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Die Erfindung betrifft allgemein
ein optisches System zum Konzentrieren der Intensität eines
Multimode-Laserstrahls durch Verändern
der Polarisierung eines Teils des Multimode-Laserstrahls und Überlagern
eines anderen Teils mit diesem Teil und insbesondere auf das Drucken
von Linsenrasterbildern mittels eines solchen mit konzentrierten
Laserstrahlen arbeitenden Druckers.
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Linsenraster werden dazu verwendet,
Bildern den Eindruck von Tiefe zu verleihen. Dabei besteht ein Linsenraster
aus einer transparenten oberen Schicht A und schmalen, parallelen
Zylinderlinsen (halbzylindrischen Linsen) B auf einer Außenfläche sowie
einer das Bild enthaltenden Trägermaterialschicht
C, die Bilder durch die Zylinderlinsen projiziert (s. 1A). Durch die beiden Schichten
des Linsenrasters wird ein Bild derart erzeugt, dass in Abhängigkeit
von dem Winkel, in dem das Linsenraster betrachtet wird, unterschiedliche
Bereiche des erzeugten Bildes selektiv sichtbar werden. Wenn das Bild
aus einer Komposition verschiedener Teile einer unter verschiedenen
Winkeln aufgenommenen Szene besteht und die Zylinderlinsen vertikal
ausgerichtet sind, sieht jedes Auge des Betrachters unterschiedliche
Bildelemente, und der Betrachter interpretiert das Bild letztendlich
als dreidimensionales (3D) Bild. Dabei kann der Benutzer auch seinen
Kopf relativ zum Linsenraster bewegen, so dass jedes seiner Augen
eine andere Ansicht betrachtet, was den Eindruck von Tiefe verstärkt.
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Ein anderes Verfahren der Darstellung
von 3D-Bildern besteht in der Verwendung eines Blockier-Zeilenrasters,
das in einem bestimmten Abstand zum zusammengesetzten Bild positioniert
wird. Bei diesem als Parallaxe-Verfahren bekannten Verfahren werden
sämtliche
Bilder außer
einem bestimmten Bild blockiert. Bei vertikaler Ausrichtung des
Blockier-Zeilenrasters
kann der Betrachter dadurch verschiedene Bilder als dreidimensionale
(3D) Bilder sehen.
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Bei horizontaler Ausrichter der Zylinderlinsen oder
des Blockier-Zeilenrasters sehen beide Augen dasselbe Bild. In diesem
Fall vermittelt die Vielzahl der Bilder die Illusion einer Bewegung,
wenn das zusammengesetzte Bild um eine parallel zu den Augen des
Betrachters verlaufende Linie gedreht wird. Die Illusion einer Bewegung
lässt sich
daher durch Kippen des Linsenrasters oder des Blockier-Zeilenrasters
oder durch die Bewegung des Kopfs des Betrachters in einen anderen
Winkel bezüglich
des Linsenrasters erreichen.
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Unabhängig davon, ob die Zylinderlinsen oder
das Blockier-Zeilenraster vertikal oder horizontal ausgerichtet
sind, werden die einzelnen Bilder durch einzelne Zeilen der Bilder
(auch Bildzeilen genannt) erzeugt, die mit der räumlichen Frequenz der Zylinderlinsen
oder des Blockier-Zeilenrasters verflochten wurden. Das Verflechten
von Zeilen einzelner Bilder mit Zeilen anderer Bilder wird auch
als Verschachteln bezeichnet. Ein Linsenrasterbild besteht aus einem
kompletten Satz dieser verschachtelten Bildzeilen. Der Vorgang des
Verschachtelns wird besser verständlich
bei Betrachtung eines Beispiels, bei dem vier Bilder zur Herstellung
eines zusammengesetzten Bildes mit einem aus drei Zylinderlinsen bestehenden
Linsenraster verwendet werden. Bei diesem Beispiel decken sich jeweils
die Zeile 1 der vier Bilder mit der ersten Zylinderlinse,
die Zeile 2 der vier Bilder mit der zweiten Zylinderlinse,
usw. Jede Zylinderlinse ist einer Vielzahl von Bildzeilen D oder einem
Bildzeilensatz (s. 1A)
zugeordnet, und der Betrachter sieht mit jedem Auge je Zylinderlinse
nur eine Bildzeile jedes Satzes. Wichtig ist, dass die Bildzeilensätze sich
präzise
mit den Zylinderlinsen decken, so dass beim Betrachten des Ganzen
das richtige Bild gesehen wird.
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Bei einem herkömmlichen Aufzeichnungsverfahren
für die
verschachtelten Bildzeilen müssen die
verschachtelten Bildzeilen auf einem auf der Trägermaterialschicht C vorhandenen
Aufzeichnungsmaterial aufgezeichnet werden, wonach die Trägermaterialschicht
C auf der oberen Schicht A aufgebracht wird, wobei die aufgezeichneten
Bildzeilen D präzise
mit den Zylinderlinsen B ausgerichtet sein müssen, so dass die gewünschte Bildstruktur
entsteht. Die präzise
Ausrichtung der jeweiligen Zylinderlinsen mit dem gewünschten
Bildzeilensatz während
des Anbringens des Aufzeichnungsmaterials an der Linsenraster-Deckschicht
lässt sich
nur schwer erreichen. Dies führt
zu einer Verschlechterung der Bildqualität.
