DE60025569T2

DE60025569T2 - Laserdrucker mit raumlichtmodulator

Info

Publication number: DE60025569T2
Application number: DE60025569T
Authority: DE
Inventors: c/o Eastman Kodak Company Sujatha Rochester Ramanujan; c/o Eastman Kodak Company Andrew F. Rochester Kurtz
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2020-03-18
Also published as: US6169565B1; EP1040927A3; EP1040927B1; DE60025569D1; EP1040927A2; JP2000313141A

Description

Die Erfindung betrifft Laserprinter mit total intern reflektierenden (TIR) elektrooptischen Raumlichtmodulatoren und insbesondere ein System mit einer Multimode-Laserdiodenanordnung als Laserlichtquelle, einer Beleuchtungsoptik, einer Abbildungsoptik und einem zum Zusammenwirken mit einer teilkohärenten Laserlichtquelle optimierten TIR-Raumlichtmodulator.
Laserdrucker, insbesondere Lichtpunktdrucker, werden für die verschiedensten Anwendungen eingesetzt, von Druckaufgaben im Büro und in der Medizin bis zum Drucken von Strichcodes. Typisch für diese Systeme ist, dass sie mit nur einem Strahl relativ geringer Leistung auf relativ empfindlichen Medien drucken. Andere Systeme, wie zum Beispiel die im grafischen Gewerbe eingesetzten Systeme, werden häufig als Mehrpunktdrucker konfiguriert, um eine ausreichend hohe Produktivität zu erzielen. Da viele der für grafische Zwecke verwendeten Medien gegen Belichtung relativ unempfindlich sind, müssen die einfallenden Strahlen jeweils einen hohen Helligkeitsgrad in einem kleinen Punkt an der Druckebene bereitstellen. Typisch für den Drucker ist, dass dieser wie eine "Drehmaschine" konfiguriert wird, bei der die Seitenabtastung durch Drehen einer das Medium aufnehmenden Trommel und die Zeilenabtastung durch Hin- und Herbewegung der Mehrfachlaserstrahlen in einer parallel zur Drehachse der Trommel verlaufenden Richtung realisiert wird.
Die sich bei der Konstruktion von Druckern für das grafische Gewerbe stellende Aufgabe kann unterschiedlich gelöst werden. Bei einer Lösung werden die Laserlichtquellen jeweils getrennt mit Lichtwellenleitern gekoppelt, die dann zu einer linearen Anordnung von Lichtquellen zusammengesetzt werden. Die einzelnen Kanäle können dann unabhängig voneinander moduliert werden. Systeme dieser Art werden in US-A-4 900 130 und US-A-5 351 617 beschrieben. Bei einer anderen Lösung wird eine monolithische Anordnung von Laserlichtquellen verwendet, wobei die Elemente der Laseranordnung direkt auf dem lichtempfind lichen Medium abgebildet werden, um Mehrfachpunkte zu erzeugen. Um Pixeldichten zu erhalten, wird die den einzelnen Elementen der Laseranordnung zugeführte Leistung individuell moduliert. Ein solches, in US-A-4 804 975 beschriebenes System bietet im Vergleich zu Systemen, bei denen die Laser mit Lichtwellenleitern gekoppelt werden, die Möglichkeit, Kosten zu senken und einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Diese Systeme weisen jedoch insofern einen erheblichen Nachteil auf, als bei Ausfall auch nur eines Laserelements oder Emitters der als Lichtquelle dienenden Laserdiodenanordnung ein Artefakt in dem gedruckten Bild erscheint und die gesamte als Lichtquelle dienende Laseranordnung dann ausgetauscht werden muss.
Eine Möglichkeit, ein Drucksystem mit einer monolithischen Diodenanordnung als Lichtquelle zu verbessern, besteht darin, jedes Laserelement oder jeden Emitter in eine Anordnung von aus Unteranordnungen bestehende Lichtquellen aufzuteilen, wie in US-A-5 619 245 beschrieben. Jedes Schreibelement setzt sich dann aus dem kombinierten Licht aller Laserelemente oder Emitter einer gegebenen Unteranordnung zusammen und die einzelnen Unteranordnungen werden direkt und individuell moduliert, um die Bilddatenausgabe bereitzustellen. Diese Lösung macht das System gegen den Ausfall von Laserelementen oder Emittern in einer Unteranordnung unempfindlich.
Ein System mit einer monolithischen Unteranordnung als Lichtquelle kann auch in der Weise verbessert werden, dass das von den einzelnen Laserelementen oder Emittern ausgestrahlte Licht kombiniert wird, um eine lineare Raumlichtmodulatoranordnung großflächig zu beleuchten. Die Pixelelemente des Modulators teilen das Licht in Bildelemente auf, wobei jedes Pixel des Modulators anschließend auf der Medienebene abgebildet wird, um die gewünschte Anordnung von Druckpunkten zu erzeugen. Drucksysteme, die nach dieser Methode arbeiten, werden in US-A-4 786 918, US-A-5 517 359 und US-A-5 521 748 beschrieben. Diese Systeme stellen gegenüber den bekannten Systemen insofern eine Verbesserung dar, als das Licht indirekt moduliert wird, sodass die Laserdiodenanordnung mit voller Leistung arbeitet und nur als Lichtquelle dient. Außerdem überschneidet sich beim Beleuchten des Modulators das von den Emittern ausgestrahlte Licht. Die sich dadurch ergebende Redundanz macht das System gegen Ausfälle oder Defizite einzelner Laserelemente oder Emitter in der Anordnung unempfindlich.
Die Leistung solcher Systeme, bei denen eine lineare Raumlichtmodulatoranordnung großflächig beleuchtet wird, hängt in hohem Maße sowohl von der Auslegung des Beleuchtungssystems als auch von der Auslegung und Arbeitsweise der Modulatoranordnung ab. Optimal wäre ein Beleuchtungssystem, das eine sehr homogene Beleuchtung bei minimalem Helligkeitsverlust gewährleistet. In US-A-4 786 918 werden die Gaußschen Strahlen zahlreicher Singlemode-Laser im Fernfeld kombiniert, um ein breites Beleuchtungsprofil zu erzeugen, das sich im Allgemeinen nur langsam ändert, aber immer noch im Wesentlichen nach Gauß abfällt. Die Anordnung der Singlemode-Laser wird sorgfältig so strukturiert, dass die Strahlen aus den einzelnen Laserlichtquellen zueinander inkohärent sind und daher ohne Interferenz überlagert werden können. Eine solche Struktur kann die erforderliche Wirkung einer relativ inkohärenten Quelle erzeugen, die in Verbindung mit einem Raumlichtmodulator verwendbar ist. Dabei ist jedoch sorgfältig darauf zu achten, dass die Quelle keine Phasenverriegelung oder Kohärenzeffekte aufweist. Außerdem erfordert der Modulator eine extrem gleichmäßige Beleuchtung, um Schlieren in den Bildern zu vermeiden. Dies lässt sich innerhalb der in US-A-4 786 918 aufgezeigten Randbedingungen vielleicht realisieren, könnte jedoch eine Sorgfalt, eine Detailgenauigkeit und einen Aufwand erfordern, die eine Serienfertigung des System zu teuer und zu aufwändig machen würden.
