CN107667317B

CN107667317B - 成像装置

Info

Publication number: CN107667317B
Application number: CN201680030861.1A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔.纳格勒; 尼尔.鲁宾.本.海姆; 奥弗·阿克南; 本锡安·兰达
Original assignee: Landa Labs 2012 Ltd
Current assignee: Landa Labs 2012 Ltd
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2021-08-27
Anticipated expiration: 2036-05-27
Also published as: AU2016268512A1; EP3302985B1; CA2986514C; MX371240B; RU2017138078A; JP6914197B2; AU2016268511A1; BR112017025261B1; IL255928B; CN107667316B; AU2020267265B2; JP2018518392A; US20170097573A1; US10061200B2; JP2018520905A; MX2017015245A; KR20180013951A; AU2020267265A1; WO2016189511A1; AU2016268511B2

Abstract

公开了一种成像装置，用于将多个单独可控的激光束在基准X方向上投射到相对该成像装置可移动的表面上。所述成像装置包含多个半导体芯片，每个半导体芯片包括以M行和N列的二维阵列配置的多个单独可控的激光束发射元件。在每一行上的多个所述元件具有均匀间距A_r，并且每一列上的多个所述元件具有均匀的间距a_c。所述芯片以这样的方式安装在支架上，即在基准Y方向上彼此相邻的每对芯片横向于X方向，并且在X方向上彼此偏移，以及，当被持续激活时，所述每对的两个芯片所发射的激光束在成像表面上勾画一组在X方向延伸并且在Y方向上基本均匀间隔的平行线。所述芯片设置在所述支架上的至少一对行中，并且该对行内的芯片的对齐使得，在X和Y方向上的三个相邻芯片的任意一组中相对应的元件置于全等等边三角形的各顶点上，并且所述成像装置进一步包括多个透镜系统，所述透镜系统分别用于将各自芯片的所有激光元件的激光束聚焦到成像表面上而不变更激光束之间的间距。每个透镜系统可以包括一个渐变折射率(GRIN)柱或多个彼此串联的多个GRIN柱。

Description

成像装置

技术领域

本公开涉及一种成像装置，该成像装置用于将多个单独可控的激光束投射到相对该成像装置可移动的表面上。本文主要通过参考所述成像装置在数码打印系统中的应用对其进行描述，但是该成像装置的利用不限于这一应用。

背景技术

US 7,002,613描述了一种数码打印系统，本公开的成像系统可应用于该数码打印系统。特别是，在后者的专利说明书的图8中，显示了一种指定为84的成像装置，该成像装置被认为代表了与本公开最接近的现有技术。该成像装置用于将多个单独可控的激光束投射到本文称之为成像表面的表面上，以将能量图像生成到该表面上。激光图像可以用于各种目的，如US 7,002,613所教导的那样，以3D打印以及以将图像蚀刻到任何表面的方式，在衬底产生二维打印图像仅为其少数例示。

对于高通量的应用，如商业打印或3D光刻(3D lithography)，每秒待成像的像素数量非常高，要求在成像装置中并行化。本公开的激光成像装置旨在用于需要大功率能量束的应用。因此，不能只用单束激光束扫描成像表面以便按顺序曝光像素。相反，需要成像装置具有用于成像表面的图像区域的每个像素(图片元素)的单独激光发射元件。

为了实现可接受的打印质量，具有尽可能高的像素密度是重要的。由于用以实现均衡打印质量的激光源之间必需的重叠量，如果激光发射元件全部放置在一条直线上，例如具有1200dpi(每英寸的点)的高分辨率图像需要的激光发射元件密度是不可实现的。除了物理上不可能实现如此高封装密度的事实以外，相邻元件会彼此热干扰。

已知半导体芯片以M行和N列的阵列发射激光束。在US7,002,613中，行和列完全垂直于彼此，但芯片按照后一专利的图1所显示的方式歪斜安装，以便于各行可以填充前一行或前多行中缺失的像素。以这种方式，这样的阵列可以实现高分辨率图像，但只能在芯片的宽度上实现，并且如果要实现沿其长度没有条纹的打印图像，这样的芯片不能简易地并排安装，因为该芯片不能使得其激光发射元件位于充分靠近它们的侧边沿的位置。

US 7,002,613以该专利的图8所示的方式，通过将这样的芯片设置成两行来避免这一问题。在每一行中的芯片相对于另一行中的芯片交错安排，以便于每个芯片扫描未被另一行中的两个相邻芯片扫描所留下的间隙。

US 7,002,613认识到芯片上元件发射的激光束的光束成形的需求以及使用(只作用于VCSEL棒的一个或更多激光束的)显微光学组件和/或(作用于VCSEL棒的所有激光束的)宏观光学组件的提案。特别是，提出了诸如显微镜头阵列的显微光学组件的阵列，其中各个组件之间的间距与两个激光发射器之间的间距或数倍的间距相对应。

发明内容

在本公开中，提出了一种成像装置，该成像装置用于将单独可控的激光束投射到在基准X方向上相对于该成像装置可移动的成像表面上，所述成像装置包含多个半导体芯片，每个半导体芯片包括以M行和N列的二维阵列配置的多个单独受控的激光束发射元件，在每一行上的多个所述元件具有均匀间距A_r，并且每一列上的多个所述元件具有均匀的间距a_c，其中所述芯片以这样的方式安装在支架上，即在横向于X方向的基准Y方向上彼此相邻的每对芯片并且在X方向上彼此偏移，以及，当被持续激活时，所述每对的两个芯片所发射的激光束在成像表面上勾画在X方向延伸并且在Y方向上基本均匀间隔的一组平行线，其中将所述芯片在所述支架上设置成至少一对行，在一对或多对行内的芯片的对齐使得在X和Y方向上的三个相邻芯片的任意一组中相对应的元件置于全等等边三角形的各顶点上，并且其中所述成像装置进一步包括多个透镜系统，所述透镜系统分别用于将各自芯片的所有激光元件的激光束聚焦到成像表面上而不变更激光束之间的间距，每个透镜系统包括至少一个渐变折射率(GRIN)柱。