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Bisher wurden Linsenrasterbilder
mit Stereo-Bildaufzeichnungsgeräten
mit optischer Belichtung aufgezeichnet. Dabei projiziert eine Lichtquelle, etwa
eine Halogenlampe, über
eine Projektionslinse Licht durch eine Bildvorlage, das auf der
Trägermaterialschicht
des Linsenrasters fokussiert wird. Die Linsenrasterbilder werden
auf einem Aufzeichnungsmaterial als verschachtelte Bildzeilen belichtet. JP-A-42-5473,
84-6488, 49-507 und 53-33847 (Kokoku) beschreiben Aufzeichnungsgeräte, bei
denen zwei Bildvorlagen zum Aufzeichnen auf ein Linsenraster-Aufzeichnungsmaterial
projiziert werden. Das Aufzeichnen von Linsenrasterbildern auf diese
Weise (i) erfordert ein teures und kompliziertes Projektionslinsen-System
und (ii) eignet sich nicht für
Thermo-Farbübertragungslösungen,
weil hierzu höhere Leistungen
erforderlich sind als jene, die von einer Halogenlampe oder einer ähnlichen
Lichtquelle erzeugt werden.
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Dagegen erfordert das Aufzeichnen
von Bildern mittels (linearer) Abtastbelichtung vergleichsweise
einfache optische Systeme und ist dabei sehr flexibel in der Anpassung
an die unterschiedlichsten Bildverarbeitungsvorgänge und an Veränderungen der
Zylinderlinsen-Abmessungen.
Um sich diese Eigenschaften nutzbar zu machen, wurden bereits verschiedene
Vorrichtungen und Verfahren zum Aufzeichnen eines Bildes durch Abtastbelichtung
vorgeschlagen. Zum Beispiel beschreibt JP-A-59-3781 (Kokoku) ein
Stereo-Bildaufzeichnungssystem, bei dem eine Vielzahl von Bildvorlagen
mittels einer TV-Kamera aufgenommen, dann verarbeitet und in Bildfeldspeichern
gespeichert werden, aus denen die gespeicherten Bildsignale dann
sequenziell entsprechend dem Zylinderlinsenraster als Bildzeilen
abgerufen werden. Nach dem Aufzeichnen der Bildzeilen auf einer
Trägermaterialschicht
durch Abtastbelichtung wird die obere Schicht des Linsenrasters
mit der die Bildzeilen enthaltenden Trägermaterialschicht verbunden.
Ein weiteres Bildaufzeichnungssystem arbeitet mit in US-A-5 349 419 beschriebenen
Polygonscannern, die Stereobilder direkt auf eine lichtempfindliche
Rückseite
eines Linsenrasters aufbelichten.
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Außerdem beschreibt US-A-S 533
152 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Koppeln eines Multimode-Diodenlasers
mit einem Lichtwellenleiter. Bei einer Ausführungsform wird das von einem
Diodenlaser emittierte Licht von einer Sammeloptik gesammelt. Eine
Hälfte
des die Sammeloptik passierenden Lichts wird zu einer Halbwellenplatte
durchgeleitet, die die Polarisierung des durch die Halbwellenplatte
hindurchgehenden Lichts dreht und dadurch zwei getrennte Strahlen
polarisierten Lichts erzeugt. Danach passieren die beiden Lichtstrahlen
ein Wollaston- oder Rochon-Prisma, das eine Überlagerung der beiden Strahlen
beim Austritt aus dem Prisma bewirkt. Das austretende Licht kann
dann in einen Lichtwellenleiter eintreten. Bei einer anderen Ausführungsform
wird eine Hälfte
des von einer Laserdiode emittierten Lichts durch eine Halbwellenplatte
gedreht. Sowohl das gedrehte als auch das nicht gedrehte Licht passieren
dann eine Sammeloptik und anschließend einen Doppelbrechungskörper, so
dass das gedrehte und das nicht gedrehte Licht einander überlagern
und anschließend
einem Lichtwellenleiter zugeführt
werden.
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EP
0 560 180 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Aufzeichnen eines Stereobildes, bei dem eine Vielzahl von Bildvorlagen
fotoelektrisch gelesen wird, die einzelnen Originalbilder in lineare
Bilder der gewünschten
Zeilendichte gesplittet werden, etwaige erforderliche Bildverarbeitungsoperationen,
etwa zur Anordnung der linearen Bilder in der Reihenfolge der Aufzeichnung,
durchgeführt
werden und die linearen Bilder durch Abtastbelichtung auf einem
lichtempfindlichen Linsenrastermaterial mit einem Linsenrasterfilm
und einer Aufzeichnungsschicht aufgezeichnet werden.
EP 0 533 377 beschreibt ein Verfahren,
bei dem eine Bildzeile mittels eines Laserstrahls in einer Abtastrichtung
auf einem Fotoempfängermaterial
aufgezeichnet wird, wonach das System zum Aufzeichnen der nächsten Bildzeile in
Hauptabtastrichtung in Nebenabtastrichtung zu dieser nächsten Bildzeile übergeht;
dabei wird der Laserstrahlpunkt auf dem Fotoempfangsmaterial in Form
eines Ovals ausgebildet, dessen Hauptachse in der Hauptabtastrichtung
verläuft.
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Es ist wünschenswert, verschachtelte
Bilder direkt mittels Thermo-Farbübertragung auf einer Rückseite
eines Linsenrasters aufzeichnen zu können. Dabei wäre dann
die sorgfältige
Ausrichtung bestimmter voraufgezeichneter Bildzeilen auf der Trägermaterialschicht
mit den jeweiligen Zylinderlinsen der oberen Schicht des Linsenrastermaterials
nicht mehr erforderlich. Die Thermo-Farbstoffübertragung zum Aufzeichnen
derartiger verschachtelter Bilder erfordert jedoch sehr viel Energie.
Diese Energie kann durch leistungsstarke Laser bereitgestellt werden.
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Außerdem ist es für Linsenrasterbilder
hoher Qualität
erforderlich, dass viele Bilder hinter einem fein gerasterten Linsenraster
platziert werden. Um zum Beispiel 25 Bilder mit einem Linsenraster
mit 100 Zylinderlinsen pro 2,54 cm (1 Zoll) herstellen zu können, muss
man 2.500 Zeilen von Halbtonpunkten pro Zoll erzeugen. Dies entspricht
einer Pixelgröße von etwa
10 Mikron oder darunter. Zum Belichten eines derartig kleinen Pixels
muss die Strahlgröße etwa
der Pixelgröße entsprechen.
