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Anordnung zum zeilenweisen Abtasten
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einer Bildvorlage Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum zeilenweisen
Abtasten einer Bild vorlage bestehend aus einer Vielzahl von Einzelelementen mit
jeweils einem Entladungsraum, der auf einer Seite von einer mit einer Elektrode
versehenen Trägerschicht, auf der gegenüberliegenden Seite von einer Photoleiterschicht
mit einer Signalelektrode und einer durchsichtigen Platte begrenzt ist.
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Sie betrifft ferner ein Verfahren zu Herstellung eines bestimmten
Teils der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Verfahren zum punktweisen elektronischen Abtasten einer Bildvorlage
unter Verwendung linearer Bild-CCDs bestehend aus einer
Schieberegisteranordnung
mit 1728 Einzelsensoren sind bekannt.
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Bei der Abtastung einer DIN A 4 Seite von 210 mm Breite ergibt sich
damit eine Auflösung von ca. 8 Punkten/mm. Die Länge des CCDs beträgt ca. 25 mm,
so daß zur Abtastung einer DIN A 4 Vorlage eine optische Verkleinerung erforderlich
ist. Diese Verkleinerung beansprucht aber relativ viel Raum, so daß ein wesentlicher
Vorteil des CCDs, seine kleinen geometrischen Dimensionen, nicht zum Tragen kommt.
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Zur zeilenweisen Wiedergabe eines in Einzelpunkte aufgelösten Bildes
sind mechanische, optische, elektrische und thermische Verfahren bekannt. All diese
Methoden sind aber in der Herstellung und im Aufbau sehr verschieden von den für
die Bildaufnahme verwendeten CCDs, so daß für Aufnahme und Wiedergabe völlig verschiedenartige
Technologien notwendig sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu
schaffen, bei der für Bildaufnahme und Wiedergabe kompatible Technologien verwendet
werden und die zudem ohne optische Abbildung eine direkte 1:1-Abtastung mit einer
Auflösung von mehr als 10 Punkte/mm ermöglicht.
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Es hat sich gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einer Anordnung der
eingangs genannten Art lösen läßt, bei der die Signalelektrode allen Einzelelementen
gemeinsam ist und die einzelnen
Entladungsräume mit der Oberfläche
der Photoleiterschicht über mindestens einen Gasraum in Verbindung stehen sowie
die Elektroden jedes Einzelelements einer Zeile zur Aufladung der Photoleiterschicht
nach dem Schieberegisterprinzip dreiphasig ansteuerbar sind. Vorteilhafte Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 erläutert.
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Die Ansprüche 10 bis 13 beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Bestandteils dieser Anordnung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abtastung und Wiedergabe einer
Bildvorlage besteht im Prinzip aus zwei Einheiten, und zwar 1. aus einer punktreihenförmigen
Anordnung lichtempfindlicher Elemente, mit deren Hilfe eine Bildvorlage zeilenweise
abgetastet werden kann, wobei die von der Vorlage kommenden Zwischensignale in analoge
elektrische Signale umgewandelt werden; 2. aus einer punktreihenförmigen Anordnung
von Metallspitzen bzw. -drähten, welche parallel zu den o.g. Sensorelementen angesteuert
werden und durch die verstärkten Signale dieser Elemente analoge Ladungsmengen mittels
Gasentladungen z.B.
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auf eine dielektrische Schicht übertragen. Dabei entsteht ein Ladungsbild,
das mit Hilfe bekannter elektrographischer Verfahren entwickelt werden kann und
eine Kopie der von den Sensorelementen abgetasteten Bildvorlage darstellt.
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Die Erfindung wird durch die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen in schematischer Vereinfachung Fig. 1 die prinzipielle Funktionsweise
eines erfindungsgemäßen Sensorarrays; Fig. 2 den Aufbau eines Einzelelements; Fig.
3 im Falle eines Sensorarrays den in Fig. 2 gezeigten Aufbau in auseinandergezogener
Darstellung; Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform für die Abtastvorrichtung; Fig.
5 die Überlappung der Trägerplatten der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung; Fig. 6
die Funktionsweise des Wiedergabearrays
Fig. 7 ein Einzelelement
des Wiedergabearrays; Fig. 8 a und b das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung
der Lichtleiter bzw. der Metallstifte und Fig. 9 eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Abtastanordnung in Kombination mit der Wiedergabevorrichtung.
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Das in Fig. 1 dargestellte Array besteht aus n-Einzelsensoren.
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Jeder dieser Einzelsensoren ist aus einem Photoempfänger E (Photoleiter
zwischen zwei Elektroden), einem Kondensator C und einem Schalter S aufgebaut. Die
oberen Elektroden von E sind transparent und parallel geschaltet. Sie liegen über
den Vorwiderstand R v an einer Gleichspannung U.
