CN1794101B - 二维激光打印机编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种打印机，其包括光学编码器，该光学编码器能精确表现在X和Y方向中纸的实际运动。光学编码器使用相干或准相干照明源。探测器可用来捕获由从打印介质反射的反射光产生的图像。

Description

二维激光打印机编码器
技术领域
本发明涉及二维激光打印机编码器。
背景技术
喷墨打印机在喷墨头(inkjet pen)每打印条带(swath)之后前进纸。理想情况下，纸前进刚好是匹配从一个打印条带到下一个打印条带的喷嘴图案(nozzle pattern)所需要的量。这样，所打印出的图像就象一枝连续的笔绘就，具有较高的图像质量。然而，如果纸前进的太多或太少，即使喷嘴分组稍稍不连续，对于人眼来说也非常明显。纸前进太长导致在其他连续打印中形成高对比度的白色空隙。而纸前进太短，如果喷嘴打印重叠，则显示为黑色带。在任一情形中，一直太长或太短的纸前进误差加起来就扭曲了打印的图像，例如，打印的圆可能显示为稍稍椭圆形。另外，纸可能侧向移动，导致文本不再同线，或者文本具有不正确的字距调整。
使用耦合到驱动马达或滚轴(roller)的转轴编码器(shaft encoder)的喷墨打印机倾向于如上所述的条带前进误差。转轴编码器可以给予转轴/滚轴的旋转精确的反馈，但是并不必然对应于纸的精确运动。如果驱动滚轴具有大于标称值的直径，则该滚轴前进纸速度将比期望的快。如果驱动滚轴具有小于标称值的直径，则对于相同数量的角转动，该滚轴将给予比期望小的前进。另外，如果中间驱动滚轴或者齿轮围绕具有偏心误差的中心旋转时，则它们可能给予纸前进时大时小变化的条带误差。转轴编码器的另一个限制在于它们只能跟踪一维运动。使用转轴编码器不可能探测出打印介质的侧向运动。
美国专利5,149,980描述了一种在1990年代早期由惠普开发的光学编码器，其使用发光二极管(LED)光源来以倾斜角度照明打印介质。LED光倾斜照明在具有较粗糙表面形状的表面上产生加亮和阴影。图像传感器用来捕捉打印介质上的阴影图像，并且使用基于相关性的算法来确定纸和编码器之间的相对运动。已经显示出，这类光学编码器可以提供高精度的纸运动反馈；已测出的条带前进精确到1微米每条带。还已经证明了使用这种方法对打印介质进行2D运动编码的能力。
然而，基于倾斜LED的光学编码器的可用性受限于具有较大表面粗糙度的介质类型，例如，白色文件纸。具有非常光滑表面的打印介质可产生的阴影图像对于图像相关性算法来说对比度太低，以至于无法工作。已经发现基于倾斜LED的光学编码器在光滑照片纸和透明薄膜上无法工作。
发明内容
本发明公开了一种运动编码器，其精确地测量打印纸在笛卡儿坐标系的X和Y方向中的实际运动。光学编码器使用相干或准相干(quasi-coherent)照明源。阵列传感器可以用来捕获由从打印介质反射的反射光产生的表面图像、光斑图案或者衍射图像。
在一种实施方式中，探测到衍射图像。该衍射图案的对比度与光源的相干度相关，并且其独立于表面的类型。
附图说明
图1示出了本发明的实施方式。
图2A-C示出了本发明的打印纸传送组件。
图3示出了本发明的一种实施方式。
图4示出了本发明的一种实施方式。
图5示出了本发明的一种实施方式。
图6示出了本发明的一种实施方式。
具体实施方式
本发明是一种打印机，其包括用于跟踪打印介质运动的二维(2D)光学编码器。相干光源或准相干光源(例如，诸如激光二极管或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)之类的激光器、发光二极管(LED)或者宽带光源和光学滤波器的组合)照明打印介质的表面。在反射光线的预选角度的分量被探测器捕获时使用表面探测技术。例如阵列探测器的探测器优选被定位来捕获来自表面的图像。该图像可以直接对应于表面，或者是表面信息的派生信息，例如，从打印介质反射的光线产生的光斑图案或者衍射图像。
在一种实施方式中，这些图像是从如图1所示的反射光线的镜像方向获得的。镜像反射一般提供了比阴影图案图像方法更好的信号。这种配置允许即使在非常光滑的表面上也能获得高对比度的图像。另外，对于Lambertian表面，仍能保持图像质量，这是因为光线仍被散射到镜像方向中。镜像反射图像取决于照明源，例如，镜像反射图像的对比度随照明源的带宽下降而增加，因此，基于激光的照明提供了最高的对比度。该技术在2003年10月6日提交的美国申请号为10/680525的题为“Method andDevice for Optical Navigation”的专利(已转让给了Agilent Technologies)中由Xie等作了更详细地描述。
图2A-C示出了使用本发明的编码器11的纸传送组件10。在图2A中，使用了VCSEL光源12。可选的成像光学元件14和图像传感器16(例如，2D探测器阵列)被沿反射光的镜像方向定位。这种配置能有效地收集反射光。成像光学元件16被设计成在2D探测器16上形成打印表面的图像、或者光斑图案图像或衍射图像。通过在图像传感器16之前设置可选的成像凸镜18，该图像可以进一步被精细化。图像处理器(未示出)使用诸如图像相关的已知技术来确定纸的位置和其运动特性，例如速度。其结果可以是绝对位置，或者是相对于纸传送组件中的已知基准的位置。探测出的位置信息被反馈回图像处理器，用于闭环控制并补偿纸/打印头的误差。
图2B示出了可以集成为打印头(未示出)的一部分的基于激光的运动编码器11。图2C示出了作为独立的编码器单元附接到打印机底座(未示出)上的固定位置的基于激光的运动编码器11。
如图2A-C所示，基于激光的编码器11包括相干光源12(例如，诸如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的激光器)和探测器16(例如，CMOS图像阵列)。相干光源12用与表面成照明角度的光束照明打印介质。探测器16被定位成与表面成反射角，其可操作来接收来自表面的光束的反射部分，其中反射角基本等于照明角。
当探测出的图案是光斑时，图3示出了本发明的编码器的操作。激光器被定位成接近表面。反射光入射到探测器上。入射角没必要等于反射角。光圈24可以定位在光收集路径上，来获得其统计空间分布具有预选平均大小的光斑图案。
当探测出的图案是衍射图案时，图4示出了使用可选的准直透镜和成像透镜的编码器11。可选的光圈24定位在光收集路径中。在本实施方式中，孔径24改善了图像对比度。在这种成像配置中，成像透镜18被如此定位，以使得打印表面的图像被形成在探测器上。
图5示出了使用可选的准直透镜和成像透镜14、18的替换编码器11。该编码器类似于图4中的编码器探测衍射图案。可选的光圈24定位在光收集路径中。成像光学元件18被设计成将在空间中与打印介质不一致的平面成像到图像传感器16上。换言之，编码器的成像路径与打印表面散焦(defocus)。该散焦的配置有助于过滤掉打印表面上的任何单向或者重复图案。
图4和图5允许不同的表面的探测。使用这些编码器之一的打印机对纸厚和垂直于进纸方向的纸运动不敏感，这是因为在较大的景深中具有相对不变的空间分辨率。另外，打印机制造公差也可以放宽。应用激光导航技术的打印机允许打印介质的纯(direct)2D运动跟踪。新的方法对表面类型不敏感，并且在较大的景深(DOF)中提供了不变的空间分辨率。
图6示出了本发明的激光打印机30。包括有视频模块34的视频控制器32被连接到控制引擎36和激光器38。固定单元40双向连接到控制引擎36。控制引擎36连接到墨盒(toner cartridge)42和介质传送组件10，例如，纸传送组件。
可替换地，激光运动编码器116也可以用作喷墨打印机中。喷墨打印机包括在介质上打印的打印头。打印头被布置在打印区域处，用于在打印操作期间以受控的方式将墨滴喷射到介质的表面上。打印介质的输入供应部分被布置在主介质路径的输入端。该路径引导来自输入供应部分的介质，并且通过打印区域。激光编码器被定位成接近主介质路径，生成代表打印介质位置的信号。喷墨打印机还包括第一装置和第二装置，第一装置用于使一页介质从输入供应部分前进到主介质路径的输入端，第二装置用于使来自主路径上游的介质从打印区域通过主进纸路径前进到该介质相对于打印头的位置。
前述实施方式都生成图像序列，这些图像序列由控制引擎分析来确定介质的位置。介质位置的快照可以被与期望的路径比较。期望的路径对于提供最优打印质量是已知的。其由包括纸的运动和打印机构运动的参数确定。在闭环反馈控制下，控制引擎可以调整传送组件或打印机构以符合期望的路径。另外，控制引擎可以确定纸的速度来探测纸堵塞情况。