Ein Monomode-Laser kann eine derartig kleine Strahlgröße ohne weiteres
erzeugen. Daher eignet sich ein Monomode-Laser zum Aufzeichnen verschachtelter
Bilder. Leider stehen leistungsstarke, preiswerte Monomode-Diodenlaser
jedoch nicht zur Verfügung.
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Dagegen sind preiswerte, leistungsstarke Multimode-Laser
im Handel erhältlich.
Diese Laser sind jedoch mit zwei wesentlichen Problemen verbunden.
Zum einen weist ihre Emissionsöffnung
ein großes
Seitenverhältnis
mit elliptischer Strahldivergenz auf. Damit ist es schwierig, einen
Abtastpunkt der gewünschten
Größe und Form
zu erhalten. Zum anderen ist die Emissionsöffnungs-Größe des Lasers und damit die
Punktgröße auf dem
Aufzeichnungsmaterial in jeder Richtung umgekehrt proportional zur Laserleistung
in der betreffenden Richtung. Erwünscht ist jedoch für einen
Laser-Thermodrucker eine hohe Leistungsdichte, d. h. sowohl eine
maximale Leistung als auch die kleinstmögliche Punktgröße. Da ein
Multimode-Laser jedoch einen lange Punkt (große Punktgröße in einer Richtung) erzeugt, verteilt
sich die Laserleistung über
die Punktlänge, woraus
sich eine geringe Leistungsdichte ergibt.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun,
ein Verfahren zum Drucken eines Bildes auf ein Linsenraster bereitzustellen.
Ferner hat die Erfindung die Bereitstellung einer optischen Druckvorrichtung
zur Aufgabe. Diese Aufgaben werden erfüllt durch die in den beiliegenden
Ansprüchen
definierte Erfindung.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1A ein
bekanntes Linsenraster;
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1B eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Lichtpunkt-Laserthermodruckers
mit mehreren Multimode-Diodenlasern und einem Galvo-Spiegel;
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2A eine
schematische Darstellung einer Emissionsöffnung und des emittierten
Lichts eines typischen Multimode-Lasers;
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2B und 2C einen aus der Emissionsöffnung eines
Diodenlasers emittierten Laserstrahl-Konus, wobei 2B der kurzen Abmessung der Emissionsöffnung, 2C der langen Abmessung
der Emissionsöffnung
entspricht;
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2D eine
schematische Darstellung eines Lasers mit einer aus einer Anordnung
kleiner Öffnungen
bestehenden Emissionsöffnung;
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3 die
Orientierung der Abtastpunkte auf einem Linsenraster;
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4 eine
perspektivische schematische Darstellung eines Druckers mit einer
Auflageplatte für
den Transport des Linsenrasters (und des Thermospendermaterials
bei Verwendung eines Thermo-Farbübertragungsverfahrens)
in Querabtastrichtung;
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5 einen
Thermolaserdrucker, bei dem ein Thermospendermaterial mit drei Multimode-Laserstrahlen belichtet
wird;
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6A eine
Querschnittsansicht der ersten Ausführungsform in Abtastrichtung;
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6B ein
Bilderzeugungssystem in Abtastrichtung, wobei in dieser Figur weder
Verzögerungsplatten
noch ein Wollaston-Prisma dargestellt sind;
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6C eine
Darstellung, wie die Länge
einer Abtastzeile die Größe eines
Galvo-Spiegels beeinflusst;
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6D eine
schematische Querschnittsdarstellung der ersten Ausführungsform
in Querabtastrichtung, in der die Gaußsche Strahlausbreitung zu erkennen
ist;
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6E eine
schematische Querschnittsdarstellung der ersten Ausführungsform
in Querabtastrichtung, wobei zu erkennen ist, dass auf dem Aufzeichnungsmaterial
in Querabtastrichtung ein Bild der Emissionsöffnung abgebildet wird;
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6F ein
zur Verminderung der Strahldivergenz verwendetes Lichtleitersegment;
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6G eine
schematische Querschnittsdarstellung der zweiten Ausführungsform
in Querabtastrichtung;
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7A eine
Strahlintensitätsverteilung
an einer Austrittspupille der Sammellinse in Abtastrichtung ohne
Verwendung von Polarisationsmitteln zur Strahlformung;
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7B eine
Strahlintensitätsverteilung
an einer Austrittspupille der Sammellinse in Abtastrichtung bei
Verwendung von Polarisationsmitteln zur Strahlformung; und
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7C eine
schematische Strahlintensitätsverteilung
auf dem Aufzeichnungsmaterial in Abtastrichtung.
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Die vorliegende Beschreibung richtet
sich insbesondere auf Elemente, die Teil einer erfindungsgemäßen Druckvorrichtung
sind oder direkter mit ihr zusammenwirken. Es versteht sich, dass
hier nicht besonders dargestellte oder beschriebene Elemente in
unterschiedlicher, dem Fachmann bekannter Weise ausgebildet sein
können.
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Das Druckersys
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In 1B ist
die erste Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform besteht die Druckvorrichtung
zum Aufzeichnen verschachtelter Bildzeilen auf den Rückseiten
von Linsenrastern aus drei Lasern 10a, 10b und 10c und
einem Scanner zum Führen
der von den Lasern emittieren Laserstrahlen. Die Laser 10a, 10b, 10c sind
jeweils Multimode-Laser. Solche Multimode-Laser besitzen jeweils
lange und schmale Emissionsöffnungen 12a, 12b, 12c.
