DE69314791T2

DE69314791T2 - Druckkopf

Info

Publication number: DE69314791T2
Application number: DE69314791T
Authority: DE
Inventors: Simon Roberts
Original assignee: Zed Instruments Ltd
Current assignee: Loescher Zed Flexo Ltd Thame Oxfordshire Gb
Priority date: 1992-06-11
Filing date: 1993-06-10
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2013-06-11
Also published as: US5748222A; DE69314791D1; EP0644829B1; ATE159457T1; WO1993025387A1; JPH07507734A; AU669721B2; EP0644829A1; JP3263394B2; AU4344893A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserdruckkopf, der z.B. geeignet ist, um Aniloxrollen herzustellen. Insbesondere beschäftigt die Erfindung sich mit einem Kopf, der in einen akusto-optischen Strahlendeflektor- oder ablenker eingebaut ist, wie er z.B. in unserer internationalen Patentanmeldung No. WO92/09399, eingereicht am 18. Oktober 1991, beschrieben und nach dem jüngsten Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung publiziert worden ist.
Üblicherweise wird, wenn ein Laserdruckkopf verwendet wird, um einen Aniloxzylinder herzustellen, eine keramisch überzogene Rolle gedreht und der Lasergravierkopf wird parallel zur Längsachse der Rolle bewegt. Typischerweise umfaßt der Gravur- oder Druckkopf eine Spiegelebene, der Licht aus dem Laser empfängt, wenn er an einem Ende der Druckvorrichtung fixiert ist. Der Kopf fokussiert Licht aus dem Laser auf die Oberfläche der Rolle oder Walze. Die kombinierte Wirkung der Drehung der Rolle und der seitlichen Bewegung des Druckkopfes liegt darin, ein schraubenförmiges Zellenmuster auf der Rolle herzustellen. Typischerweise wird der Laser gepulst, wobei ein Impuls jeder Zelle entspricht.
Alternativ kann zur Herstellung des schraubenförmigen Zellenmusters die Rolle seitlich am Kopf vorbeibewegt werden, während sie sich dreht und der Kopffixiert ist. Dieses hat den Vorteil einer festgelegten optischen Weglänge vom Laser.
Wie in unserer oben zitierten Anmeldung beschrieben, ist bisher die Geschwindigkeit, mit der die Zellen gedruckt bzw. eingraviert werden, begrenzt durch solche Effekte wie der Kanalbildung zwischen den angrenzenden Zellen und die Verschmierung oder Deformation der Zellen. Eine bedeutende Steigerung in der Frequenz des Druckes kann erzielt werden, indem man eine strahlablenkende Vorrichtung, wie z.B. einen akusto-optischen Ablenker, einsetzt, um den Druckstrahl zwischen den Zellstellen abzulenken. Dies kann eingesetzt werden, um einer vorgegebene Zellstelle nachzugehen, während sich die Rolle mit hoher Geschwindigkeit bewegt und ebenfalls Zellstellen zu überspringe, so daß die Zellen in einer Reihenfolge gedruckt werden, die dazu dient, Probleme, wie z.B. Kanalbildung oder Durchbrüche, zu minimieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Nach der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Lasergravierkopf zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Vorbereiten eines Mediums für ein Druckverfahren einen akusto-optischen Modulator (AOM) zum Ablenken eines Laserstrahls und Mittel (L) zum Fokussieren eines abgelenkten Strahls auf die Fläche des Mediums und eine Sperre, die so angeordnet ist, daß sie eine optische Ablage für eine nichtgewollte Leistungsgröße vom Deflektor vorsieht, wobei Mittel zum Fokussieren (L) telezentrisch in bezug zu den abgelenkten Laserstrahlen angeordnet sind, und wobei die Austrittspupille, die durch den Bereich abgelenkter Laserstrahlen gebildet wird, an der rückseitigen Brennpunktsebene des Fokussiermittels angeordnet ist, und wobei der Kopfferner eine Vielzahl austauschbarer Strahlenexpander oder -ausweiter innerhalb des Kopfes umfaßt, wobei ein ausgewählter Strahlenexpander in den Weg des Strahles zwischen dem Ablenker und dem Fokussiermittel bewegbar ist, um die gewünschte Zellgröße vorzusehen.
Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, daß bedeutende Vorteile erhalten werden durch die Aufnahme einer telezentrischen Anordnung für die Endfokussierungslinse.
Der Hauptstrahl jedes Strahlenbündels ist dann senkrecht zum Rollenziel. Dieses besitzt den Effekt, daß die Entfernung der Ablenkung des Laserstrahls an der Oberfläche der Rolle unabhängig ist vom Fokus der Linse. Dieses ermöglicht es, den Brennpunkt der Linse einzustellen, um z.B. die Zellgröße zu optimieren und den nichtgravierten Bereich zwischen den Zellen zu minimieren.
Die Verwendung einer telezentrischen Konfiguration führt zu Abhängigkeiten der Gestaltung der anderen Elemente des optischen Systemsn des Druckkopfes. Wie weiter unten detaillierter beschrieben wird, haben die vorliegenden Erfinder einen Kopf entwickelt, der bedeutend verbesserte Leistungseigenschaften innerhalb dieser Abhängigkeiten aufweist. Wenn der Lasergravierkopf z.B. verwendet wird, um kleine Zellen in keramisch überzogene Rollen einzugravieren, dann reicht die Größe der Zellöffnung von 25 µm aufwärts. Die geringste Zellgröße ist vergleichbar mit der Wellenlänge des CO&sub2;-Laserlichts von 10 µm, so daß die Brennpunktoptiken diffraktionsbegrenzt sind.
Die Größenbeschränkung steht im direkten Bezug zum Winkel der Konvergenz des Strahles an der Oberfläche des zu gravierenden Mediums, sonst bekannt als numerische Apertur oder Blende oder NA. Dies kann verändert werden, indem man die Brennweite der Fokussierungslinse verändert. Eine gut bestückte Linse mit einer kurzen Brennweite führt zu einem kleinen Brennpunkt.
Größere Punkte sind erforderlich, wenn grobe Zellgrößen eingraviert werden, um zu greifen. Die Punktgröße kann gesteigert werden durch Arbeiten außerhalb des Brennpunktes. Um die Brennweite der Linse stattdessen zu steigern, wird die Ablenkungsentfernung auf der Rolle in der Bildebene, die aus einem festgelegten winkelmäßigen Ablenkungsbereich des Strahles erster Ordnung durch die Ablenkungseinrichtung resultiert, ebenfalls erhöht, und dieses ist insbesondere für große Punkte erforderlich, die im Verhältnis zu kleinen Punkten für ein kleines Zellmuster eine größere Entfernung springen müssen.
Vorteilhafterweise besitzt das Fokussierungsmittel eine festgelegte Brennweite. Der Strahlenexpander kann überkreuzender Art sein.
Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, daß trotz ihrer offensichtlichen Anziehungspunkte die Verwendung unterschiedlicher Fokuslinsen mit einem Bereich an Brennweiten, um optimale Punktgröße zu erzielen, eine Anzahl von Nachteilen mit sich bringt, die durch den Einsatz unterschiedlicher Strahlenexpander stattdessen vermieden werden können.
Wenn eine Fokussierungslinse dem Ablenker folgt, muß die nichtgewollte Ordnung vom Ablenker entweder in der gleichen Ebene wie die Rolle getrennt, oder vor der Linse getrennt werden. Für letztere würde der erforderliche Freiraum zwischen dem Ablenker und der Linse, um die Trennung des nichtgewollten Strahls zu erzielen, eine telezentrische Verwendung der Fokussierungslinse ausschließen.
Zweitens erzeugt das Gravieren keramischer Aniloxrollen Abfall, der von der endgültigen Oberfläche der Fokussierungslinse weggehalten werden muß. Jegliche Ablagerungen auf der Linse, die verwendet wird, um Hochleistungsstrahlen zu übertragen, führen zur Absorption einiger Strahlleistung an der Oberfläche, was zum Überheizen der Linse und der Verkürzung ihrer betriebsmäßigen Lebensdauer führt. Nach üblicher Praxis wird eine Düse mit Druckluft über die Endoptik gesetzt, um Bruchstücke abzuhalten. Es ist ebenfalls von Bedeutung, jegliche Optik hinter der Endlinse zu versiegeln, damit das Eintreten von Staub aus der maschinenmäßigen Umgebung vermieden wird. In der Praxis würde es dann schwierig sein, einen Satz unterschiedlicher Fokussierungslinsen im Hinblick auf die Nähe der Luftdüse zu befestigen, oder eine Düse auf jeder Linse erforderlich machen.
Drittens ist die Option, Fokussierungslinsen durch die Vorderseite des Gravurkopf es auszutauschen, unwünschenswert, da die Linsen den schmutzigen Teil der Ausrüstung durchlaufen müssen. Betrachtet man die Arbeitsumgebung zur Gravur von Aniloxrollen auf Produktionsbasis, ist es vorteilhaft, die optischen Komponenten eindeutig weg von der Vorderseite der Maschine zu halten.
Viertens erfordert ein Ablenker, wie z.B. ein akusto-optischer Modulator, eine genaue optische Ausrichtung. Ferner muß sein Einfallstrahl in Bezug zur optischen Achse des Ausgangsstrahles (in der Mitte des Ablenkungsbereiches), gekippt und versetzt sein. Um diese Erfordernisse zu erreichen, ist es vorteilhaft, die akusto-optische Einrichtung fest in einer Position zu befestigen. Ein Bereich von Fokussierungslinsen unter telezentrischer Bedingung würde jedoch die Bewegung der akusto-optischen Einrichtung diktieren.
Vorteilhafterweise werden die Mittel zum Fokussieren in einer Position hinter einer Druckluftdüse befestigt. Vorteilhafterweise bildet die Endoptik der Fokussierungsmittel ein Fenster zu einem versiegelten Abteil, das die anderen optischen Komponenten von der maschinenmäßigen Umgebung abtrennt. Vorteilhafterweise wird der akusto-optische Ablenker in einer Position zwischen dem versiegelten Abteil mit entsprechend fixierten Kopplungsoptiken befestigt, um den erforderlichen, winkelmäßigen und seitlichen Versatz zu seinem Einfallstrahl zu ergeben.
Die Lichtquelle für den Lasergravurkopf ist typischerweise ein Hochleistungs-CO&sub2;-Laser. Typische, durchlässige Materialien, die mit solchen Lasern eingesetzt werden, sind Zinkselenid und Germanium. Von diesen beiden leidet Germanium unter einem potentiellen Problem des thermischen Durchgehens, falls es übermäßig belastet wird, wie folgt. Oberhalb einer Stromschwelle bewirken hohe Leistungen eine Temperatursteigerung im Germanium, die den optischen Absorptionskoeffizienten erhöhen. Dieses führt in der Verlaufsituation zur weiteren Temperatursteigerung, die zur Überheizung und möglichen Zerstörung der Optik führt. Deshalb neigen die meisten Hochleistungsanwendungen zum Einsatz von Zinkselenid, das einen stabilen Absorptionskoeffizienten besitzt und nicht unter dem thermischen Durchgehen leidet.
Es ist bevorzugt, daß der akusto-optische Modulator aus einem Material gebildet ist, das dem thermischen Durchgehen unterliegt. Der Kopf umfaßt vorteilhafterweise ein Mittel zum Ausrichten eines Teiles des Strahles vom optischen Weg zum Ablenker zu einem optischen Leistungssensor und Mittel zum Überwachen der Ausgangsleistung des Leistungssensors, um das Auftreffen auf den Deflektor der optischen Kraft oder Leistung zu erfassen, die eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
Vorteilhafterweise ist der Leistungssensor eine Thermosäule, die eine schnelle Ansprechzeit besitzt.
Akusto-optische Einrichtungen zur Verwendung bei 10,6 µm Wellenlänge basieren generell auf Germanium. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung vermeidet die Gefahr eines thermischen Durchgehens, indem der Kopf mit einem empfindlichen Leistungssensor versehen wird, der vor der akusto-optischen Einrichtung positioniert wird. Diese erfaßt, wenn der Eingangslaserstrahl derart ist, daß die geeignete Betriebsleistungsschwelle des Ablenkers wahrscheinlich überschritten werden wird. Diese Überlastungssituation kann z.B. durch einen Spannungskomparator am Thermosäulenausgang erfaßt werden, die mit einem stabilen Bezugswert verglichen wird. Der Komparatorausgang kann ein Logiksignal senden, das dem Laserverschluß anzeigt, daß er geschlossen werden sollte.
Der Laserstrahl, der auf den Deflektor oder Ablenker auftrifft, wird typischerweise abgetastet, unter Verwendung z.B. einer 5%-Abtastoptik.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ein Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nunmehr im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm einer Lasergraviervorrichtung;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines akustooptischen Modulators;
Fig. 3 eine grafische Darstellung von der Frequenz gegen Zeit für das RF-Signale, das am Modulator der Fig. 2 angelegt wird;
Fig. 4 ein Diagramm, das die Anordnung der optischen Komponenten im Gravurkopf zeigt;
Fig. 5 einen Schnitt eines Null-Größenstops;
Fig. 6 ein Diagramm, das den telezentrischen Zustand der Fokussierungslinse zeigt;
Fig.7a bis 7d Diagramme, die die Strahlenexpander zeigen;
Fig.8a bis 8d grafische Darstellungen in Form von Kurven, die die Beugungswirksamkeitsfunktionen zeigen;
Fig.9a bis 9d Diagramme, die die Strahlenaustastung zeigen;
Fig.10 eine Darstellung der Samplingoptik für einen Thermosäulendetektor;
und
Fig.11a bis 11c Zeitverlaufsdarstellungen, die den Einsatz eines schnellen Strahlendetektors zeigen.

