CN1041841A - 制作用于把图象投影的光掩模的方法及装置 - Google Patents

Abstract

制作与图象相应的光掩模的方法和装置，利用了至少一部分表面由光敏材料作的平盘(10)。装上该盘以便转动。激光光源被固定在与该盘相距一定距离的地方。把从光源发出的一个或多个激光光束聚焦在盘(10)上。激光光源相对于该盘沿径向运动，因此激光光束扫描盘的表面。根据与图象相应的信息调制该激光光束以便用激光束把图象写在转动盘上的光敏材料上。

Description

概括地说，本发明涉及一种用在把图象投影中的光掩模。更具体地说，本发明涉及可擦除的和可重复使用的用包括液晶材料在内的光敏材料作的光掩模以及制作这种光掩模的方法和装置。

众所周知，在投影图象中使用光掩模。这种光掩模有很多种类，它包括如照像幻灯片那样的用照像法印制的掩模，或者象高架式投影仪的透明软片那样的用静电法印制的掩模。其他已知的光掩模使用液晶材料。通常，该液晶材料在使用环境温度下是透明的，有选择地加热该液晶的一小块区域在被加热的区域内形成散射区，这样在其他非散射的本底上形成散射区的图象。当液晶完全被写完时，可让光通过液晶单元或让光从液晶单元反射来把液晶中形成的图象投影。

在美国专利US-A4，564，853中可以看到液晶光掩模形成系统的一个例子。用一个激光二极管把写入热量加到液晶单元上形成光掩模，此后为了在光敏材料上印出图象，让可见光通过该光掩模。把从二极管发出的激光束射到用x-y扫描电流计控制的x-y扫描镜上。通过适当地控制该电流计，使该光束在该液晶单元的整个范围内扫描。通过在适当的时刻接通和关闭该激光束，写入在液晶光掩模上形成图象的数据。

已知另外一些激光束扫描装置。例如，除电流计扫描器之外还可使用转鼓式扫描器或声光扫描器。其次，还知道一些不同于液晶的可用激光束写入形成图象的光敏材料。

这些写入系统的任何一种都有一些缺点。把激光束聚焦在液晶表面。然而，激光的焦平面不是平的，並且为了把焦点维持在写表面上，需要某种焦平面修正法。因此，一般来说很难达到很高的分辨率。由于为了使光束能够扫过整个写表面，从光源到液晶表面的光程长度必须很长，所以这又使分辨率近一步变差。最后，已知系统一般只适用于有一个激光二极管的激光写入头。因此，一般来说这种系统的写速低。

因此，所需要的是一个克服上述已知系统缺点的用激光在光敏表面写入的系统。特别是这种系统应当结构比较简单，不需要复杂的焦面修正装置。应当能够在被写图象上有很高的分辨率。为了增加写速度，这种系统还应当能够使用多个激光二极管。

因此，按照本发明的第一方面，本发明提供一种制作光掩模的装置，它包括一个平的盘，该盘至少有一部分表面由光敏材料定界，提供了一种安装並使该盘转动的装置。在相对于该盘一定间距的地方固定住该激光光源，提供了把从光源发出的激光聚焦到盘上以及使激光源固定装置相对于盘沿径向移动的装置。因此使激光束扫描盘的表面区域。一种调制装置按照与图象相应的信息把激光束调制，使得用激光束把图象写在光敏材料上。

平盘可以包括许多由光敏材料覆盖的分立的区域。这些分立的区域最好基本上是长方形，在该盘上可有三个分立的区域。分立的区域为正方形尤其最好，因为三个区域被对称地布置在该盘上。

光敏材料最好是液晶，该液晶即可作成反射式的，也可作成透射式的。

该转动装置最好使该盘转动使激光束以恒定的线速度扫描盘表面。

激光光源可以发出多个光束，把每个光束同时聚焦在该圆盘上。然后该调制装置单独地调制每束光使每束光把图象的各个部分写到盘上。

在这种情况下，激光光源可以包括许多激光发射二极管。把光束聚焦的装置包括许多根光纤，每根光纤接收一束从一个激光发射二极管发出的光。为了把光纤维聚焦在盘上，把该光纤排列成列阵。

根据本发明的另一方面，本发明还包括制作光掩模的方法，该方法包括安装一个至少有一部分盘表面由光敏材料定界的平盘以便转动。使该盘转动，把激光光源固定在与该盘相隔一定距离的地方。至少把一束从光源发出的激光聚焦在该盘上。在转动盘的同时，光源相对于盘沿径向移动使光源扫描盘的表面区域。在扫描期间，按照与图象相应的信息调制激光束使得用激光束把图象写到光敏材料上。

