DE69313347T2

DE69313347T2 - Lasermarkierungsgerät

Info

Publication number: DE69313347T2
Application number: DE69313347T
Authority: DE
Inventors: Abraham Gross
Original assignee: Orbotech Ltd
Current assignee: Orbotech Ltd
Priority date: 1992-05-12
Filing date: 1993-05-06
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2013-05-07
Also published as: JP3725904B2; EP0570154A1; JPH06317772A; US5309178A; DE69313347D1; EP0570154B1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Laser-Abbildungen im allgemeinen und insbesondere Laser-Abbildungen mit einem akustischen Modulator.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Laserabbildungen, die akustische Modulatoren verwenden, wurden im Stand der Technik vorgeschlagen. US-Patent US-A-4 617 578 beschreibt eine Methode, um eine Mehrzahl von reproduzierten Abbildungen eines Originalbildes aufzunehmen, wobei multiple Laserstrahlen durch einen akustisch-optischen Modulator moduliert werden aufgrund von Bild-Signalen, die dadurch erhalten werden, daß ein Originalbild gescannt wird. US-Patent US-A-4 520 472 beschreibt ein optisches Aufnahme- und Wiedergabesystem, welches in einem Multikanal-Datenverarbeitungssystem verwendet wird. Ein optischer Kopf, welcher eine Laser- Dioden-Anordnung beinhaltet und Optiken, die den Laserstrahl bündeln, der von der Diodenanordnung ausgestrahlt wird, weitet den Strahldurchmesser, um zirkulare Strahle zu formen und fokussiert die Strahle auf brechungsarme Stellen.
US-Patent US-A-4 506 275 beschreibt eine Bildscann- und Aufnahmevorrichtung, die einen akusto-optischen Modulator verwendet der mit einer Mehrzahl von optischen Fasern verbunden ist, die Licht von individuellen Kanälen des Modulatorausganges zu einem Aufnahmemedium koppelt.
US-Patent US-A-4 516 838 beschreibt einen akusto-optischen Modulator, der eine überlappende Elektrodenstruktur aufweist. Obwohl mögliche Farbplotterapplikationen genannt sind, ergibt sich kein Hinweis darauf, wie Probleme bewältigt werden können, die die optischen Interferenzen betreffen, die von der Überlappung resultieren.
US-Patent US-A-4 743 091 beschreibt eine zweidimensionale Laser-Dioden-Anordnung, die auf ein optisches Aufnahmemedium herab abgebildet wird, welches sich relativ zu dem Bild der Anordnung bewegt.
Generell betreffen Scanner des Standes der Technik Multikanalmodulatoren, die derart verwendet werden, daß jeder Strahl einzeln moduliert wird (vgl. EP-A-0 422 956). Die verschiedenen Strähle werden isoliert, um gegenseitige Interferenzen zu vermeiden, wodurch sich das System verkompliziert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine verbesserte Laser-Markierungsvorrichtung anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Bezüglich der vorliegenden Erfindung wird eine Laser- Markierungsvorrichtung angegeben mit:
mindestens einer Vieltypen- oder Mehr- bzw. Multimode- Laserstrahlquelle, die einen Laserstrahl erzeugt;
einem Strahlenkompressor, welcher den Laserstrahl empfängt und einen teilweise abgeflachten, rohrförmigen Ausgangsstrahl erzeugt;
einem akustischen Mehrkanalmodulator zum Definieren einer Vielzahl von sich mindestens teilweise überlappenden Modulationsbereichen, die sich in einer Ebene erstrecken;
eine Einrichtung zum Richten des teilweise abgeflachten rohrförmigen Ausgangsstrahls durch den akustischen Mehrkanalmodulator und
eine Abbildungseinrichtung zum Richten von Licht vom Modulator auf eine Laser-Markierungs-Abbildungsebene.
In der vorausgegangenen Ausführungsform können auch Mittel zur Kontrolle des Betriebs des aktustischen Modulators vorgesehen sein, so daß Variationen in dem Intensitätsprofil von der mindestens einen Laserstrahlquelle kompensiert werden, durch dazu korrespondierende Variationen der akustischen Energie, die der Mehrzahl von Modulationsregionen zugeführt wird. Vorzugsweise beinhaltet die Lasermarkierungsvorrichtung Mittel, um den akustischen Modulator bezüglich eines Datenstroms zu betreiben, um eine korrespondierende Modulation des mindestens einen Laserstrahls zu erreichen.
Hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Laser-Markierungssubstrat an der Abbildungsebene angegeben, welches einer Bewegung relativ zu dem akustischen Modulator ausgesetzt ist.
Zusätzlich und mit Rücksicht auf eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung angegeben, die die relative Bewegung des Substrates und des Modulators mit dem Datenstrom koordiniert.