US-A-5 517 359 sieht ein Drucksystem mit einer Laserdiodenanordnung vor, die aus Multimode-Emittern besteht, die typischerweise jeweils ein relativ inhomogenes Nahfeldprofil aufweisen. Ein Spiegelsystem, das Bestandteil der Beleuchtungsoptik ist, verbessert die Lichthomogenität teilweise dadurch, dass es die Makroinhomogenitäten im Wesentlichen aus dem Lichtprofil entfernt. Bei einem anderen, in US-A-5 923 475 beschriebenen Drucksystem mit einer Laserdiodenanordnung mit Multimode-Emittern arbeitet das Beleuchtungssystem mit einem Fliegenaugenintegrator. Mit dem Fliegenaugenintegrator können sowohl die Mikro- als auch die Makroinhomogenitäten des Lichts deutlich verbessert werden.
Wenn davon auszugehen ist, dass die Beleuchtungsoptik eine homogene Beleuchtung des linearen Raumlichtmodulators zuverlässig gewährleistet, hängt die Gesamtleistung des Systems in hohem Maße von der Auslegung und Arbeitsweise der Raumlichtmodulatoranordnung ab. Für den Einsatz in einem Laserdrucker für die Grafikindustrie vorgesehene Raumlichtmodulatoren sollten hochtransmissiv sein und einen hohen optischen Füllfaktor aufwei sen, sich durch hohe Schwellwerte gegen optische Beschädigung und Verhaltensänderung unter der Einwirkung hoher optischer Energiedichten auszeichnen und einen hinreichend hohen Modulationskontrast bei hohen Datenübertragungsgeschwindigkeiten gewährleisten. Es gibt sowohl elektromechanische als auch elektrooptische Modulatortechnologien, welche diese diversen Kriterien für den Einsatz in einem Laser-Thermodrucker erfüllen.
Insbesondere der in US-A-4 281 904 und US-A-4 376 568 beschriebene elektrooptische TIR-Modulator weist zahlreiche Merkmale auf, die ihn für den Einsatz in einem Laser-Thermodrucker qualifizieren. Hierbei handelt es sich um transmissive Modulatoren mit Schlierenoptik, die aus Lithiumniobat (LiNbO3) oder Lithiumtantalat (LiTaO3) hergestellt werden und für einen hohen optischen Füllfaktor ausgelegt werden können. Lithiumniobat ist im nahen Infrarotbereich hoch transmissiv und weist einen hohen Schwellwert gegen optische Beschädigung auf. Ferner moduliert der in US-A-4 376 568 beschriebene TIR-Modulator bei Anlegen eines elektrischen Feldes das Licht durch Aufprägen einer Gitterstruktur. Infolgedessen wird das Licht gebrochen und das modulierte Licht später im optischen System durch räumliches Filtern an einer Fourier-Ebene von dem nicht modulierten Licht getrennt. Da der TIR-Modulator mit Schlierenphasenmodulation arbeitet statt das Licht direkt zu absorbieren oder zu blockieren, wird die thermische Belastung des Modulators erheblich verringert.
Der in US-A-4 281 904 und US-A-4 376 568 beschriebene TIR-Modulator liefert hervorragende Ergebnisse, wenn er mit Licht aus einer hoch kohärenten Quelle beleuchtet wird. Für die für den Laserthermodruck benötigten Hochleistungslichtquellen eignen sich jedoch am besten teilkohärente Quellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laser-Thermodrucksystem zu schaffen, bei dem sowohl das optische System als auch der TIR-Modulator so ausgelegt sind, dass sie bei teilkohärentem Licht optimal zusammenwirken.
Die Erfindung betrifft ein Druckersystem mit einer Laserdiodenanordnung mit einer Vielzahl von Multimode-Emittern, einem transmissiven Phasengitter-Raumlichtmodulator, der Licht von der Laserdiodenanordnung gemäß einem angelegten elektrischen Feld bricht, einer Beleuchtungsoptik mit Richtungsanordnung zum großflächigen Beleuchten des Raumlicht modulators mit Licht von der Laserdiodenanordnung, einer Beleuchtungsoptik für die Querrichtung zum Begrenzen der Divergenz einfallenden Lichts von der Laserdiodenanordnung und zum Fokussieren des Lichts auf den Raumlichtmodulator, einer Abbildungslinse mit einer internen Fourier-Ebene, wobei die Abbildungslinse Licht vom Raumlichtmodulator auf einer Bildebene abbildet, und einem Raumfilter mit einem Schlitz. Das Raumfilter ist in unmittelbarer Nähe zur Fourier-Ebene angeordnet und lässt bezeichnetes gebrochenes Licht, das einem gegebenen angelegten elektrischen Feld entspricht, durch.
Die Erfindung betrifft ferner ein Druckersystem mit einer Laserdiodenanordnung mit einer Vielzahl von Multimode-Emittern, einem Raumlichtmodulator, der Licht von der Laserdiodenanordnung gemäß einem angelegten elektrischen Feld bricht, einer Optik zum Beleuchten des Raumlichtmodulators mit Licht aus der Lichtquelle, einer Abbildungslinse mit einer internen Fourier-Ebene, wobei die Abbildungslinse Licht vom Raumlichtmodulator auf einer Bildebene abbildet, und einem Raumfilter, das in unmittelbarer Nähe zur Fourier-Ebene angeordnet ist und bezeichnetes gebrochenes Licht, das einem gegebenen angelegten elektrischen Feld entspricht, durchlässt.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Druckverfahren mit den Schritten: Fokussieren des Lichts aus einer Laserdiodenanordnung mit einer Vielzahl von Multimode-Emittern auf einen Raumlichtmodulator, großflächiges Beleuchten des Raumlichtmodulators mit dem Licht von der Laserdiodenanordnung, Brechen des von dem Raumlichtmodulator durchgelassenen Lichts gemäß einem angelegten elektrischen Feld, Durchlassen bezeichneten gebrochenen Lichts, das einem gegebenen angelegten elektrischen Feld entspricht, durch ein Raumfilter und Abbilden des Lichts auf einer Bildebene.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laserdruckers;
2 eine perspektivische Ansicht eines für die Erfindung verwendeten TIR-Raumlichtmodulators;
3 eine Seitenansicht des TIR-Raumlichtmodulators, welche die Beziehung des einfallenden Lichts zum Modulationsbereich veranschaulicht;
4 eine Seitenansicht im Querschnitt, die das Muster der elektrischen Felder zeigt, die von der Elektrodenstruktur erzeugt werden, wenn ein Pixel des TIR-Raumlichtmodulators moduliert wird;
5 gebrochenes Licht in einer Fourier-Ebene für Ein- und Aus-Zustände einer Gruppe von Pixeln mit vernachlässigbarer NA (numerischer Apertur) in der Beleuchtung;
6 gebrochenes Licht in einer Fourier-Ebene für Ein- und Aus-Zustände eines Pixels mit merklicher NA;
7 ein rekonstruiertes helles Bild eines Pixels mit einer Raumlichtfilterbreite, die +/– 0,01 Zyklen/μm entspricht;
8 ein rekonstruiertes helles Bild eines Pixels mit einer Raumlichtfilterbreite, die +/– 0,03 Zyklen/μm entspricht;
9 ein rekonstruiertes helles Bild eines Pixels mit einer Raumlichtfilterbreite, die +/– 0,05 Zyklen/μm entspricht;
10 ein rekonstruiertes helles Bild eines Pixels mit einer Raumlichtfilterbreite, die +/– 0,01 Zyklen/μm entspricht;
11 ein rekonstruiertes helles Bild eines Pixels mit einer Raumlichtfilterbreite, die +/– 0,03 Zyklen/μm entspricht;
12 ein rekonstruiertes helles Bild eines Pixels mit einer Raumlichtfilterbreite, die +/– 0,05 Zyklen/μm entspricht;
13a eine Vorderansicht des Raumfilters für den dunklen Zustand des einfallenden Lichts;
13b eine Vorderansicht des Raumfilters für den hellen Zustand des einfallenden Lichts;
14a eine Vorderansicht einer alternativen Ausführungsform des Raumfilters für den dunklen Zustand des einfallenden Lichts;
14b eine Vorderansicht einer alternativen Ausführungsform des Raumfilters für den hellen Zustand des einfallenden Lichts;
15a eine Vorderansicht einer alternativen Ausführungsform des Raumfilters für den dunklen Zustand des einfallenden Lichts; und
15b eine Vorderansicht einer alternativen Ausführungsform des Raumfilters für den hellen Zustand des einfallenden Lichts.
