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Die
Erfindung betrifft Verfahren zur Verminderung von Unschärfen und
zur Einstellung der optischen Auflösung eines Belichtungsgerätes mit
einem Laserstrahl und einem fokussierenden Objektiv im Lichtweg
des Laserstrahls, insbesondere zum Belichten von Filmen oder Druckplatten
bei der Druckformherstellung.
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Bekannte
Laser-Belichtungsgeräte
enthalten eine Laserdiode, deren Ausgangslicht durch ein Objektiv,
z.B. eine einfache Sammellinse, auf die Belichtungsebene fokussiert
wird. Da man normalerweise einen möglichst punktförmigen Leuchtfleck
in der Belichtungsebene wünscht,
die Intensitätsverteilung
im Strahlquerschnitt einer Laserdiode aber stark elliptisch ist,
wählt man
die Größe und den
Abstand des Objektivs so, daß nur
ein zentraler Teil des Laserstrahls auf das Objektiv fällt, wobei
in Kauf genommen werden muß,
daß ein
großer
Teil der Lichtintensität
ungenutzt bleibt.
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In
dem zentralen Teil des Laserstrahls ist die Intensitätsverteilung
ungefähr
gleichförmig,
so daß das
Objektiv im wesentlichen gleichförmig
ausgeleuchtet wird.
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Ein
gleichförmig
ausgeleuchtetes Objektiv erzeugt jedoch Beugung, auf die gleiche
Art wie eine kreisförmige
Blende, und zwar eine Intensitätsverteilung
Ix=I0(J1(x)/x)2, mit I0=Bestrahlungsstärke im Maximum,
J1=Besselfunktion erster Art und x=Abstand vom
Maximum. So eine Intensitätsverteilung,
Airy-Verteilung genannt, ähnelt
der Funktion (sin x)/x)2, wie sie nach Beugung
an einem Spalt auftritt, jedoch haben die Nullstellen ungleiche
Abstände.
Der erste dunkle Ring hat einen Winkelabstand =0,61 λ/A vom Maximum,
mit λ=Wellenlänge und
A= Radius des Objektivs.
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Die
Beugung aufgrund eines im wesentlichen gleichförmig ausgeleuchteten Objektivs
wirkt sich in der Belichtungsebene oder Bildebene als zusätzliche
Unschärfe
aus. Dieser Nachteil bekannter Laser-Belichtungsgeräte kann
vermieden werden, indem man ein sogenanntes Verlaufsfilter vor das
Objektiv setzt, das eine Beschichtung mit ungleichmäßiger Dicke
hat, um den Strahl zu seinem Umfang hin stetig abzuschwächen, so
daß eine
Gauss'sche Intensitätsverteilung
am Objektiv resultiert. Deren Beugungsbild, d.h. ihre Fouriertransformierte,
ist bekanntlich ebenfalls eine Gauss'sche Intensitätsverteilung ohne störende Nebenmaxima.
Die Herstellung von Verlaufsfiltern ist allerdings aufwendig, da
man zu ihrer Herstellung eine komplizierte Bedampfungstechnik benötigt.
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Laser-Belichtungsgeräte, die
dafür eingerichtet
sind, die Bildpunktauflösung
zu ändern,
haben noch einen weiteren Nachteil. Und zwar verändert man die optische Auflösung in
der Belichtungsebene dadurch, daß man den Strahldurchmesser
an dem fokussierenden Objektiv durch mehr oder weniger starkes Abblenden
einstellt. Der Punktdurchmesser in der Belichtungsebene ist umgekehrt
proportional zum Durchmesser des Strahls am Objektiv. Das bedeutet,
daß dem
größten Durchmesser
des Strahles am Objektiv der kleinste Punkt in der Belichtungsebene
entspricht. Für
eine grobe Auflösung
benötigt
man einen kleinen Strahldurchmesser. Das Abblenden des Strahles
verursacht erhebliche Lichtverluste, die etwa quadratisch umgekehrt
proportional zu der optischen Auflösung sind. Das heißt, bei
einer Vergrößerung des
Leuchtflecks in der Belichtungsebene um den Faktor zwei entsteht
ein Verlust in der Lichtleistung etwa um den Faktor vier. Dabei
wird gerade bei grober Auflösung
die höchste
Lichtleistung benötigt, um
eine ausreichende Strahlungsdichte zu gewährleisten.
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Daher
benötigt
man in Laser-Belichtungsgeräten
mit einstellbarer Auflösung
Laserdioden, deren Lichtleistung um ein Vielfaches viel höher sein
muß als
in der Belichtungsebene benötigt,
und die entsprechend kostspielig sind.
