DE60303557T2

DE60303557T2 - Led-array mit mehrkegelstruktur

Info

Publication number: DE60303557T2
Application number: DE60303557T
Authority: DE
Inventors: Eastman Kodak Company Martin E. Rochester Oehlbeck; Eastman Kodak Company James E. Rochester Roddy; Eastman Kodak Company Richard L. Rochester Druzynski; Eastman Kodak Company Robert J. Rochester Zolla
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: US7369268B2; JP2004220027A; US20080117278A1; DE60303557D1; US20040135874A1; US7782347B2; EP1439412B1; EP1439412A1

Description

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren betreffen im Allgemeinen Schreibvorrichtungen zur Ausbildung eines Bildes aus digitalen Daten auf einem lichtempfindlichen Medium und insbesondere eine verbesserte Lichtquelle unter Verwendung von LEDs zur Aufzeichnung eines Bildes auf einem lichtempfindlichen Medium.
Mit Aufkommen der digitalen Bebilderung ist eine Anzahl unterschiedlicher Schreibtechnologien zur Bebilderung auf lichtempfindlichen Medien eingesetzt worden, beispielsweise auf lichtempfindlichem Papier und Laufbildfilm. Frühere Druckvorrichtungen oder so genannte Printer verwendeten Bildröhren (CRT/Kathodenstrahlröhre) zur Beaufschlagung des lichtempfindlichen Mediums mit Belichtungsenergie. In einem so genannten CRT-gestützten Drucker werden die digitalen Bilddaten zur Modulation einer Kathodenstrahlröhre (CRT) verwendet, die Belichtungsenergie durch Abtastung eines Elektronenstrahls von unterschiedlicher Stärke über den Leuchtschirm erzeugt. Die CRT-gestützte Bebilderung war zwar für bestimmte Bebilderungsanwendungen eine geeignete Lösung, aber die hohen Kosten und relativ niedrigen Geschwindigkeiten sowie die Einschränkungen bezüglich Auflösung und Kontrast begrenzten den Nutzen dieses Konzepts.
Alternative Schreibvorrichtungen verwenden Laser, beispielsweise die in US-A-4,728,965 beschriebenen lasergestützten Schreibvorrichtungen. Bei dieser Art der Bebilderung wird die Belichtungsenergie mit roten, grünen und blauen Lasern erzeugt. Die digitalen Daten dienen dazu, die Laserstärke zu modulieren, während der Strahl von einem rotierenden Polygon über die Bebilderungsebene geführt wird. Ebenso wie Bildröhrendrucker sind auch lasergestützte Systeme kostspielig, da die Kosten der blauen und grünen Laser nach wie vor recht hoch sind. Kompakte Laser mit ausreichend niedrigen Geräuschpegeln und einer stabilem Ausgabeverhalten, das zur genauen Reproduktion eines Bildes ohne unerwünschte Artefakte erforderlich ist, sind zudem nicht ohne weiteres erhältlich. Zwar bieten Laser Vorteile für leistungsinten sive Anwendungen, aber sie sind unter Berücksichtigung der Reziprozitätseigenschaften konventioneller fotografischer Filme und Papiere nicht gut geeignet. So werden häufig Spezialmedien für die Bebilderung mithilfe von Laserbelichtungsenergie benötigt.
GB 2 282 700 beschreibt eine Lichtquelle zur Bereitstellung einer Belichtung entlang einer Beleuchtungsachse. WO 02/006865 A beschreibt die Bereitstellung mehrerer flacher Kanten zur Packung der Ausgabeseiten. DE 197 28 354 A beschreibt Lichtführungen, die jeder LED zugeordnet sind. US-A-6,227,669 beschreibt Lichtführungen, die jeder LED zugeordnet sind. JP 11-282092 A beschreibt eine Vielzahl winkliger Oberflächen.
Probleme in Bezug auf Geschwindigkeit, Kosten und Leistung vorhandener digitaler Bebilderungssysteme schränken den Nutzen derartiger Systeme auf bestimmte Arten von lichtempfindlichen Medien ein. Diese Probleme gelten insbesondere für Hochgeschwindigkeits-Rasterprintanwendungen, wie sie für das Printen von Laufbildfilmen erforderlich sind. CRT-Printer benötigen beispielsweise Belichtungszeiten, die je Vollbild einige Minuten betragen können. Kommerziell erhältliche Laser-Rasterprintsysteme sind schneller, benötigen aber immer noch 3–10 Sekunden pro Vollbild. Für die digitale Ersterstellung eines Films in voller Länge sind Printgeschwindigkeiten von mindestens zwei Vollbildern je Sekunde erforderlich, wenn das Verfahren kommerziell verwertbar sein soll. Die Filmbelichtung bei Echtzeit würde einen wesentlich höheren Durchsatz erfordern, und zwar von insgesamt 24–30 Vollbildern je Sekunde. Wie die hier genannten Zahlen belegen, liegt eine Geschwindigkeit von 24–30 Vollbildern je Sekunde außerhalb der Reichweite konventioneller CRT- und Lasertechnologien bei Verwendung von Rasterbebilderungsverfahren.
