CN102869510B - 自动聚焦成像装置 - Google Patents

Abstract

用于在安装在圆柱形滚筒（104）上的柔性介质的表面上的三维成像的自动聚焦成像装置（200），包括与所述滚筒的表面平行地移动的支架（210）和安装在所述支架上的成像平台（208）。所述成像平台包括位移传感器（112），用于测量到所述柔性介质的表面的距离；成像光学器件（216），用于在所述柔性介质上产生三维图像；以及自动聚焦驱动器（220），用于改变所述成像光学器件的焦点。编码器（256，260）提供关于滚筒和支架位置的数据。控制器（116）接收和处理来自所述位移传感器和所述编码器的数据。计算机（236）接收来自所述控制器的数据，处理控制器数据，并且传输指令给所述控制器。所述控制器接收计算机指令并且传输聚焦命令给所述自动聚焦驱动器或者所述成像平台。

Description

自动聚焦成像装置

技术领域

本发明涉及通过激光烧蚀在介质圆柱形滚筒的表面上形成三维(3D)图像的方法和装置。

背景技术

柔性版印刷涉及在柔性介质上给突起的图像上墨，其然后和如纸张或者塑料的印刷衬底接触。油墨从突起的图像到印刷衬底上。柔性印版（plate）由稍微具有柔韧属性的弹性材料形成，柔韧属性程度取决于衬底的平滑度和脆弱性（fragility）。和如其中在油墨转移期间使用高压的胶印（offset lithography）和照相凹版（gravure）的其他印刷过程相反，通常希望在印版上的突起的上墨的图像和衬底之间具有最小的压力。太小的压力则没有油墨转移或者非常不均匀的油墨转移将发生。太多压力则柔性印版的柔韧表面将被压挤到衬底中，使图像边缘变模糊，导致差的印刷质量。

由于为了最佳质量而在最小的压力工作的需求，在印版表面和衬底之间的距离必需在整个表面上相同。虽然这取决于安装印版的印刷滚筒的均匀性，其也取决于柔性印版的厚度均匀性。

以安装在圆柱形滚筒上的印版，通过激光烧蚀的柔性版印版成像的方法是广为人知的。主要应用是在照相凹版和柔性版印刷产业中，其中激光被用于产生油墨承载凹坑，使得滚筒能够直接或者间接地转移图像到纸或者聚合物薄膜上。所被使用的技术得到了很好的开发并且各种各样的激光被用于直接在金属滚筒中或者在涂以陶瓷、橡胶、或者聚合物层的滚筒中产生凹坑。美国专利号5,327,167（Pollard）描述了用于在印刷滚筒的表面上烧蚀具有可变密度的凹坑的机器。

所用的激光常常被聚焦到具有10到100μm直径的滚筒表面上的点。可通过直接的激光烧蚀或者通过其后具有化学蚀刻的薄掩模的烧蚀来产生凹坑。

滚筒或者套筒偏心率以及介质厚度变化影响激光聚焦并且可能导致不能接受的散焦。为了消除该问题需要自动聚焦系统。在WO 2009/115785中描述的自动聚焦系统规定刚好在成像（烧蚀）之前测量至介质的距离以及规定根据将结果的测量和需要的聚焦距离的比较对成像镜头位置的随后校正。

图1示出了可以被用于保证投影系统产生的图像，即使滚筒在直径上变化，不是完美的圆形，或者在其轴上偏心地安装，维持在滚筒表面上的焦点上的装置的示例。圆柱形滚筒104被安装在其围绕着旋转的轴上。圆柱形滚筒104 被示为以顺时针方向108旋转。激光束128，穿过透镜132并且在圆柱形滚筒 104的表面上产生图像。透镜132和附加的成像光学器件部件被附于伺服马达驱动的平台124上的支架，从而允许光学部件沿着平行于投影系统光轴并垂直于滚筒表面的Z方向120一起移动。

支撑维持着两个透镜132 掩模的支架的平台本身被附于第二支架。第二支架由具有平行于滚筒轴的运动方向的第二伺服马达驱动的平台驱动。该第二平台，其在图1中没有被示出，具有沿着圆柱形滚筒104的长度移动投影系统以及相关的均化器（homogenizer）的功能。光学传感器112被附于第二支架，使得其和投影光学器件一起沿着圆柱形滚筒104的长度向下移动。

安装传感器112使得其测量从传感器112到在将被暴露给激光脉冲的表面上的位置的滚筒表面的相对距离。传感器112产生的距离数据由控制器116处理并且被用于驱动在投影系统平台上的伺服马达，从而维持从透镜136到在作用点的滚筒表面的距离不变，使得成像总是在焦点上。对于该应用，希望以某种精度制作圆柱形滚筒104，使得随着其旋转以及光学投影系统经过圆柱形滚筒104的整个长度，希望在表面位置中的变化和因此的投影光学器件在Z轴方向的移动小。