Bei dieser Ausführungsform
entspricht die lange Abmessung der Emissionsöffnungen der Abtastrichtung,
die durch einen horizontalen Pfeil angedeutet ist. Die kurze Abmessung
der Emissionsöffnungen
entspricht der Querabtastrichtung, die durch einen vertikalen Pfeil
angedeutet ist. Die Eigenschaften der Multimode-Laser und der von
diesen Lasern emittierten Laserstrahlen werden im Folgenden noch
beschrieben.
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2A zeigt
eine schematische Darstellung einer Emissionsöffnung 12 eines typischen
Multimode-Diodenlasers 10 mit Randemission und 1 Watt Leistung.
Emissionsöffnungen
dieser Art sind typischerweise 100 μ lang und 1 μ breit. Die schmale Öffnung ergibt
sich direkt aus dem Herstellungsverfahren. Laser höherer Leistung
weisen längere
Emissionsöff nungen
auf. Ein 2 Watt-Laser hat zum Beispiel normalerweise eine
Emissionsöffnung
mit einer Abmessung von 200 μ × 1 μ. Das Laserlicht
wird normalerweise in Wellenlängen
von 700–900
nm erzeugt. Normalerweise wird das Laserlicht aus der Emissionsöffnung in
einem Kegel (in 2A dargestellt) von
etwa 10° FWHM
(Halbwertsbreite) × 40° FWHM emittiert.
Der kleinere Winkel (10°)
entspricht der Abtastrichtung, der größere Winkel (40°) der Querabtastrichtung. 2B und 2C zeigen eine schematische Darstellung
einer stark vergrößerten Öffnung 12,
aus der ersichtlich ist, dass ein größerer Kegelwinkel einem kleineren Öffnungsmaß, ein kleinerer
Kegelwinkel einem größeren Öffnungsmaß entspricht.
Die lange Abmessung der Emissionsöffnung 12, die in 2A als eine zusammenhängende rechteckige Öffnung dargestellt
ist, kann auch aus einer Anordnung kleiner Öffnungen 12' in der Größenordnung von
100 μ × 1 μ bestehen
(s. 2D).
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Der Lagrange-Wert H des Laserstrahls
wird normalerweise als Produkt aus der halben Strahlgröße und dem
halben Divergenzwinkel definiert. Die Strahlgröße wird definiert als halbe
Länge der
Emissionsöffnung
bei einem Multimode-Laser und als SWHM-Strahleinschnürungsradius
bei einem Monomode-Laser. Monomode-Laser weisen sowohl in der räumlichen
als auch in der Winkel-Dimension eine Gaußsche Strahlverteilung und
einen Lagrange-Wert von H = 0,35*λ/π auf, wobei λ die Wellenlänge des Laserstrahls
ist. Bei einer Wellenlänge
von 0,83 μ bestimmt
sich der Lagrange-Wert eines Monomode-Lasers daher nach der Formel H = 0,35*0,83/π =
0,09 μ.
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Typische Multimode-Laser sind von
verschiedenen Anbietern erhältlich,
etwa von Spectro Diode Labs, Inc. in San Jose, Kalifornien, Polaroid Co.
in Waltham, Massachusetts, und Semiconductor Laser International
Corp. in Binghamton, New York. Ein Multimode-Laser verhält sich
nur in der Richtung senkrecht zur langen Abmessung der Emissionsöffnung wie
ein Monomode-Laser. Der Lagrange-Wert des Multimode-Lasers in dieser
(kurzen) Richtung beträgt
daher 0,09 μ.
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Der Divergenzwinkel des Laserstrahls
wird durch die numerische Apertur des Laserstrahls definiert. In
der der langen Abmessung der Emissionsöffnung entsprechenden Richtung
wird der Lagrange-Wert des Laserstrahls eines typischen 1 Watt-Multimode-Lasers
durch das Produkt aus der halben Emissionsöffnungsgröße (d. h. 100 μ/2) und der
numerischen Apertur (NA) des Laserstrahls in dieser Richtung bestimmt.
Da die numerische Apertur NA des Laserstrahls in dieser Richtung
0,14 beträgt,
beträgt
der Lagrange-Wert H = (50 μ)*(0,14) = 7 μ.
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Dieser Wert ist sehr viel größer als
der Lagrange-Wert für
den Monomode-Laser, und daher bezeichnen wir die Emission in dieser
Richtung als Multimode-Emission. Es ist bekannt, dass die Anzahl auflösbarer Punkte
eines Lichtpunkt-Laserdruckers entlang der Abtastzeile umgekehrt
proportional zum Lagrange-Wert des abtastenden Laserstrahls ist. Deshalb
werden in Lichtpunkt-Laserdruckern stets Monomode-Laser mit dem
kleinsten Lagrange-Wert verwendet. Wie jedoch bereits erwähnt wurde,
sind Monomode-Laser hoher Leistung teuer.
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Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung
erfolgt das Drucken der Linsenrasterbilder auf die Rückseite
des Linsenrasters 18 mittels der Lichtpunkt-Laserdruckvorrichtung 20 in
der Weise, dass die Schnellabtastrichtung der Richtung der langen Abmessung
der Emissionsöffnungen) 12a, 12b, 12c entspricht.
Die von den abtastenden Laserstrahlen 24a, 24b, 24c erzeugten
Abtastpunkte 22a, 22b, 22c sind in der
Schnellabtastrichtung größer als
in der Querabtastrichtung. Wegen des in dieser Richtung großen Lagrange-Werts
der Laserstrahlen ist die Anzahl der auflösbaren Punkte in dieser Richtung
wesentlich kleiner als dies bei einem Monomode-Laser möglich gewesen
wäre. Bei
dieser Anwendung ist jedoch eine Gesamtzahl auflösbarer Punkte entlang der Abtastzeile
von etwa 1000 je (3,5')
Abtastzeile annehmbar. Dies entspricht etwa 286 dpi. In der Querabtastrichtung
wird die Auflösung
für jedes
betrachtete Bild durch die Anzahl der Zylinderlinsen 18a pro
Zoll bestimmt, was die Gesamtzahl der auflösbaren Punkte für jedes
betrachtet Bild auf einige hundert bei einer Bildgröße in der
Größenordnung
von wenigen Zoll beschränkt.
