DE2054760B2 - Anordnung zum ansteuern eines optischen datendruckers - Google Patents

Anordnung zum ansteuern eines optischen datendruckers

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ansteuern eines optischen Datendruckers, mit dem Zeichen mittels abgelenkter Lichtstrahlen auf einem licht- bzw. thermisch-empfindlichen Aufzeichnungsträger aufgezeichnet werden, wobei die Ablenkung durch einen zweistufigen, akustooptischen Lichtablenker oder durch einen einstufigen akustooptischen Lichtablenker und einen elektrooptischen und/oder mechanischen Lichtablenker erfolgt.
Zum Auslesen von Informationen aus Großrechenanlagen sowie aus holografischen Datenspeichern besteht die Notwendigkeit, über Drucker extrem hoher Schreibgeschwindigkeit zu verfügen, wofür sich vor allem Lichtdrucker eignen. Für die Verwendung von Lichtdruckern werden Ablenksysteme benötigt, bei denen der Lichtstrahl zwischen beliebigen Positionen im direkten Zugriff umgetastet werden kann. Neben den bekannten elektrooptischen Ablenkverfahren eignet sich die akustooptische Ablenkung besonders, da sie den elektrooptischen Verfahren hinsichtlich Einfachheit, Transmissionsgrad und Strahlqualität überlegen ist.
Das Prinzip eines optischen Datendruckers ist beispielsweise aus der USA.-Patentschrift 3 220 013 bekannt. Akustooptische Lichtablenker und ihre elektronische Ansteuerung ist z. B. aus »Bell Laboratories Record«, Nov. 1968, S. 319 bis 325, bekannt. Die Ansteuerung der Lichtablenker erfolgt hierbei mittels eines sogenannten Frequenzsynthesizers, der jedoch den Nachteil aufweist, daß unterhalb des Nutzfrequenzbandes Störfrequenzen auftreten, die sich infolge der zweiten und dritten Beugungsordnungen [5 störend im eigentlichen Ablenkbereich auswirken. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Ansteuerelektronik liegt darin, daß die Umschaltzeiten der verwendeten Oszillatoren mehrere μβεο betragen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs bezeichneten Art hinsichtlich der Arbeitsgeschwindigkeit im Vergleich zum Stand der Technik zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Ansteuerung der akustooptischen Lichtablenker analog oder digital mit einem elektronisch kontinuierlich durchstimmbaren, eine Varaktordiode aufweisenden, Oszillator erfolgt, dessen Umschaltzeit kleiner als 1 μβεο ist.
Vorzugsweise wird die Spannungs-Frequenz-Kennlinie des elektronisch durchstimmbaren Oszillators durch ein Vorverzerrernetzwerk entzerrt.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die Spannungs-Frequenz-Kennlinie durch nicht äquidistante Spannungsstufen bzw. Binärzahlen entzerrt.
Die Zeichen können entweder durch analoge Steuerung der akustooptischen Lichtablenkung als kontinuierlicher Linienzug geschrieben werden, oder aber durch Digitalisierung der akustooptischen Lichtablenkung aus einem Lichtpunktmuster zusammengesetzt sein.
Vorteilhafterweise erfolgt zwischen den einzelnen Schreibpositionen keine Dunkeltastung des Lichtstrahls.
Vorzugsweise erfolgt die Digitalisierung durch Ansteuerung des elektronisch kontinuierlich durchstimmbaren Oszillators mit einem Digital-Analog-Umsetzer. Besonders günstig ist es, wenn die Zeichen als Unterhologramme in einer Hologrammatrix gespeichert sind.
Als Lichtquellen kommen dabei Edelgashochdrucklampen oder Laser in Betracht, deren Emission im blauen oder infraroten Teil des Spektrums liegt.
