用于曝光印刷版的小型多束激光光源和隔行光栅扫描线法的制作方法

专利名称：用于曝光印刷版的小型多束激光光源和隔行光栅扫描线法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用一排n个激光二极管使印刷版成像的装置。
现在，可以通过激光辐射曝光而使印刷版成像的装置和方法已经公知，其中无论印刷版是平面或曲面。这种类型的装置和方法尤其适用于所谓的CtP系统，即计算机—印刷版系统中，或者直接成像印刷装置或印刷机中，以用于制造胶印印刷版。
目前，印刷版主要通过激光二极管系统成像。它们固有的系统属性阻碍它们达到光束质量的物理极限。尤其是，它们的低光束质量限制了它们的聚焦深度，所以在高分辨率时需要自动聚焦系统。现在有两种不同的方案用于多光束成像，即，在不同的介质比如在印刷版、胶片、数据载体等上同时曝光一组像点(image point)。一方面，从单个激光二极管或一排激光二极管发出的辐射可以经光学元件比如透镜、反射镜或光纤直接作用在成像介质上。另一方面，从通常是激光二极管条的激光光源发出的辐射可以经各种光学元件投射在一排n个调制器上。这些调制器大部分是电光或声光调制器。通过有选择地驱动这n个调制器，人们可从整个辐射中选择单个光束并调整它们的功率。所选的、调整功率的光束经其他的光学元件供给成像介质。
欧洲专利申请EP0878773A2描述了一种用于使一排光源，尤其是一排可单独访问的激光二极管，在扫描表面上成像的光学系统。这些是宽排激光二极管，它们的发射极宽度基本上大于它们的发射极高度。发射区域一般约1微米高、60微米宽。该光学系统包括不失真的成像透镜系统和圆柱透镜，其中圆柱透镜位于所述激光二极管排和成像透镜系统之间，并使激光辐射在扫描表面上成像。这一表面通常不位于激光束的焦点上，所以导致成像发射表面的较短尺寸变宽。
美国专利US5521748描述了一种利用单个激光器或一排二极管和光调制器曝光图像数据的系统。由该激光器或该排激光二极管所发射的光在调制器上成像，调制器具有一排反射或透射类型的光调制元件。一旦进行选择和功率调整，那么辐射就在具有光敏材料的表面上成像，形成单个的像点。为了将这种像点布置在整个二维表面上，需要像点相对于光敏材料相对移动。在由单个像点的产生和相对运动所导致的相互作用中，所需的图像数据在二维表面上曝光。从光调制器发出的光束和光敏材料之间的相对运动可以在圆柱形结构上实现，使得线沿滚筒的对称轴线呈蜿蜒形状曝光，或者使线沿螺旋形式绕滚筒延伸。
美国专利US5691759描述了一种多束激光光源，它利用所谓的隔行光栅扫描线法在介质上产生光栅扫描线。隔行光栅扫描线法具有下述特性。激光光源发出辐射，从该辐射中通过采用适当的成像光学器件和调制，利用调制的功率产生n个像点。这n个像点成排排列，相邻两个像点之间的距离是(n＋1)p，p是位点(dot)之间的距离。在介质和像点之间设置用于沿两方向横跨介质的表面相对运动的装置。一旦n个像点成像，那么介质相对于像点随垂直于像点轴线所确定的方向的平移分量移动，使得n个像点可以在介质的其他位置再次曝光。这样，形成所谓的像点的扫描线，最初距离为(n＋1)p，是由激光辐射产生，激光辐射的功率根据图像信息进行调制。当完成具有在垂直方向上的平移分量的扫描后，随后进行平行于这n个像点的轴线所确定的方向、距离为(n×p)的移动。然后这n个像点再次随垂直于由表面上的像素轴线所确定的方向的平移分量移动，形成更多的扫描线。因此，每一光栅扫描线与其紧邻的扫描线间隔位点之间的间距p。利用激光光源发出的一组光束，产生扫描线的交错(隔行光栅扫描线法)。
