专利名称：光波导缩减光学图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用光波导的光波导缩减图像传感器，用在产生硬拷贝图像之类的一维读取光学系统中，并应用于传真机、复印机和图像扫描仪一类的设备之中。
随着当前传真机、图像扫描仪和数字式复印机的增加，对能将图像信息转化成电信号的高性能、结构紧凑的一维图像传感器的需求也相应增加了。现有技术的一维图像传感器包括一利用如透镜组之类的缩减光学系统读取一聚焦图像的缩减光学图像传感器，以及利用一对一光学系统读取一对一聚焦图像的接触型图像传感器。
所述缩减光学图像传感器并不昂贵并且具有高速阅读的能力。然而，由于这类传感器必须利用透镜执行一个缩减图像的操作，因此装置的尺寸变大，且不易减小。此外，还需要对每台装置的光学系统进行复杂的调整。
与此相对照，所述接触型图像传感器无需对光学系统进行复杂的调整，因为从文件原件到光电转换元件阵列的距离很短。但是，光电转换元件阵列的尺寸很大，且需要复杂的电子电路来驱动光电转换元件阵列，因而很难降低成本。
在这种情况下，近来提出一种使用光波导阵列的缩减图像传感器，该传感器包括一与文件原件表面同宽的微透镜阵列、一光波导阵列和一光电转换元件阵列。光波导阵列包括多个波导芯，用于传导由微透镜阵列聚焦并形成在有金属镀层的衬底上的光。光电转换元件阵列用于接收光并将其转换成电信号。根据这种使用光波导阵列的缩减图像传感器，可实现成本和装置尺寸的降低，同时也无需对光学系统进行复杂调整。
用于制造这种使用聚合材料波导芯的缩减图像传感器的光波导的几种方法已为人所熟知。
方法之一是夹层法。根据这种方法，将用于制造波导芯的聚合物原材料填入由如PMMA聚合材料制成并具有槽形图案的图案衬底的槽部，且将由PMMA之类的聚合物制成的平衬底与图案衬底的槽部紧贴在一起，之后，再利用紫外幅射进行光聚作用以构成由聚合材料制成的光波导芯。
另一种方法是真空毛细法，根据这种方法，其上形成有起毛细作用的槽的图案衬底的图案表面与平衬底紧密接触以构成毛细管。此后，制造光波导芯的聚合物原材料依靠毛细作用进入毛细管中，并且聚合物原材料受到聚合作用。
对于这些方法，由于在所述图案衬底与所述平衬底之间没有间隙，所以可以得到具有极佳光波导特性的光波导，这种光波导不存在因波导芯之间的间隙引起光泄露而导致的相互干扰问题。
对于使用聚合材料光波导阵列的缩减光学图像传感器，在图像读取操作中使用发光二极管对文件原件表面进行照射，并且文件原件表面的信息经光波导芯被导入光电转换元件，从而读取图像信息。
对于上述使用聚合材料的现有技术光波导缩减光学图像传感器，若制造由多个芯组成的聚合材料光波导阵列的聚合材料，例如PMMA的线热胀系数与光电转换元件阵列的线热胀系数不同，则随温度的变化，在所述聚合材料光波导阵列和光电转换元件阵列的接合处会产生距离偏移，因此，产生了像素偏移，并破坏了各光电转换元件的输出，因此无法正确读取图像。
所以，当使用这类聚合材料光波导时，很重要的是防止因温度的变化而导致图像读取精度的下降。
本发明旨在解决上述问题，且目的之一是提供一种光波导缩减光学图像传感器，该传感器能防止像素偏移并且能执行正确的图像读取操作，即使在温度变化的情况下，聚合材料光波导阵列和光电转换元件阵列之间也不会产生距离偏移。
本发明旨在达到上述目的，下面将描述本发明的各个方面。
根据本发明的第一方面，利用聚合材料光波导阵列缩减来自文件原件表面光的光波导缩减光学图像传感器的特征在于，在聚合材料光波导阵列和用于检测经光波导传播并将检测到的光信号转化成电信号的光电转换元件阵列之间的接合部安装有一个夹子，因而可防止像素偏移。
根据本发明的第二方面，在具有上述特征的光波导缩减光学图像传感器中，所述夹子具有可覆盖聚合材料光波导阵列和光电转换元件阵列之间的接合部的U形或矩形形状。
根据本发明的第三方面，在具有上述第一特征的光波导缩减光学图像传感器中，所述夹子在垂直方向上有一缝隙。
根据本发明的第四方面，在具有上述第一特征的光波导缩减光学图像传感器中，所述夹子由一个具有与所述光电转换元件阵列相同的线热胀系数的元件构成。