Diesbezüglich sind zweidimensionale Raumlichtmodulatoren vielversprechender, obwohl sie ursprünglich für Projektoren und Displays entwickelt worden sind. Im Unterschied zu langsameren, mit Rasterabtastung arbeitenden Energiequellen, wie CRT- und Laser-Polygon-Vorrichtungen, stellen Raumlichtmodulatoren die Belichtungsenergie jeweils für ein volles Bild bereit. Dies betrifft insbesondere eine zweidimensionale Anordnung von Lichtventilelementen, bei denen jedes Element einem Pixel entspricht, wobei der Raumlichtmodulator durch wahlweise Reflexion oder Änderung des Polarisationszustands jedes Bildpixels arbeitet. Standardtypen von Raumlichtmodulatoren umfassen digitale Mikrospiegelvorrichtungen (DMD) und Flüssigkristallvorrichtungen (LCD).
DMD-Lösungen, wie die in US-A-5,461,411 gezeigten, bieten im Vergleich zu Laser-/Polygon-Schreibvorrichtungen zahlreiche Vorteile, wie beispielsweise längere Belichtungszeiten. Dies trägt dazu bei, Reziprozitätsprobleme zu mindern, die bei lichtempfindlichen Medien in Verbindung mit kurzen Belichtungszeiten auftreten können. Allerdings ist die DMD-Technologie teuer und nicht weit verbreitet. Zudem stehen DMDs derzeit nicht in ausreichend hohen Auflösungen für Printeranwendungen zur Verfügung und sind nicht ohne weiteres auf höhere Auflösungen konzipierbar.
Ein Raumlichtmodulator des LCD-Typs moduliert durch wahlweise Änderung des Polarisationszustands jedes Bildpixels. Diese Arten von LCD sind transmissiv und reflektiv. Beide Arten von Vorrichtungen kommen in Bebilderungssystemen zum Einsatz. Beispielsweise beschreiben US-A-5,652,661 und 5,701,185 Druckvorrichtungen, die Bilder mithilfe transmissiver LCDs erzeugen. Die Verwendung konventioneller, transmissiver Techniken unterliegt jedoch mehreren Nachteilen. Aufgrund des für Leiterbahnen und Schaltungskomponenten benötigten Raums weisen transmissive LCD-Modulatoren im Allgemeinen reduzierte Öffnungsverhältnisse auf. Transmissive Feldeffekttransistoren (TFT) auf Glas bieten nicht die nötige Pixel-Pixel-Gleichmäßigkeit, die für viele Print- und Filmaufzeichnungsanwendungen erforderlich ist. Die Baugröße transmissiver LCD-Vorrichtungen, die durch die große Pixelzahl bei höheren Auflösungen bedingt ist, erweist sich für ein optisches System, das für Print- oder Filmaufzeichnungsanwendungen gedacht ist, als unhandlich. Die meisten LCD-Drucker, die mit Durchlichttechnik arbeiten, sind daher entweder auf geringe Auflösung oder auf kleine Druckformate beschränkt.
Im Unterschied dazu bieten LCD-Modulatoren eine überlegene Leistung und verringern die Kosten des Drucksystems erheblich. Die Belichtungszeiten für einzelne Pixel verändern sich von zehntel Nanosekunden auf zehntel Millisekunden, was eine millionenfache Zunahme bedeutet. Diese Verlängerung der Belichtungszeit in Verbindung mit einer größeren Apertur für jedes einzelne Pixel ermöglicht eine moderate Steigerung des Schreibdurchsatzes auf zwei Vollbilder je Sekunde oder mehr, ohne die sonst durch kurze Belichtungszeiten verursachten Reziprozitätsprobleme.
Sowohl transmissive als auch reflektive LCD-Typen unterliegen Einschränkungen. Allerdings unterliegen insbesondere reflektive LCD-Vorrichtungen einer kontinuierlichen Verbesserung, was es vorteilhaft macht, reflektive LCDs in Printeranwendungen zu verwenden.
