DE69117481T2

DE69117481T2 - System und Verfahren zur Erzeugung einer homogenen Beleuchtung für eine Tungsten-Quelle

Info

Publication number: DE69117481T2
Application number: DE69117481T
Authority: DE
Inventors: William E Nelson
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1990-12-31
Filing date: 1991-12-30
Publication date: 1996-07-11
Anticipated expiration: 2011-12-31
Also published as: DE69117481D1; EP0493829A1; JP3066157B2; KR100230535B1; KR920012960A; EP0493829B1; JPH05142491A

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
In der GB-A-2 123 247 und in der EP-A-232 037 sind optische Systeme dieser Art offenbart.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Benutzung von Halbleiter-Lichtmodulatoren als Ersatz für den Laser-Polygonscanner bei xerographischen Druckprozessen gewinnt an Popularität. Eine bevorzugte Technologie ist aufgrund ihres monolithischen Halbleiter-Herstellungsprozesses die Vorrichtung mit verformbaren Spiegeln (DMD). Die ebenfalls anhängige Patentanmeldung mit dem Titel "Raumlichtmodulator-Drucker und Betriebsverfahren", veröffentlicht unter der Nummer EP 0 433 985 und angemeldet vom Anmelder dieser Patentanmeldung, welche hierdurch bezugsmäßig miteingegliedert wird, diskutiert eine Ausführungsform einer DMD- Vorrichtung, welche Wolfram-Licht benutzt, das über eine Optik auf ein DMD-Array fokussiert wird. Obwohl die Erfindung in dieser Anmeldung sehr gut funktioniert, wurden einige zu verbessernde Bereiche offenkundig.
Diese Verbesserungen konzentrieren sich auf die Reduzierung des Leistungsverbrauchs, die Reduzierung in der physischen Größe und die Gleichförmigkeit der Lichtmodulation über das DMD-Array. Wolfram-Quellen, wie alle weißglühenden Glühfäden, emittieren Licht mehr oder weniger isotrop, welches gesammelt und fokussiert werden muß, falls die Lichtenergie effektiv genutzt werden soll. Zusätzlich ist ein Hauptzusatzeffekt des weißglühenden Lichts die Erzeugung von Wärme, was wiederum eine Möglichkeit der Wärmeableitung erfordert. Dies wiederum erfordert massive Strukturen oder ausgefüllte Räume, um die Wärme von der Quelle wegzubewegen, sowie Ventilatoren mit inhärenten Rausch-/Zuverlässigkeits-Werten.
Da weißglühendes Licht in seinem Emissionscharakter dem Lambert-Gesetz folgt, müssen die Strahlen von allen Seiten des Glühfadens gesammelt und fokussiert werden, was eine schnelle Optik erfordert, die wiederum ein Argument für große Ausmaße und Kosten bietet, um eine Leistungsverschwendung aufgrund von Sammeluneffektivität zu vermeiden.
Dementsprechend ist bei DMD-Strukturen nach dem Stand der Technik die zum Versorgen der Lichtquelle erforderliche übermäßige Leistung ein Problem, welches mit großen Ausmaßen sowohl bezüglich der Optik als auch bezüglich der Wärmeabfuhr damit verbunden ist. Die vorher erwähnte Patentanmeldung zeigt das DMD-Array im Lichtenergiestrom zwischen der Lichtquelle und der Abbildungslinsenöffnung angeordnet. Zum Erzielen eines maximalen Energietransfers ist es notwendig, die Abbildungslinsenöffnung mit dem modulierten Glühfadenbild vom DMD-Array auszufüllen. Die Abbildungslinse ist aus Kostengründen und weiteren Gründen so entworfen, daß sie rund ist und somit ein quadratisches Glühfaden-Bildseitenverhältnis, das zum Überfüllen der Abbildungslinse vergrößert ist, für die Linse vorgesehen werden muß, um zu gewährleisten, daß die Linse ausgefüllt ist. Obwohl diese Anordnung richtig funktioniert, leidet sie unter dem Problem, daß nicht die gesamte, durch die DMD modulierte Leistung durch die Abbildungslinse durchgelassen werden kann und daß nicht das gesamte, durch die Sammellinsen gesammelte Licht auf den aktiven DMD-Bereich konzentriert werden kann.
Das letztere Problem existiert für Drucksysteme insofern, als daß ein DMD-Array notwendigerweise länglich ist oder ein lineares Aussehen hat und somit das Lichtmuster, das das Array erreicht, um einen signifikanten Faktor breiter als hoch sein muß, und zwar verglichen entweder mit dem Glühfaden-Bildseitenverhältnis oder der Öffnung der Abbildungslinse, welche beide gedanklich durch ein Quadrat angenähert werden können. Da die Quelle gleichzeitig auf der Abbildungslinsen-Kreisöffnung fokussiert werden muß und dabei die gesamte Länge des DMD-Modulators, der zwischen der Öffnung der Kollimatorlinse und der Fokussierungslinse angeordnet ist, beleuchten muß und da die DMD-Vorrichtung wesentlich breiter als hoch ist, damit das Array vollständig beleuchtet wird, erfordert die resultierende Lichtform eine beträchtliche Beleuchtungsbreite oberhalb und unterhalb des aktiven Bereichs der DMD-Vorrichtung, welcher demzufolge "verschwendet" ist.