而透镜系统可以包括与每个芯片关联的单一的GRIN柱透镜，或者可以包括彼此串联设置并形成折叠光路径的多个GRIN柱。在后一种情况下，为所有芯片所共用的棱镜可以用于将激光束从一个GRIN柱元件导向每个系列中的下一柱元件。

在这种折叠光路径构造中，可取的是棱镜由折射率比GRIN柱高的玻璃制成。

假设芯片阵列的M行和N列的激光发射元件不包含任何通常冗余的元件,该组中相邻线之间的间距将等于A_r/M,即每行的相邻元件的间距的商。另外，如果芯片都具有相等数量的行和列，则假设由任意两个相邻芯片所勾画的线之间没有刻意重叠，所以这两个芯片所勾画的线的总数将等于2×M×N，即每个芯片中行数和列数乘积的两倍。

应当理解的是，对于高通量的应用，这样的成像装置会要求相对大数量的芯片，每个芯片具有以列和行设置的多个激光束发射元件。这产生了对于待相关联于这种大量激光元件的光学系统的挑战，尤其是当期望激光信号向成像表面进行精确和准确传递(例如实现打印系统的优质打印)时。

US 7,002,613所提出的显微光学解决方案和宏观光学解决方案都行不通。在包括每束光一个透镜的透镜系统中，实现可接受的透镜质量和均匀性是困难的，并且将显微透镜与激光发射元件正确对齐体会现出严重的困难。在任何系统中，由于发射光束的方式，使用同一透镜聚焦来自多个不同芯片中相同芯片的多条激光束，一个常规透镜不可能将所有光束都聚焦到平的成像平面上而不引起失真，因为偏离轴的光束往往会横向偏移。使用复杂多元件透镜也明显是行不通的。与此相反，使用本文所提出的GRIN柱提供了设计合适透镜系统的可行的解决方案。

在本公开中，在每一对或多对行内对齐芯片，使得在X和Y方向上三个相邻芯片的任意一组中的相对应元件位于全等等边三角形的各顶点处。在这种情况下，如果GRIN柱具有等于2×N×A_r的直径，即为同一行中相邻芯片中相对应元件之间的距离，则可以在至少一对行中以这样的方式更方便地设置该GRIN柱，即该对的每一行中的GRIN柱的圆柱体表面彼此接触，并且每一行中的每个透镜的圆柱体表面接触该对行中的另一行中的两个相邻GRIN柱的圆柱体表面。在这种构造中，尤其简化了透镜系统的结构，因为以其最紧凑构造来简易堆叠这些柱将自动确保了它们与各自芯片之间的正确对齐。

在本公开中，透镜系统具有±1的放大率；换句话说，图像尺寸应当与实物尺寸相等，尽管图像(即点阵列)可能是颠倒的。如果放大率值为+1，则即使GRIN柱透镜在垂直于透镜光轴的XY平面上具有轻微错位，成像表面上的被照激光点的位置仍将保持不变，因为其只取决于激光阵列芯片上的激光发射元件的位置。前者的元件可以利用标准半导体生产技术以高精确度定位在每个激光阵列芯片上。

需要注意的是，也可使用的可替换的光学放大率-1，但可能在定位和对齐GRIN柱透镜时需要更仔细。

方便的是，每个芯片具有相等数量的激光束发射元件的行和列(即M＝N)，因为这会最小化透镜阵列的尺寸。

在每个芯片内，激光元件的隔距应当足够大，从而避免相邻激光发射元件之间的热干扰。

芯片阵列的支架可以被流体冷却以帮助驱散由芯片生成的热。

另外，支架可以是刚性金属或陶瓷结构，并且可以由承载膜导体的电绝缘表面形成或涂覆，从而向芯片供应电信号和电力。

一些实施方式中的芯片是垂直腔面发射激光(VCSEL，vertical cavity surfaceemitting laser)芯片阵列。

在一些实施方式中，每个元件所发射的激光束强度可以(以模拟方式)连续调节，或者可以以不连续级(数字方式)调节。在一种实施方式中，芯片可以包括模数转换器以便于接收数字控制信号。以这种方式，激光束强度可以在4、8、16、32或直到4096级的不连续级中调节。

附图说明

本文将参照附图说明成像装置的一些实施方式。该说明书与附图一起使本领域技术人员显而易见地理解，通过不限制的示例，如何实践本公开的教导。附图是为了说明性讨论的目的，并不试图以比本公开的基本理解所必需的更详细的方式来显示实施方式的结构细节。为清楚和简便起见，附图中所描绘的一些物体未按比例。

在图中:

图1是使用根据本公开的实施方式的成像装置的数码打印系统的示意图；

图2示出了成像装置的一部分，该部分包括安装在支架上的一组VCSEL芯片；

图3表现出两个VCSEL芯片的激光发射元件以及它们可在相对移动的成像表面上勾画(trace)的多条线的示意图；

图4是说明了在一对行中VCSEL芯片与用作透镜的GRIN柱之间的对准以将发射的激光束聚焦到成像表面上的示意图；

图5A示出了现有技术中校正芯片错位的建议；

图5B示出了本公开对芯片错位的弥补方式；

图6示出了由在两个相邻阵列的端部处的激光元件产生的能量曲线图，以说明如何使用两个侧向定位的激光元件可以勾画单线，其中每个阵列示出了主阵列的三个元件和附加元件中的一个；