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Durch kurzzeitiges Schließen von S wird die Kapazität des Photoempfängers
E auf die Spannung U aufgeladen. Der Kondensator C wird entladen. Danach wird S
wieder geöffnet. Nun fließt durch E ein zur einfallenden Lichtmenge proportionaler
Photostrom, wodurch C geladen wird. Dadurch nimmt die an E liegende Spannung ab.
Nach einer vorgegebenen Zeit wird S wieder kurz-
zeitig geschlossen,
womit C entladen und die Kapazität von E wieder auf die Spannung U aufgeladen wird.
Die dabei durch den Vorwiderstand R v fließende Ladung ist proportional zum Integral
über die während des Zeitintervalls eingefallene Lichtmenge (Vidikonprinzip).
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Die Besonderheit der Anordnung ist die Funktionsweise der Schalter
S. Sie haben einerseits die Aufgabe, die Kapazitäten C zu entladen, andererseits
dürfen sie zur Realisierung der in Fig. 1 angedeuteten 3-Phasenansteuerung über
die zugehörigen Steuerleitungen Phl-Ph3 nur dann eingeschaltet werden können, wenn
kurz vorher ein direkt benachbarter Schalter eingeschaltet war. Dann werden mit
Hilfe des angegebenen Impulsprogramms die Schalter So - Sn nacheinander kurzzeitig
geschlossen.
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Nachdem der letzte Schalter Sn geschlossen worden ist, beginnt durch
erneutes Schließen des Hilfsschalters SO ein neuer Zyklus.
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Dadurch werden die Kapazitäten der Bildsensoren E1 En nacheinander
auf die Spannung U nachgeladen, so daß am Ausgang eine Signalfolge erscheint, deren
Einzelsignale den während eines Zyklus auf die Einzelsensoren eingefallenen Lichtmengen
proportional sind. Auf diese Weise läßt sich eine Bildvorlage zeilenweise abtasten,
wobei die Information einer Bildzeile in n Einzelpunkte zerlegt wird. Der Zeilenvorschub
erfolgt z.B. durch mechanischen Transport der Bildvorlage.
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Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Einzelsensors gemäß einer
bevorzugten Aus führungs form der Erfindung. Auf einer transparenten Platte 1 befinden
sich die allen Sensoren gemeinsame transparente Signalelektrode 2 und die Photoleiterschicht
3. Darauf folgt eine floatende Elektrode 4, die im Prinzipschaltbild gleichzeitig
die untere Kondensatorplatte von E, die rechte Kondensatorplatte von C und den rechten
Anschluß des Schalters S darstellt. Darauf folgt eine Isolatorschicht 5, z.B. aus
Si02, und die allen Sensoren gemeinsame Elektrode 6, die an Erdpotential liegt und
mit der floatenden Elektrode 4 die Kapazität C bildet. Die Isolatorschicht 5 und
die Elektrode 6 werden am Zentrum der Elektrode 4 bis zu dieser hin durchgeätzt,
wodurch der Gasraum 7 entsteht, der im leitenden Zustand die Funktion des Schalters
S übernimmt. Die Steuerung der Leitfähigkeit geschieht über eine Gasentladung, die
im Gasraum 8 erzeugt wird. Diese Gasentladung wird gesteuert über die Elektrode
9, die mit einer der drei Phasenleitungen verbunden ist und auf die Trägerplatte
10 aufgebracht wird. Die seitlichen Begrenzungen des Gasraums 8 werden durch eine
metallische Lochplatte 11 gebildet, die über die freigeätzten Kanäle 12 mit den
benachbarten Gasräumen verbunden ist. Die Schicht 13 isoliert die Lochplatte 11
von der Elektrode 9.
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Die Gasentladung brennt zwischen der Elektrode 9 als Kathode und der
Elektrode 6 bzw. der Lochplatte 11 als Anode. Der
Durchgriff der
Kathode 9 zur floatenden Elektrode 4 ist sehr gering und beträgt nur einige Promille.
Dadurch ist der Gasraum 7 praktisch von den Vorgängen im Gasraum 8 abgekoppelt.
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Ist jedoch zwischen den Elektroden 4 und 6 eine Potentialdifferenz
vorhanden, so wirkt von den Kanten der Elektrode 6 ein Streufeld in den Gasraum
7 hinein zur Elektrode 4. Dies bewirkt einen Transport von Ladungsträgern aus der
Gasentladung im Gasraum 8 zur Elektrode 4 hin1 bits die Potentialdifferenz zwischen
den Elektroden 4 und 6 ausgeglichen ist. Durch Influenz fließt eine gleichgroße
Ladungsmenge durch den Widerstand Rv zur Elektrode 2. Dieser Strom erzeugt an Rv
einen Spannungsab fall, der über die Koppelkapazität CK einem Verstärker zugeführt
wird.