根据本发明的第五方面，光波导缩减光学图像传感器包括一聚合材料光波导阵列和一光电转换元件阵列。所述聚合材料光波导阵列具有多个位于带有金属镀膜的衬底之上以一维阵列方式布置并通过引导由文件原件表面经波导芯传来的反射光对图像进行缩减的波导芯。所述光电转换元件阵列具有多个以一维阵列排列的光电转换元件阵列，周于检测经光电转换元件阵列传播的光并将其转换成电信号，其特征在于，中空的热膨胀控制件安装在聚合材料光波导阵列与光电转换元件阵列的接合部，且热膨胀控制件在聚合材料光波导阵列的波导芯布置方向上的线热胀系数小于聚合材料光波导阵列在同一方向上的线热胀系数。
根据本发明的第六个方面，在具有上述第五项特征的光波导缩减光学图像传感器中，所述热膨胀控制件具有各向异性的线热胀系数，同时该热膨胀控制件在大致垂直于光电转换元件阵列的芯阵列方向的方向上的线热胀系数大致等于或大于聚合材料光波导阵列在同一方向上的线热胀系数。
根据本发明的第七和第八个方面，在具有上述第五或第六项特征的光波导缩减光学图像传感器中，在所述聚合材料光波导阵列和热膨胀控制件之间，在大致垂直于聚合材料光波导阵列的芯阵列方向的方向上有一间隙。
根据本发明的第九和第十个方面，在具有上述第五或第六项特征的光波导缩减光学图像传感器中，所述热膨胀控制件的内表面为锥形。
根据本发明的第十一和第十二方面，在具有上述第五或第六项特征的光波导缩减光学图像传感器中，所述热膨胀控制件的内表面具有一折皱部。
根据本发明的第十三和第十四方面，在具有上述第五或第六项特征的光波导缩减光学图像传感器中，所述聚合材料光波导阵列和所述热膨胀控制件的接触表面用粘接剂相互粘接在一起。
下面将描述具有上述这些结构的本发明的功能和效果。
根据本发明的第一至第四个方面，由于所述图像传感器具有上述结构，所以尽管周围温度发生变化，所述聚合材料光波导阵列和所述光电转换元件阵列间的接合部在纵向的膨胀可以得到控制，并且在水平(纵向)方向的张力得以在垂直(横向)方向上消除。因此，在水平方向产生的膨胀得以控制，而不会在所述夹子上产生额外的载荷，并且在所述聚合材料光波导与光电转换元件的所述芯之间不发生距离偏移。因此，图像读取操作可以很好地完成，而不会发生像素偏移问题。
根据本发明的所述第五个方面，通过使用上述热膨胀控制件，即使工作温度发生改变，所述聚合物光波导阵列的膨胀也可以得到控制，同时在所述聚合物光波导阵列的芯和所述光电转换元件阵列的元件之间不会有大的距离偏移，因此也就避免了像素偏移，这样就可以完成良好的图像读取操作。
即使有了如第五方面中所述那样的热膨胀控制件，当所述聚合物光波导阵列在工作温度下受热发生膨胀时，还是可能在所述聚合材料光波导阵列的芯阵列方向上产生张力。本发明的第六方面具有一种结构，在该结构中该张力在大致垂直于聚合材料光波导阵列的芯阵列方向的方向上可以很容易地得到消除。
更具体地说，将所述热膨胀控制件的线热胀系数设定成小于所述聚合材料光波导阵列在其芯阵列方向上的线热胀系数，以防止在上述方向上，在所述芯与所述光电转换元件阵列的元件之间产生距离偏移。此外，热膨胀控制件的线热胀系数设定成约等于或大于所述聚合材料光波导阵列在大致垂直于其芯阵列方向的方向上的线热胀系数，这样，在聚合材料光波导阵列的芯阵列方向上的张力就得以在垂直于所述芯阵列方向的方向上得以消除。
根据本发明的第六方面，由于使用了具有各向异性线性热胀系数的热膨胀控制件，因此，聚合材料光波导阵列热膨胀产生的张力在大致垂直于聚合材料光波导阵列的芯阵列方向的方向上得以消除。这样就可以在不对聚合材料光波导阵列施加额外载荷的情况下控制芯阵列方向上的热膨胀，并防止了在所述芯和光电转换元件阵列的元件之间的距离偏移。
根据本发明的第七和第八方面，利用不同于上述第六方面的布置方式，可以控制上述聚合材料光波导阵列的芯阵列方向上的应力。更具体地说，根据本发明的第七和第八方面，通过如上所述在聚合材料光波导阵列和热膨胀控制件之间留有一个间隙，由于聚合材料光波导阵列的热膨胀产生的张力可以在大致垂直于聚合材料光波导阵列的芯阵列方向的方向上得以消除，这样就避免了在所述芯和光电转换元件阵列中的元件在聚合材料光波导阵列的芯阵列方向上的距离偏移，如同在上面提到的本发明第六方面中的那样。
