DE19621233A1

DE19621233A1 - Laserschreibeinrichtung mit Hochgeschwindigkeits-Hochleistungs-Lasertreiber

Info

Publication number: DE19621233A1
Application number: DE19621233A
Authority: DE
Inventors: William R Markis
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1996-05-25
Publication date: 1996-12-05
Also published as: GB2301700A; JPH0920024A; GB2301700B; GB9611113D0; US5598040A

Description

Die Erfindung behandelt allgemein Verfahren zum effizienten Einsatz von La serdioden in Laserschreibeinrichtungen, wie z. B. Druckern und Aufzeich nungsgeräten, und insbesonders Präzisions-Lasertreiber für derartige Drucker.

Bei Laserschreibeinrichtungen wie Thermo-Laserdruckern und Aufzeichnungs geräten wird die optische Laserleistung verwendet, um eine Übertragung von Farbstoff oder Druckfarbe von einem Spendermedium auf ein Empfangs element auszuführen. Zur Verbesserung der Schreibgeschwindigkeit von La sereinrichtungen ist eine hohe Leistung erforderlich. Ein Verfahren zum Erzie len einer hohen Leistung in einem Thermo-Laserdrucker besteht in der Ver wendung einer Vielzahl unabhängig voneinander modulierter Laserdioden. US- A-5,109,460 beschreibt ein Lichtwellenleiter-Drucksystem, bei dem eine Viel zahl unabhängig voneinander modulierter Laserdioden jeweils mit einem Ende eines dazugehörigen Lichtwellenleiters verbunden ist. Das jeweils andere Ende von jedem der Lichtwellenleiter ist in einer genuteten Fassung plaziert, so daß die Faserenden eine Reihe eng beabstandeter Elemente formen, die einen monolithischen Lichtwellenleiterkopf bilden. Der Lichtwellenleiterkopf wird auf ein thermisches Farbstoffmedium als eine Aneinanderreihung gering beab standeter Laserlichtpunkte abgebildet.

US-A-4,743,091 beschreibt eine optische Datenspeichervorrichtung, bei der zahlreiche unabhängig voneinander modulierte Laserdioden als eng gruppierte zweidimensionale Matrix angeordnet sind. Die Matrix wird auf ein in Bewegung befindliches optisches Aufzeichnungsmedium abgebildet.

Präzisions-Lasertreiber, wie z. B. Treiber mit einer Dauerleistung, die besser ist als 0,5% Stromregulierung, müssen unabhängig von Zeit, Temperatur usw. den zu einem Schreiblaser geleiteten Strom auf dem angewiesenen Wart hal ten können. Es gibt eine Reihe bekannter Möglichkeiten, derartige Präzisions- Lasertreiber zu erzeugen, beispielsweise das sogenannte "symmetrische" Sy stem. In einem symmetrischen System pendelt Gleichstrom von einer konstan ten Stromquelle zwischen dem Schreiblaser und einem zugeordneten "Schein"- oder Blindlaser. Nach dem Stand der Technik wird dieses Verfahren einge setzt, um die Wärmeentwicklung des Lasers konstantzuhalten. Bei einer be kannten Anwendung werden zehn Schreiblaser und zehn zugeordnete Blind laser verwendet, so daß der Strom zwischen ausgewählten Schreiblasern zum Einschalten bzw. dem jeweils zugeordneten Blindlaser zum Ausschalten des Schreiblasers pendelt.

Falls die Leitung von der Stromquelle zum Laser kürzer ist als die Viertelwel lenlänge der höchsten Frequenz, erscheint die Leitung über dem gesamten verwendeten Frequenzbereich als unerreichte Lastinduktivität. Die Lastinduk tivität kann eine Gegen-EMK erzeugen, die dem zum Hin- und Herpendeln der konstanten Stromquelle zwischen dem Blindlaser und dem Schreiblaser erfor derlichen Stromanstieg entgegengesetzt ist.