图7A是与图6的相似的能量图，示出了主阵列的两个相邻激光元件的能量如何可以在成像表面上结合，以产生不落在任一激光元件的中心线上的附加点；

图7B示出了以图7A所示的方式激活主阵列的四个激光元件来产生的成像表面上的点图形。

图8A示出了图7B的点图形如何有助于反锯齿(anti-aliasing)；

图8B示出了与图8A相比，锯齿边沿一般在打印斜线时出现；以及

图9示出了对图1所示系统可替换的透镜系统，其具有被折叠光路径以允许在打印系统中更紧凑的封装。

具体实施方式

示范性打印系统的总体描述

图1示出了滚筒10，其具有用作为成像表面的外表面12。随着该滚筒以箭头所表示的顺时针旋转时，滚筒经过涂覆站14的下方，滚筒在该涂覆站获得细颗粒的单层涂层。在退出涂覆站14之后，成像表面12经过本公开的成像装置15的下方，在成像装置的下方成像表面12的选定区域被曝光于激光辐射，使在表面12的选定区域上的颗粒涂层发黏。接下来，该表面穿过压印站19，在该压印站处将衬底20挤压在滚筒10和压印筒22之间。这使得通过在相应被称为成像站中的成像装置15曝光于激光辐射而发黏的成像表面12上的涂层选定区域从成像表面12转移到衬底20。

本文所使用的术语“发黏”意在指，在被压在压印站19中，被辐照的颗粒涂层时不一定是接触时的发黏，而是充分软化以能够粘附在衬底的表面。

被转移到衬底的、对应于选定发黏区域的成像表面12上的区域因此被曝光，通过颗粒的转移而清空(depleted)。然后成像表面可以通过返回到涂覆站14完成其循环，在涂覆站14新鲜的单层颗粒涂层只涂敷到曝光区域上，之前所涂敷的颗粒已经在压印站19从该曝光区域转移到衬底20。

在本提案中，因为比起互相粘连，颗粒会更牢固地粘附到成像表面，也可互换地被称为颗粒层或涂层的所涂敷颗粒涂层基本是单层的。虽然一些重叠可能发生在颗粒之间，层可能在表面区域主要部分上只是一个颗粒的深度，并且大多数(若不是所有的)颗粒将具有与成像表面的至少部分直接接触。因此，单层的平均厚度可以接近于形成单层的各个颗粒的平均厚度，或在颗粒重叠的一些区域中，根据重叠类型和程度，单层的平均厚度接近于构成的颗粒大小的低倍数。因此单层可能具有对应于高达所涉及颗粒所特有的最薄尺寸(例如，碎片形状颗粒的颗粒厚度或基本上球形颗粒的颗粒直径)约三倍的最大厚度(T)。

颗粒的基本单层镶嵌的形成的原因与胶带在用来从表面拾取颗粒时将只能拾取一层粉末颗粒的原因一样。当胶带仍是清洁的，粉末会粘在胶黏剂上直到覆盖整个胶带表面。然而，一旦胶黏剂已经被粉末所覆盖，胶带就无法再用来拾取更多粉末了，因为粉末颗粒不会彼此牢固地粘在一起，并且它们可以从胶带上轻易地被刷掉或吹走。类似地，本文的单层由与成像表面充分接触的颗粒形成并且因此通常具有单个颗粒的厚度。当接触允许颗粒在涂层装置的出口处仍维持附着于成像表面时，这样的接触被认为是充分的。

有利地，根据现有技术的教导，单层颗粒促进激光元件所发射辐射的针对性传递。由于有选择地受辐射的颗粒驻留在单一的确定的层上，这可以简化成像装置和过程的控制。当考虑在打印系统中的使用时，针对单层的成像装置可以优选聚焦激光辐射以在转移到衬底上时形成近似均匀厚度的点和/或相对分明的轮廓。

具有单层的另一个优势在于，单层可以提供颗粒(例如，用于打印应用的包括色素或染料的聚合物)和颗粒所涂层的成像表面之间良好的热耦合。如下所述，成像表面可以是吸热衬底或由合适的吸热材料制成，因此使得能量易于从成像表面转移到使颗粒发黏的聚合物颗粒。应当提到的是，由于颗粒非常小的厚度，大部分激光能量可以穿过颗粒而不被吸收。与直接加热颗粒相反，激光辐射倾向于加热成像表面而间接加热颗粒。

涂覆站

回到涂覆站14，可以包括多个沿滚筒10的轴线彼此对齐的喷头1401，因此只有一个喷头在图1的部分中可见。喷头的喷雾1402被限制在钟形外壳内，钟形外壳下缘1404形状与成像表面紧密相符，只在钟形外壳1403和滚筒10之间留下窄缝。多个喷头1401连接于同一供应轨1405，该供应轨向喷头1401供应加压流体载体(气体或液体)，在所述载体内部悬浮有待用于涂层成像表面12的细颗粒。在本公开中，术语“悬浮”及其各种变形理解为“携带”或类似术语，并在期望受控温度下可随意维持，该术语不视为相同或不同相的任何特别类型的材料在任何特别流体内的混合。

如果需要，尤其是在它们供应到喷头之前，可以定期地或持续不断地混合所悬挂的颗粒。所述颗粒可以例如在涂层设备中以0.1至10升/分钟的流速范围内，或在0.3至3升/分钟的范围内循环。来自多个喷头1401的被限制在外壳1403内部空间所形成的气室(plenum)1406内的流体和过剩颗粒通过排出管1407抽取，该排出管连接于由箭头表示的合适的抽吸源，并且所述流体和过剩颗粒可被回收到喷头1401。尽管本文称为喷头，但涵盖了沿同一供应管或导管的允许涂敷流体悬浮颗粒的任何其他类型的喷嘴或孔口。