BESCHREIBUNG DER BEISPIELE

Im vorliegenden Beispiel bildet ein Laserdruck- oder Gravurkopf 6 einen Teil einer Lasergravurmaschine zum Gravieren von Aniloxrollen. Die Maschine umfaßt einen Antrieb 1, der eine Aniloxrolle 2 um ihre Längsachse dreht. Eine Codiervorrichtung 3 ist am Antrieb 1 angebracht und liefert eine Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der winkelmäßigen Position der Rolle 2. Ein Laser 4 mit einem polarisierten Ausgang wird durch einen Laserantrieb 5 angetrieben und liefert Gravurimpulse, die auf der Oberfläche der Aniloxrolle 2 durch ein Fokussierungselement im Lasergravurkopf 6 fokussiert werden. Der Lasergravurkopf 6 wird auf einem Wagen 7 gelagert, der in der Axialrichtung entlang der Aniloxrolle 2 beweglich ist. Der Druck- oder Gravurkopf 6 umfaßt ein optisches System, einschließlich eines ebenen Spiegels und des Fokussierungselementes, das im vorliegenden Beispiel eine Fokussierungslinse L ist, die Licht vom Laser auf die Oberfläche des Zylinders richtet, um eine Reihe von Zellstellen C zu gravieren. In der Fig. 1 sind die Größe, die Trennung und der Helixwinkel der Zellen wegen der Deutlichkeit übertrieben dargestellt. Der physikalische Aufbau der Lasergravurmaschine ist generell üblich und wird nicht weiter detaillierter beschrieben.
Ein akusto-optischer Modulator 12 ist mit dem Lasergravurkopf 6 auf dem Wagen 7 im Weg des vom Laser 4 kommenden Laserstrahles gelagert. Ein akusto-optischer Modulator wird weiter im Detail in Fig. 2 gezeigt. Er besteht aus einem einzigen Kristallblock aus Germanium 13, der ein festes Wechselwirkungsmedium für den Laserstrahl darstellt. Ein piezoelektrischer Wandler 14 wird an einer Fläche der Zelle befestigt und ein akustischer Absorber 15 an der gegenüberliegenden Fläche.
Eine geeignete akusto-optische Einrichtung ist kommerziell als IntraAction model AGD-406B erhältlich.
Das wichtigste im Betrieb der Zelle ist das Anlegen einer RF-Spannung am Wandler, so daß eine akustische Welle im Germanium erzeugt wird. Diese akustische Welle setzt sich quer durch den Block mit 5,5 mm/µs fort und erzeugt wiederum spannungsfeldinduzierte Veränderungen des Brechungsindex. Da diese Veränderungen periodisch sind, wirkt die Zelle als ein dickes Beugungsgitter. In Analogie zur Röntgenstrahlenbeugung durch einen Einkristall, bezeichnet man letzteres als Bragg'sche Beugung.
Im vorliegenden Beispiel ist der akusto-optische Modulator 12 des Typs, der als akusto-optischer Ablenker oder Deflektor (AOD) bekannt ist. Er umfaßt eine Reihe von Wandlern, die an einer Seite des aktiven Mediums befestigt sind. Typischerweise werden so viel wie vier bis sechs getrennte Wandler eingesetzt. Eine festgelegte Zeitverzögerung wird im Antriebssignal für jeden Wandler eingeführt, so daß die Wellenfront der akustischen Wellen eher ein abgestuftes als ein ebenes Profil aufweist. Alternativ kann die Fläche des Germaniumblocks stufig sein, mit einem getrennten Wandler, der an jeder Stufe befestigt ist. Die Stufenhöhe ist so angelegt, daß sie die erforderliche Zeitverzögerung zwischen den akustischen Quellen für eine gekippte Wellenfront durch den Block hindurch ergibt. Durch geeignete Wahl der Zeitverzögerung, kann der Winkel der Wellenfronten zur festgelegten Richtung des hineinkommenden optischen Strahls eng am Bragg'schen Winkel eb für einen Bereich akustischer Frequenzen eingestellt werden. Dies ermöglicht die Ablenkung des Strahls über einen Bereich unterschiedlicher Winkel, ohne einen bedeutenden Verlust in der Ablenkungswirksamkeit.
Der Abstand der periodischen Veränderungen des Beugungsindex und damit des Winkels, in dem der Strahl erster Ordnung gebeugt wird, hängt von der angelegten RF-Frequenz ab. Bei der Aniloxgravur wandelt die Fokussierungs- oder Positivlinse zum Konzentrieren des Laserstrahls auf die keramische Fläche die Strahlrichtung in eine Position in der Bildebene auf der Oberfläche. Fig. 3 zeigt die angelegte RF-Frequenz unter Verwendung der vorliegenden Erfindung als Funktion der Zeit. Durch rampenartiges Ansteigen der RF-Frequenz mit einem geeigneten Gradienten wird bewirkt, daß der Brennpunkt der Fläche des Zylinders folgt oder nachgeht, so daß die relative Geschwindigkeit des Punktes und des Zylinders Null beträgt.
