CN1356574A - 成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于激光器的一种透镜系统,用于利用至少一个球面透镜,图形显示一个印刷版面。球面透镜可以位于激光器和印刷版面之间,以便能对激光器发射出的激光进行集束。至少有一个非球面透镜位于球面透镜和印刷版面之间,用于将激光聚焦或会聚到一个所需点上。同时还提供了用于图形显示印刷版面的一种方法。用于对具有预定宽度和高度的区域单元进行曝光的激光器是连续工作的。激光器所产生的激光由透镜系统聚焦,因此产生了具有某种宽度的一个条带(L),所述宽度大约与需要曝光的区域单元的宽度相应。条带具有比需要曝光的区域高度小的高度(H)。所产生的激光条带(L)位于需要曝光的区域单元之上,这样,就可用条带对区域单元的整体高度进行扫描。

Description

成像设备

发明领域

本发明在总体上涉及一种用于图形显示印刷版面的成像设备，所述印刷版面例如可以是安装在印刷鼓上的一个印刷板，它例如可被用于卷筒式给纸转轮式印刷或报纸印刷。本发明尤其涉及成像光学系统，特别是透镜系统，用于边沿或区域发射激光器，特别是边沿或区域发射的半导体激光二极管，本发明还涉及一种用于图形显示印刷版面的方法。

背景技术

我们已经了解用于图形显示印刷板的激光的使用，可以使用各种方法，利用激光束图形显示出一个印刷板。在所谓的内部鼓曝光设备的情况下，借助于众多高速旋转的反光镜，可使激光束在被放置在鼓上的将要曝光的板上移动。这样做的一个结果，产生了一条图像扫描线，且旋转的反光镜沿其旋转轴连续移动，以便能借助于激光而连续地图形显示整个板面。该激光被调制为图像数据的函数，这样，可将全部图像生成在该印刷板上。此外，我们还知道，以下这种情况也可以实现图形显示操作，其中印刷版面被固定在滚筒的外侧，或是滚筒表面自身就是一个印刷版面，这就是所谓的外部鼓原理。这种外部鼓原理是在印刷机内图形显示印刷版面期间使用的。如果使用了单独一个激光，则印刷版面将必须以高速旋转，以便能在允许时间内实现完整的图形显示，且激光束必须与旋转轴平行移动，以便图形显示整个印刷版面。但是，由于高速的存在，这种方法在技术上是极端复杂的。为了能降低印刷板滚筒的旋转速度，使用了多个激光源，这些激光源被排列为一个激光阵列，以便能按照以下方法产生若干图像柱：在印刷版面的滚筒的每次旋转期间利用一条激光，该激光阵列沿着该印刷版面移动，以便能图形显示整个印刷版面。

例如，将若干激光二极管用做一个激光阵列，由这些激光二极管发射出的每一条光都被耦合至一条光纤，这条光存在于与印刷板相对的光纤的末端，作为具有例如是16°的张角的一个光锥，并通过透镜聚焦到印刷版面上。此外，我们已经知晓边沿发射的激光二极管，在这种方式中，激光以窄条的形式存在，一个窄条可以具有例如是从60μm到200μm的宽度，其高度小于1μm。通常，激光在垂直方向上，诸如是以35°到40°的较大的辐射角发射，而在水平方向上，诸如是以8°到10°的较小的角度发射。有必要利用合适的成像光学系统，将激光聚焦到需要图形显示的印刷版面上，以便实现由激光所产生的最高可能品质的图像。

发明概述

本发明的一个目的是提供一种成像光学系统、用于利用激光，特别是半导体激光，来图形显示印刷版面的系统和方法，它能产生可满足诸如像报纸印刷中的品质和成本需求的图像。

依据本发明，用于图形显示印刷版面的一种激光透镜系统至少具有一个球面透镜，该球面透镜可放置于激光器与印刷版面之间，以便能对激光器发射出的激光进行集束。可将至少一个球面透镜放置于球面透镜和印刷版面之间，用于将该激光聚焦或会聚为一个所需的点。