作为将颗粒及其载体直接喷涂到成像表面的替代方案，可以将颗粒及其载体喷涂到施料器上，诸如之后将颗粒涂敷在成像表面的旋转刷或海绵。为了广泛覆盖成像表面，若干这样的施料器可以包含于涂覆站，涂覆站可以具有用于在成像表面离开涂覆站之前使成像表面干燥的额外的海绵。

重要的是能够实现外壳1403和成像表面12之间的有效密封，以防止喷涂流体和细颗粒通过在外壳1403和滚筒10的成像表面12之间必须绝对保留的窄缝隙逃逸。在附图中示意性地示出了实现这种密封的不同方式。

密封的最简单形式是刷片1408。如果这种密封用在外壳1403的出口侧也就是说多个喷头1401的下游侧，则该密封发生与成像表面的物理接触并且能够刮擦所涂敷涂层。为此，如果使用这种密封，优选将其只置于喷头1401的上游和/或外壳1403的轴向末端。用于本文的术语“上游”和“下游”是指循环通过不同站的成像表面12上的多个点。

图1还显示了在没有与成像表面12接触的部件的情况下，如何防止内部悬浮有颗粒的流体从外壳1403和滚筒10之间密封缝隙流出。在外壳1403的整个圆周上延伸的通道1409由一组在外壳1403的整个边缘上延伸的细通道1410连接，以建立通道1409和密封缝隙之间的流体连通。

在第一实施方式中，通道1409连接于过剩抽取系统的抽吸源，该抽吸源可以与连接于排出1407的抽吸源为同一或不同的抽吸源。在这种情况下，该通道用于在穿过缝隙的流体离开外壳1403之前将其抽取。低压也将未直接接触成像表面12的任何颗粒从滚筒10吸走，并且如果所喷涂的流体是液体，则低压还将过剩液体吸走从而在成像表面离开涂覆站14之前至少局部使涂层干燥。过剩液体可替代地并额外地通过位于涂层设备出口侧的(例如具有液体吸收表面的)液体抽取辊去除。如果存在，任何这样的使颗粒涂层干燥的机构(例如鼓风机、加热器、液体抽取器等)可以在涂层装置14的内部(即外壳1403的气室1406之内)，或者可替换地位于涂覆站的下游，只要它保持在需要涂层充分干燥的站的上游。干燥元件，如果存在的话，有利地与颗粒层相容，例如不会对颗粒和/或所形成的颗粒层的整体性造成不利的影响。

在可替换实施方式中，通道1409连接于压力高于气室1406压力的气源。根据流体通过喷头1401对气室的供应速率以及通过排出1407的排出速率，气室1406可以或者处于环境大气压之上或者处于环境大气压之下的压力。

如果气室处于低于大气压的压力，则通道1409处于环境压力下就足够了，或者甚至不需要通道1409的存在。在这种情况下，因为密封缝隙内的压力将超过气室1406的压力，所以通过缝隙的气流会朝向外壳内部而不出现流体流出的风险。

如果气室处于大气压之上的压力，则通道1409可以连接于尤其是空气的加压气源。在这种情况下，空气在压力的压迫下通过通道1410进入密封缝隙并分为两股气流。一股气流流向气室1406并将防止其内悬浮有颗粒的流体流出。这股气流也将驱逐和/或夹带未直接接触成像表面的颗粒并且如果载体流为液体时这股气流还有助于对涂层进行的干燥。因为第二股气流仅是干净的空气而不含悬浮颗粒，它将从涂覆站逸出而不存在问题。第二股气体流还可以在成像表面离开涂覆站14之前进一步有助于对成像表面12的颗粒涂层进行干燥。如果需要，可以加热气体流来促进这样的干燥。

在可替换的实施方式中，之前所述的通道1409不是以在所有边缘密封气室1406的方式在外壳的整个圆周周围延伸。可以是“局部的”通道或一个或多个(带主动或被动气流的)气刀的结合，所述气刀平行于滚筒轴线的喷头并位于下游或上游和/或在垂直于滚筒轴线的方向上位于喷头的侧边沿上。在一些实施方式中，出口侧的“局部的”通道可以用作额外或可替换地促进干燥颗粒的气体鼓风机(如冷或热空气)，在这种情况下可以调适通道1410以提供充足的流动速率。

在一种实施方式中，独立于载有施用至成像表面的悬浮颗粒的液体的类型，在涂覆设备14的出口侧并且通常在外部下游处设置可以在成像表面到达成像站16之前将颗粒层和成像表面的温度升高的加热器。颗粒和成像表面的温度可以在这种方式下从环境温度升高至高于30℃或40℃或者甚至50℃，以便减少使颗粒发黏所需的激光能量的量。然而，加热不应当本身使颗粒发黏并且不应当升高颗粒温度至高于80℃或可能高于70℃。可以进一步通过使用期望温度下的流体载体来促进这种颗粒和成像表面的加热。

在一些实施例中，可以在涂覆设备14的入口侧，并且通常在所示的外部上游位置处设置可以在颗粒层重新装填至先前曝光区域之前使成像表面的温度降低的冷却器。可确信的是，在少于40℃或少于30℃或甚至少于20℃但通常高于0℃,或者甚至高于10℃的温度下的成像表面可以减少邻近曝光区域的颗粒的温度，以便于到重新装填成像表面时，这种被冷却的颗粒可能不具有或减少了“残余粘性”，也就是说对于后续步骤(如向打印衬底转移)来说局部软化不充分。被冷却的涂层表现得与颗粒新鲜沉淀在成像表面曝光区域上的方式相同。在这种方式下，如本文所公开的，只有被成像装置芯片的激光元件选择性针对的颗粒会变得充分发黏而用于后续转移步骤。可以进一步通过使用在期望温度下的流体载体来促进对颗粒和成像表面的这种冷却。

