DE4419038A1 - Mehrfachstrahlen erzeugendes Element und damit ausgerüstetes optisches Druckgerät - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Mehrfachstrahlen erzeu­ gendes Element und ein damit ausgerüstetes optisches Druckgerät, und insbesondere auf ein Mehrfachstrahlen erzeugendes Element und ein damit ausgerüstetes optisches Druckgerät, bei dem ein Laserstrahl in eine Mehrzahl von Strahlen aufgeteilt wird, und eine Mehrzahl von Strahlen parallel verarbeitet wird, um eine Verarbeitung mit hoher Geschwindig­ keit zu realisieren.

Ein Laserstrahl, der auf ein Beugungsgitterelement auftrifft, wird in mehrfach gebeugte Lichtstrahlen aufgespalten. Es gab eine Menge von Vorschlägen, dieses Phänomen als Mehrfachstrahlen erzeugendes Element zu verwenden, und es gab auch einige Anwendungen. Es war jedoch schwierig, die Zahl der aufgespaltenen Strahlen zu vergrößern und die Intensitätsverteilung der verzweigten Strahlen wirksam zu vergleichmäßi­ gen.

Als Gegenmaßnahme gegen dieses Problem ist im "Technical Digest on the 3rd Microoptics Conference", Seite 84 (1991) ein Verfahren an einem Beugungsgitterelement zur Umwandlung eines Einzelstrahls in Mehrfach­ strahlen vorgeschlagen worden. Das Verfahren schließt jedoch einen komplizierten Herstellungsprozeß ein, wobei die Intensität eines Elek­ tronenstrahls genau gesteuert werden muß, unter Verwendung vieler Intensitätsstufen zur Bestrahlung eines Materials, das dem Elektronen­ strahl ausgesetzt ist, da das Material so geformt wird, daß es ein viel­ stufiges Phasenmuster hat. Ferner gibt es Beschränkungen in der Anzahl der aufgespaltenen Strahlen, der Effizienz der Lichtausnutzung und der Gleichmäßigkeit der Lichtintensitätsverteilung der aufgespaltenen Strahlen, da die Anzahl der Stufen in dem mehrstufigen Phasenmuster begrenzt ist infolge der Begrenzungen im Herstellungsprozeß.

Die Erfinder haben ein Beugungsgitterelement zur Umwandlung eines einzelnen Strahls in Mehrfachstrahlen vorgeschlagen, wobei die Grund­ phasenmuster zum Aufbau des Gitters in fraktionierten rechteckigen Mustern mit nichteinheitlichen Breiten ausgebildet sind und die Phasen­ höhe einer einzelnen Stufe haben. In diesem Verfahren, mit Hilfe des Optimierens und Bestimmens der nichteinheitlichen Breiten in den rechteckigen Mustern, kann die Erzielung einer ungeraden Anzahl von Mehrfachstrahlen realisiert werden, die eine ausgezeichnete Gleichmäßig­ keit und eine hohe Effizienz der Lichtausnutzung haben. Das Beugungs­ gitter entsprechend diesem Verfahren kann leicht hergestellt werden, da das Muster aus einem einschichtigen Deckmaterial gebildet wird.

Das Verfahren gemäß der obigen Erfindung kann jedoch keine gerade Anzahl mehrfacher Strahlen erzeugen. Eine elektronische Steuerschal­ tung, die mit einem optischen Gerät gemeinsam verwendet wird, ist aufgrund einer Information konstruiert, die aus einem Byte oder acht Bits besteht, d. h. einer geraden Zahl. Außerdem hat eine Flip-Flop-Schaltung und/oder eine Zählschaltung, die häufig in Steuerschaltungen verwendet werden, eine grundsätzliche Betriebsweise zur Umwandlung der Anzahl elektrischer Impulssignale in das Doppelte oder die Hälfte der ursprünglichen elektrischen Impulssignale. Aus diesen Gründen ist es oft erforderlich, daß die Anzahl der Mehrfachstrahlen, die in einem opti­ schen Gerät verwendet werden, eine gerade Zahl ist.

Andererseits ist es wohlbekannt, daß die Abtastung mit Hilfe einer Mehrzahl von Laserstrahlen ein effektives Verfahren für einen Laserdrucker hoher Geschwindigkeit ist. Beispielsweise wird in einem von den Erfindern vorgeschlagenen Laserdrucker eine Mehrzahl von Laserstrahlen, die durch ein Beugungsgitter erzeugt werden, in parallele Mehrfachstrah­ len unter Verwendung einer Linse umgewandelt, die in einem akusto­ optischen Mehrkanal-Modulator eingesetzt wird. Dann wird eine Mehr­ zahl von Laserstrahlen, die durch den akusto-optischen Mehrkanal-Modu­ lator moduliert sind, auf einer photosensitiven Trommel unter Verwen­ dung eines rotierenden polygonalen Spiegels abgetastet.

