CN1208199C

CN1208199C - 激光热转印机

Info

Publication number: CN1208199C
Application number: CN 02139129
Authority: CN
Inventors: 周功业; 黎书生
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: CN1415481A

Abstract

激光热转印机，属于热转印技术使用的装置，特别涉及使用固体激光器进行热转印的装置，其使用高精度振镜控制激光直接快速加热热转印物质达到转印目的。本发明包括激光器、光学扫描系统和纸传送机构，光学扫描系统由激光器出光光路依序置放的准直透镜、振镜、振镜出光方向的F-θ透镜组成，F-θ透镜和纸传送机构之间设置碳带传送机构，它包括碳带辊和收带辊。本发明转印速度快，精度高，无磨损，比激光打印机转印工序简单，误差小。

Description

激光热转印机

技术领域

本发明属于热转印技术所使用的装置，特别涉及使用固体激光器进行热转印的装置。

背景技术

热转印方法起源于1953年Miller提出的热敏纸印字原理。热转印方法通常有两种：热熔型和升华型。热熔型热转印的基本原理是将热敏油墨涂在涤纶基膜上，并与受像纸(如普通纸)叠在一起。当热印字头压在涤纶膜上加热时，热量传至涤纶膜背面使油墨熔化而转移到受像纸上。染料升华型热转印与热熔型热转印不同之处在于涂敷于基膜上的是一种称之为固态墨水的物质。固态墨水在受热印字头加热时升华至气态，从而附着于它紧贴的受像纸上，渗入到纸的毛细孔中，冷却成固体，完成热转印过程。

传统的热印字头和转印控制系统存在以下几个问题：

(1)转印精度、印字分辨率低。

传统热印字头中的微加热单元一般都采用S形发热电阻，每个电阻代表字库点阵中的一个点，电阻占的面积越小，点也越小，印字分辨率越高。由于制造工艺的限制，内部电阻占的面积和连接的导线的线宽都不能做得很小，使得印字分辨率只能达到16点/mm左右。

(2)耐磨性差

热印头工作时，它的耐磨层与色带——纸接触，并承受每平方厘米几百克的压力，即使增加了耐磨层，也易将印字头的表面和色带磨损。

(3)工作寿命短

热印头工作时需要将微加热单元--S形发热电阻加热至300℃高温，在防氧化层的保护下也可能同空气接触而被氧化；发热电阻丝很细，温度过高、加热时间过长极易烧毁发热层的电阻丝和引线；在印字过程中采用小块轮流加热-冷却-加热-冷却，热应力会使发热层逐渐遭到损坏；由于热印头同色带、纸直接接触，输纸时接触压力会磨损热印头。以上这些因素造成热印头的寿命较短。

(4)转印速度慢，清晰度较难控制

由于受热转印头的电源功率限制，行式热转印头的上千个微加热单元不能同时加热(否则功率过大，高达2kW)，只能分块加热；而对每一个微加热单元而言，都有发热和冷却两个阶段，在一定的脉冲宽度内，驱动电流将发热电阻加到预定的温度，进行热转印，印出一点后发热电阻应迅速冷却，散热后为下一点热转印做准备。这样反复轮流加热-冷却-加热的速度受材料本身性质和散热片限制，造成转印速度慢。并且加热温度不易精确控制，温度过低会使印出的点较淡，影响清晰度。

现在的激光打印机根据点阵控制信号使用激光扫描已在黑暗中充电的感光硒鼓，使未被曝光的部分不放电，形成“潜像”以吸附上碳粉，达到“显影”目的。当硒鼓上的字符信息区和背面带有反向静电电荷的普通纸接触时，硒鼓表面上的碳粉就会被吸附到纸上来，实现“转印”。最后还要将记录有信息的纸经过高温或高压区域，将碳粉熔化在纸上，达到“定影”效果。上述一系列过程包括清除残余碳粉、充电、曝光、显影等，工艺复杂，影响转印速度和成本。参见张江陵，季国钧等编著高等学校教材《电子计算机外部设备设计原理》，华中理工大学出版社1989年，第150页-227页。另外，激光打印机光学扫描系统采用多面旋转棱镜控制激光进行行扫描，存在半径差引起的非线性误差和各相对面不平行产生的塔型误差，会严重影响记录精度，给扫描器的制造、安装和控制带来很多困难。参见《EL-50型高速激光打印机光学扫描系统》，《西安工业学院学报》1996年第16卷第12期第308页。

