eigenschaften hergestellt werden kann, die in transparenten Materialien nicht vorliegen. Zum Beispiel verschiedene Vorrichtungen, wie optische Detektoren, Laser, etc. können zur Zeit nicht aus transparenten Materialien hergestellt werden, aber können aus einem Halbleiter-Substrat hergestellt werden.
Um gemäß der Erfindung diese und andere optische Substrate zu verbinden, die optische Vorrichtungen enthalten, werden im Verlauf des Herstellungsverfahrens der optischen Elemente selbst Verbindungselemente erzeugt. Dies gewährleistet außerordentlich enge Toleranzen für die Verbindungssubstrate.
Fig. 1 zeigt eine typische 4f-Abbildungsanordnung mit einem Bild 10 in einer ersten Ebene, einer Linse 20, die eine Brennweite von Bild 10 entfernt ist und einem Beugegitter 30, das eine Brennweite von Linse 20 und zwei Brennweiten von Bild 10 entfernt ist. Eine weitere Brennweite entfernt von dem Bild 10 (koaxial zu Linse 20 und Beugegitter 30) ist eine Linse 40 und noch eine weitere Brennweite entfernt von dem Bild 10, liegt eine Abbildungsebene 50. Die optische Anordnung von Fig. 1 ist ziemlich allgemein, da es für einfache Abbildung verwendet werden kann, aber auch für andere Anwendungen bei analoger oder digitaler Datenverarbeitung. Diese Anordnung kann zum Beispiel verwendet werden, um eine Stufe einzurichten für das perfekte Verschiebe-Netzwerk gemäß den Anleitungen von Brenner und Huang in der US-Patentanmeldung Nr. 296 284, hinterlegt am 11. Jan. 1989. Das Beugegitter 30 kann als ein einfacher Strahlverzweiger ausgestaltet sein, was die erwünschte räumliche Verschiebung von einem Bild auf Oberfläche 50 bezüglich dem anderen zur Folge hat. Die Verschiebung kann so angeordnet sein (wie in der vorigen Anmeldung beschrieben), um die perfekte Verschiebeanordnung zu bilden.
Die Anordnung gemäß Fig. 1 kann mit der Anordnung, wie in Fig. 2 und 7 gezeigt, umgesetzt werden.
Fig. 2 zeigt in einer Querschnittsansicht unsere grundsätzliche Vorstellung zur Anwendung der VLSI Techniken zur Herstellung ebener optischer Komponenten zur Bildung optischer Schaltkreise, die die Schwierigkeiten der Ausrichtung optischer Komponenten vermeidet. Das Substrat in Fig. 2 (60) ist transparent. Einfallendes Licht, das dem Übergang 61 folgt, wird auf die ebene Linse 62 aufgebracht, die hergestellt wird auf der unteren Oberfläche des Substrats 60. Die äußere Oberfläche von Linse 62 (die von dem Glassubstrat abgewandte Oberfläche) ist mit einer reflektierenden Schicht bedeckt, um aus Linse 62 eine reflektierende Linse zu machen. Das durch die ebene Linse 62 gehende Licht wird deshalb reflektiert und erreicht die obere Oberfläche des Substrats 60, wo ein ebener Strahlverzweiger 63 hergestellt wird. Die äußere Oberfläche des ebenen Strahlverzweigers 63 (die von dem Glassubstrat abgewandte Oberfläche) ist auch mit einer reflektierenden Schicht bedeckt. Das durch den ebenen Strahlverzweiger 63 gehende Licht wird deshalb reflektiert und erreicht die untere Oberfläche des Substrats 60, wo eine ebene Linse 64 hergestellt wird. Linse 64 ist identisch mit der Linse 62. Von der Linse 62 reflektiertes Licht verläßt das Substrat 60 entlang Übergang 65.
Es ist offensichtlich, daß die ebene Linse 62, wie andere ebene, optische Vorrichtungen hergestellt werden können mittels bekannter Techniken. Man sollte jedoch deutlich die Konzepte trennen, die sich auf Herstellung von Vorrichtungen beziehen und den Konzepten, die den Entwurf anweisen, dessen was hergestellt werden soll. Bezüglich des ersteren sind herkömmliche Techniken verfügbar zur Massenherstellung von Halbleiter-Vorrichtungen und wie oben erwähnt, sind viele dieser Techniken für die Herstellung optischer Vorrichtungen angewandt worden. Bezüglich des Entwurfs, dessen was hergestellt werden soll, sind auch interessante Ansätze verfügbar. Bekannte Ansätze verwenden eine zweistufige Umsetzung der erforderlichen optischen Antwort. Ein Ansatz, den ich verwendet habe, ist eine vielstufige Herstellungstechnik, die tatsächlich eine digitale Ausgestaltung eines analogen Entwurfs einer ebenen optischen Vorrichtung darstellt. Ziehen, Ätzen und Diffusion sind einige der unterschiedlichen, verfügbaren Herstellungstechniken.
