DE4419038B4

DE4419038B4 - Mehrfachstrahlen erzeugendes Element und damit ausgerüstetes optisches Druckgerät

Info

Publication number: DE4419038B4
Application number: DE4419038A
Authority: DE
Inventors: Keiji Katsuta Kataoka
Original assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Current assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Priority date: 1993-06-04
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2014-06-01
Also published as: US5631762A; DE4419038A1

Abstract

Ein Element (2) zur Erzeugung einer geraden Anzahl von Strahlen (6) mit einem Beugungsgitter (7), in welchem ein Grundphasenmuster (10) wiederholt angeordnet ist,
wobei das Grundphasenmuster (10) mit einer Struktur versehen ist, in welcher rechtwinklige Phasenmuster (8, 9) in Schichten überlagert sind, wobei jedes der rechtwinkligen Phasenmuster (8, 9) Sektionen aufweist, die jeweils nicht einheitliche Breiten (y(1) bis y(M); z(1) bis z(K)) und voneinander verschiedene Phasenhöhen (a_y, a_z) aufweisen, und
wobei die Anordnung der Strahlen (6) asymmetrisch bezüglich der nullten Ordnung des gebeugten Lichts ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Element zur Erzeugung einer geraden Anzahl von Strahlen mit einem Beugungsgitter und auf ein damit ausgerüstetes optisches Druckgerät.
Ein Laserstrahl, der auf ein Beugungsgitterelement auftrifft, wird in mehrfach gebeugte Lichtstrahlen aufgespalten. Es gab eine Vielzahl von Vorschlägen, dieses Phänomen als Mehrfachstrahlen erzeugendes Element zu verwenden, und es gab auch einige Anwendungen. Es war jedoch schwierig, die Zahl der aufgespaltenen Strahlen zu vergrößern und die Intensitätsverteilung der verzweigten Strahlen wirksam zu vergleichmäßigen.

Als Gegenmaßnahme gegen dieses Problem ist im "Technical Digest on the 3rd Microoptics Conference", Seite 84 (1991) ein Verfahren an einem Beugungsgitterelement zur Umwandlung eines Einzelstrahls in Mehrfachstrahlen vorgeschlagen worden. Das Verfahren schließt jedoch einen komplizierten Herstellungsprozess ein, wobei die Intensität eines Elektronenstrahls genau gesteuert werden muss, unter Verwendung vieler Intensitätsstufen zur Bestrahlung eines Materials, das dem Elektronenstrahl ausgesetzt ist, da das Material so geformt wird, dass es ein vielstufiges Phasenmuster hat. Ferner gibt es Beschränkungen in der Anzahl der aufgespaltenen Strahlen, der Effizienz der Lichtausnutzung und der Gleichmäßigkeit der Lichtintensitätsverteilung der aufgespaltenen Strahlen, da die Anzahl der Stufen in dem mehrstufigen Phasenmuster begrenzt ist infolge der Begrenzungen im Herstellungsprozess.

Die Erfinder haben ein Beugungsgitterelement zur Umwandlung eines einzelnen Strahls in Mehrfachstrahlen vorgeschlagen, wobei die Grundphasenmuster zum Aufbau des Gitters in fraktionierten rechteckigen Mustern mit nichteinheitlichen Breiten ausgebildet sind und die Phasenhöhe einer einzelnen Stufe haben. In diesem Verfahren, mit Hilfe des Optimierens und Bestimmens der nichteinheitlichen Breiten in den rechteckigen Mustern, kann die Erzielung einer ungeraden Anzahl von Mehrfachstrahlen realisiert werden, die eine ausgezeichnete Gleichmäßigkeit und eine hohe Effizienz der Lichtausnutzung haben. Das Beugungsgitter entsprechend diesem Verfahren kann leicht hergestellt werden, da das Muster aus einem einschichtigen Deckmaterial gebildet wird.

Das Verfahren gemäß dem obigen Vorschlag kann jedoch keine gerade Anzahl mehrfacher Strahlen erzeugen. Eine elektronische Steuerschaltung, die mit einem optischen Gerät gemeinsam verwendet wird, ist aufgrund einer Information konstruiert, die aus einem Byte oder acht Bits besteht, d.h. einer geraden Zahl. Außerdem hat eine Flip-Flop-Schaltung und/oder eine Zählschaltung, die häufig in Steuerschaltungen verwendet werden, eine grundsätzliche Betriebsweise zur Umwandlung der Anzahl elektrischer Impulssignale in das Doppelte oder die Hälfte der ursprünglichen elektrischen Impulssignale. Aus diesen Gründen ist es oft erforderlich, dass die Anzahl der Mehrfachstrahlen, die in einem optischen Gerät verwendet werden, eine gerade Zahl ist.

Andererseits ist es wohl bekannt, dass die Abtastung mit Hilfe einer Mehrzahl von Laserstrahlen ein effektives Verfahren für einen Laserdrucker hoher Geschwindigkeit ist. Beispielsweise wird in einem von den Erfindern vorgeschlagenen Laserdrucker eine Mehrzahl von Laserstrahlen, die durch ein Beugungsgitter erzeugt werden, in parallele Mehrfachstrahlen unter Verwendung einer Linse umgewandelt, die in einem akusto-optischen Mehrkanal-Modulator eingesetzt wird. Dann wird eine Mehrzahl von Laserstrahlen, die durch den akusto-optischen Mehrkanal-Modulator moduliert sind, auf einer photosensitiven Trommel unter Verwendung eines rotierenden polygonalen Spiegels abgetastet.