LCDs können Licht aus einer beliebigen Zahl von Quellen modulieren. Konventionelle Printer verwenden Lampen als Lichtquellen. Zwar können Lampen eine ausreichend hohe Leistung für das Printen mit hoher Geschwindigkeit liefern, aber sie unterliegen inhärenten Einschränkungen, wie beispielsweise in Bezug auf Erzeugung von Wärme- und Infrarotstrahlung. Lampen können zudem nicht mit ausreichend hoher Geschwindigkeit ein- und abgeschaltet werden, wie dies für Hochgeschwindigkeits-Printanwendungen erforderlich wäre. Aus den genannten Gründen sind Laser für die Beschreibung lichtempfindlicher Medien weniger wünschenswert. Außerdem weisen Laserquellen unerwünschte Kohärenzlichteffekte auf, wie beispielsweise Fleckenbildung. Leuchtdioden (LED) werden mit gewissem Erfolg in Printern eingesetzt, wobei allerdings noch Raum für Verbesserungen besteht.
Es ist in der Bebilderungstechnik bekannt, dass LEDs nicht unter Berücksichtigung von Schreibanwendungen entwickelt worden sind. Die zur Verwendung in Anzeigeeinrichtungen mit sichtbarem Licht konventionell hergestellten LEDs sind darauf ausgelegt, moderate Helligkeitswerte bei hoher Winkelabweichung zu erzeugen. Da sie vorwiegend für Anzeigefunktionen ausgelegt sind, werden LEDs von den Herstellern nach Helligkeit und anderen fotometrischen Eigenschaften spezifiziert, die sich auf das Ansprechverhalten des menschlichen Auges beziehen. Die fotometrischen Werte für LED-Lichtquellen, die üblicherweise in Lumen oder Candela angegeben werden, geben nur wenig Aufschluss über die Eignung für die Filmbelichtung.
Es sind die radiometrischen und weniger die fotometrischen Eigenschaften der Lichtquelle, die beim Beschreiben von lichtempfindlichen Medien von Interesse sind. Die Schreibwellenlängen brauchen beispielsweise nicht im sichtbaren Bereich zu liegen; daher kann es vorteilhaft sein, Licht mit sehr kurzen, nahultravioletten Wellenlängen oder längere Infrarotwellenlängen zu verwenden. Die Schreibgeschwindigkeit ist beispielsweise eine Funktion der Strahldichte (üblicherweise in W/cm²/sr angegeben), nicht der Helligkeit. Die hohe Winkelabweichung des Lichts bei LEDs, die für Anzeigezwecke nützlich ist, ist für Schreibzwecke nachteilig, denn hier ist ein schmaler Strahlungswinkel und eine kleine Strahlungsfläche eine gute Voraussetzung, um eine hohe Auflösung und hohe Geschwindigkeit zu erzielen. Angaben zur maßgebenden Wellenlänge, wie sie für helle Anzeige-LEDs üblicherweise gemacht werden, können unter dem Gesichtspunkt der für das Beschreiben lichtempfindlicher Medien notwendigen Charakteristika irreführend sein. Die tatsächliche Spitzenemissionswellenlänge kann deutlich von der maßgebenden Wellenlänge abweichen, die vom menschlichen Auge wahrgenommen wird.
Charakteristika lichtempfindlicher Medien
Wie zuvor beschrieben, sind LEDs weitgehend für die Sichtbarkeit gegenüber dem menschlichen Auge und zur Verwendung in einer Vielzahl von Anzeigeanwendungen ausgelegt. Die Auslegung auf Anzeigezwecke steht jedoch oft in Konflikt mit den Anforderungen zur Belichtung lichtempfindlicher Medien. 3 zeigt eine repräsentative Kurve der Spektralempfindlichkeit gegenüber der Wellenlänge je Farbschicht für einen bestimmten Typ eines Farbzwischennegativfilms zur Verwendung im Laufbildfilm-Printing. Die vertikale Skala ist die Kurve der Schwärzung zum Logarithmus der einwirkenden Lichtmenge (log E). Ein Wert von 0 entspricht somit einem Belichtungswert von 1 erg/cm² (0,0000001 J/cm²) ein Wert von 1 entspricht einem Belichtungswert von 0,1 erg/cm² (0,00000001 J/cm²); ein Wert von –1 entspricht einem Belichtungswert von 10 erg/cm² (0,000001 J/cm²). Über die Kurven zur Spektralempfindlichkeit dieses lichtempfindlichen Mediums ist eine normalisierte Kurve zur Darstellung des photopischen Ansprechverhaltens des menschlichen Auges zum Vergleich gelegt. Die Kurve in 3 zeigt, dass es erhebliche Unterschiede zwischen dem Ansprechen eines lichtempfindlichen Mediums über einem Bereich von Wellenlängen und dem Ansprechverhalten des menschlichen Auges geben kann. Das menschliche Auge spricht stärker gegenüber geringen Änderungen der Farbintensität und des Farbtons in einigen Teilen des Spektrums an. Die Filmempfindlichkeit hängt dagegen stärker von den unterschiedlichen Belichtungswellenlängen ab. Wie in 3 gezeigt, beträgt beispielsweise die Empfindlichkeit der roten Schicht ungefähr 1/100 der Empfindlichkeit der blauen Schicht.