Da diese Bildzeilen 25 jeweils einer Zylinderlinse zugeordnet
sind, müssen die
Bildzeilen schmal und dicht beabstandet sein, was eine höhere Auflösung erfordert.
Bevorzugt ist eine Größe der Abtastpunkte 22a, 22b, 22c in
Querabtastrichtung von 15 μ oder
darunter. Größere Punktgrößen sind
zwar auch denkbar, verringern aber die Auflösung des gedruckten Bildes.
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Wegen der ungewöhnlichen Anforderungen von
Linsenrasterbildern, nämlich
dass ein kleiner Punkt nur in Querabtastrichtung nötig ist,
in der Schnellabtastrichtung aber eine größere Punktgröße toleriert
werden kann, ist es möglich,
anstelle des teureren Monomode-Lasers Multimode-Diodenlaser einzusetzen.
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Wie bereits erläutert wurde und in 1B und 3 dargestellt ist, sind die Multimode-Diodenlaser 10a, 10b, 10c so
ausgerichtet, dass die Abtastrichtung 29 der Laserstrahlen
der langen Abmessung der Emissionsöffnungen 12a, 12b und 12c und
der langen Richtung der Abtastpunkte 22a, 22b und 22c entspricht
(in 1B sind drei Multimode-Laser
dargestellt, die Anzahl der in einem Lichtpunkt-Drucker verwendeten
Multimode-Laser kann jedoch auch größer oder kleiner als drei sein).
Die Abtast-Laserstrahlen 24a, 24b und 24c erzeugen
schmale Zeilen 25 mit einer Breite von 10 μ oder darunter
auf dem Aufzeichnungsmaterial 30. Das Aufzeichnungsmaterial 30 kann
zum Beispiel aus der Rückseite
eines Linsenrasters und einem thermisch aktivierten Spendermaterial
bestehen. Zwar ist die Thermo-Farbstoff übertragung bevorzugt, es kann
jedoch auch ein aktinisch zu belichtendes Material, etwa Silberhalogenid,
als Aufzeichnungsmaterial 30 eingesetzt werden, wenn sichtbares
Licht emittierende Laser Verwendung finden. Bei Einsatz eines aktinisch
belichteten Materials wird kein Thermo-Spendermaterial benötigt.
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Während
des Abtastens wird der Strom der Laser 10a, 10b und 10c und
damit die Intensität
der Laserstrahlen 24a, 24b und 24c entsprechend
den Bilddaten moduliert.
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Das Aufzeichnungsmaterial 30 wird,
wie durch den vertikalen Pfeil 32 in 3 angedeutet ist, in der langsamen Abtastrichtung
(Querabtastrichtung) so transportiert, dass enge Zeilenabstände entstehen,
wodurch die Bildzeilen aneinander stoßen. Für die Abtastfunktion ist jeder
beliebige Scanner einsetzbar, etwa ein Galvo-Spiegel 40 (1B), ein rotierendes Hologon
oder ein rotierender Polygon-Spiegel 40', wie er etwa in 4 dargestellt ist. Die Laserstrahlen 24a, 24b und 24c werden
mittels einer Abtastlinse 50, zum Beispiel einer in 1B dargestellten f-θ-Linse,
auf das Aufzeichnungsmaterial 30 fokussiert. Eine derartige
Linse kann aus brechenden und/oder reflektierenden Komponenten bestehen.
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Beim Einsatz von Multimode-Laserabtaststrahlen 24a, 24b und 24c in
Verwindung mit einem Thermo-Farbübertragungsverfahren
werden die Laserstrahlen über
ein an der Rückseite
eines Linsenrasters angebrachtes Farbspendermaterial geführt, und
das Abtasten erfolgt deckungsgleich mit den Zylinderlinsen. Die
Auflageplatte 45 (s. 4),
die das Aufzeichnungsmaterial 30 trägt, wird mittels eines Antriebs 46 bezüglich des
Abtastlaserstrahls 24 transportiert. Wenn das Aufzeichnungsmaterial 30 einen
Thermo-Farbspender 52A, 52B, 52C aufweist, wird
der erste Thermo-Farbspender 52A entfernt und der Prozess
mit zwei neuen Thermo- Farbspendern 52B und 52C (unterschiedlicher
Farben) wiederholt, so dass das Vollfarbenbild entsteht. Dies ist
in 5 dargestellt.
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Wie vorstehend bereits beschrieben
wurde, divergieren die Laserstrahlen 24a, 24b und 24c der Multimode-Laser 10a, 10b und 10c in
großen
Winkeln in einer der kleinen Abmessung der Emissionsöffnungen
entsprechenden Richtung (s. 2A). Das
Bilderzeugungssystem 60 des Druckers 20 verringert
die Divergenz der Laserstrahlen in Querabtastrichtung und erzeugt
Abtastpunkte 22a, 22b und 22c auf dem
Aufzeichnungsmaterial 30. Das Bilderzeugungssystem 60 umfasst
optische Komponenten 63a, 63b und 63c,
Sammellinsen 64a, 64b und 64c, eine Feldlinse 68 und
die Abtastlinse 50. Diese Komponenten sind in 1A und 6A dargestellt.
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Die optischen Komponenten 63a, 63b und 63c sind
nahe an ihren entsprechenden Lasern 10a, 10b und 10c angeordnet.
Zur Verringerung der Divergenz in Querabtastrichtung sind diese
optischen Komponenten zylindrisch oder ringförmig ausgebildet. Bei Verwendung
zylindrischer optischer Komponenten tragen diese Komponenten keine
optische Leistung in Abtastrichtung bei. Bei Verwendung ringförmiger optischer
Komponenten tragen sie in Abtastrichtung und in Querabtastrichtung
eine optische Leistung in ungleicher Höhe bei.
