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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Erzeugen eines Lichtstrahls in einer Abbildungsvorrichtung nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung
ein Verfahren zum Erzeugen eines Lichtstrahls in einer Abbildungsvorrichtung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
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Die Erfindung bezieht sich allgemein
auf eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Lichtstrahls und im besonderen
auf eine Vorrichtung, die eine Laserdiode zum Erzeugen eines Abbildungslichtstrahls
verwendet.
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Es sind Abbildungsvorrichtungen sowohl
mit ebener Bildauflage als auch mit Innentrommel bekannt. Diese
Abbildungsvorrichtungen 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 einem verfahrbaren Portal ist ein optisch arbeitender
Belichtungskopf angeordnet, der während des Belichtens eines
Aufzeichnungsträgers
mit einer rasterförmigen
Bewegung über
diesen geführt
wird. Die Abbildungsvorrichtung mit Innentrommel verwendet einen
zylinderförmigen Oberflächenabschnitt
einer Trommel zum Halten des Aufzeichnungsträgers. Ein Lichtstrahlgenerator
emittiert einen Lichtstrahl auf einen sich drehenden Spiegel, der
seinerseits den Lichtstrahl auf den Aufzeichnungsträger 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 Abtastlinie verlaufenden Richtung
bewegt. Nachdem sich der: reflektierte Lichtstrahl der Endkante
genähert
hat, bewegt sich der Schlitten senkrecht zur Abtastlinie zurück. Anschließend beginnt
der reflektierte Lichtstrahl erneut den Aufzeichnungsträger an der
Startkante zu belichten und bewegt sich entlang einer neuen Abtastlinie.
Auf diese Weise wird der reflektierte Lichtstrahl über den
gesamten Oberflächenabschnitt
der Trommel geführt.
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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 Laserschwellenwert
erreicht. Laserdioden sind beispielsweise in den Artikeln "Viable
Laser Diodes" (= haltbare Laserdioden) und "Semiconductor Laser
Diodes" (= Halbleiter-Laserdioden) beschrieben, die beide in dem
Photonics Design and Applications Handbook aus dem Jahre 1996 veröffentlicht
sind.
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Laserdioden mit verschiedensten Ausgabeleistungen
und Lichtstrahl-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 Strahlung,
die viele verschiedene Wellenlängen
und viele optische Moden besitzt. Oberhalb eines bestimmten Wertes
des Betriebsstromes, 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 Abbildungsvorrichtung ungeeignet
ist.
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Um eine Laserdiode in einer Abbildungsvorrichtung
zu verwenden, muß die
Abbildungsvorrichtung einen modulierten Laserstrahl mit gesteuerter Leistung
einsetzen, damit der Aufzeichnungsträger belichtet werden kann.
Ein Verfahren dieses zu erreichen ist, die Laserdiode zwischen zwei
gesteuerten Zuständen
an- und auszuschalten. Der Takt, mit dem die Laserdiode zwischen
einem eingeschalteten Zustand, in dem die Laserdiode einen Laserstrahl
emittiert, und einem ausgeschalteten Zustand geschaltet werden kann,
in dem die Laserdiode keinen Laserstrahl emittiert, bestimmt den
Abbildungstakt. Im ausgeschalteten Zustand hat der Betriebsstrom üblicherweise
einen Wert von Null, während
der Betriebsstrom im angeschalteten Zustand überlicherweise einen Stromwert
einnimmt, der oberhalb des Laserschwellenwerts liegt. Demzufolge
entspricht die Differenz zwischen der Laserstrahlleistung im angeschalteten
Zustand und der Laserstrahlleistung im ausgeschalteten Zustand exakt
der Laserstrahlleistung im angeschalteten Zustand. Das Verhältnis zwischen
der Laserstrahlleistung im angeschalteten Zustand und der Laserstrahlleistung
im ausgeschalteten Zustand definiert wiederum das Kontrastverhältnis. Allgemein
wird ein hohes Kontrastverhältnis
bevorzugt, um eine scharfe Abbildung auf dem Aufzeichungsträger zu erzeugen.