Bei Lasern mit niedriger Leistung würde der Effekt der Lastinduktivität durch die einfache Angleichung der Lastimpedanz an die Leitungsimpedanz effektiv beseitigt. Ohne die Verwendung von Widerständen ist es aber sehr schwierig, eine Breitbandanpassung zu erreichen, wohingegen die Verwendung von Widerständen zum Leistungsverlust durch Wärmeentwicklung führt. Es ist somit in der Praxis schwierig, den Versuch zu unternehmen, bei Verwendung von Hochleistungslasern die Leitungslast zu erreichen.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung die Bereitstellung einer Laserschreibeinrichtung mit einem Hochleistungspräzisions-Lasertreiber bei hoher Geschwindigkeit.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Schreibanord nung aus Laserdioden mit Hochleistungspräzisions-Lasertreibern bei hoher Geschwindigkeit.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird diese Aufgabenstellung ge löst, indem eine konstante Stromquelle zwischen einem Schreiblaser und einer Blindlast umgeschaltet wird und indem ein Induktor in einem Zweig der Schal tung bereitgestellt wird, so daß der Induktor und die konstante Stromquelle mit der Blindlast bzw. dem Schreiblaser eine Reihenschaltung bilden, und zwar in Abhängigkeit davon, welches dieser Elemente jeweils eingeschaltet ist. Der Induktor hält den Strom konstant, da der Induktor eine Gegen-EMK zur EMK der Lastinduktivität erzeugt.

Die Hinzufügung eines Induktors zwischen der konstanten Stromquelle und der geschalteten Last löst das eingangs erwähnte Problem des Aufladens der Lastinduktivität. Da der Strom durch diesen Teil der Schaltung sich nicht än dern dürfte, hat hier ein Induktor keinen schädlichen Einfluß, und er hält den Stromfluß auf einem konstanten Pegel. Die hinzugefügte Induktivität erzeugt eine Gegen-EMK zur EMK der Lastinduktivität und dient somit zur Erhöhung der Bürdenspannung. Die Gesamtwirkung des hinzugefügten Induktors besteht in der Wiederherstellung der konstanten Stromeigenschaft der Schaltung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer optischen Anordnung zur Ver wendung mit einer Laserdiodenanordnung in einem erfindungsge mäßen Thermo-Laserdrucker oder -Aufzeichnungsgerät;

Fig. 2a eine "ideale" Schaltung, die keine Induktivität im Lastwiderstand hat;

Fig. 2b den Stromverlauf durch einen Teil der in Fig. 2a wiedergegebenen Schaltung;

Fig. 2c den Spannungsverlauf über einem Teil der in Fig. 2a wiedergegebe nen Schaltung;

Fig. 3a eine Schaltung mit Induktivität im Lastwiderstand;

Fig. 3b den Stromverlauf durch einen Teil der in Fig. 3a wiedergegebenen Schaltung;

Fig. 3c den Spannungsverlauf über einem Teil der in Fig. 3a wiedergegebe nen Schaltung;

Fig. 4a eine schematische Darstellung eines Lasertreibers für Hochge Schwindigkeits-Hochleistungs-Laserdiodenanordnungen in Laser druckern und -aufzeichnungsgeräten, wobei die durch die Erfindung überwundenen Probleme dargestellt sind;

Fig. 4b den Stromverlauf durch einen Teil der in Fig. 4a wiedergegebenen Schaltung;

Fig. 4c den Spannungsverlauf über einem Teil der in Fig. 4a wiedergegebe nen Schaltung;

Fig. 5a eine schematische Darstellung eines Lasertreibers für Hochge Schwindigkeits-Hochleistungs-Laserdiodenanordnungen in Laser druckern und -aufzeichnungsgeräten, wobei eine bevorzugte Aus führungsform der Erfindung dargestellt ist;

Fig. 5b den Stromverlauf durch einen Teil der in Fig. 5a wiedergegebenen Schaltung;

Fig. 5c den Spannungsverlauf über einem Teil der in Fig. 5a wiedergege benen Schaltung;