依据本发明的另一个方面，提供了一种图形显示印刷版面的方法。对具有预定宽度和高度的一个区域单元进行曝光的激光器是连续工作的。由激光器所产生的激光由透镜系统进行聚焦，这样，产生了一个条带(L)，它具有与所需曝光的区域单元的宽度相对应的一个宽度。该条带具有小于所需曝光的区域单元的高度的一个高度(H)。所产生的激光条带(L)被引导到需要曝光的区域单元上面，这样，需要曝光的区域单元的整个高度就由该条带(L)扫描。

依据本发明的透镜系统，最好至少具有一个球面透镜，上述透镜系统可作为用于激光器，特别是用于图形显示一个印刷版面的边沿发射半导体激光器二极管，所述印刷版面例如可以是印刷鼓上的一块印刷板。可将上述透镜系统放置于激光源和需要图形显示的印刷版面之间，用于对一个或多个激光器发射出的激光进行集束。并不是绝对需要对激光进行聚焦。能减小激光的辐射角就足够了。此外，透镜系统至少具有一个非球面透镜，它最好位于球面透镜和需要曝光的印刷版面之间，以便对由至少一个球面透镜所聚焦的激光进行会聚，并且，最好执行一个球面像差的校正，最好对该透镜系统进行定向，使得在需要曝光的印刷版面上能得到尽可能小的辐射角，从而获取大的场深(depth of field)。通过将最好是由边沿或区域发射激光器所发射的光聚焦到印刷版面上的球面以及非球面透镜相组合，可以实现高品质的图形显示，这是因为，通常被磨光的球面透镜具有良好的表面光洁度，它可将激光器发射的光聚焦为某个辐射角度，而不会由于表面不光洁而产生成像误差。这种成像误差直接位于激光器的发射区域之后，这将会导致在印刷版面上产生较大的错误。位于激光光束方向的球面透镜之后的至少一个非球面透镜通常是用模压方式制成的，而不是象球面透镜那样是磨光的，这样就所需的曲率来说，所制造的非球面透镜比球面透镜具有更高的精度，但它具有较低的表面光洁度。因此，可以利用至少一个非球面透镜，从而，因为可以用非常高的精度制造出非球面透镜的曲率，而得到对经由球面透镜进行集束的激光的良好聚焦，同时，由于只有位于透镜系统的物镜平面内的激光器的辐射区域能清晰成像，因此至少一个非球面透镜上的误差以及错误几乎没有对成像施加任何显著影响，且象划伤这种表面错误通常都具有极低的功率，这样很难引起质量上的显著的恶化。因此，由于用于对激光进行集束的至少一个球面透镜的良好的表面光洁度，因此它可以对激光器发射出的激光执行精确集束，实际上，作为误差，只存在球面像差。由于可以精确制作出所需的曲率，因此，后续的非球面透镜可产生对激光的最准确的聚焦可能，并且，对第一透镜的球面像差进行校正。后续非球面透镜的表面误差不会象在物镜附近安装一个透镜的情况那样导致图像品质的显著降低。这样，由于依据本发明，将球面和非球面透镜进行组合，就可以实现将激光器发射出的激光精确聚焦到一个印刷版面上，以便用于图形显示，上述激光器例如可以是边沿或区域发射激光器。

在用塑料制造透镜的情况下，也可依据注模方法来制造球面同时还有非球面透镜。如此制造的非球面透镜具有所需的曲率，这在依据研磨方法所制造的求面透镜的情况下是不可能的。

但是，例如在至少一个非球面透镜可以确保图形显示具有足够的品质的情况下，也可以完全不使用球面透镜，这是因为例如：来自激光器的激光已经以具有足够集束程度的小辐射角存在。

因此，可以取消将激光器所发射的光定向到印刷版面上的光纤系统。

依据本发明，术语球面透镜被定义为具有这样一种表面的一个或多个光学器件，这种表面在其横截面上，至少有一个区域具有大约恒定的曲率半径，这种光学器件例如可以是两面凸的透镜或一面平一面凸的透镜，其中，球面透镜例如可以是具有球形表面的圆形会聚透镜，或是具有诸如是整个圆柱的一半形状的柱面透镜，这样，激光进入到诸如是半柱面的切割面上，并以聚焦形式存在，穿过半柱面的外表面。

