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Dokumentenidentifikation DE10208054C1 07.08.2003
Titel Vorrichtung zur Ansteuerung eines akustooptischen Modulators
Anmelder Heidelberger Druckmaschinen AG, 69115 Heidelberg, DE
Erfinder Fischer, Jörg-Achim, 24235 Laboe, DE
DE-Anmeldedatum 25.02.2002
DE-Aktenzeichen 10208054
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.08.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.08.2003
IPC-Hauptklasse G02F 1/33
IPC-Nebenklasse B41C 1/05   
Zusammenfassung Es wird eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines akustooptischen Modulators (3) in einer Belichtungseinheit zur Belichtung von Druckvorlagen mit einem Laserstrahl (4) beschrieben. Das Ansteuersignal für den akustooptischen Modulator (3) ist ein Hochfrequenzsignal (9), das mit einem Bildsignal (23) moduliert ist, wobei das Hochfrequenzsignal (9) mit einer Leistungsverstärkungsstufe (24) erzeugt wird. Zur Reduzierung der Verlustleistung ist die Leistungsverstärkungsstufe (24) als Gegentaktverstärker ausgebildet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen Reproduktionstechnik und betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines akustooptischen Modulators in einer Belichtungseinheit, in der mit einem modulierten Laserstrahl Druckvorlagen oder Druckplatten belichtet werden.

In der elektronischen Reproduktionstechnik werden Belichtungseinheiten zur Belichtung von Druckvorlagen und Druckformen eingesetzt. Dazu wird ein Laserstrahl oder ein Bündel von parallelen Laserstrahlen relativ zum Aufzeichnungsmaterial zeilenweise bewegt, und mit jedem Überstreichen des Aufzeichnungsmaterials werden eine bzw. mehrere Zeilen der aufzuzeichnenden Bilddaten gleichzeitig belichtet. Die Druckformen können auf Filmmaterial belichtet werden, so dass sogenannte Farbauszugsfilme entstehen, die anschließend mittels eines fotografischen Umkopierverfahrens zur Herstellung von Druckplatten dienen. Statt dessen können auch die Druckplatten selbst in einem Plattenbelichter oder direkt in einer digitalen Druckmaschine belichtet werden. Schließlich gibt es auch die Anwendung von Belichtungsverfahren, um Flexodruckformen oder Tiefdruckformen durch selektives Abtragen von Material mit Laserstrahlen hoher Leistung herzustellen. Das Aufzeichnungsmaterial kann sich auf einer Trommel befinden (Trommelbelichter), in einer zylindrischen Mulde (Innentrommelbelichter) oder auf einer ebenen Fläche (Flachbettbelichter).

Zur Erzeugung und Modulation von Laserstrahlen sind eine Reihe von optischen Anordnungen und Prinzipien bekannt. Bei einer häufig verwendeten Anordnung wird ein Laserstrahl mittels eines akustooptischen Modulators abgelenkt und zugleich in der Intensität moduliert. Der Laserstrahl kann auch mit einem akustooptischen Modulator in mehrere einzeln Strahlen aufgespaltet werden, die gleichzeitig in der Intensität moduliert werden. Man kann auch mehrere Laser verwenden, von denen jeder mit einem separaten akustooptischen Modulator moduliert wird.

In der Patentschrift US 5,837,962 wird ein System beschrieben, das mit einem Leistungslaser Zeichen, wie beispielsweise Buchstaben und Ziffern, in ein Werkstück graviert. Zum Schreiben eines Zeichens wird der Laserstrahl von zwei akustooptischen Modulatoren in zwei orthogonal zueinander stehenden Richtungen um kleine Winkel abgelenkt. Dazu werden die Modulatoren mit bezüglich der Frequenz und der Amplitude variablen Hochfrequenzimpulsen so angesteuert, dass der Laserstrahl auf dem Werkstück einen Pfad in der Form des zu gravierenden Zeichens beschreibt. Mit den Hochfrequenzimpulsen werden Laserimpulse erzeugt, die das Zeichen als eine Folge von eingravierten Punkten in dem Werkstück markieren. Mit zwei Galvanometerspiegeln, deren Drehachsen orthogonal zueinander sind, wird der Laserstrahl um größere Winkel abgelenkt, so dass er Zeichen für Zeichen und Zeile für Zeile die zu beschreibende Fläche auf dem Werkstück überstreicht.