Fig. 3 stellt eine Querschnittsansicht unserer Fresnel-Linse dar. Fig. 4 stellt die Querschnittsansicht unserer Umsetzung der "mehrstufigen, ebenen, optischen Linse" der optischen Vorrichtung von Fig. 3 dar. Dieser Entwurf kann in dem optischen System von Fig. 2 benützt werden. Die Umsetzung gemäß Fig. 4 zieht die ebene optische Vorrichtung auf dem Substrat mit einer Anzahl von Masken, die gleich ist der Anzahl log&sub2; der Anzahl gewünschter Stufen. Der letzte Schritt bei der Herstellung der Vorrichtungen gemäß Fig. 2 ist eine reflektierende Beschichtung.
Wie oben gesagt funktionieren die optischen Elemente in der Anordnung gemäß Fig. 2 auf der Basis von Signalen, die innerhalb des Substrats laufen. Entsprechend ist die reflektierende Beschichtung oben auf der gezogenen Struktur. In Anwendungen, bei denen die ebenen, optischen Elemente mit Signalen betrieben werden, die das optische Element von außerhalb des Substrats erreichen, kann die reflektierende Beschichtung als die erste Schicht des Substrats aufgebracht werden. Diese Variationen sind in Fig. 5 gezeigt, wo die reflektierenden Oberflächen mit 66 und 67 bezeichnet sind.
Fig. 6 stellt eine Umsetzung der Linse dar, die Ätztechniken anstelle von Ziehtechniken anwendet. Wiederum ist die reflektierende Schicht der Schritt, der der Bildung der Linse folgt. Es kann festgestellt werden, daß die reflektierende Oberfläche der Umsetzung von Fig. 6 eine Wirkung der Linse ergibt für Licht, das die ebene Linse von außerhalb des Substrats wie auch von innnerhalb des Substrats erreicht. Mit Bezug auf die Fig. 2 ist festzustellen, daß der Übergang zwischen Linse 62 und dem Strahlverzweiger 63 ziemlich kurz ist. Dieser Übergang kann soweit als erforderlich verlängert werden, indem einfach zugelassen wird, daß der Lichtstrahl wiederholt von der Ober- und der Grundfläche des Substrats zurückgeworfen wird. Ein Beispiel dieser Anordnung ist in Fig. 7 dargestellt. Eine Eigenschaft der Ausgestaltung von Fig. 7, die nicht direkt bezogen ist auf die Frage der Übergangslänge, ist es, daß alle komplexen, ebenen optischen Vorrichtungen, deren Struktur und Position relativ zueinander kritisch sind, sich auf der selben Oberfläche des Substrats 60 befinden. Die andere Oberfläche des Substrats 60 kann eine einfache reflektierende Oberfläche oder eine markierende Einteilung sein.
Fig. 8 zeigt die Ideen unserer Erfindung, wenn zwei oder mehr Substrate verwendet werden. In Fig. 8 ist Substrat 70 transparent, wohingegen Substrat 80 undurchlässig ist. Wie in Fig. 7 kommt einfallendes Licht entlang Übergang 61 von ausserhalb der Anordnung. Es geht durch die ebenen optischen Vorrichtungen 71 bis 79 bevor es entlang Übergang 65 austritt. Die optischen Vorrichtungen 73, 76 und 78 sind reflektierende, ebene, optische Vorrichtungen von der oben, in Zusammenhang mit Fig. 2 und 7 beschriebenen Art. Sie werden auf der Oberseite des Substrats 70 hergestellt. Die ebene Vorrichtung 77 ist eine reflektierende, ebene, optische Vorrichtung, die auf der Grundseite von Substrat 70 hergestellt wird, welches die Seite ist, die in Verbindung ist mit der oberen Seite von Substrat 80. Vorrichtungen 71 und 74 werden auch auf der Grundseite von Substrat 70 hergestellt, sind aber durchlässige, ebene, optische Vorrichtungen. Das heißt, die Vorrichtungen 71 und 74 erlauben dem Licht, das von den Vorrichtungen verändert ist, das Substrat 80 zu erreichen. Wie in der Ausgestaltung von Fig. 7 können wesentliche Vorteile abgeleitet werden wenn die meisten, wenn nicht alle, der optischen Vorrichtungen, für die die Positionierung wichtig ist, an den Seiten der Substrate 70 und 80 hergestellt werden, die miteinander verbunden sind.
