DE69731098T2

DE69731098T2 - Optische vorrichtung für drucker

Info

Publication number: DE69731098T2
Application number: DE69731098T
Authority: DE
Inventors: K. Bruce JOHNSON; D. Philip CHAPNIK
Original assignee: Polaroid Corp
Current assignee: Intellectual Ventures I LLC
Priority date: 1996-08-28
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2017-08-29
Also published as: US5864390A; EP0922242B1; JP2001500630A; WO1998009190A1; EP0922242A1; DE69731098D1; JP4193950B2

Description

Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein optische Systeme, welche sich für die Umwandlung einer Liniendarstellung gleichmäßiger Breite in ein im Wesentlichen lokalisiertes, relativ kleines Abbild eignen und insbesondere ein System zum Druck von Linien. Die beschriebenen optischen Systeme umfassen einen konkaven Spiegel, zumindest ein zylinderförmiges optisches Element, gegebenenfalls eine Stoppapertur, sowie eine Vorrichtung zur räumlichen Modulation der Strahlung. Beim Drucken und anderen Abbildungsverfahren dient das beschriebene optische System dazu ein linienförmiges Abbild, welches eine gleichmäßige Breite und Intensität aufweist ausgehend von einer Strahlungsquelle, welche eine relativ geringe Größe aufweist, zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise sind die optischen Systeme photographische Printer, welche nacheinander folgende Linien von Pixeln eines Abbilds auf ein photoempfindliches Medium drucken.
Das zylinderförmige optische Element, welches eine zylinderförmige Linse oder ein zylinderförmiger Spiegel sein kann, wird optisch zu einem kollimierten Strahl ausgerichtet, welcher durch den konkaven Spiegel erzeugt wird, und dient dazu, die kollimierte Strahlung entlang zumindest einer Achse des kollimierten Strahls zusammenzuführen oder zu fokussieren. Im optischen Pfad des optischen Systems ist ein Modulator zur räumlichen Modulierung der Strahlung angeordnet. Der Modulator zur räumlichen Modulierung der Strahlung umfasst eine Vielzahl von Zellen, welche elektronisch zwischen Zuständen geschaltet werden können, in welchen sie die Strahlung blockieren bzw. die Strahlung durchlassen. Jede Zelle bildet einen Pixel ab, der daher zwischen den beiden Zuständen gewählt werden kann, um auf dem photoempfindlichen Medium ein Abbild zu erzeugen, indem die einfallende fokussierte Strahlung selektiv durchgelassen wird. Wird daher das photosensitive Medium relativ zum optischen System bewegt, können aufeinanderfolgende Abbildungslinien auf das photosensitive Medium projiziert werden, um ein Abbild zu erzeugen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die oben beschriebenen Aufgaben sowie weitere Aufgaben der Erfindung sowie deren verschiedene Merkmale sowie auch die Erfindung selbst können anhand der folgenden Beschreibung besser verstanden werden, wenn diese zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, wobei:
1 ein optisches System in Form eines Diagramms zeigt;
2A eine Ausführungsform des optischen Systems in Form eines Diagramms zeigt, wobei das optische System einen Parabolspiegel umfasst;
2B eine Seitenansicht der Ausführungsform aus 2A zeigt;
3 eine Ausführungsform eines optischen Systems in Form eines Diagramms zeigt, wobei das optische System einen sphärischen Spiegel umfasst;
4 eine Ausführungsform eines optischen Systems in Form eines Diagramms zeigt, wobei das optische System eine Schmidtplatte umfasst;
5A eine Ausführungsform eines optischen Systems in Form eines Diagramms zeigt, welches eine zylinderförmige Linse umfasst; und
5B eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform des optischen Systems aus 5A zeigt, welche einen Aperturstop und gegebenenfalls eine zweite zylinderförmige Linse aufweist.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Erfindung betrifft einen optischen Drucker, wobei die verschiedenen Ausführungsformen auf eine Druckvorrichtung gerichtet sind.