Ein weiteres Problem ist, daß das fokussierte Bild von der DMD-Vorrichtung kontinuierlich auf eine sich bewegende Trommel projiziert wird. Somit wird sich während der Belichtungsperiode einer Punktlinie die Trommel für jeglichen Pixelbildort um einen vorbestimmten Abstand drehen und dieses Pixelbild verbreitern oder verzerren. Eine Abbildung der Lichtenergie auf der Trommel für diesen Pixelort wird enthüllen, daß die maximale Lichtenergie, die zu diesem Pixel transferiert wird, einen Spitzenwert nur am Zentrum des Pixels erreichen wird und sich in Form einer Pyramide zu diesem Punkt hin aufbauen und von diesem Punkt weg abfallen wird. Diese pyramidale Verteilung der Pixelenergie ist nicht optimal für eine Minimalstrukturbildung und reduziert somit die Schärfe des xerographischen Bildes in der Verarbeitungsrichtung.
Somit ist ein Problem der DMD-Vorrichtungen, auf das sich die vorliegende Erfindung richtet, daß die Lichtquelle um Größenordnungen mehr Energie erzeugen muß als tatsächlich zur eigentlichen Xerographie eingefangen und benutzt wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lichtmodulationssystem zu schaffen, welches einen verbesserten Energietransfer an und von jedem Pixel ermöglicht, um damit Betriebsverfahren für das System zu ermöglichen, welche die Schärfe des resultierenden Bildes verbessern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Lösung der obenerwähnten Probleme ist durch ein optisches System mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 geschaffen.
Ein dramatischer Anstieg in der optischen Effektivität kann durch anamorphotisches Komprimieren des Bereichs der Beleuchtung, der oberhalb (oder unterhalb) des aktiven Bereichs einer DMD-Vorrichtung anfällt, in der vertikalen Richtung erreicht werden, und zwar in einer derart ausgewählten Art, daß sich das Glühfadenbild bilden und darauf folgend gut oberhalb der DMD-Vorrichtung divergieren kann, um somit gerade die Bildlinsenöffnung auszufüllen. Das Beleuchtungsmuster, welches auf die längere Seite (Tangentialverhältnis) des aktiven DMD-Bereichs fällt, konvergiert jedoch weiterhin zur Bildung eines fokussierten Glühfadenbildes direkt auf der Abbildungslinsenöffnung. Dies bewirkt in effektiver Weise mehr Leistung pro Einheitsfläche bei der DMD-Vorrichtung, da das vertikale Lichtenergieband, das komprimiert ist, um die DMD-Ebene intensiver zu beleuchten, noch auf ein Bündel von Lichtenergie divergiert, das durch die Abbildungslinse aufgenommen werden kann, um dadurch das Erfordernis nach maximalem Energietransfer zu erfüllen.
Unter Benutzung dieser Anordnung wird die typische rechteckige Glühfadenbilddarstellung der Quelle an der kreisförmigen Öffnung der Abbildungslinse zunächst in der vertikalen Richtung komprimiert und dann ebenfalls in der vertikalen Richtung divergent gemacht, so daß die Öffnung der Abbildungslinse vollständig ausgefüllt oder wie erwünscht überfüllt wird, um somit zu ermöglichen, daß das System unter dem gesamten Raumwinkel des Abbildungssystems unter maximaler Effektivität arbeitet.
Ein technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die anamorphotische Kompression des Lichtglühfadenbildes in einer Richtung, um mit der Struktur der DMD-Vorrichtung übereinzustimmen, aber unter Ermöglichung, daß das selbe Bild aufgeweitet wird, um die Abbildungsöffnung auszufüllen.
Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist derjenige, daß das tatsächliche physikalische Bildseitenverhältnis des Glühfadens länger und schmaler gemacht werden kann und somit die DMD-Vorrichtung unter Vorgabe der gleichen Glühfadentemperatur effektiver unter einer niedrigeren Gesamtverlustleistung beleuchtet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann durch Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung und die Ansprüche im Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung, bei der gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen, erzielt werden.
Figur 1 zeigt schematisch einen DMD-Lichtmodulator nach dem Stand der Technik;
Figur 2 zeigt in schematischer Form eine Ausführungsform der DMD-Lichtmodulatoranordnung nach der vorliegenden Erfindung;
Figur 3 zeigt die schematische Oberansicht der Ausführungsform von Figur 2;