Um die Gruppierung von Strahlpunkten in einem schrägen Winkel auf der photosensitiven Trommel in dem oben beschriebenen optischen System auszubilden, muß das Beugungsgitter und der akusto-optische Mehrkanal-Modulator genau adjustiert sein, so daß ihm eine Neigung um einen gegebenen Winkel gegenüber einer horizontalen Ebene erteilt wird. Es ist theoretisch möglich, die beiden Einheiten gemeinsam zu adjustie­ ren, aber praktisch war es außergewöhnlich schwierig. Insbesondere für den akusto-optischen Mehrkanal-Modulator, um effizient den im ersten Grad gebeugten Strahl unter allen einfallenden Mehrfachstrahlen zu beugen, erfordert die Winkeladjustierung in der Ebene, die die Strahlen beugt, d. h. die Adjustierung des Bragg-Winkels, eine extrem hohe Genau­ igkeit. Außerdem war die Einstellung sehr schwierig, die Gruppierung von Strahlpunkten in schrägem Winkel auf der photosensitiven Trommel auszubilden.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mehrfachstrahlen erzeu­ gendes Element zu schaffen, das eine gerade Anzahl von Mehrfachstrah­ len erzeugt und eine hohe und gleichmäßige Effizienz der Lichtausnut­ zung zeigt, und ein optisches Druckgerät hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung zu schaffen, das das Mehrfachstrahlen erzeugende Element verwendet.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Druck­ gerät bereitzustellen, das eine Lichtabtasteinheit zur Abtastung mehrfacher Laserstrahlen unter Verwendung eines akusto-optischen Modulators aufweist, wobei es ermöglicht wird, die Winkeladjustierungen der Grup­ pierung der Lichtpunkte, die durch die Mehrfachstrahlen auf einem Abtastmedium gebildet werden, gegenüber der Abtastrichtung leicht und genau vorzunehmen.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung kann erreicht werden, indem man ein Mehrfachstrahlen erzeugendes Element bereitstellt, das wiederholt angeordnete Grundphasenmuster aufweist, wobei die Grundmuster aus wenigstens zwei Arten rechteckiger Muster zusammengesetzt werden, die nicht einheitliche Breiten und verschiedene Phasenhöhen aufweisen, welches Mehrfachstrahlen mit praktisch gleichen Lichtintensitäten erzeugt, und insbesondere die Grundphasenmuster asymmetrische Muster ohne symmetrische Achsen sind. Hiermit kann man erreichen, eine gerade Zahl von Mehrfachstrahlen zu erzeugen, die hohe Effizienz der Licht­ ausnutzung und gleichmäßige Lichtintensität haben.

Ein Mehrfachstrahlen erzeugendes Element, d. h. ein Beugungsgitter mit Grundphasenmustern wie oben beschrieben, kann erzeugt werden durch Übereinanderlegen einer Mehrzahl von Phasenmustern. Bei dieser Gelegenheit haben die übereinander zu legenden Phasenmuster jeweils verschiedene Phasenhöhen, doch jedes der Phasenmuster ist ein recht­ eckiges Muster mit einer einzigen Phasenhöhe und nicht einheitlichen Breiten.

Da das Mehrfachstrahlenelement entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann, indem man mehrere Male das Verfahren zur Ausbildung von Mustern durchführt, die aus rechteckigen Formen auf einem optischen Material mit einer konstanten Schichtdicke zusammen­ gesetzt sind, kann es leicht hergestellt werden. Zusätzlich kann man mit Hilfe freier Bemessung der Breiten in den rechteckigen Mustern errei­ chen, daß eine gerade Anzahl von Mehrfachstrahlen erzeugt wird, die hohe Effizienz der Lichtausnutzung und gleichmäßige Lichtintensität haben.

Außerdem kann das Ziel der vorliegenden Erfindung erreicht werden durch Verwendung der erzeugten Mehrfachstrahlen zusammen mit einem akusto-optischen Mehrkanal-Modulator. Auf diese Weise kann ein opti­ scher Druckapparat hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung realisiert werden.

Außerdem kann das Ziel der vorliegenden Erfindung erreicht werden durch geeignetes Rotieren eines Dove-Prismas unter Verwendung eines Rotiermechanismus für ein Dove-Prisma. Damit kann eine Gruppierung von Lichtpunkten auf dem Abtastmedium ausgebildet werden, mit einem beliebigen Winkel gegen die Abtastrichtung. Daher kann die Winkelein­ stellung leicht und genau durchgeführt werden. Mit anderen Worten, da ein Dove-Prisma zwischen einem akusto-optischen Mehrkanal-Modulator und einem rotierenden polygonalen Spiegel angeordnet ist, kann die Beugungseffizienz des akusto-optischen Modulators hoch gehalten werden und eine Gruppierung von Lichtpunkten kann leicht und genau auf dem Abtastmedium ausgebildet werden mit einem beliebigen Winkel gegen die Abtastrichtung, ohne die hohe Beugungseffizienz des akusto-optischen Modulators zu beeinträchtigen. Daher kann man ein optisches Druckge­ rät erzielen, dessen Teilung der Abtastlinien immer konstant gehalten wird.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Grundphasenmu­ sters für ein Beugungsgitter, das in einem Mehrfachstrahlen erzeugenden Element entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Fig. 2 eine Ansicht, die das optische System zur Erzeugung von Mehr­ fachstrahlen unter Verwendung eines Beugungsgitters erläutert.

Fig. 3 eine Ansicht, die die Funktion M(s) erläutert.

Fig. 4 ein Beispiel eines Berechnungsergebnisses für den Fall, wo zwei Strahlen erzeugt werden unter Verwendung eines Mehrfachstrah­ len erzeugenden Beugungsgitters entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 ein Beispiel eines Berechnungsergebnisses für den Fall, wo vier Strahlen erzeugt werden unter Verwendung eines Mehrfachstrah­ len erzeugenden Beugungsgitters entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6 ein berechnetes Ergebnis für einen Fall, wo vier Strahlen er­ zeugt werden.

Fig. 7 eine Ansicht, die die Gleichmäßigkeit in den Mehrfachstrahlen erläutert.