在欧洲专利申请EP0947950A2中描述了一种用于多束激光光源的改进的隔行光栅扫描线法。在位点的间距为p的n个像点的情况下，相邻像点间隔距离(q×n＋1)p，q是自然数，介质必须在两扫描线的打印之间以增加距离n×p移动。因此实现扫描线的交错(隔行扫描)，换句话说，新的扫描线在旧的扫描线之间写入。通过正确地选取平行于像点所确定的轴线的位移为距离n×p，那么可以形成图像，而没有一个图像信息被扫描的位置被激光的一个像点重复曝光。所述方法的特征是在所有情况下，激光二极管的相邻像点间隔比位移宽度更大，介质在新旧扫描线之间移动所述的位移宽度。
每一种已知装置都具有不同的缺陷。由宽排激光二极管、激光二极管条和激光二极管栈发出的辐射具有较低的光束质量，其中光束质量通过衍射指数M2来量化。即使采取校正，可获得的聚焦深度仅适于以较低的分辨率成像，一般是1270dpi。因此，为了产生非常小的位点，例如约2540dpi的分辨率，需要自动聚焦系统，而这需要复杂的机电设计。如果分开提供光源和调制器，那么需要增加光学、电子和机械部件，以及足够的整体空间。许多部件需要调节，且使用寿命明显限制。部件的温度调节也是有问题的。当印刷版成像的装置由分立元件组装时仅受限的、最小的实际尺寸是可能的。所述的隔行光栅扫描线法不适于小型激光光源，因为相邻像点之间的距离必须总是大于光束数目的一个单位p，所以人们必须求助于密集设定像点的扫描方法。
本发明的目的是提供一种利用一排n个激光二极管使印刷版成像的装置，其中激光二极管发出的光具有良好的光束质量，且该装置可以形成紧凑的设计。本发明的另一个目的是提供一种改进的隔行光栅扫描线法。
这些目的是根据本发明通过具有权利要求1所述特征的装置和具有权利要求17所述特征的成像方法而实现的。
根据本发明，该印刷版成像的装置包括一排n个单条纹激光二极管(single stripe laser diode)。每一单条纹激光二极管可以单独驱动。这n束激光最好利用光传输部件比如透镜、反射镜、光纤等在介质上成像。在成像光学器件的帮助下产生的n个像点有益地位于直线上，且相邻点之间的空间间隔为l。然而，通常仅需要投射在印刷版表面的预定线上的这n个像点具有恒定的空间间隔l。相对运动在介质和像点之间在两方向上发生，横跨介质的表面。除该运动之外，为了使像点随垂直于由n个像点的线或预定的线所确定方向的平移分量移动，投射的n个像点在其上具有恒定的空间间隔l，那么沿平行于由n个像点的线或预定的线所确定的方向发生移动，投射的n个像点在其上具有恒定的空间间隔l。这种移动的位移量有益地大于或等于n个像点之间的空间间隔l。从而产生光栅扫描线，其中位点之间的间距为p，位点之间的间距p小于像点之间的空间间隔l。
一个优选的特定实施例提出该排激光二极管的电源可以调节。适当的检测器元件有益地检查单条纹激光二极管的正确运行，且视情况可以检查潜在的故障，或者在激光二极管的脱离侧(outcoupling side)，或者在另一空腔反射镜(cavity mirror)处。在本文中，检测器元件可以是可扫描单个单条纹激光二极管的检测器排、以及单个检测器。
人们从利用一排n个可以单独驱动的单条纹激光二极管中和将相应的隔行光栅扫描线法用于印刷版成像中得到许多利益。采用单条纹激光二极管可以获得优良的光束质量。通常，衍射指数M2的值稍高于1。在紧凑设计中，可以实现高度集成辐射源、调制器和控制器可以组合成一个部件。结果是光学部件更少，因此更少需要对敏感部件调节。部件的使用寿命主要由激光器的使用寿命限制。紧凑、模块化的设计使系统可以升级。通过快速控制器确保了较高的性能稳定性。高度集成使温度调节更简单，因为仅需要冷却这一个部件。由于衍射指数M2低，当聚焦时可获得最大可能的聚焦深度。