根据本发明第九和第十方面，通过利用具有锥形内表面的热膨胀控制件，可以避免所述热膨胀控制件被从所述聚合材料光波导阵列上分离开或移去。
根据本发明的第十一和第十二方面，通过利用带有折皱的内表面的热膨胀控制件，可以避免所述热膨胀控制件被从所述聚合材料光学波导阵列上分离或移去。
根据本发明的第十三和第十四方面，由于聚合材料光波导阵列和热膨胀控制件的接触表面以粘接剂彼此粘接，所以即使所述聚合材料光波导阵列被冷却并发生收缩，也可以避免在所述聚合材料光波导阵列的芯和光电转换元件阵列的元件之间的距离偏移。此外，当所述聚合材料光波导阵列以此方式收缩时，可以防止所述热膨胀控制件从所述聚合材料光波导阵列上被分离开或移去。
图1为一透视图，说明了如何利用本发明实施例的光波导缩减光学图像传感器从一文件原件上进行图像读取；图2为一平面图，示出了构成图1中所示光波导缩减光学图像传感器的聚合材料光波导阵列和微透镜阵列；图3为一透视图，示出了用于根据本发明的波导缩减光学图像传感器的光电检测测部分的夹子的结构；图4为一透视示意图，示出了一热膨胀控制件(夹子)和一光电转换元件阵列是如何安装在图2中的聚合材料光波导阵列和微透镜阵列上的；图5为根据本发明另一实施例的光波导缩减光学图像传感器的平面图，其中一热膨胀控制件(夹子)和一光电转换元件阵列均安装在聚合材料光波导阵列和一微透镜阵列上；图6为本发明的光波导缩减光学图像传感器的光电检测部分的剖面图；图7A至7D所示为该实施例中的热膨胀控制件(夹子)，其中图7A为该部件的透视图，图7B为该部件的平面图，图7C为该部件的前视图，而图7D为该部件的后视图；且图8为图5中光波导缩减光学图像传感器前视图。
下面将结合附图对本发明的一实施例进行说明。
在该实施例中，本发明用在一维图像扫描仪上(扫描宽度256mm；纸张尺寸B4)，该扫描器具有200dpi的分辨率并用在Group III型传真机上，但本发明并不限于本实施例。
图1为一透视示意图，示出了本实施例的光波导缩减光学图像传感器是如何读取文件原件的。本实施例的光波导缩减光学图像传感器由一微透镜阵列2，一聚合材料光波导阵列3，一光电转换元件阵列4，和一线性光源5构成。在这个光波导缩减光学图像传感器中，由线光源5发出的并由文件原件1所反射的光被所述微透镜阵列2聚焦到所述聚合材料光波导阵列3入射表面3上的各芯中。然后所述光由各芯引导入射到光电转换元件阵列4上，其中光被转化成电信号，从而读取图像。
在本实施例中，使用了光电转换元件阵列μPD3743D(由NEC公司提供)，它为一个包含以14μm间距(光电转换元件(像素)间距)布置的2048个像素的CCD器件。
图2为一平面图，示出了图1中的微透镜阵列2和聚合材料光波导阵列3的平面图。如图2所示，在本实施例的光波导缩减光学图像传感器中，由微透镜阵列2的微透镜7聚焦于聚合材料光波导阵列3的入射表面上的芯6上的光束分别由所述芯6导引以缩减文件原件图像。应当注意，多个微透镜7在微透镜阵列2中布置成一维阵列，且多个芯6在聚合材料光波导阵列3中以一维阵列方式排列。
下面将描述本实施例的聚合材料光波导阵列的制造方法。
首先说明图案衬底的制造工艺，所述图案衬底为一有下部镀层的衬底，其上形成有起芯作用的槽形图案。在此实施例中，使用了日本专利申请Hei 7No 178825所公开的注模方法。
下面首先描述用于图案衬底的注模所用的模具的制造工艺。将一层9μm厚度的光刻胶膜成形于一玻璃衬底上，且通过摄影平版术将槽形图案转移到衬底上。更具体地说，是将一面罩同光刻胶膜形成紧密接触并暴露在紫外光照射之下而显形。其结果是，面罩上的槽形图案被移至光刻胶膜上以在衬底上形成所述槽形图案。在本实施例中，由于使用模具的注模工艺中的转移率为95％，所以光刻胶膜的厚度设定成略大于每芯为8μm的规定深度。