Fig. 8 ein Beispiel eines Berechnungsergebnisses für den Fall, wo sechs Strahlen erzeugt werden unter Verwendung eines Mehrfachstrah­ len erzeugenden Beugungsgitters entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Fig. 9 ein Beispiel eines Berechnungsergebnisses für den Fall, wo acht Strahlen erzeugt werden unter Verwendung eines Mehrfachstrah­ len erzeugenden Beugungsgitters entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Fig. 10 eine Ansicht, die das Verfahren der Herstellung eines Mehrfach­ strahlen erzeugenden Elements erläutert und die Querschnitts­ truktur eines Mehrfachstrahlen erzeugenden Elements entspre­ chend der vorliegenden Erfindung darstellt.

Fig. 11 eine Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel eines Herstellungsver­ fahrens für ein Mehrfachstrahlen erzeugendes Element entspre­ chend der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 12 eine Ansicht, die ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Her­ stellungsverfahrens für ein Mehrfachstrahlen erzeugendes Ele­ ment entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 13 eine Ansicht, die ein optisches Druckgerät unter Verwendung eines Mehrfachstrahlen erzeugenden Elements zeigt.

Fig. 14 eine Ansicht, die die Betriebsweise eines akusto-optischen Mehr­ kanal-Modulators erläutert.

Fig. 15 eine Ansicht, die die Erscheinungsform der Mehrfachpunktabta­ stung zeigt.

Fig. 16 eine Ansicht, die die Wirkungsweise des Dove-Prismas erläutert.

Fig. 17 eine schematische Ansicht, die ein anderes Ausführungsbeispiel eines optischen Druckgeräts entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 18 eine Ansicht, die die Betriebsweise eines akusto-optischen Modu­ lators erläutert.

Die vorliegende Erfindung wird im Detail unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.

In einem Beugungsgitter sind Grundphasenmuster wiederholt angeordnet mit einer Teilung p. Das Grundphasenmuster 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung ist hergestellt durch Überlagern der Phasenmuster 8 und 9, wobei jedes der Phasenmuster 8 und 9 ein rechteckiges Muster mit einer einzigen Phasenhöhe und ungleichförmiger Breite ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Phasenmuster 8 aus M Sektionen rechteckiger Muster aufgebaut, die nicht einheitliche Breiten von y(1) bis y(M) haben. Die Phasenhöhe der Phasenmuster 8 ist ay. Andererseits ist das Phasenmuster 9 auch aus K Sektionen rechteckiger Muster zu­ sammengesetzt, die nicht einheitliche Breiten von z(1) bis z(K) haben. Die Phasenhöhe des Phasenmusters 9 ist az.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel zur Erzeugung von vier Strahlen unter Ver­ wendung eines Beugungsgitters 7. Eine Linse 3 ist so angeordnet, daß die Position des Beugungsgitters 7 an den vorderen Brennpunkt der Linse 3 und die Position der Bilderzeugungsebene 4 an den hinteren Brennpunkt der Linse kommt. Ein einfallender Laserstrahl 1 auf das Beugungsgitter 7, das als Vierstrahlerzeuger ausgebildet ist, erzeugt vier Strahlen 6, die bestehen aus Minus erster Ordnung gebeugtem Licht, Nullter Ordnung gebeugtem Licht, erster Ordnung gebeugtem Licht und zweiter Ordnung gebeugtem Licht. Die ausgerichtete Teilung q der vier Strahlen 6 auf der Bildformungsebene 4 ist konstant. Mit Hilfe der asymmetrischen Erzeugung von gebeugten Lichtstrahlen wie in der Figur gezeigt, kann eine gerade Anzahl von Strahlen erzeugt werden. In dem Fall, wo ein Grundphasenmuster aus einem Phasenmuster einer einzelnen Schicht gebildet wird, wie durch Bezugszeichen 8 in Fig. 1 gezeigt, kann kein geeignetes asymmetrisches gebeugtes Muster erzielt werden, und eine gerade Anzahl von Mehrfachstrahlen mit mehr als vier Strahlen kann nicht erzeugt werden.

Das Herstellungsverfahren wird im Detail weiter unten beschrieben.

Nimmt man das Grundphasenmuster als f(ξ), die Gitterteilung des Beugungsgitters als p, dann ist die Lichtintensitätsverteilung auf einem Schirm, der durch das Bezugszeichen 4 in Fig. 2 angegeben ist, durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:

wobei s eine normierte Koordinate auf dem Schirm 4 ist und ausge­ drückt wird als s = 2πx/(λf). Darin ist λ die Wellenlänge des ein­ fallenden Lichtes und N die Gesamtzahl der Grundphasenmuster, die in dem Beugungsgitter 7 enthalten sind. Durch Ausrechnen der Gleichung (1) erhält man die folgende Gleichung (2):

I(s) = F(s)M(s) (2)

wobei

M(s) = |sin(psN/2)/sin(ps/2)|² (4)

Die Funktion M(s) in Gleichung (4) ist eine Funktion, die dieselben Spitzenwerte an der Beugungsposition des Beugungsgitters 7 hat wie in Fig. 3 gezeigt. Um aus dem Beugungsgitter mehrfach gebeugte Strahlen mit der gleichen Lichtintensität zu erhalten, muß die Funktion F(s) in Gleichung (3) den gleichen Wert für die mehrfach gebeugten Strahlen haben. Um dies zu erreichen ist es wichtig, wie man die Funktion f(ξ) bestimmt, die das Grundphasenmuster ausdrückt.

Ein Ausführungsbeispiel einer Bauart, die man durch Berechnung der Gleichung (3) für das Grundphasenmuster entsprechend der vorliegenden Erfindung erhält, wird unten beschrieben. Im übrigen ändert sich der Wert der Gleichung (3) nicht, unabhängig davon, ob die Phasenhöhe ay oder az positiven oder negativen Wert hat. Es ist auch offensichtlich, daß der Wert der Gleichung (3) sich nicht ändert, wenn ganzzahlige Mehrfache von 2π zur Phasenhöhe addiert werden.