Es kann festgestellt werden, daß im Zusammenhang mit dieser Erfindung eine reflektierende, ebene, optische Vorrichtung eine Vorrichtung ist mit Einrichtungen zum Reflektieren, wie zum Beispiel einer reflektierenden Beschichtung, die ein integraler Bestandteil der erzeugten optischen Vorrichtung ist. Es ist nicht eingeschlossen, zum Beispiel, eine durchlässige optische Vorrichtung, die auf einem transparenten Substrat hergestellt ist mit einem Spiegel auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats. Diese letzte Anordnung der Erfindung wird als eine Anordnung angesehen, die eine durchlässige, optische Vorrichtung und einen Spiegel umfaßt. Natürlich ist ein Spiegel auch eine optische Vorrichtung. Zur Unterscheidung zwischen Spiegeln und komplexeren optischen Vorrichtungen, wie z. B. Linsen, Prismen, Strahlverzweigern, etc. wird die Bezeichnung "optische Vorrichtungen der Stufe A" Spiegel bezeichnen, "ebene optische Vorrichtungen der Stufe B" wird andere optische Vorrichtungen als Spiegel bezeichnen.
Substrat 80 umfaßt optische Elemente 72, 75 un 79. Sie sind alle entweder reflektierende, ebene, optische Vorrichtungen, Lichtdetektoren oder Lichtemittenten.
Die Verbindung der Substrate 70 und 80 stellt zwei Probleme dar. Das erste Problem steht in Verbindung mit den Änderungen im Lichtbrechungsindex zwischen Substrat 70 und der Luft zwischen den Substraten 70 und 80. Bei Anwendungen mit ebenfalls transparentem Substrat 80 und lichtdurchlässigem optischen Vorrichtungen, muß der Index der Lichtbrechung von Substrat 80 ebenfalls berücksichtigt werden. Wie bei anderen Anwendungen kann das Problem in Verbindung mit dem Index der Lichtbrechung verbessert werden durch Verwendung von indexangepaßtem Fluid zwischen den Substraten 70 und 80 oder antireflektiver Beschichtungen auf den Oberflächen.
Das zweite Verbindungsproblem für die Substrate 70 und 80 ist einfach das Ausrichtungsproblem zwischen den Vorrichtungen auf Substrat 70 und den Vorrichtungen auf Substrat 80. Zu beachten ist zum Beispiel, daß die reflektierende Vorrichtung 72 auf Substrat 80 genau ausgerichtet werden muß mit der lichtdurchlässigen Vorrichtung 71 auf dem Substrat 70.
Gemäß den Prinzipien der Erfindung sind die Substrate 70 und 80 verbunden mit Hilfe von Ausrichtungselementen, die in die Substrate hinein gefertigt werden bei der Herstellung der optischen Vorrichtungen. Insbesondere sind die optischen Vorrichtungen auf Substrat 70, wie oben angegeben, hergestellt durch entweder Ätzen, Diffusion oder Ziehtechniken oder einer Kombination des vorigen, um Vorsprungs- und Vertiefungsstrukturen in der Oberfläche der Substrate zu erzeugen. Indem die selbe Maske verwendet wird (oder irgendein Merkmal steuernder Mechanismus angewendet wird), der die optischen Vorrichtungen erzeugt, um die ausrichtenden Vorsprünge und Vertiefungen zu erzeugen, können die Substrate 70 und 80 mit der Genauigkeit verbunden werden, die verfügbar ist zur Herstellung der ebenen optischen Vorrichtungen im ersten Fall. Diese Verbindung ist dargestellt in Fig. 9, die eine vergrößerte Ansicht des Segments in der Anordnung gemäß Fig. 7 ist, die einen Abschnitt der optischen Vorrichtung 79 sowie die Ausrichtungsstrukturen 145 umfaßt.
Wie oben dargestellt ist einer der Vorteile aus der Anordnung von Fig. 7, die Fähigkeit undurchlässige Substrate zu verwenden, die aus Material gefertigt sind, das mehr kann als Quartzglas. Substrat 80 kann zum Beispiel ein Silizium- Halbleitersubstrat sein, ein Galliumarsenid-Substrat oder auch ein Silizium-Substrat, auf dem Galliumarsenid gezogen wird. Mit einem solchen Substrat können Phototransistoren, LEDs, optische Modulatorvorrichtungen und Laser hergestellt werden. Auf diese Weise kann von dem Substrat Licht festgestellt werden, optisch oder sogar elektronisch verändert werden, und mit dem selben oder einem anderen Element auf dem Substrat wieder hergestellt werden.