通过镀膜工艺将镍和钽膜成形在带图案的光刻胶膜上，此后，使用氯化镍溶液通过电镀方法形成一个10μm厚的镀镍层。支撑件粘接于与所得到的薄金属镀层相对的图案表面上。最后，所述光刻胶膜通过抗消除剂(resistrelease agent)被溶解，以使所述薄金属镀层从所述玻璃衬底上分离开来，从而完成了模具的制造，该模具上具有做为8-μm矩形光波导芯使用的槽，且该模具可以在注模机中使用。通过使用这样一种模具，可以利用注模技术用聚合材料制造具有槽形图案的图案衬底。
其次，用于制造光波导芯的聚合物原材料被填入以上述方式制造的图案衬底的槽部，一作为上部镀层的平衬底(0.5μm厚)设置在图案衬底的有槽表面之上。在图案衬底与平面衬底被一夹紧夹子紧密贴合之后，利用紫外辐射对聚合物原材料进行聚合作用。通过使用含有0.5μm或更小的金刚砂颗粒的悬浮液的标准抛光机对图案衬底和平衬底的侧面进行抛光，可以除去从其侧面溢出的芯树脂部分。经过这一过程，可以制造出如图2所示的聚合材料光波导阵列。在本实施例中使用折射率为1。53紫外固化树脂TB3042(由Three Bonds提供)作为芯材料。
如上所述，在本实施例中，使用了所谓夹层法的制造方法，但是，也可使用真空毛细法，其中在图案衬底与平衬底达到紧密接触之后，用于制造光波导芯的聚合物原材料经毛细作用被填入做为毛细管的所述槽中，并且聚合物原材料受到聚合作用。
下面结合图3和图4对图2中的所述光电转换元件阵列和光波导衬底之间的接合部分进行描述。
应当注意，本实施例中制造的光波导衬底3的尺寸为260mm×25mm×2mm，并且包括2,048个波导。如图2所示，光波导衬底3上的各经过处理的槽为一个具有2个弯部的缩减光波导图案。所述波导的入射端的间距为127μm；而出射端间距4μm。各波导的芯具有一个8μm宽和8μm深的方形截面。
图3示出了一个例子，其中利用一个U型夹子8a和一个平型夹子8b将光波导衬底3和光电转换器件阵列4连接在一起。图4示出了一个例子，其中使用一个矩型夹子8将光波导衬底3和光电转换器件阵列4连接一起。
在本实施例中，所述U型夹子或矩型夹子在温度为20℃的情况下安装并固定在光波导衬底3的聚合材料光波导阵列和光电转换元件阵列4之间的接合部上。
当使用图3中所示的U型夹子8a时，所述U型夹子8a首先安装在接合部，且所述接合部上未被U型夹子8a盖住的部分被平型夹子8b所覆盖。这样，所构成的结构就与图4中的矩形夹子8相似。这一结构用于避免在光波导衬底6中产生的张力，如果所述接合部的一侧未能固持，就会产生这一张力。
应当注意，由于所述U型夹子8a可以从上面或侧面安装到所述接合部，所以所述夹子可以很容易地从所希望的方向上安装并固定到所述接合部。
在本实施例的光波导缩减光学图像传感器中，所述U型或矩形夹子设置在位于光波导衬底3上的聚合光波导阵列与用于检测来自文件原件1的反射光并将其转化成电信号的光电转换元件阵列4之间的接合部上。这一结构避免了所述光电转换元件与所述芯之间的间距随温度变化而变化。应当注意，该夹子是由具有与各光电转换元件相同线热胀系数的元件制成的。
在该实例中，所述U型夹子8a和矩形夹子8的内宽与光波导衬底6的内宽相同，为30mm。所述夹子的内长则在上侧和下侧均比所述光波导衬底6的厚度大4μm，所述衬底的厚度为2μm。因此，由于光波导衬底6的膨胀而引起的垂直方向上的距离偏移可以被控制到各芯深度的1/2，即8μm。此外，各夹子的深度设为5mm以便使在水平方向引起的张力尽可能地在垂直方向上得到消除。
U型夹子8a和矩形夹子8由具有与光电转换元件阵列4相同线热胀系数的材料制成。例如，由于光电转换元件阵列4的硅部分的线性热膨胀系数大约为3×10-6/℃，所以可以使用一个线热胀系数为2×10-6/℃到9×10-6/℃的陶瓷元件或类似元件。本实施例使用了系数为3.0×10-6/℃的SIALON材料，即一种含有硅、铝、氧和氮的复合陶瓷元件。
一种用PMMA制造的微透镜阵列7粘接在所述光波导的入射端，并且光电转换元件阵列4通过紫外固化树脂粘接在光波导的出口端面上。在这个例子中，各微透镜阵列7的微透镜具有125μm的直径，μPD 3743D(由NEC公司提供)是一种由2048个像素以14μm间距构成的CCD器件，用它作为光电转换元件阵列4。