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Hinter den optischen Komponenten 63a, 63b und 63c befinden
sich kugelige Sammellinsen 64a, 64b und 64c.
Die Funktion und die besonderen Parameter dieser Sammellinsen 64a, 64b und 64c werden
im Folgenden noch erläutert.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung
wird ein Teil jedes Laserstrahls 24a, 24b, 24c so
modifiziert, dass er sich vom übrigen
Teil unterscheidet. Zum Beispiel ist bei den Sammellinsen 64a, 64b und 64c jeweils
eine Hälfte
der Sammelöffnung
mit einer Verzögerungsplatte 65a, 65b bzw. 65c bedeckt.
Diese Verzögerungsplatten
schneiden einen Teil des Laserstrahl-Quer schnitts und verzögern die
Wellenfront dieses Teils des Laserstrahls um ½, 1½, 2½, usw., Wellen.
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Damit wird jeweils eine Hälfte der
Laserstrahlen 24a, 24b, 24c, die die
jeweilige Sammellinse 64a, 64b, 64c verlassen,
um eine halbe Welle (oder einen entsprechenden Betrag) bezüglich der äußeren Hälfte des
Laserstrahls verzögert.
Dies bedeutet, dass die beiden Teile des Laser strahls unterschiedliche
Polarisationen aufweisen und dass die Polarisationsrichtungen dieser
beiden Teile der Laserstrahlen orthogonal zueinander stehen. Die
drei die Sammellinsen 64a, 64b und 64c verlassenden
und die Verzögerungsplatten 65a, 65b oder 65c passierenden
Laserstrahlen werden auf den Galvo-Spiegel 40 gerichtet.
Bevor die Laserstrahlen 24 den Galvo-Spiegel erreichen,
passieren sie die Feldlinse 68 und ein Wollaston-Prisma 69.
Das Wollaston-Prisma 69 überlagert verschiedene Teile
der einzelnen Laserstrahlen 24a, 24b, 24c und
erzeugt auf diese Weise schmalere, konzentriertere Laserstrahlen.
Im Folgenden wird die Funktion der Feldlinse 68, des Wollaston-Prismas 69 und
der Verzögerungsplatten 65a, 65b oder 65c noch
im Einzelnen beschrieben. Nach dem Abtasten mittels des Galvo-Spiegels
passieren die Abtaststrahlen die Abtastlinse 50 und treffen
auf das Aufzeichnungsmaterial 30 auf.
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Für
den Aufbau eines Bilderzeugungssystems eines Lichtpunkt-Druckers
gibt es zwei Möglichkeiten.
Bei der ersten muss die Emissionsöffnung eines Lasers durch das
Bilderzeugungssystem optisch mit dem Aufzeichnungsmaterial gekoppelt
sein. Dies bedeutet, dass das Bild der Emissionsöffnung auf dem Aufzeichnungsmaterial
abgebildet wird. Bei dieser Lösung
wird die Abtastpunkt-Qualität
durch Ungleichmäßigkeiten,
intensive Lichtflecken oder Segmentierung der Emissionsöffnung beeinträchtigt,
und es können
Artefakte im Druckergebnis entstehen.
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Bei der zweiten Lösung befindet sich das Fernfeld
des Lasers an der Austrittspupille der Linse 64a, 64b, 64c und
ist mit dem Aufzeichnungsmaterial 30 gekoppelt. Dies ist
die Lösung,
die bei dieser Ausführungsform
der Erfindung für
den Aufbau des Bilderzeugungssystems 60 in der der Abtastrichtung entsprechenden
Richtung verwendet wurde (s. 6B).
In der der Abtastrichtung entsprechenden Richtung liegt die Austrittspupille 64' der Linse 64 auf der
hinteren Fokalebene der Linse 64. Daher wird in dieser
Richtung das Bild der Austrittspupille 64a', 64b', 64c' der Sammellinse 64a, 64b oder 64c auf dem
Aufzeichnungsmaterial 30 abgebildet, so dass die Quelle
(Emissionsöffnung)
einem Beobachter in der Position des Aufzeichnungsmaterials unendlich weit
weg erscheint. Diese Lösung
wird bevorzugt, weil der Punkt auf dem Aufzeichnungsmaterial nicht das
Bild der Emissionsöffnung
ist. Daher führen
Ungleichmäßigkeiten,
intensive Lichtflecke oder eine Segmentierung in der langen Abmessung
der Emissionsöffnung
nicht zu Artefakten und beeinträchtigen nicht
die Bildqualität.
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Parameter des Abbildungssystems
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Aus 6B ist
ersichtlich, dass die Abtastlinse 50 derart positioniert
ist, dass sie die (aus der Feldlinse 68 austretenden) Strahlen
A auf dem Aufzeichnungsmaterial 30 und die die optische
Achse OA schneidenden Strahlen B auf der Zwischenbildebene, d. h.
dem Galvo-Spiegel 40, bündelt.
Die Größe des Galvo-Spiegels 40 wird
durch die Brennweiten-Anforderungen an die Abtastlinse 50 und
die erforderliche Länge
l (s. 6C) auf dem Aufzeichnungsmaterial 30 bestimmt.
Wenn zum Beispiel die Brennweite f der Abtastlinse 50 112
mm beträgt
und diese Abtastlinse in einem Abstand von 112 mm vom Aufzeichnungsmaterial
und vom Galvo-Spiegel
entfernt angeordnet ist, betragen die Abmessungen des Galvo-Spiegels
12 mm × 12
mm (s. 6C). Da die Länge der
Emissionsöffnung 12 des
Lasers 10 bekannt ist (sie beträgt 0,1 mm) und auch die Größe des Galvo-Spiegels 40 bekannt
ist (sie beträgt
12 mm), ist die Vergrößerung m
der Linsen 64a und 64b gleich m = –12/0,1
= –120.