发明内容

本发明提供一种激光热转印机，使用精度很高的振镜来精确控制激光进行点阵行扫描，通过合理配置热转印物质，用高能量的激光直接快速加热该热转印物质，使热转印物质按照点阵规格要求迅速熔化或升华在受像纸上，达到转印目的。

本发明的激光热转印机，包括激光器及其出光光路上的光学扫描系统和纸传送机构，其特征在于：

(1)光学扫描系统由激光器出光光路依序置放的准直透镜、振镜、振镜出光方向的F-θ透镜组成；

(2)所述F-θ透镜和纸传送机构之间设置碳带传送机构，它包括碳带辊和收带辊。

所述的激光热转印机，其进一步的特征在于所述激光器为激光二极管横向泵浦结构的固体激光器，所述振镜为动圈式结构的振镜。

所述的激光热转印机，碳带传送机构中碳带辊和收带辊之间可以设置互相紧靠的预热辊和压辊。

本发明在使用时，计算机输出的二进制字符编码信息，由接口控制器送到字形发生器，在点阵生成线路中形成相应的控制信号，其中脉宽控制信号用来启停激光器的开关电源，使激光器定时发出激光脉冲，激光束通过光学准直系统射到震动反射镜上，振镜在驱动信号的控制下精确偏转，定位反射激光束，反射的激光束被F-θ透镜会聚到到热转印物质碳带上，使碳粉加热熔化到受像纸上。

本发明的激光热转印机同以前的热转印头相比有以下优点：(1)转印速度快。以前的热转印头使用的微加热单元为电阻丝，轮流加热冷却，时间长；本发明利用电流控制激光二极管阵列泵浦，进而控制激光脉冲加热，需用时间短。(2)转印精度高。以前的热转印头使用的微加热单元--电阻丝受工艺限制不能做得很小，加热温度不好控制；而本发明使用的激光束产生的光斑直径很小，激光脉冲持续时间的长短容易控制，加热时间和加热温度较好掌握，另外振镜扫描系统具有线性性质，能快速精确定位加热点，使得转印精度和清晰度都好。(3)无磨损，使用寿命长。以往的热转印头使用的微加热单元--电阻丝在高温下易被氧化，加热冷却过程热应力也影响电阻寿命，并且转印头紧压着色带，转印接触时磨损严重。而本发明为非接触式，不存在磨损。

本发明的激光热转印机转印工序比当前激光打印机转印工序简单(去处了硒鼓和静电潜像部分)，光学扫描系统改用具有线性特性的振镜，误差小，精度高。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为二极管横向泵浦结构的激光器示意图；

图3为振镜的结构原理图；

图4为振镜扫描角与控制电流关系曲线；

图5为F-θ透镜的结构示意图；

图6为热转印物质碳带结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的激光热印机，其中激光二极管陈列泵浦的固体激光器1，输出功率为4W，输出波长为1.064μm的红外激光脉冲。激光脉冲光束经过准直透镜2变成准直光束射到振镜3上。使用焦距为5mm，直径为4mm的准直透镜，激光器和振镜距离准直透镜均为10mm，在振镜上得到直径为0.2mm的准直光束的光斑。振镜扫描系统采用先进的动圈式结构，以一定速度来回偏转，精确移动反射的激光束。F-θ透镜5主要技术参数为f′＝67.32mm，l′_k＝97.1354mm，扫描半角θ＝18°。F-θ透镜将准直激光束会聚为直径为0.1mm的光斑，在碳带上加热碳粉。从碳带辊12上输出的碳带被压辊13紧压在预热辊6上先预热到50℃，再同由纸辊11上传送来的印像纸8一起送到转印鼓10上。转印鼓作为主动轮，同步碳带和印像纸的运动。在这里，F-θ透镜会聚激光束，照射处的碳粉(在直径为0.1mm的圆点上，在0.1s内吸收0.25mJ的热量就可熔化，熔点为70℃)按照点阵要求熔化在印像纸8上，形成字迹，随后碳带和印像纸分开，已用过的碳带被收带辊7卷起，供回收利用；印有图案和字体的印像纸经出纸辊9送出，完成转印。