Fig. 10 stellt eine Ausgestaltung dar, bei der die optische Vorrichtung 81 im Substrat 80 Licht erzeugt, optische Vorrichtungen 82, 83 und 84 im Substrat 70 mit diesem Licht zusammenwirken, und die optische Vorrichtung 85 im Substrat 80 Licht aufspürt. Natürlich ist es für Substrat 80 möglich, Vorrichtungen 81 und 85 aufzuweisen, die physikalisch auf dem Substrat montiert sind, obwohl einige der in Verbindung mit der Verbindung der Substrate 70 und 80 beschriebenen Vorteile, so schwieriger zu erreichen sind.
Fig. 11 stellt eine Anordnung für ein noch größeres optisches System dar als das System aus den Fig. 7, 8 und 10. Es umfaßt Substrate 91, 92, 93 und 94, die in einer Anordnung verbunden sind, die der Anordnung von Dominos ähnelt. In dieser Anordnung verläuft das Licht durch die Substrate, wie mit dem Übergang 95 dargestellt. Im Verlauf seines Weges schlängelt sich das Licht durch das Substrat 91, geht dann über zum Substrat 92, dann 93 und geht schließlich in das Substrat 94. Die Substrate sind verbunden mit Hilfe von Ausrichtungselementen 95. Der selbe Effekt kann mit einer noch kompakteren Anordnung erreicht werden. Die in Fig. 12 dargestellte Anordnung stellt eine Faltung der Anordnung von Fig. 11 dar. Auf zwei Unterschiede zwischen den Ausgestaltungen von Fig. 11 und Fig. 12 sollte hingewiesen werden. Der eine ist, daß an einigen Schnittstellen der Ausgestaltung der Fig. 2, wo Licht übertragen wird von einem Substrat zu einem anderen, eine lichtdurchlässige, ebene, prismatische, optische Vorrichtung vorgesehen sein muß, um das Licht wieder auszurichten. Die Vorrichtungen 96 und 97 sind solche lichtdurchlässigen, ebenen Prismen. Der zweite ist, daß die Ausgestaltung gemäß Fig. 11 tatsächlich die Erzeugung einer einzelnen Oberfläche erlaubt. Mit dieser Eigenschaft würde die Ausgestaltung gemäß Fig. 11 die optischen Vorrichtungen, für die die Positionierung wichtig ist, nur auf dieser einzelnen Oberfläche enthalten, welche die Oberfläche ist, die die Oberflächen umfaßt, die unterschiedliche Substrate verbinden. Durch die Erwähnung von "für die Positionierung wichtige" Vorrichtungen ist impliziert, daß einige Vorrichtungen nicht "für die Positionierung wichtig" sind. In einem gewissen Sinn ist für alle optischen Vorrichtungen "die Positionierung wichtig". Die einzige Frage ist nur bis zu welchem Grad. Zum Beispiel ist die Anordnung eines Spigels im allgemeinen nicht für die Positionierung wichtig. Für eine Linse kann in zwei Richtungen die Positionierung unwichtig sein, aber in einer dritten Richtung kann die Positionierung wichtig sein.
Dieser Ansatz unterscheidet sich von dem Punkt zu Punkt Ansatz, der von Goodman und Brenner vorgeschlagen wurde, dadurch, daß in Fig. 1 Linse 20 und 40 jeweils durch ein Feld von Linsen ersetzt hätte werden müssen. Jeder Punkt von Bild 10 hätte über eine Linse übertragen sein müssen in der Stellung 20 zu einer Linse in Stellung 40 und dann auf den entsprechenden Punkt auf der Ausgabeebene projiziert werden müssen. Das würde die Herstellung komplizieren, optische Zwänge erzeugen und räumliches Quantenrauschen einführen, wie z. B. Übersprechungen zwischen benachbarten Punkten.
Das Obengesagte zielt nicht auf irgendein Problem ab, das auftreten kann, weil Licht die verschiedenen optischen Vorrichtungen mit einem von der Senkrechten abweichenden Winkel erreicht. Estens weil, wenn der Winkel nahe bei 90º Grad ist, die Probleme der Abweichung und des Astigmatismus nicht ernst sind. Wenn dies nicht der Fall ist, müssen kompensierende Maßnahmen ergriffen werden. Bei dem Gebrauch diffraktiver Linsen, wie in Fig. 4 dargestellt, ist es möglich, die Muster in einer Richtung zu verzerren, so daß ein kreisförmiges Muster zum Beispiel elliptisch wird. Dies würde jede Form von Astigmatismus eliminieren.