Die Brennweite f' der
Linse 64a, 64b sowie ihre Vergrößerung m
bestimmen den Abstand d zwischen der Linse 64a, 64b und
dem Galvo-Spiegel 40. Wenn die Linse 64a, 64b eine
Brennweite von 4,6 mm aufweist, ist der Abstand d gleich d = –m*f = 120*4,6
mm = 552 mm. Somit werden die Linsen 64a, 64b 552
mm vor dem Galvo-Spiegel 40 angeordnet.
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Die Laserstrahlen 24a, 24b des
Multimode-Lasers 10a, 10b sind so gerichtet, dass
sie sich am Galvo-Spiegel 40 überlagern (s. 1B und 6A). Die
Feldlinse 68 ist nahe beim Galvo-Spiegel 40 angeordnet. Die
Brennweite f'' der Feldlinse 68 entspricht
ungefähr
dem Abstand d (d. h. f' ≈ d ≈ 552 mm).
Deshalb bündelt
die Feldlinse 68 in Abtastrichtung die durch die Mittelpunkte
der Sammellinsen 64a, 64b hindurchgehenden Lichtstrahlen
(s. Strahlen B in 6B).
Die gebündelten
Strahlen treten in die Abtastlinse 50 ein und werden von
der Abtastlinse 50 auf die Materialebene des Aufzeichnungsmaterials 30 fokussiert.
Somit ist das Aufzeichnungsmaterial 30 in Abtastrichtung
mit den Austrittspupillen 64a', 64b' und 64c' der Sammellinsen 64a, 64b gekoppelt, und
die Punkte 22a, 22b auf dem Aufzeichnungsmaterial 30 entsprechen
den Strahlprofilen an den Austrittspupillen 64a', 64b' der Linse 64a, 64b.
Dies ist in 6B dargestellt,
die das Abbildungssystem (ohne das Wollaston-Prisma bzw. die Verzögerungsplatten) schematisch
wiedergibt. Dabei ist zu beachten, dass der Einfachheit halber in 6B nur einer aus der Vielzahl
von Multimode-Lasern mit den zugehörigen Optiken dargestellt ist
und die Ausbildung nur eines Punktes auf dem Aufzeichnungsmaterial
wiedergegeben ist.
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6D zeigt
eine andere schematische Querschnittsdarstellung des Druckers gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung. Diese Ansicht gibt den Drucker in Querabtastrichtung
wieder und zeigt, dass das Aufzeichnungsmaterial mit den Emissionsöffnungen
in Querabtastrichtung gekoppelt ist.
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Dabei ist zu beachten, dass die Kopplung
der Emissionsöffnung
mit dem Aufzeichnungsmaterial im geometrisch-optischen Sinn zu verstehen
ist (s. 6E). Da wir
aber mit Laserstrahlen arbeiten, gelten jedoch die Gaußschen Strahleigenschaften.
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In der der Querabtastrchtung entsprechenden
Richtung ist der Laser 10 (nur einer ist dargestellt) im
Wesentlichen ein Monomode-Laser. Wie in 2A zu erkennen ist, divergiert der Laserstrahl 24 in
dieser Richtung in einem großen
Winkel. Um diese Divergenz zu verringern, ist dicht am Laser 10 ein anamorphotisches
optisches System, etwa ein Zylinder oder ein ringförmiges optisches
Element 63 angeordnet. Bei dem optischen Element 63 kann
es sich um ein als Zylinderlinse eingesetztes Lichtleitersegment
(s. 6F) oder um eine
Gradientenfaser handeln, wie sie etwa von Doric Inc. in Ancienne-Lorette,
PQ, Kanada, oder von Blue Sky Research in Santa Cruz, Kalifornien,
hergestellt wird. Die Brennweite dieses optischen Elements 63 bestimmt
die Strahlgröße am Galvo-Spiegel 40.
Je kürzer
sie ist, desto kleiner ist die Strahlgröße (in dieser Richtung) an
der Austrittspupille der Sammellinse 64 und desto größer ist
damit die Strahlgröße am Galvo-Spiegel.
Dabei ist zu beachten, dass das Sammellinsenelement 64 in
Querabtastrichtung nicht das Bild der Emissionsöffnung in der Ebene des Galvo-Spiegels
abbildet. Vielmehr bildet die Abtastlinse ein Bild der Emissionsöffnung auf
dem Aufzeichnungsmaterial ab. Damit sind in der Querabtastrichtung
die Emissionsöffnung
und das Aufzeichnungsmaterial gekoppelt.
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Durch geeignete Auswahl der Brennweite des
Linsenelements 64 ist es möglich, die Strahlgröße am Galvo-Spiegel 40 an
die Größe des Galvo-Spiegels
anzupassen. Das heißt,
die Strahlgröße am Galvo-Spiegel 40 und
die Größe des Galvo-Spiegels
sollten vorzugsweise gleich oder annähernd gleich sein. Die Strahlgröße des Galvo-Spiegels 40 in dieser
Richtung ist umgekehrt proportional zur Größe des Punkts 22 auf
dem Aufzeichnungsmaterial 30. Daher ist am Galvo ein großer Strahl
erwünscht.
Allerdings wird ein zu großer
Strahl vom Galvo-Spiegel abgeschnitten.