可以既在涂层设备14的入口侧上提供冷却器，也在出口侧上提供加热器，冷却器和加热器均如上所述运行。此外，滚筒10可以受滚筒内部合适的冷却/加热机构的温度控制，如果存在所述机构则以使成像表面的外表面维持在任意期望温度的方式来运行这种温度控制机构。

成像表面

在一些实施方式中的成像表面12是疏水性表面，通常由弹性体制成，该弹性体可以定制成具有本文所公开的性能，通常由硅基材料制备。在已经由于曝光在辐射下而使颗粒发黏之后，这种疏水性有助于使颗粒从成像表面分离以便于使得颗粒能够干净地转移到衬底上而不发生裂。

当在液体/空气/固体界面的弯液面形成也被称为润湿角或接触角的角超过90°时，表面被认为是疏水的，参考液体通常为蒸馏水。在这种常规用测角仪或液滴形分析器所测量的并且可在与涂层过程操作条件相关的给定温度和压力下评估的条件下，水往往是珠状并且不润湿，从而不粘附该表面。

成像表面12可以具有任何肖氏(Shore)硬度，当颗粒在涂覆站14中被涂敷在成像表面12上时，所述硬度适合于提供对颗粒的牢固结合，该结合比颗粒之间的粘附趋势更强。适合的硬度可以取决于成像表面和/或拟被结合的颗粒的厚度。在一些实施方式中，大约60Shore A和大约80Shore A之间的相对高的硬度适合于成像表面。在其他实施方式中，少于60、50、40、30或甚至20Shore A的中低硬度是符合要求的。在特定的实施方式中，成像表面具有大约40Shore A的硬度。

有利地，适合于随本文所公开的成像装置使用的成像表面可以足够柔软而安装在滚筒上，具有足够的耐磨性，不与采用的颗粒和/或流体发生反应，和/或对任何相关操作条件(例如辐照、压力、热、张力等)具有抵抗力。

为了与成像站间歇生成的、使所需选定面积曝光的辐射相相容，成像表面例如可以是相对抗辐射和/或相对不与辐射发生反应，和/或能够吸收辐射，和/或能够保持辐射所生成的热量。

附图中的成像表面12是滚筒10的外表面，但这不是必须的，因为可替换地它可以是具有在引导辊上引导的皮带形式的循环转移件的表面并至少在其穿过涂覆站的同时被维持在适当的张力下。

颗粒

至少在需要颗粒涂层的一段时期内，颗粒可以由任何材料制成并具有适合于提供与成像表面有充分接触面积的任何形状和/或大小。有利地，颗粒的材料可以通过激光元件而变得充分发黏以使其能有选择地转移。

在实践中颗粒的形状和构成将取决于颗粒层的预期用途，并且在打印系统非限制例的上下文中，取决于待应用到衬底20表面的效果的性质。颗粒例如可以包括热塑性聚合物并可选地包括着色剂(比如色素或染料)并具有近球形的形状。颗粒可以进一步包含调和至激光元件发射波长的软化促进剂(例如IR吸收染料，an IR absorbing dye)，优选不影响颗粒所要求的颜色，如果需要则在光谱可见部分实质上不具有吸收度。对于高质量的打印，可取的是颗粒尽可能的细从而将涂敷在单层涂层的颗粒之间的间隙最小化。颗粒尺寸取决于所要求的图像分辨率，并且对于一些应用来说，10μm(微米)的颗粒尺寸(例如直径)可以证明是足够的。然而，为了提高图像质量，优选的是颗粒尺寸为几微米并且更优选的是少于大约1μm。在一些实施方式中，合适的颗粒可以具有100nm和4μm之间尤其是500nm和1.5μm之间的平均直径。

因此颗粒选择和理想尺寸确定将取决于颗粒的预期用途、所追求的效果(例如打印情况下的视觉效果)、以及将根据本教导的涂层装置和成像装置一体化的相关系统的运行条件。参数的最佳化可以由本领域普通技术人员通过常规实验按经验来完成。

根据其构成和/或根据所经历的处理，颗粒可以具有不同程度的疏水性，如果有的话，可具有亲水性。由于颗粒疏水和亲水性之间的平衡会随时间而变化，如果颗粒的疏水性质占主导则预期该过程仍然是有效的。此外，颗粒可以由本质上亲水的材料制成，在这种情况下，可以通过应用合适的颗粒涂层来使颗粒疏水。

当颗粒被涂敷在成像表面上或(多个)中间施料器上时，或者由气态流体或者由液态流体来承载颗粒。当颗粒悬浮于液体中时，为了既降低成本又能使环境污染最小化，可取的是该液体为含水的。在这种情况下，可取的是，所使用的聚合物或材料形成疏水的或涂覆成疏水的。疏水颗粒更容易从含水载体分开，促使颗粒趋向于附着并涂覆成像表面。颗粒对涂层装置表面而不对其载体且不对其彼此的这种优先亲和力被认为是特别有利的。在(如上所述可以在疏水成像表面优选由疏水颗粒形成的)颗粒涂层上进行吹气，这将既用于驱逐与成像表面未直接接触的颗粒，也用于使成像表面上的颗粒涂层干燥。

