DE69029964T2

DE69029964T2 - Akustische Mehrfach-diskret-Phase-Fresnellinse und ihre Anwendung in akustischen Tintendruckern

Info

Publication number: DE69029964T2
Application number: DE69029964T
Authority: DE
Inventors: Babur Hadimioglu; Calvin F Quate; Eric G Rawson
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1990-10-31
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2010-11-01
Also published as: US5041849A; JP2511570B2; EP0434931B1; EP0434931A3; JPH03200199A; EP0434931A2; DE69029964D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft akustisch fokussierende Linsen und insbesondere akustisch fokussierende Fresnellinsen mit mehrfach diskreter Phase zum akustischen Drucken mit Tinte.
Insbesondere betrifft diese Erfindung einen akustischen Strahler zum Bestrahlen einer Objektebene, an die er mit fokussierter akustischer Energie akustisch gekoppelt ist; wobei der Strahler aufweist: eine Fresnellinse mit einem radialen Phasenprofil, das so ausgewählt ist, daß es einen wesentlichen Anteil der akustischen Energie mit Beugungswinkeln, die in radialer Richtung der Linse variieren, in eine vorbestimmte Beugungsordnung beugt, wobei sie aus einem Material besteht, das eine vorbestimmte longitudinale Schallgeschwindigkeit hat, und durch ein Medium mit einer niedrigeren longitudinalen Schallgeschwindigkeit akustisch an die Objektebene gekoppelt ist, und eine Einrichtung (21), die akustisch an die Linse gekoppelt ist, um sie mit akustischer Energie zu bestrahlen.
Ein derartiger akustischer Strahler ist aus der Veröffentlichung "plain-structure microscope lens for simultaneous acoustic and optical imaging" von Yamada et al., IEEE Ultrasonics symposium, Vol 1, Qctober 1988, Seiten 779- 783 bekannt.

Verweis auf eine verwandte Anmeldung

Eine gleichzeitig eingereichte, übertragene US-Patentanmeldung von Babur Hadimioglu et al. über einen "Improved Process for Fabricating Multi-Discrete-Phase Fresnel Lenses" (D/89522) betrifft ein Verfahren, das zur Herstellung der akustischen Linsen, die in dieser Erfindung benötigt werden, gut geeignet ist.

Hintergrund der Erfindung

Akustische Tintendrucker des Typs, dem sich diese Erfindung zuwendet, umfassen typischerweise einen oder mehrere akustische RF-Strahler zum Bestrahlen der freien Oberfläche eines Reservoirs flüssiger Tinte mit entsprechenden akustischen Strahlen. Jeder dieser Strahlen wird herkömmlicherweise auf der freien Tintenoberfläche mit einem nahezu normalen Einfallswinkel in Fokus gebracht. Außerdem wird das Drucken herkömmlicherweise durch unabhängiges Modulieren der RF-Anregung der akustischen Strahler entsprechend der Eingabedatensätze für das zu druckende Bild moduliert. Diese Modulation ermöglicht es, daß der Strahlungsdruck, den jeder der Strahlen gegen die freie Tintenoberfläche ausübt, eine kurze gesteuerte Auslenkung auf ein hinreichend hohes Druckniveau ausführt, um die rückhaltende Kraft der Oberflächenspannung zu überwinden. Dies bewirkt seinerseits, das individuelle Tröpfchen aus Tinte von der freien Tintenoberfläche auf Anforderung mit einer adäquaten Geschwindigkeit ausgestoßen werden, so daß bewirkt wird, daß sie in einer Bildkonfiguration auf einem in der Nähe liegenden Aufzeichnungsmedium aufgebracht werden. Akustisches Drucken mit Tinte ist attraktiv, weil es keine Düsen oder keine kleinen Austrittsöffnungen erfordert, was bedeutet, daß es einige der mechanischen Beschränkungen mindert, die zu vielen Problemen bezüglich der Verläßlichkeit und der Bildelement ("pixel") -Anordnungsgenauigkeit, die herkömmliche Tintendrucker vom "Tropfen auf Anforderungs(drop on demand)"- Typ und kontinuierliche Tintenstrahldrucker erfahren haben, geführt haben.
Mehrere verschiedene akustische Strahler (manchmal auch als "Tröpfchenausstoßer" bezeichnet) sind zum akustischen Drucken mit Tinte entwickelt worden. Insbesondere sind sphärische, akustische, fokussierende Linsen, die akustisch bestrahlt werden (wie in einem übertragenen US-Patent von Elrod et al., das am 14. Juni 1989 als US-A-4751529 über "Microlenses for Acoustic Printing" erteilt wurde, beschrieben); piezoelektrische Hüllenwandler (wie in einem US-Patent von Lovelady et al., das am 24.12.1981 als US-A-4308547 über "Liquid Drop Emitter" erteilt wurde, beschrieben); und planare piezoelektrische Wandler mit interdigitalen Elektroden (wie in einem übertragenen US-Patent von Quate et al., das am 29. September 1987 als US-A-4-97105 über "Nozzleless Liquid Droplet Ejectors" erteilt wurde, beschrieben) bereits bekannt. Es heißt das die existierende Tröpfchenausstoßtechnologie adäquat zum Design verschiedener Druckkopfkonfigurationen ist, die von einer relativ einfachen Einzelausstoß-Ausführungsform für Rasterausgabeabtaster (ROS) bis zu komplexeren Ausführungsformen, wie beispielsweise ein- oder zweidimensionalen Feldern von Tröpfchenausstoßern über volle Seitenbreite zum Zeilendrucken reicht.
Es besteht allerdings immer noch ein Erfordernis nach akustischen scharffokussierten Strahlern, die leichter und billiger zusammen mit relativ genauen Designspezifikationen für Anwendungen, wie beispielsweise akustischem Drucken mit Tinte, das eine wirkliche Vorhersagbarkeit erfordert, herzustellen sind. Es besteht außerdem ein Erfordernis an weniger kostenträchtigen Feldern von genau positionierten akustischen Strahlern. Außerdem würde die Leistung und die Verläßlichkeit einiger akustischer Tintendrucker erhöht werden, falls die Ausgabeoberflächen ihrer akustischen Strahler gleichmäßigere Tintenflußcharakteristika hätten, während andere akustische Tintendrucker daraus Nutzen ziehen würden, wenn die Ausgabeoberflächen ihre akustischen Strahler leichter zu planarisieren wären.

