DE19751106A1 - Laserdrucker zum Drucken auf ein lichtempfindliches Medium - Google Patents
Laserdrucker zum Drucken auf ein lichtempfindliches MediumInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Laserdrucker zum Drucken auf ein lichtempfindliches
Medium.
Bei einem typischen Laserdrucker wird die von einem Laser ausgesendete Strah
lung geformt und zur Erzeugung eines Punktes gewünschter Größe in einer Film
ebene abgebildet. Der als Pixel bezeichnete Punkt ist das kleinste Element des
Bildes. Zur Erzeugung der richtigen Dichte eines jeden Punkts wird die Laserstrah
lung Pixel für Pixel moduliert. Zur Erzeugung eines zweidimensionalen Bildes wird
der Laserpunkt in Zeilenrichtung abgetastet und das Medium in Seitenlängsrichtung
transportiert.
Bei einem Druckersystem mit einem Dauerstrich (CW)-Gas- oder Festkörper-Laser
werden die Bilddaten mit einem externen Modulator, beispielsweise einer akusto
optischen Vorrichtung, in den Lichtstrahl eingegeben. Für Systeme mit Halbleiter
dioden-Lasern wird die Laserstrahlung unmittelbar durch Änderung der Stromzufuhr
zum Laser moduliert. Bei Druckern, die mit hochempfindlichen Medien, wie z. B.
Silberhalogenid, arbeiten, wird eine hohe Durchsatzleistung durch Abtasten des
Laserstrahls in Zeilenrichtung mit einem Polygonspiegel oder Galvanometer.
Drucker für Medien mit geringer Empfindlichkeit, wie z. B. Laser-Thermodrucker,
arbeiten mit Laserstrahlungsquellen höherer Leistung und niedrigen Zeilen- und
Seitenabtastgeschwindkeiten, um den hohen Anforderungen an die Bestrahlung zu
genügen, die in der Regel im Bereich von 0,2-0,5 Joule/cm2 liegen. Diese Art der
Abtastung kann unter anderem dadurch verwirklicht werden, daß man den Drucker
wie eine "Drehmaschine" konfiguriert, wobei die Abtastung in Seitenlängsrichtung
durch Drehen einer den Film aufnehmenden Trommel und die Abtastung in Zeilen
richtung durch translatorische Bewegung des Lasers in einer parallel zur Drehachse
der Trommel verlaufenden Richtung bewirkt wird.
Um diesen hohen optischen Leistungsanforderungen in einer raumsparenden
Anordnung mit relativ geringen Kosten zu verwirklichen, werden viele diskrete Laser
zu Gruppen zusammengefaßt um in der Filmebene Mehrfachpunkte zu bilden.
Gleichzeitig aufgezeichnete Mehrfachpunkte bzw. -pixel erhöhen die Durchsatzlei
stung, Mehrfach-Laserstrahlungsquellen liefern die erforderliche optische Energie.
Um eine Vielzahl von Laserstrahlungsquellen in einem Laserdrucker zusammen
zufassen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Unter anderem kann dafür ein
System verwendet werden, bei dem die einzelnen Laserstrahlungsquellen getrennt
mit Lichtleitfasern gekoppelt sind, die dann zu einer linearen Anordnung von Strah
lungsquellen zusammengebaut werden. Ein System dieser Art wird in
US-A-4 911 526 beschrieben.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein monolithisches Array von Laserstrah
lungsquellen zu verwenden und die Elemente des Laser-Arrays dann zur Erzeu
gung von Vielfachpunkten unmittelbar auf dem lichtempfindlichen Medium abzubil
den. Um Pixeldichten zu erhalten, wird die Stromversorgung der einzelnen Ele
mente des Laser-Arrays individuell moduliert. Im Vergleich zu Systemen, bei denen
die Laser mit Lichtleitfasern gekoppelt sind, kann ein solches, in US-A-4 804 975
beschriebenes System mit geringeren Kosten und einem höheren Wirkungsgrad
verwirklicht werden. Monolithische Laserdioden-Arrays dieser Art haben jedoch
auch systembedingte Nachteile. Wenn die einzelnen Laserelemente unmittelbar auf
dem Medium abgebildet werden, führt der Ausfall auch nur eines Elements in dem
Array zu einem Fehler im Bildmuster. Außerdem ist die zum Modulieren der mit
hohen Geschwindigkeiten in die Dioden eingespeisten hohen Stromstärken erfor
derliche Elektronik teuer und schwierig herzustellen. Darüber hinaus ist das System
für durch thermische und elektrische Einstreuungen innerhalb des
Diodenlaser-Arrays verursachte Bildfehler anfällig.
Eine Möglichkeit zur Verbesserung eines Systems mit einer monolithischen Dioden-
Array-Strahlungsquelle besteht darin, jedes Laserelement in Subarrays zu unter
teilen. Systeme, die mit solchen Lasern arbeiten, werden in den ebenfalls an den
Zessionar der vorliegenden Erfindung abgetretenen US-Patentanmeldungen Nr.
07/986,207 vom 7. Dezember 1992 und Nr. 08/283,003 vom 29. Juli 1994 beschrie
ben. Die einzelnen Aufzeichnungspixel werden dabei jeweils aus dem zusammen
gefaßten Licht aller Laserelemente eines gegebenen Subarrays zusammengesetzt.
Für die Bilddateneingabe werden die einzelnen Subarrays jeweils unmittelbar und
individuell moduliert. Dieses Vorgehen trägt dazu bei, die Anfälligkeit gegen thermi
sche Einstreuungen zu verringern und das System gegen einen Ausfall einzelner
Laserelemente innerhalb eines Subarrays unempfindlicher zu machen.
Ein System mit einer monolithischen Dioden-Array-Strahlungsquelle kann ferner
auch dadurch verbessert werden, daß man das von den einzelnen Laserelementen
abgestrahlte Licht zusammenfaßt, um einen Raumlichtmodulator mit Flutlicht zu
beleuchten. Die Elemente des Modulators unterteilen das Licht in Bildelemente,
wobei jedes Element des Modulators anschließend in einer Medienebene abgebil
det wird, um die gewünschte Anordnung von Druckpunkten zu erhalten. Systeme,
die nach diesem Verfahren arbeiten, werden in US-A-5,517,359 und US-A-
5,521,748 beschrieben. Diese Systeme stellen gegenüber dem Stand der Technik
insofern eine Verbesserung dar, als sie die Möglichkeit einer indirekten Modulierung
des Lichts schaffen, so daß die Laserdioden-Array-Strahlungsquelle mit voller
Leistung arbeitet und ausschließlich als Lichtquelle dient. Die in diesen Patenten
beschriebenen Systeme haben jedoch den Nachteil, daß die Gleichmäßigkeit der
Beleuchtung der Modulatorebene unter Umständen sehr zu wünschen übrig läßt. In
beiden Fällen werden die emittierenden Elemente mit starker Vergrößerung unmit
telbar auf dem Modulator abgebildet. Da die Lichtemissionsprofile in Längsrichtung
des Arrays sowohl Makro- als auch Mikro-Ungleichmäßigkeiten aufweisen, kann die
sich daraus ergebende Modulatorbeleuchtung mit erheblichen Ungleichmäßigkeiten
behaftet sein. Die in US-A-5,517,359 beschriebene Erfindung sieht ein Spiegel
system vor, das diese Schwierigkeiten teilweise dadurch ausgleicht, daß es die
Makro-Ungleichmäßigkeiten im wesentlichen eliminiert. Infolge des größeren
Beleuchtungswinkels des Modulators muß dabei jedoch eine verringerte Helligkeit
in Kauf genommen werden. Davon abgesehen, werden mit diesem Verfahren zur
Verbesserung der Gleichmäßigkeit nur dann gute Ergebnisse erzielt, wenn das
Lichtprofil über die Breite der emittierenden Elemente bereits größere Bereiche
aufweist, in denen die Beleuchtung im wesentlichen gleichmäßig ist.
Zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Beleuchtung optischer Systeme gibt es
zahlreiche Möglichkeiten, wie z. B. die Verwendung von Diffusoren und integrieren
den Resonatoren. Die meisten dieser Verfahren haben jedoch eine erhebliche Ver
ringerung der Helligkeit des Lichts auf dessen Weg durch das gesamte optische
System zur Folge. Optische Systeme für den fotolithografischen Druck bei der Her
stellung eines Halbleiterelements, beispielsweise eines IC-Chips, arbeiten weit
gehend mit Integratoren, die eine gleichmäßige Beleuchtung im wesentlichen ohne
Helligkeitsverluste gewährleisten. In vielen Systemen werden dafür Fliegenaugen-Linsen
anordnungen verwendet. Ein Beispiel ist das in US-A-4,497,015, Konno u. a.,
beschriebene System, bei dem als Lichtquelle eine Bogenlampe verwendet wird,
deren Licht vor dem Eintreffen an der Maskenebene sorgfältig homogenisiert wird.
Ein ähnliches fotolithografisches Beleuchtungssystem, bei dem als Lichtquelle ein
Laser, wie z. B. ein Excimer- oder YAG-Laser, verwendet wird, wird in US-A-4,939,
630 beschrieben. Bei diesen Lichtquellen - Bogenlampe, Excimer-Laser und
YAG-Laser - handelt es sich um räumlich stetige Lichtquellen, die Strahlen mit beträcht
licher Lichtstärke aussenden. Ein Laser-Dioden-Array ist dagegen eine in Segmente
aufgeteilte Lichtquelle, die aus einer Reihe kleiner, in einem größeren räumlichen
Abstand zueinander angeordneten einzelnen Emittern besteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit Flutlichtbeleuchtung eines Raum
lichtmodulators arbeitendes Beleuchtungssystem für einen Laserdrucker zu schaf
fen, das die durch Makro- und Mikro-Ungleichförmigkeiten des von den Laserele
menten emittierten Lichts verursachten Probleme im wesentlichen ohne Helligkeits
verluste im optischen System beseitigt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Beleuchtungs
systems für einen Laserdrucker mit einem Laserdioden-Array, das im Vergleich zu
den bekannten Systemen kleiner ist und weniger Bauteile aufweist.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Beleuchtungssystem für einen
Laserdrucker mit einem Laserdioden-Array zu schaffen, bei dem das Winkelspek
trum des auf den Modulator fallenden Lichts zur Verbesserung der Modulationsgüte
angepaßt werden kann.
Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Laserdrucker
mit einem Laserdioden-Array gelöst, das folgende Komponenten aufweist: eine
Beleuchtungsquelle, eine Laserlinsenanordnung, ein Fliegenaugenintegratorsystem
und weitere optische Elemente zur Beleuchtung eines Modulator-Arrays, derart, daß
bildfeldwinklig und räumlich eine im wesentlichen gleichmäßige Beleuchtung erzielt
wird. Der reflektierend oder durchlässig ausgebildete Modulator wird von allen Ele
menten des Lasers gleichmäßig beleuchtet. Die Elemente des Modulators untertei
len das Licht in Bildelemente, die zur Erzeugung eines Punktmusters in einer
Medienebene abgebildet werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laserdruckers.
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil des in Fig. 1 dargestellten erfindungs
gemäßen Laserdruckers mit weiteren Einzelheiten der Optik, insbeson
dere der Anordnung der Optik vor dem Modulator.
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform des erfindungs
gemäßen Laserdruckers mit Einzelheiten der Laserlinsenanordnung und
der Linsenanordnungen zur Erzeugung einer gleichmäßigen Beleuch
tung.
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemä
ßen Laserdruckers mit Lücken im Winkelspektrum.
Fig. 5 ein Diagramm des typischen Nahfeld-Raumlichtprofils eines Multimode-
Laserdioden-Array-Emitters.
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemä
ßen Laserdruckers.
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfin
dungsgemäßen Laserdruckers.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laser
druckers. Der als Ganzes mit der Kennziffer 10 bezeichnete Laserdrucker besteht
aus einem Laserdioden-Array 11, einer Beleuchtungsoptik 20, einem Raumlicht
modulator 40, einer Drucklinse 50 und einem in der Medienebene 60 angeordneten
Empfangsmedium.
Das Laserdioden-Array 11 besteht aus einer Anordnung von Laserdioden-Emittern
12 mit hoher Strahlungsleistung. Die Emitter 12 des Arrays werden von einer
gemeinsamen Stromversorgung (nicht dargestellt) jeweils gleichzeitig nach dem
Dauerstrich (CW)-Verfahren aktiviert. Die Verwendung eines CW-Lasers ohne indi
viduelle Modulation vereinfacht die Ausführung der Stromversorgung und der Wär
meabstrahlung. Alle Diodenlaseremitter 12 des Laserdioden-Arrays 11 beleuchten
in Verbindung mit der Beleuchtungsoptik 20 eine Zeile oder Fläche vorgegebener
Größe an dem Modulator 40. Das von den einzelnen Laserelementen ausgestrahlte
Licht wird dabei von der Beleuchtungsoptik über die volle Breite des Modulators 40
verteilt. Dadurch wird eine Lichtquellenredundanz erzielt und die Anfälligkeit des
Systems für Funktionsstörungen einzelner Diodenlaseremitter 12 verringert.
Die dargestellte Beleuchtungsoptik 20 ist anamorphotisch ausgeführt, d. h. mit
getrennten optischen Systemen für die Längs- und Querrichtung des Arrays, weil
das von den Laserdiodenemittern ausgestrahlte Licht in den beiden Richtungen
völlig andere Eigenschaften aufweist. Statt dessen können auch axialsymmetrische
Komponenten für beide Richtungen verwendet werden. Die Quer-Array-Elemente
bestehen aus der Faserlinse 21 und der Quer-Array-Linse 22 sowie Komponenten
(nicht dargestellt) zum Korrigieren des Abbildungsfehlers der Quer-Array-Elemente.
Im allgemeinen werden diese Quer-Array-Elemente so ausgeführt, daß sie das Licht
auf die vertikale Breite des Modulators eingrenzen und die numerische Apertur (NA)
des Quer-Arrays minimieren. Dies kann durch Abbilden der Laserdiodenemitter 12
auf dem Modulator 40 bewirkt werden. Statt dessen kann auch die Faserlinse 21
oder deren hintere Brennpunktebene auf dem Modulator abgebildet werden. Die
letztgenannten Konfigurationen tragen dazu bei, das System gegen den Abbil
dungsfehler unempfindlicher zu machen.
Die Beleuchtungsoptik 20 enthält darüber hinaus zahlreiche weitere Elemente, wie
z. B. eine Laserlinsenanordnung 24, eine Kombinator-Bildfeldlinse 25, einen Flie
genaugenintegrator 23 und eine Bildfeldlinse 28, die in der Zeichnung sämtlich als
zylindrische Elemente dargestellt sind. Der Fliegenaugenintegrator 23 besteht aus
einer ersten vergleichmäßigenden sphärischen Linsenanordnung 29, einer zweiten
vergleichmäßigenden Linsenanordnung 30 und Bildfeldlinsen 26 und 27. Zur
Erzielung einer gleichmäßigen Beleuchtung des Modulators wird die Längs-Array-
Optik im allgemeinen so ausgelegt, daß das von den einzelnen Laserdiodenemittern
12 ausgestrahlte Licht in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt und diese
Abschnitte dann über die volle Länge des Modulators 40 zum Überlappen gebracht
werden. Im Zusammenwirken mit der Quer-Array-Optik gewährleistet die Längs-
Array-Optik eine Flutlichtbeleuchtung des Modulators mit einer langen, schmalen
Lichtzeile gleichmäßiger Strahlstärke ohne wesentliche Beeinträchtigung der Hellig
keit der Laserdioden-Array-Strahlungsquelle (weniger Durchlässigkeits- und son
stige Verluste) und Redundanz bezüglich der Emitter. Die Beleuchtungszeile
erstreckt sich dabei über die volle Länge des Modulators in Längsrichtung des
Arrays, beleuchtet aber in Querrichtung des Arrays nur ein schmales Band, dessen
Breite annähernd der Breite der einzelnen Elemente des Modulators 40 entspricht.