Eine weitere Möglichkeit ist es, das optische System so anzuordnen, daß das Licht ständig mit 90 Grad auf die optischen Vorrichtungen trifft. Das wird zum Beispiel mit der Anordnung gemäß Fig. 22 erreicht. Die optische Anordnung besteht aus drei Schichten. Die obere Schicht und die untere Schicht sind markierende Einteilungen. Die obere Schicht lenkt einen Lichtstrahl, der unter einem schiefen Winkel läuft, so, daß er unter 90 Grad reflektiert wird. Die untere Schicht lenkt einen Lichtstrahl, der unter 90 Grad läuft, so, daß er unter einem entsprechenden schiefen Winkel reflektiert wird. Auf diese Weise würde ein Lichtstrahl, der mit einem 90 Grad Winkel auf die untere Schicht trifft, mit einem Winkel auf die obere Schicht treffen, wieder mit 90 Grad zu der unteren Schicht reflektieren, und so weiter.
Die zentrale Schicht in Fig. 22 enthält optische Vorrichtungen, wie z. B. Linsen, Strahlverzweiger, etc. Sie weisen so großen Abstand auf, daß das mit dem schiefem Winkel laufende Licht zwischen den optischen Vorrichtungen laufen kann, und sind so nahe zueinander, daß das mit 90 Grad laufende Licht durch die Vorrichtungen laufen kann. Die obere Schicht und die untere Schicht enthalten Öffnungen, die es dem Licht ermöglichen, in die Anordnung einzutreten und die Anordnung zu verlassen.
Die Anordnung von Fig. 22 kann auf mehrere Arten hergestellt werden. Werden jedoch die Prinzipien der Erfindung angewendet, kann die Anordnung von Fig. 22 aus zwei Substraten 150 und 160 hergestellt werden. Beide Substrate enthalten eine Oberfläche, auf denen die markierende Einteilungen hergestellt werden. Die andere Oberfläche der einen oder der beiden Substrate kann die optischen Elemente enthalten, die erforderlich sind, um die gewünschten, optischen Funktionen zu implementieren und enthalten die Ausrichteinrichtungen, die in Verbindung mit den Fig. 8 und 9 beschrieben wurden.
Eine Vielzahl von Anwendungen kann von dieser Erfindung profitieren. Eine derartige Anwendung zum Beispiel ist das Faxen. Insbesondere beinhaltet ein Fax einen optischen Kopf, der die Aufgabe hat, eine Zeile des originalen Texts oder der Zeichnung abzubilden auf ein eindimensionales Detektorfeld. Das Detektorfeld ist typischerweise eine CCD Linien-Abtast Kamera. Der de facto Standard für die Auflösung von Fax- Anwendungen ist 300 Punkte pro Inch, dem ein Pixel Durchmesser von ungefähr 85 microns und 2400 Pixel für eine acht Inch Bildlinie entspricht.
Deshalb war es nicht möglich gewesen, ein optisches System herzustellen, das so viele Punkte auflöst und immer noch kompakt in der Größe ist. Herkömmliche Systeme bearbeiten das Bild mit vielen kleinen Linsen, wobei jede Linse nur einen Abschnitt des Bilds bearbeitet. Viele der heutigen Fax- Apparate verwenden Gradienten-Index Rundstab-Linsen, die typischerweise einen Durchmesser von 1 mm haben und eine Brennweite von 10 - 20 mm. Der Arbeitsabstand, nämlich der Abstand vom Papier zu den Linsen, ist daher groß genug, um die Beleuchtung des Papiers von der Seite mit einem schiefen Winkel zu erlauben. Dies wird erreicht mit einem eindimensionalen Feld lichtemittierender Dioden oder Laser Dioden. Um die drei Hauptkomponenten des optischen Kopfs in einem Faxsystem zusammen zufassen: Linsen, Lichtquellen zur Beleuchtung und die Lichtdetektoren. Gemäß dem Stand der Technik müssen diese Komponenten zusammen gebaut und ausgerichtet werden.
Mit den Prinzipien der Erfindung kann der optische Kopf in einem Faxsystem in einer einzigen Einheit erzeugt werden.
Zwei verschiedene optische Ansätze sind zur Entwicklung einer solchen Anordnung eines optischen Kopfes möglich: einer, bei dem das Originalbild in kleine aber in der Größenordnung von 0,5 - 1 mm erstreckte Gebiete unterteilt wird, und der andere, bei dem das Originalbild in Gebiete unterteilt wird, die der Größe der Pixel entsprechen, so daß jedes Pixel seinen eigenen optischen Kanal hat.
