DE10021041A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laserstrahlgravieren von Druckformen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserstrahlgravieren einer Druckform. Indem man mehrere voneinander getrennte Lichtbündel (16) erzeugt, jedes Lichtbündel jeweils eine in mehreren Raumrichtungen schwenkbare Linse (10) durchlaufen lässt und alle aus den schwenkbaren Linsen austretenden Lichtbündel eine Sammellinse (4) durchlaufen lässt, die alle Lichtbündel gemeinsam auf der Oberfläche der Druckform (2) fokussiert, kann man die Gestalt des von allen Lichtbündeln gemeinsam erzeugten Brennflecks einstellen, indem man jede schwenkbare Linse um entsprechende kleine Winkel schwenkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserstrahlgravie­ ren von Druckformen.

Im Stand der Technik bekannte Graviersysteme zur direkten Gravur von Tief­ druckformen arbeiten entweder mit einem Diamantstichel, einem Elektronen­ strahl oder einem Laserstrahl, um Konturnäpfchen, die jeweils einen Raster­ punkt bilden, aus dem Druckformmaterial herauszuarbeiten.

Aus dem US-Patent Nr. 5,416,298 ist ein Lasergraviergerät bekannt, bei dem man einen einzelnen Laserstrahl durch einen akustooptischen Modulator (AOM oder akustooptische Bragg-Zelle) leitet und dann durch eine Linse auf der Oberfläche einer rotierenden zylindrischen Druckform fokussiert. Der AOM er­ möglicht selektives Ein- und Ausschalten des Strahls sowie eine Mitführbewe­ gung des Strahls während der Schusszeit.

Bei diesem und anderen bekannten Laserstrahl-Graviersystemen kann man die Näpfchengröße über die Schusszeit bzw. die Lichtleistung steuern, indem man ausnutzt, dass der Durchmesser eines auf der Druckform erzeugten Leucht­ flecks indirekt von der empfangenen Lichtleistung abhängt. Eine Änderung der Lichtleistung beeinflusst jedoch in erster Linie die Strahlintensität im Strahlzen­ trum und damit die Tiefe des Näpfchens und erst in zweiter Linie dessen Größe. Daher lässt sich die Größe der Näpfchen nur in begrenztem Umfang über die Schusszeit bzw. Lichtleistung steuern. Außerdem ist die Form der Näpfchen im wesentlichen unveränderlich, da sie durch das Strahlprofil des verwendeten La­ serstrahls vorgegeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Laserstrahlgravieren die Tiefe, die Größe und die Form jedes Näpfchens variabler einstellen zu können.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum Laserstrahlgravieren einer Druckform erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mehrere Laserlichtquellen vorgesehen sind, die mehrere voneinander getrennte Lichtbündel erzeugen, dass im Lichtweg jedes Lichtbündels jeweils eine schwenkbare Linse angeord­ net ist, die mit Hilfe von Aktuatoren in mehreren Raumrichtungen um kleine Winkel schwenkbar ist, und dass im Lichtweg aller Lichtbündel, die aus den schwenkbaren Linsen austreten, eine Sammellinse angeordnet ist, die alle Lichtbündel gemeinsam auf der Oberfläche der Druckform fokussiert.

Indem man bei der Vorrichtung und dem Verfahren der Erfindung mehrere ge­ trennte Lichtbündel erzeugt, jedes Lichtbündel eine der schwenkbaren Linsen durchlaufen lässt und alle aus den schwenkbaren Linsen austretenden Licht­ bündel die gemeinsame Sammellinse durchlaufen lässt, kann man die Gestalt des von allen Lichtbündeln gemeinsam erzeugten Brennflecks einstellen, indem man jede schwenkbare Linse um entsprechende kleine Winkel schwenkt.

Einen möglichst kleinen Brennfleck erzeugt man, indem man die schwenkbaren Linsen so schwenkt, dass die Brennflecken aller Lichtbündel auf der Oberfläche der Druckform zusammenfallen. Einen größeren Brennfleck erzeugt man, indem man die Linsen so schwenkt, dass die Brennflecken einiger oder aller Lichtbün­ del auf der Oberfläche der Druckform gegeneinander versetzt sind. Durch die Anordnung der Brennflecken kann man in gewissen Grenzen auch die Form des erzeugten Näpfchens beeinflussen, und zwar sowohl sein Tiefenprofil als auch die Gestalt seines Umrisses auf der Druckform.

Zusätzlich kann man durch geeignetes Schwenken der Linsen während des Gravierens eines Näpfchens eine Mitführbewegung der Brennflecken mit einer rotierenden zylindrischen Druckform erzeugen. Nach Beendigung der Gravur eines Näpfchens werden die Linsen wieder zurück geschwenkt.

Die Gestalt jedes Näpfchens, nämlich seine maximale Tiefe, seinen maximalen Durchmesser, sein Tiefenprofil und seine Umrissform, kann man weiterhin da­ durch variieren, dass man beim Gravieren einzelne Lichtbündel selektiv ein- bzw. ausschaltet. Bei einer entsprechenden Anzahl von Laserlichtquellen kann man auf diese Weise kleinere und feinstufigere Lichtleistungen erzeugen als es durch Leistungssteuerung eines einzelnen Lasers möglich wäre.

Zum Ein- und Ausschalten der Lichtbündel kann man AOMs verwenden, und zwar nicht nur bei Dauerstrichlasern, sondern auch bei Impulslasern, deren Schusszeiten häufig nicht so exakt steuerbar sind wie für Laserstrahlgravur er­ forderlich. Bei Verwendung von AOMs besteht durch Einstellung der Schuss­ zeiten der einzelnen Lichtbündel noch eine weitere Möglichkeit zur Beeinflus­ sung der Gestalt jedes Näpfchens.

Verwendet man AOMs oder dergleichen im Lichtweg jedes Lichtbündels, wer­ den diese in einer Ausführungsform der Erfindung dazu verwendet, die Mitführ­ bewegung mit einer rotierenden zylindrischen Druckform zu erzeugen, während die schwenkbaren Linsen, gegebenenfalls in Verbindung mit der Schusszeit, zur Einstellung der Gestalt jedes Näpfchens verwendet werden. Die Aufteilung der Mitführbewegung auf die AOMs und der übrigen Bewegungen auf die schwenk­ baren Linsen vereinfacht die Steuerung dieser Bewegungen.

Anstelle von AOMs kann man auch andere geeignete optische Modulatoren verwenden, etwa solche, die nach elektrooptischen Prinzipien arbeiten.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Aktuatoren piezoelektrische Aktuatoren, je nach dem zu erzeugenden Hub als einzelne Piezokristalle oder als Stapel von Piezokristallen. Alternativ kann man auch andere Aktuatoren zur Erzeugung von schnellen Schwenkbewegungen verwenden, etwa elektro­ statische Aktuatoren.

Vorzugsweise ist jede schwenkbare Linse an vier Aktuatoren aufgehängt, die in Winkelabständen von 90 Grad entlang eines Kreises um die optische Achse der schwenkbaren Linse angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht erstens ei­ nen maximalen Hub, und zweitens erfolgen die Schwenkbewegungen unabhän­ gig voneinander, da in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen, so dass sie leichter berechenbar sind. Wenn man auf diese Vorteile verzichtet, kommt man aber auch mit weniger Aktuatoren aus, zum Beispiel nur zwei Aktuatoren.

Aus geometrischen Gründen bevorzugt man eine Anordnung der schwenkbaren Linsen entlang eines Kreises um eine optische Achse der Sammellinse herum, wobei der Durchmesser des Kreises kleiner als der Durchmesser der Sammel­ linse ist und wobei die optischen Achsen der schwenkbaren Linsen und die op­ tische Achse der Sammellinse im wesentlichen parallel zueinander sind. Das heißt, falls vier schwenkbare Linsen vorgesehen sind, wie in einer Ausfüh­ rungsform bevorzugt, sind diese in Winkelabständen von 90 Grad entlang eines Kreises um die optische Achse der Sammellinse angeordnet.

Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Lasergraviergerätes mit mehreren getrennten Lichtbündeln, die auf einer Druckform vereinigt werden, und

Fig. 2a bis 2c Skizzen zur Erläuterung einiger Möglichkeiten, die Lichtbündel auf der Druckform zu vereinigen, um unterschiedlich gestaltete Brennflecken zu er­ zeugen.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine rotierende zylindrische Druckform 2. Eine Sam­ mellinse 4 ist in einem solchen Abstand von der Druckform 2 angeordnet, dass sie Licht, das parallel zur optischen Achse 6 der Sammellinse 4 einfällt, in einem Brennpunkt 8 auf der Oberfläche der Druckform 2 fokussiert. Parallel zur opti­ schen Achse 6 der Sammellinse 4 und in einem Abstand davon, der etwas klei­ ner als der Radius der Sammellinse 4 ist, sind in vier Gruppen jeweils eine Linse 10, ein AOM 12 und ein Laser 14 in einer Reihe angeordnet. In Fig. 1 sind je­ weils nur zwei dieser Komponenten eingezeichnet, die in Bezug auf die optische Achse 6 der Sammellinse 4 einander gegenüberliegen. Die jeweils anderen Komponenten sind senkrecht dazu angeordnet, so dass die vier Linsen 10, vier AOMs 12 und vier Laser 14 jeweils in Winkelabständen von 90 Grad entlang ei­ nes Kreises um die optische Achse 6 der Sammellinse 4 angeordnet sind.

Jeweils ein AOM 12 und ein Laser 14 liegen auf der optischen Achse einer Lin­ se 10, so dass die von den Lasern 14 erzeugten Lichtbündel, die mit gestri­ chelten Linien 16 umrissen sind, nacheinander ein AOM 12, eine Linse 10 und die Sammellinse 4 durchlaufen, um gemeinsam im Brennpunkt 8 fokussiert zu werden.

Die Linsen 10 können Sammellinsen sein, wie eingezeichnet, deren Konvexität in der schematischen Darstellung jedoch übertrieben gezeichnet ist und nicht der gezeichneten Strahlbrechung entspricht. Alternativ können die Linsen 10 Zerstreuungslinsen sein, falls die Brennweite der Sammellinse 4 entsprechend kleiner ist.

Jeder Linse 10 ist an ihrem Rand mit vier piezoelektrischen Aktuatoren 18 ver­ bunden. Die piezoelektrischen Aktuatoren 18 sind jeweils gerätefest verbunden, wie durch Schraffuren dargestellt. Die vier piezoelektrischen Aktuatoren 18 jeder Linse 10 sind jeweils in Winkelabständen von 90 Grad entlang eines Kreises um die optische Achse 6 der Linse 10 angeordnet, weshalb in der Schnittansicht von Fig. 2 nur zwei Aktuatoren 18 pro Linse 10 sichtbar sind. Bei vier Linsen 10 gibt es somit insgesamt sechzehn piezoelektrische Aktuatoren 18.

Im Ausführungsbeispiel sind alle Komponenten so justiert, dass die Lichtbündel 16 deckungsgleich im Brennpunkt 8 fokussiert werden, wenn keine elektrischen Spannungen an den piezoelektrischen Aktuatoren 18 anliegen.

Im Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Lasergraviergerätes dreht sich die Druckform 2 langsam, während die AOMs 12 so gesteuert werden, dass jeweils für eine kurze Zeit Licht auf den Brennpunkt 8 fällt, wodurch ein einzelnes Näpfchen auf der Druckform 2 graviert wird.

Werden elektrische Spannungen an die piezoelektrischen Aktuatoren 18 ange­ legt, so ändern diese ihre Länge in Richtung der optischen Achsen der Linsen 10, wodurch die Linsen 10 um sehr kleine Winkel im Raum geschwenkt werden können. Und zwar werden jeweils zwei piezoelektrische Aktuatoren 18, die in Bezug auf die optische Achse einer Linse 10 einander gegenüberliegen, mit entgegengesetzten Spannungen angesteuert, um diese Linse 10 kleine Schwenkbewegungen um eine oder beide von zwei Achsen vollführen zu las­ sen, die senkrecht zueinander und außerdem senkrecht zur optischen Achse der Linse 10 sind, nämlich die Achsen 20 und 22, wie eingezeichnet.