Nachdem der Strahl einer vorgegebenen Zellstelle lang genugt gefolgt ist, um die Stelle in der erforderlichen Tiefe einzugravieren, wird die RF-Kraft abgeschaltet und die an den akusto-optischen Modulator angelegte Frequenz wird diskontinuierlich auf einen unterschiedlichen Wert verändert, um den Strahl auf der Oberfläche des Zylinders mit hoher Geschwindigkeit von der gegenwärtigen Zellstelle zu einer weiteren Zellstelle zu bewegen. Die RF-Leistung wird dann wieder eingeschaltet. Im vorliegenden Beispiel wird der Strahl abwechselnd durch zwei Einheiten der Zelltrennung vor und danach hinter der Linsenachse abgelenkt. Der Strahl wird so z.B. zuerst durch -2 Einheiten auf das, was die Zelle Nr. 1 wird, abgelenkt und folgt dieser positiven Richtung, bis die Zelle Nr. 1 gebildet ist (mittlerweile hat die Rolle um +1 Zelleinheit gedreht). Der Strahl wird nun durch +2 Einheiten abgelenkt und folgt der Rolle wie zuvor in der positiven Richtung und bildet die Zelle Nr. 2. Dieses Beispiel erzeugt eine Gravurfolge, die C&sub5;, C&sub1;&sub0;, C&sub7;, C&sub1;&sub2;, C&sub9;, C&sub1;&sub4;, C&sub1;&sub1;, C&sub1;&sub6;... usw. umfaßt. Dieses Verfahren schafft eine minimale Trennung zwischen jeglichen aufeinanderfolgenden gravierten Zellen von drei Zellen, entsprechend einer Kühlzeit von zwei Perioden der Gravierfrequenz. Eine Trefferfolge wird in Tabelle 1 gezeigt.
Wie in unserer oben zitierten, ebenfalls anhängigen Anmeldung, beschrieben wird, können andere Folgesequenzen eingesetzt werden. Das Vorsehen von Kühlperioden zwischen dem Gravieren aneinandergrenzender Zellen ermöglicht, daß Zellen mit einer höheren Geschwindigkeit graviert werden können, ohne daß Probleme, wie Kanalbildung, auftreten.
Das Verfolgen einzelner Zellstellen ist wirksam, um Unschärfen zu vermeiden. Zusätzlich ermöglicht es das Vorsehen eines Nachimpulses mit niedriger Leistung, was wirksam ist, um die Oberfläche der gravierten Zelle zu normalisieren bzw. abzukühlen. Dies hat sich herausgestellt, sehr bemerkenswerte Vorteile beim Gravieren von Chromoxid-Keramik auf lasergravierten Aniloxrollen zu ergeben. Der anfängliche Impuls von etwa 5 µs Dauer mit einer sehr hohen Spitzenleistung von 100W oder mehr, entfernt die Materialmasse. Dieser sollte ein Nachimpuls mit niedriger Leistung von geringer als 100W für mindestens 15 µs folgen. Ohne diesen Nachimpuls, neigt die Oberfläche der Keramik dazu, unsauber zu werden. Gepulste CO&sub2;-Laser besitzen niedrige Impulsleistungsenden, die länger als 15 µs dauern. Dementsprechend wird durch das tracking der Zellstelle, bei dem der Impuls auf die Zelle während des 15 µs-Endes gerichtet bleibt, die erforderliche Nachimpulsabkühlung geschaffen.
Fig. 4 zeigt das Layout des Lasergravierkopfes. Der hineinkommende Laserstrahl wird durch einen ersten Spiegel 16 in ein geschlossenes Abteil abgelenkt, das den akusto-optischen Deflektor und zugehörige optische Komponenten enthält. Der erste dieser Bestandteile ist ein Strahlenverringerer 17, der wirksam ist, um den Durchmesser des Laserstrahls zu verringern. Der Strahl verläuft anschliessend zu einem System von Abtastoptiken 40. Diese umfassen in Reihe zuerst eine 5%-Abtastoptik und eine zugehörige Thermosäule 41, die, wie weiter unten im Detail beschrieben wird, einen Überlastungsschutz für die akusto-optische Einrichtung schafft. Dieser folgt eine 1%-Abtastoptik und ein zugehöriger pyro-elektrischer Detektor 42, der dazu eingesetzt wird, die Schaltung der akusto-optischen Einrichtung zu synchronisieren, um die hintere Kante des Impulses vom Laser zu dämpfen. Dieser Strahl wird danach über 180º durch weitere Spiegel 18,19 abgelenkt. Der Strahl tritt dann in den akusto-optischen Ablenker 12 ein. Der Strahlausgang nullter Ordnung vom Deflektor wird unter Verwendung des Stops für die nullte Größenordnung gespeichert oder abgelagert, wie weiter im Detail unten beschrieben wird. Der Strahl erster Ordnung durchläuft einen Strahlenexpander 20. Vier solcher Strahlenexpander sind in einem Karussell 21 gelagert, welches gedreht wird, um einen ausgewählten Strahlenexpander in den optischen Weg zu bringen. Ein Steuerungsrad 22 ist außen am Gehäuse mechanisch mit dem Karussell verbunden, um es zu drehen.
Der Ausgang vom Strahlenexpander 20 läuft zu einem Endspiegel 23, der ihn über 90º ablenkt. Anschließend durchläuft er die Fokussierungslinse L, die in diesem Beispiel als Dreifachlinse ausgebildet ist, die hinter einer Düse 24 gelagert ist. Druckluft durchläuft die Düse, um zu verhindern, daß Staub in die Optik eintritt.
Der Abschnitt des Kopfes, der den ersten Spiegel 16, den Endspiegel 23 und die Linse L und die Düse 24 umfaßt, ist in diesem Beispiel als eine entfernbare Kassette 25 ausgebildet, die in Rutschpassung mit dem Hauptgehäuse des Kopfes steht. Diese kann mit einer alternativen Kassette ausgetauscht werden, die die Spiegel 16 und 23 wegläßt, um einen direkten Weg durch den Eingang zum Gehäuse der Fokussierungslinse L vorzusehen. Dieses kann für Gravierzylinder eingesetzt werden, wenn die Ablenkung des Strahles nicht erforderlich ist. Die Längsachse des verschlossenen Abteils 26, die das Hauptgehäuse des Kopfes bildet, liegt 45º zur horizontalen Achse der Rolle. Dieses erleichtert die Verwendung eines Phasenverschiebungsspiegels, wie der Endspiegel 23. Dieses ist wirksam, um den Weg auf solche Weise zu polarisieren, daß Reflektionen zurück durch das optische System verringert werden.