Vorzugsweise werden durch eine Vorrichtung eines polarisierenden Strahlteilers zwei Laserstrahlen strahlseitig oberhalb des akustischen Modulators kombiniert.
Die Vorrichtung beinhaltet wählbare Verzögerungen von Teilen des Datenstroms, die eingesetzt werden, um den Betrieb von dazu korrespondierenden Modulationsregionen der Mehrzahl von Modulationsregionen zu steuern.
Die Laserstrahlquelle kann eine Laser-Diode oder eine Laserquelle wie beispielsweise einen Nd:YAG-Laser oder einen Argon- Ionen-Laser beinhalten.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird vollständiger durch die folgende detaillierte Beschreibung verstanden, die in Verbindung mit den Zeichnungen erklärt wird, die zeigen:
Figuren 1A und 1B sind vereinfachte, piktogrammförmige Illustrationen von zwei alternativen Ausführungsformen der Laser-Markierungsvorrichtung, die konstruiert ist und betrieben wird im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ist eine vereinfachte Illustration eines akustischen Modulators, der in der Vorrichtung der Figuren 1A und 1B vorgesehen ist.
Figuren 3A und 3B sind vereinfachte Illustrationen des Profils eines Multimode-Laserstrahls in zwei zueinander rechtwinkeligen Ebenen;
Figur 4A ist eine Illustration eines Laser-Intensitätsprofils eines Multimode-Laserstrahls, der in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Figur 4B ist eine Illustration der Datensignale, die von AM-Modulatoren empfangen werden im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 4C ist eine Illustration des optischen Strahlintensitätsprofils des Ausgangs des akusto-optischen Modulators im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 5A ist eine Illustration einer Mehrzahl von Pixeln, die auf ein Aufnahmemedium geschrieben sind unter Abwesenheit einer Verzögerungskorrektur;
Figur 5B ist eine Illustration von gegenseitig verzögerten Datensignalen im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Figur 5 C ist eine Illustration einer Mehrzahl von Pixeln, die nach einer Verzögerungskorrektor auf ein Aufnahmemedium geschrieben sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Figur 1 A illustriert eine bevorzugte Ausführungsform einer Laser-Schreibvorrichtung, die im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde und dementsprechend operiert. Die Laser-Schreibvorrichtung beinhaltet vorzugsweise eine Laser-Diode 10 wie eine CW-Einfachmode-Niedrigenergie-Diode Modell SDL-2430, die handelsüblich erhältlich ist von Spectra Diode Labs der Vereinigten Staaten, und die betrieben wird durch einen Laser-Treiber 12, wie z. B. ein Modell SDL-820, welches ebenfalls handelsüblich erhältlich ist von Spectra Diode Labs, und welche einen Ausgangsstrahl zur Verfügung stellt, der eine Visierlinse 14 passiert.
Die Visierlinse 14 operiert insofern, als sie im allgemeinen das gesamte Laserlicht, welches durch die Laser-Diode 10 generiert wurde, bündelt und welche einen weitgehend elliptischen Strahl produziert, der auf eine zylindrische Linse 16 trifft. Die zylindrische Linse 16 operiert insofern als sie einen teilweise abgeflachten rohrförmigen Strahl 18 zur Verfügung stellt, der eine weitgehend flache, das heißt ebene bzw. gestreckte eingeschnürte Region aufweist.
Ein multikanal-akustischer Modulator 20, wie beispielsweise ein modifiziertes Modell MC 80, welches handelsüblich erhältlich ist von Crystal Technology Inc. der USA, ist derart vorgesehen als er in operativem Eingriff mit dem rohrförmigen Strahl 18 steht. Der akustische Modulator beinhaltet eine Mehrzahl von einzelnen kontrollierbaren akustischen Spalten 22 (Figur 2), die zumindest teilweise die Region 24 überlappen. Der akustische Modulator 20 ist derart lokalisiert als der ebene bzw. gestreckte, eingeschnürte Strahl 18 durch die Region 24 trifft, wie dies in Figur 2 dargestellt ist.
Beugungslinse 14 operiert insofern als daß der Ausgang der Laser-Diode zu einem weitgehend parallelen Strahl gebündelt wird, der eine Querschnittskonfiguration aufweist, die weitgehend mit der Größe des Querschnitts der Region 24 übereinstimmt. Geeignete Beugungslinsen sind handelsüblich erhältlich von Melles Griot der Vereinigten Staaten.