Um die Gruppierung von Strahlpunkten in einem schrägen Winkel auf der photosensitiven Trommel in dem oben beschriebenen optischen System auszubilden, muss das Beugungsgitter und der akusto-optische Mehrkanal-Modulator genau adjustiert sein, so dass ihm eine Neigung um einen gegebenen Winkel gegenüber einer horizontalen Ebene erteilt wird. Es ist theoretisch möglich, die beiden Einheiten gemeinsam zu adjustieren, aber praktisch war es außergewöhnlich schwierig. Insbesondere für den akusto-optischen Mehrkanal-Modulator, um effizient den im ersten Grad gebeugten Strahl unter allen einfallenden Mehrfachstrahlen zu beugen, erfordert die Winkeladjustierung in der Ebene, die die Strahlen beugt, d.h. die Adjustierung des Bragg-Winkels, eine extrem hohe Genauigkeit. Außerdem war die Einstellung sehr schwierig, die Gruppierung von Strahlpunkten in schrägem Winkel auf der photosensitiven Trommel auszubilden.

Die DE 40 07 968 A1 offenbart eine als Längenmesseinrichtung ausgebildete optische Vorrichtung, bei welcher ein Phasengitter so strukturiert ist, dass innerhalb einer Teilungsperiode mehrere Gittersprungstellen vorhanden sind. Die Stege des Phasengitters sind unterschiedlich hoch, so dass unterschiedliche Phasentiefen entstehen. Mit einem derartig strukturierten Phasengitter lassen sich die Intensitätsverhältnisse und die Phasenbeziehungen zwischen mehreren, auch höheren Beugungsordnungen beliebig einstellen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Element zur Erzeugung einer geraden Anzahl von Strahlen mit einem Beugungsgitter zu schaffen, das eine hohe und gleichmäßige Effizienz der Lichtausnutzung zeigt, und ein optisches Druckgerät mit hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Element gemäß Patentanspruch 1 und durch ein optisches Druckgerät gemäß Patentanspruch 6 gelöst.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst, indem man ein Element bereitstellt, das wiederholt angeordnete Grundphasenmuster aufweist, wobei die Grundmuster aus wenigstens zwei Arten rechteckiger Muster zusammengesetzt werden, die nicht einheitliche Breiten und verschiedene Phasenhöhen aufweisen, welches Mehrfachstrahlen mit praktisch gleichen Lichtintensitäten erzeugt, und insbesondere die Grundphasenmuster asymmetrische Muster ohne symmetrische Achsen sind. Hiermit kann man erreichen, eine gerade Zahl von Mehrfachstrahlen zu erzeugen, die hohe Effizienz der Lichtausnutzung und gleichmäßige Lichtintensität haben.

Ein Element nach der vorliegenden Erfindung weist ein Beugungsgitter auf mit Grundphasenmustern, die durch Übereinanderlegen einer Mehrzahl von Phasenmustern erzeugt werden. Die übereinander liegenden Phasenmuster haben jeweils verschiedene Phasenhöhen, doch jedes der Phasenmuster ist ein rechteckiges Muster mit einer einzigen Phasenhöhe und nicht einheitlichen Breiten.

Da das Element nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann, indem man mehrere Male das Verfahren zur Ausbildung von Mustern durchführt, die aus rechteckigen Formen auf einem optischen Material mit einer konstanten Schichtdicke zusammengesetzt sind, kann es leicht hergestellt werden. Zusätzlich kann man mit Hilfe freier Bemessung der Breiten in den rechteckigen Mustern erreichen, dass eine gerade Anzahl von Mehrfachstrahlen erzeugt wird, die hohe Effizienz der Lichtausnutzung und gleichmäßige Lichtintensität haben.