以上描述并不旨在提供整个数码打印系统运行的全面说明。对成功实施这种打印系统来说许多重要细节与本公开无关。然而，确信的是，图1打印系统的上述描述足以使可由本公开的成像装置所提供的示例性功能能够得到理解。另外，应当强调的是，成像装置能够被用于其他目的，例如选择性激活胶黏剂区域、蚀刻由成像表面所承载的金属箔或在3D打印系统中固化聚合物。

成像装置

图1的成像装置15由承载激光源阵列的支架16和将激光束聚焦在成像表面12上的相应透镜18阵列组成，所述激光源阵列诸如为发射激光束的VCSEL(vertical cavitysurface emitting laser，垂直腔面发射激光)芯片。图2至4提供了芯片的更多细节以及芯片安装在支架上并与透镜18对齐的方式。

图2显示了安装有多个VCSEL芯片30的支架16，所述VCSEL芯片30在相对于彼此的精确预定位置布置在两行中，参考图3和图4将以更详细的方式描述。

支架16为装配有连接器34的、刚性的、至少局部中空的细长主体，使得冷却流体流经其内部腔。该支架的主体可以由诸如合适陶瓷的电绝缘材料制成，或者它可以由金属制成并且至少可以在安装有芯片30的支架表面36用电绝缘体涂覆。这使(附图未示出的)薄膜导体制成的电路板能在表面36上形成。芯片30被锡焊到该电路板的接触板上并且从支架16的下边沿突出的连接器32使控制和功率信号应用于芯片30。每个芯片30的激光发射元件40各自是可寻址的并且彼此间隔得足够宽从而彼此不会热干扰。

在一些实施方式中，芯片单独可控的激光元件可以发射优选在多个离散级别中以数字方式可控的具有可变能量的激光束，使激光强度可以设定在4、8、16…直到4096能级(levels)的任一能级。能量的最低能级定义为0，其中单个激光元件没有被激活，能量的最高能级可以定义为1。这种多个相异能级在打印领域可以被认为类似于“灰度(greylevels)”，每一能级规定为逐渐相异的强度(例如考虑有色输出时的阴影)。例如采取具有16能级激活的激光束发射元件，0能级会导致缺乏印记(例如如果原本就这样则给衬底留白或空白)而1能级会导致最大能量下辐照的颗粒所形成的发黏膜的转移(例如，如果原本这样对颗粒着色则形成全黑点)。在之前图示例中，1/16、2/16、3/16等能级别会对应于包括在白色(0)和黑色(1)之间的越来越强的灰度阴影。通常，能级是均匀间隔的。

在可替换的实施方式中，芯片单独可控的激光元件可以发射具有以连续模拟方式调制的可变能量的激光束。

一旦成像表面的区域已达到颗粒变黏的温度，进一步提高温度对向衬底转移的将不具有任何效果。然而，还应当注意的是，随着激光强度增加，发黏的点的大小也增加。

每个点的能量曲线类似于图6所示的图形，也就是说它与逐渐变细的边相对称。精确的曲线是不重要的，因为分布可能是高斯、正弦或甚至倒V。在任何这种曲线中，随着峰值强度增加，底部扩大而且使颗粒涂层发黏的阈值的曲线交叉面积也在直径上增加。这种能量分布的结果在于，与任一激光发射元件的中心线不对齐的成像表面的点将接受来自相邻元件的能量。可以使两个附近元件被激发至低于使元件中心线上的涂层颗粒发黏所需的能级，但对于两个中心线之间的重叠区域中累加的能量，则可以上升到使涂层颗粒发黏所必需的能级之上。以这种方式，除可以产生与激光元件的中心线重合的栅格线之外，或作为替换方案，还可以在多条激光线的中心线之间产生潜在栅格线。如下文将描述的，这种使来自相邻元件的能量相结合的能力用于实现不同的效果。即使辐照时间之间具有轻微差异，这些效果取决于成像表面的使从不同激光元件接收的能量相结合的能力。

图3示意性并按大规模扩大的比例示出了在Y方向彼此相邻但位于不同行上的VCSEL芯片30的两个激光发射元件阵列130a和130b的相对定位。如前所述，每个芯片具有M乘N个用圆点来表示的激光发射元件40的常规阵列。在所图示的例子中，M和N是相等的，具有九行九列。指定为A_r的行内元件之间的间距，以及指定为a_c的列内元件之间的间距，显示为彼此不相同，但它们可以是相同的。轻微歪斜地示出阵列以便于列和行彼此不垂直。相反，行平行于Y方向，而列与X方向成微小角度。如果持续激发元件，使得由元件40在成像表面上勾画的诸如线44的线能够充分靠近在一起从而允许打印高分辨率图像。图3示出了每行端部的元件勾画出的线离每个相邻行的对应元件所勾画的线有A_r/M的距离为，这些线之间的间隔是图像分辨率I_r。因此根据所期望的图像分辨率，基于等式A_r＝M x I_r来选择A_r和M。

应当指出的是，元件可以位于列垂直于行的正方形阵列。在这种情况下，芯片需要歪斜地安装在其支架上，并且在用于激发各个元件的控制信号的时机中需要应用弥补。

从图3可明确的是，也从示出了按更大比例勾画的线的图5B可明确的是，阵列130b的定位使得，由其左下角元件40勾画的线理想地应当也与阵列130a的右上角元件勾画的线以等于A_r/M的距离隔开。因此两个阵列130a和130b的所有元件40被激发时，它们将勾画2×M×N条线，这些线将全部以A_r/M的距离在相邻线之间均匀间隔隔开而不产生缝隙。

如果希望提供对故障元件的弥补，则阵列可以包含额外的多行激光发射元件40，但可替换地，可以通过增加由勾画相邻两平行线的激光发射元件所产生的激光束强度来弥补故障元件。