Figur 4 zeigt die gefaltete Optik einer Ausführungsform der Erfindung; und
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Optik der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Figur 1 zeigt ein System nach dem Stand der Technik, bei dem eine Lichtquelle 11 eine herkömmliche Wolfram-Glühfaden- Leuchte ist. Wie angedeutet, tritt die Hälfte des Lichts von dem Glühfaden 101 an der Rückseite aus und ist nicht wiedergewinnbar. Die Lichtquelle ist somit effektiv ein Flachplattenstrahler, von dem Licht nur in der Vorderhalbkugel gesammelt werden kann. Dies wird durch eine Linse 104 bewerkstelligt, welche ein Teil einer herkömmlichen sphärischen Kollimatoranordnung ist. Das Licht wird dann durch die Linse 105 geformt, und der Brennpunkt des Bildes des Glühfadens von zur konjugierten Ebene O' ist als Glühfadenbild 102 innerhalb des Kreises 13 gezeigt. Typischerweise wird der Glühfaden vergrößert, um mit der Öffnung der Abbildungslinse 13 übereinzustimmen.
Gewöhnlicherweise gibt es einen mittleren Bereich (gezeigt als DMD-Ebene), in dem die Beleuchtung auf der DMD-Vorrichtung 103 als ein Bereich der Höhe y und der Breite z (in die Seite) gezeigt ist. Innerhalb diesem ist ein kleiner gestrichelter Bereich, der mit einer Höhe x gezeigt ist, welcher der tatsächliche aktive DMD-Bereich ist. Dieser Bereich sollte in einer Region liegen, die nahe der Pupille des Linsenelements 105 liegt, um die erforderte Gleichförmigkeit zu erzielen. Jedoch ist wünschenswert, die DMD-Vorrichtung stromabwärts im konvergierenden Strahl des Beleuchtungslichts zu verschieben, da dann mehr Energie pro Einheitsfläche auf die DMD-Vorrichtung konzentriert werden würde. Unglücklicherweise jedoch kann dies wegen des Verlustes an Gleichförmigkeit nicht bewerkstelligt werden. Somit muß die DMD-Vorrichtung nahe der Ausgangspupille der Linse 105 liegen. Der dafür gezahlte Preis ist der Energieverlust, da die Energie über einen breiteren Bereich im Vergleich zur DMD-Vorrichtung, bei der Beleuchtungsbereich z mal y im Vergleich zum kleineren DMD-Bereich z mal x ist, verteilt ist. Somit liegt das Dilemma beim herkömmlichen Ansatz beim Anpassen des Beleuchtungsprofils an die DMD- Vorrichtung, welche typischerweise 250 mal länger als hoch ist. Dies ist unmöglich bei der herkömmlichen sphärischen Optik und vernünftigen Lichtquellen und Abbildungslinsensystemen.
In Figur 2 ist eine vorgeschlagene Lösung gezeigt, bei der der herkömmliche Glühfaden 101 der Birne 11 wie zuvor auf die erste Sammellinse 104 strahlt. Das System ist dann verbessert mit der Einführung eines unterschiedlichen Satzes sphärischer Elemente 204, 205 und eines neuen Elements 206, das eine anamorphotische Linse ist, die das Licht in nur einer Richtung beeinflußt. Die Krümmung der Linse bestimmt den Einfluß, den die Linse auf das übertragene Licht ausübt. Eine anamorphotische Linse kann mit zwei verschiedenen Krümmungen realisiert werden, wie zum Beispiel in dem Fall, bei dem eine Krümmung flach ist. Die Krümmungen werden in Gestalt ihrer Radien gemessen. Eine flache Linse, sagt man, habe einen unendlichen Radius. Der Einfluß auf das Licht ist, daß beim Betrachten entlang der z-Achse in die Seite das Strahlenbündel entlang der y-Achse komprimiert wird, was dann verursacht, daß das Lichtbündel in der kritischen y-Richtung die x-Dimension der DMD-Vorrichtung annähert und mit ihr übereinstimmt, wie als 203 in Figur 2 gezeigt. Die Linse 206 komprimiert das Bündel des Lichts ohne Beeinflussung seiner Breite z, was in mehr Strahlung pro Einheitsfläche an der DMD-Vorrichtung resultiert.
Im Betrieb existiert eine untergeordnete vertikale Ebene des Glühfadenbildes bei 201, während das seitliche Bild des Glühfadens in derselben Ebene wie zuvor erhältlich ist, d.h. wie innerhalb des Kreises 13 von Figur 1 gezeigt. Das resultierende Bild oder Strahlenbündel 202 ist innerhalb des Kreises 21 gezeigt. Was effektiv aufgetreten ist, ist die Kompression des Bildes des rechteckigen Glühfadens in der vertikalen Richtung. Wenn die Energie von dem Lichtbündel die Ebene der Abbildungslinse erreicht, ist es nicht länger fokussiert, aber dies ist nicht ein Erfordernis des Systems wie beim Stand der Technik. Das entdeckte Erfordernis ist, daß das Strahlenbündel auftrifft und etwa gleich der Größe der Öffnung der Abbildungslinse ist, wie mit dem Kreis 21 gezeigt. Das Bild muß nicht perfekt fokussiert sein, solange das Strahlenbündel die Kriterien erfüllt, daß es die Öffnung der Abbildungslinse ausfüllt und hindurchgeht.