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Aus
der
US 3 664 737 ist
ein Verfahren der eingangs genannten Gattung bekannt, bei dem Blenden
im Strahlengang des Laserstrahls zur Strahlformung eingesetzt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beugungsbedingte Unschärfen bei
Laser-Belichtungsgeräten
auf einfachere Weise als mit einem Verlaufsfilter zu vermindern
bzw. eine Einstellung der Auflösung
mit besserem Wirkungsgrad zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß an
oder nahe an einer Strahltaille des Laserstrahls, die in Richtung
des Lichtweges vor dem Objektiv liegt, eine Lochblende im Lichtweg
angeordnet wird und die Lochblende und das Objektiv so dimensioniert
und angeordnet werden, daß im
wesentlichen das Hauptmaximum und nicht die Nebenmaxima der Intensitätsverteilung
des aus der Lochblende austretenden Lichtes auf das Objektiv treffen.
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Die
Strahltaille ist der kleinste Querschnitt, auf den sich ein Laserstrahl
fokussieren läßt. Im Falle eines
Halbleiterlasers wie einer Laserdiode liegt die Strahltaille am
Austrittsfenster des Laserchips, in dessen Nähe auch die Lochblende untergebracht wird.
Im Falle von Lasern allgemein kann man eine Strahltaille im freien
Raum erzeugen, z.B. indem man einen mehr oder weniger parallelen
Strahl mittels eines Objektivs auf einen Punkt im freien Raum fokussiert.
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An
der ungefähr
gleichförmig
ausgeleuchteten Lochblende wird das Laserlicht auf eine solche Weise
gebeugt, daß sich
hinter der Lochblende die oben beschriebene Airy-Verteilung der
Strahlintensität
ergibt.
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Zur
Verminderung von beugungsbedingten Unschärfen in der Belichtungsebene
gemäß der ersten
verfahrensmäßigen Lösung der
Erfindung werden die Lochblende und das Objektiv so dimensioniert
und angeordnet, daß im
wesentlichen das Hauptmaximum und nicht die Nebenmaxima der Airy-Verteilung
auf das Objektiv treffen. Das Hauptmaximum der Airy-Verteilung hat
praktisch die gleiche Form wie eine Gauss-Verteilung, so daß der vom
Objektiv erzeugte Leuchtfleck in der Belichtungsebene eine Gauss'sche Intensitätsverteilung
ohne störende Nebenmaxima
erhält,
ohne ein aufwendiges Verlaufsfilter verwenden zu müssen.
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Zur
Erzeugung eines kreisrunden Leuchtflecks in der Belichtungsebene
verwendet man eine kreisrunde Öffnung
in der Lochblende. Falls der Laserstrahl einen stark elliptischen
Strahlquerschnitt hat, kann es sinnvoll sein, den Durchmesser der kreisrunden
Lochblende nicht wesentlich kleiner zu machen als der kleinste Strahldurchmesser
an der Strahltaille, um Leistungsverluste zu vermeiden. In diesem
Fall ist die Intensitätsverteilung
am Objektiv in einer Richtung praktisch als konstant anzusehen, während sie
in der dazu senkrechten Richtung einen zentralen Ausschnitt aus
einer Gauss-Verteilung darstellt. Diese erzeugt ein Beugungsmuster,
das eine Mischung aus einer Gauss- und einer Airy-Verteilung darstellt
und das, nachdem die äußeren Nebenmaxima
der Airy-Verteilung nicht auf das Objektiv fallen, ebenfalls einen
annähernd
Gauss-förmigen
Intensitätsverlauf
am Objektiv und folglich auch in der Belichtungsebene ergibt.
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Eine
zweite Lösung
der Aufgabe sieht erfindungsgemäß vor, daß die Auflösung durch
Dimensionierung der Öffnung
in einer Lochblende eingestellt wird, die an oder nahe an einer
Strahltaille des Laserstrahls, die in Richtung des Lichtweges vor
dem Objektiv liegt, im Lichtweg angeordnet wird.
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Eine
Lochblende mit kleiner Öffnung
ergibt einen großen
Durchmesser des Hauptmaximums am Objektiv, was einen Leuchtfleck
mit kleinem Durchmesser in der Belichtungsebene liefert. Eine Lochblende
mit großer Öffnung ergibt
einen kleinen Durchmesser des Hauptmaximums am Objektiv, was einen
Leuchtfleck mit großem
Durchmesser in der Belichtungsebene liefert. Das heißt, bei
dem größten Punktdurchmesser
in der Belichtungsebene ergibt sich gleichzeitig der höchste optische
Wirkungsgrad. Dieser wesentliche Unterschied zu der bisherigen Lösung ermöglicht es,
ein Belichtungsgerät
mit einstellbarer Auflösung
zu realisieren, das mit einer Laserdiode mit relativ kleiner Leistung
auskommt.