Zusammenfassung der Erfindung

Als Antwort auf die vorangegangenen und anderen Bedürfnisse schafft diese Erfindung einen akustischen Strahler der zuvor genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Fresnellinse eine Mehrfach-Diskret-Phasen-Fresnellinse ist, die bei einer vorbestimmten Brennweite von der Objektebene gehaltert ist, die Beugungswinkel so ausgewählt sind, daß sie bewirken, daß die akustische Energie innerhalb der Beugungsordnung im wesentlichen auf der Objektebene fokussiert wird, und das radiale Phasenprofil der Linse so ausgewählt ist, daß die akustische Energie mit einer relativen Phasenverzögerung, die in radialer Richtung der Linse ungefähr als eine Funktion des Quadrats des Radius abnimmt, in die Beugungsordnung gebeugt wird.
Diese Erfindung schafft außerdem ein integriertes Feld aus einer Mehrzahl von im wesentlichen identischen akustischen Strahlern des zuvorgenannten Typs zur Bestrahlung einer Objektebene, an die die Strahler mit einer Mehrzahl von fokussierten akustischen Strahlen akustisch gekoppelt sind, in welchem das Feld aufweist ein akustisch leitendes Substrat, wobei die akustischen Strahler auf dem Substrat bei vorbestimmten Zentren mit einer vorbestimmten Brennweite von der Objektebene gehaltert sind, und Einrichtungen, die an das Substrat in akustischer Ausrichtung mit den akustischen Strahlern zur akustischen Bestrahlung derselben gekoppelt sind.
Weiterhin schafft die Erfindung einen Druckkopf zum anforderungsweisen Ausstoßen individueller Tröpfchen aus Tinte von einer freien Oberfläche eines Reservoirs flüssiger Tinte zum Drucken von Bildern auf einem benachbarten Aufzeichnungsmedium umfassend wenigstens einen akustischen Strahler des zuvorgenannten Typs, ein akustisch leitendes Substrat, wobei der wenigstens eine akustische Strahler auf dem Substrat in akustischer Verbindung mit der Tinte gehaltert ist, und eine Einrichtung, die akustisch an das Substrat gekoppelt ist, um die Linse mit akustischer RF-Energie zu bestrahlen, wobei die Einrichtung eine Einrichtung zum Modulieren der RF-Energie umfaßt, wodurch die wenigstens eine Linse die auf die Linse eingestrahlte Energie im wesentlichen auf die freie Tintenoberfläche fokussiert, um einen Strahlungsdruck gegen die freie Tintenoberfläche auszuüben, wobei der Strahlungsdruck entsprechend der Modulation der RF- Energie moduliert ist, so daß individuelle Tröpfchen aus Tinte auf Anforderung von der freien Tintenoberfläche mit einer Ausstoßgeschwindigkeit, die hinreichend ist, um ein Aufbringen der Tröpfchen in einer Bildkonfiguration auf dem Aufzeichnungsmedium (17) zu bewirken, ausgestoßen werden, und wobei die gebeugte Energie im wesentlichen auf der freien Tintenoberfläche zur Ausübung des Strahlungsdrucks fokussiert wird.
Insbesondere schafft diese Erfindung akustische Strahler, die durch binäre Fresnellinsen mit multidiskreten Phasen diffraktiv fokussiert werden. Integrierte Halbleiter- Standardschaltungstechniken stehen zur Herstellung dieser Linsen gemäß den Designspezifikationen, die relativ enge Toleranzen haben, einschließlich den Spezifikationen für integrierte Linsenfelder, die eine große Genauigkeit bei der relativen räumlichen Positionierung verschiedener Linsen erfordern, zur Verfügung. Die beugende Leistung dieser Linsen simulieren konkave brechende Linsen, obwohl die durch diese Erfindung geschaffenen Linsen vorzugsweise im allgemeinen flache Geometrien aufweisen. Zu diesem Zweck sind in Übereinstimmung mit einigen der detaillierteren Merkmale dieser Erfindung die Linsen vorteilhafterweise durch Mustern akustisch flacher Oberflächen, wie beispielsweise einer akustisch flachen Oberfläche eines Substrats oder noch besser einer akustisch flachen Oberfläche einer Schicht aus ätzbarem Material, das gewachsen oder auf andere Weise auf einer akustisch flachen Oberfläche eines ätzbeständigen Substrats aufgebracht ist, definiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zusätzliche Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden offensichtlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen:
Fig. 1 eine vereinfachte fragmentarische ebene Ansicht einer akustischen Tintendruckkopfausführungsform der vorliegenden Erfindung ist&sub1; die ein zweidimensionales Feld einer akustisch fokussierenden 4-Phasen- Fresnellinse aufweist;
Fig. 2 eine vergrößerte, vereinfachte Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 bei Blick in Richtung der Pfeile ist, um eine der Fresnellinse des in Fig. 1 gezeigten Druckkopfs, wie sie in einem akustischen Tintendrucker ausgeführt ist, darzustellen;
Fig. 3 das Radialprofil der in Fig. 2 gezeigten Linse und die ungefähr sphärische Wellenfront darstellt, welche sie der akustischen Energie aufprägt, die sie in die +1 Beugungsordnung beugt, wenn sie mit einem nahezu normalen Einfallswinkel durch eine axial fortschreitende akustische ebene Welle bestrahlt wird;
Fig. 4 ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der Fresnellinse mit mehrfach diskreter Phase darstellt; und
Fig. 5 eine planarisierte Ausführungsform der in Fig. 2 gezeigten Linse darstellt.