Daraus resultierend ist, wie im Kreis 21 gezeigt, das Glühfadenbild oder das Strahlenbündel 202 bei O' in der vertikalen Richtung stärker als das Bild vergrößert. Dieser Effekt bietet eine Verbesserung des Ausfüllens der runden Abbildungslinsenöffnung, und obwohl das Bild 202 ein gut geformtes Glühfadenbild zeigt, ist es tatsächlich nur in der Seitenrichtung gut geformt.
In der vertikalen Richtung ist es überhaupt nicht fokussiert. Die wesentlichen Kriterien, daß das Strahlenbündel der optischen Achse folgt und durch die Abbildungslinse tritt, sind noch erfüllt.
In Figur 3 ist die Oberansicht der vorherigen Figur gezeigt. Die DMD-Ebene ist wiederum gezeigt, die Optik ist die gleiche wie in Figur 2. Das Element 206 ist jetzt in seiner wahren Form von der vertikalen Richtung gezeigt. Es wirkt wie ein flaches Glasstück. Es hat keinen Effekt auf die Energie, die Breite des durchtretenden Strahlenbündels oder das seitliche Glühfadenbild. Es läßt im wesentlichen alle Lichtstrahlen durchtreten, als ob es nicht gegenwärtig wäre, und das Bild 202, das in den Kreis 31 bei O' fällt, ist von einer Oberansicht von Figur 1 (nicht gezeigt) her im wesentlichen unbeeinflußt.
Es sollte bemerkt werden, daß die schematische Zeichnung der Figuren 1, 2 und 3 die DMD-Vorrichtung so zeigen, als ob sie ein Transmissionselement wäre. Dies ist in der Praxis nicht der Fall. Insbesondere sind wir mit dem Problem eines Leuchten-Glühfadens, des Bildes 102, wie in Figur 1 gezeigt, beschäftigt, der ziemlich lang im Vergleich zu seiner Höhe ist, und wir behandeln es mit zusätzlicher Optik (Figur 2), so daß wir eine Verbesserung beim Umwandeln eines langen schmalen Glühfadens in ein quadratisches oder annähernd kreisförmiges Bild 202, um die Abbildungslinsenöffnung auszufüllen, erzielen. Somit haben wir die schwierige Aufgabe gelöst, Licht von einem herkömmlichen Glühfaden zu nehmen und es in das Profil der DMD-Ebene umzuwandeln und darauf folgend ebenfalls die Abbildungslinsenöffnung mit entweder einer quadratischen oder kreisförmigen Glühfadenbildform auszufüllen.
Figur 4 zeigt eine strukturelle Ausführungsform der Erfindung. Die Strahlen von der Leuchte 11 und dem Glühfaden 101 sind jetzt als durchtretend durch die optischen Elemente 104, 204, 205 und 206 und als auf die DMD-Vorrichtung 40 einfallend gezeigt. Die unmodulierte Komponente der reflektierten Strahlen ist nun als Strahlenbündel 402 gezeigt. Diese Strahlen treten nicht in das System ein und werden optisch nicht benutzt. Die Strahlen 401 sind die modulierten Strahlen, welche Bilder 102 und 202 bilden, die mit Bezug auf Figuren 1 und 2 diskutiert wurden und die nun zum Auftreffen auf die Abbildungslinse 41 gebracht werden und die daraufhin folgend das DMD-Bild stromabwärts in der zur DMD- Vorrichtung 40 konjugierten Bildebene bilden.
In Figur 5 zeigen wir eine alternative Ausführungsform, und zwar wiederum zum Sammeln des Lichts von der Leuchte 11 mit der Leuchtenlinse 104, und zum Bearbeiten desselben mit den mittleren Linsen 204 und 205. Anstelle ein anamorphotisches Transmissionselement zu zeigen (das das Element 206 in Figur 2 gewesen wäre), zeigen wir dann einen gekrümmten Spiegel 506, der ein anamorphotisches Spiegelelement ist, welches zwei Zwecken dient, nämlich 1) zum Ermöglichen der Kompression des Strahles und des Energiebündels von dem Leuchtenfilament in der erwünschten Richtung und 2) zum Ermöglichen der Faltung des optischen Systems, so daß wir in der Lage sind, die Leuchte hinter die DMD-Vorrichtung zu setzen, anstelle alle Elemente auf derselben Seite der DMD-Vorrichtung zu haben (was tendenziell der Verpackung der Vorrichtung Beschränkungen auferlegt). Das Strahlenbündel 501 ist der modulierte Lichtweg, und das Strahlenbündel 502 ist der unmodulierte Lichtweg, und zwar ähnlich wie in Figur 4.
Prinzipiell ist mit dem Spiegelelement 506 ein wesentlich kompakteres Verpackungsschema verfügbar, wobei die Leuchte im wesentlichen aus der Nähe der DMD-Vorrichtung und der DMD-Abbildungslinse entfernt ist. Somit sind wir dann in der Lage, die Vorteile der Reflexionscharakteristik des Elementes 506 zu nutzen, um ein besseres Bild des Glühfadens zu bilden, da es keine Verzerrung aufgrund der Tatsache gibt, daß kein refraktives Linsenelement benutzt wird. Das Element 506 könnte einfacherweise eine verspiegelte Plastikoberfläche oder eine verspiegelte Glasoberfläche sein.