In der Offenlegungsschrift US 2001/0038458 A1 wird ein Laserrecorder beschrieben, der mit einem oder mehreren Laserstrahlen eine Druckform für das flexografische Druckverfahren erzeugt. Dazu wird eine Außentrommel mit einem Flexomantel bespannt, und ein Laserschreibkopf wird an der Trommel axial entlang geführt, während die Trommel rotiert. Jeder Laserstrahl wird mit einem akustooptischen Modulator entsprechend dem aufzuzeichnenden Bildsignal moduliert. Um die durch die spiralförmige Aufzeichnung entstehende Verzerrung zu kompensieren, werden in einer der Ausführungsformen die Laserstrahlen mit den akustooptischen Modulatoren in axialer Richtung gegenläufig zur Schräge des spiraligen Aufzeichnungsweges abgelenkt, so dass trotz des kontinuierlichen Vorschubs für jede Trommelumdrehung geschlossene Kreisspuren aufgezeichnet werden. Dazu werden die Frequenzen der an den Modulatoren anliegenden Hochfrequenzsignale nach einer Sägezahnfunktion verändert.

In der Patentschrift US 5,002,348 wird ein optisch arbeitender Fourier Prozessor beschrieben. In einer Ausführungsform wird ein Laserstrahl mit einem akustooptischen Ablenker abgelenkt, so dass ein semitransparentes Medium, das eine Bildinformation enthält, gescannt wird. Mit einem weiteren akustooptischen Ablenker wird der mit der Bildinformation modulierte Laserstrahl synchron zum ersten Ablenker "entscannt" und auf einen feststehenden Fotodetektor gelenkt.

Ein akustooptischer Modulator wird mit einem Hochfrequenzsignal angesteuert, das in einem Kristall eine Beugung eines einfallenden Laserstrahls bewirkt. Der Beugungswinkel ist von der Frequenz abhängig und die Lichtleistung des gebeugten Laserstrahls von der Amplitude des Hochfrequenzsignals. Zur Erzeugung, Modulation und Verstärkung des Hochfrequenzsignals werden nach dem Stand der Technik Baugruppen verwendet, die für die Fernsehtechnik entwickelt wurden und die gegebenenfalls für die Anwendung bei einem akustooptischen Modulator leicht verändert wurden. Solche Baugruppen eignen sich für diesen Anwendungsfall, da die Frequenz des Hochfrequenzsignals bis zu einigen 100 MHz beträgt. Die Leistungsstufe des Verstärkers, der das Hochfrequenzsignal mit einer für den Modulator erforderlichen Leistung abgibt, hat im Vergleich zur abgegebenen Leistung eine hohe Leistungsaufnahme, beispielsweise eine Leistungsaufnahme von 14 W bei einer abgegebenen Hochfrequenzleistung von 1,5 W. Eine so hohe Verlustleistung ist nachteilig, da sie in der Belichtungseinheit eine zu hohe Erwärmung erzeugen kann bzw. eine entsprechende Kühlung der Baugruppen erforderlich macht. Besonders nachteilig ist es, wenn die Verlustwärme die Temperatur des Modulatorkristalls erhöht. Durch die Wärmeentwicklung ist es weitgehend nicht möglich, den akustooptischen Modulator und seine Ansteuerschaltung in einer kleinen kompakten Baugruppe zu integrieren. Andererseits verursacht eine getrennte Anordnung des Modulators und der Ansteuerschaltung häufig elektromagnetische Störungen, so dass ein hoher Aufwand zur Abschirmung der Bauelemente und der Verbindungskabel erforderlich ist. Eine Integration des akustooptischen Modulators und der Ansteuerschaltung ist deshalb erwünscht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines akustooptischen Modulators anzugeben, die eine geringe Verlustleistung und damit verbunden eine geringe Wärmeentwicklung erzeugt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht dadurch eine Integration eines akustooptischen Modulators und der zugehörigen Ansteuerschaltung in einer kompakten Modulationseinheit. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Stand der Technik und die Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die grundsätzliche Arbeitsweise eines akustooptischen Modulators in einer Belichtungseinheit,

Fig. 2 eine herkömmliche Ansteuerschaltung für einen akustooptischen Modulato r,

Fig. 3 das Bildsignal und das modulierte Hochfrequenzsignal, und

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung für einen akustooptischen Modulator.