Zur Erzeugung einer Zeile dichtgepackter Druckpunkte wird der beleuchtete Modu
lator von einer Drucklinse 50 in der Medienebene 60 abgebildet. Die Drucklinse 50
setzt sich in der Regel aus einer Vielzahl einzelner Elemente zusammen, die axial
symmetrisch oder anamorphotisch ausgebildet sein können. Je nach Art des ver
wendeten Lichtmodulators 40 können die Drucklinsenelemente für den Modula
tionsprozeß mit zusätzlichen optischen Elementen versehen werden. So würde man
beispielsweise für Lichtpolarisationsmodulatoren, wie z. B. PLZT- oder Flüssigkri
stallvorrichtungen, hinter dem Modulator einen Polarisationsanalysator, wie z. B.
einen Strahlungsteilerwürfel, anordnen. Ein weiteres Beispiel für beugende Pha
senumwandlungsmodulatoren wäre die Verwendung eines Schlierensystems als
optisches System hinter dem Modulator. In diesem Falle könnte innerhalb der
Drucklinsen-Baugruppe eine Blende angeordnet werden, um in einer Fourier-Ebene
durch Phasendiskrimination das modulierte von dem nichtmodulierten Licht zu tren
nen.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten System wird zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit
der Beleuchtung ein Fliegenaugenintegrator 23 verwendet, der weitgehend den
üblicherweise für fotolithografische Systeme verwendeten Fliegenaugenintegratoren
entspricht, hier jedoch so adaptiert ist, daß er in Verbindung mit einer segmentierten
Strahlungsquelle, beispielsweise dem Laserdioden-Array 11, verwendet werden
kann. Auch Konno, US-A-4,497,015, zeigt eine Beleuchtung für fotolithografische
Systeme mit einem Fliegenaugenintegrator. Bei diesem System wird zum Aufteilen
des von der als Strahlungsquelle dienenden Bogenlampe kommenden Strahls in
zahlreiche kleinere Strahlen eine erste Fliegenaugenstufe mit zwei in Brennweiten
abstand zueinander angeordneten Linsenanordnungen verwendet. Die zweite der
beiden Linsenanordnungen bildet im Zusammenwirken mit einer Bildfeldlinse die
von den ersten Linsen kommenden Strahlen überlappend in einer Zwischenbild
ebene ab. Der Vorgang wird dann zur weiteren Verbesserung der Gleichmäßigkeit
mit einer zweiten Fliegenaugenintegratorstufe wiederholt. Ein von Kikuchi, US-A-
4,939,630, beschriebenes System ist ähnlich ausgelegt wie das Konno-System,
jedoch so adaptiert, daß es in Verbindung mit dem großen, nahezu parallel gerich
teten Strahl eines Excimer-Lasers eingesetzt werden kann. In diesem Falle wird als
erste Vergleichmäßigungsstufe (Uniformer) des Integrators eine vereinfachte Aus
führung mit nur einer Linsenanordnung verwendet, die den großen Strahl in ein
zelne Abschnitte unterteilt, die dann zum Überlappen gebracht werden. Darauf folgt
dann wieder, wie bei Konno, eine zweite Vergleichmäßigungsstufe mit zwei Linsen
anordnungen und Bildfeldlinsen.
Der Unterschied zwischen dem in Fig. 1 dargestellten System und dem von Konno
und Kikuchi beschriebenen Systemen besteht darin, daß das als Strahlungsquelle
verwendete Laserdioden-Array 11 bereits in eine Vielzahl von Emittersegmenten
aufgeteilt ist. Das von diesen Emittern ausgestrahlte Licht kann überlappend kombi
niert werden, ohne daß das von den Emittern ausgestrahlte Licht vorher in eine
Vielzahl kleinerer Strahlen unterteilt werden muß. In diesem Falle erzeugen die
Laserlinsenanordnung 24 und die Kombinator-Bildfeldlinse 25 eine Zwischen
beleuchtungsebene, die dann in den Fliegenaugenintegrator 23 eingegeben wird. In
dieser Zwischenbeleuchtungsebene ist das Lichtprofil gleichmäßiger, aber noch
nicht voll integriert. Es ist möglich, daß nicht alle Punkte innerhalb des beleuchteten
Bereichs Licht von allen Punkten der Strahlungsquelle empfangen oder daß nicht
alle Punkte innerhalb dieses Bereichs mit dem vollen Winkel des einfallenden Lichts
beaufschlagt werden. Zur weiteren Verbesserung der Gleichmäßigkeit wird der
Fliegenaugenintegrator 23 eingesetzt. Das auf die erste vergleichmäßigende sphä
rische Linsenanordnung 29 fallende Licht umfaßt eine zweite Quelle in der Zwi
schenbeleuchtungsebene, die von dem Fliegenaugenintegrator 23 abgebildet wird.
In Fig. 1 weist der Fliegenaugenintegrator 23 eine erste Vielzahl von sphärischen
Linsen (die der ersten vergleichmäßigenden Linsenanordnung 29 auf), die parallel
zu der optischen Achse 13 angeordnet sind, um das aus der Zwischenbeleuch
tungsebene in den Fliegenaugenintegrator 23 eingestrahlte Licht aufzuteilen. Diese
sphärischen Linsen (der ersten vergleichmäßigenden Linsenanordnung 29) bilden
in einer ersten Brennpunktebene eine Vielzahl von Bildern der Laserlinsenanord
nung 24 ab. Der Fliegenaugenintegrator 23 weist ferner eine zweite Vielzahl von
sphärischen Linsen (die der zweiten vergleichmäßigenden Linsenanordnung 30)
auf, die in der Nähe der ersten Brennpunktebene angeordnet sind und jeweils den
Linsen der ersten Vielzahl von sphärischen Linsen entsprechen, die ihrerseits im
Zusammenwirken mit Bildfeldlinsen 27 in einer zweiten Brennpunktebene Bilder der
ersten Vielzahl von sphärischen Linsen (denen der ersten vergleichmäßigenden
Linsenanordnung 29) abbilden. Eine Bildfeldlinse 27, die ebenfalls Bestandteil des
Fliegenaugenintegrators ist, bewirkt daß diese Vielzahl von Bildern in der zweiten
Brennpunktebene zentriert zum Überlappen gebracht wird. Der Fliegenaugeninte
grator 23 kann zusätzlich eine Eingangsbildfeldlinse 26 aufweisen, damit das Licht
telezentrisch in die Baugruppe einfällt.
Die bevorzugte Ausführungsform der Modulatorbeleuchtung wird im folgenden
ausführlicher an Hand von Fig. 2 erläutert. Das Laserdioden-Arrray 11 in der Ebene
a0 ist räumlich in N1 Strahlungsquellensegmente aufgeteilt, bei denen es sich in der
Regel um großflächige Multimode-Laserdiodenemitter handelt. Bei Diodenlaser-
Arrays hoher Leistung werden diese Laserdiodenemitter 12, um thermische Ein
streuungen zu minimieren, nicht eng gepackt. Die aktiven Bereiche der Diodenlaser
sind somit voneinander getrennt und nehmen jeweils nur einen Bruchteil der
Gesamtlänge des Arrays ein. Das von den einzelnen Laserdiodenemittern 12 aus
gestrahlte Licht ist weder zeitlich noch räumlich mit dem von einem anderen Laser
diodenemitter ausgestrahlten Licht kohärent, so daß bei Überlagerung des Lichts
keine Beeinträchtigung der Gleichmäßigkeit der Beleuchtung durch Einstreuungen
befürchtet werden muß. Ferner ist das Licht über die Gesamtzahl der Laserdioden
emitter selbst, von sehr wenigen Einzelbereichen abgesehen, inkohärent, so daß
das von einem gegebenen Laserdiodenemitter ausgestrahlte Licht aufgeteilt und
zum Überlappen gebracht werden kann, wobei auch in diesem Falle wiederum
keine wesentlichen Einstreuungen zu befürchten sind. Optisch können diese Laser
diodenemitter als Mini-Breitstrahler angesehen werden, während viele Laser fast
wie Punktlichtquellen wirken.