Detaillierte Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen

Während die Erfindung im folgenden im Detail unter spezifischer Bezugnahme auf bestimmte dargestellte Ausführungsformen beschrieben wird, gilt es als vereinbart, daß eine Beschränkung dieser auf diese Ausführungsformen nicht beabsichtigt ist. Vielmehr ist es das Ziel, alle Modifikationen, Alternativen und Äquivalente abzudecken, die in den Rahmen der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, fallen.
Wendet man sich nun den Zeichnungen und an diesem Punkt besonders der Fig. 1 zu, ist dort ein akustischer Tintendruckkopf 11 gezeigt, der ein zweidimensionales, seitenbreites Feld (nur teilweise gezeigt) von im wesentlichen identischen, räumlich verschränkten, akustischen, binären, fokussierenden Fresnellinsen 12a-12i mit mehrfach diskreter Phase aufweist. Diese spezielle Druckkopfkonfiguration ist gut für bestimmte Drucktypen geeignet, wie beispielsweise Zeilendrucken, aber es wird offensichtlich werden, daß die vorliegende Erfindung auf andere Druckkopfkonfigurationen zum Implementieren einer Vielfalt von verschiedenen Druckmodi, einschließlich Rasterausgabeabtast- und Matrixdrucken anwendbar ist.
Mehrfach-Diskret-Phasen-Fresnelelemente sind für optische Anwendungen vorgeschlagen worden. Siehe Swanson et al., "Infrared Applications of Diffractive Optical Elements ", Holographic Optics: Design and Applications, SPIE Vol 883, 1988, Seiten 155-162. Somit ist es wichtig, zu verstehen, daß ihre Anwendung im Bereich der Akustik mehrere einzigartige Betrachtungen, einschließlich der Größe und der Richtung der Geschwindigkeitsverschiebung, die die einfallende Strahlung erfährt, wenn sie von einer derartigen Linse in den Objektraum propagiert, involviert. Insbesondere erhöht sich die Wellenfrontgeschwindigkeit im allgemeinen um 33 % in dem optischen Fall, wenn die Strahlung von beispielsweise Glas in Luft läuft. Im Gegensatz hierzu fällt die Geschwindigkeit der Wellenfront im akustischen Fall typischerweise um ungefähr 70% bis 84 %, wenn sie von Glas bzw. Silizium in beispielsweise eine auf Wasser basierende Tinte läuft. Deshalb müssen Fresnellinsen mit multidiskreter Phase, die plankonkave brechende Linsen simulieren, ein positives Fokussieren im akustischen Fall bei Linsen, die durch ebene Wellen bestrahlt werden, erzielen.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Druckkopf 11 in einem akustischen Tintendrucker 13 ausgebildet, um individuelle Tintentröpfchen 14 von der freien Oberfläche 15 eines Reservoirs flüssigeütinte 16 auf Anforderung hin mit einer hinreichenden Ausstoßgeschwindigkeit auszustoßen, um zu bewirken, daß die Tröpfchen 14 in einer Bildkonfiguration auf einem benachbarten Aufzeichnungsmedium 17 aufgebracht werden. Zu diesem Zweck umfaßt der Druckkopf 11 einen planaren piezoelektrischen Wandler 21, wie beispielsweise einen Dünnfilm ZnO-Wandler, der aufgebracht ist auf oder andernfalls sehr eng gebunden ist an die rückseitige Fläche eines geeigneten akustisch leitenden Substrats 22, wie beispielsweise eines akustisch flachen Quarzes, Glases oder Siliziumsubstrats. Die gegenüberliegende Seite oder Vorderseite des Substrats 22 (oder vorzugsweise einer akustisch flachen Schicht aus Material 23, das gewachsen oder auf andere Weise auf dessen Vorderfläche aufgebracht ist) ist seinerseits mit einem Muster versehen, um die konzentrischen Phasenprofile der Fresnellinsen 12a-12i zu definieren (in Fig. 2 ist nur die Linse 12a zu sehen, aber sie ist allgemein ein Repräsentant der anderen) . Insbesondere werden, wie gezeigt, die Linsen 12a-12i durch Mustern einer Schicht 23 eines ätzbaren Materials, wie beispielsweise α-Si, das auf der Vorderfläche eines ätzbeständigen Materials 22, wie beispielsweise Quarz oder Glas, aufgebracht ist, gebildet. Wie im folgenden vollständiger beschrieben wird, ist es ein Vorteil dieses Ansatzes, daß er dem Designer zusätzliche Freiheiten gibt, das Substrat 22 aus Materialien zu bilden, die nicht leicht ätzbar sind, wie beispielsweise Glas, Quarz, etc., wodurch das Substrat 22 dann während der Herstellung der Linsen 12a-12i als relativ positiver Ätzstopper fungiert.
Im Betrieb werden RF-Treiberspannungen über den piezoelektrischen Wandler 21 (durch nicht gezeigte Mittel) an räumlich getrennten Zentren, die akustisch entsprechend mit den Linsen 12a-12i ausgerichtet sind, angelegt. Dies regt den Wandler 21 lokal zu Oszillationen um jedes dieser Zentren an, wodurch bewirkt wird, daß längspropagierende akustische ebene Wellen innerhalb des Substrats 22 erzeugt werden, um die Linsen 12a-12i entsprechend axial mit nahezu normalen Einfallswinkeln im wesentlichen unabhängig zu bestrahlen. Alternativ können natürlich getrennte piezoelektrische Wandler (nicht gezeigt) zur Bestrahlung der Linsen 12a-12i verwendet werden. Die Linsen 12a-12i sind entweder direkt (wie in Fig. 2 für die Linse 12a gezeigt) oder durch ein einlagiges oder mehrlagiges akustisch koppelndes Zwischenmedium (siehe Fig. 5) akustisch an die Tinte 16 gekoppelt. Außerdem wird ihre Brennweite so ausgewählt, daß bewirkt wird, daß sie einen signifikanten Prozentsatz der akustischen Energie, die auf sie einfällt, im wesentlichen auf der freien Oberfläche 15 der Tinte 16, wie vollständiger unten beschrieben wird, durch Beugung in Fokus bringen.