In 1 wird eine optisches System 10 gezeigt. Eine Strahlungsquelle 12 emittiert Strahlung 14, welche mit Hilfe des konkaven Spiegels 16 als im Wesentlichen kollimierte Strahlung 18 durch einen optionalen Diffusor 19 auf einen Modulator 20 zur räumlichen Modulierung der Strahlung reflektiert wird. Der konkave Spiegel 16 kann einen einfach gekrümmten Spiegel (d. h. eine zylinderförmige Oberfläche) oder einen doppelt gekrümmten Spiegel (d. h. eine toroidale Oberfläche) umfassen. In Bezug auf die Beschreibung wird unter einem zylinderförmigen optischen Element ein optisches Element verstanden, welches eine Linsenoberfläche oder eine Spiegeloberfläche mit einem konischen oder einem asphärischen Querschnitt in der Ebene eines Meridians und einen unendlichen Krümmungsradius in der orthogonalen Meridianebene aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Strahlung 14 eine optische Strahlung, wie eine Strahlung im Infrarotbereich, im sichtbaren Bereich oder im ultravioletten Bereich, wobei die Erfindung jedoch nicht auf diese Wellenlängen beschränkt ist.
Der Modulator 20 zur räumlichen Modulierung der Strahlung, der beispielsweise eine Anordnung von Flüssigkristall-Blenden sein kann, wird selektiv durch externe elektronische Mittel (nicht gezeigt) gesteuert, so dass die kollimierte Strahlung 18 in eine Strahlung 22 umgewandelt wird, welche die Bildinformation trägt und welche eine Anordnung von Strahlungssegmenten bzw. Pixeln umfasst. Die Strahlung 22, welche die Bildinformation trägt, kann durch einen optischen Leiter 24 geleitet werden, durch welchen die Strahlung 22, welche die Bildinformation trägt, auf eine Objektoberfläche geleitet wird, wie beispielsweise ein photoempfindliches Medium 30, wie dies durch das Bezugszeichen 28 angezeigt ist. In einer Ausführungsform umfasst der optische Leiter 24 eine Anordnung von graded-index (GRIN)-Fasern 26, wobei jede GRIN-Faser 26 einem Pixel in der Strahlung 22, welche die Bildinformation trägt, entspricht.
Die Strahlungsquelle 12 umfasst eine oder mehrere Vorrichtungen, welche monochrome Strahlung emittieren. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Strahlungsquelle 12 ein oder mehrere Reihen von jeweils drei lichtemittierenden Vorrichtungen (LEDs). In jeder Reihe ist eine LED angeordnet, welche rotes Licht emittiert, eine LED, welches grünes Licht emittiert, sowie eine LED, welche blaues Licht emittiert. Alternativ kann als Strahlungsquelle 12 auch eine einzelne Breitbandquelle verwendet werden, wie beispielsweise eine weiße Lichtquelle, zusammen mit einer oder mehreren Filtervorrichtungen, wie beispielsweise einem Farbfilterrad.
Der konkave Spiegel 16 dient dazu, die Divergenz der kollimierten Strahlung 18 zu kontrollieren und so eine Überlap pung in der Anordnung der Pixel zu minimieren, welche durch das Licht 22 gebildet wird, das die Bildinformation trägt. Der Pfad der kollimierten Strahlung 18 verläuft im Wesentlichen orthogonal sowohl zum Diffuser 19 als auch zum photoempfindlichen Medium 30. Der Diffusor 19 dient dazu, ein gleichmäßigeres Strahlungsmuster am räumlichen Strahlungsmonitor 20 zu erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Modulator 20 zur räumlichen Modulierung der Strahlung eine Anordnung von binären Flüssigkristallzellen, welche in Form eines Arrays über dem photosensitiven Medium 30 angeordnet sind. Während des Betriebs des optischen Systems 10 wird jede Zelle entweder in einen Zustand geschaltet, in welchem die Strahlung blockiert wird, oder in einen Zustand, in welchem die Strahlung durchgelassen wird. Graustufen können auf dem photosensitiven Medium 30 erzeugt werden, indem die Modulierung der binären Zellen zeitverzögert erfolgt, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Alternativ kann der Modulator 20 zur räumlichen Modulierung der Strahlung Zellen umfassen, welche nicht nur zwei Zustände, sondern mehrere Zustände einnehmen können. Es versteht sich, dass das hier beschriebene optische System keinen Modulator für die räumliche Modulierung des Lichts benötigt, um entsprechend der Erfindung betrieben zu werden.