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Dies
wird dadurch erreicht, daß die
Blende nicht in der Nähe
des Objektivs, wie bei bekannten Laser-Belichtungsgeräten mit
einstellbarer Auflösung,
sondern an der Strahltaille angeordnet wird. Dies ist als Verlagerung
der Blende in die "Fourier-Ebene" anzusehen, das heißt, das
Abblenden des Strahls wird nicht an der Intensitätsverteilung am Objektiv, sondern
an deren Fouriertransformierten durch geführt, mit dem gewünschten
günstigen
Ergebnis.
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Bei
der Realisierung des zweiten Aspektes der Erfindung, der einstellbaren
Bildpunktauflösung ohne übermäßige Leistungsverluste,
muß man
jedoch beugungsbedingte Unschärfen
wie bei bekannten Laser-Belichtungsgeräten ohne Verlaufsfilter in Kauf
nehmen, wenn bei kleinem Strahldurchmesser Beugungsringe auf das
Objektiv fallen.
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Dies
kann zum Beispiel dadurch vermieden werden, daß man eine weitere einstellbare
Blende unmittelbar vor dem Objektiv vorsieht, beispielsweise eine
Irisblende, deren Öffnungsdurchmesser
in Abhängigkeit
vom Öffnungsdurchmesser
der Blende an der Strahltaille gerade so eingestellt wird, daß alle Beugungsringe
ausgeblendet werden. Auf diese Weise gelingt es, beide Aspekte der
Erfindung und deren Vorteile in einem Verfahren zu vereinen.
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Wie
erwähnt,
wird man die Öffnung
in der Lochblende normalerweise kreisrund gestalten. In manchen
Fällen
kann jedoch eine asymmetrische Form des Leuchtflecks in der Belichtungsebene
erwünscht
sein, beispielsweise um eine höhere
Auflösung
in der Abtastrichtung zu erzielen. Für eine elliptische Form des
Leuchtflecks macht man die Öffnung in
der Lochblende elliptisch. Eine elliptische Öffnung in der Lochblende kann
vorteilhaft auf den elliptischen Strahlquerschnitt einer Laserdiode
ausgerichtet werden, so daß die
Lichtleistungsverluste weiter vermindert werden. Zur Realisierung
von weiteren Leuchtfleckformen kann man auch nicht rotationssymmetrische
Blenden verwenden.
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Es
folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung anhand der Zeichnung.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch
eine Anordnung aus einer Lochblende und einem Objektiv in einem
Laser-Belichtungsgerät,
und
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2 einen schematischen Längsschnitt durch
eine Anordnung wie in 1,
bei der die Strahltaille mittels eines Objektivs erzeugt wird.
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1 zeigt ein Längsprofil
eines von links nach rechts laufenden Laserstrahls (2),
der sich aufweitet und auf ein Objektiv (4) trifft, das
als eine Sammel linse dargestellt ist. Das Objektiv (4)
fokussiert den Laserstrahl (2) in eine Bildebene oder Belichtungsebene
(6,) die gestrichelt eingezeichnet ist. Die Längsachse
des Laserstrahls (2) ist strichpunktiert eingezeichnet.
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Der
Laserstrahl (2) entstammt zum Beispiel einem Halbleiterlaser
wie einer Laserdiode (8) – gestrichelt eingezeichnet –, die von
sich aus einen Laserstrahl (4) abgibt, der sich unter einem
relativ großen
Winkel aufweitet. Der engste Strahlquerschnitt liegt in diesem Fall
am Austrittsfenster der Laserdiode (8). In der Nähe des Austrittsfensters
der Laserdiode (8), das heißt nahe an der Strahltaille,
ist eine Lochblende (10), deren z.B. kreisrunde Öffnung einen
etwas kleineren Durchmesser als der Laserstrahl (4) an
dieser Stelle hat, mittig auf den Laserstrahl (4) ausgerichtet.
Eine geeignete Lochblende (10) hat einen Durchmesser im μm-Bereich
und ist im Handel erhältlich.
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Die
Lochblende (10) blendet den Laserstrahl (2) um
einen zentralen Teil mit ungefähr
gleichförmiger
Intensitätsverteilung
im Strahlquerschnitt herum aus bzw. läßt einen zentralen Teil des
Laserstrahls (2) durch. Genauer, der Durchmesser der Lochblende
(10) ist in der Richtung, die in der Papierebene von 1 liegt, kleiner als die
Strahltaille des Laserstrahls (10), wobei die Strahltaille
als der Durchmesser definiert ist, bei dem die maximale Strahlintensität auf 1/e2 = 13,5% abgefallen ist. In der Richtung
senkrecht zur Papierebene kann die Strahltaille zum Beispiel ebenso
groß wie
der Durchmesser der Lochblende (10) oder auch größer oder
kleiner sein.