除了元件40的M乘N阵列，每个芯片具有额外的分别布置在阵列的各侧的两列，它们各自分别包含另一元件42。这些另一元件42在图3中用星来代表，以与主阵列元件40区分开。分别在每个阵列各侧的附加的激光元件可以定位在由透镜成像到成像表面上的勾画线之间的间隔的1/3距离处。另外的附加元件可以放在假想跨越了A_r/M距离的两个阵列之间的缝隙中，以使得在相邻阵列之间的间距误差校正方面实现更高的敏感度。

从图3和图5B可以看出，当被激活时，在由两阵列130a和130b的元件40分别勾画的两组均匀间隔的平行线44a和44b之间，这些元件42勾画有两条附加线46。

附加线46的其中一条与例如通过图3的阵列130a所勾画的最后一条相邻线44a相隔A_r/3M的距离，而另一条与例如通过阵列130b所勾画的第一条相邻线44b相隔A_r/3M的距离。如果两个阵列130a和130b之间错位，则除了激发主阵列的元件40或代替地激发主阵列的元件40的一些元件以外，可以激发元件42来弥补易于在打印图像中产生条纹的阵列130a和130b之间的任何错位，所述的条纹是由重叠产生的缝隙或黑线。类似于图5B的图5A示出了现有技术中提出的弥补芯片错位的替代方法。现有技术中，每个芯片具有附加的一行元件，该行元件产生与相邻芯片的勾画线相交错的勾画线，导致了非常高的冗余度。

而当前提案中在图3和图5B中示出的两个附件元件42勾画出分开的两条线46，如前面所述，这两个元件的能量可以在成像表面结合以形成单条线，通过对每个附加元件42发射能量的适当设定，所述单条线的位置是可控的。这在图6中示出，其中线44a和44b的能量曲线分别指定为94a和94b，并且附加线46的能量曲线指定为96a和96b。在图6中，曲线96a和96b(以虚线示出)都不具有使涂层颗粒发黏的足够能量，但是如实黑线96所示的两个阵列之间中心线处的累加能量，足以软化颗粒涂层并产生填充两个主阵列的勾画线44a和44b之间缝隙的勾画线。

当图6中的两个附加元件的能量曲线相匹配时，通过变换该附加激光源所发射的两光束的相对强度，可以将结合能量的中心线定位在距主阵列的勾画线不同的距离上。

图7A示出了如何应用产生不落到激光元件能量曲线中心线上的点的能力使其能够有利地实现反锯齿。图7A示出了主阵列四个相邻元件的能量曲线图。前两个曲线a和b被设定在一个所期望的能级上，如对应于中灰度的8(总数为16)。另一方面，能量曲线c和d被分别设定为如12和4。图7B显示了在成像表面产生的作为结果的点图形。可以看出，其包括与图7A的曲线a和b的对称线对齐的常规尺寸的两个点A和B、与能量曲线c的中心线对齐的大尺寸点C以及位于曲线c和d的中心线之间某地点的较小点D。

对角重复这种点图形的结果显示于图8A中。当将该图像与不采取反锯齿步骤的图8B相比较时，将看到的是，常规栅格线之间的小点产出了倾斜边沿，该倾斜边沿降低了锯齿状粗糙并产生了可与具有更大图像分辨率打印系统可实现的图像相当的图像。

来自附近激光元件能量的相互作用也可以用于弥补缺失的元件，其中产生相邻两个栅格线的元件可以用于以与前面所说明的同样的方式结合从而填充它们之间的缝隙。

对于图3中的阵列130a和130b，如上所述那样正确运行，它们在Y方向的相对位置是重要的。为了简化用于将发射的激光束聚焦在成像表面上的透镜系统的结构，有利的是采取图4所示的构造，其使对应于一对芯片行的两行透镜能够自行对准。

图4示出了分别显示为与各自透镜18对准的相邻的七个阵列130。尽管阵列130可以如前述那样包括附加激光元件42，但该元件在当前图中没有显示。每个透镜18被构造为GRIN(Gradient-Index，渐变折射率)柱，这是已知的透镜类型，形状为具有径向渐变折射率的圆柱体。在图4所示的几何图像的情况下，任意三个双向相邻的阵列130的相应元件位于等边三角形的顶点上，三个指定为标号50的这种三角形在附图中显示。将会注意到的是，所有的三角形50都是全等的(congruent)。因此，如果GRIN柱的直径现在选择为等于2×N×A_r，即等边三角形50的边长或同一行内相邻VCSEL芯片30的相应激光发射元件之间的距离，则当在其以最紧凑构造堆叠时，透镜18将自动与其各自的芯片正确对齐。

尽管透镜已经示意性的在图1(侧视图)和图4(横截面视图)中图示为单独的GRIN柱，在图9所示的可替换实施方式中，每个芯片的激光束可以被一系列透镜所传输。在图9的情况下，单个GRIN柱18被两个相互倾斜的GRIN柱18a和18b替换，并且来自一个透镜的光被高折射率玻璃的棱镜87导向另一个，以便于光能够沿着折叠的路径。这种构造能够使彩色打印系统中的涂覆站以更紧凑构造彼此靠近布置。这种折叠的光路径可以采用不同的构造，同时满足放大率和光传输的所有要求。为了使光路径以这种方式分开，选择GRIN柱的长度使得，如由图9所画出的光射线示出的，光一离开柱18a以及一进入柱18b时就对光进行准直。

由近端布置在离芯片距离WD_o处的GRIN柱18a所引导的辐射，可以被相应的GRIN柱18b采集，所述GRIN柱18b可以收集在相同光路径上从柱18a出现的已准直光并将其聚焦在离第二GRIN柱18b的远端距离WD_i处。当两个GRIN柱由相同径向渐变曲线的相同材料制成并且WD_o＝WD_i时，可以获得M＝+1的放大倍数。