本发明的其他优点和有益的特定实施例在附图以及对它们的描述的基础上给出。


图1是通过一排有n束激光的激光二极管使印刷版成像的过程中典型几何结构的示意图；图2是通过一排n束激光使印刷版在滚筒上成像的示意图；图3是以隔行光栅扫描线法形成含有一排五个像点的图像的示例。
图1示出了一种用于投射从一排n个激光二极管发出的n束激光光束的典型几何结构。光源10由一排可单独驱动的n个单条纹激光二极管12组成。通常这种光源具有多达100个单条纹激光二极管，有益的是在10和60之间。单条纹激光二极管具有通常为1×5平方微米大小的发射极表面，且发射的有益光束质量的激光辐射具有较低的衍射指数M2。单个激光二极管在一排中通常间隔100至1000微米的距离。成像光学器件16用于将n束激光束投射在印刷版18的n个像点110上。印刷版18有益地位于激光束14的焦点处。尤其有益的是，成像光学器件16不仅调节激光束的直径比例(垂直和平行于n个像点所确定的轴线)，而且它还校正像点互相分开的距离。换句话说，n个像点110的点大小，以及它们相互之间的相对位置和它们的空间间隔都是可以调节的。总之，单个激光二极管间隔恒定的距离；然而，对于有益的成像来说最低需求仅是n个像点110的空间间隔l恒定。n个像点110之间的空间间隔l大于位点之间的间距p。
光源10可连续运行。为产生单个的光包(light packet)，因此激光发射按照特定的时间间隔进行抑制。然而，一个具体的实施例还提出使用发射脉冲辐射的光源10。当以脉冲辐射方式工作时，光脉冲的重复频率必须至少与用于产生单个位点的脉冲频率一样大，或者换句话说等于或大于用于产生单个位点的脉冲频率，使得至少一个激光脉冲可用于一个位点。成像光学器件16可具有反射、透射、折射或类似的光学元件。这些最好是微光学元件。成像光学器件16可以放大以及缩小，且在平行或垂直于激光活性区域的两方向上具有不同的成像比例。这对于校正发散和像差特别有益。印刷版18表面的物理或化学性能通过激光辐射进行调整。适于使用可以擦除或重写的印刷版。
在一个优选的特定实施例中，光源10位于冷却元件112上。光源10经电流供应和控制线114连接于控制单元116。控制单元116具有独立的部件，这些部件能够分别驱动或调节这一排中的单个激光二极管。冷却元件112经控制冷却元件的线路118连接于温度控制器120。
设置检测器122，以测试正确运行且确定单个激光二极管12的功率输出。检测器可以这样设计，即为每一激光二极管提供一个独立的测量装置，或者测量装置在更换或需要的时候检查单个激光二极管。检测器122最好经线路124连接于控制单元116，从而其中作为在激光控制单元116中产生控制信号的参数对功率输出进行调节。
根据本发明的这种装置可以作为印刷装置或印刷机中的内部装置，或者位于外部。