依据本发明，非球面透镜可以包括一个或多个光学器件，这些器件具有一个或多个基本上是非球形的即没有恒定的曲率半径的曲面区域。

最好将所述至少一个球面透镜设计为一个柱面透镜，这样，例如是由边沿发射激光器发射的激光，可在发射激光区域的整个长度上被聚焦；其中上述边沿发射激光器在与辐射方向呈直角，并与激光器的发射区域呈直角的方向(以下称为垂直方向)上，通常以例如是35°到40°的较大的辐射角发射激光；基本上在水平方向上，即与发射区域平行的方向上，没有对激光的调焦，这是因为边沿发射的激光器的辐射角在水平方向上比较小，即，例如只有8°到10℃，这样也可在离发射区域更远的距离处，执行集束或调焦。

在透镜系统中，非常方便地使用了一种光学器件，作为激光进入光学器件的第一透镜或透镜系统，它位于所述光学器件的一侧，而作为激光从中穿过而从光学器件输出的第二透镜或透镜系统，则位于光学器件的相反侧。第一以及/或第二透镜或透镜系统可以是一个球面或非球面透镜，这样，例如是这样创建一个主体的：在一侧有一个球面透镜，在另一侧有一个非球面透镜，或者是：在两侧都有球面或非球面透镜。可将若干透镜彼此贴近地安装，可对这些透镜进行设计，使得主体一侧的透镜能在第一或垂直方向上引起聚焦，而在主体另一侧的透镜能在第二或水平方向上引起聚焦，这里，第一和第二方向彼此之间也可以具有0°到90°的角度。但实际上，也可采用对这些透镜或是采用具有分立的光学器件的光学系统的组合，即，不必将这些透镜或透镜系统组装为一个主体。在这种情况下，使透镜彼此一致是非常有优势的，这样，水平方向上的成像面近似地或准确地与垂直方向内的成像面一致，即，用于水平或垂直成像的成像通路是一样的或基本上相同。由于因为柱面透镜的使用，而有可能作用于沿着激光器辐射的垂直和水平方向的射束路径的不同位置，因而即便是相等的射束路径，也有可能在垂直和水平方向获取不同的成像比例。可通过增大图像，而减小照射到印刷版面上的激光的入射角，这增加了场深。从而减少的成像导致场深的减少。

依据本发明的用于图形显示印刷版面的系统具有一种如上所述的透镜系统，并具有一个或多个激光器，这种激光器最好是边沿或区域发射激光器，以便能利用对激光的适当调制，产生所需的图像。

最好如此设计该系统，使得其焦点位于激光器附近的球面透镜或球面透镜系统位于激光器的发射区域后面，以便实现对所发射激光的集束，而不执行聚焦，聚焦是由后续的非球面透镜执行的。

印刷版面最好是所述系统的一部分，印刷版面例如可以是所谓的可自由处理(process-free)的印刷板，它被用图形显示于印刷鼓上，或者也可以与印刷鼓分立。可通过移动激光器、或有关静止和运动的透镜系统，例如是旋转印刷版面，而实现这一点，在上述情况下，激光器以及/或透镜系统也可保持静止或者例如是沿着印刷版面的旋转轴移动运动。例如可以通过沿着旋转的印刷版面的旋转轴，慢慢移动旋转的印刷版面的柱面，在这种情况下，具有透镜系统的激光器可以保持静止。一般来说，本发明包括利用光来图形显示印刷版面的印刷应用的所有领域，本发明尤其适用于湿胶版印刷(wet offset)转轮式印刷机、卷筒式转轮印刷，特别适用于通常需要在短时间内准备好大量的印刷版面的新闻印刷以及/或新闻订单。

根据依据了本发明的用于图形显示印刷版面的方法，激光器或激光器阵列是连续工作的，用于图形显示一个预定宽度和高度的面单元，例如由边沿或区域发射激光器发射的激光，通过上述透镜系统聚焦于印刷版面上，这样就获取了聚焦条带，该条带具有基本上等于需曝光的区域单元宽度的一个宽度，该条带的高度小于该区域单元的高度。该条带被引领到区域单元之上，这样该区域单元的整个高度就基本上由被聚焦的激光条带所扫描，其结果，指定的区域单元可被全部曝光。