In den 2A und 2B ist eine optisches System 32 dargestellt, welches einen doppelt gekrümmten parabolischen Spiegel 33 umfasst, welcher hier im Querschnitt dargestellt ist, sowie eine zylinderförmige Linse 34, welche zwischen dem Parabolspiegel 33 und dem Modulator 20 zur räumlichen Modulierung der Strahlung angeordnet ist. Die zylinderförmige Linse 34, welche vorzugsweise aus einem achromatischen Material hergestellt ist, dient dazu, die kollimierte Strahlung 18 entlang einer Achse zu konvergieren, welche im Wesentlichen parallel zur optischen Achse der zylinderförmigen Linse 34 und entsprechend pa rallel zur Linie der bildgebenden Strahlung 29 verläuft, welche am photoempfindlichen Medium 30 erzeugt wird. Durch Nachprüfung kann ermittelt werden, dass der Abstand der Strahlungsquelle 12 vom Zentrum des Parabolspiegels 33 (bezeichnet mit I₁) geringer ist, als der Abstand der Strahlungsquelle 12 zur Kante des Parabolspiegels 33 (bezeichnet mit I₂). Diese Anordnung bewirkt eine Verstärkung der fokussierten bildgebenden Strahlung 28 an den Kanten des photoempfindlichen Mediums 30, wie dies durch den Graph 38 dargestellt ist. Der Graph 38 entspricht einer Kurve, in welcher die Anregung bzw. Intensität als Funktion des Ortes entlang des photosensitiven Mediums 30 dargestellt ist.
Diese Verstärkung kann quantitativ beschrieben werden, indem berücksichtigt wird, dass die Breite der bildgebenden Strahlung 29 (bezeichnet mit W₂) durch die Gleichung W₂ = W₁F_c/F_p gegeben ist, wobei W₁ die Höhe einer einzelnen Strahlungsquelle (wie einer LED), F_p die Brennweite des Spiegels und F_c die Brennweite der zylinderförmigen Linse ist. F_p entspricht am Zentrum des parabolischen Spiegels 33 I₁, und entspricht an der Kante des Parabolspiegels 33 I₂. Die bildgebende Strahlung 29 entspricht einer geraden Linie der Strahlung, welche auf einen geraden Abschnitt des photoempfindlichen Mediums 30 fokussiert ist. Bei konstantem W₁ nimmt daher die Breite W₂ der bildgebenden Strahlung 29 proportional in Richtung auf die Kanten des photoempfindlichen Mediums 30 hin ab. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auch in der Weise durchgeführt werden kann, dass die zylinderförmige Linse 34 durch einen zylinderförmigen Spiegel ersetzt werden kann, wobei die Richtung der Strahlung entsprechend geändert wird.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform mit einem optischen System 40 dargestellt, welches einen doppelt gekrümmten sphärischen Spiegel 42 umfasst. Im optischen System 40 erfährt die reflektierte Strahlung eine Winkeländerung, welche vom Ort der Reflektion durch den sphärischen Spiegel 42 abhängt. Im dargestellten Beispiel wird ein erster Strahl 14a vom sphärischen Spiegel in einem im Wesentlichen kollimierten Winkel α relativ zur Spiegellängsachse 46 reflektiert, wobei der reflektierte Strahl mit 44 bezeichnet ist. Ein zweiter Strahl 14b wird in einem im Wesentlichen konvergenten Winkel β relativ zur Längsachse 46 reflektiert, wobei der reflektierte Strahl mit 50 bezeichnet ist. Da der Winkel α nahezu 90° beträgt passiert die reflektierte Strahlung 44 die zylinderförmige Linse 34 sowie den Modulator 20 zur räumlichen Modulierung der Strahlung, um auf dem photoempfindlichen Medium 30 an einer Stelle aufzutreffen, welche nur geringfügig zur beabsichtigten Stelle versetzt ist. Der reflektierte Strahl 50 folgt einem ähnlichen Pfad durch die zylinderförmige Linse 34 und den Modulator 20 zur räumlichen Modulierung der Strahlung, wobei dieser wegen des größeren Winkels β jedoch deutlich versetzt von der theoretischen Position auf dem photoempfindlichen Medium 30 auftrifft.