为了使本发明更容易被理解，下面参照附图，其中：

图1是制作本发明光掩模的装置概图。

图2是在制作光掩模的图1里的装置中所用的盘的平面图。

现在参看图1，图1表示用激光在光敏材料表面写入形成光掩模的装置。其中包括一个盘10，该盘上有用下面详细叙述的方法分布在其上的光敏材料。盘10以常规方法连到转台12上以便和光盘存贮系统一起使用。然后把转台12连到使盘10和转台12转动的马达14上。把用于控制转台转速和与被写在光敏表面的数据同步的高分辨率光学闪光编码器16和马达14相连。

激光写入头18包括一个激光二极管、一个准直透镜、几个光束成形棱镜及安装好的以用于产生输出写光束20的一个聚焦透镜。写入头18安装在盘10的上方使光束20被聚焦在盘10的表面，把一沿直线运动的马达22与写入头18相连使写入头相对于盘10沿径向运动。使线性编码器24与马达22耦合以监测激光写入头18的位置。

马达14和22及编码器16和24都与一个合适的微处理器26相连用以控制写入系统。此外，微处理器26接收来自适当的数据源和/或存贮装置28的图象数据。这个数据源和/或存贮装置可以包括一个产生图象数据的原文件扫描器，一个贮存图象数据的存贮器，一些接收图象数据的通讯线，或者其他任何能得到图象数据的装置。

参照图2可以看到盘10的表面。盘主体30最好用铝或其他轻的刚性材料制作。在盘主体30上安装了三个由光敏材料作的单元32、34及36。在一个最佳实施例中，这种光敏材料是一种碟状结构的液晶並且在任何情况下它都能用从写入头的激光二极管发出的光写入。当把盘10安装在转台12上並使其转动时，可以用激光头把数据写到该转动的盘上。通过该激光头相对于盘沿径向移动，整个盘以通常的螺旋线形式得到扫描，因此把信息写在三个单元32、34及36的每一个上。另外，激光头可被固定在一个不变的半径上以便在这些单元上写上同心的记录道。当激光头跨过液晶单元之间的无信号区时，可使该激光头跨到下一个记录道上。

对于最佳液晶光敏材料，把图象数据写入这些单元的方法在技术上知道得十分清楚。起初，32、34和36各个单元都含有一个碟状结构的非散射或非写入结构的液晶，因此，在工作环境温度下，这种液晶在整个表面都是均匀透光的或均匀反射的。用激光二极管的光束有选择地把该液晶的小块区域加热成各向同性状态並把该区域快速冷却到碟状结构状态，因此在局部被加热的区域里形成许多散射中心束实现写入。写入后，在其他非散射的本底上形成许多斑点状图案。通过把光射到每个单元的整个区域上可以把单元32、34及36用作光掩模。这些光或者通过这些非散射区或者被该区反射，这样形成投影图象。

使用液晶材料的好处是投影之后，可擦除该盘以便重新使用。其他可擦除的光敏材料也具备这个优点。然而非可擦除材料如照像胶片可用于本发明。在要长期保存光掩模的应用中，这种材料有优越性。

在最佳实施例中，盘10有三个单元32、34及36，因此可以把全色图象的信息写在这一个盘10上。这时，每个单元与图象的三色成份，即红、黄、兰三组份的一个成份相对应。但是还应知道，不一定要把盘10限定为三个单元。只要合适，可以作上不同数目的单元，这又受盘的尺寸及单元所需大小限制。

把图象写到这些单元上时，驱动马达14使盘10转动，用编码器16监测转速，直到把速度锁定在预定值。可以使用任何一个合适的使转速稳定的装置。美国专利US-A-4603412号给出了一个例子。用合适的斜波电路控制激光写入头18以便用已知方法把信息写到这些单元上。应当注意的是用这些单元表示全色图象的三色成分时，在盘的每一转中，该写入头将把一个信息记录道写在代表图象的红、黄、兰三组份的每个单元上。因此，必须把加到写入头18上的视频信号与每个被扫描线的红、黄、兰三种信号交织在一起。

在通常的光盘驱动中，激光聚焦透镜和写入头一般包括一个用于把激光光斑锁定在盘的数据记录道上並在记录材料上保持适当聚焦的伺服机构。美国专利US-A-4607157举出了一个例子。对于这里所说的发明，不需要记录道伺服，因为一般的记录道的间距约为12微米。然而需要有一个线性编码来跟踪写入头的径向位置以便达到视频同步的目的。再有，一般不需要聚焦伺服。这将取决于聚焦透镜的F数（F数决定焦深）和盘组件以及盘上的单元的精密程度。