Fig. 6 einen detaillierteren Stromlaufplan der in Fig. 5a wiedergegebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Die Beschreibung bezieht sich insbesondere auf Elemente, die einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden oder die direkt damit zusammenwirken. Selbstverständlich können Elemente, die nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben sind, unterschiedliche Formen annehmen, die den Fachleuten be reits bekannt sind.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 umfaßt eine optische Anordnung 10 für einen Thermo-Laserdrucker mit Multimoden-Laserdiodenanordnung 12 eine Vielzahl unabhängig voneinander modulierter und auf einem Substrat 14 aus gebildeter Laserdiodenquellen 13. Laserlicht wird durch eine erste Zylinder linse 16 mit numerisch großer Blende, eine zweite Zylinderlinse 18 mit nume risch kleiner Blende, eine Mikrolinsenanordnung 20 und eine Drucklinse 22 fo kussiert.

Fig. 2a gibt eine "ideale" Schaltung wieder, die in einem Lastwiderstand 24 keine Induktivität aufweist. Beim Schließen eines Schalters 26 ist der Strom "I" von einer konstanten Stromquelle 28 durch die Last in Fig. 2b dargestellt, wäh rend in Fig. 2c die Spannung V_L über der Last 24 wiedergegeben ist. V_L wird als IR_L angenommen, und diese Spannung ist geringer als die maximale Bür denspannung der konstanten Stromquelle 28.

Falls aber der Strom entsprechend der Darstellung in Fig. 3a durch eine Stromquelle in einen Induktor 30 geleitet wird, erzeugt der Induktor eine Gegen-EMK oder "Rückspannung" in der Richtung, die jede Stromänderung verhindert, wobei die Größe wie folgt ausgedrückt ist:

V = Ldi/dt

mit "L" als Induktivitätswert des Induktors 30.

Diese Eigenschaft ist ein wesentliches Problem, falls ein vergleichsweise star ker Strom schnell durch eine, wenn auch geringe, Induktivität gezwungen wird. Ist der Compliance-Bereich der Stromquelle überschritten (das heißt der Impe danzbereich, in dem eine konstante Stromquelle in der vorgesehenen Weise arbeiten kann), stellt die Stromquelle ihre Funktionsweise bis zum Aufladen der Induktivität ein. Fig. 3b stellt den Strom "I" durch die in Fig. 3a wiedergegebene Schaltung dar, während Fig. 3c die Spannung V_L über der widerstandsbehafte ten und induktiven Last wiedergibt. Hierbei hat V_L eine Ldi/dt-Komponente, die die Stromquelle an ihre Compliance-Grenze bringt, so daß sie keine wirksame Stromquelle mehr ist.

In Fig. 4a enthält ein Lasertreiber für Hochgeschwindigkeits-Hochleistungs- Laserdiodenanordnungen in Laserdruckern und -aufzeichnungsgeräten eine konstante Stromquelle 32 und zwei Laserlasten 34 und 36. Die Last 34 kann einen Schreiblaser darstellen, und die Last 36 kann einen Blindlaser darstellen. Man beachte, daß in der Schaltung die Induktivitäten 38 und 40 der Leitungen wiedergegeben sind. Zwei Schalter 42 und 44 wirken bei entgegengesetzten Zuständen zusammen, um den Strom von der Quelle 32 zwischen der Last 34 und der Last 36 pendeln zu lassen.

Entsprechend der Darstellung ist der Schalter 44 geschlossen, wodurch ein konstanter Strom durch den Blindlaser 34 bereitgestellt wird. Die Leitungsin duktivität 40 erzeugt keine EMK. Wenn anschließend der Schalter 44 geöffnet und gleichzeitig der Schalter 42 geschlossen wird, um den Strom vom Blind laser 36 zum Schreiblaser 34 umzuleiten, erzeugt die Leitungsinduktivität 38 eine der Stromänderung entgegengesetzte EMK entsprechend der Darstellung in Fig. 4b. Fig. 4c gibt die Spannung über der Last wieder.