In 4 wird ein optisches System 70 gezeigt, welches eine dünne asphärische Korrekturplatte 60, wie eine Schmidt-Platte, umfasst, welche die reflektierten Strahlen 44 und 50 passieren bevor sie durch die zylinderförmige Linse 34 konvergiert werden. Im dargestellten Beispiel umfasst die Korrekturplatte 30 eine plane Oberfläche 61 und eine Korrekturoberfläche 63, wobei die Korrekturoberfläche 63 im Zentrum der Korrekturplatte 60 eine leicht konvexe Form und an den Kanten eine leicht konkave Form aufweist. Die Korrekturplatte 60 dient dazu, die sphärische Aberration des sphärischen Spiegels 42 zu kompensieren, indem die optischen Pfade der Strahlen 14A und 14B, welche auf den sphärischen Spiegel 42 fallen, deformiert werden, so dass ein Abbild in unendlicher Entfernung erzeugt wird. Nominal wird die Korrekturplatte 60 im Zentrum der Krümmung des sphäri schen Spiegels 42 angeordnet. Bei der dargestellten Anwendung kann die Korrekturplatte 60 näher am sphärischen Spiegel 42 angeordnet werden, da W₁ einen relativ geringen Wert aufweist.
Die reflektierten Strahlen 44 und 50 werden daher durch die Korrekturplatte 60 in im Wesentlichen kollimierte Strahlen 64 und 62 umgewandelt. Die zylinderförmige Linse 34 konvergiert die kollimierten Strahlen 62 und 64 durch den Modulator 20 zur räumlichen Modulierung der Strahlung, um eine (nicht gezeigte) Linie 29 auf dem photoempfindlichen Medium 30 bei minimaler Aberration zu erzeugen. Es wurde gefunden, dass die Effizienz des optischen Systems 70 größer ist als die Effizienz des optischen Systems 10 aus 1.
In 5A wird eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems 80 gezeigt. Das optische System 80 umfasst einen konkaven Spiegel 82 und eine bogenförmige Linse 72 oder alternativ eine zylinderförmige Linse 34 (nicht in 5A dargestellt) mit welcher eine Bildlinie 74 auf einem photoempfindlichen Medium 30 fokussiert wird. Die bogenförmige Linse 72 kann hergestellt werden, indem die zylinderförmige Linse 34 (siehe 4) in der Ebene der Figur, wie dargestellt, gebogen wird. Alternativ kann anstelle der bogenförmigen Linse 72 auch ein gebogener zylinderförmiger Spiegel (nicht dargestellt) verwendet werden. Die bogenförmige Linse 72, welche vorzugsweise aus einem achromatischen Material besteht, hat einen konischen oder asphärischen Querschnitt und dient dazu, die in der Fokussierebene des photoempfindlichen Mediums 30 gebildete bildtragende Strahlung zu modifizieren, indem sichergestellt wird, dass das erzeugte linienförmige Abbild über den angeregten geraden Bereich des photoempfindlichen Mediums 30 hinweg fokussiert ist.
Das in 5A dargestellte optische System 80 ist so konfiguriert, dass die Breite (W₂) der Bildlinie 74 bei einer konstanten Größe gehalten wird. Diese konstante Breite wird erreicht, indem zunächst die Strahlung 14 mit Hilfe der gebogenen Linse 72 in eine teilweise kollimierte Strahlung 15 umgewandelt wird, wobei die teilweise kollimierte Strahlung 15 durch den konkaven Spiegel 82 reflektiert wird. Bei dieser Ausführungsform umfasst der konkave Spiegel 82 einen doppelt gekrümmten Spiegel (hier im Querschnitt dargestellt), wie einen sphärischen, parabolischen oder ellipsoiden Spiegel. Die kollimierte Strahlung 18 passiert die bogenförmige Linse 72 und den Modulator 20 zur räumlichen Modulierung der Strahlung, um eine Bildlinie 74 auf dem photoempfindlichen Medium 30 auszubilden.