Akustooptische Lichtablenker sind in Verbindung mit geeigneten Lichtquellen und Aufzeichnungsmaterialien wegen ihrer hohen Auflösung, ihrer Ablenkgeschwindigkeit und dem Prozentsatz der abgelenkten Lichtintensität für den Einsatz als Lichtdrucker besonders geeignet. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß es sich bei der akustischen Strahlablenkung um ein analoges Ablenkverfahren handelt, das sich durch geeignete Ausbildung der Ansteuerelektronik digitalisieren läßt. Es ist insbesondere möglich, die Ansteuerelektronik, z. B. einen elektronisch durchstimmbaren HF-Generator, sowohl für analoge als auch für digitale Betriebsarten auszulegen, d. h., die Zeichen können in der Anwendung des Lichtablenkers als Datendrucker entweder aus Lichtpunkten zusammen-
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gesetzt oder mittels eines elektronischen Zeichengenerators als kontinuierlicher Linienzug geschrieben sowie auch durch Anstrahlen von Masken (speziell von Hologrammen) mit dem Ablenker erzeugt werden. Darüber hinaus lassen sich grafische Darstellungen als stetige Kurvenzüge aufzeichnen, im Gegensatz zum Plotverfahren bisheriger Schnelldrucker. Außerdem ist es möglich, durch entsprechende Programmierung der Ansteuerelektronik nahezu beliebige Formate zu wählen. .
Zur Ansteuerung eines digitalisierten akustooptischen Lichtablenkers gibt es verschiedene Möglichkeiten. Einmal können die diskreten Steuerfrequenzen durch Umschaltung eines elektronisch durchstimmbaren Oszillators gewonnen werden, dessen Frequenz mit einem bestimmten Spannungshub zwischen zwei Frequenzen F1 und F2 durchstimmbar ist. Durch Mischen des Oszillatorsignals mit einer Festfrequenz können in einem bestimmten Frequenzbereich beliebige Frequenzen erzeugt werden. Die zum Umschalten des Oszillators nötigen Spannungsstufen werden dabei von einem Digital-Analog-Umsetzer erzeugt, dessen Ausgangssignal zur Linearisierung der Spannungs-Frequenz-Charakteristik des Oszillators mit einem Entzerrernetzwerk vorverzerrt wird.
Die Umschaltzeit des elektronisch durchstimmbaren Oszillators liegt unter 1 μβεο und ist an die von der akustooptischen Wechselwirkung her gegebenen Schaltzeiten in der Größenordnung von 0,5 bis 5 μβεο angepaßt. -
Die Umschaltzeit des Oszillators ist dabei definiert als die Zeit, die vom Anlegen der digitalen Strahladresse bis zum Einschwingen des Oszillators auf die entsprechende Frequenz mit der geforderten Toleranz (von z. B. 100 bis 200 kHz) vergeht.
Wegen der endlichen Empfindlichkeit von lichtempfindlichen Materialien ist die vom Ablenker übertragene Lichtleistung eine entscheidende Größe. Sie kann 70% der eingestrahlten Lichtleistung betragen, wenn die beispielsweise zu verwendende Laserlichtquelle und das zur Ablenkung dienende Schallmedium aneinander angepaßt sind. Anpassung bedeutet im weiteren Sinn, daß die Wellenlänge des Lasers und die in den sogenannten »Gütefaktor« des Schallmediums eingehenden Größen (Brechungsindex und elastooptischer Koeffizient) optimal aufeinander abgestimmt sind. Diese Abstimmung muß im Hinblick auf die Dispersion dieser Größen, auf die im geeigneten Wellenlängenbereich verfügbare Laserleistung sowie auf die wellenlängenabhängige Empfindlichkeit des Aufzeichnungsmaterials erfolgen.
Das Prinzip der akustooptischen Lichtablenkung beruht auf der Erscheinung der Lichtbeugung an Ultraschallwellen. Die fortlaufende Schallwelle verursacht im Medium Druckschwankungen und infolge des elastooptischen Effekts räumlich periodische Änderungen des optischen Brechungsindex, so daß ein in Richtung der Schallwellenfront einfallender Lichtstrahl wie an einem Beugungsgitter in verschiedene Ordnungen abgebeugt wird. Wesentlich dabei ist, daß der Beugungswinkel vom Abstand der Druckmaxima, d. h. aber von der Wellenlänge und damit Frequenz der Ultraschallwelle abhängig ist.