In Fig. 5a enthält ein Lasertreiber für Hochgeschwindigkeits-Hochleistungs- Laserdiodenanordnungen in Laserdruckern und -aufzeichnungsgeräten eine konstante Stromquelle 32′ und zwei Laserlasten 34′ und 36′. Wie bei der Dar stellung in Fig. 4a kann die Last 34′ einen Schreiblaser darstellen, und die Last 36′ kann einen Blindlaser darstellen. Man beachte, daß in der Schaltung wie derum die Leitungsinduktivitäten 38′ und 40′ wiedergegeben sind. Erneut wir ken zwei Schalter 42′ und 44′ bei entgegengesetzten Zuständen zusammen, um den Strom von der Quelle 32′ zwischen der Last 34′ und der Last 36′ pen deln zu lassen. Abweichend von der Darstellung in Fig. 4a ist in der Schaltung ein Induktor 46 vorhanden, der zwischen der konstanten Stromquelle 32′ und der an die konstante Stromquelle angeschlossenen Last vorgesehen ist. Der Induktor 46 ist derart in einem Zweig der Schaltung zwischen der konstanten Stromquelle und der Last vorgesehen, daß der Induktor und die konstante Stromquelle mit der Blindlast bzw. dem Schreiblaser eine Reihenschaltung bil det - und zwar in Abhängigkeit davon, welches dieser Elemente jeweils einge schaltet ist - kann der Induktor den Strom konstanthalten, da der Induktor eine zur EMK der Lastinduktivitäten gegenläufige EMK erzeugt.

Die Hinzufügung eines Induktors zwischen der konstanten Stromquelle und der geschalteten Last löst das eingangs erwähnte Problem der Aufladung der Lastinduktivität. Da der Strom durch diesen Teil der Schaltung sich nicht än dern dürfte, hat ein Induktor hier keine beeinträchtigende Wirkung, und er hält den Stromfluß auf einem kontinuierlichen Pegel. Die hinzugefügte Induktivität erzeugt eine Gegen-EMK zu der EMK der Lastinduktivität und dient zur Erhö hung der Compliance-Spannung. Die Gesamtwirkung des hinzugefügten Induk tors besteht in der Wiederherstellung der konstanten Stromeigenschaft der Schaltung.

Entsprechend der Darstellung ist der Schalter 44′ geschlossen, und dadurch wird ein konstanter Strom durch den Blindlaser 34′ bereitgestellt. Die Leitungs induktivität 40′ erzeugt keine EMK. Wenn anschließend der Schalter 44′ geöff net und gleichzeitig der Schalter 42′ geschlossen wird, um den Strom vom Blindlaser 36′ zum Schreiblaser 34′ umzuleiten, erzeugt die Leitungsinduktivität 38′ eine der Stromänderung entgegengesetzte EMK, aber der Induktor 46 er zeugt eine Gegen-EMK, um zu versuchen, die EMK der Leitungsinduktivität abzugleichen, wodurch ein Strom entsprechend der Darstellung in Fig. 5b er zeugt wird. Fig. 5c gibt die Spannung über der Last wieder.

Fig. 6 stellt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laser treibers dar. Der p-Kanal-MOS-FET Q₁ vom Verstärkungstyp, der Operations verstärker U₁, der Operationsverstärker U₂ und ihre dazugehörigen Komponen ten bilden die in Fig. 5a wiedergegebene konstante Stromquelle. Der Operati onsverstärker U₁ erhält einen Strompegelbefehl von einer nicht dargestellten externen Quelle und baut eine Spannung über einem Abtastwiderstand R_s auf. Hierdurch entsteht wiederum ein Strom durch R_s. Da der FET Q₁ innerhalb der Schleife des Operationsverstärkers U₁ angeordnet ist, hebt die Verstärkung des Operationsverstärkers die möglichen vom FET Q₁ erzeugten Wirkungen auf. Der Operationsverstärker U₂ und seine dazugehörigen Komponenten bil den eine Stromzufuhr-Sperrschaltung mit Verstärkung 1 : 1. Eventuelle Span nungsänderungen der Stromzufuhr werden an beiden Seiten von R_s reflektiert. Bei einer Spannungsänderung der Stromzufuhr kommt es damit zu keiner Änderung der Stromstärke.