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Da das Meßsignal proportional zur eingefallenen Lichtmenge ist, ist
eine kontinuierliche Grauwertwiedergabe möglich.
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Die zum Ausgleich der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 4
und 6 benötigte Zeit liegt bei einigen 100 ns, so daß die Impulsbreite von Ust <
1 /us sein kann. Die nach der Gasentladung an der floatenden Elektrode 4 verbleibende
statistische Abweichung des Potentials gegenüber der an Erdpotential liegenden Elektrode
6 ist ( 10 mV. Wegen der Nutzsignale von rund 10 V bedeutet dies ein Signal-Rausch-Verhältnis
von ca. 1000 : 1 = 60 dB.
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Es ist auch möglich, anstelle der Elektrode 6 ein Netz vorzusehen,
das mittels Abstandhalter gegen die Photoleiterschicht 3 isoliert ist. Die Abstandhalter
sollten in diesem Fall derart angebracht sein, daß sie sich über den massiven Teilen
der Lochplatte 11 befinden.
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In Fig. 3 wird die in Fig. 2 gezeigte Anordnung in auseinandergezogener
Darstellung wiedergegeben. Die zu einem einzelnen Bildsensor gehörenden Strukturelemente
sind ebenfalls eingezeichnet. Die Gasräume 8 der Einzelsensoren sind durch den Kanal
12 miteinander verbunden. Die oben beschriebene Funktion der Schalter S1.,..Sn ergibt
sich durch die Verschiebung der Gasentladung von Sensor zu Sensor nach dem Prinzip
des ?VSelf Scan Plasma Panels. Diesem Prinzip liegt die Tatsache zugrunde, daß die
zur Zündung einer Gasentladung benötigte Spannung umso kleiner ist, je mehr Ladungen
beim Anlegen der Spannung im Gasraum vorhanden sind. Diese erhöhte Ladungsmenge
wird hier durch Diffusion immer an denjenigen Sensorelementen erreicht, die einem
gerade gezündeten Element benachbart sind.
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Dadurch können diese Nachbarelemente mit reduzierter Spannung gezündet
werden.
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Der "Schieberegisterbetrieb" läuft wie folgt ab: Am Anfang der Sensorkette
befindet sich ein Schalter SO, der keine Sensorfunktion besitzt, in dessen Gasraum
aber durch
Anlegen der Zündspannung U, Uz eine erste Gasentladung
erzeugt wird (Phase Pho in Fig. 1). Die nahezu verzögerungsfreie Einleitung dieser
Entladung geschieht dadurch, daß an der Kathode eine geringe Zahl von Elektronen
durch Feldemission zur Verfügung gestellt wird. Der Aufbau der dadurch ausgelösten
Gasentladung ist nach einigen 100 ns beendet. Aufgrund von Diffusion durch den Kanal
12 hindurch findet ein Ladungstransport zum Gasraum der benachbarten Zelle Nr.1
statt. Nach ( 1 /us wird die Spannung an Pho abgeschaltet und an Ph1 eine Spannung
U5 Uz angelegt. Aufgrund der vorhandenen Ladung im Gasraum des Elements Nr.1 genügt
dort die Spannung USt zur Einleitung einer Entladung. Die parallel geschalteten
Kathoden der Elemente Nr. 4, 7, 10 etc. liegen zwar ebenfalls an der Spannung Ust
Dort fehlt aber die am Element Nr.1 vorhandene Ladung im Gasraum, so daß die Spannung
USt keine Zündung hervorruft. Durch die Entladung im Gasraum des Elements Nr.1 wird
dessen floatende Elektrode 4 auf Erdpotential gebracht und gleihzeitig diffundiert
Ladung zum Gasraum des Elements Nr. 2. Nach(l /us wird die Spannung Ust an Ph1 abgeschaltet
und an Ph2 angeschaltet. Dadurch erlischt die Entladung im Gasraum des Elements
Nr. 1 usw..
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Nachdem das Element Nr. 3 gezündet hat, wird das Element Nr. 4 über
die Leitung Ph1 angesteuert, über die vorher das Element Nr. 1 betrieben wurde.