Die unterschiedlichen Bestandteile des Gravurkopfes werden weiter unten detailliert beschrieben.
Akusto-optische Einrichtungen werden zum Modulieren und Ablenken des Ausgangs von Lasern weitverbreitet eingesetzt. Wenn lediglich ein Ausgangsstrahl aus der Einrichtung eingesetzt wird, ist es erforderlich, den anderen Strahl an einer Öffnung oder einer anderen Sorte von optischen Absorbern abzutrennen.
Hochleistungs-CO&sub2;-Laser für bearbeitende Anwendungs zwecke liefern Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 10,6 µm. Akusto-optische Einrichtungen, die bei dieser Wellenlänge arbeiten, basieren auf Germanium als akusto-optisches Medium. Ein typischer Bereich akustischer Frequenzen für Germanium-Einrichtungen liegt von 30 bis 70 MHz, entsprechend vollständigen Beugungswinkeln zwischen Null und erster Größenordnung von 3,3º bzw. 7,7º. Der minimale Freiraum zwischen der akusto-optischen Einrichtung und einer Öffnung zum Absorbieren eines der Strahlen wird durch den Defraktions- oder Beugungswinkel und die Strahlengröße festgelegt. Für eine typische Strahlenbreite in der Ebene der Beugung von 6 mm, beträgt die minimale Propagationsentfernung zur vollständigen Trennung von Strahlen nullter und erster Ordnung 104 mm bzw. 44 mm. Bei einigen Anwendungszwecken kann die akusto-optische Einrichtung, die als Ablenker oder Deflektor eingesetzt wird, als eine Eintrittspupille angesehen werden. Die Trennung dieser Pupille von der Optik, die folgt, führt zu Einschränkungen bei der Gesamtgröße des Systems.
Dieser Aspekt des Systems bezieht sich auf einen Strahlstop, der einen Beugungsordnungsstrahl höherer Leistung, wie z.B. von einer akusto-optischen Einrichtung, innerhalb einer kurzen Entfernung absorbieren kann.
Der erste Teil solch eines Systems ist eine Positivlinse. Akusto-optische Einrichtungen sind am wirksamsten bei einem einfallenden Strahl, der nahe seiner Kollimation ist, innerhalb des Akzeptanzwinkels der Einrichtung. Deshalb bringt diese Linse Strahlen nullter und erster Ordnung zu einem Brennpunkt an ihrer Brennweite (siehe Fig. 5). Die fokussierten Strahlen sind deutlich kleiner als ihre Breite beim Verlassen der akusto-optischen Einrichtung, so daß die Strahlen gut für selektive Absorption eines davon getrennt sind. Für Hochleistungsstrahlen von 10W oder mehr, wie sie bei Bearbeitungsanwendungszwecken verwendet werden, ist es unpraktisch, den nicht gewollten Strahl gerade auf der absorbierenden Fläche zu absorbieren. Ein Spiegel wird verwendet, um den nicht gewollten Strahl abzulenken, so daß er abgelenkt wird und einen Absorber schräg über einem breiten Bereich erreicht. Zur Erleichterung der Bearbeitung und des Zusammenbaus ist der Deflektor oder Ablenker ein konischer Spiegel.
Die Technik der Hochfrequenz-Aniloxgravur, die in unserer oben erwähnten Anmeldung beschrieben wird, verwendet eine Ablenkungseinrichtung, um einer Rolle zu folgen und den Brennpunkt zwischen den Zellpositionen springen zu lassen. Die Steuerung des Ablenkungswinkels für den genauen Sprung ist wichtig, um eine genaue Zellplazierung zu erzielen. Eine Variable, die zur Optimierung der Zellformation eingesetzt wird, ist die Brennpunktposition: Es ist gelegentlich erforderlich, die Linse auf die Rollentrennung vom besten Brennpunkt einzustellen, um die Zellgröße zu steigern und das nicht gravierte Land zwischen den Zellen zu minimieren.
Betrachtet man die erforderliche Präzision der Zellanordnung, wird der Betrieb des gesamten Systems vereinfacht, indem sichergestellt wird, daß die Sprungentf ernung unabhängig vom Brennpunkt ist. Dieses wird durch eine telezentrische Verwendung der Entfokussierungslinse erzielt: Die Austrittspupille P, die durch den Bereich abgelenkter Strahlen gebildet wird, wird an der hinteren Brennpunktebene der Fokussierungslinse (Fig. 6) positioniert.
Bei der Anwendung einer akusto-optischen Einrichtung zum gravieren kleiner Zellen in keramisch überzogene Rollen, reicht die Größe der Zellöffnung von 25 µm nach oben. Die geringste Zellgröße ist vergleichbar mit der Wellenlänge des CO&sub2;-Laserlichts von 10 µm, so daß die Fokussierungsoptiken beugungsbegrenzt sind, obwohl sie einfach durch Konvergenz der zwei Linien in Fig. 6 gezeigt werden.
Die Größenbegrenzung steht direkt in Bezug zum Konvergenzwinkel des Strahls an der Rolle, sonst bekannt als numerische Apertur oder Öffnung oder NA. Dies kann durch die Brennweite der Linse oder das Ausmaß verändert werden, in dem die Linse durch den einfallenden parallelen Strahl beschickt wird. Eine gut bestückte Linse und eine kurze Brennweite, unabhängig voneinander oder gemeinsam, führen zu einem kleinen Brennpunkt.