Bei einer Abbildungsvorrichtung, bei der die Laserdiode im ausgeschalteten Zustand
keinen Laserstrahl emittiert, ist demzufolge das Kontrastverhältnis unendlich.
Ein hohes Kontrastverhältnis
ist auch deswegen wünschenswert, da
es eine Steuerung über
den gesamten Belichtungsbereich ermöglicht und so den Anforderungen verschiedener
Aufzeichnungsträgertypen,
verschiedener Abbildungstakte und unterschiedlicher Auflösungen genügen kann.
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Allerdings wird der Abbildungstakt
durch die Zeit beschränkt,
die erforderlich ist, um den Strom auszuschalten. Obwohl eine Verringerung
der Differenz zwischen dem Strom im ausgeschalteten Zustand und
dem Strom im angeschalteten Zustand den Abbildungstakt erhöht, erhöht sich
dadurch auch die Laserstrahlleistung im ausgeschalteten Zustand, so
daß das
Kontrastverhältnis
verringert wird. Eine weitere Möglichkeit,
den Laserstrahl pulsierend zu emittieren, um den Aufzeichungsträger zu belichten, besteht
darin, die Laserdiode im Laser-Modus zu halten und den kontinuierlich
emittierten Laserstrahl außerhalb
der Laserdiode mit einem Modulator zu verändern. Als Modulatoren eignen
sich sowohl akustooptische Modulatoren, auch Bragg'sche Zellen genannt,
als auch elektroptische Modulatoren, bekannt als Pockel'sche Zellen
und Kerr-Zellen. Allerdings sind diese extern angeordneten Modulatoren
teuer und müssen
präzise
zum Laserstrahl ausgerichtet werden. Das Ausrichten optischer Elemente
und das Beibehalten der ausgerichteten Lage ist eine zeitaufwendige
und fehlerträchtige
Arbeit.
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Des weiteren muß der Lichtstrahlgenerator, damit
er in einer Abbildungsvorrichtung verwendet werden kann, einen kollimier ten
Laserstrahl mit gewünschtem
Durchmesser, gewünschter
Wellenlänge und
bestimmtem Leistungsniveau emittieren, der kreissymmetrisch ist
und eine begrenzte Beugung hat. Ein kreissymmetrischer Laserstrahl
mit begrenzter Beugung erfordert einen minimalen Strahldurchmesser
und bildet auf dem Aufzeichnungsträger einen Abbildungspunkt ab,
der genau definiert ist und eine maximale Schärfentiefe hat. Der von einer
Laserdiode erzeugte Laserstrahl hat jedoch eher ein verzerrtes denn
ein symmetrisches Divergenzmuster und leidet unter Astigmatismus.
Durch diese Mängel zeigt
der Laserstrahl kein echtes Monomode-Verhalten. Daher verwenden
herkömmliche
Abbildungsvorrichtungen 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.
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Ferner ist bei einem herkömmlichen
Lichtstrahlgenerator, der mit einer Laserdiode den Laserstrahl erzeugt,
die Laserdiode innerhalb eines Gehäuses angeordnet, das an der
Abbildungsvorrichtung befestigt ist. Fällt die Laserdiode aus, muß die gesamte
Einheit, in der die Laserdiode untergebracht ist, von der Abbildungsvorrichtung
gelöst,
und anschließend
die Laserdiode aus dem Gehäuse
entfernt und durch eine neue ersetzt werden. Danach wird das Gehäuse wieder
an der Abbildungsvorrichtung befestigt und präzise mit den weiteren Elementen
der Abbildungsvorrichtung wie Linsen oder Spiegeln ausgerichtet.
Daher wäre
es vorteilhaft, einen Lichtstrahlgenerator bereitzustellen, bei
dem kein erneutes Ausrichten notwendig ist, nachdem eine ausgefallene
Laserdiode ersetzt wurde.
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Des weiteren wäre es von Vorteil, einen Lichtstrahlgenerator
vorzusehen, der einen kollimierten Laserstrahl mit erwünschtem
Durchmesser, bestimmter Wellenlänge
und bestimmtem Leistungsniveau emittiert, der zusätzlich kreissymmetrisch
ist und eine begrenzte Beugung hat.