Die zylindrische Linse 16 ist vorgesehen, um den durch die Beugungslinse 14 erweiterten Strahl zu komprimieren, so daß seine Anstiegszeit klein ist, z. B. kann eine Anstiegszeit in der Ordnung von Zehnern von Nanosekunden realisiert werden, falls eine eingeschnürte Region von 0,1 mm in Dicke hergestellt wird. Dabei wird TeO&sub2; als optisches Material für den Modulator 20 verwendet. Die durch die Linse 16 hergestellte Strahlkompression ist ebenso wichtig, um den eingeschnürten Strahl auf einen Bereich zu lokalisieren, der innerhalb des Bereiches des Modulators 20 liegt, wobei die überlappenden akustischen Wellen, die durch die individuellen Spalten erzeugt werden, das Laserlicht in einer weitgehend einheitlichen Art und Weise beugen.
Der Strahl 18, der gebeugt und demnach durch den Eingriff von mindestens teilweise überlappenden akustischen Spalten 22 moduliert wurde, wird durch eine sphärische Linse oder eine Gruppe von Linsen 26 auf ein Aufnahmemedium 28 abgebildet. Ungebeugtes Licht des Modulators 20 trifft auf einen Halt 30.
Falls die Laser-Diode 10 eine Niedrigenergie-Diode ist, wird als Aufnahmemedium vorzugsweise ein Material von hoher Photosensivität verwendet, wie beispielsweise ein Silber-Halogen- Film oder ein xerographisches Substrat. Sollte es notwendig sein, daß auf ein relativ schwach sensitives Medium geschrieben werden soll, wie beispielsweise ein thermisch aktives Medium, kann ein Laser mit höherer Energie verwendet werden, wie beispielsweise eine Hochenergie-Multimode-Laser-Diode, die bei 2 bis 3 Watt CW operiert.
Figuren 3A und 3B illustrieren die Konfiguration des Ausgangs einer Multimode-Laser-Diode. Es ist einsichtig, daß es entweder unmöglich ist oder daß die Verwendung einer hochnumerischen Appertur-Linse notwendig ist, um diesen Ausgang auf einen relativ kleinen Punkt zu fokussieren, was zu einer unakzeptablen kleinen Fokussierungstiefe führt.
Es ist ein besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß der Laserstrahl nicht auf einen einzigen kleinen Punkt fokussiert werden muß, in dem der beschriebene multikanal- akustische Modulator verwendet wird, sondern daß der Laserstrahl statt dessen auf eine Mehrzahl von unmittelbar aneinander liegenden Pixeln fokussiert werden kann, die zu dem Layout der individuellen Kanäle des akustischen Modulators korrespondieren. Die Anforderungen an die optischen Eigenschaften der Linsen 14 und 16 sind ausreichend gering, um einfach realisierbar zu sein.
Allgemein gesprochen ist die Funktionsweise des akustischen Modulators derart, daß durch die Verwendung von RF-Energie an einer Elektrode einer gegebenen Spalte des akustischen Modulators das Licht, welches durch den Modulator passiert, gebeugt wird und auf das Aufnahmemedium trifft. In Abwesenheit der Verwendung von RF-Energie an einer gegebenen Spalte führt dazu, daß keine Beugung stattfindet und das ungebeugte Licht auf den Halt 30 auftrifft und nicht auf das Aufnahmemedium 28.
Figur 2 illustriert einen multikanal-akustischen Modulator 20, der für die vorliegende Erfindung vorteilhaft ist. Der Modulator 20 beinhaltet eine Mehrzahl von Elektroden 50, die auf vorteilhafte Weise eine Höhe (pitch) von 1 mm und eine Weite von 0,8 mm aufweisen und die einen gegenseitigen Abstand von 0,2 mm haben. Jede Elektrode so ist mit einem piezoelektrischen Umwandler 52 verbunden, der bei einer RF-Frequenz operiert, wie beispielsweise 150 MHz Jede Elektrode so ist mit einem eigenen AM-Modulator 54 verbunden.
Durch die zusätzliche Bezugnahme auf Figur 1A kann man erkennen, daß jeder AM-Modulator 54, wie beispielsweise ein Modell 1180 von Crystal Technology Inc. einen Eingangsstrom von Daten empfängt, der einen Träger bei einer gegebenen Frequenz moduliert. Die Datenrate ist vorzugsweise derart, daß die Belichtung eines korrespondierenden Pixels auf dem Aufnahmemedium 28 mit der Form einer Stelle übereinstimmt, die für die Aufnahme benötigt wird. Hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchläuft der Daten- Input für jeden AM-Modulator einen Amplituden-Einstellungsstromkreis 60 und einen Verzögerungsgenerator-Stromkreis 62, um intensitätsbedingte und räumliche Deformationen der Laser- Schreibvorrichtung der vorliegenden Erfindung zu kompensieren. Die Funktionsweise der Stromkreise 60 und 62 wird nachfolgend mit Bezugnahme auf die Figuren 4A bis 4C und 5A bis 5C beschrieben.