Größere Punkte sind erforderlich, wenn grobe Zellimpulsstösse eingraviert werden, damit Zellen anschlagen. Die Punktgröße kann gesteigert werden durch Arbeiten außerhalb des Brennpunkts. Durch Steigerung der Brennweite der Linse wird stattdessen jedoch die Ablenkungsentfernung auf der Rolle (in der Bildebene), die von einem festgelegten, winkelmäßigen Bereich der Ablenkung des Strahles erster Ordnung durch die akusto-optische Einrichtung resultiert, ebenfalls gesteigert. Dieses ist insbesondere für größere Punkte erforderlich, die in einer größeren Entfernung angesprungen werden müssen als kleinere Punkte für ein kleineres Zellmuster.
Die Verwendung eines Satzes von Fokussierungslinsen mit einem Bereich von Brennweiten, um die optimale Punktgröße und den zugehörigen maximalen Ablenkungsbereich zu erzielen, besitzt eine Anzahl von Problemen.
Die vorteilhafte, optische Ausgestaltung ist die Verwendung gerade einer Brennweite der Fokussierungslinse und ihre Fixierung in einer Position hinter einer Druckluftdüse. Die Endoptik dieser Linse bildet ein Fenster zu einem Abteil, das sämtliche anderen optischen Komponenten von der maschinenmäßigen Umgebung abdichtet. Die akusto-optische Einrichtung sollte ebenfalls an einer Position in diesem abgedichteten Abteil festgelegt werden, mit festgelegter Kopplungsoptik, um den erforderlichen winkelmäßigen und seitlichen Versatz zu ihrem Einfallstrahl zu ergeben.
Mit Blick auf das Erfordernis der variablen Punktgröße und des Ablenkungsbereiches, ist ein weiterer Weg den maximalen Ablenkungsbereich für die optimale Punktgröße zu erzielen, einen variablen Strahlenexpander zwischen die akusto-optische Einrichtung und die Linse zu setzen, wie es in Fig. 6 gezeigt wird. Das Expandieren des Strahles führt zur Abnahme der Punktgröße. Es verringert ebenfalls die Strahlabweichung und damit die Ablenkungsdistanz durch den gleichen Faktor.
Die Verwendung austauschbarer Strahlenexpander innerhalb des Erfordernisses für Telezentrizität der Endlinse führt zu einer starken Einschränkung beim optischen Design der Strahlenexpander. Der übliche Aufbau des Strahlenexpanders oder Strahlenverringerers (Teleskop) für Hochleistungsstrahlen verwendet die galilaeische Konfiguration, wo der Strahl niemals fokussiert wird. Dieses verhindert jegliches Risiko der Plasmabildung im Gas. Die oben erwähnten optischen Beschwernisse können jedoch durch Strahlenexpander der überkreuzenden Art gelöst werden, die dem Teleskop der "astronomischen" Art entsprechen. Die Aniloxgravur erfordert keine kW-Strahlenleistungen, so daß kein Risiko besteht, ein Gasplasma am Zwischenbrennpunkt hervorzurufen. Es ist lediglich notwendig, den Zwischenfokusraum staubfrei zu halten.
Das Problem des Designs bzw. Aufbaus des Strahlenexpanders ist lösbar und wurde in einer Formel zusammengefaßt. Diese bezieht besondere Expansionsfaktoren auf Linsenpositionen wie folgt:
Z = M(T-A(M+1))/M+1
worin Z = die Trennung zwischen der zweiten Linse und der Austrittspupille,
M = Vergrößerungsfaktor des Strahlenexpanders,
T = Trennung von Austritts- und Eintrittspupillen,
A = Trennung zwischen Eintrittspupille und erster Linse
bedeutet.
Für eine vorgegebene Trennung von Linsen, L, und Vergrößerung, ist die Brennweite jeder Linse wie folgt:
L = T - A - Z
f&sub1; = 1/M+1 L; f&sub2; = M/M+1 L
Beispielsweise ist die minimale Brennweite der Fokussierungslinse etwa 25 mm, um einen ausreichenden Freiraum für eine Düse zu besitzen, die durch Druckluft gespeist wird. Eine typische Strahlenbreite vom akusto-optischen Ablenker beträgt 6 mm. Eine vernünftige Grenze der numerischen Apertur zur Aufrechterhaltung der beugungsbegrenzten Funktion beträgt 0,5. (Dieses ergibt den kleinstauflösbaren Punkt von 10 µm bei halber Intensität, wie er aus der Rayleigh- Formel der Wellenlänge, geteilt durch 2xNA errechnet wird). Der Strahlendurchmesser, der an der Fokussierungslinse erforderlich ist, beträgt 25 mm, so daß der Strahlenexpansionsfaktor 4,2x sein muß. Eine vernünftige Trennung zwischen Eintritts- und Austrittspupille beträgt 230 mm. Somit ergibt für ein Z von 35 mm die Formel einen Wert für A von 38.8 mm.
Bei kritischen Anwendungszwecken ist es erforderlich, sämtliche Vorsichtsmaßnahmen zur Isolation der Laserquelle gegenüber Reflektionen vom Arbeitsstück vorzusehen, die sich verändern könnten. Die übliche Praxis ist, den Ausgang vom Laser zu polarisieren und einen Polarisationsrotator vorzusehen, so daß reflektierte Strahlen eine senkrechte Ebene der Polarisation besitzen, die zurückgewiesen wird, bevor sie in den Laser eintreten. Für 10,6 µm Wellenlänge des Infrarots, ist das übliche Mittel der Polarisationsrotation ein Phasenverschiebungsspiegel. Beim Aniloxgraviersystem, das eine akusto-optische Einrichtung einsetzt, sind diese Einrichtungen äußerst wirksam, wenn die Ebene der Polarisation parallel zur Ebene der Beugung ist. Deshalb muß der Einsatz eines Phasenverschiebungsspiegels, der die Ebene zur kreisförmigen Polarisation wandelt, der akusto-optischen Einrichtung folgen. Beim Aufbau der Trennung der Optik für die Strahlenexpander nach der obigen Formel müssen die Entfernungen A oder Z zum Einschluß eines Phasenverschiebungsspiegels ausreichend sein.