Bei einer von der Breite des Schallstrahls abhängigen Schallgrenzfrequenz, die in der Größenordnung von einigen MHz liegt, kommt es durch destruktive Interferenzen der abgebeugten Lichtanteile zu einem weitgehenden Verschwinden der Beugungserscheinungen. Neigt man jedoch die Einfallsrichtung des Lichts gegen die Schallwellenfront um einen kleinen Winkel, so ist eine Braggreflexion des Lichts an den Wellenfronten des Schalls zu beobachten. Diese Erscheinung steht in Analogie zur Braggreflexion von Röntgenstrahlen an Kristallgitterebenen.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Aufbau eines akustooptischen Ablenkers, wie er zum Einsatz für Schnelldrucker geeignet ist;
F i g. 2 zeigt die Aufteilung des Druckerpapiers;
Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines aus Lichtpunkten zusammengesetzten Zeichens;
F i g. 4 zeigt eine Anordnung zur Generierung von Zeichen durch Rekonstruktion von Hologrammen mit dem abgelenkten Lichtstrahl;
Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild eines digital programmierbaren Frequenzgenerators;
F i g. 6 zeigt das Blockschaltbild eines durchstimmbaren Oszillators.
Der in Fi g. 1 vom Laser 1 kommende Lichtstrahl durchläuft das Strahlaufweitungssystem 2, die beiden Ultraschallablenker 3, 4, die elektrooptischen Ablenkstufen 5, sowie das der Vergrößerung des Ablenkwinkels und der Fokussierung des Lichtstrahls auf den Aufzeichnungsträger 7 dienende Teleskop 6. Da die Ausbreitungsrichtungen der beiden Ultraschallwellen senkrecht aufeinander stehen, wird der Lichtstrahl zweidimensional abgelenkt. Jede Ablenkrichtung ist durch das Frequenzpaar fx, fy der beiden Schallwellen eindeutig bestimmt. Mit zwei bis drei nachfolgenden elektrooptischen Ablenkstufen 5 ist eine zusätzliche Versetzung des erzeugten Punkterasters möglich. Eine Montage des Ablenkers auf dem Laser selbst ist möglich, wenn der Laserstrahl mit Spiegeln gefaltet wird.
Die Zahl der unterscheidbaren Ablenkrichtungen für eine Stufe beträgt
N =
Ablenkwinkelbereich
Beugungsunschärfe
des einfallenden Lichtstrahles
λ a
a = Lichtstrahlapertur.
/ = Schallfrequenz.
Af = Frequenzänderung.
λ = Lichtwellenlänge im Medium.
ν = Schallgeschwindigkeit im Medium.
Bei Einbeziehung eines Sicherheitsfaktors ergibt sich
Ein zweistufiger (zweidimensionaler) Ablenker besitzt das Auflösungsvermögen N2.
Die Umschaltzeit zwischen zwei Strahlrichtungen ist gleich der Laufzeit der Schallwellenfront durch die Lichtstrahlapertur
τ = — V
Durch Kombination der Gleichungen 1 und 2 ergibt sich das sogenannte Kapazitäts-Geschwindigkeits-Produkt
Das Kapazitäts-Geschwindigkeits-Produkt ist ein Maß für die Leistungsfähigkeit eines Lichtablenkers. Es ist nur von der Bandbreite des Ablenkers abhängig. Die beim gegenwärtigen Stand der Transducertechnik erreichbare Bandbreite akustooptischer Ablenker liegt bei etwa 400 MHz. Damit ergibt sich ein mögliches Kapazitäts-Geschwindigkeits-Produkt
CSP = 2 · 108 see"1 .
Nach der Umschaltung soll der Laserstrahl nochmals eine Zeit t auf der gewählten Position verbleiben, um danach auf den nächsten Punkt zu springen. Die Gesamtzeit pro Punkt Tp = 2 τ (Schältzeit + Verweilzeit) soll hier als Punktzeit bezeichnet werden. Demnach wird (N ■ Tp1Lax = 1Ö8 see"1.
Fi g. 2 zeigt eine mögliche Aufteilung des Druckerpäpiers, wie sie z. B. unter Zugrundelegung der Zeilenbreite des Siemens-Schnelldruckers erfolgen kann. Jedes Zeichen wird dabei durch ein Punktmuster innerhalb eines Feldes mit 5 · 7 Lichtstrählpositionen dargestellt (F ig. 3).