如上面描述的系统被限定在只有一层烧蚀。这是因为这样的事实，即从到介质的距离检测的观点以及从透镜移动的动力学，在完成第一烧蚀层之后，其限制用于烧蚀后续层的自动聚焦系统的性能。

本发明第一是提供自动聚焦系统，其能够维持在一个或者多于一个的烧蚀周期中滚筒或者套筒介质表面以及成像透镜之间的恒定聚焦距离。

因为处理3D图像烧蚀数据的需要，支持由多个激光通道的烧蚀的计算机可能负载沉重。在这种情形中，通过降低计算速度，额外的自动聚焦任务可能影响功能性。因此本发明的第二个目的是在实施3D图像烧蚀工序时降低机器计算机的负载。

发明内容

简单地讲，根据本发明的一个方面，公开了在柔性介质的表面上的三维精确成像的方法和装置。介质被安装在圆柱形滚筒上并且通过激光烧蚀成像。成像平台适于在支架上在相对于滚筒垂直和平行的方向上移动。成像平台包括被配置成测量柔性介质的表面结构的位移传感器以及被配置成在柔性介质上成像的成像光学器件。成像光学器件适于在相对于滚筒的垂直方向上移动。

控制器接收来自位移传感器的表面结构的测量。测量代表介质表面布局图（map）。计算机将处理测量并对每个滚筒旋转产生命令阵列结构。计算机然后将在成像之前向控制器传输相关的命令阵列结构。根据相关的命令阵列结构以及来自介质位置编码器的读数，成像光学器件将通过控制从成像光学器件到在柔性介质上的每个成像点的距离在介质上成像。

一旦阅读了下面的具体的描述，当结合其中示出和描述了本发明的说明性实施例的附图时，本发明的这些以及其他对象、特征以及优点将对本领域的技术人员变得显而易见。

附图说明

图1是自动聚焦现有技术系统的示意说明；

图2是本发明的自动聚焦系统的示意说明；

图3是代表印版表面测量的阵列的说明；

图4说明了集合（set）聚焦命令的图形解释；

图5是代表集合聚焦命令的阵列的说明；

图6说明了代表每个滚筒旋转的命令阵列结构的图形表示；以及

图7说明了多个成像层产生的印版上的烧蚀区域的横截面。

具体实施方式

在下面的详细描述中，为了提供对本公开的彻底的理解，给出了许多具体的细节。但是，本领域的技术人员将理解，本公开的教导可不以这些具体的细节而被实践。在其他的例子中，为了不遮蔽本公开的教导，广为人知的方法、步骤、部件和电路没有被详细地描述。

虽然结合实施例的一个而描述本发明，将被理解的是不旨在将本发明限制在该实施例。相反，旨在覆盖所附权利要求所覆盖的所有的替代、修改以及等效。

图2示出了本发明的实施例。描绘了用于直接烧蚀印刷印版的自动聚焦系统。自动聚焦系统200被建在成像设备（部分地被示出）中。成像设备包括旋转圆柱形滚筒104或者印刷套筒（没有示出）。印刷印版 204被安装在圆柱形滚筒104上。

成像平台208被放置在耦合于螺杆214的支架210上，使得支架马达（没有示出）驱动的螺杆的旋转促使支架210在水平（平行于圆柱形滚筒104X轴）X方向248上移动。成像平台208能够在垂直Z方向244上向圆柱形滚筒104移动。在Z方向上的成像平台208的移动由平台组件驱动器224提供。成像平台208携带成像光学器件组件216。成像光学器件组件216适于被自动聚焦驱动器220所驱动，相对于成像平台208在Z方向244上移动。位移传感器212被放在成像平台208上以进行在Z方向244上的到印版 204的距离的持续测量。在X和Y方向的移动分别由编码器 256和260测量。圆柱形滚筒104旋转的能力，以及支架 210移动，结合X、Y和Z方向测量允许了印版/滚筒表面扫描。印版204表面扫描结果被控制器228整理，并且进一步通过数据链路232被传送给机器计算机236。