Wenn diese Emitter jeweils überlappend in der Zwischenbeleuchtungsebene a1 in
Fig. 2 abgebildet werden, wird das bei a1 einfallende Licht nur teilweise gemischt.
Das von den verschiedenen Emittern ausgestrahlte Licht ist zwar zum Überlappen
gebracht, aber nicht aufgeteilt und winkelmäßig oder räumlich gemischt worden. So
vereinigt sich beispielsweise das von den axialen Punkten der einzelnen Emitter
kommende Licht in der Mitte der Ebene a1 und das von den achsversetzten Punkten
der einzelnen Emitter kommende Licht an den achsversetzten Punkten der
beleuchteten Fläche a1 Die eingezeichneten Strahlengänge der verschiedenen
Laserdiodenemitter 12a, 12b und 12c veranschaulichen dies. Infolgedessen werden
systematische Probleme im Lichtprofil über die Breite der Emitter, wie z. B. der aus
der Darstellung in Fig. 5 ersichtliche Flankenabfall, nicht beseitigt. Als zweite Inte
grationsstufe ist daher der Fliegenaugenintegrator 23 vorgesehen. Der aus den
Bildfeldlinsen 26 und 27 und den vergleichmäßigenden sphärischen Linsenanord
nungen 29, 30 bestehende Fliegenaugenintegrator 23 ist Bestandteil der Optik und
dient dazu, das von den Laserdiodenemittern ausgestrahlte Licht zu selektieren
und sowohl winkelmäßig als auch räumlich gründlicher zu mischen.
Die Ebenen a0, a1 und a2 in Fig. 2 sind einander zugeordnet (konjungiert). Das glei
che gilt für die Ebenen b0 und b1. Die Laserlinsenanordnung 24 besteht aus N1
Linsenelementen, die jeweils einem gegebenen Laserdiodenemitter 12 des Laser
dioden-Arrays 11 entsprechen. Im Zusammenwirken mit der Kombinator-Bildflä
chenlinse 25 bilden die Linsenelemente 24 a, 24 b und 24 c jeweils einen Emitter mit
starker Vergrößerung auf der Eingangsfläche der ersten vergleichmäßigenden
sphärischen Linsenanordnung 29 in der Ebene a1 ab. So veranschaulichen die von
dem Laserdiodenemitter 12b durch das Linsenelement 24b und die Linse 25 zu der
ersten vergleichmäßigenden sphärischen Linsenanordnung 29 eingezeichneten
Strahlengänge beispielsweise eine axiale Abbildung. Zwei achsversetzte Abbildun
gen werden durch die Strahlengänge von dem Emitter 12a durch das Linsenelement
24a und die Linse 25 sowie von dem Laserdiodenemitter 12c durch das Linsenele
ment 24c und die Linse 25 dargestellt. Die Bildfeldlinse 26 verändert das ankom
mende Licht so, daß es telezentrisch in die erste vergleichmäßigende sphärische
Linsenanordnung 29 in der Ebene a1 einfällt.
Das Licht wird in der Zwischenbeleuchtungsebene a1 in N2 Abschnitte aufgeteilt,
wobei N2 die Anzahl der Linsenelemente in jeder der vergleichmäßigenden sphäri
schen Linsenanordnungen 29, 30 angibt. Die entsprechenden Linsenelemente in
der zweiten vergleichmäßigenden sphärischen Linsenanordnung 30 bilden im
Zusammenwirken mit der Bildfeldlinse 27 die Linsenelemente der ersten vergleich
mäßigenden sphärischen Linsenanordnung 29 vergrößert und überlappend in der
(auch als Modulatorebene 41 bezeichneten) Ebene a2 ab. Die Bildfeldlinse 28
bewirkt ähnlich wie die Linse 26, daß das ankommende Licht telezentrisch zur
Beleuchtungsebene a2 einfällt. Örtlich begrenzte Ungleichmäßigkeiten der Licht
verteilung in der Ebene a1 werden auf diese Weise räumlich vergrößert und über
den größeren Teil der Beleuchtungsebene a2 verteilt. Wenn die einzelnen
Abschnitte des von den N2 vergleichmäßigenden sphärischen Linsenanordnungen
29, 30 in der Ebene a1 selektierten Lichts auf diese Weise kombiniert werden, ergibt
sich durch Ausgleich der örtlichen Ungleichmäßigkeiten eine wesentlich gleich
mäßigere Verteilung der Strahlstärke des Lichts. Der Ausgleich ist natürlich um so
besser, je mehr N2-Linsenpaare in dem Fliegenaugenintegrator 23 verwendet wer
den. Wenn die erzielte Gleichmäßigkeit dann immer noch nicht ausreicht, können
hinter der Beleuchtungsebene a2 weitere Integratorstufen mit Linsenanordnungs
paaren und Bildfeldlinsen vorgesehen werden.
Ein typisches Laserdioden-Array, wie der Optopower-OPC-D020-Laser (Opto Power
Corporation, Tucson, AZ), ist beispielsweise ein 20 Watt-Laser mit 19 Diodenlaser
elementen, die jeweils 150 µm breit und mit einer Teilung von 650 µm über eine
Gesamtlänge des Arrays von 11,85 mm verteilt sind. Bei einer numerischen Apertur
(NA) von 0,13 sendet dieses Laser-Array linear polarisiertes Licht mit einer Wel
lenlänge von 830 nm aus. Für ein System, bei dem die Laserlinsenanordnung 24
das von den Laserdiodenemittern ausgestrahlte Licht parallel richtet, beträgt die
Brennweite der Linsenelemente dann 2,47 mm. Die vergleichmäßigenden sphäri
schen Linsenanordnungen 29 und 30 bestehen jeweils aus 6 Linsenelementen mit
einer Breite von 1 mm in Längsrichtung der Anordnung. Die Kombinator-Bildfeld
linse 25 hat dann eine Brennweite von 99 mm, so daß die Anordnung 29 auf ihrer
vollen Breite von 6 mm mit Licht beaufschlagt wird. Die Brennweise der Linsenele
mente der vergleichmäßigenden sphärischen Linsenanordnungen 29, 30 beträgt
dann 8,0 mm. Dadurch ist gewährleistet, daß die Ausgangsflächen der Linsen in der
Ebene b1 ebenfalls voll mit Licht beaufschlagt werden. Für einen Raumlichtmodula
tor 40 mit 256 jeweils 60 µm breiten Pixeln beträgt die Brennweite der Bildfeldlinse
27 123 mm, so daß eine ausreichende Vergrößerung für die Beleuchtung der vollen
Länge des Modulators gegeben ist. Die Brennweite der Bildfeldlinse 28 beträgt
dann ebenfalls 123 mm. Die Gesamtlänge des Beleuchtungssystems zwischen
Laser und Modulator beträgt ca. 240 mm.
Das System wurde hier nur an Hand der Hauptfunktionen der verschiedenen Kom
ponenten beschrieben, läßt aber Abwandlungen zu, mit denen die Leistung mögli
cherweise verändert oder verbessert werden kann. So wurden beispielsweise die
Laserlinsenanordnung und die vergleichmäßigenden sphärischen Linsenanordnun
gen hier als zylindrische lichtbrechende Komponenten dargestellt, obwohl sie auch
als beugende Komponenten oder Komponenten mit einem sphärischen oder
torischen Linsenprofil ausgebildet sein könnten. Die vergleichmäßigenden sphäri
schen Linsenanordnungen können, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, als zwei getrennte
Elemente ausgeführt werden oder auch, wie in Fig. 3 gezeigt, als ein optisches
Element mit optisch wirksamen Flächen auf beiden Seiten.