Fig. 1 zeigt schematisch die Arbeitsweise einer Belichtungseinheit, in der ein von einer Laserlichtquelle 1 erzeugter Laserstrahl 2 mit einem akustooptischen Modulator 3 moduliert wird. Der Modulator arbeitet nach Art eines Beugungsgitters und zerlegt bzw. beugt den einfallenden Laserstrahl 2 in den aktiven Laserstrahl 4 und einen ausgeblendeten Laserstrahl 5. Die Ausblendung erfolgt hier mittels eines Umlenkspiegels 6 und einem Laserstrahlsumpf 7, beispielsweise einer Kühlfläche. Der aktive Laserstrahl 4 wird mit einer Linsenanordnung 10 auf das Aufzeichnungsmaterial 11 fokussiert. In den akustooptischen Modulator 3 wird eine Schallleistung über einen Transducer 8 in einen Kristall 12 eingekoppelt. Dazu wird der Transducer 8 mit einem Hochfrequenzsignal 9 in Schwingungen versetzt, die im Innern des Kristalls 12 eine Ultraschallwelle erzeugen. Durch die Ultraschallwelle bilden sich periodische Änderungen des Brechungsindexes als sogenanntes Bragg-Gitter aus. Der einfallende Laserstrahl 2 wird an diesem Gitter gebeugt, so dass aus dem Kristall 12 ein Strahl nullter Ordnung als aktiver Laserstrahl 4 und ein Strahl erster Ordnung als ausgeblendeter Laserstrahl 5 austreten. Dabei entspricht die Gesamtintensität beider Laserstrahlen 4, 5 der Intensität des einfallenden Laserstrahls 2. Wie viel Licht in die erste Ordnung gebeugt wird, hängt von der Amplitude des angelegten Hochfrequenzsignals 9 ab, und der Beugungswinkel ist von der Frequenz des Hochfrequenzsignals 9 abhängig.

Die Hochfrequenzspannung 9 wird mit dem aufzuzeichnenden Bildsignal moduliert, so dass das Bildsignal in entsprechende Intensitätsschwankungen des aktiven Laserstrahls 4 umgesetzt wird. Ob der gebeugte oder der ungebeugte Strahl als aktiver Laserstrahl 4 verwendet wird, hängt vom Anwendungsfall ab. Beides ist prinzipiell möglich. Dabei wird dann der jeweils nicht aktive Strahl in den Laserstrahlsumpf 7 gelenkt.

Fig. 2 zeigt schematisch eine herkömmliche Ansteuerschaltung für den akustooptischen Modulator 3. Ein Oszillator 20 erzeugt eine Trägerfrequenz 21, beispielsweise mit einer Frequenz von 200 MHz. In einer Modulationsstufe 22 wird das Bildsignal 23 auf die Amplitude der Trägerfrequenz 21 aufmoduliert und dann der Leistungsverstärkungsstufe 24 zugeführt. Das Ausgangssignal der Leistungsverstärkungsstufe 24 wird als Hochfrequenzsignal 9 schließlich an den Steuereingang des akustooptischen Modulators 3 weitergegeben. Im Gehäuse des akustooptischen Modulators 3 erfolgt durch ein Impedanznetzwerk 25 noch eine Widerstandsanpassung an den Eingangswiderstand des Transducers 8, z. B. von 50 Ohm auf 10 Ohm. Dadurch kann eine handelsübliche Koaxialleitung mit einem Leitungswiderstand von 50 Ohm verwendet werden, um den Ausgang der Leistungsverstärkungsstufe 24 und den Steuereingang des akustooptischen Modulators 3 zu verbinden, wenn die Ansteuerschaltung und der Modulator räumlich weiter entfernt sind.

Wie in Fig. 2 angedeutet, wird die Leistungsverstärkungsstufe 24 im A-Betrieb betrieben, d. h. mit einer Arbeitspunkteinstellung, bei der durch den Endtransistor T und seine Lastwiderstände R1 und R2 auch ohne ein Steuersignal von der Modulationsstufe 22 schon ein Kollektorruhestrom fließt. Durch ein Steuersignal von der Modulationsstufe 22 an der Basis des Endtransistors T wird der Kollektorstrom sowohl in positiver als auch in negativer Richtung vom Kollektorruhestrom aus gesteuert. Eine solche Betriebsweise der Leistungsverstärkungsstufe 24 ist erforderlich, wenn wie z. B. in der Fernsehtechnik ein moduliertes Signal möglichst linear und verzerrungsfrei verstärkt werden soll. Der Nachteil des A-Betriebs ist, dass die Leistungsverstärkungsstufe 24 durch den Kollektorruhestrom unabhängig vom Bildsignal 23 ständig eine hohe Verlustleistung aufnimmt, d. h. unabhängig davon, ob der akustooptische Modulator 3 gerade eine Schallleistung zur Beugung des einfallenden Laserstrahls 2 aufnimmt oder nicht. Bedingt durch die hohe Verlustleistung entwickelt die Leistungsverstärkungsstufe 24 viel Wärme, und sie hat auch nur einen schlechten Wirkungsgrad, gemessen als Verhältnis der an den akustooptischen Modulator 3 abgegebenen Steuerleistung zur aufgenommenen Verlustleistung.