Um zu verhindern, daß jetzt das Element
Nr. 1 nochmals zündet,
muß dort die nach dem Erlöschen noch vorhandene Ladung beseitigt sein, was vornehmlich
durch Neutralisation an den Wänden geschieht. Dieser Vorgang läuft aufgrund der
kleinen Dimensionen der Gasräume sehr schnell ab, womit die Weiterschaltung der
Gasentladungen mit nur 3 Phasen realisierbar ist.
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Die Schiebefrequenz beträgt ca. 1 MHz. Der Mittenabstand der Einzelsensorpunkte
kann (100 /um sein, so daß die Auflösung >10 Punkte/mm ist. Zur Wiedergabe einer
DIN A 4 Seite ist die Sensorzeile 21 cm lang.
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Die optische Abbildung der Bildvorlage mit Hilfe eines Objektivs benötigt
einen beträchtlichen Volumenanteil innerhalb eines Kopiergerätes. Die in Fig. 4
gezeigte Anordnung ist billig herstellbar, hat eine integrierte Beleuchtungseinrichtung,
ist platzsparend und ermöglicht bis zu den Bildrändern verzerrungsfreie 1 : 1 Ablichtung.
Diese Anordnung besteht aus den beiden Glassubstraten 1 und 10, zwischen denen die
Lochplatte 11 angebracht ist, welche die Gasräume 8 der einzelnen Sensorzellen definiert.
Jeder Sensorzelle ist ein durch das Substrat 1 hindurchlaufender Lichtleiter 17
zugeordnet. Dadurch wird das von einem Punkt 18 der Bildvorlage, die sich direkt
über dem Substrat 1 befindet, ausgehende Licht direkt dem zugeordneten Sensor zugeführt.
Die Beleuchtung der Vorlage kann mit Hilfe von
zwei Gasentladungsstrecken
22 geschehen, die eine transparente Elektrode 20 und eine spiegelnde Metallelektrode
21 besitzen und parallel zum Sensorarray verlaufen. Durch eine lichtabsorbierende
Schicht 19 auf der Oberfläche des Substrats 1 kann nur der in Fig. 4 gestrichtelt
eingezeichnete Anteil des von den Entladungsstrecken emittierten Lichts an den Durchstoßpunkten
des Lichtleiters austreten und die Vorlage beleuchten. Der Rest des emittierten
Lichts wird durch die Schicht 19 absorbiert.
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Die Beleuchtungsstärke auf der Bildvorlage ist durch den geringen
Abstand der Lichtquellen (ca. 3 mm) relativ hoch.
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Nach Fertigstellung und Justierung des Arrays werden die Substrate
1 und 10 mit Hilfe von Epoxydharz 25 am Rand miteinander verklebt. Durch einen in
Fig. 5 eingezeichneten Pumpstutzen 27 wird abgepumpt und mit dem Zündgas Neon +
0,1 % Argon auf ca.
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1 bar gefüllt. Dann wird der Pumpstutzen abgeschmolzen. Die in form
dünner Schichten auf den Substraten 1 und 10 aufgebrachten Stromzuführungen 26 verlaufen
unter der Epoxydharzschicht durch und bilden die äußeren Anschlüsse.
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Das Prinzip des Wiedergabearrays ist bekannt (Y. Terezawa, T.
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Ihkubo, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED. 21,No. 9,
S. 593 (1974)). Wie in Fig. 6 gezeigt ist, besteht es aus einer linear angeordneten
Reihe von Metallstiften 14, die in ähnlicher Weise wie das Sensorarray durch eine
dreiphasige Ansteuerung
der Kathoden 15 selektiert werden. Uber
eine Gasentladung wird der jeweils angesteuerte Metallstift mit dem Potential der
allen Stiften gemeinsamen Anode 16 verbunden. In geringem Abstand zu den Metallstiften
14 befindet sich eine dielektrische Schicht 28 und eine rückwärtige Elektrode 29,
an die das vom jeweils abgetasteten Sensorelement gelieferte, verstärkte Signal
angelegt wird. Ist die Potentialdifferenz U zwischen einem Metallstift und der Elektrode
29 größer als die Zündspannung um Uz in der dazwischenliegenden Gasschicht (im allgemeinen
Luft), so kommt es zu einem Ladungsübertritt zur Oberfläche der dielektrischen Schicht
28. Die Ladungsmenge ist proportional zu U - Uz, so daß insgesamt ein zu den Hell-Dunkelunterschieden
der Vorlage proportionales Ladungsbild erzeugt wird, das mit Hilfe der bekannten
elektrographischen Technik entwickelbar ist.
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Ein Einzelelement des Wiedergabearrays ist in Fig. 7 dargestellt.