远离GRIN柱18a的纵轴的激光元件将离开被准直的GRIN透镜的远端但与该轴成角度。在某些情况下，两柱18a和18b之间的距离有必要很大，使得偏离轴而准直的光束退出第一柱段以局部或全部错过第二段。可以利用斯涅耳定律(Snell’s law)并使退出第一柱的光束穿过高折射率的玻璃，从而导致准直光束与光轴的夹角减小，并使在离开第一柱的被准直光束在错过第二柱的入口之前能够在柱之间具有更大分隔。

在本公开的描述和权利要求中，每个动词“包括”“包含”“具有”以及其同源词用于表示，该动词的一个或多个宾语不一定是部件、组件、元件、步骤或动词的一个或多个主语的部分的完整列表。这些术语包含了术语“由……组成”以及“主要由……组成”。

如本文所使用的，除非上下文清楚另有表示，单数形式以及“所述”包括复数引用并指“至少一个”“一个或多个”。

位置或动作术语，诸如“上面”“下面”“右”“左”“底部”“之下”“降低的”“下”“顶部”“之上”“升高的”“高”“竖直”“水平”“向后”“向前”“上游”和“下游”，以及其语法变形，可以仅以示例性目的用于本文，从而图示出某些组件的相对定位、布置或位移，从而表示本图示中的第一和第二组件或实现这两方面。这样的术语不一定表示，例如“底部”组件在“顶部”组件之下，就方向本身而论，组件或两者都可以翻转、旋转、空间移动、对角方向或位置上放置、水平或竖直放置或类似变形。

除非另有声明，在选择用选项列表的最后两个部件之间使用表达“和/或”表示，选择所列选项的一个或多个是合适的且可以进行的。

在本公开中，除非另有声明，更改本技术实施方式的一个或多个特征的条件或关系特性的诸如“基本上”和“大约”的形容词被理解为指的是，条件和特性被定义为在适用于以应用为目的的实施方式的操作容差之内。

当本公开已经在某些实施方式和一般相关的方法上进行了描述时，对本领域技术人员而言该实施方式和方法的变化和排列将是显而易见的。本公开理解为不受本文所描述的特定实施方式的限制。

Claims

1.一种成像装置，该成像装置用于将单独可控的激光束投射到在基准X方向上相对于该成像装置可移动的成像表面上，所述成像装置包含多个半导体芯片，每个半导体芯片包括以M行和N列的二维阵列配置的多个单独受控的激光束发射元件，在每一行上的多个所述元件具有均匀间距A_r，并且每一列上的多个所述元件具有均匀的间距a_c，其中所述芯片以这样的方式安装在支架上，即在横向于X方向的基准Y方向上彼此相邻的每对芯片在X方向上彼此偏移，以及，当被持续激活时，所述每对的两个芯片所发射的激光束在成像表面上勾画在X方向延伸并且在Y方向上基本均匀间隔的一组平行线，其中将所述芯片在所述支架上设置成至少一对行，在该对或每对行内的芯片的对齐使得在X和Y方向上的三个相邻芯片的任意一组中相对应的元件置于全等等边三角形的各顶点上，并且其中所述成像装置进一步包括多个透镜系统，所述透镜系统分别用于将多个芯片的各芯片的所有激光元件的激光束聚焦到成像表面上而不变更激光束之间的间距，每个透镜系统包括至少一个渐变折射率GRIN柱，所述GRIN柱具有等于2×N×A_r的直径，即为同一行的相邻芯片中的相对应元件之间的距离，关联于不同芯片的不同透镜系统的相对应的GRIN柱以这样的方式设置在至少一对行的阵列中，即任意一对行的每一行中的GRIN柱的圆柱体表面彼此接触，并且此外每一行中每个透镜中的圆柱体表面接触另一行的两个相邻GRIN柱的圆柱体表面。

2.如权利要求1所述的成像装置，其中，每个透镜系统包括彼此串联设置的多个GRIN柱。

3.如权利要求2所述的成像装置，其中，每个透镜系统的GRIN柱彼此倾斜以形成折叠光路径，来自各个GRIN柱的光通过反射或折射元件被导向一系列的下一个GRIN柱。

4.如前述权利要求任一项所述的成像装置，其中，每个芯片具有相等数量的激光束发射元件的行和列。

5.如前述权利要求任一项所述的成像装置，其中，芯片上激光束发射元件之间的间距足以避免相邻元件之间的热干扰。

6.如前述权利要求任一项所述的成像装置，其中，所述支架被流体冷却。

7.如前述权利要求任一项所述的成像装置，其中，所述支架由刚性金属或陶瓷结构制成。

8.如权利要求7所述的成像装置，其中，所述支架的表面由电绝缘体形成或涂覆，薄膜导体在电绝缘表面上形成从而向芯片供应电信号和电力。

9.如前述权利要求任一项所述的成像装置，其中，芯片是垂直腔面发射激光VCSEL芯片阵列。

10.如前述权利要求的任一项所述的成像装置，其中除了阵列M行和N列的元件外，每个芯片包括设置在所述阵列的各侧的至少两个附加列，每个附加列包含至少一个可选择性操作的激光发射元件，该激光发射元件通过勾画在两组M×N线之间的至少一个附加线，能够在Y方向上弥补所述支架上的相邻芯片相对定位的任何错位。

11.如前述权利要求任一项所述的成像装置，其中，每个单独可控的激光束元件可以发射具有4以上能级或8以上能级或16以上能级或32以上能级的激光束。