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Zum Beispiel kann das Linsenelement 64 eine
Brennweite von 110 Mikron aufweisen, die Strahlgröße des Laserstrahls 24 in
Querabtastrichtung beim FWHM kann 65 Mikron betragen. Dieser Laserstrahl 24 wird
durch das Linsenelement 63 in Querabtastrichtung so geformt,
dass der FWHM-Einschnürungsdurchmesser
des Laserstrahls etwa 25 Mikron beträgt. Dieser Laserstrahl divergiert über die Strecke
d = 552 mm zum Galvo mit 552 mm und weist dort eine FWHM-Größe von 7,7
mm auf. Der Verlust durch Abschneiden am Galvo-Spiegel beträgt etwa
7,2%. Die Punktgröße auf dem
Aufzeichnungsmaterial 30, nach Beugung des Laserstrahls
durch die Abtastlinse, beträgt
etwa 14 Mikron FWHM.
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Auf diese Weise wird mit einer Zylinderlinse 63 (je
Laserstrahl) die Steuerung der Strahlgröße in Querabtastrichtung bewerkstelligt.
Die Größe der Strahlen 24a, 24b am
Galvo-Spiegel 40 wird durch die Zylinderlinse 63 der
Größe des Galvo-Spiegels
so angepasst, dass diese Größen etwa
gleich sind (d. h. der Unterschied nicht mehr als 15%, vorzugsweise 10%
oder weniger, beträgt).
Diese Lösung
geht davon aus, dass die Abweichungen in der Größe in Querabtaststrahlrichtung
gering sind. Dies ist nicht immer der Fall, und gelegentlich muss
man einen Ausgleich für
diese Abweichungen vorsehen. Laser aus der gleichen Produktionscharge
weisen unter Umständen
denselben, aber einen größeren Divergenzwinkel
als üblich
in Querabtastrichtung auf. Dieser Mangel kann durch den Einsatz
zusätzlicher
Linsen behoben werden. Zum Beispiel ist in 6G zu erkennen, dass eine oder mehrere
bewegliche Zylinderelemente 66 in der optischen Bahn zwischen
den Linsen 64a, 6b und der Feldlinse 68 vorgesehen sind,
die als Zoom-System zur Steuerung der Strahlgröße des Laserstrahls in Querabtastrichtung
dienen.
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Verringerung der Punktgröße und Umverteilung
der Intensität
in Abtastrichtung
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Ohne die Verzögerungsplatte 65a, 65b, 65c und
das Wollaston-Prisma 69 zeigt die Energieverteilung in
Abtastrichtung 29 ein etwa Gaußsches Verhalten, wie dies
in 7A dargestellt ist.
Um eine effiziente Farbstoffübertragung
zu erreichen, ist ein Abtastpunkt mit hoher Dichte und annähernd gleichmäßiger Energieverteilung
nötig.
Daher ist eine horizontale Energieverteilung bevorzugt, und die
Punktgröße sollte
so klein wie möglich
sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung
wird die Form der Abtastpunkte durch Polarisationsoptiken, etwa
Verzögerungsplatten
(1/2 Welle) und das Wollaston-Prisma 69 verändert, so
dass die Intensitätsverteilung
etwa rechteckig verläuft
und die Größe der Abtastpunkte
verringert wird.
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6A zeigt
eine Querschnittsdarstellung des Abbildungssystems 60 des
Lichtpunkt-Druckers in
der Ebene parallel zur Abtastrichtung. Diese Abbildung zeigt nur
zwei Laser 10a und 12b, obwohl natürlich mehr
als zwei Multimode-Laser vorhanden sein können. Die Laserstrahlen 24a, 24b der
Multimode-Laser 10a und 10b werden von den Linsen 64a, 64b gesammelt
und auf dem Galvo-Spiegel 40 abgebildet. Die Laserstrahlen 24a, 24b werden
typischerweise in der Richtung parallel zur langen Abmessung der
Emissionsöffnung
polarisiert; diese Polarisierung wird im Folgenden als P-Polarisation
bezeichnet.
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7A zeigt
den P-polarisierten Strahl beim Eintritt in die Austrittspupille 64a' oder 64b' der Linse 64a oder 64b.
Die Apertur jeder der Linsen 64a, 64b und 64c ist
zur Hälfte
durch eine Verzögerungsplatte 65a, 65b abgedeckt.
Diese Verzögerungsplatten 65a, 65b verändern die
Polarisierung (des Teils der Strahlen, der aus den Verzögerungsplatten
austritt) von einer P-Polarisation
in eine S-Polarisation. Dies ist in 7B dargestellt.
Damit werden diese Hälften der
Laserstrahlen in der Querabtastrichtung polarisiert. Diese Polarisationen
(P und S) verlaufen orthogonal zueinander.
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Am Galvo-Spiegel 40 überlappen
die Strahlen 24a, 24b der Multimode-Laser 10a, 10b.
Das Wollaston-Prisma 69 ist in der Nähe des Galvo-Spiegels 40 angeordnet.
Das Wollaston-Prisma überlagert
den P-polarisierten Teil des Strahls mit dem S-polarisierten Teil
des Strahls und erzeugt auf diese Weise einen konzentrierten Laserstrahl.
Die Wirkung dieser Überlagerung
auf die Punktform am Aufzeichnungsmaterial ist in 7C dargestellt. Im Ergebnis werden eine
höhere
Strahldichte und schmalere, glattere, etwa rechteckige Strahlintensitäts-Profile erreicht.
Ohne das Wollaston-Prisma 69 und die Verzögerungsplatten 65a, 65b würde die
Intensität
der Laserstrahlen am Aufzeichnungsmaterial 30 den in 7A dargestellten Verlauf
aufweisen. Die in 7C dargestellte
Strahlintensität
ist für
den Thermodruck besser, weil sie eine höhere Strahldichte aufweist,
gemessen in Watt/cm^2. Wie in 7A und 7C zu erkennen ist, gibt
es beim Laserdruck normalerweise einen Schwellenpegel. Licht unterhalb
dieses Schwellenpegels trägt
zum Druck nicht bei und geht verloren. Durch eine rechteckige Energieverteilung
innerhalb des Punkts wird dieser Verlust minimiert.