Claims (12)

1.一种打印机，包括：
接收打印介质的介质传送组件，包括定位得接近所述打印介质的二维光学编码器，其生成表示所述打印介质位置的信号；和
打印控制引擎，其接收所述信号并生成响应；
所述介质传送组件接收所述响应，
其中，所述二维光学编码器包括：
光源，用于用光束照明所述打印介质，所述光源是相干光源和准相干光源中的一种，所述光束与所述打印介质的表面成入射角；
探测器，其可操作来接收与来自所述表面的所述光束的反射部分相对应的衍射图案，所述探测器被定位得与所述表面成反射角；以及
成像光学元件，其将在空间中与所述打印介质不一致的平面成像在所述探测器上。
2.如权利要求1所述的打印机，其中所述光源是相干光源，所述相干光源是从包括激光二极管和垂直腔表面发射激光器的组中选出的。
3.如权利要求1所述的打印机，其中所述光源是准相干光源，所述准相干光源是从包括发光二极管和具有光学滤波器的宽带光源的组中选出的。
4.如权利要求1所述的打印机，其中所述探测器是CMOS成像器件。
5.如权利要求1所述的打印机，其中所述入射角基本等于所述反射角。
6.如权利要求1所述的打印机，其中，所述成像光学元件包括透镜。
7.一种用于确定介质位置的方法，包括：
在打印机中移动介质；
应用朝向所述介质表面的光源，所述光源是相干光源和准相干光源中的一种；
用成像光学元件将在空间中与所述介质不一致的平面成像在探测器上；
用所述探测器探测所成像的衍射图案；和
分析所述衍射图案来确定所述介质的实际位置。
8.如权利要求7所述的方法，其中：
所述分析包括比较所述介质的位置和用于提供最优打印质量的期望介质路径；并且
根据所述比较调整打印机构。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述光源是相干光源，所述相干光源是从包括激光二极管和垂直腔表面发射激光器的组中选出的。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述光源是准相干光源，所述准相干光源是从包括发光二极管和具有光学滤波器的宽带光源的组中选出的。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述探测器是CMOS图像阵列。
12.如权利要求7所述的方法，其中，所述成像光学元件包括透镜。
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