Akusto-optische Deflektoren besitzen kein ebenes Ablenkungsansprechen quer über ihren Ablenkungsbereich. Bei der Gravur von Aniloxzellen außerhalb der Reihenfolge unter Verwendung des Sprungmerkmals, können die Zellen sich in der Größe gemäß dem Beugungswinkel vom Deflektor unterscheiden.
Unter Verwendung der Kompensation im Steuerungssystem kann diese Differenz korrigiert werden, wie es in der Einleitung beschrieben worden ist.
Als Beispiel kann die minimale Beugungswirksamkeit 55% sein. Ein anderer Beugungswinkel D, die Beugungswirksamkeit, kann 68% betragen. Deshalb würde der Wert des Kompensationsfaktors c(d) bei D 0,809 sein (aus 55 geteilt durch 69, um die Beugungswirksamkeit bei jeglichem Beugungswinkel auf den gleichen Wert herunterzubringen). Das Steuerungssignal für volle RF-Kraft, 1(100%), kann 255 sein. Für eine verringerte Festigkeit S von 80,9%, notwendig für die Trefferkompensation bei D, kann die Funktion 1(S) auf 163 zurückkehren, d.h. nicht notwendigerweise 80,9% von 255.
Der Strahl erster Ordnung hält nicht exakt die gleichen optischen Eigenschaften über den Ablenkungsbereich einer akusto-optischen Einrichtung aufrecht. Abgesehen von Veränderungen in der Beugungswirksamkeit, kann das Trefferkompensationsverfahren jegliche andere Variationen über den Ablenkungsbereich des gesamten Systems umfassen, was eine Veränderung in der Zellgröße hervorrufen kann, die geformt wird. Eine mögliche Veränderung kann eine gekrümmte Bildebene sein, die durch die Endfokussierungslinse hergestellt wird, so daß eine Strahlenposition an der Grenze des Ablenkungsbereiches etwas aus dem Brennpunkt ist, und so eine flachere Zelle herstellt.
Akusto-optische Einrichtungen zur Verwendung bei 10.6 µm Wellenlänge basieren auf Germanium. Eine typische Einrichtung zum Ablenken von Strahlen, z.B. das IntraAction model AGD-406B ist in der optischen Leistung auf 100W limitiert. Wenn ein CO&sub2;-Laser verwendet wird, zum Hochfrequenz-Aniloxgravieren, in einer gepulsten Verfahrensweise, ist die Durchschnittsleistung des gepulsten Ausgangs geringer als 100 Watt, während der Laser das Potential für einen maximalen, kontinuierlichen Ausgang von vielen 100 Watt besitzt. Deshalb ist es notwendig, die akusto-optische Einrichtung vor potentiell schädigenden Hochleistungen zu schützen.
Der Kopf umfaßt eine Austastoptik und einen präzisen Leistungssensor, der vor der akusto-optischen Einrichtung angeordnet ist. Ein typischer Leistungssensor ist eine Thermosäule mit einer ausreichend schnellen Ansprechzeit, um hohe Leistungen zu erfassen, bevor die akusto-optische Einrichtung übermäßig erwärmt wird. Eine derartige Thermosäule wird geliefert durch Ophir, Modell Nr. 10A-HP, die bei 90% der einfallenden Leistung von 1,0 Sekunden anspricht. Die Thermosäule nimmt ihre Leistung über die Austastoptik auf. Eine typische Teilreflektivität würde bei 5% liegen, da die angedeutete Thermosäule eine Empfindlichkeit von etwa 1,5mV/W besitzt.
Die Überlastungssituation würde durch einen Spannungskomparator am Thermosäulenausgang erfaßt werden, der mit einem stabilen Bezugswert vergleicht. Der Komparatorausgang würde ein Logiksignal senden, das andeutet, daß der Laserverschluß geschlossen werden sollte.
Wie auf den Seiten 11 und 12 oben beschrieben worden ist, kann der akusto-optische Modulator (AOM) sowohl eingesetzt werden, um den Strahl abzulenken, als auch zum Strahlaustasten, um eine Versuchsgravur herzustellen. Wie in der oberen Darstellung der Fig. 9 gezeigt wird, wird der Strahl zur Rolle durch übertragen, gerade zu einem kleinen Anteil der Rotationsperiode der Rolle, die einem Winkel α entspricht. Dieses ermöglicht, daß die Testgravur verringert werden kann, während es der Laserquelle gestattet, kontinuierlich zu arbeiten, unabhängig davon, ob in gepulster oder in CW-Weise, wie beim Beispiel, das in der zweiten Darstellung der Fig. 9 gezeigt wird. Die Übertragungseigenschaften des Ablenkers oder Deflektors werden in der untersten Darstellung gezeigt, und besitzen ein stufiges Profil, das angeordnet ist, um die hintere Kante jedes Impulses vom Laser zu dämpfen. In dem in der Figur gezeigten Beispiel wird die Periode, die dem Winkel α entspricht, von drei Laserimpulsen besetzt, so daß somit drei korrespondierende synchronisierte Impulse in den Übertragungseigenschaften des Modulators auftreten. Tabelle 1: Einzeitreffer mit Springen von Sprungfolge -2 1/2/+1 1/2