图2示出了印刷版的成像过程，其中印刷版位于可转动的滚筒上。光源20产生n束激光22，利用成像光学器件24投射到n个像点210上。这n个像点均匀间隔开且位于同一轴线上。印刷版28位于滚筒26上，滚筒26可以绕其对称轴线25转动。这种转动由箭头B表示。光源20可平行于滚筒的对称轴线25在双箭头A所示的线性路径上移动。为连续成像，滚筒26沿着转动运动方向B与印刷版28一起转动，而光源根据移动方向A沿滚筒平移。进给速度是由激光束22的数目和位点的宽度p决定的。结果是环绕滚筒26的对称轴线25在螺旋路径上成像。像点210的路径由线212表示。换句话说，一旦n个点成像完毕，印刷版28和像点210的相对移动随垂直于n个像点的线所确定方向的矢量分量移动第一特定量，从而使n个点在印刷版28的其他位置再次曝光。这样，形成了所谓的像点的光栅扫描线。对于相邻光栅扫描线的每一特定间隔和像点的数目n来说，得出需要平行于n个像点的线所确定的轴线移动的第二特定量，从而利用隔行光栅扫描线法可以连续成像，即印刷版28上的每一光栅点成像。
在另一示例性实施例中，像点210也可在印刷版28上蜿蜒移动，因为完整的成像最初沿平行于滚筒26的对称轴线25的一条线进行，随后绕滚筒26的对称轴线25逐步转动。
显然，仅仅是像点210和印刷版28之间的相对移动问题。这种相对移动也可通过压印滚筒26的移动而完成。对于平移A和转动B两个移动方向来说，移动可以连续或逐步进行。
在另一特定实施例中，具有光源20、成像光学器件24等的印刷版成像装置还可位于压印滚筒26内部，从而获得节约空间的结构。
在附图基础上详细描述隔行光栅扫描线法之前，需要在这方面进行概括地解释。正如所述，为使印刷版成像，像点在印刷版表面上移动，最初沿垂直于像点的线所确定方向的分量，以便形成所谓的光栅扫描线。位点的连接线理解为在由位点方向所确定的方向上继续移动而形成的线。换句话说，位点位于同一水平上且属于不同的彼此依次扫描的扫描线。
由单独的n个激光二极管所产生的n个像点之间的距离选为恒定；两个相邻的像点之间的长度l最好是位点间距p的整数m倍，换句话说l＝m×p。如果人们选择适当的移动，连续地刻记(inscription)总是可能的，即，每一光栅点至少曝光于激光的像点一次，在距离l＝m×p上有n个同时扫描的像点，m是自然数，p是位点之间的距离。移动的宽度最好等于像点的数目。
在本文中也可能发生一个点被记录多次。当像点的数目n和它们的空间间隔l以位点的间距p为单位测量而没有公约数时，连续的刻记，换句话说每一位点刚好曝光一次，是尤其可能的。另一种表达就是n和m是互质数。这就是例如当m和n是不同质数时的情况。同时，由n个像点确定的线所给出的方向规定的位移应选为n。在此过程中，扫描线的开头和末尾产生的边界区域的尺寸r＝n×m－(n＋m－1)。
因为每一激光二极管可以分别驱动，所以每一位点可以单独形成。用于刻记光栅点的特定激光束的性能是根据给定的图像数据信息所规定的。这能使在单独的基础上获得不同位点的光密度。
图3示出了在五个像点的示例基础上用于刻记印刷版的隔行光栅扫描线法，这五个像点利用五个单独的激光二极管同时辐射而同时形成。在该图中，位点以简化的形式示为小方框形。正如所述，每一位点必须曝光于激光的像点一次，从而根据给定的图像数据曝光，或者保留而不改变。在该示例中，扫描的连续线是由并列的且没有间隙的成排的点组成。它们的间距用p表示。在图3中，一组同时曝光的位点30包括五个具有均匀的空间间隔l的像点。在第一次成像步骤32中，五个单位点以空间间隔l＝3p曝光。然后该组同时曝光的点30偏移五个单位点，因此在该示例中，五个点沿点的轴线所确定的方向同时写入；在该示例中，方向朝右。在第二次成像步骤34中，再次设定五个像点。随后沿位点的轴线所确定的方向反复地重新偏移五个单位点；在该示例中，方向朝右。在随后的成像步骤36中，五个点再次设定一次。通过这种顺序，显然印刷版可以没有间隙地刻记每一个由小方框形表示的位点曝光于激光的像点一次。