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Schließlich wäre es von Vorteil, einen Lichtstrahlgenerator
mit hohem Abbildungstakt bereitzustellen, der einen Laserstrahl
mit hohem Kontrastverhältnis
emittiert.
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Eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist bekannt aus der
DE 195 08 825 A1 . Danach erzeugt ein Diodenlaser
in einem ersten Betriebszustand einen kohärenten Lichtstrahl, der mit einem
ersten Leistungspegel über
dem Belichtungswert zum Belichten des Aufzeichnungsträgers von
einem Modusfilter übertragen
wird. Ein in einem zweiten Betriebszustand erzeugter inkohärenter Lichtstrahl
wird von dem Modusfilter auf einen zweiten Leistungspegel unter
dem Belichtungswert gedämpft.
Mit einer solchen Vorrichtung lässt
sich ein Aufzeichnungsträger
mit einem vorgegebenen Muster einfach und präzise belichten. Bei einem Defekt des
Lichtstrahlgenerators lässt
sich dieser einfach auswechseln, ohne dass eine aufwendige Justierung nötig ist.
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Bei einer solchen Vorrichtung treten
aber trotzdem noch Verschlechterungen der Abbildungsqualität durch
optische Turbulenzen im Lichtstrahl auf. Diese optischen Turbulenzen
werden durch Luftturbulenzen verursacht.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine
Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines Lichtstrahles
in einer Abbildungsvorrichtung anzugeben, bei der bzw. bei dem der
Einfluss optischer Turbulenzen auf das Druckergebnis verringert
wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und für ein Verfahren durch die Merkmale
des Anspruchs 4 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnung näher
erläutert.
Darin zeigen:
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1 eine
vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Erzeugen eines Lichtstrahls,
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2 ein
Diagramm, in dem die Leistungsabgabe einer Laserdiode für verschiedene
Betriebsstromwerte gezeigt ist,
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3 eine
schematische Darstellung belichteter und unbelichteter Bildpunkte
auf einem Aufzeichnungsträger,
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4 eine
schematische Darstellung eines durch eine Laserdiode erzeugten Laserstrahls,
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5 eine
Darstellung der Vorrichtung nach 1,
wie sie in einer erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung
verwendet wird,
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6 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines Abschnitts einer Innentrommel
in einer erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung,
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7 eine
vereinfachte Darstellung, die die Vorrichtung nach 6 beim Belichten eines Oberflächenabschnittes
eines Aufzeichnungsträgers
mit einem Laserstrahl zeigt,
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8 eine
schematische Darstellung einer Motorsteuerung der Abtastvorrichtung
nach 6,
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9 eine
vereinfachte Darstellung einer Variolinsenanordnung einer Abtastvorrichtung,
und
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10 eine
detailliertere Darstellung der Variolinsenanordnung nach 9.
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In 1 ist
eine Vorrichtung 10 zum Erzeugen eines Lichtstrahls gezeigt,
die eine Laserdiode 12 hat. Als Laserdiode 12 wird
eine 670 nm, kantenemittierende indexgesteuerte Laserdiode mit 10
mW verwendet. Die Vorrichtung 10 erzeugt einen qualitativ
hochwertigen, direkt modulierten Laserstrahl, der sich zur Verwendung
in einer Abbildungsvorrichtung eignet.
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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 Leistungsabgabe des Laserstrahls der Laserdiode 12 verändert sich nichtlinear
in Abhängigkeit
von dem Betriebsstrom. Bei geringen 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 zunehmendem Betriebsstrom nichtlinear
zu.
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Befindet sich die Laserdiode 12 in
einem Lasermodus 34, gibt diese einen Laserstrahl mit einer einzigen
Wellenlänge
ab.
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Der Abbildungstakt wird durch den
Takt definiert, mit dem der an der Laserdiode 12 anliegende Betriebsstrom
zwischen einem eingeschalteten Zustand und einem ausgeschalteten
Zustand variiert. Obwohl ein hoher Abbildungstakt beispielsweise über 50 MHz
bevorzugt wird, erfordert dieser hohe Abbildungstakt mehr Leistung,
um den in die Laserdiode 12 fließenden Betriebsstrom zu schalten. Üblicherweise
wird der Strom zwischen 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 zwischen
beiden ist, desto mehr Zeit ist für das Umschalten erforderlich.