在打算把写过的单元作光掩模用时，可以把盘10永久地装在转台12上。这时，写入后再把激光头18移回来並且通过马达14使转台12跨步以便把32、34及36各个单元放在使图象投影在光敏材料或显示屏上的适当位置。可以用闪光编码器16精确地定位这些单元以便达到恰当的重合。

如果这些单元是用液晶材料作的，那就很难迅速地改变该单元的温度，因为转台12的热容量大。因此可以用写入温度下的单元把记录的图象投影。这时，不希望把盘10的温度保持在非常接近从碟形结构到向列相结构的转化点。在这个温度下，写入的灵敏度提高了，但是图象的对比度降低了。

如果液晶单元32、34及36是透射式的，就需要有些通过转台12的孔使投影光线通过。

盘10也可以作成能从转台12拆下的，这时可以把写过的盘安装在一个类似的图象投影轴上。这种作法的好处是信息通过量比较大，其中可把第二个盘安装在写器件上並在原始盘用来投影时，可以写这第二个盘。对自动操纵该盘完成这种功能的种种装置在技术上知道得十分清楚。

因为在这种装置中激光束的扫描运动是沿直线的而不是沿角度的，所以能够用多只激光二极管来增加系统的写入速度。可以使用两种可能的多光束写入头结构。首先，可以提供一种具有各自编址辐射元件的激光二极管阵列。在写入头里用的准直和聚焦透镜有足够平的场以便容纳例如有八个激光发射器的小列阵。因此在写入头里用这种列阵简单地代替了单一激光二极管。

第二种可能性是用光纤把各个激光二极管的辐射收集在一起。然后把光纤端面抛光並组装成一个紧紧包在一起的列阵。用缩小透镜把光纤端面发射体的象呈在光敏材料上。在A、G    Dewey所写的刊登在光学工程杂志23卷第三期第230页（1984）上的文章“激光寻址液晶显示”中阐述了这种用了32个激光二极管的列阵。

还应知道，这里所说的激光扫描系统是一种R扫描系统，这些扫描线代表一些同心圆弧。如果该盘以恒定的角速度转动，在激光头向盘的中心移动时，系统的扫描速度将变小。然而，大家知道在录象盘技术中使用恒定线速度的工作方式。例如，见美国专利US-A-4603412。因此可以使这里所说的扫描器从一个记录道到另一个记录道以恒定的扫描速度工作。

许多视频输入信息源呈x-y光栅格式。因此，为了使用这里所说的系统，需要向R格式转换。然而，在这种格式之间进行转换的算法是公知的，並且实现这种算法的手段与技术上成熟的那些手段相似。

转动的盘也能使用x-y扫描。这时，用闭环伺服系统控制激光写入头使该写入头与盘的转动同步地移进移出，从而在转动盘上形成直扫描线。然而，这种系统是比较复杂的，对于或者以恒定的角速度或者以恒定的线速度转动的盘的扫描速度不仅从一个记录道到另一个记录道发生变化，而且沿各个记录道也发生变化。因此，为了产生没畸变的图象必须采用某种扫描速度补偿方式。

在这种系统的一个实际例子中，用比较便宜的5毫瓦激光二极管提供在具有如图2所示布置的三个液晶单元的盘上写入的写光束。在这个功率下，8微秒的激光脉冲可以在44＃c下写上15微米大小的点。装有8个这种激光二极管，用光纤光学构成一个指向盘表面的八光束列阵。则这种系统可以达到每秒1百万个象素的写入速度。

盘的尺寸取决于液晶单元的尺寸，这也就取决于每个扫描线的象素数及各个象素间的距离。例如，以0.0005″（12.7微米）的间距写点，一个有3000×3000个象素的列阵的图象需要1.5″×1.5″（3.8厘米×3.8厘米）大小的单元，而具有8000×8000个象素的列阵的图象，将需要4″×4″（10厘米×10厘米）大小的单元。在前一种情况中，所需盘的直径约5″（12.5厘米），而后者所需盘的直径为12″（30厘米）。

以写速度为每秒钟一百万个象素的盘的转速可如下估算出：如果N是每个单元每条扫描线的象素数，每个光束每转一周激光头可写入3×N个象素。如果扫描器在恒定的象素写入时间下工作，就要使盘以恒定的线速度转动。因此以最大转速写最内记录道。假设在最内记录道上的液晶单元间没有间隔，八光束列阵的最高盘转速列于下表：