In einer Belichtungseinheit zur Aufzeichnung von Druckvorlagen, beispielsweise Druckplatten, ist jedoch kein besonders linearer und verzerrungsfreier Verstärker erforderlich. Die Druckvorlagen sind gerastert, d. h. unterschiedliche Tonwerte in den Farbauszügen werden durch Rasterpunkte dargestellt, deren Größe entsprechend den Tonwerten variiert wird. Die Rasterpunkte werden bei der Belichtung der Druckvorlagen aus vielen kleinen Belichtungspunkten zusammengesetzt, z. B. mit einer Auflösung von 1000 Belichtungspunkten/cm. Das Bildsignal 23 gibt nur an, ob an einer Stelle auf der Druckvorlage ein Belichtungspunkt als Teil eines Rasterpunktes belichtet werden soll oder nicht, d. h. das Bildsignal 23 kann nur zwei Werte annehmen, 0 oder 1. Dementsprechend besteht das auf die Trägerfrequenz 21 modulierte Bildsignal, d. h. auch das Hochfrequenzsignal 9, aus Impulsen der Trägerfrequenz 21. Wenn das Bildsignal den Wert 0 hat, ist in dem modulierten Signal die Trägerfrequenz 21 ausgeschaltet, und wenn das Bildsignal den Wert 1 hat, ist in dem modulierten Signal die Trägerfrequenz 21 eingeschaltet. Das Bildsignal 23 und das zugehörige Hochfrequenzsignal 9 sind in Fig. 3 als Funktion der Zeit dargestellt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ansteuerung des akustooptischen Modulators 3 sieht vor, dass die Leistungsverstärkungsstufe 24 als Gegentaktverstärker ausgebildet ist, der vorzugsweise im C-Betrieb arbeitet. Dies ist in Fig. 4 in Form einer einfachen Gegentaktschaltung schematisch dargestellt. Wenn das Bildsignal den Wert 0 hat, d. h. wenn das von der Modulationsstufe 22 kommende modulierte Signal Null ist, sind die beiden Endtransistoren T1 und T2 der Leistungsverstärkungsstufe 24 gesperrt. Dementsprechend fließt kein Strom im Ausgangskreis und die Leistungsaufnahme ist gering. Wenn das Bildsignal den Wert 1 hat, d. h. wenn das von der Modulationsstufe 22 kommende modulierte Signal aus der eingeschalteten Trägerfrequenz 21 besteht, ist der Endtransistor T1 während der positiven Halbwellen leitend und liefert den Ausgangsstrom, während der Endtransistor T2 gesperrt ist. In den negativen Halbwellen der Trägerfrequenz 21 wird der Endtransistor T2 leitend und der Endtransistor T1 ist gesperrt. Der Gegentaktverstärker nimmt nur dann eine nennenswerte Leistung auf, wenn durch die beiden Endtransistoren T1 und T2 Strom fließt, d. h. nur in den Zeitabschnitten, in denen das Bildsignal 23 die Trägerfrequenz 21 einschaltet. Wenn das Bildsignal 23 die Trägerfrequenz 21 ausgeschaltet hat, wird nur sehr wenig Leistung aufgenommen. Dadurch wird weniger Wärme erzeugt und der Wirkungsgrad wird verbessert. Die Fig. 4 zeigt nur ein Beispiel für eine Leistungsverstärkungsstufe 24 in Gegentaktschaltung. Andere Varianten von Gegentakt-Leistungsverstärkungsstufen, wie sie aus der Hochfrequenztechnik bekannt sind, können erfindungsgemäß ebenfalls zur verlustarmen Ansteuerung eines akustooptischen Modulators 3 verwendet werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird als Trägerfrequenz 21 ein hochfrequentes Rechtecksignal verwendet. Damit kann die Leistungsverstärkungsstufe 24 als verlustarmer Gegentakt-Schaltverstärker mit schnellen Feldeffekttransistoren aufgebaut werden.