Außerdem kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung erreicht werden durch Verwendung der erzeugten Mehrfachstrahlen zusammen mit einem akusto-optischen Mehrkanal-Modulator. Auf diese Weise kann ein optischer Druckapparat hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung realisiert werden.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Grundphasenmusters für ein Beugungsgitter, das in einem Mehrfachstrahlen erzeugenden Element entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2 eine Ansicht, die das optische System zur Erzeugung von Mehrfachstrahlen unter Verwendung eines Beugungsgitters erläutert.
3 eine Ansicht, die die Funktion M(s) erläutert.
4 ein Beispiel eines Berechnungsergebnisses für den Fall, wo zwei Strahlen erzeugt werden unter Verwendung eines Mehrfachstrahlen erzeugenden Beugungsgitters entsprechend der vorliegenden Erfindung.
5 ein Beispiel eines Berechnungsergebnisses für den Fall, wo vier Strahlen erzeugt werden unter Verwendung eines Mehrfachstrahlen erzeugenden Beugungsgitters entsprechend der vorliegenden Erfindung.
6 ein berechnetes Ergebnis für einen Fall, wo vier Strahlen erzeugt werden.
7 eine Ansicht, die die Gleichmäßigkeit in den Mehrfachstrahlen erläutert.
8 ein Beispiel eines Berechnungsergebnisses für den Fall, wo sechs Strahlen erzeugt werden unter Verwendung eines Mehrfachstrahlen erzeugenden Beugungsgitters entsprechend der vorliegenden Erfindung.
9 ein Beispiel eines Berechnungsergebnisses für den Fall, wo acht Strahlen erzeugt werden unter Verwendung eines Mehrfachstrahlen erzeugenden Beugungsgitters entsprechend der vorliegenden Erfindung.
10 eine Ansicht, die das Verfahren der Herstellung eines Mehrfachstrahlen erzeugenden Elements erläutert und die Querschnittstruktur eines Mehrfachstrahlen erzeugenden Elements entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt.
11 eine Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens für ein Mehrfachstrahlen erzeugendes Element entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 eine Ansicht, die ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens für ein Mehrfachstrahlen erzeugendes Element entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 eine Ansicht, die ein optisches Druckgerät unter Verwendung eines Mehrfachstrahlen erzeugenden Elements zeigt.
14 eine Ansicht, die die Betriebsweise eines akusto-optischen Mehrkanal-Modulators erläutert.
15 eine Ansicht, die die Erscheinungsform der Mehrfachpunktabtastung zeigt.
16 eine Ansicht, die die Wirkungsweise des Dove-Prismas erläutert.
17 eine schematische Ansicht, die ein anderes Ausführungsbeispiel eines optischen Druckgeräts entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
18 eine Ansicht, die die Betriebsweise eines akusto-optischen Modulators erläutert.
Die vorliegende Erfindung wird im Detail unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. In einem Beugungsgitter sind Grundphasenmuster wiederholt angeordnet mit einer Teilung p. Das Grundphasenmuster 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung ist hergestellt durch Überlagern der Phasenmuster 8 und 9, wobei jedes der Phasenmuster 8 und 9 ein rechteckiges Muster mit einer einzigen Phasenhöhe und ungleichförmiger Breite ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Phasenmuster 8 aus M Sektionen rechteckiger Muster aufgebaut, die nicht einheitliche Breiten von y(1) bis y(M) haben. Die Phasenhöhe der Phasenmuster 8 ist a_y. Andererseits ist das Phasenmuster 9 auch aus K Sektionen rechteckiger Muster zusammengesetzt, die nicht einheitliche Breiten von z(1) bis z(K) haben. Die Phasenhöhe des Phasenmusters 9 ist a_z.
2 zeigt ein Beispiel zur Erzeugung von vier Strahlen unter Verwendung eines Beugungsgitters 7. Eine Linse 3 ist so angeordnet, dass die Position des Beugungsgitters 7 an den vorderen Brennpunkt der Linse 3 und die Position der Bilderzeugungsebene 4 an den hinteren Brennpunkt der Linse kommt. Ein einfallender Laserstrahl 1 auf das Beugungsgitter 7, das als Vierstrahlerzeuger ausgebildet ist, erzeugt vier Strahlen 6, die bestehen aus Minus erster Ordnung gebeugtem Licht, nullter Ordnung gebeugtem Licht, erster Ordnung gebeugtem Licht und zweiter Ordnung gebeugtem Licht. Die ausgerichtete Teilung q der vier Strahlen 6 auf der Bildformungsebene 4 ist konstant. Mit Hilfe der asymmetrischen Erzeugung von gebeugten Lichtstrahlen wie in der Figur gezeigt, kann eine gerade Anzahl von Strahlen erzeugt werden. In dem Fall, wo ein Grundphasenmuster aus einem Phasenmuster einer einzelnen Schicht gebildet wird, wie durch Bezugszeichen 8 in 1 gezeigt, kann kein geeignetes asymmetrisches gebeugtes Muster erzielt werden, und eine gerade Anzahl von Mehrfachstrahlen mit mehr als vier Strahlen kann nicht erzeugt werden.
Das Herstellungsverfahren wird im Detail weiter unten beschrieben.
Nimmt man das Grundphasenmuster als f(ξ), die Gitterteilung des Beugungsgitters als p, dann ist die Lichtintensitätsverteilung auf einem Schirm, der durch das Bezugszeichen 4 in 2 angegeben ist, durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:
wobei s eine normierte Koordinate auf dem Schirm 4 ist und ausgedrückt wird als s = 2πx/(λf). Darin ist λ die Wellenlänge des einfallenden Lichtes und N die Gesamtzahl der Grundphasenmuster, die in dem Beugungsgitter 7 enthalten sind. Durch Ausrechnen der Gleichung (1) erhält man die folgende Gleichung (2): I(s) = F(s)M(s) (2)wobei
M(s) = |sin(psN/2)/sin(ps/2)|2 (4)
Die Funktion M(s) in Gleichung (4) ist eine Funktion, die dieselben Spitzenwerte an der Beugungsposition des Beugungsgitters 7 hat wie in 3 gezeigt. Um aus dem Beugungsgitter mehrfach gebeugte Strahlen mit der gleichen Lichtintensität zu erhalten, muss die Funktion F(s) in Gleichung (3) den gleichen Wert für die mehrfach gebeugten Strahlen haben. Um dies zu erreichen ist es wichtig, wie man die Funktion f(ξ) bestimmt, die das Grundphasenmuster ausdrückt.
Ein Ausführungsbeispiel einer Bauart, die man durch Berechnung der Gleichung (3) für das Grundphasenmuster entsprechend der vorliegenden Erfindung erhält, wird unten beschrieben. Im übrigen ändert sich der Wert der Gleichung (3) nicht, unabhängig davon, ob die Phasenhöhe a_y oder a_z positiven oder negativen Wert hat. Es ist auch offensichtlich, dass der Wert der Gleichung (3) sich nicht ändert, wenn ganzzahlige Mehrfache von 2π zur Phasenhöhe addiert werden.