Gemäß dem ersten Ansatz und um nicht das Bild zu ändern, das aus der Sammlung von Bildern von der Vielzahl von Linsen entwickelt wurde, muß ein Doppelabbildungsschritt angewendet werden. Dies garantiert ein aufgerichtetes Bild. Das Prinzip ist in Fig. 13 gezeigt, und dessen gefaltete Version ist in Fig. 14 gezeigt. In der gefalteten Version ist Linse 98 eine lichtdurchlässige Linse, wohingegen Linse 99 eine reflektierende Linse ist. Vorrichtung 101 ist ein Spiegel. Beide Linsen werden, wie in Fig. 11 gezeigt, auf der unteren Seite des Substrats 100 hergestellt. Es sollte natürlich erkannt werden, daß diese Linsen auch auf der oberen Oberfläche des Substrats 100 hergestellt werden können, oder sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Seite. Das Papier mit dem Bild bewegt sich übrigens in die Richtung, die von dem Pfeil X gekennzeichnet ist, von links nach rechts. Der Durchmesser der Linsen 98 und 99 ist typischerweise 1 mm. Der Arbeitsabstand w zwischen den sich bewegenden Papieren und den Linsen ist typischerweise 10 mm. Daraus ergibt sich unter der Annahme, daß die Linsen 98 und 99 gleiche Größe aufweisen und kein Raum zwischen ihnen ist, ein relativ kleiner Winkel von ungefähr 5 Grad.
Gewöhnlich ist das Sichtfeld einer Linse kleiner als sein Durchmesser. Weil das so ist, müssen die Linsen räumlich gestaffelt sein, wie mit der Linie 130 in Fig. 15 gezeigt, wenn man das Bild einer ganzen Linie abdecken möchte. Natürlich beeinflußt die Staffelung nicht die Leistung des Systems. Es erfordert nur eine kleine Änderung in der Abstimmung der Detektoren gemäß gut eingeführter Techniken.
Gemäß dem zweiten Ansatz stellt die Fig. 16 die optische Anordnung dar, wenn ein optischer Kanal für jedes Pixel vorgesehen ist. Die gefaltete Ausführung der Anordnung von Fig. 16 ist in Fig. 17 gezeigt. Diese Anordnung ist ähnlich mit einer, die ein lineares Feld optischer Fasern verwendet, wobei jede Faser die Intensität des Lichts, das von einem einzelnen Pixel herrührt, überträgt. Wenn man jedoch Linsen verwendet, die fokussieren, erlaubt das Licht einen Arbeitsabstand w, der viel größer ist als der Arbeitsabstand der Ausführung mit optischen Fasern. In den letzteren Ausführungen muß der Arbeitsabstand so nahe wie praktikabel bei 0 sein, und das führt zu Problemen, wie Abnutzung, Staub, etc. In der augenblicklichen Ausführung kann der Arbeitsabstand zwischen 1 - 10 mm sein.
Ein interessanter Aspekt des Ansatzes der Fig. 17 ist es, daß Doppelabbildung nicht erforderlich ist. Dies vereinfacht die Optiken, obwoh zur Vermeidung von Übersprechungen ein collimatiertes System, wie in Fig. 16 gezeigt, vorgeschlagen wird. Die ebene Anordnung der Linsen von Fig. 17 ist in Fig. 18 gezeigt. Der Abstand t zwischen den zwei Linsen in Fig. 16 ist nicht kritisch und deshalb ist der Abstand zwischen den zwei Linsen in den Fig. 17 und 18 auch nicht kritisch (wohingegen Abhängigkeit besteht von dem Winkel alfa und der Dicke des Glassubstrats). Wiederum können die komplexen, ebenen, optischen Vorrichtungen auf der Oberfläche des Substrats hergestellt werden, das zur Verbesserung der Zuverlässigkeit vom Papier entfernt ist.
Fig. 19 stellt einen ganzen optischen Kopf eines Fax's dar, der die abbildende Lichtquelle, die lichtfokussierenden Übergänge und die Detektoren umfaßt. Insbesondere umfaßt Substrat 120 lichtdurchlässige Linsen 121 und 122, eine reflektierende Linse 123, einen Spiegel 124, eine Lichtquelle 125 und einen Lichtdetektor 126. Jedes der dargestellten optischen Elemente stellt natürlich eine ganze Reihe von Elementen, wie in Fig. 18 gezeigt, dar. Die einzige Schwierigkeit in der Umsetzung der Anordnung von Fig. 7 liegt in der Erzeugung von Lichtquellen 125 und Detektoren 126 auf dem Glassubstrat. Die Detektoren können mittels Sputtern von amorphem Silizium direkt auf das Glassubstrat hergestellt werden. Die Umsetzung der Lichtquellen ist andererseits schwieriger. Im allgemeinen sind LEDs und Laser-Dioden aus Galliumarsenid gefertigt und gegenwärtig gibt es keine bekannten Verfahren zur Integration dieses Materials auf Quartzglas oder auf irgend einem anderen transparenten Substrat. Gemäß den Prinzipien der Erfindung kann der optische Kopf des Fax's ausgeführt werden mit zwei verbundenen Substraten, wie in Fig. 20 gezeigt. Das untere Substrat 120 ist transparent und es weist die Linsen auf. Das obere Substrat 130 enthält die Lichtquellen und die Detektoren.