Zur Verringerung der Sensitivität des Druckers 13 gegenüber Halbwellenresonanzen, ist die RF-Frequenz, mit der der Wandler 21 angeregt wird, vorteilhafterweise um eine vorbestimmte Mittenfrequenz gemäß einem modulierenden Rausch- oder Pseudozufallsfrequenzsignal mehr oder weniger zufällig verschoben (durch nicht gezeigte Mittel). Die fraktionelle Bandbreite Δf/f dieser frequenzmodulierten RF ist geeigneterweise in der Größenordnung von 20 %, wobei Δf der Bereich ist, über den die RF-Frequenz verschoben ist. Siehe eine ebenfalls anhängige und übertragene US-Patentanmeldung von Elrod et al., die am 21. Dezember 1988 unter der Seriennummer 07/287791 über "Acoustic Ink Printers Having Reduced Focusing Sensitivity" (D/8835) eingereicht wurde. Es wird evident werdenf daß einige der Dimensionen der Linsen 12a-12i frequenzabhängig sind, so daß es bequem ist, sie in "Radians" auszudrücken, um sie so auf die Wellenlänge der akustischen Strahlung in dem Medium, durch das die Linsen 12a-12i bei der Frequenz (oder für den frequenzmodulierten Fall bei der Zentrumsfrequenz f) der einfallenden Strahlung definiert sind, zu normalisieren.
Jede der Linsen 12a-12i, spricht bestimmte, räumlich eindeutige Pixelpositionen in der Ausgabebildebene in einer vorbestimmten sequentiellen Reihenfolge an. Somit hat beim Drucken der Bilder jede der Linsen 12a-12i einen korrespondierenden Modulator, wie beispielsweise den Modulator 25a für die Linse 12a in Fig. 2. Diese Modulatoren modulieren gewöhnlicherweise die RF-Anregung des Wandlers 21 mit seriellen Pulsen auf einer Linsen-zu-Linsen-Basis entsprechend den Eingabedatensätzen, die die Bildpixel für eine Pixelposition nach der anderen, die die Linsen 12a-12i entsprechend ansteuern, darstellen. Als allgemeine Regel ist die Datenrate, mit der diese Modulation durchgeführt wird (durch nicht gezeigte Mittel) mit der relativen Bewegung der Linsen 12a-12i von Pixelposition-zu-Pixelposition zeitsynchronisiert, die ihrerseits so ausgewählt werden, daß sichergestellt ist, daß ein hinreichendes Zeitintervall zwischen der Ansteuerung von aufeinanderfolgenden Pixelpositionen vorliegt, damit sich die freie Tintenoberfläche 15 der Tinte 16 "relaxiert" (d.h. in einen im wesentlichen stabilen Zustand zurückkehrt). Falls erwünscht, kann eine perforierte Membran oder dergleichen (nicht gezeigt) verwendet werden, um bei der Beibehaltung der freien Oberfläche 15 der Tinte 16 auf einem vorbestimmten Niveau zu assistieren. Siehe eine mitanhängige und übertragene US- Patentanmeldung von Khuri-Yakub et al., die am 30. Mai 1989 unter der Seriennummer 07/358752 über "Perforated Membranes for Liquid Control in Acoustic Ink Printing" (D/89097) eingereicht worden ist.
Die Linsen-zu-Linsen Modulation der Treiberspannung, die an den Wandler 21 angelegt ist, moduliert entsprechend die akustische Bestrahlung der Linsen 12a-12i mehr oder weniger. Demgemäß werden die Strahlungsdrucke, die die gebeugte fokussierte akustische Energie (d.h. die +1 Beugungsordnung), welche von den Linsen 12a-12i entsprechend ausgestrahlt wird, gegen die freie Tintenoberfläche 15 ausübt, entsprechend moduliert. Hinreichend akustische Energie wird zugeführt, um es dem Strahlungsdruck eines jeden dieser Strahlen zu ermöglichen, kurze, gesteuerte Auslenkungen auf ein hinreichend hohes Druckniveau auszuführen, so daß individuelle Tröpfchen von Tinte 17 von der freien Tintenoberfläche 15 als Antwort auf die Datensätze, die beispielsweise die schwarzen Pixel eines Schwarz-Weißbildes repräsentieren, ausgestoßen werden.
Wendet man sich als nächstes zur detaillierteren Diskussion der akustisch fokussierenden Fresnellinsen mit mehrfach diskreter Phase zu, die durch diese Erfindung geschaffen werden, der Fig. 3 zu, sieht man, daß das Phasenprofil der repräsentativen Linse 12a eine quantisierte Näherung des kontinuierlichen Phasenprofils einer theoretisch idealen 100 % effizienten Fresnelzonenplatte ist. Demgemäß wird es offensichtlich werden, daß die akustische Fokussiereffizienz der Linse 12a und die Breite ihres kleinsten Merkmals (d.h. ihres äußersten Phasenschritts) von der Anzahl n der diskreten Phasenniveaus abhängig sind, mit denen das Phasenprofil quantisiert ist. Insbesondere sind, wie in dem oben bezeichneten Swanson et al. Artikel beschrieben, 2-Phasen-, 4- Phasen-, 8-Phasen- und 16-Phasen-Ausführungsformen