(1) Betreffend ein Zweistrahlenelement, werden die in Gleichung (5) ausgedrücken Beziehungen erhalten: y(1)/p = 0,347, y(2)/p = 0,653, z(1)/p = 0,653, z(2)/p = 0,347, ay = 1,12 (radian), az = 1,12 (radian) (5).

4 zeigt ein Simulationsergebnis, wiedergegeben von dem Element dieses Bauartbeispiels unter Verwendung des optischen Systems in 2. Die Ordinate zeigt die Lichtintensität, jedoch normiert mit der einfallenden Lichtintensität. Die gesamte Lichtintensität der zwei Strahlen, gebeugte Strahlen nullter Ordnung und gebeugte Strahlen erster Ordnung, ist 75%. Unter der Annahme, dass die Gleichmäßigkeit der zwei Strahlen zulässig ist, wenn die Differenz zwischen jeder Strahlintensität und der durchschnittlichen Lichtintensität 50% nicht überschreitet, sind die Bauartwerte gemäß Gleichung (5) bis zu den folgenden Bereichen zulässig. 0,14 < y(1)/p < 0,87, 0,13 < y(2)/p < 0,86, 0,13 < z(1)/p < 0,86, 0,14 < z(2)/p < 0,87, 0,52 < |ay| < 1,7, 0,52 < |az| < 1,7 (6).

(2) Bezüglich eines Vierstrahlenelements werden die in Gleichung (7) ausgedrückten Beziehungen erhalten: y(1)/p = 0,372, y(2)/p = 0,628, z(1)/p = 0,254, z(2)/p = 0,443, z(3)/p = 0,146, z(4)/p = 0,156, ay = 1,66, az = 1,13 (7).

5 zeigt ein Simulationsergebnis, das durch das Element dieses Bauartbeispiels unter Verwendung des optischen Systems in 2 wiedergegeben ist. Die Ordinate zeigt die Lichtintensität, jedoch normiert mit der einfallenden Lichtintensität. Vier Strahlen sind dargestellt durch den gebeugten Strahl von minus erster Ordnung, gebeugten Strahl nullter Ordnung, gebeugten Strahl + erster Ordnung und gebeugten Strahl + zweiter Ordnung. Die gesamte Lichtintensität der vier Strahlen ist 80%, und daher ist die Lichtausnutzung hoch. Unter der Annahme, dass die Gleichmäßigkeit der Mehrfachstrahlen zulässig ist, wenn die Differenz zwischen jeder Strahlenintensität und der durchschnittlichen Lichtintensität 50% nicht überschreitet, sind die Bauartwerte, die durch Gleichung (7) ausgedrückt sind, bis zu den folgenden Bereichen gemäß Gleichung (8) zulässig. 0,254 < y(1)/p < 0,475, 0,477 < y(2)/p < 0,76, 0,167 < z(1)/p < 0,34, 0,264 < z(2)/p < 0,554, 0,046 < z(3)/p < 0,28, 0,105 < z(4)/p < 0,23, 1,34 < |ay| < 2,12, 0,67 < |az| < 1,59(8).
6 zeigt ein Simulationsergebnis von Beugungsstrahlen, wenn die Phase az = 1,13 in Gleichung (7) ersetzt ist durch a_z = 0,6. Die Gleichförmigkeit der vier erzeugten Strahlen ist verschlechtert.
Die Gleichförmigkeit von Mehrfachstrahlen wird weiter unten erläutert unter Bezugnahme auf 7. Lichtintensität von

Beugungsstrahl minus erster Ordnung: 0,2026

Beugungsstrahl nullter Ordnung: 0,3408

Beugungsstrahl plus erster Ordnung: 0,2117

Beugungsstrahl plus zweiter Ordnung: 0,1078.
Die durchschnittliche Lichtintensität dieser Strahlen ist 0,2157.
Die Gleichförmigkeit ist durch die folgende Gleichung definiert: Gleichförmigkeit = (maximaler Unterschied gegenüber der durchschnittlichen Strahlintensität) ÷ (durchschnittliche Strahlintensität) × 100.
Im Fall der 7 ist die Gleichförmigkeit 0,1251 ÷ 0,2157 × 100 = 58,0.
Der Bauartwert der vorliegenden Erfindung kann eine Gleichförmigkeit kleiner als 50% zulassen. Wenn die Gleichförmigkeit größer als 50% ist, wie in 7 gezeigt, entsteht unter den Strahlen Ungleichmäßigkeit, was im Ergebnis den Druck nicht gleichmäßig macht.

(3) Betreffend eines Sechsstrahlenelements werden die in Gleichung (9) ausgedrückten Beziehungen erhalten: y(1)/p = 0,080, y(2)/p = 0,059 y(3)/p = 0,297 y(4)/p = 0,565 z(1)/p = 0,37, z(2)/p = 0,255, z(3)/p = 0,197, z(4)/p = 0,178, ay = 1,344, az = 1,68 (9).