Claims

1. Laserdruckkopf zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Vorbereiten eines Mediums für ein Druckverfahren, einschließlich eines akusto-optischen Modulators (AOM) zum Ablenken eines Laserstrahls und Mittel (L) zum Fokussieren des abgelenkten Strahls auf die Fläche des Mediums und eine Sperre (50), die so angeordnet ist, daß sie eine optische Ablage für eine nichtgewollte Leistungsgröße vom Deflektor vorsieht, wobei die Mittel zum Fokussieren (L) telezentrisch in bezug zu den abgelenkten Laserstrahlen angeordnet sind, und wobei die Austrittspupille, die durch den Bereich abgelenkter Laserstrahlen gebildet wird, an der rückseitigen Brennpunktsebene des Fokussiermittels angeordnet ist, und wobei der Kopf ferner eine Vielzahl austauschbarer Strahlenexpander oder -ausweiter innerhalb des Kopfes umfaßt, wobei ein ausgewählter Strahlenexpander in den Weg des Strahles zwischen dem Ablenker und dem Fokussiermittel bewegbar ist, um die gewünschte Zellgröße vorzusehen.

2. Laserdruckkopf nach Anspruch 1, bei dem die Sperre (50) eine Öffnung zum Durchlassen einer Strahlenreihe umfasst, sowie eine schräggestellte Spiegelfläche (52), die angeordnet ist, um die nicht gewollte Strahlenreihe divergierend zu reflektieren, sowie eine absorbierende Fläche (53), die angeordnet ist, um die reflektierte, nicht gewollte Strahlenreihe zu empfangen und zu absorbieren.

3. Laserdruckkopf nach Anspruch 2, bei dem die Spiegelfläche (52) und die Öffnung (51) durch einen kegelstumpfartigen, hohlen, konischen Spiegel vorgesehen werden, und wobei die absorbierende Fläche (53) an der Innenfläche eines Gehäuses um den konischen Spiegel herum ausgebildet ist.

4. Laserdruckkopf nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Strahlenexpander (20) überkreuzender Art sind.

5. Laserdruckkopf nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Fokussierungsmittel (L) in einer Position hinter einer unter Druck stehenden Luftdüse (24) fixiert sind.

6. Laserdruckkopf nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Endoptik der Fokussierungsmittel (L) ein Fenster zu einem verschlossenen Abteil bildet, das die anderen optischen Bestandteile von der Maschinenumgebung trennt.

7. Laserdruckkopf nach Anspruch 6, bei dem der akusto-optische Modulator (AOM) in einer Position zwischen dem geschlossenen Abteil und den entsprechenden festliegenden Kopplungsoptiken fixiert ist, um dem zugehörigen Strahl den erforderlichen winkelmäßigen und seitlichen Offset zu verleihen.

8. Laserdruckkopf nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der akusto-optische Modulator (AOM) aus einem Material gebildet ist, das thermischem Weglaufen unterliegt, ferner gekennzeichnet durch Mittel (FO) zum Ablenken eines Teiles des Strahls im optischen Weg zum Ablenker, wobei der abgelenkte Teil des Strahles zu einem optischen Leistungssensor (TD) gerichtet wird, und der Ausgang dieses Sensors überwacht wird, um beim Ablenker (AOM) das Auftreten einer optischen Leistung festzustellen, die eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.

9. Laserdruckkopf nach Anspruch 8, bei dem der akusto-optische Modulator (AOM) eine Germaniumeinrichtung ist.

10. Laserdruckkopf nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Leistungssensor (TD) eine Thermosäule ist, die eine schnelle Ansprechzeit besitzt.

11. Laserdruckkopf nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche 8 bis 10, ferner umfassend Mittel, die auf den optischen Leistungssensor ansprechen, und so angeordnet sind, daß sie den Laserstrahl abschneiden oder dämpfen, wenn die auf den Ablenker wirkende optische Leistung die vorbestimmte Schwelle überschreitet.

12. Laserdruckkopf nach Anspruch 11, einschließlich eines Spannungskomparators zum Vergleichen der Leistung der Thermosäule mit einer vorbestimmten Bezugsspannung.

13. Laserdruckkopf nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend Mittel zum Erzeugen eines Versuchsdrucks, in dem der akusto-optische Modulator betätigt wird, um den Strahl zu der Zeit abzuschalten, wenn der Strahl auf das Medium außerhalb eines vorbestimmten, umfangsmäßigen Teils auftrifft.

14. Lasdruckkopf, umfassend eine Anilox-Rolle (2), die in einer Druck- oder Gravurvorrichtung befestigt ist, einschließlich eines Laserdruckkopfes (6) nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche.