DE19728201A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines Lichtstrahls in einer Abbildungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Lichtstrahls in einer Abbildungsvorrichtung nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Lichtstrahls nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 6.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Lichtstrahls und im besonderen auf eine Vor­ richtung, die eine Laserdiode zum Erzeugen eines Abbildungs­ lichtstrahls verwendet.

Es sind Abbildungsvorrichtungen sowohl mit ebener Bildauflage als auch mit Innentrommel bekannt. Diese Abbildungsvorrich­ tungen werden sowohl im Bereich der grafischen Künste als auch bei der Herstellung gedruckter Schaltungen verwendet. Eine Abbildungsvorrichtung mit ebener Bildauflage beschreibt beispielsweise die US-PS 4,851,656, bei der der Aufzeich­ nungsträger auf einer ebenen Oberfläche gehalten wird. An ei­ nem verfahrbaren Portal ist ein optisch arbeitender Belich­ tungskopf angeordnet, der während des Belichtens eines Auf­ zeichnungsträgers mit einer rasterförmigen Bewegung über die­ sen geführt wird. Die Abbildungsvorrichtung mit Innentrommel verwendet einen zylinderförmigen Oberflächenabschnitt einer Trommel zum Halten des Aufzeichnungsträgers. Ein Lichtstrahl­ generator emittiert einen Lichtstrahl auf einen sich drehen­ den Spiegel, der seinerseits den Lichtstrahl auf den Auf­ zeichnungsträger reflektiert. Während sich der Spiegel dreht, bewegt sich der reflektierte Lichtstrahl ausgehend von einer Startkante über die Oberfläche des Aufzeichnungsträgers zu einer Endkante und belichtet dabei eine Folge von Pixeln, die gemeinsam eine senkrecht zur Achse der Trommel verlaufende Abtastlinie bilden. Der sich drehende Spiegel ist an einem Schlitten befestigt, der sich in einer rechtwinklig zur Abta­ stlinie verlaufenden Richtung bewegt. Nachdem sich der re­ flektierte Lichtstrahl der Endkante genähert hat, bewegt sich der Schlitten senkrecht zur Abtastlinie zurück. Anschließend beginnt der reflektierte Lichtstrahl erneut den Aufzeich­ nungsträger an der Startkante zu belichten und bewegt sich entlang einer neuen Abtastlinie. Auf diese Weise wird der re­ flektierte Lichtstrahl über den gesamten Oberflächenabschnitt der Trommel geführt.

Eine Laserdiode ist eine bekannte Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtstrahls. Sie hat einen p-n-Halbleiterübergang, der kohärente, stark gerichtete elektromagnetische Strahlung mit im wesentlichen einer einzigen Wellenlänge erzeugt, wenn der in der Laserdiode fließende Betriebsstrom einen Laserschwel­ lenwert erreicht. Laserdioden sind beispielsweise in den Ar­ tikeln "Viable Laser Diodes" (= haltbare Laserdioden) und "Semiconductor Laser Diodes" (= Halbleiter-Laserdioden) be­ schrieben, die beide in dem Photonics Design and Applications Handbook aus dem Jahre 1996 veröffentlicht sind.

Laserdioden mit verschiedensten Ausgabeleistungen und Licht­ strahl-Wellenlängen sind handelsüblich. Die Ausgabeleistung des Lichtstrahls der Laserdiode hängt von dem elektrischen Strom ab, mit dem die Laserdiode betrieben wird. Bei geringen Werten für den Betriebsstrom ist die Abgabeleistung gering. Die Laserdiode arbeitet dann in einem ersten Betriebszustand als lichtemittierende Diode (LED). Im LED-Modus emittiert die Laserdiode einen inkohärenten Lichtstrahl, der ausgehend von der Kante der Laserdiode in einem breiten Emissionskegel emittiert wird. Der LED-Lichtstrahl besteht aus einer Strah­ lung, die viele verschiedene Wellenlängen und viele optische Moden besitzt. Oberhalb eines bestimmten Wertes des Betriebs­ stromes, der als Laserschwellenwert bekannt ist, arbeitet die Laserdiode in einem zweiten Betriebszustand, dem Lasermodus. Im Lasermodus emittiert die Laserdiode einen Laserstrahl mit einem einzigen engen Wellenlängenband und einer optischen Qualität, die Monomode-Qualität erreicht. Wie nachfolgend erläutert wird, besitzt der Laserstrahl jedoch verschiedene Eigenschaften, durch die seine Verwendung in einer Abbil­ dungsvorrichtung ungeeignet ist.

Um eine Laserdiode in einer Abbildungsvorrichtung zu verwen­ den, muß die Abbildungsvorrichtung einen modulierten Laser­ strahl mit gesteuerter Leistung einsetzen, damit der Auf­ zeichnungsträger belichtet werden kann. Ein Verfahren dieses zu erreichen ist, die Laserdiode zwischen zwei gesteuerten Zuständen an- und auszuschalten. Der Takt, mit dem die Laser­ diode zwischen einem eingeschalteten Zustand, in dem die La­ serdiode einen Laserstrahl emittiert, und einem ausgeschalte­ ten Zustand geschaltet werden kann, in dem die Laserdiode keinen Laserstrahl emittiert, bestimmt den Abbildungstakt. Im ausgeschalteten Zustand hat der Betriebsstrom überlicherweise einen Wert von Null, während der Betriebsstrom im angeschal­ teten Zustand überlicherweise einen Stromwert einnimmt, der oberhalb des Laserschwellenwerts liegt. Demzufolge entspricht die Differenz zwischen der Laserstrahlleistung im angeschal­ teten Zustand und der Laserstrahlleistung im ausgeschalteten Zustand exakt der Laserstrahlleistung im angeschalteten Zu­ stand. Das Verhältnis zwischen der Laserstrahlleistung im angeschalteten Zustand und der Laserstrahlleistung im ausge­ schalteten Zustand definiert wiederum das Kontrastverhältnis. Allgemein wird ein hohes Kontrastverhältnis bevorzugt, um eine scharfe Abbildung auf dem Aufzeichungsträger zu erzeu­ gen. Bei einer Abbildungsvorrichtung, bei der die Laserdiode im ausgeschalteten Zustand keinen Laserstrahl emittiert, ist demzufolge das Kontrastverhältnis unendlich. Ein hohes Kon­ trastverhältnis ist auch deswegen wünschenswert, da es eine Steuerung über den gesamten Belichtungsbereich ermöglicht und so den Anforderungen verschiedener Aufzeichnungsträgertypen, verschiedener Abbildungstakte und unterschiedlicher Auflösun­ gen genügen kann.

Allerdings wird der Abbildungstakt durch die Zeit beschränkt, die erforderlich ist, um den Strom auszuschalten. Obwohl eine Verringerung der Differenz zwischen dem Strom im ausgeschal­ teten Zustand und dem Strom im angeschalteten Zustand den Abbildungstakt erhöht, erhöht sich dadurch auch die Laser­ strahlleistung im ausgeschalteten Zustand, so daß das Kon­ trastverhältnis verringert wird. Eine weitere Möglichkeit, den Laserstrahl pulsierend zu emittieren, um den Aufzei­ chungsträger zu belichten, besteht darin, die:Laserdiode im Laser-Modus zu halten und den kontinuierlich emittierten La­ serstrahl außerhalb der Laserdiode mit einem Modulator zu verändern. Als Modulatoren eignen sich sowohl akustooptische Modulatoren, auch Braggsche-Zellen genannt, als auch elek­ trooptische Modulatoren, bekannt als Pockelsche-Zellen und Kerr-Zellen. Allerdings sind diese extern angeordneten Modu­ latoren teuer und müssen präzise zum Laserstrahl ausgerichtet werden. Das Ausrichten optischer Elemente und das Beibehalten der ausgerichteten Lage ist eine zeitaufwendige und fehler­ trächtige Arbeit.

Des weiteren muß der Lichtstrahlgenerator, damit er in einer Abbildungsvorrichtung verwendet werden kann, einen kollimier­ ten Laserstrahl mit gewünschtem Durchmesser, gewünschter Wel­ lenlänge und bestimmtem Leistungsniveau emittieren, der kreissymmetrisch ist und eine begrenzte Beugung hat. Ein kreissymmetrischer Laserstrahl mit begrenzter Beugung erfor­ dert einen minimalen Strahldurchmesser und bildet auf dem Aufzeichnungsträger einen Abbildungspunkt ab, der genau defi­ niert ist und eine maximale Schärfentiefe hat. Der von einer Laserdiode erzeugte Laserstrahl hat jedoch eher ein verzerr­ tes denn ein symmetrisches Divergenzmuster und leidet unter Astigmatismus. Durch diese Mängel zeigt der Laserstrahl kein echtes Monomode-Verhalten. Daher verwenden herkömmliche Ab­ bildungsvorrichtungen präzise ausgerichtete und teuere, aus mehreren Linsen bestehende Linsengruppen und Prismen, um den Laserstrahl zu verändern, damit dieser kreissymmetrisch wird und eine begrenzte Beugung hat. Aber auch diese teueren Hilfsmittel sind nicht in der Lage, das Kontrastverhältnis zu verbessern und den Abbildungstakt zu erhöhen.

Ferner ist bei einem herkömmlichen Lichtstrahlgenerator, der mit einer Laserdiode den Laserstrahl erzeugt, die Laserdiode innerhalb eines Gehäuses angeordnet, das an der Abbildungs­ vorrichtung befestigt ist. Fällt die Laserdiode aus, muß die gesamte Einheit, in der die Laserdiode untergebracht ist, von der Abbildungsvorrichtung gelöst, und anschließend die Laser­ diode aus dem Gehäuse entfernt und durch eine neue ersetzt werden. Danach wird das Gehäuse wieder an der Abbildungsvor­ richtung befestigt und präzise mit den weiteren Elementen der Abbildungsvorrichtung wie Linsen oder Spiegeln ausgerichtet. Daher wäre es vorteilhaft, einen Lichtstrahlgenerator bereit­ zustellen, bei dem kein erneutes Ausrichten notwendig ist, nachdem eine ausgefallene Laserdiode ersetzt wurde.

Des weiteren wäre es von Vorteil, einen Lichtstrahlgenerator vorzusehen, der einen kollimierten Laserstrahl mit erwünsch­ tem Durchmesser, bestimmter Wellenlänge und bestimmtem Lei­ stungsniveau emittiert, der zusätzlich kreissymmetrisch ist und eine begrenzte Beugung hat.

Schließlich wäre es von Vorteil, einen Lichtstrahlgenerator mit hohem Abbildungstakt bereitzustellen, der einen Laser­ strahl mit hohem Kontrastverhältnis emittiert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Er­ zeugen eines Lichtstrahls in einer Abbildungsvorrichtung be­ reitzustellen, die einen Lichtstrahl erzeugt, mit dem ein Aufzeichnungsträger mit hohem Abbildungstakt und hohem Kon­ trastverhältnis belichtet werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 oder durch die Merkmale des Patentanspruchs 6. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand jeweiliger Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Lichtstrahls,

Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Leistungsabgabe einer La­ serdiode für verschiedene Betriebsstromwerte ge­ zeigt ist,

Fig. 3 eine schematische Darstellung belichteter und unbe­ lichteter Bildpunkte auf einem Aufzeichnungsträger,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines durch eine La­ serdiode erzeugten Laserstrahls,

Fig. 5 eine Darstellung der Vorrichtung nach Fig. 1, wie sie in einer erfindungsgemäßen Abbildungsvorrich­ tung verwendet wird,

Fig. 6 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Abschnitts einer Innentrommel in einer erfindungs­ gemäßen Abbildungsvorrichtung,

Fig. 7 eine vereinfachte Darstellung, die die Vorrichtung nach Fig. 6 beim Belichten eines Oberflächenab­ schnittes eines Aufzeichnungsträgers mit einem La­ serstrahl zeigt,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Motorsteuerung der Abtastvorrichtung nach Fig. 6,

Fig. 9 eine vereinfachte Darstellung einer Variolinsenan­ ordnung einer Abtastvorrichtung, und

Fig. 10 eine detailliertere Darstellung der Variolinsenan­ orndung nach Fig. 9.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 10 zum Erzeugen eines Licht­ strahls gezeigt, die eine Laserdiode 12 hat. Als Laserdiode 12 wird eine 670 nm, kantenemittierende indexgesteuerte La­ serdiode mit 10 mW verwendet. Die Vorrichtung 10 erzeugt ei­ nen qualitativ hochwertigen, direkt modulierten Laserstrahl, der sich zur Verwendung in einer Abbildungsvorrichtung eig­ net.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm 30, in dem die Leistungsabgabe der Laserdiode 12 bei verschiedenen Werten des in die Laserdiode 12 fließenden Betriebsstromes dargestellt ist. Die Leistungs­ abgabe des Laserstrahls der Laserdiode 12 verändert sich nichtlinear in Abhängigkeit von dem Betriebsstrom. Bei gerin­ gen Werten des Betriebsstromes arbeitet die Laserdiode 12 im LED-Modus 32. Im LED-Modus 32 ist die Leistungsabgabe gering und nimmt langsam zu, wenn der Betriebsstrom ansteigt. Ab einem Laserschwellenwert 36 nimmt die Leistungsabgabe der Laserdiode 12 mit zunehmenden Betriebsstrom nichtlinear zu.

Befindet sich die Laserdiode 12 in einem Lasermodus 34, gibt diese einen Laserstrahl mit einer einzigen Wellenlänge ab.

Der Abbildungstakt wird durch den Takt definiert, mit dem der an der Laserdiode 12 anliegende Betriebsstrom zwischen einem eingeschalteten Zustand und einem ausgeschalteten Zustand va­ riiert. Obwohl ein hoher Abbildungstakt beispielsweise über 50 MHz bevorzugt wird, erfordert dieser hohe Abbildungstakt mehr Leistung, um den in die Laserdiode 12 fließenden Be­ triebsstrom zu schalten. Üblicherweise wird der Strom zwi­ schen einem Wert oberhalb des Laserschwellenwertes 36 und einem Wert Null variiert. Die für einen Wechsel von einem Strompegel zum anderen Strompegel an der Betriebsstromquelle erforderliche Zeit ist eine Funktion, der Größendifferenz zwischen den beiden Strompegeln. Je größer die Differenz zwi­ schen beiden ist, desto mehr Zeit ist für das Umschalten er­ forderlich. Somit ist der Abbildungstakt größtenteils durch den Bereich bestimmt, über den der Betriebsstrom geschaltet werden muß.

Um beispielsweise die Leistungsabgabe der Laserdiode 12 von einem Hochleistungspegel 44 auf eine Nulleistung 48 zu schal­ ten, muß der Betriebsstrom zwischen einem Stromwert 40 und einem Stromwert 46 verändert werden. Die große Differenz zwi­ schen den Stromwerten 40 und 46 beschränkt den Abbildungs­ takt. Eine Zunahme des Abbildungstaktes durch Verkleinern des Bereiches, in dem der Betriebsstrom sich verändert, ist mög­ lich, indem der Betriebsstrom zwischen einem Stromwert 40 oberhalb des Laserschwellenwertes 36 und einem kleinen, aber nicht auf Null gesetzten Stromwert 38 unterhalb des Laser­ schwellenwertes 36 variiert. Durch die kleine Differenz zwi­ schen den Stromwerten 40 und 38 kann der Abbildungstakt sehr hoch sein. Allerdings befindet sich die Laserdiode 12 im LED-Modus, wenn der Betriebsstrom den Stromwert 38 hat, und gibt einen Lichtstrahl mit kleinem Leistungspegel 42 ab, der nicht Null ist. Die Differenz bei der Laserleistung zwischen dem eingeschalteten und dem ausgeschalteten Zustand und damit das Kontrastverhältnis ist geringer, als wenn die Laserdiode 12 keinen Lichtstrahl im ausgeschalteten Zustand emittiert. So­ mit führt eine Verbesserung des Abbildungstaktes zu einer Reduzierung des Kontrastverhältnisses und umgekehrt. Daher muß die Leistung des LED-Strahles, bei dem der Strom den Stromwert 38 hat, selektiv gedämpft werden, um ein hohes Kon­ trastverhältnis zu erhalten.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Laserdiode 12 optisch mit einem ersten Ende 14 eines Monomode-Lichtleiters 16 optisch gekoppelt. Als Laserdiode 12 wird vorzugsweise eine 670 nm Laserdiode der Firma Toshiba und als Lichtleiter 16 ein Mono­ mode-Lichtleiter mit drei Metern Länge und einer numerischen Apertur von 0,07 NA der Firma Point Source, Inc. verwendet. Die Laserdiode 12 emittiert einen Lichtstrahl 18, der auf das erste Ende 14 des Lichtleiters 16 auftrifft. Aufgrund der Monomode-Eigenschaften des Lichtleiters 16 überträgt dieser im wesentlichen unverändert Lichtstrahlen mit einer Wellen­ länge von 670 nm vom ersten Ende 14 zu einem zweiten Ende 20. Das bedeutet, daß der Lichtleiter 16 kaum die Intensitiät der Lichtstrahlen eines Monomode-Lasers verringert. Allerdings bewirkt der Lichtleiter 16 eine eine maximale Dämpfung des Lichtleiters 16 definierende Verringerung der Intensität von Lichtstrahlen mit Mehrfachmoden.

Demzufolge tritt aus dem zweiten Ende 20 des Lichtleiters 16 ein gefilterter Lichtstrahl 22 aus, wenn der Lichtleiter 16 den Lichtstrahl 18 an seinem ersten Ende 14 empfängt. Das zweite Ende 20 wirkt als Quelle des gefilterten Lichtstrahls 22. Der gefilterte Lichtstrahl 22, der aus dem zweiten Ende 20 austritt, ist ein Monomode-Laserstrahl. Befindet sich die Laserdiode 12 im ausgeschalteten Zustand, also im LED-Modus, überträgt der Monomode-Lichtleiter 16 nur eine Komponente des Lichtstrahls 18 mit vorgeschriebenem Mode, obwohl die Laser­ diode 12 einen Lichtstrahl 18 mit vielen Moden emittiert. Somit ist der gefilterte Lichtstrahl 22, der aus dem zweiten Ende 20 austritt, im wesentlichen ein Monomode-Lichtstrahl.

Ferner hat der gefilterte Lichtstrahl 22 eine deutlich gerin­ ger Leistung als der Lichtstrahl 18, den das erste Ende 14 empfängt, da der Lichtleiter 16 nur eine Komponente des Lichtstrahls 18 überträgt.

Wird dagegen die Laserdiode 12 im Laser-Modus betrieben, dämpft der Lichtleiter 16 den Lichtstrahl 18 nur minimal, da der Lichtstrahl 18 einen Monomode hat, der an den Lichtleiter 16 angepaßt ist. Da der Lichtleiter 16 die Leistung des Lichtstrahls 18 im ausgeschalteten Zustand deutlich redu­ ziert, der Lichtleiter 16 dagegen die Leistung des Licht­ strahls 18 im eingeschalteten Zustand nicht wesentlich ver­ ringert, ist das Kontrastverhältnis sehr hoch und liegt über­ licherweise bei 500 : 1. Das hohe Kontrastverhältnis verbessert die Abbildungsqualität und verhindert ein "Verschleiern", ein Problem, das nachfolgend beschrieben wird.

Die Dämpfung des Lichtstrahls 18 im eingeschalteten Zustand bewirkt, sowohl aufgrund der natürlichen Dämpfungseigenschaf­ ten des Lichtleiters 16 als auch aufgrund dessen Dämpfungs­ wirkungen, daß aus dem annähernd monomoden Verhalten des Lichtstrahls 18 ein tatsächlich monomodes Verhalten wird, d. h., daß der im Querschnitt nicht kreisrunde Lichtstrahl 18 zu einem im Querschnitt kreisrunden Lichtstrahl 22 umgewan­ delt wird, bei dem der Astigmatismus beseitigt ist. Die kleinste Dämpfung des Lichtleiters 16 liegt üblicherweise bei 5 dB oder 30% der Übertragungsrate. Die maximale Dämpfung während des ausgeschalteten Zustandes ist nicht unendlich, sondern üblicherweise auf 12 dB oder eine Übertragungsrate von 6% begrenzt.

Der Lichtstrahl 22 erzeugt einen Bildpunkt auf einem Auf­ zeichnungsträger, wenn die Leistung des Lichtstrahls 22 einen vorgegebenen Belichtungswert hat oder diesen übersteigt. Liegt die Leistung des Lichtstrahls 22 knapp oberhalb des Belichtungswertes, wird der Bildpunkt geringfügig belichtet. Übersteigt dagegen die Leistung des Lichtstrahls 22 den Be­ lichtungswert deutlich, wird der Bildpunkt stark belichtet. Liegt die Leistung des Lichtstrahls 22 sowohl im eingeschal­ teten als auch im ausgeschalteten Zustand über dem Belich­ tungswert, wird folglich der Aufzeichnungsträger zumindest teilweise auch an Bildpunkten belichtet, die nicht belichtet werden sollen.

Fig. 3 zeigt einen ersten Satz Bildpunkte 50 auf einem Auf­ zeichnungsträger mit "verschleierten" Bildpunkten, d. h. bei dem kein großer Unterschied besteht zwischen Bildpunkten, die belichtet sind (schwarz), und Bildpunkten, die nicht belich­ tetet sein sollten (weiß), tatsächlich aber geringfügig be­ lichtet sind. Derartige verschleierte Bilder werden von Ab­ bildungsvorrichtungen mit einem geringen Kontrastverhältnis erzeugt. Der Bildpunkt 52 ist ein belichteter Bildpunkt, wäh­ rend die Bildpunkte 54 und 56 unbelichtet sein sollten. Sämt­ liche Bildpunkte 52, 54 und 56 bestehen aus verschiedenen Grauschattierungen. Ein Bild, das aus derartigen relativ un­ differenzierten Bildpunkten zusammengesetzt ist, erscheint verschleiert. Ein zweiter Satz Bildpunkte 58 zeigt dagegen größere Unterschiede zwischen Bildpunkten, die belichtet und die unbelichtet sind. Derartige sich unterscheidende Bild­ punkte werden von einer Abbildungsvorrichtung mit hohem Kon­ trastverhältnis erzeugt. Bei dem Bildpunkt 60 handelt es sich um einen belichteten Bildpunkt, die Bildpunkte 62 und 64 sind unbelichtet. Die unbelichteten Bildpunkte 62 und 64 sind tat­ sächlich keinerlei Belichtung ausgesetzt gewesen und unter­ scheiden sich somit deutlich von dem belichteten Bildpunkt 60.