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Hinter
der Lochblende (10) breitet sich der Laserstrahl (2)
aufgrund von Beugung an der Lochblende (10) mit einer Intensitätsverteilung
(12) quer zur Strahlrichtung aus, die schematisch in Bezug
auf eine Schnittebene (14) zwischen der Lochblende (10)
und dem Objektiv (4) eingezeichnet ist. Die Intensitätsverteilung
(12) folgt der weiter oben erläuterten Airy-Verteilung, wobei
die Nebenmaxima oder Beugungsringe zur Verdeutlichung stark überhöht eingezeichnet
sind.
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Die
Lochblende (10) und das Objektiv (4) werden so
dimensioniert und angeordnet, daß im wesentlichen das Hauptmaximum
der Intensitätsverteilung
(12), nicht aber deren Nebenmaxima auf das Objektiv (4)
fallen. Das Hauptmaximum der Intensitätsverteilung (12)
gleicht im wesentlichen einer Gauss-Verteilung. Das derart ausgeleuchtete
Objektiv (4) in der Belichtungsebene (6), d.h.
einen Leuchtfleck ohne Nebenmaxima, die sich im Gesamtbild als Unschärfe auswirken
würden.
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Falls
die Lochblende (10) nicht unmittelbar auf der Strahltaille
angeordnet werden kann, wie es bei einer Laserdiode normalerweise
der Fall ist, genügt
es, wenn die Lochblende (10) in der Nähe der Strahltaille angeordnet
wird. Die vorteilhafte Wirkung ist dann möglicherweise etwas verringert,
da geringfügige
Nebenmaxima in der Belichtungsebene (6) auftreten, diese
sind in der Regel aber vernachlässigbar.
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Falls
als Strahltaille nicht diejenige an der Austrittsöffnung einer
Laserdiode genutzt wird, sondern eine Strahltaille gezielt erzeugt
wird, kann die Lochblende (10) genau auf der Strahltaille
angeordnet werden.
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2 zeigt die Erzeugung einer
Strahltaille im freien Raum vor dem Objektiv (4) bei Verwendung eines
beliebigen Lasers (16). Zur Erzeugung der Strahltaille
wird der Laserstrahl (2) einfach durch ein weiteres Objektiv
(18) geleitet, in dessen Brennebene die Lochblende (10)
angeordnet wird.
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Es
hat sich gezeigt, daß in
einer praktischen Ausführung
die Lochblende (10) einen nur wenig kleineren Durchmesser
als die Strahltaille des Laserstrahls (2) zu haben braucht.
Der Verlust an Lichtleistung, der durch die teilweise Ausblendung
und Beugung des Laserstrahls (2) an der Lochblende verursacht
wird, ist jedenfalls nicht wesentlich größer als der Lichtverlust in
einem Verlaufsfilter, wie es im Stand der Technik verwendet wird,
möglicherweise sogar
geringer.
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Bei
einem Laserstrahl (2) mit elliptischem Querschnitt, wie
er von der Laserdiode (8) in 1 erzeugt
wird, entstehen bei Verwendung einer kreisrunden Lochblende (10)
zwar erhebliche Abschattungsverluste, diese sind bei Verwendung
eines Verlaufsfilters aber ebenso groß.
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Anderseits
ermöglicht
es die Erfindung, z.B. eine elliptische oder anders geformte Lochblende (10)
zu verwenden, die auf den elliptischen Strahlquerschnitt der Laserdiode
(8) ausgerichtet ist und die einen ellipsenförmigen oder
auch asymmetrischen Leuchtpunkt in der Belichtungsebene (6)
erzeugt, wobei gleichzeitig die abschattungsbedingten Leistungsverluste
kleiner werden. Eine ellipsenförmige
oder asymmetrische Bildpunktform kann bei einem Laser-Belichtungsgerät erwünscht sein,
um in einer bestimmten Richtung eine besonders hohe Auflösung zu
erzielen, z.B. in der Abtastrichtung.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird eine Anzahl von Lochblenden (10) mit unterschiedlichen Öffnungsdurchmessern
vorgesehen, oder man verwendet eine bewegliche Blende, die eine
Anzahl von Öffnungen
mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder Formen hat. Außerdem wird
das Objektiv (4) so groß gemacht bzw. so angeordnet,
daß zumindest
das Hauptmaximum des aus der kleinsten Lochblende (10)
resultierenden Beugungsmusters auf das Objektiv (4) fällt. Durch
Wechseln der Lochblende (10) kann der Strahldurchmesser
am Objektiv (10) und somit der Durchmesser des Leuchtflecks
in der Belichtungsebene (6) geändert werden. Somit erhält man eine
Möglichkeit,
die Bildpunktauflösung
des Laser-Belichtungsgerätes mit
hohem Wirkungsgrad zu ändern.