(1) Betreffend ein Zweistrahlenelement, werden die in Gleichung (5) ausgedrückten Beziehungen erhalten:

y(1)/p = 0,347,
y(2)/p = 0,653,
z(1)/p = 0,653,
z(2)/p = 0,347,
ay = 1,12 (radian),
az = 1,12 (radian) (5).

Fig. 4 zeigt ein Simulationsergebnis, wiedergegeben von dem Element dieses Bauartbeispiels unter Verwendung des optischen Systems in Fig. 2. Die Ordinate zeigt die Lichtintensität, jedoch normiert mit der einfallen­ den Lichtintensität. Die gesamte Lichtintensität der zwei Strahlen, ge­ beugte Strahlen nullter Ordnung und gebeugte Strahlen erster Ordnung, ist 75%. Unter der Annahme, daß die Gleichmäßigkeit der zwei Strah­ len zulässig ist, wenn die Differenz zwischen jeder Strahlintensität und der durchschnittlichen Lichtintensität 50% nicht überschreitet, sind die Bauartwerte gemäß Gleichung (5) bis zu den folgenden Bereichen zuläs­ sig.

0,14 < y(1)/p < 0,87,
0,13 < y(2)/p < 0,86,
0,13 < z(1)/p < 0,86,
0,14 < z(2)/p < 0,87,
0,52 < |ay| < 1,7,
0,52 < |az| < 1,7 (6).

(2) Bezüglich eines Vierstrahlenelements werden die in Gleichung (7) ausgedrückten Beziehungen erhalten:

y(1)/p = 0,372,
y(2)/p = 0,628,
z(1)/p = 0,254,
z(2)/p = 0,443,
z(3)/p = 0,146,
z(4)/p = 0,156,
ay = 1,66,
az = 1,13 (7).

Fig. 5 zeigt ein Simulationsergebnis, das durch das Element dieses Bauartbeispiels unter Verwendung des optischen Systems in Fig. 2 wie­ dergegeben ist. Die Ordinate zeigt die Lichtintensität, jedoch normiert mit der einfallenden Lichtintensität. Vier Strahlen sind dargestellt durch den gebeugten Strahl von minus erster Ordnung, gebeugten Strahl nullter Ordnung, gebeugten Strahl + erster Ordnung und gebeugten Strahl + zweiter Ordnung. Die gesamte Lichtintensität der vier Strahlen ist 80%, und daher ist die Lichtausnutzung hoch. Unter der Annahme, daß die Gleichmäßigkeit der Mehrfachstrahlen zulässig ist, wenn die Differenz zwischen jeder Strahlenintensität und der durchschnittlichen Lichtintensität 50% nicht überschreitet, sind die Bauartwerte, die durch Gleichung (7) ausgedrückt sind, bis zu den folgenden Bereichen gemäß Gleichung (8) zulässig.

0,254 < y(1)/p < 0,475,
0,477 < y(2)/p < 0,76,
0,167 < z(1)/p < 0,34,
0,264 < z(2)/p < 0,554,
0,046 < z(3)/p < 0,28,
0,105 < z(4)/p < 0,23,
1,34 < |ay| < 2,12,
0,67 < |az| < 1,59 (8).

Fig. 6 zeigt ein Simulationsergebnis von Beugungsstrahlen, wenn die Phase az = 1,13 in Gleichung (7) ersetzt ist durch az = 0,6. Die Gleichförmigkeit der vier erzeugten Strahlen ist verschlechtert.

Die Gleichförmigkeit von Mehrfachstrahlen wird weiter unten erläutert unter Bezugnahme auf Fig. 7.

Lichtintensität von
Beugungsstrahl minus erster Ordnung: 0,2026
Beugungsstrahl nullter Ordnung: 0,3408
Beugungsstrahl plus erster Ordnung: 0,2117
Beugungsstrahl plus zweiter Ordnung: 0,1078.

Die durchschnittliche Lichtintensität dieser Strahlen ist 0,2157.

Die Gleichförmigkeit ist durch die folgende Gleichung definiert:
Gleichförmigkeit = (maximaler Unterschied gegenüber der durchschnittlichen Strahlintensität) ÷ (durchschnittliche Strahlintensität) × 100.

Im Fall der Fig. 7 ist die Gleichförmigkeit 0,1251 ÷ 0,2157 × 100 = 58,0.

Der Bauartwert der vorliegenden Erfindung kann eine Gleichförmigkeit kleiner als 50% zulassen. Wenn die Gleichförmigkeit größer als 50% ist, wie in Fig. 7 gezeigt, entsteht unter den Strahlen Ungleichmäßigkeit, was im Ergebnis den Druck nicht gleichmäßig macht.

(3) Betreffend eines Sechsstrahlenelements werden die in Gleichung (9) ausgedrückten Beziehungen erhalten:

y(1)/p = 0,080,
y(2)/p = 0,059
y(3)/p = 0,297
y(4)/p = 0,565
z(1)/p = 0,37,
z(2)/p = 0,255,
z(3)/p = 0,197,
z(4)/p = 0,178,
ay = 1,344,
az = 1,68 (9).