在波导端面必须安装一个光发射元件，以避免在相邻波导之间发生相互干扰。出于这个原因，利用蒸气沉积或电镀方法在镀层衬底的一端面上形成一金属反射膜，或者是在所述端面上覆盖一层含有能吸收来自LED的光的着色剂的有机膜。
以此方式，所述光电转换元件阵列4经所述U形夹子8a或矩形夹子8粘接于所述光波导衬底3的光波导的出射端侧。此外，微透镜阵列7粘接于所述光波导的入射端侧。结果就获得具有如图5和图6中所示外形的光波导缩减光学图像传感器。
下面通过与使用聚合材料光波导的现有技术图像传感器相对比，对本光波导缩减光学图像传感器的效果进行描述，假设这里的现有技术的图像传感器在其光波导阵列和光电转换元件阵列之间的接合部处未装有U型夹子8a或矩型夹子8。
更具体地说，由光源发射并由文件原件反射的光入射至各图像传感器的聚合材料光波导芯的入射端，且由各聚合材料光波导发出的光的光强被相应的光电转换元件检测，由此接收了图像。温度变化对两个图像传感器所造成的影响将在随后进行比较。注意在一个清洁炉子中，将温度从20℃升至70℃。
在现有技术的图像传感器中，制造各光波导的聚合材料PMMA具有7×10-6/℃的线热胀系数，这一系数与各光电转换元件的线热胀系数有显著不同。因此，光电转换元件和光波导芯的间距发生变化，并且当中部被固定时，在光电转换元件阵列的各端会产生大约相当于三个像素的偏移。因此分辨率下降且所得到的图像对比度很差。
与此相对照，在本实施例光波导缩减光学图像传感器中，即使各光波导和各光电转换元件由具有不同的线热胀系数的材料制造，由于所述夹子安装在光波导阵列和光电转换元件阵列之间的接合部，因此可以消除水平方向的膨胀。此外，由于水平方向的张力在垂直方向上得以消除，因此在水平方向的热膨胀可以得到消除，而会不在夹子上作用额外的载荷。结果是，可以实现没有任何像素偏移的良好的图像读取操作，因而也就获得了具有高分辨率和很好的对比度的图像。
下面将参考图4，5，7和8对本发明第二实施例的聚合材料光波导阵列和光电转换元件阵列之间的接合部进行描述。
如图4的透视图所示，根据本实施例的处理方式，具有矩形横截面中空件的热膨胀控制件(夹子)8安装并固定在聚合材料光波导阵列3和光电转换元件阵列4的接合部上，且光电转换元件阵列4粘接在聚合材料光波导阵列3的出射端面。
应当注意，在本实施例中制造的图案衬底使用了PMMA材料(折射率为1.49)作为聚合材料，衬底的尺寸为260mm×25mm×1.5mm。成形在该衬底中的各槽具有两个弯部，如图2所示。所述槽的入射端的间距设定为125μm，且所述槽的出射端的间距设置成14μm，各槽的宽度和深度均设置成8μm，这样，所述芯具有方形截面。
下面将参考图7A中的透视图，图7B中的平面图，图7C中的前视图，和图7D中的后视图来描述热膨胀控制件的形状。如图7B中的平面图所示，本发明的热膨胀控制件具有一锥向朝向光电转换元件阵列的渐缩的锥形。在光波导阵列的所述芯阵列方向上(图7B中的纵向)所述热膨胀控制件8的内尺寸从如图7D的后视图所示的30+0.2mm降至如图7C的前视图所示的30-0.2mm，由于聚合材料光波导阵列和光电转换元件阵列之间的接合部在所述芯阵列方向的尺寸是30mm。这一锥形可以避免热膨胀控制件从聚合光波导阵列上被分离开或移去。
热膨胀控制件在垂直于所述芯阵列方向的方向上(在图上的垂直方向，即横向)的尺寸设置为2+0.004mm，该尺寸比所述聚合材料光波导阵列和所述光电转换元件阵列之间的，尺寸为2mm的接合部大4μm，如图7D和7C中所示。所述热膨胀控制件的内尺寸设置成大于在图的垂直方向上(横向)所述聚合材料光波导阵列的尺寸，这样，可以保证在接触表面之间留有一道缝隙。当聚合材料光波导阵列发生热膨胀时，由于这一缝隙，在所述芯阵列方向上的张力可以在图中的垂直方向(横向)上得以消除，因而避免了这一张力。