In der Zeichnung werden identische oder einander entsprechende Teile in allen Ansichten mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung als einen als Ganzes mit der Bezugsziffer 10 bezeichneten Laserdrucker. Der Laserdrucker 10 umfasst eine Laserdiodenanordnung 11, eine Beleuchtungsoptik 20, eine total intern reflektierende (TIR) Modulatoranordnung 40 mit Modulatorpixeln 41, einer Drucklinse 80 und einem an einer Medien- oder Bildebene 100 angeordneten Empfangsmaterial oder Medium 105.
Die Laserdiodenanordnung 11 ist eine Anordnung von Hochleistungslaserlichtquellen und besteht aus einer Reihe von Laserdioden-Multimode-Emittern 12, die nominell linear auf einer Ausgangsfacette ausgerichtet sind. Die Laserdiodenemitter 12 der Laserdiodenanord nung 11 werden jeweils von einer gemeinsamen Stromversorgung (nicht dargestellt) im Dauerstrichbetrieb gleichzeitig betätigt. Die Verwendung eines Dauerstrichlasers ohne individuelle Modulation vereinfacht die Stromversorgung der Laser und die Wärmeabstrahlung des Systems.
In Kombination mit der Beleuchtungsoptik 20 beleuchten alle Laserdiodenemitter 12 der Laserdiodenanordnung 11 eine Zeile oder Fläche vorgegebener Größe an der TIR-Modulatoranordnung 40. Dabei wird das von den einzelnen Laserdiodenemittern 12 ausgestrahlte Licht von der Beleuchtungsoptik 20 so abgebildet, dass es die volle Breite der TIR-Modulatoranordnung 40 erfasst, sodass eine Quellenredundanz gegeben ist und die Empfindlichkeit des Systems gegenüber Funktionsstörungen einzelner Laserdiodenemitter 12 verringert wird.
Die in der Zeichnung dargestellte Beleuchtungsoptik 20 ist anamorphotisch, d.h. für die Längs- und Querrichtung der Anordnung sind getrennte optische Systeme vorgesehen, weil das von den Laserdiodenemittern 12 ausgestrahlte Licht in den beiden Richtungen völlig verschiedene Eigenschaften aufweist. Im Übrigen könnten auch axialsymmetrische Komponenten mit Leistung in beiden Richtungen verwendet werden. Die Querrichtungselemente der Beleuchtungsoptik 20 umfassen eine Faserlinse 21 und eine Querrichtungslinse 27, die das Licht von der Laserdiodenanordnung 11 zur TIR-Modulatoranordnung 40 so übertragen, dass im Modulationsbereich einfallendes Licht auf eine senkrechte Breite der aktiven Modulatorpixel 41 begrenzt wird. Typisch für diese Ausführung ist, dass die Querrichtungsoptik die Laserdiodenemitter 12 an der TIR-Modulatoranordnung 40 abbildet. Zur Steuerung der Bildbreite und numerischen Apertur (NA) des Strahls an der TIR-Modulatoranordnung 40 kann die Querrichtungsoptik Mittel (nicht dargestellt) zum Korrigieren der Restemission der Laserdiodenanordnung 11 in Querrichtung aufweisen. Die Auswirkungen des Restemissionsfehlers können auch dadurch abgeschwächt werden, dass statt der Laserdiodenemitter 12 die Faserlinse 21 oder deren hintere Brennebene an der TIR-Modulatoranordnung 40 abgebildet werden. Als Faserlinse 21 kann beispielsweise eine zylindrische Linse für miskroskopische Aufnahmen der Firma Doric Lenses Inc., Ancienne-Lorette, Quebec, mit Gradientenindex oder eine hyperbolische zylindrische Linse für mikroskopische Aufnahmen der Firma Blue Sky Research, San Jose, Kalifornien, verwendet werden. Die Querrichtungsoptik zum Belichten der TIR-Modulatoranordnung 40 kann natürlich mehr Linsenelemente als nur die beiden in 1 gezeigten Elemente aufweisen.
Die Beleuchtungsoptik 20 umfasst auch die Optik mit Richtungsanordnung, die in 1 aus einer Laser-Kleinlinsenanordnung 24, einer Kombinator-Feldlinse 25 und einer Feldlinse 28 besteht. Bei richtiger Ausrichtung bildet jede Kleinlinse der Laser-Kleinlinsenanordnung 24 im Zusammenwirken mit der Kombinator-Feldlinse 25 den dieser Kleinlinse entsprechenden Laserdiodenemitter 12 auf der TIR-Modulatoranordnung 40 ab. Ebenso wird jeder Laserdiodenemitter 12 auf der TIR-Modulatoranordnung 40 abgebildet, wobei die Kombinator-Feldlinse 25 diese Vielzahl von Bildern zum Überlappen bringt. Statt, wie in 1 gezeigt, in zwei getrennten Elementen können die Laser-Kleinlinsenanordnung 24 und die Kombinator-Feldlinse 25 auch als einteiliges Linsenenelement hergestellt werden. Zur Verbesserung der Homogenität der Beleuchtung mit Richtungsanordnung der TIR-Modulatoranordnung 40 kann die Beleuchtungsoptik mit Richtungsanordnung ebenfalls die verschiedensten Elemente (nicht dargestellt) aufweisen, wie zum Beispiel Fliegenaugenintegratoren, Integrierschienen oder Spiegel-Rekombinatoren.
Im Zusammenwirken beleuchten die Optik mit Richtungsanordnung und die Optik für die Querrichtung den Modulator großflächig mit einem langen, schmalen Lichtstreifen hinreichend homogener Strahldichte, während die Helligkeit der Laserdiodenanordnung 11 weitgehend erhalten bleibt (weniger Übertragungs- und andere Verluste) und bezüglich der Laserdiodenemitter 12 eine Redundanz gegeben ist. Im Einzelnen erstreckt sich dieser anamorphotische Beleuchtungsstreifen über die volle Länge der TIR-Modulatoranordnung 40 in Richtung der Anordnung und beleuchtet in Querrichtung eine schmale Breite, die annähernd der aktiven Breite (elektrischen Feldtiefe) der Modulatorpixel 41 entspricht.