Fig. 5 zeigt ein Simulationsergebnis, das durch das Element dieses Bauartbeispiels unter Verwendung des optischen Systems in Fig. 2 wie­ dergegeben wird. Die Ordinate zeigt die Lichtintensität, jedoch normiert mit der einfallenden Lichtintensität. Sechs Strahlen werden erzeugt durch gebeugten Strahl minus zweiter Ordnung, gebeugten Strahl minus erster Ordnung, gebeugten Strahl nullter Ordnung, gebeugten Strahl plus erster Ordnung, gebeugten Strahl plus zweiter Ordnung und gebeugten Strahl plus dritter Ordnung. Die gesamte Lichtintensität der sechs Strahlen ist 77%, und daher ist die Lichtausnutzung hoch. Unter der Annahme, daß die Gleichförmigkeit der Mehrfachstrahlen zulässig ist, wenn die Differenz zwischen jeder Strahlintensität und der durchschnitt­ lichen Lichtintensität 50% nicht überschreitet, sind die Bauartwerte gemäß Gleichung (9) für die folgenden Bereiche, die in Gleichung (10) ausgedrückt sind, zulässig.

y(1)/p < 0,159,
y(2)/p < 0,133,
0,212 < y(3)/p < 0,368,
0,504 < y(4)/p < 0,613,
0,313 < z(1)/p < 0,447,
0,180 < z(2)/p < 0,317,
0,142 < z(3)/p < 0,271,
0,148 < z(4)/p < 0,218,
1,05 < |ay| < 1,71,
1,44 < |az| < 1,97 (10).

(4) Betreffend ein Achtstrahlenelement werden die in Gleichung (11) ausgedrückten Beziehungen erhalten.

y(1)/p = 0,297,
y(2)/p = 0,143
y(3)/p = 0,174
y(4)/p = 0,179
y(5)/p = 0,075,
y(6)/p = 0,132,
z(1)/p = 0,306,
z(2)/p = 0,155,
z(3)/p = 0,121,
z(4)/p = 0,418,
ay = 1,360,
az = 1,37 (11).

Fig. 9 zeigt ein Simulationsergebnis, das von dem Element dieses Bau­ artbeispiels unter Verwendung des optischen Systems der Fig. 2 wie­ dergegeben wird. Die Ordinate zeigt die Lichtintensität, jedoch normiert mit der einfallenden Lichtintensität. Acht Strahlen sind erzeugt, und zwar Beugungsstrahl minus dritter Ordnung, Beugungsstrahl minus zweiter Ordnung, Beugungsstrahl minus erster Ordnung, Beugungsstrahl nullter Ordnung, Beugungsstrahl plus erster Ordnung, Beugungsstrahl plus zweiter Ordnung, Beugungsstrahl plus dritter Ordnung und Beugungsstrahl plus vierter Ordnung. Die gesamte Lichtintensität der acht Strahlen ist 79%, und daher ist die Lichtausnutzung hoch. Unter der Annahme, daß die Gleichförmigkeit der Mehrfachstrahlen zulässig ist, wenn die Differenz zwischen jeder Strahlintensität und der durchschnittlichen Lichtintensität nicht 50% überschreitet, sind die Bauartwerte gemäß Gleichung (11) zulässig für die folgenden Bereiche, die in Gleichung (12) ausgedrückt sind.

0,233 < y(1)/p < 0,359,
0,086 < y(2)/p < 0,242,
0,086 < y(3)/p < 0,229,
0,101 < y(4)/p < 0,240,
0,015 < y(5)/p < 0,149,
0,098 < y(6)/p < 0,178,
0,236 < z(1)/p < 0,365,
0,071 < z(2)/p < 0,222,
0,059 < z(3)/p < 0,183,
0,380 < z(4)/p < 0,453,
1,181 < |ay| < 1,583,
1,191 < |az| < 1,59 (12).

Das Beugungsgitterelement zur Erzeugung von Mehrfachstrahlen ent­ sprechend der vorliegenden Erfindung kann leicht mit der konventionellen Schicht-Technologie und Ätztechnologie für optische Materialien herge­ stellt werden. Das heißt, um beispielsweise das Phasenmuster herzustel­ len, das durch das Bezugszeichen 10 in Fig. 1 angegeben ist, wird zuerst ein Muster 211 aus optischem Material mit einer gegebenen Schichtdicke gebildet (vgl. Fig. 10A). Dann wird auf dem Muster ein Muster 212 aus optischem Material mit einer gegebenen Schichtdicke additiv ausgebildet, so daß das Phasenmuster 9 in Fig. 1 gebildet wird (vgl. Fig. 10B). Als Ergebnis hat das Element 210 gemäß Fig. 10C das Phasenmuster 10 in Fig. 1. Wie oben beschrieben, kann der Aufbau des Beugungsgitters entsprechend der Erfindung gebildet werden mit Hilfe des Überlagerns jedes der Muster mit einer gegebenen Schichtdicke, das aus optischem Material hergestellt ist, dessen Anzahl der Anzahl der Schichten ent­ spricht.

Die Schichtdicke des optischen Materials e kann leicht aus der Phasen­ höhe a und der folgenden Gleichung bestimmt werden:

a = (2π/λ)(n-1)e

Ein Glasmaterial kann als Substrat 200 verwendet werden, und SiO₂ oder MgF₂ kann als Schichtmaterial verwendet werden.