5 zeigt ein Simulationsergebnis, das durch das Element dieses Bauartbeispiels unter Verwendung des optischen Systems in 2 wiedergegeben wird. Die Ordinate zeigt die Lichtintensität, jedoch normiert mit der einfallenden Lichtintensität. Sechs Strahlen werden erzeugt durch gebeugten Strahl minus zweiter Ordnung, gebeugten Strahl minus erster Ordnung, gebeugten Strahl nullter Ordnung, gebeugten Strahl plus erster Ordnung, gebeugten Strahl plus zweiter Ordnung und gebeugten Strahl plus dritter Ordnung. Die gesamte Lichtintensität der sechs Strahlen ist 77%, und daher ist die Lichtausnutzung hoch. Unter der Annahme, dass die Gleichförmigkeit der Mehrfachstrahlen zulässig ist, wenn die Differenz zwischen jeder Strahlintensität und der durchschnittlichen Lichtintensität 50% nicht überschreitet, sind die Bauartwerte gemäß Gleichung (9) für die folgenden Bereiche, die in Gleichung (10) ausgedrückt sind, zulässig. y(1)/p < 0,159, y(2)/p < 0,133, 0,212 < y(3)/p < 0,368, 0,504 < y(4)/p < 0,613, 0,313 < z(1)/p < 0,447, 0,180 < z(2)/p < 0,317, 0,142 < z(3)/p < 0,271, 0,148 < z(4)/p < 0,218, 1,05 < |ay| < 1,71, 1,44 < |az| < 1,97 (10).

(4) Betreffend ein Achtstrahlenelement werden die in Gleichung (11) ausgedrückten Beziehungen erhalten. y(1)/p = 0,297, y(2)/p = 0,143 y(3)/p = 0,174 y(4)/p = 0,179 y(5)/p = 0,075, y(6)/p = 0,132, z(1)/p = 0,306, z(2)/p = 0,155, z(3)/p = 0,121, z(4)/p = 0,418, ay = 1,360, az = 1,37 (11).