图2所示为使用的激光二极管泵浦的固体激光器LDPSSL采用横向泵浦Nd:YAG结构，其中14为激光二极管泵浦陈列、15为激光晶体、16为高反射率反射镜、17为输出耦合镜、18为输出激光。在这种结构中，LD泵浦光束垂直于激光棒的光束入射。LD代替常用的闪光灯，通过脉宽信号控制LD，进而确定激光脉冲时间的长短，其效率高而可靠。因为LD的发光波长处于泵浦最佳波段，系统的热耗散较小，输出波长为1.064μm输出功率为5W的LD泵浦Nd:YAG激光器可以不用水冷却。并且由于有较大面积可用来耦合泵浦光功率，因而提供了一种简单而可靠的提高LDPSSL输出功率的方法。另外，使用波长为近红外线的激光脉冲照射转印物质，热效应好。

使激光器的发光点位于准直透镜的焦面处，激光束经透镜透射后，变为准直光束，直径满足点阵精度的要求，照射到振镜的反射镜上。薄透镜的成像遵循高斯公式：1/s+1/c＝1/f，以物方焦面上一点为中心的入射同心光束，经透射后成为平行光束。

图3所示为振镜结构原理图，其中19为镜面，20为磁驱动器，21为位置传感器。

振镜相对于多面旋转轮镜来说有以下优点：振镜是单面的，并且绕反射面的中心轴旋转，不存在半径差和塔形误差，大大提高了扫描精度，并且振镜扫描重复性较好，成行性好，速度快。当无输入信号时，光束处于平衡位置，只有一个光点。当加上输入信号时，光束来回偏转形成带状点阵。设两端与平衡位置的距离分别表示为X_-和X+，总的偏转距离为X＝X_-+X+。设光学臂的长度(热转印物质碳带和反射镜之间的距离)为D，则半光束的偏转角θ/2(即为机械偏转角)

偏转距离X由偏转角和光学臂的长度D共同决定，很容易扩展。选用动圈式结构的振镜，转子的电感L小，时间常数T＝L/R很小，振镜的速度快；同时由于定子和转子之间无磁滞效应，偏转角较大，使得振镜的精度很高；当工作频率一定，扫描角与控制电流呈线性关系，曲线见图4

在光学扫描系统中，振镜扫描器以等角速度来回旋转，扫描光束经透镜会聚后其焦点轨迹是一条直线。如果不采用F-θ透镜，其扫描长度为L＝2f′tanθ。这里f′为透镜的焦距，θ为扫描半角，由于式中θ和L之间不存在线性关系，必然会导致扫描失真和打印失真。因此，必须用F-θ透镜来校正扫描和打印失真，即将振镜产生的等角速度移动转变成等线速度移动。此时L和θ之间便存在线性关系：L＝2f′θ。F-θ透镜的结构如图5所示。该F-θ透镜有如下特点：前面的柱透镜使扫描面上的光斑尺寸在纵向大大减小，从而可使振镜的厚度变得很薄，减小了对振镜动平衡的要求；扫描面上的光斑在子午方向上被后面的透镜作为物成像在碳带上，因此，减小了对振镜反射平面的要求；可以调节照射到碳带上的光斑直径大小。

图6所示热转印物质碳带分为三层：上层为透明薄膜22，很容易让红外线激光脉冲透射通过，又可阻挡从下层反射回来的光，产生“温室”效应，快速加热熔化下层物质。中层为释放层23，熔点略低于下层的碳粉24，在红外激光脉冲的照射下是迅速熔化为液体，使碳粉脱离碳带。下层为易熔碳粉(在直径为0.1mm的圆点上，在0.1s内吸收0.25mJ的热量就可熔化，熔点为70℃)。由于碳带经过提前预热，有高能量红外激光脉冲25加热的光点处的碳粉就会按照点阵要求立即熔化在印象纸8上，最终实现转印。

Claims

1、一种激光热转印机，包括激光器及其出光光路上的光学扫描系统和纸传送机构，其特征在于：

(2)所述F-θ透镜和纸传送机构之间设置碳带传送机构，它包括碳带辊和收带辊，碳带辊和收带辊之间设置互相紧靠的预热辊和压辊；

(3)所述激光器为激光二极管横向泵浦结构的固体激光器，所述振镜为动圈式结构的振镜。