Fig. 11 zeigt ein detailliertes Verfahren der Herstellung des Beugungs­ gitters entsprechend der vorliegenden Erfindung. Zuerst wird im Ver­ fahren (1) Photoresist 202 auf ein Glassubstrat 200 aufgebracht. Im Verfahren (2) wird eine Photomaske 204 mit einem Muster aus Chrom (Cr) mit dem Photoresist 202 auf dem Glassubstrat kontaktiert, und das Photoresist 202 wird mit Licht 205 belichtet. Dann im Prozeß (3) wird das Photoresist entwickelt. Hiermit wird das Muster der Photomaske 204 auf das Photoresist 202 übertragen. Im Prozeß (4) wird SiO₂ 206 über die gesamte Oberfläche aufgebracht. Die Dicke der aufgebrachten Schicht ist so bemessen, daß sie gleich der Phasenhöhe wird. Das Verfahren (5) wird "Abheben" genannt, wobei das Photoresist 202 mit einem organischen Lösungsmittel wie Alkohol abgelöst wird, um ein SiO₂ Muster 210 zu erzeugen. Im Falle, wo es notwendig ist, ein weiteres SiO₂ Muster mit verschiedener Dicke herzustellen, wird auf das SiO₂ Muster in einem Verfahren (6) wieder Photoresist 208 aufgebracht. Unter Rückkehr auf das Verfahren (2), bei dem das Photoresist unter Verwendung einer anderen Photomaske belichtet wird, werden die glei­ chen Verfahren wie oben beschrieben so oft wie erforderlich wiederholt.

Fig. 12 zeigt ein anderes Verfahren der Herstellung des Beugungsgitters entsprechend der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Elek­ tronenstrahls. Im Verfahren (1) wird Photoresist 202 auf ein Glassub­ strat 200 aufgebracht. Im Verfahren (2) wird das Photoresist 202 mit einem Elektronenstrahl 214 bestrahlt. Dabei wird die Intensität des Elektronenstrahls 214 variiert sowie die Einfallposition des Elektronen­ strahls in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung und der Richtung senkrecht zu dem Pfeil abgetastet. Dann wird das von dem Elektronen­ strahl bestrahlte Photoresist entwickelt, um ein Resistmuster zu erzeugen, das verschiedene Tiefen entsprechend den Intensitäten des bestrahlenden Elektronenstrahls aufweist. Das hergestellte Muster kann, so wie es ist, als Mehrfachstrahlen erzeugendes Element verwendet werden. Anderer­ seits kann ein Mehrfachstrahlen erzeugendes Element aus einem Material wie Plastik durch ein Replizierverfahren hergestellt werden unter Ver­ wendung des Mehrfachstrahlen erzeugenden Elements, das durch das Verfahren gemäß Fig. 11 oder 12 hergestellt wurde, als Vorlage.

Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Laserdruckgeräts, das unter Verwendung des Mehrfachstrahlen erzeugenden Elements entsprechend der vorliegenden Erfindung optisches Drucken durchführt. Da das optische Drucken mit Mehrfachstrahlen gleichzeitig durchgeführt wird, ist es entsprechend der Erfindung möglich, ein Laserdruckgerät zu realisie­ ren, das hohe Geschwindigkeit oder hohe Auflösung hat. Ein Laserstrahl 1, der aus einer Lasereinheit 11 emittiert wird, wird an ein Mehrfach­ strahlen erzeugendes Element 2 geführt. Eine Linse 3, wie unter Be­ zugnahme auf Fig. 2 beschrieben, hat die Funktion der Umwandlung der erzeugten Mehrfachstrahlen 5 in parallele Strahlen 6 und zum Konver­ gieren jeder der Strahlen in einen kleinen Punkt innerhalb eines akusto-optischen Mehrkanal-Elements 13. Die Zeitdauer des Durchtritts von Ultraschallwellen durch den kleinen Punkt kann verkürzt werden, da jede der Strahlen 12 in den kleinen Punkt innerhalb des akusto-opti­ schen Mehrkanal-Elements 13 konvergiert, was zur Fähigkeit der Licht­ modulation mit hoher Geschwindigkeit führt.

Die grundsätzliche Wirkungsweise des akusto-optischen Mehrkanal-Ele­ ments 13 wird unten beschrieben unter Bezugnahme auf Fig. 14. Eine Mehrzahl von Übertragern 16 ist auf einem akusto-optischen Medium so wie PbMoO₄ oder TeO₂ Kristallen individuell angeordnet, um jeden der mehrfachen einfallenden Strahlen 16 zu modulieren. Mit anderen Wor­ ten wird jedes dieser unabhängigen elektrischen Signale einem der mehrfachen Übertrager 16 zugeführt, wobei jeder der Übertrager jeweils einem der Signale entspricht, die unabhängig einen Schallstrahl in den Kristall übertragen, so daß der entsprechende Lichtstrahl durch den Schallstrahl gebeugt und moduliert wird. Das Bezugszeichen 18 in Fig. 14 bezeichnet den modulierten Lichtstrahl, den man für das optische Drucken verwendet. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet durchgehende Lichtstrahlen, die an einer geeigneten Position abgefangen werden, so daß sie das optische Druckmaterial nicht erreichen.

Zurückkehrend zur Fig. 13 bezeichnet das Bezugszeichen 25 eine Schal­ tungseinheit zum Betrieb des akusto-optischen Mehrkanal-Elements 13. Das aus dem akusto-optischen Mehrkanal-Element 13 kommende Licht wird mit einer Linse 17 in einen Strahl mit einem geeigneten Durch­ messer umgewandelt, passiert ein Dove-Prisma 20 und tritt in einen rotierenden polygonalen Spiegel 21. Der rotierende polygonale Spiegel 21 wird gedreht, um jeweils die Mehrfachstrahlen auf einer photosensiti­ ven Trommel 24 einzutasten. Eine Linse 22 konvergiert die Mehrfach­ lichtstrahlen auf mehrere feine Punkte auf der photosensitiven Trommel 24.