Der erste Satz Bildpunkte 50 steht repräsentativ für Bilder, die mit einer herkömmlichen Vorrichtung zum Erzeugen von Lichtstrahlen hergestellt werden, bei der der Betriebsstrom zwischen dem Stromwert 40 oberhalb des Laserschwellenwertes 36 und dem nicht auf Null gesetzten Stromwert 38 unterhalb des Laserschwellen-wertes 36 variiert wird. Das Kontrastver­ hältnis ist geringer als erwünscht, so daß der LED-Licht­ strahl, der entsteht, wenn sich die Laserdiode 12 in einem ausgeschalteten Zustand befindet, teilweise den Aufzeich­ nungsträger belichtet. Der zweite Satz Bildpunkte 58 steht repräsentativ für Bilder, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Erzeugen eines Lichtstrahls hergestellt werden.

Fig. 4 zeigt verschiedene unerwünschte Eigenschaften eines durch eine Laserdiode 76 erzeugten Laserstrahls 74. Der von der Laserdiode 76 ausgesandte Laserstrahl 74 hat ein Streu­ ungsmuster, das stark verzerrt ist, d. h., daß die Abweichung des Laserstrahls 74 in Richtung einer zum Diodenübergang 78 senkrecht verlaufenden ersten Achse 70 sehr viel größer ist als die Abweichung in Richtung einer zweiten Achse 72, die parallel zum Diodenübergang 78 verläuft. Des weiteren leidet der Laserstrahl 74 unter Astigmatismus, so daß der Laser­ strahl 74 in Richtung der ersten Achse 70 auf einer ersten Ebene 66 und in Richtung der zweiten Achse 72 auf einer zwei­ ten Ebene 68 fokussiert ist. Üblicherweise haben die beiden Ebenen 66 und 68 einen Abstand von 6 bis 10 µm voneinander.

Die Erfindung beseitigt diese unerwünschten Eigenschaften, aufgrund derer der Laserstrahl der Laserdiode zur Verwendung in einer Abbildungsvorrichtung ungeeignet ist. So ist be­ kannt, daß ein Monomode-Laserstrahl von Natur aus kreissymme­ trisch ist und nur begrenzt gebeugt werden kann, also kein verzerrtes Streuungsmuster besitzt und folglich nicht unter Astigmatismus leidet. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, kann, da die numerische Apertur des Lichtleiters 16 sehr klein ist, der austretende gefilterte Lichtstrahl 22 auf einfache Weise z. B. durch eine nach dem zweiten Ende 20 angeordnete Kollima­ tionslinse 24 ausgerichtet werden. Folglich kann auf aufwen­ dige optische Einrichtungen, die Astigmatismus und Verzerrun­ gen des Lichtstrahls 22 ausgleichen sollen, verzichtet und die mit diesen verbundenen Ausrichtprobleme vermieden werden.

Zusätzlich zur Beseitigung der verschiedenen unerwünschten optischen Eigenschaften des Lichtstrahls 22, bietet die Er­ findung mechanische Vorteile gegenüber herkömmlichen Vorrich­ tungen zum Erzeugen eines Lichtstrahls. Wie zuvor erläutert wurde, arbeitet das zweite Ende 20 des Lichtleiters 16 als Quelle für einen gefilterten Lichtstrahl 22. Demzufolge kann das zweite Ende 20 eingesetzt werden wie eine bekannte Vor­ richtung zum Erzeugen eines Lichtstrahls. Wie in Fig. 5 ge­ zeigt ist, ist das zweite Ende 20 des Lichtleiters 16 an ei­ ner Abbildungsvorrichtung 80 durch ein Befestigungselement 86 beispielsweise einen Bügel befestigt. Das zweite Ende 20 wird mit Elementen der Abbildungsvorrichtung 80, wie einem Spiegel 82 und der Kollimatorlinse 24 ausgerichtet, so als ob es sich bei dem zweiten Ende 20 um eine bekannte Vorrichtung zum Er­ zeugen eines Lichtstrahles wie eine Laserdiode handelt. Da der Lichtleiter 16 lang und flexibel ist, muß das zweite Ende 20, aus dem der gefilterte Lichtstrahl 22 austritt, nicht in unmittelbarer Nähe der Laserdiode 12 angeordnet sein.

Das erste Ende 14 des Lichtleiters 16, das den Lichtstrahl 18 der Laserdiode 12 empfängt, ist von dem zweiten Ende 20, aus dem der gefilterte Lichtstrahl 22 austritt, entfernt angeord­ net. Das erste Ende 14 ist üblicherweise an einer elektri­ schen Baueinheit 84 befestigt, in der elektronische Bauele­ mente (nicht dargestellt) wie eine Stromquelle 26 und eine Steuerung 28 untergebracht sind, mit denen die Laserdiode 12 gesteuert wird. Demzufolge muß nur das zweite Ende 20 mit den anderen Komponenten der Abbildungsvorrichtung 80 präzise aus­ gerichtet werden. Folglich kann, wenn die Laserdiode 12 aus­ fällt, der Lichtleiter 16 von der Laserdiode 12 entkoppelt werden, ohne daß die Kollimatorlinse 24 mit dem Spiegel 82 erneut ausgerichtet werden muß. Die Laserdiode 12 kann er­ setzt und mit dem Lichtleiter 16 verbunden werden. Da das zweite Ende 20, aus dem der gefilterte Lichtstrahl 22 aus­ tritt, entfernt von den elektronischen Bauteilen der elektro­ nischen Baueinheit 84 angeordnet ist, ist das zweite Ende 20 auch entfernt von Störungen angeordnet, die durch die elek­ tronische Baueinheit 84 verursacht werden.