Bei einer in 5B dargestellten alternativen Ausführungsform umfasst das optische System 80' einen einfach gekrümmten zylinderförmigen Spiegel 82' und die Strahlung 14 wird auf die Oberfläche des zylinderförmigen Spiegels 82' projiziert ohne zunächst dazwischen angeordnete optische Elemente zu passieren. In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfasst der Spiegel 82' einen konvexen Spiegel (nicht dargestellt) und eine zylinderförmige Quellenlinse 84 ist zwischen der Strahlungsquelle 12 und dem konvexen Spiegel 82' angeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird die Strahlung 14 durch die zylinderförmige Quellenlinse 84 leicht kollimiert in der gleichen Weise wie die Strahlung 14 mit Hilfe des Durchtritts durch die bogenförmige Linse 72 in 5A modifiziert wird. Beide optische Systeme 80 und 80' können auch einen Aperturstop 86 umfassen (zur Klarheit nur in 5B dargestellt), welcher zwischen der bogenförmigen Linse 72 und dem photoempfindlichen Medium 30 angeordnet ist. Der Aperturstop 86 dient dazu, den Konvergenzwinkel der Strahlen zu definieren, welche die Abbildungslinie 74 bilden. Der Fachmann kann den Aperturstop 86 auch an einer anderen Stelle entlang des optischen Pfades der optischen Systeme 80 und 80' anordnen.
Jede der oben beschriebenen optischen Systeme kann für eine Anwendung im Aufnahmeabschnitt eines Scanners angepasst werden, indem die Strahlungsquelle 12 durch einen Detektor ersetzt wird und indem die Objektivoberfläche durch eine belichtete zu scannende Fläche ersetzt wird. Bei einer Anwendung in einem Scanner verläuft die Strahlung in entgegengesetzter Richtung zur Richtung bei einer Anwendung als Drucker oder für eine Abbildung.
Die Erfindung kann auch auf andere Weise ausgeführt werden, ohne dass der Kern der Erfindung verlassen wird. Die geschilderten Ausführungsformen sind daher nur als Erläuterung zu verstehen und sollen den Umfang der Erfindung nicht beschränken, welcher durch die beigefügten Ansprüche definiert wird und nicht nur durch die oben ausgeführte Beschreibung. Alle Änderungen, welche in den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen daher von den Ansprüchen mit erfasst werden.

Claims

Fotodrucker mit einem optischen System (80), mit welchem Belichtungsmuster aus räumlich nebeneinander angeordneten Linien auf einem fotoempfindlichen Medium (30) erzeugt werden können, wobei das optische System (80) umfasst: eine Strahlungsquelle (12), um einen Lichtstrahl (14) zu erzeugen; einen konkaven Spiegel (16, 33, 42, 82), welcher im optischen Pfad des Lichtstrahls (14) angeordnet ist, um einen reflektierten, im wesentlichen kollimierten Lichtstrahl (18) zu erzeugen; eine zylinderförmige Linse (34, 72), welche im optischen Pfad des kollimierten Lichtstrahls (18) angeordnet ist, um den kollimierten Lichtstrahl entlang zumindest einer Achse zu konvergieren und einen konvergierten Lichtstrahl zu erzeugen; und einen Modulator (20) zur räumlichen Modulierung von Licht, welcher eine Anordnung von auswählbar lichtdurchlässigen Zellen umfasst, wobei der Modulator (20) zur räumlichen Modulierung von Licht im optischen Pfad des konvergierenden Lichtstrahls ange ordnet ist, um den konvergierenden Lichtstrahl wahlweise passieren zu lassen, um so einen bilderzeugenden Lichtstrahl auf das fotoempfindliche Medium (30) zu projizieren, wobei jede auswählbar lichtdurchlässige Zelle elektrisch zwischen einem lichtundurchlässigen Zustand und einem lichtdurchlässigen Zustand geschaltet werden kann, so dass die selektive Durchleitung des bilderzeugenden Lichts auf dem fotoempfindlichen Medium ein belichtetes Linienmuster (74) erzeugt.
Fotodrucker nach Anspruch 1, wobei der konkave Spiegel (82) einen sphärischen Spiegel umfasst.
Fotografischer Drucker nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische System (80) weiter eine asphärische Korrekturplatte (60) umfasst wobei die Korrekturplatte vorzugsweise eine Schmidt-Platte umfasst.
Fotodrucker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Linse (72) eine zylinderförmige Linse umfasst, welche vorzugsweise in einer bogenförmigen Gestalt ausgeformt ist.