在随着偏移五个单位点的步骤的每一更新的成像步骤中，其中以p为单位测量且朝右，在已经曝光的和仍然没有曝光的位点上总是产生同样的图案，这在38中很明显。换句话说，在其右端，曝光的像点形成的线仍然有一定的没曝光的光栅点形成的间隙。在这一点上，如果在右端继续进行五个光栅点的成像，那么将获得同样顺序的仍然没曝光的和已经曝光的光栅点。同时，由完全刻记的位点组成的这一部分线变得越来越长。在38中同样明显的是边界区域的尺寸r，在这种情况下以位点的间距p为单位测量为8个位点。
即使在成排的单个单条纹激光二极管出现故障的情况下，所述的隔行光栅扫描线法也可用于扫描。特别是当激光束的n个像点的数目和以p为单位测量的相邻两像点之间的空间间隔l是互质数时，成像速度最大。换句话说，可以指定增量，从而每一扫描的点仅曝光于激光束的像点一次。
在该组同时扫描的像点30中一或多个单条纹激光二极管不能正确工作的情况下，仍然可以用隔行光栅扫描线法进行刻记。在这种情况下，总是所述组中具有等距、相邻的像点的最大部分用于刻记。为了实现连续刻记，很明显必须减小增量。根据有关自然数的性质而建立起的上述规则，这样做是有利的。
隔行光栅扫描线法可用于相邻像点之间的距离l和它们的数目n之间每一组合的印刷版成像。然而，为了连续地刻记印刷版，人们必须选择适当的参数。如果一个像点漏失，那么可以减小速度成像。
所述的隔行光栅扫描线法需要多束激光束来刻计印刷版。这些激光束也可通过不同于所采用的激光二极管的激光光源产生。为了调节单个光源之间的投射距离，一种有益的改进是相对垂直于n束激光的平面使印刷版倾斜一不为零的角度。
本发明的另一有益的改进是提供n1×n2个像点的二维阵列。当根据所述的采用距离为11的n1个像点的一维隔行光栅扫描线法推断可知，从一维至二维，在两个互相垂直的方向上相邻点之间的空间间隔11和12必须恒定，从而可以以距离12平行地形成n2个线。然后根据为隔行光栅扫描线法建立的规则，同样在垂直方向上进行偏移，以便密集地设置位点。
参考标记列表10 光源，可单独驱动的激光二极管排12 单条纹激光二极管14 光束16 成像光学器件18 印刷版110 像点112 冷却元件114 电流供应和控制线116 控制单元118 温度控制线120 温度控制器122 测试运行和测量功率的检测器124 至控制单元的线路20 光源22 激光束
24 成像光学器件25 对称轴线26 滚筒28 印刷版210 像点212 像点路径A平移B转动30 一组同时扫描的位点32 第一次成像34 第二次成像36 第三次成像38 反复成像l像点的空间间隔p位点间距n像点数目r边界区域
权利要求
1.一种印刷版成像的装置，它利用一排(10)n个激光二极管在n个像点(110)上成像，使一个激光二极管(12)分配给{1，…，n}中的每一第i个像点，这n个像点(110)通过相邻像点的空间间隔1隔开，所提供的位点的间距为p，其特征在于，激光二极管(12)是可单独驱动的单条纹激光二极管。
2.根据权利要求1所述的印刷版成像装置，其特征在于，以位点的间距p为单位测量，相邻像点之间的空间间隔l是位点之间的间距p的整数m倍。
3.根据前述任一权利要求所述的印刷版成像装置，其特征在于，整数倍数m与像点的数目n为互质数。
4.根据前述任一权利要求所述的印刷版成像装置，其特征在于，以位点的间距p为单位测量，相邻像点之间的空间间隔1小于它们的数目n。
5.根据前述任一权利要求所述的印刷版成像装置，其特征在于，倍数m和像点的数目n是质数。