bei der Beugung axial einfallender Strahlung in eine fokussierte +1 Beugungsordnung ungefähr 41%-, 81%-, 95%- bzw. 99%-effizient. Der Rest der einfallenden Energie wird in höhere positive Beugungsordnungen und in negative Beugungsordnungen gebeugt, allerdings wird nahezu keine Energie in die nullte Beugungsordnung gebeugt. Dies legt nahe, daß die 2-Phasen- Ausführungsform in gewisser Weise ein Randwert für wenigstens einige akustische Tintendruckanwendungen ist, so beispielsweise, wenn das Drucken unter Verwendung eines Feldes von Linsen durchgeführt wird (einem Fall, in dem die 2- Phasen-Ausführungsform relativ außergewöhnliche Vorkehrungen zur Vermeidung unerwünschter Niveaus an übersprechen zwischen räumlich benachbarten Linsen erfordern kann) . Die 4-, 8- und 16-Phasen-Ausführungsformen verringern schrittweise die Energiemenge, die in unerwünschte, mzglicherweise schwierige Ordnungen gebeugt werden, um einen kumulativen Faktor von jeweils ungefähr 3×, so daß sie vom akustischen Standpunkt aus vorzuziehen sind.
Die in Fig. 3 gezeigte Linse 12a hat 4 diskrete Phasenniveaus, da eine 4-Phasen-Ausführungsform leicht durch die Verwendung von derzeit zugänglichen integrierten Halbleiter-Schaltungs- Herstellungstechniken hergestellt werden kann. Diese bestimmte Linse wird durch Mustern einer α-Si-Schicht 23 mit einer longitudinalen Schallgeschwindigkeit von ungefähr 8603 m/s gebildet, um akustische Strahlung axial einfallender ebener Wellen mit einer nominellen Frequenz von 167 MHz in eine +1 Beugungsordnung mit einer Brennweite von 300 µm durch eine Flüssigkeitszwischenschicht mit einer longitudinalen Schallgeschwindigkeit von 1500 mis zu fokussieren. Außerdem ist die Linse 12a so konstruiert, daß sie eine Blendenzahl (f/Nummer) von f/i hat. Angesichts dieser Designparameter sind das Phasenprofil der Linse 12a und die ungefähre relative Phasenvoreilung wk, die mit jedem dieser Phasenschritte assoziiert ist, wie untenstehend aufgeführt (alle Dimensionen sind in Mikronen ausgedrückt):
wobei kk ein dimensionsioser Phasenschrittindex ist; k die radiale Entfernung von dem Zentrum der Apertur der Linse 12a zu ihrem k-ten Phasenübergang ist; und hk die Höhe des k-ten Phasenschritts der Linse 12a in Bezug auf die Oberfläche des darunterliegenden Substrats 22 (Fig. 2) ist. Wie zu sehen ist, gibt es 16 π/2-Rädians-Phasenübergänge (Indexzahlen 0-16) innerhalb der Apertur der Linse 12a, die räumlich aufeinanderfolgend, um 4 vollständige 2π Radians Phasenzyklen zu definieren. Die relative Phasenänderung der +1 Beugungsordnung, die durch diese Phasenübergänge bewirkt wird, wird als eine relative "Phasenvoreilung" wk bezeichnet, da die akustische Geschwindigkeit der Wellenfront der Strahlung abfällt, wenn sie von der Linse 12a in die Tinte 16 (Fig. 2) propagiert. Aus diesem Grund ist die Linse 12a so designed, daß ihre "Phasenverzögerung" für die +1 Beugungsordnung in radialer Richtung von der Apertur als Funktion von ungefähr dem Quadrat der radialen Entfernung k abfällt, was bedeutet, daß die Linse 12a eine konkav brechende Linse simuliert.
Vorteilhafterweise werden die Linsen 12a-12i durch die Verwendung eines konventionellen photolithographischen Patternprozesses zum Ätzen derselben in eine akustisch flache Schicht 23 aus ätzbarem Material, wie beispielsweise a-Si, das auf einer akustisch flachen Oberfläche eines ätzbeständigen Substrats 22, wie beispielsweise eines Quarz- oder Glassubstrats, aufgebracht ist, hergestellt. Es ist deshalb wert, zu bemerken, daß das kleinste Merkmal der repräsentativen Vierphasenlinse 12a ungefähr 5 µm breit ist (siehe Index Nr. 15 der vorangegangenen Tabelle), was klar ohne weiteres innerhalb der Auflösungsgrenzen eines hochintegrierten mikroelektronischen Standardphotolithographiepatternprozesses liegt. In der Tat kann gezeigt werden, daß das kleinste Merkmal einer entsprechenden Achtphasenlinse eine Breite von ungefähr 2,5 µm hat&sub1; was ebenfalls mit den Möglichkeiten moderner Photolithographie konsistent ist.
Falls die Dicke der α-Si-Schicht 23 mit hinreichender Präzision gesteuert werden kann, während sie aufgebracht wird, so daß eine akustisch flache Schicht aus a-Si mit einer Dicke erhalten wird, die im wesentlichen gleich der Höhe des höchsten Phasens,chritts der Linsen 12a-12i ist (d.h. einer Dicke von 2π(n-1)/n Radians), ist keine weitere Verarbeitung vor dem Ätzen erforderlich. Es kann allerdings manchmal leichter sein, zuerst eine etwas dickere Schicht aus a-Si auf dem Substrat 22 wachsen zu lassen und danach diese a-Si- Schicht auf die Dicke und die akustische Ebenheit, die von der Schicht 23 erwünscht ist, zu polieren.