在待机阶段时，成像平台208被停放在出发点位置，其典型地在滚筒左或者右侧之前，并且成像光学器件组件216被放在相对于圆柱形滚筒104的预定聚焦位置。根据机器操作者的开始命令，计算机236自动地控制具有印版 204的圆柱形滚筒 104的旋转，以及沿着圆柱形滚筒104从出发点位置到相对于出发点位置滚筒侧的他处位置的支架 210的移动。在相同的时间，由控制器228进行X、Y和Z测量的同时记录。所记录的数据被进一步通过数据链路232被传送给机器计算机236。这发生直到扫描的结束，其发生在例如，支架到达他处位置的时刻。所测量的数据被传输给计算机236，数据被归档在计算机236的存储器中，作为被绘制的表面结构304（在图3中所示）。分别地，括号中的索引确定测量记录数，并且“k”是最大测量记录数（最后的记录数）记录数。计算机进行对被扫描的数据的处理，只为了产生聚焦命令的阵列，每个阵列旨在被用于至少一个滚筒旋转，并且每个阵列不同于下一个。当其发现下一个旋转需要不同的命令的阵列时，计算机发出聚焦命令的新阵列给控制器。每个阵列的命令的数目是相同的，并且每个阵列代表对于整个滚筒旋转的聚焦命令。

根据预定的算法，计算机软件产生集合命令阵列，并且将其存储在计算机存储器中。在圆柱形滚筒104表面（X-Y轴）上的被计算的集合命令的图形（图4）表示可简化对集合命令阵列产生的解释。每个被计算的集合命令（集合点）由Xi、Yi和Zi值表征，其中Xi和Yi是圆柱形滚筒104和支架210位置，其中自动聚焦驱动器220应当根据所期望的计算的Zi值更新成像光学器件组件216的位置。这意味着每个集合命令可被图形地示为在X-Y坐标中所示的滚筒表面上的点。例如，坐标X(1)，Y(1)和Z(1)所表征的第一集合命令被具有坐标X(1)，Y(1)的点404所代表。坐标X(2)，Y(2)和Z(2)所表征的第二集合命令被具有坐标X(2)，Y(2)和Z(2)的点408所代表。其他的集合命令，如代表点412的X(k)、Y(k)以及Z(k)被分别代表。

如可以从图4中看到的那样，滚筒表面被片416虚拟地划分。在片416之间的分隔在图4中被垂直的虚线所示出。每个片416被片高420和片宽424所表征。片高420等于滚筒周长，而片宽424等于一个圆柱形滚筒104旋转的时间的支架210位移。假如其中圆柱形滚筒104和支架 210速度恒定，所有的片416将在大小上相同。为了简化算法，也假设每个片将具有恒定数目的集合点。同时，在片416中的相邻的集合点之间的距离不需要恒定。

假设“m”是片数而“n”是每个滚筒旋转的集合点数，集合命令阵列结构504可如图5所示那样被代表。换而言之，集合命令阵列结构504由被X，Y，和Z坐标表征的并且为了校正被自动聚焦驱动器220所控制的成像光学器件216的聚焦位置误差而产生的命令组成。在这种情形中，控制器228的目标是通过比较实际和被计算的（Xi 和 Yi）值，探测自动聚焦驱动器220将以用于每个即将来临的集合点的新命令Zi而被更新的合适的时间。

在产生集合命令阵列504之前，计算机236软件可额外地实施不同的任务，如数据过滤、旋转调整（样本旋转和集合旋转可能不同），控制系统部件延迟的补偿，以及其他。集合结构504可以不同的方式被传送给控制器228，例如通过刚好产生在计算机236中之后传输整个命令阵列结构504给控制器228。在这种情形中，只要成像被执行，控制器228将存储该阵列并且使用其用于自动聚焦驱动器220控制。该选项要求在控制器228中的大存储器和逻辑电路需求，但是在另一方面，这样的方法降低了在计算机236上的负载，其在烧蚀工序期间将需要实施快速3D图像计算。

将帮助降低控制器228的逻辑电路和存储器需求，并降低从计算机236传输到控制器228的数据的量的另一实施例可能是优选的。根据该实施例，在处理阵列304中计算机236将估计在每个滚筒旋转的成像光学器件组件216的期望的路线之间的区别。在其中区别小的情况下（每个滚筒旋转的集合命令基本上相似），计算机236将不把用于当前旋转的集合命令数据包括到集合命令阵列504中，从而使得阵列504只代表不同的滚筒旋转控制路线。为了支持以连续方式的聚焦控制，控制器228将能够重复利用之前的旋转的集合控制数据，直到从计算机236接收到更新的滚筒旋转控制数据的时刻。在这种情形中，控制器228将以之前的数据结束旋转，并且以下一个（更新的）滚筒旋转控制数据开始。其也意味着在更新的旋转控制数据的时刻，传输需要根据实际的支架位置。

例如，如图6所描绘的那样，第一旋转控制数据传输的时刻发生在时间t轴上示出的时间t1并且在如X轴上X1所示出的初始支架位置附近。在接收到该数据之后，通过比较编码器260指示出的实际Y位置和接收到的Yi（从结构504接收到的）滚筒位置，控制器228将立即开始发送集合命令Zi给自动聚焦驱动器220。集合点604正代表滚筒表面上的点，其中对于每个Yi，聚焦校正命令Zi被发送给自动聚焦驱动器220，只要其和各个编码器位置260实际读数配合。