In den Fig. 6 und 7 ist ein Abschnitt einer Abbildungsvor­ richtung 90 mit Innentrommel 92 gezeigt, die die zuvor be­ schrieben Vorrichtung 10 zum Erzeugen des Lichtstrahls ver­ wendet. Die Innentrommel 92 hat eine Oberfläche 94, die Teil eines Zylinders ist. Die Innentrommel 92 ist sorgfältig und mit großer Genauigkeit gefertigt worden, damit die Oberfläche 94 die bevorzugte geometrische Ausbildung, d. h. Zylindrizität besitzt. Die Innentrommel 92 hat einen stabilen Aufbau, vor­ zugsweise aus Aluminiumguß, mit mehreren entlang des Außenum­ fangs, zueinander beabstandeten Versteifungsrippen (nicht dargestellt).

Wie in Fig. 7 dargestellt ist, kann die Oberfläche 94 einen Aufzeichnungsträger 101 aufnehmen. Als Aufzeichnungsträger 101 kann ein Bogen eines lichtempfindlichen Films oder eine Platte aus Aluminium oder einem Polymer-Kunststoff wie Poly­ ester verwendet werden, deren Oberfläche mit einer lichtemp­ findlichen Emulsion beschichtet ist. Die Oberfläche 94 hat mehrere Öffnungen 96 (vgl. Fig. 6), die in Fluidverbindungen mit mehreren Kanälen 98 stehen. Die Kanäle 98 sind über ein Leitungssystem (nicht dargestellt) mit einer herkömmlichen Vakuumquelle verbunden, mit der an den Öffnungen 96 ein Vaku­ um angelegt werden kann. Das Vakuum hält den Aufzeichnungs­ träger 101 während des Belichtungsprozesses fest. In gleicher Weise können andere Verfahren eingesetzt werden, um den Auf­ zeichnungsträger 101 zu halten, wie beispielsweise elektro­ statische oder mechanische Haltetechniken.

Die Abbbildungsvorrichtung 90 hat ferner eine Führung 100, an der ein Schlitten 102 gehalten ist, der einen reflektierten Lichtstrahl 104 entsprechend Lichtstrahl-Steuerungssignalen, die er von einer Steuerung 106 erhält, über die Oberfläche des Aufzeichnungsträgers 101 führt. Der Schlitten 102 hat einen Längenmeßgeber 108, der die Position des Schlittens 102 entlang der Führung 100 angebende Signale erzeugt und eine Abtasteinheit 110, die vorzugsweise aus einen Linearmotor 112 und einem Spiegel 114 besteht. Der Spiegel 114 reflektiert mit seiner Spiegeloberfläche 115 einen Lichtstrahl 103, der von einem beispielsweise aus einer Laserdiode und einem Lichtleiter bestehenden Lichtstrahlgenerator 116 abgeben wird, um auf dem Aufzeichungsträger 101 eine Reihe Abtastli­ nien 118 zu erzeugen (vgl. Fig. 7), wobei sich der Spiegel 114 mit üblicherweise 24.000 U/min um eine Rotationsachse 120 dreht. Des weiteren ist ein Drehgeber 122 vorgesehen, der Signale erzeugt, die die Winkelposition der Spiegeloberfläche 115 während des Abtastvorganges angeben. Die Spiegeloberflä­ che 115 hat vorzugsweise eine exzentrische parabolische Krüm­ mung.

Der Linearmotor 112 bewegt den Schlitten 102 entlang der Füh­ rung 100. Als Linearmotor 112 dient vorzugsweise ein Gleich­ strommotor ohne Bürsten, der aus einer Wickelung und einer Magnetschiene besteht. Die Wickelung hat vorzugsweise mehrere Abschnitte (nicht dargestellt), die durch eine sinusförmige Kommutierung geschaltet werden. Die sinusförmige Kommutierung ermöglicht eine nahezu perfekte geschmeidige Bewegung, so daß sich der Schlitten 102 mit kontrollierter Geschwindigkeit ohne Sprünge oder Ungleichmäßigkeiten in der Schlittenbewe­ gung bewegt. Die Abbildung von Grafiken erfordert einen hohen Grad an Präzision, wenn der Lichtstrahl 104 den Aufzeich­ nungsträger 101 überstreicht, so daß die konstante Geschwin­ digkeit, mit der der Schlitten 102 entlang der Führung 100 bewegt wird, kritisch ist. Ungleichmäßigkeiten in der Bewe­ gung oder Veränderungen in der Geschwindigkeit des Schlittens 102 führen dann zu dem Problem der "Streifenbildung", d. h. der Bildung längsverlaufender Linien auf dem Aufzeichnungs­ träger 101.

In Fig. 8 ist schematisch eine Motorsteuerung 126 gezeigt, die aus einer Steuereinheit 128, einer Servo-Steuereinheit 130, einem Servo-Verstärker 132 und einem Längenmeßgeber 134 besteht. Die Motorsteuerung 126 versorgt die Wicklung des Linearmotors 112 mit Steuersignalen. Die Steuereinheit 128 versorgt die Servo-Steuereinheit 130 über eine serielle Schnittstelle 138 des Typs RS232 mit Eingangssignalen. Die Servo-Steuereinheit 130 gibt über eine Leitung 140 Signale an den Servo-Verstärker 132 ab, der seinerseits sinusförmige Antriebssignale über eine Leitung 142 an die Wickelung des Linearmotors 112 überträgt. Der Längenmeßgeber 134 überträgt ein die Position des Schlittens 102 entlang der Führung 100 anzeigendes Signal sowohl an die Servo-Steuereinheit 130, um den Positions-Regelkreis mit der Servo-Steuereinheit 130 zu schließen, als auch an die Steuereinheit 128.