Hier werden die Mehrfachlichtstrahlen als eine Reihe von kleinen Punk­ ten im akusto-optischen Mehrkanal-Element 13 konvergiert. Unter der Annahme, daß der Durchmesser der Punkte gleich D ist, die ausgerichte­ te Teilung der Übertrager 16 gleich T ist, ist T/D größer als 1. Daher sind die Mehrfachpunkte auf der photosensitiven Trommel 24 in diesem Verhältnis ausgerichtet, d. h. die ausgerichtete Teilung der Punkte wird größer als der Durchmesser der Punkte. Um den Bereich zwischen den Abtastlinien der Mehrfachpunkte auszuschließen, die nicht von Licht bestrahlt werden sollen, müssen die Mehrfachpunkte 15 so angeordnet sein, daß die ausgerichtete Richtung der Punkte auf der photosensitiven Trommel 24 einen schrägen Winkel gegen die Abtastrichtung einschließt, die durch den Pfeil gemäß Fig, 15 angegeben ist.

Obwohl es ein Verfahren gibt, dies zu realisieren, wobei die optischen Achsen des akusto-optischen Mehrkanal-Elements 13 und das Mehrfach­ strahlen erzeugende Element 2 gleichzeitig rotiert werden, ist das Ver­ fahren extrem schwierig durchzuführen, da die zu drehenden Einheiten groß sind und auf dem akusto-optischen Element 13 hohe Genauigkeit der Einfallposition beibehalten werden muß. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, wird ein Dove-Prisma 20 in der vorliegenden Erfindung verwendet. Bei diesem Verfahren wird das Dove-Prisma 20 um die optische Achse als Drehachse rotiert, um in einer gegebenen ausgerichte­ ten Richtung der Punkte eingestellt und adjustiert zu werden. Wie in Fig. 16 gezeigt, hat der Bildrotationsmechanismus des Dove-Prismas 20 ein Halteglied 250 und eine Feststellschraube 252. Das Dove-Prisma 20 wird auf einen geeigneten Winkel rotiert und eingestellt, und in der Winkelstellung unter Verwendung der Feststellschraube 252 fixiert. Das bedeutet, daß das Licht von einem Bild 26 an der unteren Oberfläche des Dove-Prismas 20 total reflektiert wird, um in ein Bild 27 umgewan­ delt zu werden. Wenn daher das Dove-Prisma 20 in der durch den Pfeil 28 angedeuteten Richtung gedreht wird, wird das Bild in der durch den Pfeil 29 angedeuteten Richtung rotiert. Ein Lichtdetektor 23 erhält die Mehrfachlichtstrahlen und erzeugt dadurch ein Signal entsprechend jeder der Strahlen zur Verwendung als Synchronisationssignal für das entsprechende Licht.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird be­ schrieben unter Bezugnahme auf Fig. 17. Fig. 17 ist eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels, wobei ein optisches Druckgerät in einem Laserdrucker angewandt wird.

In diesem Ausführungsbeispiel hat ein akusto-optischer Modulator 13 einen einzelnen Übertrager. Wenn eine Mehrzahl von Signalen mit Trägerwellenfrequenzen im Radiofrequenzband dem Modulator zugeführt wird, wird eine Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen erster Ordnung erzeugt, und eine Mehrzahl von Lichtpunkten kann ausgebildet und auf einer photosensitiven Trommel 24 getastet werden. Fig. 18 ist eine Ansicht, die die Betriebsweise des akusto-optischen Modulators 13 erläu­ tert. Zum Zwecke der Vereinfachung ist angenommen, daß zwei Strah­ len erzeugt werden. Eine Dateneinheit 33 und eine Dateneinheit 34 modulieren jeweils Trägerfrequenzen 31 und 32, die mit einem Setzer 30 zusammengesetzt werden, um in einen Übertrager 16 eingegeben zu werden. Wenn ein Laserstrahl 1 in den akusto-optischen Modulator 13 eingeführt wird, werden zwei gebeugte Lichtstrahlen 38, 39 durch eine Ultraschallwelle 36 erzeugt. Mit Hilfe einer geeigneten Einstellung der Frequenzen einer Mehrzahl von Trägerwellen können durch dieses Ver­ fahren die zwei gebeugten Lichtstrahlen 38, 39 in enger Nachbarschaft erzeugt werden. Daher kann die Gruppierung von Lichtpunkten zur Tastung auf der photosensitiven Trommel 24 senkrecht auf die Abta­ strichtung gesetzt werden. Bei dieser Gelegenheit gibt es, da die Mehr­ fachpunkte in der gleichen Position in der Tastrichtung 10 gleichzeitig getastet werden, den Vorteil, daß die Strahlen durch Datensignale modu­ liert werden, die auf den gleichen synchronisierten Taktimpulsen basieren. In diesem Fall wird ein Dove-Prisma 20 zwischen einer Linse 5 und einem rotierenden polygonalen Spiegel 21 angeordnet. Durch Rotieren des Dove-Primas 20 unter Verwendung eines in Fig. 16 gezeigten Ein­ stellmechanismus zur Rotation des Dove-Prismas, kann die Richtung der Punktausrichtung genau senkrecht zur Abtastrichtung gesetzt werden.

Claims (10)

1. Mehrfachstrahlen erzeugendes Element mit einem Beugungsgitter, das erzeugt ist durch wiederholtes Anordnen von Grundphasenmustern, wobei die Grundphasenmuster aus wenigstens zwei Arten rechtecki­ ger Muster mit nichteinheitlichen Breiten und verschiedenen Pha­ senhöhen zusammengesetzt sind.

2. Mehrfachstrahlen erzeugendes Element nach Anspruch 1, wobei die Grundphasenmuster asymmetrische Muster sind, die keine symmetri­ schen Achsen haben, um eine gerade Anzahl von Mehrfachstrahlen zu erzeugen.