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Das Unterteil des Elements entspricht in Aufbau und Geometrie genau
der Sensorzelle (Gasraum 8, Kathode 9, Glassubstrat 10, Lochplatte 11, Kanal 12,
Si02-Schicht 13). Das Oberteil besteht hier aus der Glasplatte 1, in die die Metallstifte
14 eingelassen sind.
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Fig. 8 a zeigt ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren zur Durchführung
der Lichtleiter in Fig. 4 bzw. der Metallstifte in Fig. 7 Die ca. 5 mm dicken Glasplatten
1, 2, 3 und 4 haben eine Länge L, die ca. 10 mm größer ist als die Breite der zu
kopierenden Vorlage
(bei DIN A 4 also 210 + 10 = 220 mm). Die
Breite B ist etwa ebenso groß. Die Platten werden jeweils auf einer Oberfläche auf
photolithographischem Weg mit Rillen versehen, deren Tiefe kleiner als der Radius
der verwendeten Lichtleitfasern bzw. Metalldrähte ist und deren Breite etwa dem
Durchmesser der Lichtleitfasern bzw. Metalldrähte entspricht. Der Mittenabstand
der Rillen entspricht der geforderten Punktauflösung, also z.B.
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10 Rillen/mm. Mit Hilfe der halbzylinderähnlichen Aufnahmen 5 und
6 werden die Platten 2 und 3 so fixiert, daß ihre gerillten Oberflächen außen zu
liegen kommen. Der Radius der Aufnahmen 5 und 6 muß größer sein als der kleinste
zulässige Biegeradius der verwendeten Lichtleitfasern. Dann werden die Rillen mit
Epoxydharz gefüllt und mit einem Lichtleiter bzw. einem Metalldraht so bewickelt,
daß in jede Rille ein Lichtleiter bzw. ein Metalldraht zu liegen kommt. Danach werden
auch die Rillen der Platten 1 und 4 mit Epoxydharz gefüllt und so auf die bewickelten
Platten 2 und 3 gedrückt, daß die Rillen in die vorhandene Wicklung zu liegen kommen.
Zur Aufnahme überschüssigen Epoxydharzes und der weggedrückten Luft sind die Platten
1 und 4 mit parallelen Querrinnen 7 von ca. 1 mm Breite und 0,5 mm Tiefe versehen.
Der Abstand der Querrinnen beträgt ca. 3 mm.
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Nach der Aushärtung des Epoxydharzes und Durchtrennung der Lichtleiter-
bzw. Metalldrahtwicklung über den Aufnahmen 5 und 6 erhält man zwei identische Plattenpaare
1 - 2 und 3 - 4, die nun
längs der Querrillen in den Platten 1
und 4 durchgesägt werden.
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Nach dem Schleifen und Polieren der gesägten Oberflächen erhält man
über 100 der in Fig. 8 b im Ausschnitt dargestellten Glasstreifen, durch welche
die Lichtleiter bZw. die Metalldrähte in einer durch die Rillen exakt festgelegten
Periodizität durchgeführt sind.
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Die Herstellung der übrigen Strukturen erfolgt mit den bekannten Verfahren
der Dünnschichttechnologie und der Photolithographie.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist schematisch
in Fig. 9 dargestellt.
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Da die Strukturen der Unterteile von Lese- und Schreib anordnung völlig
gleich aufgebaut sind, können sie in rationeller Weise auf den beiden Oberflächen
desselben Substrats 10 hergestellt werden. Eine der Oberflächen wird dann mit dem
Lichtleiterarray 17, die andere mit dem Drahtstiftarray 14 montiert. Dann kann an
der Oberseite von leine Bildvorlage gelesen und deren Information an der Unterseite
von 14 in Form eines Ladungsbildes geschrieben werden. Da das Lesen der Vorlage
seitenverkehrt erfolgt, werden Lese- und Schreibanordnung gegenläufig angesteuert,
so daß das Bild seitenrichtig geschrieben wird. Die Laufrichtung der Gas entladungen
läßt sich einfach dadurch steuern,
daß an beiden Enden der Arrays
Hilfszellen angebracht werden.
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Sollen die Gas entladungen nicht wie bisher beschrieben von links
nach rechts, sondern von rechts nach links laufen, so wird jeweils zu Beginn die
rechtsseitige Hilfszelle gezündet und die Phasenfolgen Ph1-Ph2-Ph3 in die Folge
Ph3-Ph2-Ph1 verkehrt.
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Die beschriebene Anordnung ist wegen ihrer geometrischen Kleinheit
besonders zum Aufbau von Kleinkopiergeräten geeignet.
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Gleichzeitig kann sie für die Fernübertragung von Bildern (Faksimile)
eingesetzt werden.
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