Die verlustarme Ansteuerung eröffnet die Möglichkeit, die Ansteuerschaltung bestehend aus dem Oszillator 20, der Modulationsstufe 22 und der Leistungsverstärkungsstufe 24 zusammen mit dem akustooptischen Modulator 3 in einem Gehäuse als kompakte Modulationseinheit zu integrieren. In dem Fall kann das Impedanznetzwerk 25 auch entfallen, wenn die Leistungsverstärkungsstufe 24 so dimensioniert wird, dass sie widerstandsmäßig an den Eingangswiderstand des Transducers 8 angepasst ist. Durch moderne SMD Technologie (surface mounted devices) können alle Bauelemente auf sehr engem Raum integriert werden, und Feldeffekttransistoren ermöglichen eine praktisch leistungslose Übertragung des Bildsignals 23. Die Stromversorgung der Gegentakt-Leistungsverstärkungsstufe 24 benötigt aber eine gute Filterung, um zu verhindern, dass die integrierte Modulationseinheit elektromagnetische Störungen verursacht. Eine solche kompakte Bauweise ist besonders vorteilhaft, wenn die Belichtungseinheit mit mehreren parallelen Laserstrahlen arbeitet, wobei für jeden Laserstrahl eine Modulationseinheit aus einem akustooptischen Modulator 3 und seiner Ansteuerschaltung vorgesehen ist. In einer noch höher integrierten Ausbaustufe können mehrere solche Modulationseinheiten in einer Baugruppe zusammengefasst werden, die die akustooptischen Modulatoren 3 und die zugehörigen Ansteuerschaltungen für mehrere Laserstrahlen enthält.

Die vorgeschlagene Bauweise einer integrierten akustooptischen Modulationseinheit ist jedoch nur für Anwendungen geeignet, bei denen nur ein aktiver Laserstrahl 4 in jedem akustooptischen Modulator 3 erzeugt wird. Eine Arbeitsweise, bei der der Modulator mit einem Frequenzgemisch aus mehreren Trägerfrequenzen 21 angesteuert wird, die den einfallenden Laserstrahl 2 in mehrere modulierte aktive Laserstrahlen 4 aufspalten, ist nicht möglich, da dafür eine linear arbeitende Leistungsverstärkungsstufe 24 benötigt wird. Für die Anwendung in einem Belichter für gerasterte Druckvorlagen bzw. Druckplatten, die mit einem oder mehreren parallelen Laserstrahlen aufgezeichnet werden, ist die vorgeschlagene integrierte akustooptische Modulationseinheit sehr gut geeignet, wenn jeder Laserstrahl mit einen separaten Modulator moduliert wird. Wegen der erforderlichen Laserleistung gilt dies vor allem für Belichtungsverfahren, bei denen Druckformen durch selektives Abtragen von Material hergestellt werden. In dem Fall ist auch keine Linearität der Leistungsverstärkungsstufe 24 erforderlich. Bezugszeichenliste 1 Laserlichtquelle

2 einfallender Laserstrahl

3 akustooptischer Modulator

4 aktiver Laserstrahl

5 ausgeblendeter Laserstrahl

6 Umlenkspiegel

7 Laserstrahlsumpf

8 Transducer

9 Hochfrequenzsignal

10 Linsenanordnung

11 Aufzeichnungsmaterial

12 Kristall

20 Oszillator

21 Trägerfrequenz

22 Modulationsstufe

23 Bildsignal

24 Leistungsverstärkungsstufe

25 Impedanznetzwerk


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Ansteuerung eines akustooptischen Modulators (3) mit einem Hochfrequenzsignal (9), das durch die Modulation einer Trägerfrequenz (21) mit einem Bildsignal (23) erzeugt wird, in einer Belichtungseinheit zur Belichtung von Druckvorlagen mit einem aktiven Laserstrahl (4), wobei das Hochfrequenzsignal (9) mit einer Ansteuerschaltung bestehend aus einem Oszillator (20), einer Modulationsstufe (22) und einer Leistungsverstärkungsstufe (24) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsverstärkungsstufe (24) als Gegentaktverstärker ausgebildet ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsverstärkungsstufe (24) im C-Betrieb arbeitet.
  3. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz (21) ein Rechtecksignal ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der akustooptische Modulator (3) und die Ansteuerschaltung in einer kompakten Modulationseinheit integriert sind.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere akustooptische Modulatoren (3) und die zugeordneten Ansteuerschaltungen in einer Baugruppe integriert sind.






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