Nimmt man nun Bezug auf Fig. 4, sieht man, daß einer oder mehrere photolithographische Ätzschritte zum Ätzen des Phasenprofils der Linsen 12a-12i in die α-Si-Schicht 23 verwendet wird oder werden. Es sind nicht mehr als N binär gewichtete Amplitudenmasken erforderlich, um die Phasenprofile für die Fresnellinsen 12a-12i mit n diskreten Phasenniveaus zu definieren, wobei n = ein Modulo-2-Integer und 2N = n. Die individuellen Masken eines Mehrfachmasken-Maskensatzes kann in die a-Si-Schicht 23 in beliebiger Reihenfolge geätzt werden, allerdings variieren die Tiefen, mit der die Masken eines binär gewichteten Maskensatzes in die a-Si-Schicht 23 geätzt werden von Maske zu Maske in Abhängigkeit von ihren entsprechenden binären Gewichtungen. Falls insbesondere ein Zählnummerindexwert i zur sequentiellen Nummerierung der Masken eines binär gewichteten Maskensatzes in der Reihenfolgen von der am stärksten gewichteten zu der am wenigsten gewichteten Maske verwendet wird, ist die Ätztiefe di für die Maskennummer i gegeben durch: di=2(1-i) π Radians, wobei i = 1, 2 , ....,N.
Natürlich sollte, immer wenn eine Mehrzahl von Masken verwendet wird, eine Maskenausrichteinrichtung (nicht gezeigt) verwendet werden, um die nacheinanderfolgenden Maskenmuster mit geeigneter Präzision zu registrieren.
Um den Linsen 12a-12i durch Verwendung von Standardphotol ithographie das erwünschte Phasenprofil auf zuprägen, wird die α-Si-Schicht 23 mit einem herkömmlichen UV-empfindlichen Photolack 31 überzogen, der dann einer UV- Strahlung gemäß dem binären Amplitudenmuster einer ersten Maske 32 exponiert wird. Danach wird der belichtete Photolack 31 typischerweise von der α-Si-Schicht 23, beispielsweise durch ein Naßätzwaschen, entfernt. Ein anisotropes Ätzen, wie beispielsweise ein reaktives lonenätzen, wird dann verwendet, um Material von den belichteten Bereichen der α-Si-Schicht 23 (d.h. die Bereiche, die nicht mit dem unentwickelten Photolack 31 überzogen sind) zu einer Tiefe, die von der binären Wichtung der Maske 23 abhängt, zu entfernen. Ein anisotropes Ätzen ist vorzuziehen, da es Phasenschritte erzeugt, die im wesentlichen vertikale Seitenwände haben, wodurch scharfe Phasenübergänge zwischen benachbarten Phasenschritten erzeugt werden.
Nachdem das Muster der ersten Maske 32 in die α-Si-Schicht 23 geätzt worden ist, wird der verbleibende Photolack 31 entfernt. Der vorangehende Prozeß kann dann so oft wiederholt werden, wie es zum aufeinanderfolgenden Ätzen zusätzlicher Maskenmuster in die α-Si-Schicht 23 erforderlich ist. Wie vorher bemerkt, variiert die Ätztiefe für einen Mehrfachmaskensatz von Masken mit binär gewichteter Amplitude von Maske zu Maske. Allerdings ist die kumulative Tiefe aller Ätzvorgänge.
so daß das ätzbeständige Substrat 22 ein effektiver Ätzstopper für das letzte Ätzen ist.
Vorteilhafterweise ist die Fokussierung, die durch die Linsen 12a-12i durchgeführt wird, vollständig diffraktiv. Demgemäß sind die Linsen 12a-12i so gezeigt, daß sie im allgemeinen eine flache Geometrie haben, die durch ihre Phasenprofile moduliert ist. Flache Linsengeometrien sind für akustische Tintendrucker, wie beispielsweise den Drucker 13 (Fig. 2) vorzuziehen, in dem die Linsen 12a-12i direkt an die Tinte 16 gekoppelt sind, da es relativ einfach ist, einen glatten, gleichmäßigen Fluß der Tinte über die Ausgabe- oder strahlende Fläche einer derartigen Linse beizubehalten. Außerdem sind flache Linsengeometrien für akustische Tintendruckköpfe wie beispielsweise den Druckkopf 35 von Fig. 5, vorzuziehen, die durch Überzug derselben mit einer dünnen, akustischen, leitfähigen planarisierenden Schicht 37, die beispielsweise aus einem Polymer, wie Polyimid oder PMMA, planarisiert sind. Die relativ flache Geometrie der Linse oder der Linsen 36 macht es relativ einfach, den Druckkopf 35 mit einer im wesentlichen planaren Schicht 37 aus dem ausgewählten akustisch koppelnden Medium mittels Schleuderbeschichtung oder auf andere Weise zu überziehen.
Es ist anzumerken, daß, immer wenn ein akustisch koppelndes Zwischenmedium, wie beispielsweise die planarisierende Schicht 37, zur akustischen Kopplung der Linse oder der Linsen 36 an die Tinte 16 (Fig. 2) vorgesehen ist, dessen longitudinale Schallgeschwindigkeit während der Berechnung des Phasenprofils der Linse in Betracht gezogen werden sollte. Wenn beispielsweise die Linse oder die Linsen 36 basierend auf denselben Designparametern, wie sie oben stehen unter Bezugnahme auf das Design der Linse 12a obenstehend dargelegt worden sind, konstruiert werden, sollte angesichts der zusätzlichen Annahme&sub1; daß sie mit einer dünnen Schicht aus Polyimid (longitudinale Schallgeschwindigkeit von 2300 m/s) überzogen werden, jede Höhe der Phasenschritte, die in der vorangegangenen Tabelle angegeben worden sind, um einen Faktor von ungefähr 1,127 erhöht werden. Der entsprechende Faktor für die PMMA-planarisierte Ausführungsform des Druckkopfs 35 (unter Annahme, daß alle anderen Design-Parameter dieselben sind) ist ungefähr 1,203.