9 zeigt ein Simulationsergebnis, das von dem Element dieses Bauartbeispiels unter Verwendung des optischen Systems der 2 wiedergegeben wird. Die Ordinate zeigt die Lichtintensität, jedoch normiert mit der einfallenden Lichtintensität. Acht Strahlen sind erzeugt, und zwar Beugungsstrahl minus dritter Ordnung, Beugungsstrahl minus zweiter Ordnung, Beugungsstrahl minus erster Ordnung, Beugungsstrahl nullter Ordnung, Beugungsstrahl plus erster Ordnung, Beugungsstrahl plus zweiter Ordnung, Beugungsstrahl plus dritter Ordnung und Beugungsstrahl plus vierter Ordnung. Die gesamte Lichtintensität der acht Strahlen ist 79%, und daher ist die Lichtausnutzung hoch. Unter der Annahme, dass die Gleichförmigkeit der Mehrfachstrahlen zulässig ist, wenn die Differenz zwischen jeder Strahlintensität und der durchschnittlichen Lichtintensität nicht 50% überschreitet, sind die Bauartwerte gemäß Gleichung (11) zulässig für die folgenden Bereiche, die in Gleichung (12) ausgedrückt sind. 0,233 < y(1)/p < 0,359, 0,086 < y(2)/p < 0,242, 0,086 < y(3)/p < 0,229, 0,101 < y(4)/p < 0,240, 0,015 < y(5)/p < 0,149, 0,098 < y(6)/p < 0,178, 0,236 < z(1)/p < 0,365, 0,071 < z(2)/p < 0,222, 0,059 < z(3)/p < 0,183, 0,380 < z(4)/p < 0,453, 1,181 < |ay| < 1,583, 1,191 < |az| < 1,59 (12).
Das Beugungsgitterelement zur Erzeugung von Mehrfachstrahlen entsprechend der vorliegenden Erfindung kann leicht mit der konventionellen Schicht-Technologie und Ätztechnologie für optische Materialien hergestellt werden. Das heißt, um beispielsweise das Phasenmuster herzustellen, das durch das Bezugszeichen 10 in 1 angegeben ist, wird zuerst ein Muster 211 aus optischem Material mit einer gegebenen Schichtdicke gebildet (vgl. 10A). Dann wird auf dem Muster ein Muster 212 aus optischem Material mit einer gegebenen Schichtdicke (vgl. 10B) zusätzlich ausgebildet, so dass das Phasenmuster 9 in 1 gebildet wird. Als Ergebnis hat das Element 210 gemäß 10C das Phasenmuster 10 in 1. Wie oben beschrieben, kann der Aufbau des Beugungsgitters entsprechend der Erfindung gebildet werden mit Hilfe des Überlagerns jedes der Muster mit einer gegebenen Schichtdicke, das aus optischem Material hergestellt ist, dessen Anzahl der Anzahl der Schichten entspricht.
Die Schichtdicke des optischen Materials e kann leicht aus der Phasenhöhe a und der folgenden Gleichung bestimmt werden: a = (2π/λ)(n – 1)e
Ein Glasmaterial kann als Substrat 200 verwendet werden, und SiO₂ oder MgF₂ kann als Schichtmaterial verwendet werden.
11 zeigt ein detailliertes Verfahren der Herstellung des Beugungsgitters entsprechend der vorliegenden Erfindung. Zuerst wird im Verfahren (1) Photoresist 202 auf ein Glassubstrat 200 aufgebracht. Im Verfahren (2) wird eine Photomaske 204 mit einem Muster aus Chrom (Cr) mit dem Photoresist 202 auf dem Glassubstrat kontaktiert, und das Photoresist 202 wird mit Licht 205 belichtet. Dann im Prozess (3) wird das Photoresist entwickelt. Hiermit wird das Muster der Photomaske 204 auf das Photoresist 202 übertragen. Im Prozess (4) wird SiO₂ 206 über die gesamte Oberfläche aufgebracht. Die Dicke der aufgebrachten Schicht ist so bemessen, dass sie gleich der Phasenhöhe wird. Das Verfahren (5) wird "Abheben" genannt, wobei das Photoresist 202 mit einem organischen Lösungsmittel wie Alkohol abgelöst wird, um ein SiO₂ Muster 210 zu erzeugen. Im Falle, wo es notwendig ist, ein weiteres SiO₂ Muster mit verschiedener Dicke herzustellen, wird auf das SiO₂ Muster in einem Verfahren (6) wieder Photoresist 208 aufgebracht. Unter Rückkehr auf das Ver fahren (2), bei dem das Photoresist unter Verwendung einer anderen Photomaske belichtet wird, werden die gleichen Verfahren wie oben beschrieben so oft wie erforderlich wiederholt.
12 zeigt ein anderes Verfahren der Herstellung des Beugungsgitters entsprechend der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Elektronenstrahls. Im Verfahren (1) wird Photoresist 202 auf ein Glassubstrat 200 aufgebracht. Im Verfahren (2) wird das Photoresist 202 mit einem Elektronenstrahl 214 bestrahlt. Dabei wird die Intensität des Elektronenstrahls 214 variiert sowie die Einfallposition des Elektronenstrahls in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung und der Richtung senkrecht zu dem Pfeil abgetastet. Dann wird das von dem Elektronenstrahl bestrahlte Photoresist entwickelt, um ein Resistmuster zu erzeugen, das verschiedene Tiefen entsprechend den Intensitäten des bestrahlenden Elektronenstrahls aufweist. Das hergestellte Muster kann so wie es ist als Mehrfachstrahlen erzeugendes Element verwendet werden. Andererseits kann ein Mehrfachstrahlen erzeugendes Element aus einem Material wie Plastik durch ein Replizierverfahren hergestellt werden unter Verwendung des Mehrfachstrahlen erzeugenden Elements, das durch das Verfahren gemäß 11 oder 12 hergestellt wurde, als Vorlage.
13 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optischen Druckgerätes, das unter Verwendung des Elements zur Erzeugung einer geraden Anzahl von Strahlen entsprechend der vorliegenden Erfindung optisches Drucken durchführt. Da das optische Drucken mit Mehrfachstrahlen gleichzeitig durchgeführt wird, ist es entsprechend der Erfindung möglich, ein Laserdruckgerät zu realisieren, das eine hohe Geschwindigkeit oder eine hohe Auflösung hat. Ein Laserstrahl 1, der aus einer Lasereinheit 11 emittiert wird, wird an ein Mehrfachstrahlen erzeugendes Element 2 geführt. Eine Linse 3, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, hat die Funktion der Umwandlung der erzeugten Mehrfachstrahlen 5 in parallele Strahlen 6 und zum Konvergieren jeder der Strahlen in einen kleinen Punkt innerhalb eines akusto-optischen Mehrkanal-Elements 13. Die Zeitdauer des Durchtritts von Ultraschallwellen durch den kleinen Punkt kann verkürzt werden, da jeder der Strahlen 12 in den kleinen Punkt innerhalb des akusto-optischen Mehrkanal-Elements 13 konvergiert, was zur Fähigkeit der Lichtmodulation mit hoher Geschwindigkeit führt.