Der eingangs erwähnte hinzugefügte Induktor 46 ist mit dem Drain-Anschluß des FET Q₁ verbunden. Wie zuvor erwähnt wurde, hat der Induktor die Auf gabe, den Strom während der Schaltimpulse auf einem konstanten Wert zu halten. Die andere Seite des Induktors 46 ist mit beiden Quellen eines FET- Differentialschalters Q₂, Q₃ verbunden, wodurch die in Fig. 5a wiedergegebe nen Schalter 42′ und 44′ gebildet werden. Diese Bauteile werden durch die Operationsverstärker U₃ bzw. U₄ ihrer Gate-Steuerung geschaltet. Die Operati onsverstärker setzen ein TTL-Signal in Pegel um, die zur Steuerung der Gate- Elektroden geeignet sind. Da die Signale zu den Operationsverstärkern U₃ und U₄ komplementär sind, werden die FETs Q₂ und Q₃ zu entgegengesetzten Zeit punkten ein- und ausgeschaltet.

Die Schaltung wird durch die Hinzufügung von Schottky-Dioden D₁ und D₂ sowie von zwei Klemmeinrichtungen Q₄ und Q₅ vervollständigt. Die Schottky- Dioden D₁ und D₂ führen eine Doppelfunktion aus: Sie schützen die Laserein richtungen vor Umschaltstößen, und sie stellen einen Entladungspfad für die Lastinduktivität bereit. Die Klemmeinrichtungen schützen die Laser vor Durch laßstößen, und sie wirken auch als Sicherheitsmerkmale für das Bedienperso nal, da sie den gesamten Strom sowohl im aktiven Laser als auch im Blindlaser an Masse parallelschalten, sofern keine andere Anweisung ansteht.

Die Erfindung wurde ausführlich mit besonderem Bezug auf bevorzugte Aus führungsformen beschrieben. Im Rahmen des Schutzbereichs der Erfindung können aber selbstverständlich Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden.

Claims

1. Laserschreibeinrichtung mit einem Lasertreiber, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Komponenten enthalten sind:
mindestens ein Schreiblaser (34);
eine Blindlast (36), die jedem der enthaltenen Schreiblaser (34) zugeord net ist;
eine konstante Stromquelle (32);
Schaltmittel (42, 44) zur wechselweisen Verbindung der konstanten Stromquelle (32) mit dem mindestens einen Schreiblaser (34, 34′) und der den enthaltenen Schreiblasern (34, 34′) zugeordneten Blindlast (36, 36′); und
ein Induktor (46), der so positioniert ist, daß er zwischen der konstanten Stromquelle (32′) und dem mindestens einen Schreiblaser (34′) ange schlossen ist, wenn der mindestens eine Schreiblaser (34′) durch die Schaltmittel mit der konstanten Stromquelle (32′) verbunden ist; bzw. daß er zwischen der konstanten Stromquelle (32′) und der Blindlast (36′) an geschlossen ist, wenn die Blindlast (36′) durch die Schaltmittel mit der konstanten Stromquelle (32′) verbunden ist.

2. Laserschreibeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindlast (36, 36′) ein Scheinlaser ist.

3. Laserschreibeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Schreiblaser (34, 34′) eine Vielzahl unabhängig voneinander modulierter Laserdioden ist.

4. Laserschreibeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (42, 44) zwei Schalter umfassen, die bei entgegengesetz ten Zuständen gemeinsam betätigt werden können, um den Strom von der konstanten Stromquelle (32, 32′) zwischen dem mindestens einen Schreiblaser (34, 34′) und der Blindlast (36, 36′) pendeln zu lassen.