如果边沿发射的激光器的诸如象60μm×1μm大小的光输出被聚焦到印刷版面上，则在垂直方向上得到放大四倍的波束，而在水平方向上产生了1∶1的图像，例如在两个方向上都获取到了8°到10°的入射角。现在，条带的图像具有60μm×4μm的大小，仍可认为它是一条窄带。此外，由衍射而引起的模糊到大于点的高度。如果大约为60μm×60μm的区域单元将要从这个条带中产生，那么，在1米/秒的印刷版面速度下，必须使激光器接通60微秒。也有可能利用较短的接通时间而产生较小的区域单元，例如是利用30微秒的接通时间生成60μm×30μm大小的区域单元。接通时间一般是几个微秒，例如是在1-100微秒的范围内，特别是在10-90微秒或30-70微秒的范围内，在半导体激光器二极管的情况下，它被认为是连续工作的(连续波)。

既可以在对区域单元进行曝光之后，在确定出需要曝光的新区域单元的位置之前，关断激光器或激光器阵列，也可以在执行完曝光操作之后，如果立即有另一个区域单元需要曝光时，继续工作。

也可以使用激光光学系统，用于脉冲工作，在这种情况下，具有与连续工作相同的优点。

以下，将根据最佳实施例，对本发明进行说明。构成本发明特征的有新颖性的各种特征都在附加的权利要求书中特别予以指出，并构成了本发明公开的一部分。为便于更好地理解本发明，其工作优势以及通过其使用而实现的特定目的，其基准是以附图和所说明的本发明的最佳实施例的描述作出的。

对附图的简要说明

在附图中：

图1是依据本发明的一个透镜系统，它具有一个边沿发射的激光器，以及在垂直方向上的射束路径的聚焦；

图2A是图1中的光学器件的正视图；

图2B是图1中的光学器件的顶视图；

图2C是图1中的光学器件的后视图；

图2D是图1中的光学器件的侧视图；

图3是图1中的透镜系统的顶视图，以说明水平方向上的射束路径的聚焦；

图4是印刷版面上的点光源所发射的光束的能量密度分布；

图5示出了作为圆环半径的函数的到达其中心位于焦点的圆环的能量的一部分与总输入光能量之比；

图6示出了作为印刷版面的位移函数的经聚焦的光点，用于准确聚焦；以及

图7示出了利用依据本发明方法的一个激光器，对区域单元进行曝光。

对推荐实施例的说明

请特别参见附图，图1显示了一种边沿发射的激光器1，它在激光器光发射区1a中发射激光，激光被引导到球形柱面透镜2上。图1所示的射束路径被用来说明垂直方向内的激光的集束，该垂直方向在所显示的坐标系统中被表示为y轴。到达球形柱面透镜2的具有相对较大的辐射角的激光被集束，并被定向到光学器件3，该光学系统在与球形柱面透镜2、非球面透镜3a平行的方向上延伸，以便能对经过集束的激光执行聚焦。由非球面透镜3a聚焦的激光穿过光学器件3，在光学器件的后侧输出，而不需将激光的射束路径改变到垂直方向，这是因为在垂直方向(y方向)上延伸的非球面透镜3b不会在垂直方向上引起激光的偏转。这样，可以利用图1所示的透镜系统，在y方向上实现对由边沿发射的激光器1所发射的激光进行的集束，图1所示的透镜系统是由球形柱面透镜2以及具有非球面透镜3a的光学器件3构成的，并且，所产生的激光点表示成像在在垂直方向上的增大的输出的光条带。

图3显示了图1所示的系统的部分区域的顶视图，以便说明在水平或x方向上的射束路径的集束。为了简单起见，仅仅显示了在垂直方向延伸的光学器件3的非球面透镜3b。由激光器1的点光源所发射的激光束穿过球面透镜2，而基本上没有在水平方向上发生偏转，该光束进入光学器件3，而呈扇形展开的激光束也基本上没有被非球面透镜3a偏转。一旦从光学器件3中输出，则呈扇形的激光就穿过在垂直方向上延伸的非球面透镜3b，其中所述非球面透镜3b将该激光聚焦到一个预定点诸如象一个印刷版面上，所述激光点表示输出的激光条带在水平方向上的1∶1的图像。