Die grundsätzliche Wirkungsweise des akusto-optischen Mehrkanal-Modulators 13 wird unten beschrieben unter Bezugnahme auf 14. Eine Mehrzahl von Übertragern 16 ist auf einem akusto-optischen Medium so wie PbMoO₄ oder TeO₂ Kristallen individuell angeordnet, um jeden der mehrfachen einfallenden Strahlen 16 zu modulieren. Mit anderen Worten wird jedes dieser unabhängigen elektrischen Signale einem der mehrfachen Übertrager 16 zugeführt, wobei jeder der Übertrager jeweils einem der Signale entspricht, die unabhängig einen Schallstrahl in den Kristall übertragen, so dass der entsprechende Lichtstrahl durch den Schallstrahl gebeugt und moduliert wird. Das Bezugszeichen 18 in 14 bezeichnet den modulierten Lichtstrahl, den man für das optische Drucken verwendet. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet durchgehende Lichtstrahlen, die an einer geeigneten Position abgefangen werden, so dass sie das optische Druckmaterial nicht erreichen.
Zurückkehrend zur 13 bezeichnet das Bezugszeichen 25 eine Schaltungseinheit zum Betrieb des akusto-optischen Mehrkanal-Modulators 13. Das aus dem akusto-optischen Mehrkanal- Modulator 13 kommende Licht wird mit einer Linse 17 in einen Strahl mit einem geeigneten Durchmesser umgewandelt, passiert ein Dove-Prisma 20 und tritt in einen rotierenden polygonalen Spiegel 21. Der rotierende polygonale Spiegel 21 wird gedreht, um jeweils die Mehrfachstrahlen auf einer photosensitiven Trommel 24 einzutasten. Eine Linse 22 konvergiert die Mehrfachlichtstrahlen auf mehrere feine Punkte auf der photosensitiven Trommel 24.
Hier werden die Mehrfachlichtstrahlen als eine Reihe von kleinen Punkten im akusto-optischen Mehrkanal- Modulator 13 konvergiert. Unter der Annahme, dass der Durchmesser der Punkte gleich D ist, die ausgerichtete Teilung der Übertrager 16 gleich T ist, ist T/D größer als 1. Daher sind die Mehrfachpunkte auf der photosensitiven Trommel 24 in diesem Verhältnis ausgerichtet, d.h. die ausgerichtete Teilung der Punkte wird größer als der Durchmesser der Punkte. Um den Bereich zwischen den Abtastlinien der Mehrfachpunkte auszuschließen, die nicht von Licht bestrahlt werden sollen, müssen die Mehrfachpunkte 15 so angeordnet sein, dass die ausgerichtete Richtung der Punkte auf der photosensitiven Trommel 24 einen schrägen Winkel gegen die Abtastrichtung einschließt, die durch den Pfeil gemäß 15 angegeben ist.
Obwohl es ein Verfahren gibt, dies zu realisieren, wobei die optischen Achsen des akusto-optischen Mehrkanal-Modulators 13 und das Mehrfachstrahlen erzeugende Element 2 gleichzeitig rotiert werden, ist das Verfahren extrem schwierig durchzuführen, da die zu drehenden Einheiten groß sind und auf dem akusto-optischen Mehrkanal-Modulator 13 hohe Genauigkeit der Einfallposition beibehalten werden muss. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, wird ein Dove-Prisma 20 in der vorliegenden Erfindung verwendet. Bei diesem Verfahren wird das Dove-Prisma 20 um die optische Achse als Drehachse rotiert, um in einer gegebenen ausgerichteten Richtung der Punkte eingestellt und adjustiert zu werden. Wie in 16 gezeigt, hat der Bildrotationsmechanismus des Dove-Prismas 20 ein Halteglied 250 und eine Feststellschraube 252. Das Dove-Prisma 20 wird auf einen geeigneten Winkel rotiert und eingestellt, und in der Winkelstellung unter Verwendung der Feststellschraube 252 fixiert. Das bedeutet, dass das Licht von einem Bild 26 an der unteren Oberfläche des Dove-Prismas 20 total reflektiert wird, um in ein Bild 27 umgewandelt zu werden. Wenn daher das Dove-Prisma 20 in der durch den Pfeil 28 angedeuteten Richtung gedreht wird, wird das Bild in der durch den Pfeil 29 angedeuteten Richtung rotiert. Ein Lichtdetektor 23 erhält die Mehrfachlichtstrahlen und erzeugt dadurch ein Signal entsprechend jeder der Strahlen zur Verwendung als Synchronisationssignal für das entsprechende Licht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird beschrieben unter Bezugnahme auf 17. 17 ist eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels, wobei ein optisches Druckgerät in einem Laserdrucker angewandt wird.
In diesem Ausführungsbeipiel hat ein akusto-optischer Mehrkanal-Modulator 13 einen einzelnen Übertrager. Wenn eine Mehrzahl von Signalen mit Trägerwellenfrequenzen im Radiofrequenzband dem Modulator zugeführt wird, wird eine Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen erster Ordnung erzeugt, und eine Mehrzahl von Lichtpunkten kann ausgebildet und auf einer photosensitiven Trommel 24 getastet werden. 18 ist eine Ansicht, die die Betriebsweise des akusto-optischen Modulators 13 erläutert. Zum Zwecke der Vereinfachung ist angenommen, dass zwei Strahlen erzeugt werden. Eine Dateneinheit 33 und eine Dateneinheit 34 modulieren jeweils Trägerfrequenzen 31 und 32, die mit einem Setzer 30 zusammengesetzt werden, um in einen Übertrager 16 eingegeben zu werden. Wenn ein Laserstrahl 1 in den akusto-optischen Mehrkanal-Modulator 13 eingeführt wird, werden zwei gebeugte Lichtstrahlen 38, 39 durch eine Ultraschallwelle 36 erzeugt. Mit Hilfe einer geeigneten Einstellung der Frequenzen einer Mehrzahl von Trägerwellen können durch dieses Verfahren die zwei gebeugten Lichtstrahlen 38, 39 in enger Nachbarschaft erzeugt werden. Daher kann die Gruppierung von Lichtpunkten zur Tastung auf der photosensitiven Trommel 24 senkrecht auf die Abtastrichtung gesetzt werden. Bei dieser Gelegenheit gibt es, da die Mehrfachpunkte in der gleichen Position in der Tastrichtung 10 gleichzeitig getastet werden, den Vorteil, dass die Strahlen durch Datensignale moduliert werden, die auf den gleichen synchronisierten Taktimpulsen basieren. In diesem Fall wird ein Dove-Prisma 20 zwischen einer Linse 5 und einem rotierenden polygonalen Spiegel 21 angeordnet. Durch Rotieren des Dove-Primas 20 unter Verwendung eines in 16 gezeigten Einstellmechanismus zur Rotation des Dove-Prismas, kann die Richtung der Punktausrichtung genau senkrecht zur Abtastrichtung gesetzt werden.