Anschließend wird die TIR-Modulatoranordnung 40 von der Drucklinse 80 in der Medienebene 100 abgebildet, um auf dem Medium 105 eine Zeile eng beabstandeter Schreibpunkte zu erzeugen. Typischerweise besteht die Drucklinse 80 aus einer Vielzahl von Elementen, die axialsymmetrisch oder anamorphotisch sein können. Der Einfachheit halber wurde die Drucklinse 80 in 1 mit drei Drucklinsenelementen 81, 82 und 83 dargestellt. Das Drucklinsenelement 82 fungiert als Feldlinse, um das Licht in der freien Apertur des Drucklinsenelements 83 zu konzentrieren. Das Drucklinsenelement 82 erzeugt ferner eine Fourier-Ebene 85 an einer Aperturblende, an der sich ein Raumfilter 90 befindet. Das Raumfilter 90 kann, wie in 1 gezeigt, einen einfachen Schlitz 91 aufweisen, der das ungebrochene Licht durchlässt. Wenn das Empfangsmedium 105 verhältnismäßig lichtunempfindlich ist, sodass die zum Drucken erforderliche Helligkeitsschwelle sehr hoch liegt, wird eine mittige Öffnung bevorzugt, weil diese den Transmissionsgrad maximiert. Das Raumfilter 90 könnte auch eine mittige Schranke mit Öffnungen auf beiden Seiten aufweisen, damit es das gebrochene Licht durchlässt. In diesem Fall wird der Ein-Aus-Kontrast zu Lasten der zum Drucken auf dem Medium 105 verfügbaren absoluten Helligkeit verbessert. Schließlich kann das Raumfilter 90 auch noch eine komplexere Struktur aus Schlitzen und Schranken aufweisen. Das Raumfilter 90 kann planar ausgebildet werden, wie in der Zeichnung gezeigt, oder auch bogen- oder kugelförmig der nicht paraxialen Aperturblende angepasst werden, um den Kontrast zu optimieren. Das Drucklinsenelement 83 vervollständigt dann die Abbildung der TIR-Modulatoranordnung 40 in der Medienebene 100. Als Drucklinsenelement 81 kann wahlweise ein zylindrisches Linsenelement verwendet werden, das die Vergrößerung der Drucklinse 80 ändert, sodass die Vergrößerung in Längs- und Querrichtung der Anordnung nicht mehr identisch erfolgt. Die Drucklinse 80 fungiert dann anamorphotisch oder asymmetrisch. Von dieser Verbesserung kann Gebrauch gemacht werden, wenn das Seitenverhältnis des Lichtstrahls (Breite zu Höhe) an einem Pixel 41 mit dem gewünschten Seitenverhältnis des abgebildeten Pixels an der Medienebene 100 nicht identisch ist. Natürlich kann das zylindrische Drucklinsenelement 81 nicht nur aus einem, sondern auch aus mehreren Linsenelementen bestehen. Dies gilt auch für die Drucklinsenelemente 82 und 83, die in der Zeichnung der Einfachheit halber jeweils als 1 Element dargestellt wurden, aber jeweils auch aus einer Vielzahl von Linsenelementen bestehen können.
Die nachstehend genannten Zahlenbeispiele verdeutlichen die Anamorphotik der optischen Auslegung des Laserdruckers 10. Eine für diese Anwendung geeignete typische Laserdiodenanordnung 11 ist der von der OptoPower Corporation, Tucson, Arizona, angebotene Opto-Power OPC-D020 Laser. Dieser Laser hat eine Leistung von 20 Watt und weist 19 je 150 μm breite Multimode-Laserdiodenemitter auf, die mit einer Teilung von 650 μm voneinander beabstandet sind. Dieser Laser emittiert linear polarisiertes Licht mit 830 nm bei einer numerischen Apertur von NA ~ 0,13 in Richtung der Anordnung und einer numerischen Apertur von NA ~ 0,63 in Querrichtung. Somit beträgt die Lagrange-Invariante in der Anordnungsrichtung (auch nach Entfernung der Abstände zwischen den Emittern) ~ 0,187 mm, aber nur 0,26 μm in Querrichtung (bei minimiertem Restemissionsfehler). Ferner ist zu beachten, dass die Emitter in Richtung der Anordnung zwar annähernd inkohärent verlaufende Miniaturlichtquellen darstellen, die emittierten Strahlen in Querrichtung sich jedoch im Prinzip wie räumlich einmodige Gaußsche Strahlen verhalten.
Da das von diesen Diodenlaseranordnungen emittierte Licht typischerweise eine Bandbreite (Δλ) von ~3-4 nm hat, ist die Kohärenz-Länge L = λ²/Δλ ~ 0,2 mm. Die Kohärenzbreite (auch als Kohärenzintervall bekannt) in der Anordnungsrichtung kann als D = (2·0,16·λ/NA) = 2 μm geschätzt werden, was im Vergleich zur Breite von 150 μm eines beliebigen Laserdiodenemitters 12 der Laserdiodenanordnung 11 in Anordnungsrichtung wenig ist. Somit ist das von einem Laserdiodenemitter 12 in der Anordnungsrichtung emittierte Licht, sofern es sich um einen Multimode-Laser handelt, über den Laserdiodenemitter 12 nur minimal räumlich kohärent. Infolgedessen weist das Gesamtprofil des von einem Laserdiodenemitter emittierten Lichts in Anordnungsrichtung nur eine minimale Welligkeit infolge Interferenz zwischen den Emittern auf.
Durch Aufrechterhaltung der multimodigen, inkohärenten Beziehung zwischen benachbarten Laserdiodenemittern 12 kann die Laserdiodenanordnung 11 eine Beleuchtung bereitstellen, die von den für breitflächige oder ausschließlich gewinngeführte Laser typischen Fadenbildungseffekten relativ frei ist. Die Anwesenheit individueller Laserdiodenemiter in der gewählten Laserdiodenanordnung verringert die Periodizität eines gegebenenfalls entstehenden räumlichen Unterbaus. Fadenbildung tritt eigentlich nur im Unterbau eines individuellen Laserdiodenemitters auf. Sie ist minimal und muss in keiner Weise mit dem benachbarten Laserdiodenemitter korrelieren. Weil die Laserdiodenanordnung 11 aus mehreren Elementen besteht und für Fadenbildungseffekte bei der erforderlichen Betriebsstromstärke weniger anfällig ist, kann eine solche Laserdiodenanordnung wesentlich höhere Ausgangsleistungen erzeugen und dabei einen räumlich und zeitlich stabilen Strahl aufrechterhalten. Ferner sind die einzelnen Laserdiodenemitter 12 weit genug voneinander beabstandet, um eine Phasenkopplung unwahrscheinlich zu machen. Folglich werden Interferenzeffekte, die Modalstrukturen erzeugen und zerstören und zu einem inhomogenen Strahl führen, vermieden.
Ein weiterer Vorteil der relativen Inkohärenz benachbarter Multimode-Laserdiodenemitter ist die zeitliche Stabilität der Laserdiodenanordnung. Ungekoppelt weisen inkohärente Laserdio denemitter im Allgemeinen das bei vielen anderen Hochleistungslaserdiodenanordnungen beobachtete periodische und quasi-periodische Zeitverhalten nicht auf.