Somit ist der Abbildungstakt größtenteils
durch den Bereich bestimmt, über
den der Betriebsstrom geschaltet werden muß.
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Um beispielsweise die Leistungsabgabe
der Laserdiode 12 von einem Hochleistungspegel 44 auf eine
Nulleistung 48 zu schalten, muß der Betriebsstrom zwischen
einem Stromwert 40 und einem Stromwert 46 verändert werden.
Die große
Differenz zwischen den Stromwerten 40 und 46 beschränkt den
Abbildungstakt. Eine Zunahme des Abbildungstaktes durch Verkleinern
des Bereiches, in dem der Betriebsstrom sich verändert, ist möglich, indem
der Betriebsstrom zwischen einem Stromwert 40 oberhalb
des Laserschwellenwertes 36 und einem kleinen, aber nicht
auf Null gesetzten Stromwert 38 unterhalb des Laserschwellenwertes 36 variiert.
Durch die kleine Differenz zwischen 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. Somit 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 Kontrastverhältnis zu erhalten.
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Wie in 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
Monomode-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 Wellenlänge 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.
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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 Laserdiode 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.
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Ferner hat der gefilterte Lichtstrahl 22 eine deutlich
geringer Leistung als der Lichtstrahl 18, den das erste
Ende 14 empfängt,
da der Lichtleiter 16 nur eine Komponente des Lichtstrahls 18 überträgt.
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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 reduziert, der Lichtleiter 16 dagegen
die Leistung des Lichtstrahls 18 im eingeschalteten Zustand
nicht wesentlich verringert, ist das Kontrastverhältnis sehr
hoch und liegt überlicherweise
bei 500:1. Das hohe Kontrastverhältnis
verbessert die Abbildungsqualität
und verhindert ein "Verschleiern", ein Problem, das nachfolgend
beschrieben wird.
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Die Dämpfung des Lichtstrahls 18 im
eingeschalteten Zustand bewirkt, sowohl aufgrund der natürlichen
Dämpfungseigenschaften
des Lichtleiters 16 als auch aufgrund dessen Dämpfungswirkungen, 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 umgewandelt 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.
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Der Lichtstrahl 22 erzeugt
einen Bildpunkt auf einem Aufzeichnungsträger, 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 eingeschalteten als auch
im ausgeschalteten Zustand über
dem Belichtungswert, wird folglich der Aufzeichnungsträger zumindest
teilweise auch an Bildpunkten belichtet, die nicht belichtet werden sollen.
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3 zeigt
einen ersten Satz Bildpunkte 50 auf einem Aufzeichnungsträger mit
"verschleierten" Bildpunkten, d.h. bei dem kein großer Unterschied besteht
zwischen Bildpunkten, die belichtet sind (schwarz), und Bildpunkten,
die nicht belichtetet sein sollten (weiß), tatsächlich aber geringfügig belichtet sind.
Derartige verschleierte Bilder werden von Abbildungsvorrichtungen
mit einem geringen Kontrastverhältnis
erzeugt. Der Bildpunkt 52 ist ein belichteter Bildpunkt,
während
die Bildpunkte 54 und 56 unbelichtet sein sollten.
Sämtliche
Bildpunkte 52, 54 und 56 bestehen aus
verschiedenen Grauschattierungen. Ein Bild, das aus derartigen relativ
undifferenzierten 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 Bildpunkte werden von einer Abbildungsvorrichtung
mit hohem Kontrastverhältnis
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 tatsächlich keinerlei
Belichtung ausgesetzt gewesen und unterscheiden sich somit deutlich
von dem belichteten Bildpunkt 60.