可从图1和3所示的射束路径中可以看出：通过对球面透镜2和非球面透镜3a的组合，可以在垂直方向上实现对激光的聚焦，而水平方向内的聚焦是由非球面透镜3b实现的，这样，在激光器在水平和垂直方向上具有不同发射特性的情况下，也可以实现对激光的相互协同聚焦。由于在边沿发射的激光器1的情况下，一般在垂直方向上，激光具有比在水平方向上要大的辐射角，因此用于对激光进行集束的球面透镜2被安装在紧邻激光器1的附近，并且它具有高品质的表面，以便获取高的成像品质。为了在水平和垂直方向上聚焦，使用了非球面透镜3a和3b，它们不象球面透镜2那样需要高品质的表面，这是因为非球面透镜3a和3a与激光器1相距较远，因而它们只能以漫散射的形式在印刷版面上产生轻微的表面误差。由于对于边沿发射的激光器1的辐射角，认为其在水平方向上的辐射角要小于在垂直方向上的辐射角，因此有可能删除用于聚集水平方向的激光的、位于激光器附近的一个透镜。但是，也可以安装这样一种透镜。

对于图1和3所示的结构的一种替换方案是：也可以使用其它各种结构，例如可对用于对水平方向上的光进行集束的透镜3b进行安装，使其与用于对垂直方向上的激光进行集束的透镜3a相比，更靠近球面透镜2。此外，以下做法也是可接受的：例如使所有透镜系统彼此分立，即例如是提供独立的透镜系统3a和3b；或例如是将球面透镜2与非球面透镜3a或3b中的一个组合成一种光学器件。将所有透镜系统集成为单独一个光学器件也是可以接受的，这例如可以通过使用具有不同折射指数的不同材料来实现，这样，例如通过利用具有与环绕材料不同的折射指数的材料，可在一个单片光学器件中实现非球面透镜3a或任何其它透镜。

图2显示了图1所示的光学器件3的不同示图，图2A显示了从非球面透镜3b一侧看过去的光学器件3的顶视图，同时还显示了图1中未示出的、位于非球面透镜3b上方和下方的光学器件3的投影区3c。图2B显示了图1中光学器件3的顶视图。图2C显示了具有非球面透镜3a的一侧的光学器件3的示图(后视图)。图2D显示了光学器件3的一个侧视图，它总是具有投影区3c。

图4显示了由点光源发射、并由透镜系统聚焦到印刷版面的x-y平面中的一点的激光的能量分布，从中可看出，在聚焦区的外部，基本上没有激光到达印刷版面。

图5显示了焦点附近的点光源的入射能量的分布数量。这样，几乎100％的整个入射能量E0都进入了焦点附近0.04mm的区域内，而80％的能量将进入由图5中的虚线所指示的焦点附近大约0.01mm的半径内的圆圈内。

图6显示了在对聚焦区域内的印刷版面进行精确定位的情况下，对一个一个地落在印刷版面上的三个光点的聚焦；中间的三个光点。在z方向上将印刷版面移动0.069mm以及0.137mm，就产生了图6所示的图像，它们位于正确的聚焦点的右边和左边，在这种情况下，能量分布不再集中于中心。

图7显示了利用聚焦的激光条带L，对区域单元4进行曝光的一种方法，该激光条带L按照图7所示的方法，从上到下地对区域单元4进行扫描，这里，在激光条带具有例如是60μm至100μm的侧延伸的情况下，激光条带的高度H大约为5μm，以便能对区域单元4进行完整曝光。一种并不是将在整个长度1a上发射的激光特别精确地聚焦到用于对区域单元4进行精确曝光的激光条带L的做法并不是非常重要，这是因为，这种聚焦中的错误仅仅影响边缘区域，且只有相对较少的能量释放到区域单元4以外，诸如象在激光条带L的中部区域内的水平错误聚焦仍然会导致对所需区域的曝光。