Wird eine Linse 10 geschwenkt, so verschiebt sich die Stelle auf der Druckform 2, an der das Lichtbündel 16 aus dieser Linse 10 fokussiert wird. Durch geeig­ nete Ansteuerung der piezoelektrischen Aktuatoren 18 aller Linsen 10 kann man die vier Lichtbündel 16 gegeneinander versetzt auf der Oberfläche der Druckform 2 fokussieren, um unterschiedlich gestaltete Brennflecken zu erzeu­ gen. Solche unterschiedlichen Brennflecken zeigen Fig. 2a bis 2c, die je­ weils eine Draufsicht auf einen Brennfleck auf der Druckform 2 und darunter das entsprechende Tiefenprofil zeigen, das sich ergibt, wenn die Lichtleistungen und Schusszeiten der einzelnen Laser 14 jeweils gleich sind.

Der in Fig. 2a erzeugte Brennfleck wird erzeugt, indem nur einer der Laser 14 eingeschaltet wird, während die anderen Laser 14 ausgeschaltet sind.

Für den Brennfleck in Fig. 2b werden alle vier Laser 14 eingeschaltet, jedoch werden keine Steuerspannungen an die piezoelektrischen Aktuatoren 18 ange­ legt, so dass ein Brennfleck mit nur wenig größerem Durchmesser, jedoch bei­ nahe vier mal größerer Tiefe als in Fig. 2a entsteht.

In Fig. 2c werden alle vier Laser 14 eingeschaltet und werden die piezoelektri­ schen Aktuatoren 18 so angesteuert, dass die Linsen 10 so geschwenkt wer­ den, dass die von den einzelnen Lichtbündeln 16 erzeugten Teilbrennflecken gegeneinander versetzt sind. In dem Beispiel von Fig. 2c ist ein erster Teil­ brennfleck um einen halben Brennfleckradius nach oben versetzt, ist ein zweiter Teilbrennfleck um einen halben Brennfleckradius nach rechts versetzt, ist ein dritter Teilbrennfleck um einen halben Brennfleckradius nach unten versetzt und ist ein vierter Teilbrennfleck um einen halben Brennfleckradius nach links ver­ setzt, jeweils in Bezug auf die Mitte des bei inaktiven Aktuatoren 18 erzeugten Brennflecks. Durch die sich überlappenden Teil-Brennflecken hat der resultie­ rende Gesamt-Brennfleck ein breiteres und flacheres Tiefenprofil als in Fig. 2b. Aufgrund von stets vorhandenen Unschärfen und Beugungserscheinungen weist das Tiefenprofil keine abrupten Sprünge auf, sondern ändert sich mehr oder weniger stetig, so dass zum Beispiel das eingezeichnete ungefähr halb­ runde Tiefenprofil entsteht.

Die in Fig. 2a bis 2c erhaltenen Umrissformen und Tiefenprofile sind natür­ lich nur einige Beispiele für eine Vielzahl von Brennfleckgestaltungen, die man durch selektives Einschalten der Laser 14 und selektives Schwenken der Linsen 10 herstellen kann. Um die Brennflecken auf der Druckform 2 noch variabler gestalten zu können, kann man mehr als vier Laser 14, AOMs 12 und Linsen 10 verwenden und zum Beispiel entlang eines Kreises um eine optische Achse der Sammellinse 4 herum anordnen.

Wie erwähnt, rotiert die zylindrische Druckform 2 während der Gravur z. B. in der eingezeichneten Pfeilrichtung um ihre Achse. Damit die erzeugten Näpfchen durch die Bewegung der Druckform 2 während der Gravur nicht elliptisch ver­ formt werden, muss man die von den Lichtbündeln 16 erzeugten Brennflecken während der Gravur nachführen.