3. Optisches Druckgerät mit einem Mehrfachstrahlen erzeugenden Element entsprechend Anspruch 1, wobei die Mehrfachstrahlen, die durch das Mehrfachstrahlen erzeugende Element erzeugt werden, in einen optischen Mehrkanal-Modulator eingeführt und unter Ver­ wendung einer Lichtabtasteinheit abgetastet werden.

4. Optisches Druckgerät mit einem Mehrfachstrahlen erzeugenden Element entsprechend Anspruch 2, wobei die Mehrfachstrahlen, die durch das Mehrfachstrahlen erzeugende Element erzeugt werden, in einen optischen Mehrkanal-Modulator eingeführt und unter Verwen­ dung einer Lichtabtasteinheit abgetastet werden.

5. Optisches Druckgerät entsprechend Anspruch 3, wobei ein akusto- optischer Mehrkanal-Modulator als optischer Mehrkanal-Modulator verwendet wird, und ein Dove-Prisma zwischen dem akusto-optischen Mehrkanal-Modulator und der Lichtabtasteinheit vorgesehen ist.

6. Optisches Druckgerät entsprechend Anspruch 4, wobei ein akusto- optischer Mehrkanal-Modulator als optischer Mehrkanal-Modulator verwendet wird, und ein Dove-Prisma zwischen dem akusto-optischen Mehrkanal-Modulator und der Lichtabtasteinheit vorgesehen ist.

7. Mehrfachstrahlen erzeugendes Element zur Erzeugung einer geraden Zahl von Strahlen mit einem Beugungsgitter, das aus zwei Schichten von Grundphasenmustern aufgebaut ist, wobei die erste Schicht zwei Sektionen rechteckiger Muster mit den Breiten von y(1) und y(2) und der Phasenhöhe ay und die zweite Schicht zwei Sektionen von rechteckigen Mustern mit den Breiten von z(1) und z(2) und der Phasenhöhe az aufweist, wobei 0,14 < y(1)/p < 0,87,
0,13 < y(2)/p < 0,86,
0,13 < z(1)/p < 0,86,
0,14 < z(2)/p < 0,87,wobei p die Gitterteilung des Beugungsgitters ist,0,52 < |ay| < 1,7,
0,52 < |az| < 1,7wobei die Phasenhöhen jeweils um ganzzahlige Vielfache von 2π vergrößert oder vermindert werden dürfen.

8. Mehrfachstrahlen erzeugendes Element entsprechend Anspruch 2, dessen Beugungsgitter aus zwei Schichten von Grundphasenmustern aufgebaut ist, wobei die erste Schicht zwei Sektionen rechteckiger Muster mit den Breiten von y(1) und y(2) und der Phasenhöhe ay, und die zweite Schicht vier Sektionen rechteckiger Muster mit den Breiten von z(1), z(2), z(3) und z(4) und der Phasenhöhe az auf­ weist, wobei 0,254 < y(1)/p < 0,475,
0,477 < y(2)/p < 0,76,
0,167 < z(1)/p < 0,34,
0,264 < z(2)/p < 0,554,
0,046 < z(3)/p < 0,28,
0,105 < z(4)/p < 0,23,worin p die Gitterteilung des Beugungsmusters ist,1,34 < |ay| < 2,12,
0,67 < |az| < 1,59wobei die Phasenhöhen jeweils um ganzzahlige Vielfache von 2π vergrößert oder vermindert werden dürfen.

9. Mehrfachstrahlen erzeugendes Element entsprechend Anspruch 2, dessen Beugungsgitter aus zwei Schichten von Grundphasenmustern besteht, wobei die erste Schicht vier Sektionen rechteckiger Muster mit den Breiten y(1), y(2), y(3) und y(4) und der Phasenhöhe ay und die zweite Schicht vier Sektionen aus rechteckigen Mustern mit den Breiten z(1), z(2), z(3) und z(4) und der Phasenhöhe az auf­ weist, wobei y(1)/p < 0,159,
y(2)/p < 0,133,
0,212 < y(3)/p < 0,368,
0,504 < y(4)/p < 0,613,
0,313 < z(1)/p < 0,447,
0,180 < z(2)/p < 0,317,
0,142 < z(3)/p < 0,271,
0,148 < z(4)/p < 0,218,worin p die Gitterteilung des Beugungsgitters ist,1,05 < |ay| < 1,71,
1,44 < |az| < 1,97wobei die Phasenhöhen jeweils um ganzzahlige Vielfache von 2π vergrößert oder vermindert werden dürfen.

10. Mehrfachstrahlen erzeugendes Element entsprechend Anspruch 2, dessen Beugungsgitter aus zwei Schichten von Grundphasenmustern besteht, wobei die erste Schicht sechs Sektionen rechteckiger Muster mit den Breiten y(1), y(2), y(3), y(4), y(5) und y(6) und der Phasen­ höhe ay und die zweite Schicht vier Sektionen aus rechteckigen Mustern mit den Breiten z(1), z(2), z(3) und z(4) und der Phasen­ höhe az aufweist, wobei 0,233 < y(1)/p < 0,359,
0,086 < y(2)/p < 0,242,
0,086 < y(3)/p < 0,229,
0,101 < y(4)/p < 0,240,
0,015 < y(5)/p < 0,149,
0,098 < y(6)/p < 0,178,
0,236 < z(1)/p < 0,365,
0,071 < z(2)/p < 0,222,
0,059 < z(3)/p < 0,183,
0,380 < z(4)/p < 0,453,worin p die Gitterteilung des Beugungsgitters ist,1,181 < |ay| < 1,583,
1,191 < |az| < 1,59wobei die Phasenhöhen jeweils um ganzzahlige Vielfache von 2π vergrößert oder vermindert werden dürfen.