Claims

1. Optisches System mit

einer Sammeloptik (104, 204, 205, 206) zum Sammeln von Licht aus einer Lichtquelle (11);

einer Abbildungslinse (41) zum Erzeugen eines Bildes eines in einer Objektebene zwischen der Sammeloptik (104, 204, 205, 206) und der Abbildungslinse (41) angeordneten Objekts (40), wobei die Sammeloptik (205, 206, 204, 104) so angeordnet ist, daß sich ein Strahlenbündel (401) ergibt, das die Objektebene beleuchtet und die Öffnung der Abbildungslinse (41) ausfüllt;

wobei das optische System dadurch gekennzeichnet ist, daß die Sammeloptik (104, 204, 205, 206) eine anamorphotische Optik ist, die so angeordnet ist, daß sie eine vertikale Komponente des Strahlenbündels (401) bezüglich einer horizontalen Komponente in der Objektebene komprimiert und die vertikale Komponente auf einen Punkt zwischen der Objektebene und der Abbildungslinse fokussiert und die horizontale Komponente des Strahlenbündels (401) direkt auf die Öffnung fokussiert.

2. Optisches System nach Anpruch 1, bei welchem das Objekt (40), das zwischen der Sammeloptik (104, 204, 205, 206) und der Abbildungslinse (41) angeordnet ist, eine Vorrichtung mit verformbaren Spiegeln ist.

3. Optisches System nach Anspruch 1, bei welchem das Strahlenbündel (401) eine horizontale Breite hat, die größer als ihre vertikale Höhe ist, so daß sie das Objekt (40) effektiver beleuchtet.

4. Optisches System nach Anspruch 3, bei welchem das beleuchtete Objekt (40) eine Vorrichtung mit verformbaren Spiegeln ist.

5. Optisches System nach Anspruch 1, bei welchem das optische System ein in zwei Ebenen gekrümmtes optisches Element (205, 204) enthält.

6. Optisches System nach Anspruch 1, bei welchem das optische System ein optisches Element enthält, das ein Spiegel ist.

7. Optisches System nach Anspruch 1, bei welchem der Brennpunkt sowohl der horizontalen als auch der vertikalen Komponenten des Bildes des Objekts (40) auf einer sich bewegenden xerographischen Oberfläche hinter der Abbildungslinse (41) liegt und bei welchem das Brennpunkt Bild zur Anpassung an die Form des Objekts (40) eine rechtwinklige Form hat.

8. Optisches System nach Anspruch 7, bei welchem das Objekt (40) eine Vorrichtung mit verformbaren Spiegeln ist.