Außerdem vereinfacht die gewählte Laserdiodenanordnung die optische Auslegung des restlichen Teils des Drucksystems erheblich. Bei Verwendung einer Laserdiodenanordnung mit einer Reihe kolinear angeordneter Laserdiodenemitter 12, die in Richtung der Anordnung jeweils abgeflachtes und inkohärentes Licht liefern, kann die Optik zum Überlappen und Positionieren des Lichts auf der Modulatoranordnung 40 verhältnismäßig einfach gestaltet werden. Im Vergleich dazu ist die für die Anordnung gemäß US-A-4 786 918 erforderliche Laserstruktur zweidimensional, weil die Emitter in zwei parallelen Reihen entlang der Vorderseite der Vorrichtung angeordnet sind. Diese Struktur bewirkt eine Erhöhung der Quellen-Lagrange in Querrichtung und infolgedessen auch der numerischen Apertur (NA) am Modulator. Alternativ kann diese Schwierigkeit durch Polarisation und/oder eine phasenverschiebende Optik ausgeglichen werden. Das optische System wäre in diesem Fall jedoch komplizierter und schwerer auszurichten als das in 1 dargestellte System. Für das erfindungsgemäße System wird der Interaktionsabstand innerhalb der Raumlichtmodulatoranordnung von der Modulatoranordnung 40 bestimmt und nicht von der Breite und Kohärenz der Beleuchtung. Aus diesem Grunde ist der Modulator leichter herzustellen. Hinzu kommt, dass die Einzelpixel-Modulationstiefe an der Modulatoranordnung 40 weniger strengen Anforderungen genügen muss und die Gleichmäßigkeit der Modulation durch eine Zusammenfassung von Pixeln in Gruppen erreicht werden kann statt auf Einzelpixelbasis.
In Querrichtung der Anordnung ist die Breite der Querrichtungskohärenz größer als die 1/e²-Emissionsbreite eines Laserdiodenemitters 12 in Querrichtung der Anordnung, die mit H = 2·λ/(π·NA) = 0,85 μm geschätzt werden kann. Somit ist Licht von einem beliebigen Laserdiodenemitter 12 der Laserdiodenanordnung 11 in der Querrichtung der Anordnung räumlich kohärent. Auch in diesem Fall sind die in einer Vielzahl über die Laserdiodenanordnung 11 verteilten Laserdiodenemitter 12 nicht miteinander phasengekoppelt. Das von der Vielzahl der Laserdiodenemitter 12 ausgestrahlte Licht kann daher ohne Interferenz und dadurch bedingte Welligkeit im Bestrahlungsprofil an der TIR-Modulatoranordnung 40 gebündelt werden. Die minimale Kohärenz in Richtung der Anordnung in Verbindung mit der Kohärenz in Querrichtung ermöglicht die Verwendung des TIR-Raumlichtmodulators 40 für diese Anwendung.
Ohne die Besonderheit der optischen Auslegung in Verbindung mit einer sehr spezifischen TIR-Raumlichtmodulatorauslegung wäre die geforderte Lichtdurchlässigkeit mit Lichtstärken von mehreren zehn Watt bei ausreichendem Kontrast nicht realisierbar.
Während das von einem beliebigen Emitter in Anordnungsrichtung ausgestrahlte Licht inkohärent genug ist, um eine Phasenbildung weitgehend zu verhindern und ohne signifikante Interferenzeffekte in sich überlappt werden zu können (beispielsweise mit einem Fliegenaugenintegrator), ist das Licht doch kohärent genug, um von dem TIR-Modulator 40 sinnvoll beeinflusst werden zu können. Wenn die Kohärenzbreite von 2 μm auf die Modulatorebene vergrößert wird, deckt der kohärente Bereich ~ 410 μm oder 3,4 Pixel. Somit ist das Licht an einem beliebigen Pixel kohärent genug, um von dem betreffenden Pixel phasenmoduliert zu werden.
Bei einer in 2 dargestellten bevorzugten Konfiguration für die TIR-Modulatoranordnung 40 sind 256 Pixel linear angeordnet, wobei jedes Pixel eine definierte Breite von 120 μm und die TIR-Modulatoranordnung 40 daher in der Richtung der Anordnung eine aktive Gesamtlänge von 30,72 mm aufweist. Wenn Licht von der Laserdiodenanordnung 11 auf der TIR-Modulatoranordnung 40 abgebildet wird, um die aktive Gesamtlänge großflächig zu beleuchten, beträgt die sich dann ergebende numerische Apertur der Beleuchtung in Richtung der Anordnung an der TIR-Modulatoranordnung 40 infolgedessen 0,0122. Jedes Pixel 41 enthält eine Vielzahl von Elektroden 43, die zwischen benachbarten Elektroden 43 ein elektrisches Feld erzeugen. Das elektrische Feld in jedem Pixel 41 fungiert als unabhängiges endliches Phasengitter. Ein einfallender Strahl 46, der in einem elektrooptischen Substrat 44 zu einem gebrochenen Strahl 48 gebrochen wird, erfährt innerhalb der Interaktionslänge eines aktivierten Pixels 41 eine Phasenänderung. Der resultierende Strahl 50 wird innerhalb der Breite eines adressierten Pixels 41 moduliert. Die Bezugsziffer 47 in 2 zeigt schematisch, wie die Strahlen 46, 48, 50 die Breite eines Pixels 41 abdecken. Weil der Strahl (46, 48 und 50) in der Anordnungsrichtung minimal kohärent ist, bewirkt die örtliche Modulation des Strahls keine nennenswerte Überlagerung in der Fourier-Ebene 85 mit den anderen überlappten Pixel-Fourier-Ebenen. Effektiv erfasst jede Filterung in der Fourier-Ebene jedes unabhängige Pixel. Dies ist ein Schlüsselelement in der Auslegung dieses auf einem TIR-Modulator basierenden Drucksystems. Weil die ersten Laserdiodenemitter in der Laserdiodenanordnung entlang der Anordnungsrichtung kolinear angeordnet sind, können die durch den Interaktionsabstand und die optische Kreuzkoppelung bedingten Beschränkungen verringert werden. Ohne das hier diskutierte Verfahren der Ausnutzung einer wesentlichen Inkohärenz in der Anordnungsrichtung würde der effektive Interaktionsabstand verringert und die Modulationstiefe erheblich beeinträchtigt werden. In 1 und 2 ist der Abstand zwischen den einzelnen Pixeln 41 zum besseren Verständnis der Erfindung übertrieben groß dargestellt. In Wirklichkeit sind die Pixel 41 eng beabstandet und nominell durch die Elektrodenteilung zwischen den Pixeln (~ 20 μm) voneinander getrennt.