Die in Fig. 2 abgebildete Laserlinsenanordnung 24 arbeitet mit unendlich konju
gierter Abbildung, so daß das von den Laserdiodenemittern ausgestrahlte Licht kol
limiert wird. Die Bildfeldlinse 25 vervollständigt die Abbildung und Überlappung. Die
in Fig. 2 abgebildete Laserlinsenanordnung 24 kann jedoch auch so ausgebildet
werden, daß unmittelbar die endlich konjugierte Abbildung erzielt wird. Dies kann
unter anderem dadurch bewirkt werden, daß die Linsenelemente in Längsrichtung
der Anordnung achsversetzt zu den Laserdiodenemittern angeordnet sind. Zu die
sem Zweck wird für die Anordnung der Linsenelemente eine geringfügig kleinere
Teilung gewählt als für die Laserdiodenanordnung selbst. Das durch die Laser
linsenanordnung fallende Licht wird dann gegenüber den optischen Achsen der
entsprechenden Linsen verschoben. Die Bilder der Emitter werden in der Ebene a1
in Fig. 2 genauso überlappt wie bei Vorhandensein der Bildfeldlinse 25, so daß die
Linse 25 eigentlich nicht benötigt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die
Linsen der Laserlinsenanordnung 24 mit derselben Teilung anzuordnen wie das
Laserdioden-Array 11, wobei dann aber die optischen Achsen der einzelnen Linsen
der Laserlinsenanordnung 24 verschoben werden. Die Apertur der einzelnen Linsen
der Laserlinsenanordnung 24 wird dabei nicht verringert, so daß das Licht verlustlos
eingefangen wird, während sich die effektive Leistung der einzelnen Linsen ändert.
Lichtbrechende Linsen würden beispielsweise als achsversetzt und gekrümmt aus
geführt werden. Wenn von dieser Möglichkeit Gebrauch gemacht wird, kann auch
die Bildfeldlinse 25 entfallen, da deren Funktion von der Laserlinsenanordnung 24
wahrgenommen wird.
Entsprechend können auch die vergleichmäßigenden sphärischen Linsenanord
nungen 29 und 30 multifunktional ausgeführt werden. Dabei können die Linsen der
ersten vergleichmäßigenden sphärischen Linsenanordnung 29 so ausgeführt wer
den, daß sie die Funktionen der Bildfeldlinse 26 mit übernehmen, so daß die Linse
26 entfallen kann. Wenn die Linsen der ersten vergleichmäßigenden sphärischen
Linsenanordnung 29 als achsversetzt und gekrümmt ausgeführt werden, können sie
auch die Telezentrizitätsfunktion der Bildfeldlinse übernehmen. Wenn die Lin
senelemente in endlich konjugierter Abbildung arbeiten, wird auch die Abbildungs
funktion der Bildfeldlinse nicht mehr benötigt. Der Abstand zwischen den vergleich
mäßigenden sphärischen Linsenanordnungen 29 und 30 entspricht dann nicht mehr
einer Brennweite, sondern dem für eine fehlerfreie Abbildung erforderlichen
(größeren) Abstand. Diese Lösung kommt zwar mit weniger Teilen aus, bedingt
jedoch eine wesentlich größere Komplexität der Ausführung der ersten vergleich
mäßigenden sphärischen Linsenanordnung 29 insofern, als die Linsenelemente
nicht mehr identische Eigenschaften aufweisen, sondern sich quer zur Anordnung
unterscheiden. Die zweite vergleichmäßigende sphärische Linsenanordnung 30
könnte ebenfalls so ausgeführt werden, daß sie die Abbildungs- und Telezentrizi
tätsfunktionen der Bildfeldlinse 27 übernimmt.
Das Beleuchtungssystem kann auch den besonderen Erfordernissen der Raum
lichtmodulatortechnik angepaßt werden. So kann beispielsweise die Vorrichtung für
die Änderung der Sekundärbeleuchtung in unmittelbarer Nachbarschaft der in Fig. 2
gezeigten gleichmäßig beleuchteten Modulatorbeleuchtungsebene 41 angeordnet
werden. Es gibt z. B. Raumlichtmodulatoren, deren Füllfaktor (Verhältnis der Apertur
zur Teilung der Modulatorelemente) deutlich unter 1,0 liegt. Bei Modulatoren mit
einem derart niedrigen Füllfaktor kann es vorteilhaft sein, eine Linsenanordnung
unmittelbar vor dem Modulator anzuordnen, um das Licht auf die Modulatorele
mente zu fokussieren und dadurch Verluste durch Beaufschlagung von Bereichen
außerhalb der Aperturen der Modulatorelemente zu vermeiden.
Auch Raumlichtmodulatoren mit dynamischen lichtbeugenden Vorrichtungen zur
Änderung der Phase des Lichts sind auf dem Markt erhältlich. Mit einer in einer
Fourier-Ebene innerhalb der Drucklinse 50 angeordneten Blende kann das Licht auf
Modulation analysiert werden. In ihrer einfachsten Form läßt eine solche Blende
das ungebeugte Licht nullter Ordnung entweder durch oder nicht. Da diese Modu
latoren die Richtungsbündelung des einfallenden Lichts ändern, ist die Modula
tionsgüte von der Winkelbreite oder numerischen Apertur (NA) des einfallenden
Lichts abhängig. Durch den Einsatz komplexerer Blenden, beispielsweise
"lattenzaunartiger" Blenden, kann der Kontrast des modulierten Lichts zu dem
nichtmodulierten Licht bei entsprechender Einstellung der Beleuchtung verbessert
werden.
Insbesondere bei der in Fig. 4 gezeigten alternativen Ausführungsform des in Fig. 2
dargestellten Systems ist der Fliegenaugenintegrator 23 so ausgebildet, daß die
Linsenelemente der vergleichmäßigenden sphärischen Linsenanordnung 30 nicht
voll mit Licht beaufschlagt werden (Licht ist nur in den mittleren Abschnitten der
Elemente vorhanden). Dies kann durch eine Erhöhung der Anzahl der Linsenpaare
erreicht werden. Das in der Modulatorebene 40 einfallende Licht weist dann im
Bereich des Winkels Lücken Ω auf, die bei nichtmoduliertem Licht durch den
Modulator wandern und auf die "lattenzaunartige" Blende 53 treffen. Diese Blende
53 ist in einem von Linsenelementen innerhalb der Drucklinse 50, beispielsweise
dem als Fourier-Transformationslinse fungierenden Linsenelement 51, erzeugten
Brennpunkt angeordnet. Im Falle eines modulierten Lichtstrahls erfolgt eine Pha
senverschiebung sowohl des Lichts als auch der Lücken und infolgedessen eine
Winkelverschiebung an der Blende 53, so daß Licht durch die Durchlaßbereiche der
Blende fallen und schließlich in der Mediumebene 60 abgebildet werden kann. (Fig.
4 zeigt einen Teilabschnitt der Beleuchtung eines axialen Modulatorelements des
beleuchteten Modulators 40 einschließlich der Winkellücken Ω und dann beispiel
haft einen von der Blende durchgelassenen Lichtstrahl Ω2). Die Blende 53 kann so
ausgeführt werden, daß sie je nach Anordnung der lichtundurchlässigen Blockier
elemente das nichtmodulierte Licht (wie gezeigt) blockiert oder durchläßt.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laserdruckers,
bei dem das Beleuchtungssystem vor dem Modulator auf einer klassischen Köhler
beleuchtung basiert. Auch bei diesem System wird ein in Segmente aufgeteilter
Fliegenaugenintegrator 35 in Verbindung mit dem als Lichtquelle dienenden, eben
falls in Segmente aufgeteilten Laserdioden-Array 11 verwendet. Bei der in Fig. 2
dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird die Lichtquelle (Laserdioden
emitter 12) in der Ebene a0 über die konjugierte Ebene a1 indirekt auf dem Objekt
(dem in der konjugierten Ebene a2 angeordneten Modulator) abgebildet, das seiner
seits in der Medienebene 60 abgebildet wird. Das in Fig. 2 abgebildete System stellt
im wesentlichen eine abgewandelte Form eines klassischen kritischen Beleuch
tungssystems dar. Dagegen wird bei dem in Fig. 3 gezeigten System die Lichtquelle
(Laserdiodenemitter 12) in einer Zwischenebene a1 abgebildet, die ihrerseits in der
Eingangspupille der Drucklinse 50 (nicht dargestellt) abgebildet wird. Bei dem opti
schen System in Fig. 3 erzeugt die Laserlinsenanordnung 31 eine bildraumtelezen
trische Köhlerbeleuchtung in der Ebene b0, bei der in örtlich begrenzten Bereichen
der Ebene b0 jeder Punkt überlappend von jedem Quellenpunkt eines gegebenen
Emitters 12 beleuchtet wird. Infolge dieser Überlappung ist das Lichtprofil in diesen
örtlich begrenzten Bereichen systembedingt gleichmäßiger als die Lichtprofile der
Emitter selbst. Diese örtlich begrenzten Bereiche der Ebene b0 werden von dem aus
den Elementen 32, 33 und 34 bestehenden, in Segmente unterteilten Fliegen
augenintegrator 35 selektiert und überlappend in der konjugierten Ebene b1 erneut
abgebildet. Da dies gleichzeitig die Modulatorebene 41 ist, wird der Modulator 40
auf diese Weise mit Flutlichtbeleuchtung beaufschlagt. Der Modulator wird dann
nach entsprechender Vergrößerung durch die Abbildungslinse 50 in der Medien
ebene 60 abgebildet, um dort eine Zeile eng gepackter Aufzeichnungspunkte (nicht
dargestellt) zu erzeugen.