Das Kapazitäts-Geschwindigkeits-Produkt des Ablenkers von ΙΟ8 see"1 soll so ausgenutzt werden, daß "bei einer Puriktzeit von 2,5 μβ (= 400000 Punkte/s) 256 ■ 2*56 Strählpositionen vorhanden sind. Innerhalb
dieses Feldes lassen sich in jeder Zeile -=- =51 und
1JCf.
in jeder Spalte -=- = 36 Zeichen unterbringen. Nimmt
man an, daß jede Zeile nur zu 50% mit Zeichen beschrieben wird, so ergibt sich als Schreibzeit für das Feld:
T= 2,5 μβ Punktzeit · 11 durchschnittliche Zahl der Punkte pro Zeichen · 25 Zeichen pro Zeile ■ 36 Zeilen pro Feld.
T κ 25 ms.
Nach dem Vollschreiben des Feldes soll der Ablenkbereich durch den elektrooptischen Ablenker um die Feldbreite nach rechts versetzt werden. Der Schreibvorgang kann nun fortgeführt werden. Da jede Seite mit 132-36 Zeichen 2,6 Felder des akustooptischen Ablenkers enthält, beträgt die Schreibzeit für eine so definierte Seite:
Ts = 2,6 T= 2,6 · 25 ms = 65 ms.
Ein weiteres Steuersignal am elektrooptischen Ablenker befördert den Lichtstrahl in die erste Spalte der nächsten Seite. Der Schreibvorgang kann nun fortgesetzt werden. Nachdem zwei Reihen mit insgesamt 72 Zeilen vollgeschrieben sind, erfolgt ein Papiervorschub, der 70 ms lang dauern soll.
Die Gesamtzeit einschließlich Vorschub für 72 Zeilen beträgt somit:
t(72) = 2 · 65 ms + 70 ms = 200 ms .
Als Zähl der Druckzeilen pro Sekunde ergibt sich 360 Zeilen/sec.
Eine prinzipiell andere Möglichkeit der Zeichengenerierung unter Zurhilfenahme der Holografie ist in Bi 1 d 4 dargestellt. Die Zeichen werden nicht direkt vom Lichtstrahl geschrieben, sondern sind in verschlüsselter Form als Unterhologramme 10 in einer Hologrammatrix 14 gespeichert. Ein akustooptischer Ablenker 9 mit einer dem Zeichenvorrat entsprechenden Zahl von etwa 40 bis 60 Strahlrichtungen, liefert den schwenkbaren Wiedergabestrahl, der die in den Hologrammen 10 gespeicherten Zeichen rekonstruiert und ein reelles Bild des gewünschten Zeichens erzeugt.
Läßt man das Zeichen durch Verwendung eines Riesenimpulslasers 8 nur sehr kurz (Bruchteile von Mikrosekunden) aufblitzen, so ist die Abbildung des Zeichens an der gewünschten Stelle des Druckerpapiers 7 durch einen kontinuierlich bewegten Polygonspiegel 11 (Horizontalablenkung) und einen schrittweise bewegten Polygonspiegel 12 (Vertikalablenkung) möglich.
Eine besonders einfache Realisierung des optischen Druckers mit etwa geringerer Schreibgeschwindigkeit besteht darin, das Zeichen mit einem einfachen äkustooptischen Ablenker zu generieren und seine Positionierung durch Drehspiegelablenker vorzunehmen. Die mit einem solchen Prinzip erreichbaren Schreibgeschwindigkeiten bewegen sich in der Größenordnung von 10 Zeilen pro Sekunde. Dieses Verfahrenhät den Vorteil einer sehr guten Ausnutzung der Lichtleistung.
Das Blockschaltbild eines digital programmierbaren Frequenzgenerators ist in Fig. 5 wiedergegeben. Die von einem Binärzähler 15 oder einem Adressengeber 16 angelieferten Strahladressen werden über einen schnellen Digital-Analog-Umsetzer 17 mit maximal 28 = 256 Spannungsstufen und über ein Entzerrernetzwerk 18 dem Oszillator 19 zugeführt, dessen Ausgangssignale, durch einen Breitbandverstärker 20 verstärkt, den Wandler 21 steuern. Die gesamte Umschaltzeit der Anordnung beim Umschalten des Oszillators von der tiefsten zur höchsten Frequenz liegt Unter einer Mikrosekunde.
