DE19728201B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines Lichtstrahls in einer Abbildungsvorrichtung - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines Lichtstrahls in einer Abbildungsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Erzeugen eines Lichtstrahles in einer Abbildungsvorrichtung mit einer Ablenkvorrichtung (114) zum Ablenken des Lichtstrahls zum Belichten eines Aufzeichnungsträgers (101),
bei der ein Lichtstrahlgenerator (10, 12, 116) entsprechend Steuersignalen in einem ersten Zustand einen kohärenten Lichtstrahl (18, 103) mit vorgegebenem Modus und in einem zweiten Zustand einen inkohärenten Lichtstrahl (18, 103) erzeugt, und
bei der ein optisch an den Lichtstrahlgenerator (10, 12) gekoppelter Modusfilter (16) der nicht dem vorgegebenen Modus entsprechende Bestandteile des Lichtstrahls (18, 103) auf einen Wert unter den Belichtungswert des Aufzeichnungsträgers (101) dämpft, den kohärenten Lichtstrahl (18, 103) mit einem ersten Leistungspegel (44) über dem Belichtungswert zum Belichten des Aufzeichnungsträgers (101) an die Ablenkvorrichtung (114) überträgt und den inkohärenten Lichtstrahl (18, 103) auf einen zweiten Leistungspegel (42) unter dem Belichtungswert dämpft, wobei der Lichtstrahl (18, 103) einen ersten Durchmesser hat,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Strahlengang zwischen dem Modusfilter (16) und der Ablenkvorrichtung (114) und nahe bei dieser eine optische Anordnung (150) zum Aufweiten des Lichtstrahls (18, 103) vom ersten kleinen Durchmesser auf einen vergrößerten zweiten Durchmesser angeordnet ist.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Schließlich wäre es von Vorteil, einen Lichtstrahlgenerator mit hohem Abbildungstakt bereitzustellen, der einen Laserstrahl mit hohem Kontrastverhältnis emittiert.
  • 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.
  • Bei einer solchen Vorrichtung treten aber trotzdem noch Verschlechterungen der Abbildungsqualität durch optische Turbulenzen im Lichtstrahl auf. Diese optischen Turbulenzen werden durch Luftturbulenzen verursacht.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
  • 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Lichtstrahls,
  • 2 ein Diagramm, in dem die Leistungsabgabe einer Laserdiode für verschiedene Betriebsstromwerte gezeigt ist,
  • 3 eine schematische Darstellung belichteter und unbelichteter Bildpunkte auf einem Aufzeichnungsträger,
  • 4 eine schematische Darstellung eines durch eine Laserdiode erzeugten Laserstrahls,
  • 5 eine Darstellung der Vorrichtung nach 1, wie sie in einer erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung verwendet wird,
  • 6 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Abschnitts einer Innentrommel in einer erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung,
  • 7 eine vereinfachte Darstellung, die die Vorrichtung nach 6 beim Belichten eines Oberflächenabschnittes eines Aufzeichnungsträgers mit einem Laserstrahl zeigt,
  • 8 eine schematische Darstellung einer Motorsteuerung der Abtastvorrichtung nach 6,
  • 9 eine vereinfachte Darstellung einer Variolinsenanordnung einer Abtastvorrichtung, und
  • 10 eine detailliertere Darstellung der Variolinsenanordnung nach 9.
  • 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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%.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Lichtstrahles in einer Abbildungsvorrichtung mit einer Ablenkvorrichtung (114) zum Ablenken des Lichtstrahls zum Belichten eines Aufzeichnungsträgers (101), bei der ein Lichtstrahlgenerator (10, 12, 116) entsprechend Steuersignalen in einem ersten Zustand einen kohärenten Lichtstrahl (18, 103) mit vorgegebenem Modus und in einem zweiten Zustand einen inkohärenten Lichtstrahl (18, 103) erzeugt, und bei der ein optisch an den Lichtstrahlgenerator (10, 12) gekoppelter Modusfilter (16) der nicht dem vorgegebenen Modus entsprechende Bestandteile des Lichtstrahls (18, 103) auf einen Wert unter den Belichtungswert des Aufzeichnungsträgers (101) dämpft, den kohärenten Lichtstrahl (18, 103) mit einem ersten Leistungspegel (44) über dem Belichtungswert zum Belichten des Aufzeichnungsträgers (101) an die Ablenkvorrichtung (114) überträgt und den inkohärenten Lichtstrahl (18, 103) auf einen zweiten Leistungspegel (42) unter dem Belichtungswert dämpft, wobei der Lichtstrahl (18, 103) einen ersten Durchmesser hat, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen dem Modusfilter (16) und der Ablenkvorrichtung (114) und nahe bei dieser eine optische Anordnung (150) zum Aufweiten des Lichtstrahls (18, 103) vom ersten kleinen Durchmesser auf einen vergrößerten zweiten Durchmesser angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Modusfilter ein Monomode-Lichtleiter (16) ist, und dass der Lichtstrahlgenerator (10, 12, 116) 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) arbeitet, wenn der Betriebsstrom einen Wert unter einem Laserschwellenwert (36) hat.
  4. Verfahren zum Erzeugen eines Lichtstrahls in einer Abbildungsvorrichtung mit einer Ablenkvorrichtung (114) zum Ablenken des Lichtstrahls zum Belichten eines Aufzeichnungsträgers (101), bei dem beim Empfangen eines ersten Steuersignals ein kohärenter Lichtstrahl (18, 103) mit vorgegebenem Modus und beim Empfangen eines zweiten Steuersignals ein inkohärenter Lichtstrahl (18, 103) erzeugt wird, der kohärente Lichtstrahl (18, 103) mit einem ersten Leistungspegel (44) über dem Belichtungswert zum Belichten des Aufzeichnungsträger (101) an die Ablenkvorrichtung (114) übertragen wird, und bei dem der inkohärente Lichtstrahl (18, 103) auf einen zweiten Leistungspegel (42) unter dem Belichtungswert gedämpft wird, wobei der Lichtstrahl (18, 103) einen ersten Durchmesser hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (18, 103) beim Übertragen an die Ablenkvorrichtung (114) unmittelbar vor dieser vom ersten kleinem Durchmesser auf einen vergrößerten zweiten Durchmesser aufgeweitet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des kohärenten Lichtstrahls (18) ferner den Schritt enthält, einer Laserdiode (12) von einer Stromquelle (26) einen Betriebsstrom zuzuführen, dessen Wert einen Laserschwellenwert (36) übersteigt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des inkohärenten Lichtstrahls (18) ferner den Schritt enthält, dass der an der Laserdiode (12) anliegende Betriebsstrom einen Wert unter dem Laserschwellenwert (36) hat.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung des inkohärenten Lichtstrahls (18) etwa 12 dB beträgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale entsprechend einem erfassten Bildsignal erzeugt werden.
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