Schlußfolgerung

Angesichts des Vorangegangenen ist es nun offensichtlich, daß die akustisch fokussierende Fresnellinse mit multidiskreten Phasen dieser Erfindung gut geeignet ist für akustisches Drucken mit Tinte und für andere Anwendungen, die ökonomisch akustisch fokussierende Linsen erfordern, die relativ genaue Spezifikationen erfüllen&sub1; einschließlich der Spezifikationen, die die relative räumliche Positionierung derartiger Linsen in integrierten Linsenfeldern regeln. Außerdem sollte klar sein, daß die relativ ebenen Geometrien der akustisch fokussierenden Linsen, die durch die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung geschaffen werden, für akustische Tintendrucker verschiedener Typen vorteilhaft sind, einschließlich derer, bei denen die Linsen an die Tinte direkt akustisch gekoppelt sind, und derer, bei denen die Linsen an die Tinte durch ein akustisch koppelndes Zwischenmedium, wie beispielsweise eine Druckkopfplanarisierungsschicht indirekt gekoppelt sind.

Claims

1. Ein akustischer Strahler zum Bestrahlen einer Objektebene, an die er mit fokussierter akustischer Energie akustisch gekoppelt ist; wobei der Strahler aufweist:

eine Fresnellinse (12a, ..., 12i) mit einem radialen Phasenprofil, das so ausgewählt ist&sub1; daß es einen wesentlichen Anteil der akustischen Energie mit Beugungswinkeln, die in radialer Richtung der Linse variieren, in eine vorbestimmte Beugungsordnung beugt&sub1; wobei sie aus einem Material besteht, das eine vorbestimmte longitudinale Schallgeschwindigkeit hat, und durch ein Medium (16) mit einer niedrigeren longitudinalen Schallgeschwindigkeit akustisch an die Objektebene gekoppelt ist, und

eine Einrichtung (21) 1 die akustisch an die Linse gekoppelt ist, um sie mit akustischer Energie zu bestrahlen,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Fresnellinse eine Mehrfach-Diskret-Phasen-Fresnellinse ist, die bei einer vorbestimmten Brennweite von der Objektebene gehaltert ist,

die Beugungswinkel so ausgewählt sind, daß sie bewirken, daß die akustische Energie innerhalb der Beugungsordnung im wesentlichen auf der Objektebene fokussiert wird, und

das radiale Phasenprofil der Linse so ausgewählt ist, daß die akustische Energie mit einer relativen Phasenverzögerung, die in radialer Richtung der Linse ungefähr als eine Funktion des Quadrats des Radius abnimmt, in die Beugungsordnung gebeugt wird.

2. Der akustische Strahler nach Anspruch 1, im welchem

die Linse eine im allgemeinen flache Geometrie hat, die entsprechend dem radialen Phasenprofil moduliert ist,

die Linse axial mit einem nahezu normalen Einfallswinkel durch akustische Wellen mit im allgemeinen ebenen Wellenfronten bestrahlt wird, und

die vorbestimmte Beugungsordnung eine +1 Ordnung ist.

3. Der akustische Strahler nach Anspruch 1 oder 2, in welchem

die Linse ein akustisch leitendes Element umfaßt, daß eine Oberfläche hat, die so gemustert ist, daß sie das radiale Phasenprofil der Linse definiert.

4. Der akustische Strahler nach einem der Ansprüche 1-2, in welchem

die Linse ein akustisch leitendes Substrat und eine Schicht aus ätzbarem Material, die auf dem Substrat aufgebracht ist, umfaßt, und

die Schicht aus ätzbarem Material so gemustert ist, daß das radiale Phasenprofil der Linse definiert wird.

5. Der akustische Strahler nach Anspruch 4, in welchem

das ätzbare Material so gemustert ist, daß es eine nominelle maximale akustische Dicke von ungefähr 2π(n-1)/n Radians hat, wobei n die Anzahl der diskreten Phasenniveaus der Linse ist, und

das Substrat aus einem ätzbeständigen Material besteht.

6. Der akustische Strahler nach Anspruch 5, in welchem das ätzbare Material amorphes Silizium ist.

7. Der Strahler nach Anspruch 1, in welchem

die Linse ein akustisch flaches, akustisch leitendes, ätzbeständiges Substrat und eine 2π(n-1)/n Radians dicke Schicht aus Material, die auf dem Substrat aufgebracht ist, aufweist,

wobei die Schicht aus Material so gemustert ist, daß das radiale Phasenprofil der Linse definiert wird.