Die Frequenz des elektronisch durchstimmbaren Oszillators läßt sich mit einem Spannungshub von 10V zwischen 240 MHz und 340 MHz variieren. Wie in F i g. 6 dargestellt, wird die von einem Festoszillator 22 stammende feste Frequenz (/0 χ 220 MHz) mit der von einem variablen Oszillator 19 stammenden Frequenz in einem Mischer 23 gemischt und über einen Tiefpaß 24, der mit einer Grenzfrequenz von 170 MHz die höherfrequenten Mischanteile herausfiltert, dem Breitbandverstärker zugeführt.
Die elektronische Ansteuerung kann auch mit einem mittels einer Varaktordiode elektronisch durchstimmbar gemachten Oszillator erfolgen, dessen Spannungs-Frequenz-Kennlinie ebenfalls mit einem Vorverzerrernetzwerk linearisiert wird. Eine Entzerrung der Kennlinie kann man auch durch Verwendung nicht äquidistanter Spannungsstufen bzw. Binärzahlen zur Steuerung des Oszillators erreichen. Soll ein Zeichen als kontinuierlicher Linienzug geschrieben werden, so wird zur elektronischen Ansteuerung ebenfalls ein elektronisch durchstimmbar gemachter Oszillator verwendet. Die Umsetzung von binärer Zeicheninformation in die zum Ablenken des Lichtstrahls erforderlichen Signale kann dabei simultan mit dem Schreiben des Zeichens durchgeführt werden. Der Digital-
Analog-Umsetzer entfallt in diesem Fall, jedoch ist eine Vorverzerrung der Kennlinie des Oszillators, z. B. durch ein Diodennetzwerk, auch hier erforderlich.
Im Prinzip sind als Lichtquellen neben Laser auch Quecksilber- bzw. Edelgashochdrucklampen geeignet. Im sichtbaren Bereich erscheint die Verwendung von
leistungsstarken Lasern mit blauer Emission wegen des günstigen Beugungswirkungsgrades akustooptischer Ablenker bei kurzen Wellenlängen besonders günstig. Auch die Verwendung von Infrarot-Lasern ist möglich, wenn thermisch-empfindliche Aufzeichnungsträger verwendet werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
309 535/497

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Anordnung zum Ansteuern eines optischen Datendruckers, mit dem Zeichen mittels abgelenkter Lichtstrahlen auf einem licht- bzw. thermisch-empfindlichen Aufzeichnungsträger aufgezeichnet werden, wobei die Ablenkung durch einen zweistufigen, akustooptischen Lichtablenker oder durch einen einstufigen akustooptischen Lichtablenker und einen elektrooptischen und/oder mechanischen Lichtablenker erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der akustooptischen Lichtablenker analog oder digital mil* einem elektronisch kontinuierlich durchstimmbaren eine Varaktordiode aufweisenden Oszillator erfolgt, dessen Umschaltzeit kleiner als 1 μββΰ ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs-Frequenz-Kennlinie des elektronisch durchstimmbaren Oszillators durch ein Vorverzerrernetzwerk entzerrt wird.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs-Frequenz-Kennlinie durch nicht äquidistante Spannungsstufen bzw. Binärzahlen entzerrt wird.
4. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeichen durch analoge Steuerung der akustooptischen Lichtablenkung als kontinuierlicher Linienzug geschrieben werden.
5. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeichen durch Digitalisierung der akustooptischen Lichtablenkung aus einem Lichtpunktmuster zusammengesetzt sind.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Schreibpositionen keine Dunkeltastung des Lichtstrahls erfolgt.
7. Anordnung nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Digitalisierung durch Ansteuerung des elektronisch kontinuierlich durchstimmbaren Oszillators mit einem Digital-Analog-Umsetzer erfolgt.
8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeichen als Unterhologramme in einer Hologrammatrix gespeichert sind.
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