如图7B的平面图所示，热膨胀控制件8的深度设定为5mm，利用这一深度，由于所述聚合材料光波导阵列的热膨胀而产生的聚合材料光波导阵列和光电转换元件阵列之间的距离偏移可被控制在各芯深度的1/2或更小，即8μm，并且还可以消除聚合材料光波导阵列在图上水平方向(纵向)的张力。
此外，如图7B的平面图所示，在本实施例的同所述聚合材料光波导阵列相接触的热膨胀控制件8的表面上带有折皱，以避免热膨胀控制件向光电转换元件阵列方向移动。
参考图7B，为辨认方便，所述锥形和所述折皱均用实线清楚地画出。
下面将说明聚合材料光波导阵列、光电转换元件阵列和热膨胀控制件的线热胀系数。
做为光电转换元件阵列的CCD器件主要由硅晶片衬底和封装树脂构成。无各向异性的所述硅部分的线热胀系数(ds)大约是3×10-6/℃，且无各向异性的用于封装的树脂材料的线热胀系数(dp)为大约1×10-5/℃。位于封装之上的硅部分在0℃～70℃的范围内被拉伸且与封装以同样的程度膨胀或收缩。用于制造下部镀层衬底(图案衬底)的PMMA材料构成具有聚合材料光波导阵列的下部镀层(带图案镀层)和上部镀层衬底(平衬底)的主体，表现出无各向异性且具有大约7×10-5/℃的线热胀系数。
因此，如果所述热膨胀控制件的线热胀系数小于PMMA材料在所述芯阵列方向的线热胀系数。则PMMA材料的热膨胀可以被消除。如果热膨胀控制件在垂直于所述芯阵列方向的方向上的线性热胀系数被设置成等于或大于PMMA材料的线热胀系数，则当PMMA受热膨胀时，在芯阵列方向引起的张力可在此方向上得以消除。
因此，在本实施例中，制造热膨胀控制元件的材料使用了一种液晶聚合物(Vectra A230，由Polyplastic K.K.公司提供)，其线热胀系数表现出各向异性，且在所述芯阵列方向的大小为2×10-6/℃。该值小于PMMA材料的系数，且在垂直于芯阵列方向的方向上系数为5×10-5/℃，该值大致上等于用于制造热膨胀控制件的PMMA材料的系数。
当上述热膨胀控制件在室温下(约20℃)安装于聚合材料光波导阵列和光电转换元件阵列之间的接合部时，在聚合材料光波导阵列与光电转换元件阵列4之间注入粘接剂并进行聚合作用。实施这一过程是为了避免在聚合材料光波导阵列和光电转换元件阵列之间产生距离移偏，或是避免当聚合材料光波导阵列随室温下降收缩时，所缩热膨胀控制件从聚合材料光波导阵列上被分离开或移去。最好使用相对于温度变化具有小的延伸率并具有较大的杨氏模量的材料作为粘结剂。因此在本实施例中光电转换元件阵列使用了与所述芯材料相同的紫外固化树脂TB3042(由Three Bouds公司提供)。
如图5中的平面视图和图8中的前视图所示，由PMMA材料制成的微透镜阵列和光电转换元件阵列4通过一种紫外固化树脂分别与聚合材料光波导阵列3的入射和出射端面相粘接。在该实施例中，微透镜阵列的各微透镜直径为125μm。此外，光电转换元件阵列4使用μPD3743D元件(由NEC公司提供)，这是一种由以间距14μm(光电转换元件(像素)间距)排列的2048个像素构成的CCD器件，与前一实施例相同。
做为一个对照实例，制造了一种除了没有所述热膨胀控制件8以外，其余结构均与本实施例的光波导缩减光学图像传感器相同的光波导缩减光学图像传感器。
由文件原件1反射来的光自所述微透镜阵列2一侧入射，且经过所述聚合材料光波导阵列3自所述光电转换元件阵列4出射的光的强度依次被本实施例和用作对照实例中的光波导缩减光学图像传感器所检测。然后在检测结果的基础上对在温度变化情况下两个图像传感器图像接收操作所受的影响进行比较。应当注意，操作温度利用一洁净的炉子在室温(约20℃)至70℃的范围内进行设定。
在用作对照实例的光波导缩减光学图像传感器中，如上所述，用做制造下部镀层衬底(图案衬底)和上部镀层衬底(平衬底)的聚合材料的PMMA材料的线性热胀系数大约是7×10-5/℃，该系数与做为光电转换元件阵列的CCD器件的系数大不相同。因此，所述聚合材料光波导阵列的芯间距与所述光电转换元件阵列的像素间距有很大不同。所以，在当所述接合部的中部被固定的情况下，在所述接合部各端产生相当于三个像素的像素偏移。因此，在本例中所读取的图像在分辨率和对比度上都很差。