Claims

Ein Element (2) zur Erzeugung einer geraden Anzahl von Strahlen (6) mit einem Beugungsgitter (7), in welchem ein Grundphasenmuster (10) wiederholt angeordnet ist, wobei das Grundphasenmuster (10) mit einer Struktur versehen ist, in welcher rechtwinklige Phasenmuster (8, 9) in Schichten überlagert sind, wobei jedes der rechtwinkligen Phasenmuster (8, 9) Sektionen aufweist, die jeweils nicht einheitliche Breiten (y(1) bis y(M); z(1) bis z(K)) und voneinander verschiedene Phasenhöhen (a_y, a_z) aufweisen, und wobei die Anordnung der Strahlen (6) asymmetrisch bezüglich der nullten Ordnung des gebeugten Lichts ist.
Ein Element (2) zur Erzeugung einer geraden Anzahl von Strahlen gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Phasenmuster (8) innerhalb einer Periode mit einer Periodenbreite von p einen ersten Bereich ohne Phasenhöhe mit einer Breite von y(1) und einen ersten Bereich mit der ersten Phasenhöhe a_y mit einer Breite von y(2) aufweist, und dass ein zweites Phasenmuster (9) innerhalb der Periode mit der Periodenbreite p einen zweiten Bereich ohne Phasenhöhe mit einer Breite von z(1) und einen zweiten Bereich mit der zweiten Phasenhöhe a_z mit einer Breite von z(2) aufweist, wobei 0,14 < y(1)/p < 0,87, 0,13 < y(2)/p < 0,86, 0,13 < z(1)/p < 0,86, 0,14 < z(2)/p < 0,87, 0,52 < |a_y| < 1,7, und 0,52 < |a_z| < 1,7.
Ein Element (2) zur Erzeugung einer geraden Anzahl von Strahlen gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Phasenmuster (8) innerhalb einer Periode mit einer Periodenbreite von p einen ersten Bereich ohne Phasenhöhe mit einer Breite von y(1) und einen ersten Bereich mit der ersten Phasenhöhe a_y mit einer Breite von y(2) aufweist, und dass ein zweites Phasenmuster (9) innerhalb der Periode mit der Periodenbreite p zwei zweite Bereiche ohne Phasenhöhe mit Breiten von z(1) und z(3) und zwei zweite Bereiche mit der zweiten Phasenhöhe a_z mit Breiten von z(2) und z(4) aufweist, wobei 0,254 < y(1)/p < 0,475, 0,477 < y(2)/p < 0,76, 0,167 < z(1)/p < 0,34, 0,264 < z(2)/p < 0,554, 0,046 < z(3)/p < 0,28, 0,105 < z(4)/p < 0,23, 1,34 < |a_y| < 2,12, und 0,67 < |a_z| < 1,59.
Ein Element (2) zur Erzeugung einer geraden Anzahl von Strahlen gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Phasenmuster (8) innerhalb einer Periode mit einer Periodenbreite von p zwei erste Bereiche ohne Phasenhöhe mit einer Breite von y(1) und y(3) und zwei erste Bereiche mit der ersten Phasenhöhe a_y mit einer Breite von y(2) und y(4) aufweist, und dass ein zweites Phasenmuster (9) innerhalb der Periode mit der Periodenbreite p zwei zweite Bereiche ohne Phasenhöhe mit Breiten von z(1) und z(3) und zwei zweite Bereiche mit der zweiten Phasenhöhe a_z mit Breiten von z(2) und z(4) aufweist, wobei y(1)/p < 0,159, y(2)/p < 0,133, 0,212 < y(3)/p < 0,368, 0,504 < y(4)/p < 0,613, 0,313 < z(1)/p < 0,447, 0,180 < z(2)/p < 0,317, 0,142 < z(3)/p < 0,271, 0,148 < z(4)/p < 0,218, 1,05 < |a_y| < 1,71, und 0,44 < |a_z| < 1,97.
Ein Element (2) zur Erzeugung einer geraden Anzahl von Strahlen gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Phasenmuster (8) innerhalb einer Periode mit einer Periodenbreite von p drei erste Bereiche ohne Phasenhöhe mit einer Breite von y(1), y(3) und y(5) und drei erste Bereiche mit der ersten Phasenhöhe a_y mit einer Breite von y(2), y(4) und y(6) aufweist, und dass ein zweites Phasenmuster (9) innerhalb der Periode mit der Periodenbreite p zwei zweite Bereiche ohne Phasenhöhe mit Breiten von z(1) und z(3) und zwei zweite Bereiche mit der zweiten Phasenhöhe a_z mit Breiten von z(2) und z(4) aufweist, wobei 0,233 < y(1)/p < 0,359, 0,086 < y(2)/p < 0,242, 0,086 < y(3)/p < 0,229, 0,101 < y(4)/p < 0,240, 0,015 < y(5)/p < 0,149, 0,098 < y(6)/p < 0,178, 0,236 < z(1)/p < 0,365, 0,071 < z(2)/p < 0,222, 0,059 < z(3)/p < 0,183, 0,380 < z(4)/p < 0,453, 1,181 < |a_y| < 1,583, und 1,191 < |a_z| < 1,59.
Optisches Druckgerät mit einem akusto-optischen Mehrkanal-Modulator (13), einem Dove-Pisma (20), einem polygonalen Spiegel (21) und einer photosensitiven Trommel (24), dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf die Strahlenrichtung vor dem akusto-optischen Mehrkanal-Modulator (13) ein Element (2) zur Erzeugung einer geraden Anzahl von Strahlen (6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 vorgesehen ist.