Nch ein weiterer Kopf eines Fax's wird in Fig. 21 vorgestellt. Es ist vielleicht der kompakteste und robusteste optische Kopf eines Fax's dadurch, daß er nur ein einziges Glassubstrat enthält, nur zwei Felder reflektierender, ebener Linsen, eine verspiegelte Oberfläche, ein lichtemittierendes Feld, das separat konstruiert und auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht (z. B. geklebt) wird, und ein Feld von Lichtdetektoren, die durch Sputtern von amorphem Silizium auf das Substrat hergestellt werden und durch geeignetes Bearbeiten des Silizums zur Bildung von Phototransistoren.
Im Betrieb leuchtet das lichtemittierende Feld auf das Papier, das sich in Richtung X bewegt entlang einer Oberfläche deren Querschnitt von dem Pfeil X bezeichnet ist. Die Linsen in dem mit 132 bezeichneten linearen Feld (die Ansicht des Felds von oben ist in Fig. 18 gezeigt) fokussieren auf eine Linie an der Oberfläche des Papiers und bekommen von da das Licht, das vom Papier reflektiert wird. Das von jeder der Linsen aufgenommene Licht ist collimatiert und wird auf die verspiegelte Oberfläche 133 reflektiert. Das von der verspiegelten Oberfläche 133 reflektierte Licht erreicht die Linsen in dem linearen Feld der mit 134 bezeichneten Linsen und wird von da reflektiert. Das von jeder Linse in Feld 134 reflektierte Licht wird wieder reflektiert von der verspiegelten Oberfläche 133 und fokussiert auf einen Detektor in einem linearen Feld von mit 135 bezeichneten Detektoren.
Ein effizienterer Betrieb kann natürlich erzielt werden, indem das Licht auf das Papier fokussiert wird. Dies kann bewerkstelligt werden, indem eine ebene Linse am Punkt 136 vorgesehen wird. Die Anordnung von Fig. 21 leitet jedoch einen wichtigen Vorteil daraus ab, daß alle Linsen auf der von dem Papier abgewandten Oberfläche von Substrat 140 gehalten werden. Papierstaub, der die Linsen beeinträchtigen könnte, wird daran gehindert, die Linsen zu erreichen. Dieser Vorteil sollte vielleicht auf die lichtfokussierenden Linsen erstreckt werden. Für einen derartigen Kopf eines Fax's zeigt Fig. 21 ein lichtemittierendes Feld 139, ein Feld 137 von Linsen, und eine verspiegelte Oberfläche 138. Feld 131 ist nicht ein lichtemittierendes Feld sondern ein Feld von Linsen. Von den Lichtemittenden 139 herrührendes Licht wird von der Linse 137 kollimatiert und wird dann von dem Feld 131 von Linsen fokussiert auf ein konzentriertes Gebiet des Papiers.
Die Anzahl der LEDs in Feld 139 und die Anzahl der Linsen (und deren Positionierung) ist eine Funktion davon, ob der Ansatz des ersten Entwurfs verwendet wird (wobei die Optiken mit Bildabschnitten umgehen) oder ob der Ansatz des zweiten Entwurfs verwendet wird (wobei die Optiken mit einzelnen Pixeln umgehen).
Die obige Beschreibung des optischen Kopf eines Fax's schlägt zumindest implizit vor, daß das lichtaufspürende Feld so breit ist, wie das Bild, das von dem sich bewegenden Papier abgetastet wird. Das muß natürlich nicht der Fall sein. Genauso wie die Felder reflektierender Linsen dazu gebracht werden können, mit Licht zu arbeiten, das sich mit einem Winkel bezüglich der X-Richtung bewegt (5. Fig. 17 - 20), kann das Feld auch dazu gebracht werden, mit Licht zu arbeiten, das sich mit einem Winkel bezüglich der Richtung bewegt, die senkrecht ist zu der X-Richtung (in die Figur). Da in der Tat CCD Detektor-Streifen leicht mit einer Auflösung von 2400 Pixeln pro Inch gefertigt werden können, ist es sinnvoll das Detektorfeld auf 1 Inch zu reduzieren, selbst wenn die von dem sich bewegenden Papier erfaßte Linie 8 Inches lang sein kann. Wird ein derartiges CCD in der optischen Anordnung von Fig. 21 verwendet, wäre nur die Plazierung (z. B. Kleben) eines herkömmlichen CCD Streifens auf dem Substrat erforderlich.