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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 Laserschwellenwertes 36 variiert
wird. Das Kontrastverhältnis
ist geringer als erwünscht,
so daß der LED-Licht strahl,
der entsteht, wenn sich die Laserdiode 12 in einem ausgeschalteten
Zustand befindet, teilweise den Aufzeichnungsträger belichtet. Der zweite Satz
Bildpunkte 58 steht repräsentativ für Bilder, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum
Erzeugen eines Lichtstrahls hergestellt werden.
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4 zeigt
verschiedene unerwünschte
Eigenschaften eines durch eine Laserdiode 76 erzeugten
Laserstrahls 74. Der von der Laserdiode 76 ausgesandte
Laserstrahl 74 hat ein Streuungsmuster, 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
Laserstrahl 74 in Richtung der ersten Achse 70 auf
einer ersten Ebene 66 und in Richtung der zweiten Achse 72 auf
einer zweiten Ebene 68 fokussiert ist. Üblicherweise haben die beiden
Ebenen 66 und 68 einen Abstand von 6 bis 10 μm voneinander.
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Die Erfindung beseitigt diese unerwünschten Eigenschaften,
aufgrund derer der Laserstrahl der Laserdiode zur Verwendung in
einer Abbildungsvorrichtung ungeeignet ist. So ist bekannt, daß ein Monomode-Laserstrahl
von Natur aus kreissymmetrisch ist und nur begrenzt gebeugt werden
kann, also kein verzerrtes Streuungsmuster besitzt und folglich
nicht unter Astigmatismus leidet. Wie in 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 Kollimationslinse 24 ausgerichtet
werden. Folglich kann auf aufwendige optische Einrichtungen, die
Astigmatismus und Verzerrungen des Lichtstrahls 22 ausgleichen
sollen, verzichtet und die mit diesen verbundenen Ausrichtprobleme
vermieden werden.
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Zusätzlich zur Beseitigung der
verschiedenen unerwünschten
optischen Eigenschaften des Lichtstrahls 22, bietet die
Erfindung mechanische Vorteile gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen 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 Vorrichtung
zum Erzeugen eines Lichtstrahls. Wie in 5 gezeigt ist, ist das zweite Ende 20 des
Lichtleiters 16 an einer 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 Erzeugen 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.
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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 angeordnet. Das erste Ende 14 ist üblicherweise
an einer elektrischen Baueinheit 84 befestigt, in der elektronische
Bauelemente (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 ausgerichtet werden.
Folglich kann, wenn die Laserdiode 12 ausfällt, 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 ersetzt und mit dem Lichtleiter 16 verbunden
werden. Da das zweite Ende 20, aus dem der gefilterte Lichtstrahl 22 austritt,
entfernt von den elektronischen Bauteilen der elektronischen Baueinheit 84 angeordnet
ist, ist das zweite Ende 20 auch entfernt von Störungen angeordnet,
die durch die elektronische Baueinheit 84 verursacht werden.
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In den 6 und 7 ist ein Abschnitt einer
Abbildungsvorrichtung 90 mit Innentrommel 92 gezeigt, die
die zuvor beschriebene Vorrichtung 10 zum Erzeugen des
Lichtstrahls verwendet. 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, vorzugsweise aus Aluminiumguß, mit mehreren
entlang des Außenumfangs,
zueinander beabstandeten Versteifungsrippen (nicht dargestellt).
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Wie in 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 Polyester verwendet werden, deren
Oberfläche
mit einer lichtempfindlichen Emulsion beschichtet ist. Die Oberfläche 94 hat
mehrere Öffnungen 96 (vgl. 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 Vakuum angelegt
werden kann. Das Vakuum hält
den Aufzeichnungsträger 101 während des
Belichtungsprozesses fest. In gleicher Weise können andere Verfahren eingesetzt
werden, um den Aufzeichnungsträger 101 zu
halten, wie beispielsweise elektrostatische oder mechanische Haltetechniken.
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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
einem 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 abgegeben
wird, um auf dem Aufzeichungsträger 101 eine
Reihe Abtastlinien 118 zu erzeugen (vgl. 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 Spiegeloberfläche 115 hat vorzugsweise
eine exzentrische parabolische Krümmung.