Dies kann ebenfalls durch geeignete Ansteuerung der piezoelektrischen Aktua­ toren 18 erfolgen. In dem Beispiel von Fig. 1 würde man alle Linsen 10 mit einer passenden konstanten Geschwindigkeit entgegen dem Uhrzeigersinn um die Achsen 22 schwenken, während ein Näpfchen graviert wird, und nach Beendi­ gung der Gravur dieses Näpfchens schwenkt man die Linsen 10 wieder zurück.

Alternativ kann man die Linsen 10 während der Gravur eines Näpfchens unbe­ wegt lassen und die Mitführbewegung der Brennflecken mit der sich bewegenden Oberfläche der Druckform 2 auf bekannte Weise mit Hilfe der AOMs 12 er­ zeugen.

Die beschriebene Erzeugung von Konturnäpfchen mit sehr verschiedener Ge­ stalt auf der Druckform 2 ermöglicht es, die Reproduktionsqualität deutlich zu erhöhen, ohne den Rasterabstand entsprechend verkleinern zu müssen. Bei­ spielsweise kann man Zwischenräume zwischen größeren Rasterpunkten mit kleinen Rasterpunkten auffüllen, um die Konturenschärfe und/oder die Flächen­ schwärzung zu verbessern.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Laserstrahlgravieren einer Druckform, dadurch gekennzeich­ net, dass mehrere Laserlichtquellen (14) vorgesehen sind, die mehrere von­ einander getrennte Lichtbündel (16) erzeugen, dass im Lichtweg jedes Licht­ bündels jeweils eine schwenkbare Linse (10) angeordnet ist, die mit Hilfe von Aktuatoren (18) in mehreren Raumrichtungen um kleine Winkel schwenkbar ist, und dass im Lichtweg aller Lichtbündel, die aus den schwenkbaren Linsen austreten, eine Sammellinse (4) angeordnet ist, die alle Lichtbündel gemein­ sam auf der Oberfläche der Druckform (2) fokussiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtweg je­ des Lichtbündels (16) ein optischer Modulator (12) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren piezoelektrische Aktuatoren (18) sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass jede schwenkbare Linse (10) an vier Aktuatoren (18) aufge­ hängt ist, die in Winkelabständen von 90 Grad entlang eines Kreises um die optische Achse der schwenkbaren Linse angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die schwenkbaren Linsen (10) entlang eines Kreises um eine optische Achse (6) der Sammellinse (4) angeordnet sind, wobei der Durch­ messer des Kreises kleiner als der Durchmesser der Sammellinse ist und wo­ bei die optischen Achsen der schwenkbaren Linsen und die optische Achse der Sammellinse im wesentlichen parallel zueinander sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass vier schwenkba­ re Linsen (10) vorgesehen sind, die in Winkelabständen von 90 Grad entlang eines Kreises um die optische Achse (6) der Sammellinse (4) angeordnet sind.

7. Verfahren zum Laserstrahlgravieren einer Druckform, dadurch gekennzeich­ net, dass man mehrere voneinander getrennte Lichtbündel (16) erzeugt, jedes Lichtbündel jeweils eine in mehreren Raumrichtungen schwenkbare Linse (10) durchlaufen lässt, alle aus den schwenkbaren Linsen austretenden Lichtbün­ del eine Sammellinse (4) durchlaufen lässt, die alle Lichtbündel gemeinsam auf der Oberfläche der Druckform (2) fokussiert, und die Gestalt des von allen Lichtbündeln gemeinsam erzeugten Brennflecks einstellt, indem man jede schwenkbare Linse um entsprechende kleine Winkel schwenkt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Mitführ­ bewegung der Brennflecken mit einer rotierenden zylindrischen Druckform (2) erzeugt, indem man die schwenkbaren Linsen (10) während des Gravierens eines Näpfchens gemeinsam um entsprechende kleine Winkel schwenkt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Mitführ­ bewegung der Brennflecken mit einer rotierenden zylindrischen Druckform (2) mit Hilfe von optischen Modulatoren (12) erzeugt, durch die man die Lichtbün­ del (16) laufen lässt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man eine gewünschte Lichtleistung erzeugt, indem man einzelne Lichtbündel (16) selektiv ein- bzw. ausschaltet.