尽管是利用本发明的特定实施例，对本发明的应用及原理进行的详细显示和说明，但应当理解，本发明也可表现为未脱离这种原理的其它形式。

Claims (20)

1.一种用于图形显示印刷版面的激光透镜系统，所述系统包括：

至少一个球面透镜，其位于激光器和所述印刷版面之间，以对所述激光器发射出的激光执行集束；以及

至少一个非球面透镜，其位于所述球面透镜和所述印刷版面之间，以将所述激光聚焦或会聚到一个所需点上。

2.如权利要求1所述的透镜系统，其中，至少有一个透镜是柱面透镜。

3.如权利要求1所述的透镜系统，其中，所述不对称透镜包括被集成为一个光学器件的两个或多个所述透镜。

4.如权利要求1所述的透镜系统，其中，所述不对称透镜包括集成为一个光学器件的两个或多个所述透镜。

5.如权利要求1所述的透镜系统，其中，所述对称透镜和所述不对称透镜中的至少一种具有：在第一方向上，有一个与用于在第二方向上对激光进行聚焦的所述对称透镜和所述不对称透镜中的至少另外一个一致的焦点。

6.如权利要求1所述的透镜系统，其中所述对称透镜和所述不对称透镜中的至少一个具有：在第一方向上，有一个与另一个不对称透镜一致的焦点，所述另一个不对称透镜用于在第二方向上对激光进行聚焦。

7.如权利要求1所述的透镜系统，它与激光器组合在一起。

8.与依据权利要求1组合的透镜系统，其中，所述激光器是一种边沿发射器或一种区域发射的半导体激光二极管。

9.与权利要求7组合的透镜系统，其中，所述球面透镜位于激光器发射区域之前，这样，球面透镜的聚焦点离球面透镜较离光发射区域更远。

10.与权利要求5组合的透镜系统，它具有需要曝光的印刷版面。

11.与权利要求9组合的透镜系统，它具有需要曝光的印刷版面。

12.一种用于图形显示印刷版面的方法，该方法包括：

使激光器连续工作，用于对预定宽度和高度的一个区域单元进行曝光；

利用激光器产生激光，利用具有位于所述激光器和所述印刷版面之间的至少一个球面透镜，以及具有位于所述球面透镜和所述印刷版面之间的至少一个非球面透镜的透镜系统对激光进行聚焦，其中球面透镜用于对激光器所产生的激光进行集束，而非球面透镜用于将所述激光聚焦或会聚到一个所需点上，这样，就产生了具有与需要曝光的区域单元的宽度大致相应的一个宽度的条带，其中所述条带具有小于需要曝光的区域单元的高度的一个高度；以及

将所产生的激光条带引导到需要曝光的区域单元上，这样，就可由所述条带对需要曝光的区域单元的整体高度进行扫描。

13.如权利要求12所述的方法，其中，当所述条带对需要曝光的区域单元的整体高度进行扫描时，所述激光器关闭。

14.如权利要求12所述的方法，其中，至少有一个透镜是柱面透镜。

15.如权利要求12所述的方法，其中，所述不对称透镜包括集成为一个光学器件的两个或多个所述透镜。

16.如权利要求12所述的方法，其中，所述不对称透镜包括集成为一个光学器件的两个或多个所述透镜。

17.如权利要求12所述的方法，其中，所述对称透镜和所述不对称透镜中的至少一个具有：在第一方向上，有与用于在第二方向上对激光进行聚焦的所述对称透镜和所述不对称透镜中的至少另一个一致的一个聚焦点。

18.如权利要求12所述的方法，其中，所述对称透镜和所述不对称透镜具有：在第一方向上，有与另一个不对称透镜一致的一个聚焦点，所述另一个不对称透镜用于在第二方向上对激光进行聚焦。

19.与权利要求12组合的方法，其中，所述激光器是一种边沿发射或区域发射的半导体激光二极管。

20.与权利要求19组合的方法，其中，所述球面透镜位于所述激光器的发射区域之前，以便球面透镜的焦点与所述球面透镜间的距离较与所述光发射区域之间的距离更大。

Images