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Der Linearmotor 112 bewegt
den Schlitten 102 entlang der Führung 100. Als Linearmotor 112 dient
vorzugsweise ein Gleichstrommotor 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 Schlittenbewegung bewegt. Die Abbildung von Grafiken erfordert
einen hohen Grad an Präzision,
wenn der Lichtstrahl 104 den Aufzeichnungsträger 101 überstreicht,
so daß die
konstante Geschwindigkeit, mit der der Schlitten 102 entlang
der Führung 100 bewegt
wird, kritisch ist. Ungleichmäßigkeiten
in der Bewegung oder Veränderungen
in der Geschwindigkeit des Schlittens 102 führen dann
zu dem Problem der "Streifenbildung", d.h. der Bildung längsverlaufender
Linien auf dem Aufzeichnungsträger 101.
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In 8 ist
schematisch eine Motorsteuerung 126 gezeigt, die aus einer
Steuereinheit 128, einer Servo-Steuereinheit 130,
einem Serva-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 anzehlendes
Signal sowohl an die Servo-Steuereinheit 130, um den Positions-Regelkreis
mit der Servo-Steuereinheit 130 zu schließen, als
auch an die Steuereinheit 128.
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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 Linearmotors 112 und
die Signalabgabe, um das Abtasten des Aufzeichnungsträgers 101 zu
beginnen oder zu beenden.
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Der Längenmeßgeber 134 hat einen
Maßstab
und einen Kodierkopf. 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.
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Bei Betrieb der Motorsteuerung 126 gibt
die Steuereinheit 128 an die Servo-Steuereinheit 130 ein Signal
ab, um den Linearmotor 112 anzuregen, damit dieser den
Schlitten 102 an eine vorgegebene Ausgangsposition am einen
Ende der Führung 100 bewegt.
Anschließend
wird ein Positionszähler
der Steuereinheit 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 erfaßt wird. Die Steuereinheit 128 speichert
in ihrem Speicher die Anzahl der gezählten Schritte zwischen der
Ausgangsposition 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 vorgegebenen Abstand kann der Schlitten 102 auf
eine konstante Geschwindigkeit beschleunigt werden, bevor er die
Kante des Aufzeichnungsträgers 101 erreicht.
Zu Beginn des Belichtungsvorganges 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 Steuereinheit 128 ein Anfangssignal ab, damit
mit dem Belichtungsvorgang 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. Anschließend
befiehlt die Steuereinheit 128 dem Schlitten 102,
sich mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit zur Ausgangsposition
zurückzubewegen.
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In den 9 und 10 ist eine weitere Ausführungsform
der Abbildungsvorrichtung 10 gezeigt, die ferner eine Variolinsenanordnung 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-Wellenlänge
liegt bei vorzugsweise weniger als 0,5%.
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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 befestigt, daß der
Spiegel 114 koaxial zur Symmetrieachse Z der Trommel 92 angeordnet
ist.
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Die Variolinsenanordnung 150 ist
am hinteren Ende 164 des Schlittens 102 befestigt
und enthält die
drei koaxial zueinander, mit Abstand voneinander angeordneten Linsengruppen 152, 154 und 156,
mit denen der von dem Lichtstrahlgenerator 116 emittierte
Lichtstrahl 103 vergrößert oder
dessen Durchmesser erweitert werden kann. Die Variolinsenanordnung 150 minimiert
die Auswirkungen optischer Turbulenzen, die die Abbildungsqualität nachteilig
beeinflussen. In der Innentrommel 92 ist der Lichtstrahl 103 Luftturbulenzen
ausgesetzt, wenn er entlang der Symmetrieachse Z der Innentrommel 92 zum
Spiegel 114 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 kleinen 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 Variolinsenanordnung 150 bei
ungefähr
4 mm liegt.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
der Variolinsenanordnung 150 besitzen die Linsengruppen 152, 154 und 156 Linsencharakteristika,
durch die der Durchmesser des eingestrahlten Lichtstrahls 103 afokal
expandiert wird. Dabei bedeutet afokal, daß sowohl der abgegebene Lichtstrahl 103 als
auch der aus der Variolinsenanordnung 150 austretende 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 Linsenanordnungen 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 Linsengruppe 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.