与此相对照，在本实施例的光波导缩减光学图像传感器中，通过使用上述热膨胀控制件，即使所述聚合材料光波导阵列的线热胀系数与光电转换元件阵列的系数不同，但所述聚合材料光波导阵列的热膨胀仍可被控制，且所述聚合材料光波导阵列的芯间距偏移以及所述光电转换元件阵列的像素偏移之间的差异可以被控制到约0.5个像素。因此，可以以高分辨率和良好的对比度读取图像。
由于如上所述，所述热膨胀控制件具有各向异性的线性热膨胀系数，所以在芯阵列方向聚合材料光波导阵列热膨胀可以在垂直于芯阵列方向的方向上得到消除。在聚合材料光波导阵列上没有额外的载荷和变形，因此在热膨胀控制件上也没有，所述聚合材料光波导阵列在芯阵列方向的热膨胀因此得以消除。此外，由于聚合材料光波导阵列和光电转换元件阵列之间在垂直于所述芯阵列方向的方向上有缝隙，因此，由于聚合光波导阵列在芯阵列方向上热膨胀所引起的张力可以在垂直于所述芯阵列方向的方向上得以消除。因此，所述聚合材料光波导阵列在芯阵列方向上的热膨胀可以得到消除，而不会在聚合材料光波导阵列和热膨胀控制件上作用额外的载荷并因此产生变形。
而且，由于如上所述，聚合材料光波导阵列与热膨胀控制件的接触表面被粘接剂粘在一起，所以即使当所述聚合光波导阵列冷却以后，在聚合材料光波导阵列与光电转换元件阵列之间的间距偏移可以被控制。此外，也可避免热膨胀控制件被从聚合材料光波导阵列上分离开或移去。在本实施例中，热膨胀控制件为一中空的，具有矩形截面的元件，但也可以使用具有U型截面的热膨胀控制件。
如上面所作的详细说明，根据本发明的第一方面，利用聚合材料光波导阵列缩减来自文件原件表面光的光波导缩减光学图像传感器具有如下结构，即在聚合材料光波导阵列和用于检测经光波导传播并将检测到的光信号转化成电信号的光电转换元件阵列之间的接合部上安装有一个夹子，从而可防止像素偏移。因而，即使环境温度发生变化，也可避免所述聚合材料光波导阵列的芯与光电转换元件阵列元件之间接合部产生间距变化，且可以获得无像素偏移的具有良好对比度的图像。
根据本发明的第二方面，所述夹子具有可覆盖聚合材料光波导阵列和光电转换元件阵列之间的接合部的U形或矩形形状，根据此结构，所述聚合材料光波导和光电转换元件可以很容易地接合在一起。
根据本发明的第三方面，所述夹子在垂直方向上有一缝隙，根据此结构，可以控制水平方向的膨胀而不会在所述夹子上作用额外载荷。
根据本发明的第四方面，所述夹子由一个具有与所述光电转换元件阵列相同线热胀系数的元件构成。根据此结构，所述光电转换元件阵列的线热胀系数同所述夹子的系数相同，以便减少作用在夹子上的载荷。
根据本发明的第五方面，在光波导缩减光学图像传感器中，使用的热膨胀控制件(夹子)所具有的线热胀系数小于所述聚合材料光波导阵列在其芯阵列方向上的线热胀系数。因此，尽管工作温度发生了变化，所述聚合材料光波导阵列的热膨胀也可以得到控制，且在所述光电转换元件阵列和所述聚合材料光波导阵列之间不发产生大的间距偏移。这样就避免了发生像素偏移的问题，因而可进行良好的图像读取操作。
根据本发明的第六个方面，使用的热膨胀控制件(夹子)具有的线热胀系数呈现各向异性，并且其大小等于或大于所述聚合材料光波导阵列在大致垂直于热膨胀控制件的芯阵列方向的方向上的系数。采用这种部件，由于聚合材料光波导阵列的热膨胀而产生的张力在大致垂直于聚合材料光波导阵列的芯阵列方向的方向上得到消除。因而就控制了在芯阵列方向上的热膨胀并避免了在所述芯与所述光电转换元件阵列的元件之间产生间距偏移，而不会在聚合材料光波导阵列上产生额外的载荷。
根据本发明的第七和第八方面，所述聚合材料光波导阵列与热膨胀控制件(夹子)之间在大致垂直于所述聚合材料光波导阵列的芯方向的方向上具有一个间隙。利用这种结构，可以在大致垂直于所述聚合材料光波导阵列的芯阵列方向的方向上消除聚合材料光波导阵列的热膨胀引起的张力，以便避免所述芯和光电转换元件阵列之间在所述聚合材料光波导阵列的芯阵列方向上产生的间距偏移。
根据本发明的第九和第十方面，使用了具有锥形内表面的热膨胀控制件(夹子)，以避免所述热膨胀控制件从聚合材料光波导阵列上被分离开或移去。