3 zeigt die TIR-Modulatoranordnung 40 in einem Querschnitt entlang der Fortpflanzungsrichtung, der die Fortpflanzung des Lichts entlang des Lichtwegs und durch die TIR-Modulatoranordnung 40 veranschaulicht. Der einfallende Gaußsche Strahl 53 erreicht an dem Punkt der totalen internen Reflexion unter den Elektroden 43 oder in dessen unmittelbarer Nähe eine Gaußsche Strahlentaille 54. In Querrichtung der Anordnung beträgt die durch den 1/e^2-Wert des elektrischen Feldes 52 begrenzte Pixelhöhe ~ 20 μm. Diese Eindringtiefe kann näherungsweise durch die Teilung der Elektroden bestimmt werden. Eine genauere Analyse des Profils des statischen elektrischen Feldes durch eine Endliche-Elemente-Analyse zeigt, dass die Eindringtiefe für ein angelegtes elektrisches Feld von 85 V etwa 25 μm beträgt. Das optische System in Querrichtung der Anordnung ist so ausgelegt, dass es diese von der TIR-Modulatoranordnung 40 an jedem Pixel 41 bereitgestellte elektrische Feldtiefe leicht unterfüllt. Typischerweise erzeugt die Beleuchtungsoptik in Querrichtung der Anordnung dann an der TIR-Modulatoranordnung 40 eine Strahlentaille 54 mit einer vollen Breite (1/e²) von 20 μm bei einer numerischen Apertur (NA) von 0,03 (oder größer, je nach Größe der Restemission). Eine von dem elektrischen Feld hinreichend begrenzte Strahlentaille ergibt eine gleichmäßige Modulation in der Querabtastrichtung des optischen Feldes. Wenn die Strahlentaille 54 zu breit ist, führt eine ungleichmäßige Modulation über den Strahl zu einer Verringerung des Kontrastes und einer Verringerung der Durchlässigkeit oder der Notwendigkeit einer komplexeren Auslegung des Raumfilters. Ein Strahl, der in der Querrichtung der Anordnung deutlich breiter ist, kann über die Breite des Strahls eine ausreichende Modulation erfahren, wenn die Interaktionslänge lang genug ist. Ungleichmäßigkeiten im Kristall oder im elektrischen Feld können jedoch eine ungleichmäßige Modulation in der Querabtast-richtung verursachen. Um die Beschränkungen für die Herstellung und den Betrieb des Moduators zu verringern, wäre es vorzuziehen, den Querschnitt der Strahlentaille zu beschränken. Wenn die Strahlentaille 54 in Querrichtung der Anordnung zu stark beschränkt wird, verringert sich jedoch auch der Rayleig-Abstand. Der Strahl verlässt dann rasch die Eindringtiefe des elektrischen Feldes und verkürzt dadurch den Interaktionsabstand. Nicht zuletzt aus diesem Grunde muss die optische Auslegung sorgfältig mit der Auslegung des optischen Modulators abgeglichen werden, um angemessenen Kontrast und Durchlässigkeit für eine gegebene Wellenlänge und Kohärenz zu gewährleisten.
Eine weitere Randbedingung für die optimale Auslegung ist der wirksame Interaktionsabstand. Der wirksame Interaktionsabstand wird von dem Weg bestimmt, den der optische Strahl 48 zurücklegen muss, damit ein signifikanter Teil des Strahls, beispielsweise 1/2 der Breite in Querrichtung der Anordnung, innerhalb der 1/e^2-Eindringtiefe des elektrischen Feldes liegt. Dieser Abstand wird bestimmt von dem Einfallswinkel des optischen Strahls 48 an der Oberfläche des Kristalls 44, der Breite in Querrichtung der Anordnung und der numerischen Apertur (NA) in Querrichtung der Anordnung. Für einen internen Einfallswinkel von ca. 2 Grad ist der wirksame Interaktionsabstand typischerweise # 1,5 mm.
4 zeigt eine Querschnittsbreite 58 eines Einzelpixels 41 in dem Modulator 40. Die Wahl einer Pixelbreite von 120 μm soll mindestens 3 volle Zyklen des Phasengitters bei einer Elektrodenteilung 56 zwischen den Pixeln von 20 μm ermöglichen. Benachbarte Elektroden 43 behalten bei Aktivierung entgegengesetzte Polaritäten bei, sodass zwischen ihnen ein elektrisches Feld entsteht. Die Stärke des elektrischen Feldes bei der in 3 und 4 gezeigten 1/e^2-Tiefe 52 wird von der angelegten Spannung bestimmt. Wenn jedes Pixel 41 annähernd ein unabhängiges Phasengitter endlicher Größe darstellt und ein ausreichender Beugungswirkungsgrad berücksichtigt wird, sind mindestens 3 volle Phasenänderungszyklen erforderlich. Je größer die Anzahl der Perioden in jedem einzelnen Pixel, desto größer ist der Beugungswirkungsgrad und somit der optische Wirkungsgrad des Modulators. Zu viele Perioden haben jedoch große Pixel zur Folge. Die größeren Pixel würden die Homogenität und Größe der Beleuchtungsoptik weiter belasten. Zudem würden größere Pixel einen größeren Kristall 44 für den Modulator 40 erfordern und damit die Kosten des Systems erhöhen. Dies ist einer der Gründe, weshalb sich 120 μm Pixel mit 20 μm Elektrodenteilung 56 zwischen den Pixeln für diese Anwendung eignen. Ein Grund für die Wahl der Elektrodenteilung 56 von 20 μm zwischen den Pixeln ist auch die Eindringtiefe des elektrischen Feldes. Eine größere Elektrodenteilung zwischen den Pixeln, wie zum Beispiel 30 μm, hätte eine größere Eindringtiefe, die eine breitere Strahlentaille in Querrichtung der Anordnung ermöglichen würde. Dafür wäre jedoch eine größere Halbwellenspannung erforderlich. Bei einer kleineren Elektrodenteilung zwischen den Pixeln, zum Beispiel 10 μm, würde die Eindringtiefe in den Modulator für die gewählte Strahltentaille in Querrichtung der Anordnung und die numerische Apertur (NA) nicht ausreichen.
Die nächste Randbedingung für das Drucksystem ist die Beziehung zwischen der numerischen Apertur (NA) in Anordnungsrichtung und der Pixelstruktur. Unter Ausnutzung der Phasengitterstruktur eines jeden Pixels werden ausgewählte Ordnungen in der Fourier-Ebene räumlich gefiltert. Ein System mit einer vernachlässigbaren NA würde stets eine deutliche Trennung zwischen benachbarten Gitterordnungen aufweisen. 5 zeigt die Ein- und Aus-Zustände 16 benachbarter Pixel in der Fourier-Ebene in einem System mit vernachlässigbarer NA. Die senkrechte Achse stellt die Größe des Lichts in beliebigen Einheiten, die waagerechte Achse die Raumfrequenz dar. Wie aus 5 ersichtlich, besteht eine deutliche Trennung zwischen der nullten Ordnung 60 im nicht aktivierten Zustand und der ersten substantiellen Ordnung 65, die höher sein kann als die eigentliche erste Ordnung. Bei breiterer NA verschwindet diese Trennung schnell. 6 zeigt einen aktivierten und deaktivierten Zustand eines Einzelpixels mit endlicher NA. Die nullte Ordnung 60 und die erste Ordnung 62 des aktivierten Zustands beginnen, sich zu verschmelzen. Die NA ist jedoch, wie bei allen praktischen Systemen, endlich. Das Gitter muss dann so ausgelegt werden, dass eine ausreichende Trennung zwischen den Ordnungen möglich ist, wenn die Breite einer jeden Ordnung in der Fourier-Ebene von der NA bestimmt wird. Für eine einfache Bestimmung der erforderlichen Trennung durch Näherung sei angenommen, dass die Elektrodenteilung kleiner ist als die Wellenlänge dividiert durch die numerische Apertur. Mit Hilfe eines Finite-Elemente-Modells der Lichtfortpflanzung in Lithiumniobat konnte festgestellt werden, dass Elektrodenteilungen zwischen 15 und 20 μm bei einer NA von 0,012 in Anordnungsrichtung eine ausreichende Trennung liefern. Eine kleinere Elektrodenteilung liefert zwar eine bessere Trennung der Ordnungen, ermöglicht jedoch keine ausreichende Eindringtiefe des elektrischen Feldes und führt zu einer zu starken Begrenzung der Strahlentaille in der Querrichtung der Anordnung. Eine weitere Randbedingung für die NA in Anordnungsrichtung ist die Forderung nach minimaler Kreuz kopplung zwischen benachbarten Pixeln. Licht aus benachbarten Pixeln sollte innerhalb der Interaktionslänge des Pixels nicht in nennenswertem Umfang in benachbarte Pixel streuen. Wenn das Licht aus der Mitte des Pixels das benachbarte Pixel innerhalb einer Interaktionslänge nicht erreichen soll, muss Theta (2), die NA für kleine Winkel, # der Breite des Pixels dividiert durch 2 mal die Interaktionslänge sein.