Das in Fig. 3 gezeigte System nutzt die Segmentierung des als Strahlungsquelle
dienenden Laserdioden-Arrays in vorteilhafter Weise, indem es den Fliegenaugen
integrator 35 in N1 vergleichmäßigende Subarrays 36 segmentiert, die den N1 Emit
terelementen 12 des Laserdioden-Arrays 11 entsprechen. So entsprechen bei
spielsweise in dem Fliegenaugenintegrator 35 die vergleichmäßigenden sphäri
schen Linsenanordnungselemente 32a und 33a einem gegebenen Laserdioden
emitter 12a und einem Laserlinsenanordnungselement 31a. Jedes Laserlinsen
anordnungselement 31 beaufschlagt einen Teilabschnitt der Ebene b0 mit einer von
dem entsprechenden Emitter ausgestrahlten Köhlerbeleuchtung.
Das Lichtprofil in den örtlich begrenzten Bereichen der Ebene b0 wird jeweils in N3
Teilabschnitte unterteilt, wobei N3 der Anzahl von Linsenelementen in einem gege
benen vergleichmäßigenden Subarray 36 entspricht. Die vergleichmäßigenden
sphärischen Linsenanordnungselemente 32 werden jeweils vergrößert und von dem
entsprechenden vergleichmäßigenden Linsenanordnungselement 33 und der Kom
binator-Bildfeldlinse 34 in der Ebene b1 überlappend abgebildet. So wird beispiels
weise Licht aus der Mitte der einzelnen Linsenelemente 32 in der Mitte der Modu
latorebene b1 (gleichzeitig Ebene 41) abgebildet, wie dies die Strahlengänge R, R'
und R'' zeigen. Entsprechend gelangt Licht aus dem Randbereich der einzelnen
vergleichmäßigenden sphärischen Linsenanordnungselemente 32, wie die Strah
lengänge S und S' zeigen, zum Randbereich der beleuchteten Fläche in der Ebene
b1. Für die räumliche Gleichmäßigkeit des Lichts am Modulator, also in der Ebene
b1, müßte sich auf diese Weise insofern eine wesentliche Verbesserung ergeben,
als dieses Licht aus dem Ausgleich der N3 Selektierungen der mit Köhlerbeleuch
tung beaufschlagten Ebene b0 resultiert, und zwar für sämtliche der N1 Laseremitter.
Der Durchschnitt der Winkel des Ausgangslichts von den Emittern kann bei dieser
Ausführungsform jedoch etwas verzerrt werden. So enthält beispielsweise bei dem
in Fig. 3 gezeigten System mit drei vergleichmäßigenden sphärischen Linsenanord
nungspaaren pro Emitter (N3 = 3) Licht, das sich in der Beleuchtungsebene b1 in der
Nähe der optischen Achse vereinigt, einen geringen Anteil kleinwinkligen Lichts von
den Emittern und überwiegend großwinkliges Ausgangslicht, aber so gut wie kein
Ausgangslicht mittlerer Winkelgröße. Dagegen setzt sich das Licht, das sich in den
Randbereichen der beleuchteten Fläche der Ebene b1 vereinigt, überwiegend aus
Licht zusammen, das unter einem mittelgroßen Winkel aus den Emittern austritt.
Der Anteil großwinkligen Lichts ist dabei gering, während kleinwinkliges Licht so gut
wie gar nicht vorkommt. Durch Erhöhung der Anzahl der Linsen N3, in jedem der N1
vergleichmäßigenden sphärischen Linsen-Subarrays 32, 33 kann der räumliche
Ausgleich und insbesondere der Winkelausgleich verbessert werden.
Im Vergleich zu der in Fig. 2 abgebildeten bevorzugten Ausführungsform hat das in
Fig. 3 dargestellte System den Vorteil, daß es mit weniger Teilen auskommt und
eine Verkürzung der Systemlänge ermöglicht. Wie bereits erwähnt, kann die Güte
des Winkelausgleichs jedoch in Abhängigkeit von der konstruktiven Ausführung des
Systems schwanken. Da innerhalb des Teilungsabstands des Laserdioden-Arrays
10 Platz für mehrere (N3) Linsen für jeweils zwei vergleichmäßigende sphärische
Linsenanordnungselemente 32, 33 vorhanden sein muß, läßt sich das in Fig. 3
gezeigte System nicht immer verwirklichen. Bei dem Laser OPC-D020 ist beispiels
weise das Verhältnis von Emitterbreite zu Emitterteilung relativ klein (0,23) und die
absolute Größe der Emitterteilung (650 µm) so bemessen, daß mehrere (N3) ver
gleichmäßigende Linsen-Subarrays Platz haben. Außerdem sind die vergleich
mäßigenden sphärischen Linsenanordnungen 32, 33 in unmittelbarer Nachbar
schaft des Laserdioden-Arrays in der hinteren Brennpunktebene der Laserlinsen
anordnung 31 angeordnet. Dieser geringe Abstand kann die konstruktive Auslegung
für die Aufnahme der Quer-Array-Optik komplizieren.
Die Brennweite der Laserlinsenanordnung 31 wird vorzugsweise so festgelegt, daß
die volle numerische Apertur (NA) der Strahlenkegel aller Quellenpunkte an den
Emittern 12 eingefangen wird. Für den Laser OPC-D020 mit NA = 0,13 beträgt
diese Brennweite 1,93 mm. Für ein System, bei dem jedes vergleichmäßigende
Subarray 36 mit N3 = 3 Paaren entsprechender vergleichmäßigender Linsenanord
nungselemente versehen ist, haben alle Linsenelemente 32, 33 eine Breite von 0,17
mm und eine Brennweite von 2,15 mm. Für einen linearen Raumlichtmodulator 40
mit 256 jeweils 60 µm breiten Pixeln in der Ebene b1 gemäß Fig. 3 hat die Bildfeld
linse 34 eine Brennweite von 198 mm. Das Beleuchtungssystem hat dann vom
Laser bis zum Modulator eine Länge von 205 mm.
Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Winkelgleichmäßigkeit des in Fig. 3
dargestellten Systems bietet ein Aufbau, bei dem die Anzahl der vergleichmäßigen
den sphärischen Linsenanordnungselemente N3 in den vergleichmäßigenden
Subarrays 36 sich von Laserdiodenemitter zu Laserdiodenemitter unterscheidet. Am
einfachsten läßt sich dies mit einer Anordnung verwirklichen, bei der die ver
gleichmäßigenden sphärischen Linsenanordnungselementpaare von einem Sub
array zum anderen jeweils unterschiedlich ausgeführt sind, beispielsweise abwech
selnd ungeradzahlig und geradzahlig, wie z. B. nach dem in Fig. 6 gezeigten Muster
3-4-3-4. Ein vergleichmäßigendes Subarraypaar 36 mit einer geraden Anzahl von
Linsenelementen verteilt Ausgangslicht mittlerer Winkelgröße auf die Mitte der
Ebene b1 und klein- und großwinkliges Ausgangslicht auf die Randbereiche der
beleuchteten Fläche in der Ebene b1. Der dadurch bewirkte Ausgleich der Winkel
verteilung des einfallenden Lichts für die vergleichmäßigenden Subarrays mit einer
ungeraden Anzahl von Linsen ergibt auf diese Weise insgesamt eine auch bezüg
lich der Winkelgleichmäßigkeit verbesserte Beleuchtung der Ebene b1. Wenn sich
die einzelnen vergleichmäßigenden Subarrays auf diese Weise unterscheiden,
unterscheiden sich auch die Breite und die Brennweite der Linsen von einem Sub
array zum anderen entsprechend. Infolgedessen schwankt auch die erforderliche
Vergrößerung in der Ebene b1, wobei nur eine Bildfeldlinse 34 mit einer ganz
bestimmten Brennweite für alle Subarrays 36 verwendet wird. Wenn dann die
erzielte Gleichmäßigkeit immer noch nicht ausreicht, können, wie bei der in Fig. 2
dargestellten bevorzugten Ausführungsform, hinter der Beleuchtungsebene b1 in
Fig. 3 oder Fig. 6 weitere Integratorstufen mit Linsenanordnungselementpaaren und
Bildfeldlinsen vorgesehen werden.
Das Laserdioden-Array kann auch, wie in Fig. 7 gezeigt, aus einem Stapel von
Mehrfach-Laserdioden-Arrays bestehen. Der Laser 11 besteht dort aus zwei Laser-
Arrays. In Fig. 7 wird für die senkrecht gestapelten Laser-Arrays in Längsrichtung
des Arrays jeweils dieselbe Beleuchtungsoptik (Laserlinsenanordnung, Bildfeldlin
sen und Fliegenaugen-Vergleichmäßiger) verwendet, während in Querrichtung des
Arrays parallele Linsenelementsätze 21 und 22 zum Einsatz kommen, so daß meh
rere Pixelreihen am Modulator gleichzeitig beleuchtet werden. Um mit weniger Tei
len auszukommen, werden die Linsenelemente in Längsrichtung des Arrays von
den Mehrfach-Laser-Arrays mitbenutzt. Es können aber auch eigene Laserlinsen
anordnungen für die verschiedenen Laserdioden-Arrays 11a und 11b verwendet
werden. Dies hat den Vorteil, daß die Ausrichtung der Mehrfach-Laser-Arrays 11 in
Längsrichtung des Arrays dann weniger kritisch ist. Mehrfach-Laser-Arrays 11
könnten auch in Verbindung mit Mehrfach-Modulator-Arrays 40 verwendet werden,
wobei dann in Längsrichtung statt in Querrichtung des Arrays die Array-Beleuch
tungsoptik doppelt vorhanden sein würde. Das in Fig. 7 dargestellte System könnte
auch dahingehend abgeändert werden, daß Mehrfach-Laserdioden-Arrays nur ein
Modulator-Array beleuchten, indem in Querrichtung des Arrays von einer gemein
samen Optik Gebrauch gemacht wird. Dies hat den Vorteil, daß dadurch am Modu
lator-Array und somit auch an den Medien selbst eine höhere Leistungsdichte
erzielt wird, so daß mit höherer Produktivität oder weniger empfindlichen Medien
gedruckt werden kann. Nachteilig ist dabei die Vergrößerung der numerischen
Apertur (NA) in Querrichtung des Arrays und die dadurch bedingte Verringerung der
Tiefenschärfe am Medium und Vergrößerung der Drucklinse 50.
Es ist vorstellbar, daß der Fortschritt der Technik früher oder später auch Laser
dioden-Arrays mit Monomode-Emittern verfügbar macht, deren Leistung mit der Lei
stung der zur Zeit verwendeten Vorrichtungen mit Multimode-Laserdiodenemittern
vergleichbar ist. Solche Laserdioden-Arrays hätten generell den Vorteil einer
wesentlich größeren Leistungsdichte und Helligkeit. Da Monomode-Emitter Strahlen
mit Gaußschen Profilen erzeugen, wäre für die bei einem Raumlichtmodulator in
einem Laserdrucker zur Anwendung kommende Flutlichtbeleuchtung jedoch nach
wie vor eine räumliche Homogenisierung erforderlich. Die beschriebenen Beleuch
tungssysteme sind für den Einsatz in Verbindung mit einem Monomode-Dioden
laser-Array adaptierbar, sofern die räumliche Kohärenz solcher Strahlungsquellen
keine Einstreuungen in der Beleuchtungsebene verursacht. Durch den Einsatz
weiterer Komponenten, beispielsweise eines lichtdurchlässigen Stufengitters
(Echelon), könnte das von den einzelnen Emittern kommende Licht in räumlich
inkohärente Segmente aufgeteilt werden, die sich problemlos überlappen lassen,
sofern die zeitliche Kohärenz des Lasers so kurz ist, daß das Stufengitter in einer
praktikablen Entfernung wirksam werden kann. Zur Verhinderung von Einstreuun
gen können auch Polarisatoren verwendet werden, sofern der Raumlichtmodulator
gegen Polarisation unempfindlich ist.
Die Erfindung wurde hier ausführlich an Hand bevorzugter Ausführungsformen
beschrieben, läßt jedoch Abwandlungen und Änderungen zu, ohne dabei den
Schutzumfang der Ansprüche zu verlassen. So könnten beispielsweise unter den
richtigen Voraussetzungen auch andere Lichtintegratoren, wie z. B. Lichttunnel, ver
wendet werden. Anstelle des Laserdioden-Arrays können auch andere in Segmente
aufgeteilte Strahlungsquellen, wie z. B. ein LED-Array oder ein Faser-Array verwen
det werden. Das Laserlicht für das Faser-Array kann entweder von Lasern mit
Faseranschlußkabeln oder von Faserlasern kommen. Die getrennte Quer-Array-
Beleuchtungsoptik könnte ebenfalls entfallen und durch ein zweidimensionales
Integrationssystem ersetzt werden. Anzustreben ist generell eine Verringerung der
Restungleichmäßigkeit auf wenige Prozent.
Obwohl die dargestellten Beispiele jeweils nur einen Fliegenaugenintegrator zeigen,
könnten bei einem optischen System dieser Art auch mehrere Fliegenaugeninte
gratoren verwendet werden.
10
Laserdrucker
11
Laserdioden-Array
12
Laserdioden-Emitter
12
a,
12
b,
12
c Emitter
13
optische Achse
20
Beleuchtungsoptik
21
Faserlinse
22
Quer-Array-Linse
23
Fliegenaugenintegrator
24
Laserlinsenanordnung
24
a,
24
b,
24
c Linsenelemente
25
Kombinator-Bildfeldlinse
26,
27
Bildfeldlinsen
28
Bildfeldlinse
29
erste vergleichmäßigende sphärische Linsenanordnung
30
zweite vergleichmäßigende sphärische Linsenanordnung
31
Linsenanordnung
31
a Laserlinsenanordnungselement
32
vergleichmäßigende sphärische Linsenanordnungselemente
32
a,
33
a vergleichmäßigende sphärische Linsenanordnungselemente
32,
33
vergleichmäßigende sphärische Linsenanordnungselemente
34
Bildfeldlinse
35
in Segmente aufgeteilter Fliegenaugenintegrator
36
vergleichmäßigende Subarrays
40
Raumlichtmodulator-Array
41
Modulatorebene
50
Drucklinse
51
Linsenelement
53
Blende
60
Medienebene
Claims (17)
1. Laserdrucker (10) zum Drucken auf ein lichtempfindliches Medium, gekenn
zeichnet durch
- - ein Laser-Array (11), bestehend aus mehreren Laserdioden-Emittern (12), von denen jeder einen Lichtstrahl aussendet;
- - eine Quer-Array Beleuchtungsoptik (21) zum Reduzieren der Divergenz der durch die Vielzahl der Laserdiodenemitter erzeugten Lichtstrahlen;
- - eine Laserlinsenanordnung (24), wobei jedes Linsenelement der Anordnung einen Lichtstrahl von jedem Laserdiodenemitter empfängt;
- - mindestens einen Fliegenaugenintegrator (23) zum Erzeugen raum- und bildfeldwinklig gleichmäßiger Flutlichtbeleuchtung eines aus mehreren Modulatoren bestehenden Modulator-Arrays (40); und
- - eine Drucklinse (50), die das Modulator-Array auf dem lichtempfindlichen Medium abbildet.
2. Laserdrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fliegen
augenintegrator (23) aus einer ersten gleichförmigen sphärischen Linsenanord
nung (29) und einer zweiten gleichförmigen sphärischen Linsenanordnung (30)
besteht.
3. Laserdrucker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem
Fliegenaugenintegrator (23) und der Laserlinsenanordnung (24) eine Bildfeld
linse (25) angeordnet ist.
4. Laserdrucker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem
Fliegenaugenintegrator (23) und dem Modulator-Array (40) eine Bildfeldlinse
angeordnet ist.
5. Laserdrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fliegen
augenintegrator in Segmente aufgeteilt ist, wobei jedes Segment Facetten auf
einer ersten Fläche und Facetten auf einer zweiten Fläche aufweist und jedes
Segment einem Laserdiodenemitter und einer Laserlinsenanordnung entspricht.
6. Laserdrucker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fläche
eine erste Anzahl Facetten und die zweite Fläche eine zweite Anzahl von
Facetten aufweist und die erste und zweite Anzahl gleich groß ist.
7. Laserdrucker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlinsen
anordnung den Fliegenaugenintegrator mit Köhlerbeleuchtung beaufschlagt.
8. Laserdrucker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste
Gruppe von Segmenten eine gerade Zahl von Facetten auf der ersten und
zweiten Fläche und eine zweite Gruppe von Segmenten eine ungerade Zahl
von Facetten auf der ersten und zweiten Fläche aufweisen.
9. Laserdrucker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Seg
mente der Gruppe eins mit den Segmenten der Gruppe zwei abwechseln.
10. Beleuchtungssystem, gekennzeichnet durch
- - ein Laser-Array (11), bestehend aus mehreren Laserdiodenemittern (12), von denen jeder einen Lichtstrahl aussendet;
- - eine Quer-Array Beleuchtungsoptik (21) zum Reduzieren der Divergenz der durch die Vielzahl der Laserdiodenemitter erzeugten Lichtstrahlen;
- - eine Linsenanordnung (24), wobei jedes Linsenelement der Anordnung einen Lichtstrahl von jedem Laserdiodenemitter empfängt;
- - mindestens einen Fliegenaugenintegrator (23) zum Erzeugen raum- und bildfeldwinklig gleichmäßiger Flutlichtbeleuchtung einer Fläche.
11. Laserdrucker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Fläche
ein Modulator-Array angeordnet ist.
12. Laserdrucker (10) zum Drucken auf ein lichtempfindliches Medium, gekenn
zeichnet durch
- - ein LED-Array, bestehend aus mehreren LED-Emittern von denen jeder einen Lichtstrahl aussendet;
- - eine Linsenanordnung (24), wobei jedes Linsenelement der Anordnung einen Lichtstrahl von jedem LED-Emitter empfängt;
- - mindestens einen Fliegenaugenintegrator (23) zum Erzeugen raum- und bildfeldwinklig gleichmäßiger Flutlichtbeleuchtung eines Modulator-Arrays, das aus mehreren Modulatoren besteht; und
- - eine Drucklinse (50), die das Modulator-Array auf dem lichtempfindlichen Medium abbildet.
13. Laserdrucker zum Drucken auf ein lichtempfindliches Medium, gekennzeichnet
durch:
- - ein Laser-Array, bestehend aus mehreren Laserdiodenemittern, von denen jeder einen Lichtstrahl aussendet;
- - eine Laserlinsenanordnung, wobei jedes Linsenelement der Anordnung einen Lichtstrahl von jedem Laserdiodenemitter empfängt;
- - einen Fliegenaugenintegrator (23) zum Erzeugen raum- und bildfeldwinklig gleichmäßiger Flutlichtbeleuchtung eines Modulator-Arrays, das aus mehre ren Modulatoren besteht; und
- - eine Drucklinse (50), die das Modulator-Array auf dem lichtempfindlichen Medium abbildet.
14. Laserdrucker zum Drucken auf ein lichtempfindliches Medium, gekennzeichnet
durch
- - ein Laser-Array, bestehend aus mehreren Laserdiodenemittern, von denen jeder einen Lichtstrahl aussendet;
- - eine Quer-Array Beleuchtungsoptik zum Reduzieren der Divergenz der durch die Vielzahl der Laserdiodenemitter erzeugten Lichtstrahlen;
- - eine Laserlinsenanordnung, wobei jedes Linsenelement der Anordnung einen Lichtstrahl von jedem Laserdiodenemitter empfängt;
- - einen Fliegenaugenintegrator (23) zum Erzeugen raum- und bildfeldwinklig gleichmäßiger Flutlichtbeleuchtung eines Modulator-Arrays, das aus mehre ren Modulatoren besteht, wobei der Fliegenaugenintegrator in Segmente aufgeteilt ist und jedes Segment Facetten auf einer ersten Fläche und Facetten auf einer zweiten Fläche aufweist; und
- - eine Drucklinse (50), die das Modulator-Array auf dem lichtempfindlichen Medium abbildet.
15. Laserdrucker nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem
Fliegenaugenintegrator und dem Modulator-Array eine Bildfeldlinse angeordnet
ist.
16. Laserdrucker (10) zum Drucken auf ein lichtempfindliches Medium, gekenn
zeichnet durch
- - eine Vielzahl von Laserdioden-Arrays, bestehend aus mehreren Laser diodenemittern, von denen jeder einen Lichtstrahl aussendet;
- - eine Quer-Array Beleuchtungsoptik zum Reduzieren der Divergenz der durch die Vielzahl der Laserdiodenemitter erzeugten Lichtstrahlen;
- - eine Linsenanordnung, wobei jedes Linsenelement der Anordnung einen Lichtstrahl von jedem Laserdiodenemitter empfängt;
- - einen Fliegenaugenintegrator (23) zum Erzeugen raum- und bildfeldwinklig gleichmäßiger Flutlichtbeleuchtung von mindestens einem Modulator-Array, das aus mehreren Modulatoren besteht; und
- - eine Drucklinse (50), die das Modulator-Array auf dem lichtempfindlichen Medium abbildet.
17. Laserdrucker (10) zum Drucken auf ein lichtempfindliches Medium, gekenn
zeichnet durch
- - einen ersten Laserdioden-Array, bestehend aus mehreren Laserdioden emittern, von denen jeder einen Lichtstrahl aussendet;
- - einen zweiten Laserdioden-Array, bestehend aus mehreren Laserdioden emittern, von denen jeder einen Lichtstrahl aussendet;
- - eine Quer-Array Beleuchtungsoptik zum Reduzieren der Divergenz der durch die Vielzahl der Laserdiodenemitter erzeugten Lichtstrahlen;
- - eine Laserlinsenanordnung (24), wobei jedes Linsenelement der Anordnung einen Lichtstrahl von einem Laserdiodenemitter im ersten Laserdioden-Array und einem Laserdiodenemitter im zweiten Laserdioden-Array empfängt
- - einen Fliegenaugenintegrator (23) zum Erzeugen raum- und bildfeldgleich mäßiger Flutlichtbeleuchtung eines ersten und zweiten Modulator-Arrays, von denen jedes aus mehreren Modulatoren besteht, wobei das erste Modulator- Array hauptsächlich vom ersten Laserdioden-Array und das zweite Modula tor-Array hauptsächlich vom zweiten Laserdioden-Array beleuchtet wird; und
- - eine Drucklinse, die das Modulator-Array auf dem lichtempfindlichen Medium abbildet.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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