Claims

1. Optische Anordnung für Freiraum-Rechnerumgebungen mit folgenden Merkmalen:

ein erstes Substrat (70), das transparent ist und eine erste und zweite Hauptoberfläche aufweist, die sich gegenuber liegen,

mehrere planare optische Einrichtungen (71, 73, 74, 76, 77, 78), die an der ersten und zweiten Oberfläche derart angeordnet sind, daß Licht, welches in das Substrat (70) eintritt, mit den planaren optischen Einrichtungen wechselwirkt, indem es in dem Substrat (70) zwischen den verschiedenen planaren optischen Einrichtungen hin und her springt,

eine erste Ausrichtungseinrichtung mit Vorsprüngen und Vertiefungen, die wenigstens an der zweiten Oberfläche ausgebildet sind,

ein zweites Substrat (80) mit wenigstens einer ersten Oberfläche,

mehrere planare optische Einrichtungen (72, 75, 79) mit wenigstens einer Lichtquelle und/oder einem optischen Detektor, die an der ersten Oberfläche des zweiten Substrats (80) ausgebildet sind,

eine zweite Ausrichtungsreinrichtung mit Vorsprüngen und Vertiefungen, die an der ersten Oberfläche des zweiten Substrats ausgebildet sind, wobei das erste Substrat (70) und das zweite Substrat (80) verbunden sind, so daß die erste Ausrichtungseinrichtung mit der zweiten Ausrichtungseinrichtung zusammenpaßt.

2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der planaren optischen Einrichtungen an dem ersten Substrat (70) eine lichtdurchlässige planare optische Einrichtung ist.

3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der planaren optischen Einrichtungen an dem ersten Substrat (70) eine reflektierende planare optische Einrichtung ist.

4. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ausrichtungseinrichtung Vorsprünge aufweist, die in dem ersten optischen Substrat (70) hergestellt sind und daß die zweite Ausrichtungseinrichtung Vertiefungen aufweist, die in dem zweiten Substrat (80) hergestellt sind.

5. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Oberfläche des ersten Substrats (70) im wesentlichen in unmittelbarem physikalischen Kontakt mit der ersten Oberfläche des zweiten Substrats (80) steht.

6. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5 gekennzeichnet durch ein lichtbrechendes, den Index anpassendes Fluid zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (70, 80).

7. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ausrichtungseinrichtung Stege aufweist, die von der zweiten Oberfläche des ersten Substrats (70) vorspringen und daß die zweite Ausrichtungseinrichtung Rillen in der ersten Oberfläche des zweiten Substrats (80) aufweist.

8. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung weitere Merkmale aufweist:

ein drittes Substrat mit einer Hauptoberfläche und planaren optischen Einrichtungen und

eine dritte Ausrichtungseinrichtung mit Vorsprüngen und Vertiefungen an der Hauptoberfläche.