Die Steuereinheit 128 speichert die Position des Schlittens 102 in einem Speicher ab und überwacht die Position des Schlittens 102, während sich dieser entlang der Führung 100 bewegt. Die Steuereinheit 128 löst auch andere Funktionen aus, die von der Position des Schlittens 102 auf der Führung 100 abhängen, wie beispielsweise das Starten oder Anhalten des Linearmotors 112, die Geschwindigkeitssteuerung des Line­ armotors 112 und die Signalabgabe, um das Abtasten des Auf­ zeichnungsträgers 101 zu beginnen oder zu beenden.

Der Längenmeßgeber 134 hat einen Maßstab und einen Kodier­ kopf. Der Maßstab ist in Längsrichtung an der unteren Kante der Führung 100 befestigt. Der Kodierkopf ist an der Kante der horizontalen Platte der Führung 100 befestigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Auflösung des Längenmeßgebers 134 bei 0,25 µm.

Bei Betrieb der Motorsteuerung 126 gibt die Steuereinheit 128 an die Servor-Steuereinheit 130 ein Signal ab, um den Linear­ motor 112 anzuregen, damit dieser den Schlitten 102 an eine vorgegebene Ausgangsposition am einen Ende der Führung 100 bewegt. Anschließend wird ein Positionszähler der Steuerein­ heit 128 auf Null gesetzt. Nachdem der Aufzeichnungsträger 101 in der Innentrommel 92 befestigt ist, wird der Schlitten 102 durch die Steuereinheit 128 bewegt, bis eine Kante des Aufzeichnungsträgers 101 durch einen Kantendetektor 144 er­ faßt wird. Die Steuereinheit 128 speichert in ihrem Speicher die Anzahl der gezählten Schritte zwischen der Ausgangsposi­ tion und der Kante des Aufzeichnungsträgers 101 und steuert den Linearmotor 112 derart an, daß dieser den Schlitten 102 ungefähr 2,54 cm in entgegengesetzter Richtung weg von der Kante des Aufzeichnungsträgers 101 bewegt. Durch diesen vor­ gegebenen Abstand kann der Schlitten 102 auf eine konstante Geschwindigkeit beschleunigt werden, bevor er die Kante des Aufzeichnungsträgers 101 erreicht. Zu Beginn des Belichtungs­ vorganges versorgt die Steuereinheit 128 den Linearmotor 112 mit Energie, damit dieser den Schlitten 102 bewegt. Sobald die Steuereinheit 128 erfaßt, daß der Schlitten 102 die Kante des Aufzeichnungsträgers 101 erreicht hat, gibt die Steuer­ einheit 128 ein Anfangssignal ab, damit mit dem Belichtungs­ vorgang des Bildes auf dem Aufzeichnungsträger 101 begonnen wird. Nachdem sich der Schlitten 102 die vorgegebenen Strecke entlang der Führung 100 bewegt hat, hält die Steuereinheit 128 den Schlitten 102 an und erfaßt seine Position. Anschlie­ ßend befielt die Steuereinheit 128 dem Schlitten 102, sich mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit zur Ausgangsposition zurückzubewegen.

In den Fig. 9 und 10 ist eine weitere Ausführungsform der Ab­ bildungsvorrichtung 10 gezeigt, die ferner eine Variolinsen­ anordnung 150 enthält. Die Variolinsenanordnung 150, die nachfolgend detailliert beschrieben wird, enthält mehrere an dem Schlitten 102 befestigte Linsengruppen 152, 154 und 156, mit denen der Durchmesser des von dem Lichtstrahlgenerator 116 abgegebenen Lichtstrahls 103 erweitert oder vergrößert werden kann. Der Reflexionsfaktor der Linsengruppen 152, 154 und 156 für Lichtstrahlen der erwünschten Abbildungs-Wellen­ länge liegt bei vorzugsweise weniger als 0,5%.

Die Abtasteinheit 110 und die Variolinsenanordnung 150 sind an der orthogonal verlaufenden Unterseite 158 des Schlittens 102 befestigt. Die Abtasteinheit 110 ist am vorderen Ende 162 des Schlittens 102 über Bänder 160 derart an diesem befe­ stigt, daß der Spiegel 114 koaxial zur Symmetrieachse Z der Trommel 92 angeordnet ist.