8. Ein integriertes Feld aus einer Mehrzahl von im wesentlichen identischen akustischen Strahlern nach Anspruch 1 zur Bestrahlung einer Objektebene, an die die Strahler mit einer Mehrzahl von fokussierten akustischen Strahlen akustisch gekoppelt sind, in welchem das Feld aufweist:

ein akustisch leitendes Substrat (22),

wobei die akustischen Strahler auf dem Substrat (22) an vorbestimmten Zentren mit einer vorbestimmten Brennweite von der Objektebene gehaltert sind, und

Einrichtungen (21), die an das Substrat (22) in akustischer Ausrichtung mit den akustischen Strahlern zur akustischen Bestrahlung derselben gekoppelt sind.

9. Das Feld nach Anspruch 8, weiter umfassend eine Schicht aus Material, die auf dem Substrat aufgebracht ist, wobei die Schicht so gemustert ist, daß die Linsen definiert werden.

10. Das Feld nach Anspruch 9, in welchem

die Schicht aus Material aus amorphem Silizium besteht.

11. Ein Druckkopf (11) zum anforderungsweisen Ausstoßen individueller Tröpfchen (14) aus Tinte von einer freien Oberfläche (15) eines Reservoirs flüssiger Tinte (16) zum Drucken von Bildern auf einem benachbarten Aufzeichnungsmedium (17), umfassend:

wenigstens einen akustischen Strahler nach Anspruch 1,

ein akustisch leitendes Substrat (22),

wobei der wenigstens eine akustische Strahler auf dem Substrat (22) in akustischer Verbindung mit der Tinte (16) gehaltert ist, und

eine Einrichtung (21), die akustisch an das Substrat (22) gekoppelt ist, um die Linse (12a) mit akustischer RF- Energie zu bestrahlen, wobei die Einrichtung eine Einrichtung zum Modulieren der RF-Energie umfaßt, wodurch die wenigstens eine Linse die auf die Linse eingestrahlte Energie im wesentlichen auf die freie Tintenoberfläche fokussiert, um einen Strahlungsdruck gegen die freie Tintenoberfläche (15) auszuüben, wobei der Strahlungsdruck entsprechend der Modulation der RF-Energie moduliert ist, so daß individuelle Tröpfchen (14) aus Tinte (16) auf Anforderung von der freien Tintenoberfläche (15) mit einer Ausstoßgeschwindigkeit, die hinreichend ist, um ein Aufbringen der Tröpfchen in einer Bildkonfiguration auf dem Aufzeichnungsmedium (17) zu bewirken, ausgestoßen werden, und wobei die gebeugte Energie im wesentlichen auf der freien Tintenoberfläche zur Ausübung des Strahlungsdrucks fokussiert wird.

12. Der Druckkopf nach Anspruch 11, in welchem

das Substrat eine akustisch flache Oberfläche zur Halterung der Linse hat;

eine Schicht aus Material auf der Oberfläche des Substrats aufgebracht ist, wobei die Schicht des Materials so gemustert ist, daß das Phasenprofil der Linse definiert wird; und

die Einrichtung zur Bestrahlung der Linse diese mit einer im wesentlichen ebenen Welle akustischer RF-Energie mit einem nahezu normalen Einfallswinkel bestrahlt.

13. Der Druckkopf nach Anspruch 12, in welchem

die vorbestimmte Beugungsordnung eine +1 Ordnung ist.

14. Der Druckkopf nach Anspruch 13, in welchem

die Schicht des Materials eine nominelle maximale akustische Dicke von ungefähr 2π(n-1)/n Radians hat, wobei die Linse n diskrete Phasenniveaus hat;

das Phasenprofil der Linse in die Materialschicht geätzt ist; und

das Substrat aus einem ätzbeständigen Material besteht.

15. Der Druckkopf nach einem der Ansprüche 11-14, in welchem, die Tinte eine vorbestimmte longitudinale Schallgeschwindigkeit hat,

die Linse aus einem Material besteht, das eine longitudinale Schallgeschwindigkeit hat, die größer als die longitudinale Schallgeschwindigkeit der Tinte ist, und

die Linse ein Phasenprofil hat, das so ausgewählt ist, daß die akustische Energie mit einer Phasenverzögerung, die in radialer Richtung der Linse abfällt, in die Beugungsordnung gebeugt wird.

16. Der Druckkopf nach einem der Ansprüche 11-14, in welchem

der Druckkopf eine Mehrzahl von im wesentlichen identischen Linsen umfaßt, die durch das Substrat mit vöneinander beabstandeten Zentren gehaltert werden, und

die Bestrahlungseinrichtungen im wesentlichen unabhängig voneinander jede der Linsen mit modulierter RF-Energie bestrahlen, um den Ausstoß der Tröpfchen aus Tinte auf einer Linsen-zu-Linsen-Basis zu steuern.

17. Der Druckkopf von Anspruch 16, in welchem

die Tinte eine vorbestimmte longitudinale Schallgeschwindigkeit hat,

die Linsen aus einem Material bestehen, das eine longitudinale Schallgeschwindigkeit hat, die größer als die longitudinale Schallgeschwindigkeit der Tinte ist, und

jede der Linsen ein Phasenprofil hat, das so ausgewählt ist, daß die akustische Energie mit einer Phasenverzögerung, die in radialer Richtung der Linse abfällt, in die Beugungsordnung gebeugt wird.