Nach Bestimmung der Randbedingungen für die Beleuchtung und den Modulator muss als Nächstes die Auslegung der Betriebsspannung geklärt werden. Wenn man berücksichtigt, dass die Auslegung des Modulators verlangt, dass die Betriebsspannung unter 100 V bleibt, führt die Modulierung eines jeden Pixels als endliches Phasengitter zu mehreren, manchmal unerwarteten Ergebnissen. Auf den ersten Blick könnte es scheinen, dass die beste Arbeitsweise bzw. größte Modulation und ein entsprechender Kontrast mit der Phasenänderung π erzielt wird. Für den hier beschriebenen Drucker muss die Phasenänderung jedoch nicht π sein. Weitere Auslegungsparameter, die zur Bestimmung der besten Betriebsspannung und des besten Phasenwechsels beitragen, sind die NA in der Querrichtung der Anordnung, die Rekonstruktionsform des gefilterten Feldes und die Ordnung, in die ein wesentlicher Teil des Lichts gebrochen wird. Die NA in Querrichtung der Anordnung zusammen mit der Strahlbreite bestimmt die Größe des Interaktionsbereichs. Der Interaktionsbereich mal die Spannung ist direkt proportional der erzielten Gesamtphasenänderung. Die größte Phasenänderung beträgt π Radianten. Diese Phasenänderung bricht das Licht jedoch möglicherweise nicht in das am leichtesten zu filternde Profil. Zunächst kann durch näherungsweise Bestimmung eines jeden Pixels als sinusförmiges Phasengitter für eine gerade Anzahl von Pixeln N eine Gruppe von Pixeln dargestellt werden als: f(x) = rect((x – ((N/2p + (N + 1)s/2 – s))/2)/(w – (N/2p + (N/2 – 1)s + s/2))) + ΣN/2 t=1 rect((x– I(s + P))/s) + rect((x – ((N/2p + (N + 1)s/2 – s))/2)/(w – (N/2p + (N/2 + s/2) – s))) + ΣN/2 t=1 rect((x + I(s + p))/s) + rect(x/s) + ΣN/2 t=1 rect((x – ((s + p)/2 + (I – 1)(s + p)))/p) + ΣN/2 t=1 rect((x + ((s + p)/2 + (I – 1)(s + P)))/P) wobei x die Position entlang der Anordnung, p die Pixelbreite, s den Kantenabstand der Elemente, N die Anzahl der Pixel und 2w das Simulationsfenster angibt. Dieser Ausdruck gilt für mehr als 4 nebeneinander angeordnete Pixel. Die Fourier-Transformierte des vorhergehenden Ausdrucks stellt das Raumfrequenzprofil des Strahls in der Fourier-Ebene dar. Die Berechnung der Ausdrücke für die Fourier-Transformierten der vorhergehenden Gleichungen ist unkompliziert. Innerhalb der Ausdrücke ist die Summierung der Besselfunktionen Jq(m/2) der Term, der die Arbeitsweise der einzelnen Pixelgitter definiert,
wobei m näherungsweise bestimmt wird durch m = (2π/λ) Ln0 3r33V/d,und λ die Betriebswellenlänge, L den Interaktionsabstand, n₀ ³ den Brechungsindex, r₃₃ den elektrooptischen Koeffizienten, d die Feldtiefe und V die angelegte Spannung bezeichnet. Die Parameter in m werden so gewählt, dass der Beugungswirkungsgrad im Rahmen dessen, was für die gegebene NA räumlich filtrierbar ist, maximiert wird. Dies kann bedeuten, dass nicht die Brechung in die erste Ordnung, sondern die Brechung in die dritte oder eine höhere Ordnung die beste ist. Aus diesem Grunde kann eine Spannung, die einen bestimmten m-Wert ermöglicht, vorzuziehen sein, weil das gebrochene Licht dann leichter räumlich zu filtern ist. Aus dem Wert für m kann eine optimale Schlitzbreite im Raumfrequenzbereich berechnet werden, in dem m zu den Ordnungen, in denen gebrochenes Licht vorhanden ist, in Beziehung steht. Es kann dann vorteilhaft sein, die Betriebsparameter so zu wählen, dass der größte Teil des gebrochenen Lichts außerhalb der zweiten Ordnung des Berechnungsprofils liegt. In manchen Fällen kann es möglich und vorzuziehen sein, das Licht in die m = 8 Ordnungen zu brechen.
Das in die Drucklinse 80 an der Fourier-Ebene 85 integrierte Raumfilter 90 entspricht in seiner Ausführung den Randbedingungen des optischen Systems und des Raumlichtmodulators 40. Das Raumfilter 90 wird für einen optimalen Durchlass von 81%, im Idealfall mehr als 90%, ausgelegt, wobei ein Durchlass von nicht mehr als 65% gegebenenfalls noch als annehmbar angesehen werden kann. Ferner wird ein Kontrastverhältnis von 10 zu 1 benötigt. Bei diesen Randbedingungen, einer Elektrodenteilung von 20 μm, einer Pixelteilung von 120 μm und einer gewünschten Halbwellenspannung von weniger als 100 V hat das gewählte Raumfilter eine Schlitzbreite von 4,6 mm. (Raumfilterbreiten von 3,8 mm und 5,2 mm erfüllten zwar ebenfalls die Randbedingungen, 4,6 mm wurden jedoch als optimal angesehen). Ein Schlitz in der Fourier-Ebene 85 erzeugt eine Hellfeldbeleuchtung. Hellfeld bedeutet, dass das Licht nicht gebrochen wird, wenn an ein Pixel keine Spannung angelegt wird. Der größte Teil des einfallenden Lichts wird von dem Raumfilter 90 durchgelassen und in der Bildebene rekonstruiert. Bei Anlegen einer Spannung wird das Licht gebrochen. Die durch das Raumfilter 90 gelangende Lichtmenge reicht dann nicht mehr aus, sodass die Rekonstruktion dunkel bleibt.