根据本发明的第十一或第十二方面，使用具有折皱的内表面的热膨胀控制件，以防止所述热膨胀控制件被从所述聚合材料光波导阵列上分离开或移去。
根据本发明的第十三和第十四方面，由于所述聚合材料光波导阵列的接触表面与热膨胀控制件(夹子)用粘接剂彼此粘接，所以即使聚合材料光波导阵列被冷却，也可以控制在聚合材料光波导阵列芯与光电转换元件阵列之间的间距偏移，并且可防止热膨胀控制件被从聚合材料光波导阵列上分离开或移去。
权利要求
1.一种利用聚合材料光波导阵列对来自文件原件的光进行缩减的光波导缩减光学图像传感器，其特征在于，位于聚合材料光波导阵列和用于对经光波导传播的光进行检测并将其转化成电信号的光电转换元件阵列之间的接合部上固定有一夹子，从而避免像素偏移。
2.如权利要求1所述的光波导缩减光学图像传感器，其中，覆盖位于所述聚合材料光波导阵列和所述光电转换元件阵列之间的接合部的所述夹子为一U形或矩形形状。
3.如权利要求1所述的光波导缩减光学图像传感器，其中，所述的夹子在垂直方向上具有间隙。
4.如权利要求1所述的光波导缩减光学图像传感器，其中，所述夹子由一部件形成，该部件具有与所述光电转换元件阵列相同的线热胀系数。
5.一种光波导缩减光学图像传感器，包括一聚合材料光波导阵列和一光电转换元件阵列，所述聚合材料光波导阵列在一镀层衬底上具有多个布置成一维阵列的芯并用于通过经所述芯引导由文件原件表面反射的光来缩减图像，所述光电转换元件阵列具有多个布置成一维阵列的光电转换元件，可用于检测经所述光电转换元件阵列传播的光并将其转换成为电信号。其特征在于，位于所述聚合材料光波导阵列和所述光电转换元件阵列之间的接合部具有一中空的热膨胀控制件，且所述热膨胀控制件在所述聚合材料光波导阵列的芯阵列方向上的线热胀系数小于所述聚合材料光波导阵列在同一方向的线热胀系数。
6.如权利要求5所述的光波导缩减光学图像传感器，其特征在于，所述热膨胀控制件具有一呈现各向异性的线热胀系数，且所述热膨胀控制件在大致垂直于所述光电转换元件的所述芯阵列方向的方向上的线热胀系数大致等于或大于所述聚合材料光波导阵列在同一方向上的线热胀系数。
7.如权利要求5所述的光波导缩减光学图像传感器，其特征在于，在所述聚合材料光波导阵列和所述热膨胀控制件之间在大致垂直于所述聚合材料光波导阵列的芯阵列方向的方向上有一间隙。
8.如权利要求6所述的光波导缩减光学图像传感器，其特征在于，在所述聚合材料光波导阵列和所述热膨胀控制件之间在大致垂直于所述聚合材料光波导阵列的芯阵列方向的方向上有一间隙。
9.如权利要求5所述的光波导缩减光学图像传感器，其特征在于，所述热膨胀控制件的内表面为锥形。
10.如权利要求6所述的光波导缩减光学图像传感器，其特征在于，所述热膨胀控制件的内表面为锥形。
11.如权利要求5所述的光波导缩减光学图像传感器，其特征在于，所述热膨胀控制件的内表面具有一折皱部分。
12.如权利要求6所述的光波导缩减光学图像传感器，其特征在于，所述热膨胀控制件的内表面具有一折皱部分。
13.如权利要求5所述的光波导缩减光学图像传感器，其特征在于，所述聚合材料光波导阵列和所述热膨胀控制件的接触表面彼此以粘接剂粘接。
14.如权利要求6所述的光波导缩减光学图像传感器，其特征在于，所述聚合材料光波导阵列和所述热膨胀控制件的接触表面彼此以粘接剂粘接。
全文摘要
一种光波导缩减光学图像传感器,由聚合材料光波导阵列和光电转换元件阵列构成,聚合材料光波导阵列具有多个位于镀层衬底内并以一维阵列排列的芯组成,光电转换元件阵列用于检测经聚合材料光波导阵列传播的光并将其转化为电信号。在聚合材料光波导阵列和光电转换元件阵列之间的接合部安装有一中空的热膨胀控制件,且所述热膨胀控制件在聚合材料光波导阵列的芯阵列方向上的线热胀系数小于所述聚合材料光波导阵列在同一方向的系数。
文档编号G02B6/42GK1191980SQ9810526
公开日1998年9月2日 申请日期1998年2月26日 优先权日1997年2月26日
发明者荒井尚子, 宫田昭雄, 鹈沼丰 申请人:夏普公司