在其中在滚筒几何形状上没有显著改变的情况下，对于下一个滚筒旋转的成像光学器件216的路线将相似于之前的一个。由于该相似性，下一个旋转集合控制数据将不被包括在结构504中并且计算机236将不把该数据发送给控制器228。为了支持不可中断的聚焦校正，只要没有被更新的旋转数据被发送给控制器228，控制器228的逻辑电路探测旋转的结束。在这种情形中，参考存储在控制器228的存储器（没有示出）中的之前的旋转控制数据，控制器228逻辑电路开始下一个旋转聚焦控制。集合点608指示在滚筒表面上的那些点，其中Yi等于位置编码器260读数，并且各个聚焦校正命令Zi被发送给自动聚焦驱动器220。Yi已经存在于控制器228存储器中。

因此，在每个旋转的结尾，控制器228探测下一个旋转数据更新。在其中数据被更新的情况下控制器228将使用其用于控制，否则控制器228将使用存储在控制器存储器中的数据。

滚筒几何形状偏差引起的在期望的成像光学器件216路线中的第一显著改变将在X轴上被描绘为X2的支架位置附近，示出了印版表面偏差612。分别地，当前旋转控制数据被包括在集合命令阵列结构504中，并且该数据的传输将发生在当计算机236发现实际支架位置等于或者接近X2时。该时刻被示为t2。上面描述了接收下一旋转控制数据的控制器228的行为。在支架位置X3附近，同样的行为将在时刻t3。

注意计算机236到控制器228通信方法，只发送对于每个旋转集合控制数据的Yi信息（没有支架位置Xi）是足够的。在该情形中，支架位置由集合命令阵列结构504所指示的相关的滚筒几何形状改变的计算机236时序所限定。对在印版 204上的烧蚀的成像可在多于一个成像周期中实施，因此在每个周期中，烧蚀预定深度的层。

图7示出了在印版204上的烧蚀区域704。在第一成像周期中，烧蚀层708。对于每个后续层712，成像平台 208以等于之前层的烧蚀深度的距离向印版204推进。成像平台208由平台驱动器组件224推进，其由控制器228所配合。

部件列表

104 圆柱形滚筒

108 滚筒方向

112 传感器

116 控制器

120 平台的移动方向

124 被驱动的平台

128 光束

132 透镜

136 平台到滚筒距离

200 用于直接烧蚀成像系统的自动聚焦系统

204 印版

208 成像平台

210 支架

212 位移传感器

214 螺杆

216 成像光学器件组件

220 自动聚焦驱动器

224 平台组件驱动器

228 控制器

232 在控制器和计算机之间的数据链路

236 计算机

244 Z方向

248 X方向

252 Y方向

256 X位置编码器

260 Y位置编码器

304 被绘制的表面结构

404 集合点中的点

408 集合点中的点

412 集合点中的点

416 片

420 片高度

424 片宽度

504 集合命令阵列结构

604 从计算机转移到控制器的点的集合

608 从控制器存储器存储的点的集合

612 印版表面偏差

704 烧蚀区域

708 第一成像层

712 后续成像层。

Claims (5)

1.用于在安装在圆柱形滚筒上的柔性介质的表面上的三维成像的自动聚焦成像装置，包括：

与所述滚筒的表面平行地移动的支架；

安装在所述支架上的成像平台；

其中所述成像平台包括：

位移传感器，用于测量到所述柔性介质的表面的距离；

成像光学器件，用于在所述柔性介质上产生三维图像；

自动聚焦驱动器，用于改变所述成像光学器件的焦点；

编码器，用于提供关于所述滚筒和支架位置的数据；

控制器，其接收和处理来自所述位移传感器和所述编码器的数据；

计算机，其接收来自所述控制器的数据，处理所述控制器数据，并且传输指令给所述控制器；并且

其中所述控制器接收计算机指令并且传输聚焦命令给所述自动聚焦驱动器或者所述成像平台，以及

其中在写图像的同时收集所述位移传感器数据和所述编码器数据。

2.根据权利要求1的装置，其中根据聚焦命令，朝向或者远离所述滚筒移动所述成像平台。

3.根据权利要求1的装置，其中根据所述聚焦命令，所述自动聚焦驱动器再次聚焦所述成像光学器件。

4.根据权利要求1的装置，其中在所述介质上写出图像之前，所述位移传感器从所述柔性介质的整个表面搜集数据。

5.根据权利要求1的装置，其中当下一个旋转需要与所述控制器所存储的聚焦命令不同的聚焦命令的阵列时，从所述计算机发送聚焦命令的新阵列，其中每个阵列代表对于整个滚筒旋转的聚焦命令。