Die Ausführung des Schlitzes 91 muss die gewünschten Randbedingungen für das System erfüllen, aber auch ein Pixel rekonstruieren, das annähernd quadratisch ist und zwischen benachbarten Pixeln keine Lücken hinterlässt. Eine zu kleine Schlitzbreite ergibt zwar einen guten Kontrast, aber ohne einige der Nebenordnungen um die nullte Ordnung der Si-Funktion, welche die Fourier-Transformierte eines quadratischen Pixels definiert, ist das rekonstruierte Pixel im hellen Zustand zu gerundet. Die in 7 dargestellte Rekonstruktion eines hellen Pixels 70 mit einer NA von 0,012 der Beleuchtung in Anordnungsrichtung und einem 0,01 Zyklen/μm Schlitz in der Fourier-Ebene ist dafür ein Beispiel. Wie aus 7 ersichtlich, erscheint das rekonstruierte Pixel gerundet und führt zu Lücken zwischen den Pixeln an der Bildebene. Die Rekonstruktion des hellen Zustands des in 7 abgebildeten Pixels ist in 10 dargestellt. Das Restlicht oder Streulicht ist unbedeutend und der Kontrast ausgezeichnet.
Eine Vergrößerung der Breite des Schlitzes 91 auf +/– 0,03 Zyklen/μm ergibt eine Rekonstruktion, die einem Quadrat näher kommt, wie aus 8 ersichtlich. Dabei bleibt, wie aus 11 ersichtlich, eine hinreichend geringe Helligkeit des Restlichts im dunklen Zustand und infolgedessen ein guter Kontrast erhalten.
Die Wirkung einer zu großen Schlitzbreite ist aus der Darstellung des hellen Zustands eines mit einer Schlitzbreite von +/– 0,05 Zyklen/μm rekonstruierten Pixels in 9 ersichtlich. Das rekonstruierte helle Pixel ist annähernd quadratisch, aber der in 12 dargestellte rekonstruierte dunkle Zustand weist zuviel Restlicht auf. Dieses Restlicht könnte das Medium belichten und dadurch den Kontrast verringern.
Mit der in Zyklen/μm ermittelten richtigen Schlitzbreite in der Fourier-Ebene kann die Schlitzbreite aus der Wellenlänge der Beleuchtung und der Brennweite des Projektionslinsenelements 82 bestimmt werden. Für eine numerische Apertur (NA) von 0,012, eine Wellenlänge der Beleuchtung zwischen 810 nm und 860 nm und eine vordere Brennweite von 241 mm liegt eine gute Schlitzbreite im Bereich von 3,2 mm bis 5,9 mm. Bemühungen, den Kontrast zu maximieren, können in einem verwirklichten System auch zur Wahl einer angemessenen Schlitzbreite von +/– 0,015 Zyklen/μm führen.
Der in 13a für den dunklen Zustand und in 13b für den hellen Zustand für den Filter 90 gewählte einfache Schlitz 91 ist im Prinzip ein Rechteck. Die mittige Ordnung (nullte Ordnung) (der mittige Lappen) 60 und die erste Ordnung 62 und die gebrochene zweite Ordnung 63 werden von dem Schlitz 91 in 13a durchgelassen. Die dritte Ordnung 64 mit einem erheblichen Anteil an gebrochenem Licht wird von dem Filter 90 blockiert, wie aus 13a ersichtlich. Im hellen oder nicht aktivierten Zustand befindet sich der größte Teil der Leistung in dem mittigen Lappen 60, der von dem Filter 90 durchgelassen wird, wie aus 13b ersichtlich. Da die Beleuchtung anamorphotisch und die Tiefe des elektrischen Feldes geringer ist als die Pixelbreite, kann die Form des Schlitzes 91 der Form des Strahls angepasst werden. Entsprechend der jeweiligen numerischen Apertur (NA) kann der Schlitz, wie in 14a und 14b (heller und dunkler Zustand) gezeigt, für eine breite NA in der Anordnungsrichtung die Form einer Sanduhr aufweisen, oder, wie in 15a und 15b (dunkler und heller Zustand) dargestellt, für eine geringe Feldtiefe in der Querrichtung der Anordnung konisch verjüngt sein.
Der Nettodurchlass des Systems ist weitgehend filterabhängig. Mit den genannten Parametern ist ein Systemdurchlass von 65%, ein Kontrast von 10:1 und eine optische Kreuzkopplung von weniger als 15% erzielbar. Die Verwendung eines weitgehend inkohärenten optischen Systems in Verbindung mit einem speziell für die großen Leistungsdichten und die räumliche Inkohärenz ausgelegten Raumlichtmodulators ergibt einen leistungsfähigen Drucker besonderer Art.

Claims

Druckersystem mit: einer Laserdiodenanordnung (11) mit einer Vielzahl von Multimode-Emittern (12); einem transmissiven Phasengitter-Raumlichtmodulator (40), der Licht von der Laserdiodenanordnung (11) gemäß einem angelegten elektrischen Feld bricht; einer Beleuchtungsoptik mit Richtungsanordnung (24, 25, 28) zum großflächigen Beleuchten des Raumlichtmodulators (40) mit Licht von der Laserdiodenanordnung (11); einer Beleuchtungsoptik (21, 27) für die Querrichtung zum Begrenzen der Divergenz einfallenden Lichts von der Laserdiodenanordnung (11) und zum Fokussieren des Lichts auf den Raumlichtmodulator (40); weiterhin gekennzeichnet durch: eine Abbildungslinse (82) mit einer internen Fourier-Ebene (85), wobei die Linse (82) Licht vom Raumlichtmodulator (40) auf einer Bildebene (100) abbildet; und einen Raumfilter (90) mit einem Schlitz (91), wobei der Filter (90) in unmittelbarer Nähe zur Fourier-Ebene (85) angeordnet ist und bezeichnetes gebrochenes Licht, das einem gegebenen angelegten Feld entspricht, durchlässt.
Druckersystem nach Anspruch 1, worin der Raumlichtmodulator ein Modulator vom Total-Intern-Reflexionstyp ist.
Druckersystem nach Anspruch 1, worin der Raumlichtmodulator eine Vielzahl unabhängig adressierbarer Pixel umfasst, derart, dass jedes Pixel ein unabhängiges Phasengitter ist.
Druckersystem nach Anspruch 3, worin jedes Pixel ein Beugungsgitter mit mindestens drei Gitterperioden enthält.
Druckersystem nach Anspruch 1, worin der Schlitz des Raumfilters eine Form einer Sanduhr hat.
Druckersystem nach Anspruch 1, worin eine Breite des Schlitzes des Raumfilters groß genug ist, um mindestens 65 % des dadurch einfallenden Lichts durchzulassen.
Druckersystem nach Anspruch 1, worin der Schlitz des Raumfilters eine Breite in einer Abtastrichtung hat, die einen Durchgang von nullter Ordnung und genügend Neben-Ordnungen hat, um ein Pixel auf der Bildebene zu rekonstruieren.
Druckersystem nach Anspruch 1, worin der Schlitz des Raumfilters eine Breite in einer Abtastrichtung hat, die einen Durchgang von nullter Ordnung und zwei zusätzliche Neben-Ordnungen auf jeder Seite hat, um ein Pixel auf der Bildebene zu rekonstruieren.
Druckersystem nach Anspruch 1, worin der Schlitz des Raumfilters eine Breite in einer Abtastrichtung hat, die einen Durchgang von nullter Ordnung und sieben zusätzliche Neben-Ordnungen auf jeder Seite hat, um ein Pixel auf der Bildebene zu rekonstruieren.
Druckersystem nach Anspruch 1, worin der Schlitz des Raumfilters eine Breite hat, die einer Raumfrequenz von of +/– 0,015 Zyklen/μm entspricht.