In der oben beschriebenen Ausführungsform, wobei die Höhe der Elektroden 50 1 mm groß ist und wobei ein TeO&sub2;-Kristall mit einer akustischen Geschwindigkeit von ungefähr 4,2 mm/Mikrosekunde verwendet wird, ist die Belichtungszeit für jedes Pixel 0,24 Mikrosekunden.
Es ist ersichtlich, daß für andere akusto-optische Materialien oder andere akustische Übertragungsmoden die Konfiguration des eingeschnürten Strahls 18 entsprechend geändert werden sollte. Indem der Winkel zwischen dem einfallenden Laserstrahl und dem akustischen Übertragungsvektor in einer herkömmlichen Art und Weise ordentlich eingestellt wird, kann eine Beugungseffizienz von mehr als 80 % erreicht werden.
Der Modulator 20 funktioniert als ein Transparent mit einer Linie von hellen und dunklen Pixeln. Die Brennweite der Linse 26 und ihre Entfernung vom Modulator 20 werden gewählt, um ein gewünschtes Vergrößerungsverhältnis, welches zu einer verlangten endgültigen Pixelgröße korrespondiert, erreicht wird. Um beispielsweise auf PCBs zu schreiben, wo eine Auflösung von 12,5 mm gewöhnlich ist, wird ein Reduktionsfaktor von 18 mit einem 1 mm Elektroden-Pitch übereinstimmen, um die korrekte Auflösung zu erhalten. In diesem Fall kann die Linse 26 ein herkömmliches Mikroskopobjektiv beinhalten.
Nachfolgend wird Figur 1B beschrieben:
Figur 1B illustriert eine Vorrichtung, die ähnlich ist zu jener der Figur 1A, wobei jedoch ein Paar von Laser-Dioden 60 und 62 eingesetzt wird, die jeweils einen korrespondierenden Treiber 64 und 66 und eine Verzögerungsplatte 68 und 70 zusätzlich zu einer Beugungslinse 72 aufweisen. Die Verzögerungsplatten 68 und 70 sind vorgesehen, um die Polarisationsvektoren der Laser-Dioden zu drehen, so daß diese kombiniert werden können, ohne daß Energie durch einen Polarisationsstrahlteiler 82 verloren geht. Solche Verzögerungsplatten und Strahlteiler sind handelsüblich erhältlich von Melles Griot.
Der Rest der Vorrichtung von Figur 1B kann identisch sein zu der von Figur 1A.
Nachfolgend werden die Figuren 4A bis 4C beschrieben:
Diese illustrieren eine Technik für die Intensitäts- Kompensation, welche vom Stromkreis 60 in den Figuren 1A und 1B durchgeführt wird. Figur 4A illustriert das typische Laserstrahl-Intensitätsprofil über die individuellen akustisch- optischen Modulator-Kanäle des akustisch-optischen Modulators 20.
Um die uneinheitlichen Laserstrahl-Intensitäten, die auf die verschiedenen Kanäle des Modulators 20 auftreffen, zu kompensieren, wirkt der Amplituden-Einstellungsstromkreis 60 (Figuren 1A und 1B), um die Amplitude des Datensignals, welches an den AM-Modulator 54 eines jeden Kanals angelegt wird, zu justieren. Dadurch liefert das Ausgangssignal des AM- Modulators 54 einen RF-Energie-Input für den Modulator 20, dessen Amplitude die Variationen des Laser-Intensitäts-Inputs an diesem Kanal kompensiert ebenso wie jegliche andere Intensitäts-Variationen innerhalb des Modulators. Das Ergebnis ist ein relativ flacher und einheitlicher optischer Intensitäts- Output des Modulators 20 für alle Kanäle, wie dies in Figur 4C gezeigt wird.
Im folgenden werden die Figuren 5A bis 5C beschrieben. Diese illustrieren eine Technik, um räumliche Deformationen zu kompensieren, die durch den Stromkreis 62 in den Figuren 1A und 1B durchgeführt wird. Figur 5A illustriert eine typische nicht gerade Anordnung von aneinanderliegenden Pixeln, die von Systemstörungen innerhalb des Laser-Schreibsystems von Figuren 1A und 1B herrühren, wenn keine Korrektur verwendet wird.
Stromkreis 62 wird eingesetzt, um entsprechend angepaßte relative Verzögerungen zwischen den Datensignalen der verschiedenen Kanäle einzuführen. Der Verzögerungsstromkreis 62, der ein herkömmlicher Verzögerungsstromkreis sein kann, führt eine Verzögerung ein, die auf der Basis von sehr präzisen empirischen Messungen von Pixel-Lokationen kalibriert wird, die durch die Laser-Schreibvorrichtung hervorgerufen werden. Solch relative Verzögerungen sind in Figur 5B illustriert.
Figur 5C illustriert eine relativ gerade Pixel-Anordnung, welche das gewünschte Ergebnis der Korrektur des Stromkreises 62 darstellt.
Personen, die mit der vorgestellten Technik vertraut sind, werden erkennen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf das limitiert ist, was hier insbesondere gezeigt und beschrieben wurde. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll definiert werden durch die folgenden Ansprüche:

Claims

1. Lasermarkierungsvorrichtung mit:

mindestens einer Vieltypen- oder Mehr- bzw. Multimodelaserstrahlquelle, die einen Laserstrahl erzeugt;

einem Strahlenkompressor, welcher den Laserstrahl empfängt und einen teilweise abgeflachten rohrförmigen Ausgangsstrahl erzeugt;

einem akustischen Mehrkanalmodulator zum Definieren einer Vielzahl von sich mindestens teilweise überlappenden Modulationsbereichen, die sich in einer Ebene erstrecken;

einer Einrichtung zum Richten des teilweise abgeflachten rohrförmigen Ausgangsstrahl durch den akustischen Mehrkanalmodulator und

eine Abbildungseinrichtung zum Richten von Licht vom Modulator auf eine Lasermarkierungsabbildungsebene.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs des akustischen Modulators in der Weise, daß Änderungen im Intensitätsprofil mindestens einer Laserstrahlquelle durch entsprechende Änderungen der akustischen Leistung kompensiert werden, die in der Vielzahl der Modulationsbereiche auftreten.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Betrieb des akustischen Modulators in Übereinstimmung mit einem Datenstrom zur entsprechenden Modulierung von mindestens einem Laserstrahl.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Einbringen eines Lasermarkierungssubstrats, welches einer Bewegung relativ zum akustischen Modulator unterworfen ist, in die Abbildungsebene.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Koordinieren der relativen Bewegung des Substrats und des Modulators in Abhängigkeit vom Datenstrom.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Laserstrahl zwei Laserstrahlen enthält, die durch einen polarisierenden Strahlaufspalter bzw. Strahlenteiler in Stromrichtung hinter dem akustischen Modulator kombiniert sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen auswählbarer Verzögerungen von Teilen des Datenstroms, der zum Betrieb korrespondierender der Vielzahl der Modulationsbereiche angewendet wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Laserstrahlenquellen eine Laserdiode aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Laserstrahlenquellen einen Nd:Yag- Laser aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Laserstrahlenquellen einen Argonionenlaser aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenkompressionseinrichtung eine zylindrische Linse aufweist und daß der teilweise abgeflachte rohrförmige Ausgangsstrahl eine im allgemeinen ebene bzw. gestreckte eingeschnürte Region aufweist, die sich in den mindestens teilweise überlappenden Modulationsbereichen des akustischen Modulators befindet.