Die Variolinsenanordnung 150 ist am hinteren Ende 194 des Schlittens 102 befestigt und enthält die drei koaxial zuein­ ander, mit Abstand voneinander angeordneten Linsengruppen 152, 154 und 156, mit denen der von dem Lichtstrahlgenerator 116 emittierte Lichtstrahl 103 vergrößert oder dessen Durch­ messer erweitert werden kann. Die Variolinsenanordnung 150 minimiert die Auswirkungen optischer Turbulenzen, die die Abbildungsqualität nachteilig beeinflussen. In der Innentrom­ mel 92 ist der Lichtstrahl 103 Luftturbulenzen ausgesetzt, wenn er entlang der Symmetrieachse Z der Innentrommel 92 zum Spiegel 104 des Schlittens 102 projiziert wird. Je größer der Durchmesser des axial eingestrahlten Lichtstrahls 103 ist, desto größer sind die Auswirkungen von Luftturbulenzen. Aus diesem Grund wird bei der Erfindung ein Lichtstrahl 103 klei­ nen Durchmessers mit fester Größe entlang der Symmetrieachse Z der Innentrommel 92 eingestrahlt. Üblicherweise liegt der Durchmesser eines Lichtstrahls einer Abbildungsvorrichtung, bei der keine Variolinsenanordnung vorgesehen ist, ungefähr bei 16,4 mm, während der Durchmesser des Lichtstrahls 103 der Vorrichtung 10 mit am Schlitten 102 befestigter Variolinsen­ anordnung 150 bei ungefähr 4 mm liegt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Variolinsenanordnung 150 besitzen die Linsengruppen 152, 154 und 156 Linsencharak­ teristika, durch die der Durchmesser des eingestrahlten Lichtstrahls 103 afokal expandiert wird. Dabei bedeutet afo­ kal, daß sowohl der abgegebene Lichtstrahl 103 als auch der aus der Variolinsenanordnung 150 aus tretende Lichtstrahl 104 parallel zur optischen Achse der Linsengruppen 152, 154 und 156 verläuft. Dabei ist es für den Fachmann offensichtlich, daß dies mit verschiedensten Arten von Linsen und Linsenan­ ordnungen möglich ist, ohne die Erfindung zu verlassen. Die erste am weitesten hinten angeordnete Linsengruppe 152 ist an dem Schlitten 102 befestigt. Die zweite und dritte Linsen­ gruppe 154 und 156 sind jeweils durch Magnetkupplungen am Schlitten 102 befestigt. Die Positionen der Linsengruppen 154 und 156 können durch zwei unabhängig voneinander gesteuerte Luftlager (nicht dargestellt) eingestellt werden, um den Durchmesser und den Brennpunkt des axial eingestrahlten, aus der Variolinsenanordnung 150 austretenden Lichtstrahls 103 zu verändern.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Lichtstrahls in einer Ab­ bildungsvorrichtung zum Belichten eines Aufzeichnungsträ­ gers, bei der der Lichtstrahl (18) mit einem über einem Belichtungswert liegenden ersten Leistungspegel (40) zum Belichten des Aufzeichnungsträgers (101) und einem unter dem Belichtungswert liegenden zweiten Leistungspegel (38) betrieben werden kann, bei dem der Aufzeichnungsträger (101) nicht belichtet wird, und die Schaltmittel (28) hat, die ein Einschaltsignal für einen eingeschalteten Zustand und ein Ausschaltsignal für einen ausgeschalteten Zustand abgibt, gekennzeichnet durch einen Lichtstrahlge­ nerator (12), der einen kohärenten Lichtstrahl (18) mit vorgegebenem Mode erzeugt, wenn er das Einschaltsignal erhält, und der einen inkohärenten Lichtstrahl (18) er­ zeugt, wenn er das Ausschaltsignal erhält, und durch ei­ nen mit dem Lichtstrahlgenerator (12) optisch gekoppelten Modefilter (16), der optische Bestandteile des Licht­ strahls (18), die nicht dem vorgegebenen Mode entspre­ chen, auf Werte unter dem Belichtungswert dämpft, wobei der Modefilter (16) während des eingeschalteten Zustands eine minimale Dämpfung des kohärenten Lichtstrahls (18) auf den ersten Leistungspegel (40) und während des ausge­ schalteten Zustands eine maximale Dämpfung des inkohären­ ten Lichtstrahls (18) auf den zweiten Leistungspegel (38) bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modefilter ein Monomode-Lichtleiter (16) ist, und daß der Lichtstrahlgenerator (10) eine Laserdiode (12) hat, die von einer Stromquelle (26) mit Betriebsstrom versorgt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode (12) als lichtemittierende Diode (LED) ar­ beitet, wenn der Betriebsstrom einen Wert unter einem La­ serschwellenwertes (36) hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel eine Steuerung (28) haben, mit der Si­ gnale zum Steuern des Betriebsstroms erzeugt werden.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (28) entspre­ chend empfangenen Bildsignalen zwischen dem eingeschalte­ ten und dem ausgeschalteten Zustand hin und her schalten.

6. Verfahren zum Erzeugen eines Lichtstrahls in einer Abbil­ dungsvorrichtung zum Belichten eines Aufzeichnungsträ­ gers, bei dem der Lichtstrahl (18) mit einem über einem Belichtungswert liegenden ersten Leistungspegel (40) zum Belichten des Aufzeichnungsträgers (101) und einem unter dem Belichtungswert liegenden zweiten Leistungspegel (38) betrieben werden kann, bei dem der Aufzeichnungsträger (101) nicht belichtet wird, gekennzeichnet durch Erzeugen eines kohärenten Lichtstrahls (18) beim Empfang eines Einschaltsignals, der ein monomodes Verhalten zeigt und eine dem ersten Leistungspegel (40) entsprechende Lei­ stung hat, Erzeugen eines inkohärenten Lichtstrahls (18) beim Empfang eines Ausschaltsignals, Erzeugen der Ein­ schalt- und Ausschaltsignale, und Dämpfen nicht einem mo­ nomoden Verhalten entsprechender optischer Bestandteile des Lichtstrahls (18) auf eine dem zweiten Leistungspegel (38) entsprechende Leistung.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen des kohärenten Lichtstrahls (18) ferner den Schritt enthält, einer Laserdiode (12) von einer Strom­ quelle (26) einen Betriebsstrom zuzuführen, dessen Wert einen Laserschwellenwert (36) übersteigt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen des inkohärenten Lichtstrahls (18) ferner den Schritt enthält, daß der an der Laserdiode (12) an­ liegende Betriebsstrom einen Wert unter dem Laserschwel­ lenwert (36) hat.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dämpfung des inkohärenten Lichtstrahls (18) etwa 12 dB beträgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einschalt- und Ausschaltsi­ gnale entsprechend einem erfaßten Bildsignal erzeugt wer­ den.