6.根据前述任一权利要求所述的印刷版成像装置，其特征在于，该装置包括用于校正发散和/或像差的成像光学器件(16，24)。
7.根据前述任一权利要求所述的印刷版成像装置，其特征在于，该排(10)的激光二极管(12)中的至少一个通过控制单元(116)调节。
8.根据前述任一权利要求所述的印刷版成像装置，其特征在于，该排(10)中的激光二极管(12)的数目在10和100之间。
9.根据前述任一权利要求所述的印刷版成像装置，其特征在于，在该排中激光二极管间隔100至1000微米的距离，且发射极表面的宽度小于10微米，通常5微米。
10.根据前述任一权利要求所述的印刷版成像装置，其特征在于，设置至少一个检测器(122)，以便测试正确运行，并确定一个或多个激光二极管的功率输出。
11.根据权利要求10所述的印刷版成像装置，其特征在于，由检测器(122)确定的激光二极管(12)的功率输出被处理，以便在激光控制单元(116)中产生控制信号。
12.根据前述任一权利要求所述的印刷版成像装置，其特征在于，至少一个激光二极管(12)以脉冲控制运行方式发射辐射。
13.根据权利要求11所述的印刷版成像装置，其特征在于，光脉冲的重复频率等于或大于脉冲频率，以便移动单个的位点。
14.根据前述任一权利要求所述的印刷版成像装置，其特征在于，该装置包括成像光学器件(16，24)，成像光学器件包括至少一个反射光学元件。
15.根据前述任一权利要求所述的印刷版成像装置，其特征在于，该装置包括具有微光学元件的成像光学器件(16，24)。
16.根据前述任一权利要求所述的印刷版成像装置，其特征在于，印刷版(18)是可擦除或可重写的。
17.一种方法，即，一种所谓的隔行光栅扫描线法，该方法用于通过利用一排n个激光光源产生光栅点使印刷版成像，其中激光光源利用成像光学器件在n个像点上成像，n个像点成直线排列，n个像点以相邻点的空间间隔1分隔开，该方法包含步骤通过多个激光光源在印刷版上同时产生n个像点；在像点和印刷版之间产生相对运动；沿垂直于像点的线所确定轴线的平移分量使像点移动第一特定量；沿n个像点所确定的方向移动n个像点第二特定量；反复进行所述的移动；其特征在于，第二特定位移的量大于相邻像点的空间间隔l。
18.根据权利要求17所述的隔行光栅扫描线法，其特征在于，以位点的间距p为单位测量，沿n个像点所确定的方向的位移等于像点的数目n。
19.根据权利要求18所述的印刷版成像装置，其特征在于，像点的空间间隔是激光二极管的位点间距p的整数倍。
20.根据权利要求16至19任一所述的隔行光栅扫描线法，其特征在于，以位点间距p为单位测量，像点的空间间隔l和激光二极管的数目n是互质数。
21.根据权利要求20所述的隔行光栅扫描线法，其特征在于，以位点的间距p为单位测量，像点的空间间隔1和激光二极管的数目是质数。
22.印刷装置，其特征在于，该印刷装置具有至少一个根据权利要求1至15所述的印刷版成像装置。
23.印刷机，其特征在于，该印刷机具有至少一个根据权利要求22所述的印刷装置。
全文摘要
本发明提出一排可单独驱动的单条纹激光二极管用于印刷版成像。成像光学器件用于产生n个像点,这n个像点的相邻点之间的空间间隔为l。本发明提出一种隔行光栅扫描线法,在给出适当的增量选择时该方法能使每一点正好曝光一次。
文档编号H04N1/06GK1330291SQ0111578
公开日2002年1月9日 申请日期2001年6月28日 优先权日2000年6月30日
发明者贝尔纳德·拜尔, 乌韦·恩斯特, 贝恩德·福塞勒 申请人:海德堡印刷机械股份公司