象素数/扫描    盘的最高转速（rpm）

3000    833.3

4000    625.0

6000    416.7

8000    312.5

该速度与商业上可得到的价格比较低的转速一般低于1000rpm（每分钟转数）的存贮盘系统兼容。再有，对于投影整页信息的光学系统，3000×3000个象素与8000×8000个象素之间的分辨率在通常范围内。

当使激光头移动以便写盘的靠外记录道时，必须降低该盘的转速。而且在写入头近一步向盘的外面移动时，液晶间沿盘的间隙变得越来越大（见图2，把记录道38与记录道40加以比较）。因此，加大了在该盘上写一条记录道所需时间。可以估算出包括三个液晶单元的典型盘的激光头的平均空闲时间约为40%。运用这些估算法，用八光束列阵时，把作为图象分辨率函数的整个盘的写速度列于下表：

图象分辨率    总写入时间（分）

3000×3000    0.75

4000×4000    1.33

6000×6000    3.00

8000×8000    5.33

Claims (21)

1、一种制作光掩模的方法，包括以下各步骤：

把一个至少一部分表面由光敏材料定界的平盘(10)安装上以便转动；

转动该盘(10)；

在相对于该盘(10)一定距离的地方固定上一个激光光源(18)；

把至少一束从该光源(18)发出的光(20)聚焦在该盘上；

在该盘转动的同时，让该光源相对于该盘沿径向运动使该激光束(20)扫描该盘的表面；以及

在该扫描期间，根据与图象相应的信息调制该激光束把该图象用该激光束写在该光敏材料上。

2、如权利要求1确定的方法，其中该平盘（10）包括多个由该光敏材料定界的分立的区域（32、34、36）。

3、如权利要求2确定的方法，其中该分立的区域（32、34、36）基本上是长方形，以及其中在该盘（10）上有三个这种分立的区域。

4、如权利要求1、2或3确定的方法，其中该光敏材料是液晶单元。

5、如权利要求4确定的方法，其中该液晶单元是反射式的。

6、如权利要求4确定的方法，其中该液晶单元是透射式的。

7、如权利要求1、2或3确定的方法，其中让该盘（10）转动使得该激光束（20）以恒定的线速度扫描该盘的表面。

8、如权利要求1、2、3或7确定的方法，其中把多个激光光束同时聚焦在该盘（10）上，独立地调制该各光束使各光束在该盘上写上该图象的单独一部。

9、制作与图象相应的光掩模的装置，其中包括：

一个平盘（10），该盘的许多分立的表面部分（32、34、36）由液晶材料定界;

安装並使该盘转动的装置（12、14）;以及

扫描装置（22）用于至少让一束激光（20）在转动期间扫描该盘（10）的表面部分使该图象用该激光束写在该光敏材料上。

10、如权利要求9确定的装置，其中该扫描装置包括：

一个激光源（18）;

装置（27），用于把该激光光源固定在相对于该盘一定距离的地方;

把从该光源发出的激光光束聚焦在该盘上;

装置（22、24），它们用于使该激光光源固定装置相对于该盘沿径向运动，因此使该激光光束（20）扫描该盘（10）的表面部分;以及

装置（26），用于根据与该图象相应的信息调制该激光光束以便用该光束（20）把该图象写在该光敏材料上。

11、如权利要求10确定的装置，其中该激光光源（18）发出多个激光光束，把每个该光束同时聚焦在该盘（10）上，並且其中该调制装置（26）独立地调制该各个光束以便使每个光束在该盘上写该图象的单独一部分。

12、如权利要求11确定的装置，其中该激光光源（18）包括多个激光发射二极管。

13、如权利要求12确定的装置，其中把该光束聚焦的该装置包括多根光纤，每个光纤接收从一个这种激光发射二极管发出的一束光，把该光纤排列成一个列阵以便把该光束聚焦在该盘上。

14、如权利要求9或10确定的装置，其中该平盘包括一些由该光敏材料定界的分立的区域（32、34、36）。

15、如权利要求14确定的装置，其中该分立的区域（32、34、36）基本上是长方形，並且其中在该盘（10）上有三个这种分立的区域。

16、如权利要求15确定的装置，其中该分立的区域（32、34、36）是正方形，这三个区域被对称地排列在该盘（10）上。

17、如权利要求9或10确定的装置，其中该光敏材料是液晶单元。

18、如权利要求17确定的装置，其中该液晶单元是反射式的。

19、如权利要求17确定的装置，其中该液晶单元是透射式的。

20、如权利要求17确定的装置，其中该转动装置（12、14）使该盘（10）转动以便该激光光束（20）以恒定的线速度扫描该盘的表面。

21、如权利要求9或10确定的装置，其中该扫描装置（22）使多个激光光束在该盘上扫描，以便把该图象写在该盘上。