Die Farbansprecheigenschaften lichtempfindlicher Medien unterscheiden sich häufig von denen des menschlichen Auges innerhalb des gleichen Bereichs des Spektrums. Beispielsweise beträgt die ideale Blauwellenlänge für die Filmbelichtung ungefähr 450 nm, ein Wert, der in Nähe der Spitze der blauen Kurve und in Nähe des Minimums der grünen Kurve liegt. Für das menschliche Auge wäre jedoch ein Wert von 480–490 nm zu bevorzugen. Mit der in 3 gezeigten Filmempfindlichkeit wäre allerdings eine Belichtung von 490 nm ungeeignet, da diese in gewissem Maße die blauen und grünen Schichten beeinträchtigte. Für die rote Schicht läge eine optimale Wellenlänge für den Film im Bereich von 685–695 nm. Es kann jedoch schwierig sein, diese Wellenlänge, die an der Grenze des sichtbaren Spektrums liegt, wahrzunehmen. Es sei darauf hingewiesen, dass eine rote LED mit einer maßgebenden Wellenlänge von typischerweise nahe 625 nm optimal für Ampellicht oder andere sichtbare Verwendungen ist. Für die Filmbelichtung wird allerdings fast das 4-fache der Lichtmenge bei dieser Wellenlänge als bei 690 nm benötigt. Daran ist zu sehen, dass die Empfindlichkeit des lichtempfindlichen Mediums gegenüber Wellenlängen sogar mit dem Ansprechverhalten des menschlichen Auges in Konflikt stehen kann, für das LEDs vorwiegend ausgelegt sind.
Zwischen dem, was von einer LED als Lichtquelle für Anzeigezwecke verlangt wird und dem, was als Belichtungsquelle für die Bebilderung auf lichtempfindlichen Medien verlangt wird, gibt es erhebliche Unterschiede. Da LEDs hauptsächlich für Anzeigeanwendungen entwickelt worden sind, werden Spezialtechniken benötigt, um diese Vorrichtungen an Hochgeschwindigkeits-Schreibvorrichtungen anzupassen.
LED-Zusammensetzung und Eigenschaften
1a, 1b und 1c zeigen von oben nach unten und in Schnittansicht den Aufbau einer konventionell gekapselten, diskreten LED 32, die in Anzeigelampen und anderen Anzeigeanwendungen zum Einsatz kommt. Wie in 1a gezeigt, ist ein Verbindungsdraht 27 mit einer Elektrode 30 an einem LED-Chip 25 angeschlossen. Für typische Vorrichtungen ist die diskrete LED 32 ungefähr 200 bis 250 μm² groß, während die Elektrode 30 einen Durchmesser im Bereich von 120 bis 150 μm aufweist. Die Elektrode 30 deckt notwendigerweise einen erheblichen Teil der Leuchtfläche der diskreten LED 32 in der gewünschten Emissionsrichtung ab. 1b zeigt die bevorzugte Emissionsrichtung für das LED-Licht anhand eines LED-Chips 25, der an einem Träger 29 angelötet ist. Wie in 1b gezeigt, wird eine erhebliche Lichtmenge von den Kanten des LED-Chips 25 in unerwünschte Richtungen abgestrahlt. Dies ist beispielsweise auf die Reflexionseffekte der Lötverbindung und auf eine gewisse Reflexivität der Elektrode 30 selbst zurückzuführen. Der Verbindungsdraht 27 blockiert zudem eine gewisse Lichtmenge. Es ist schwierig, Licht von diesen Kanten zu sammeln und zu nutzen. Aufgrund der Anordnung der Elektrode 30 wird nur eine kleine Menge Licht entlang der bevorzugten Achse abgestrahlt. Die optische Achse selbst kann dunkler als die achsenversetzten Bereiche sein.
Wie in der Schnittansicht der diskreten LED 32 in 1c gezeigt, ist der LED-Chip 25 innerhalb einer Reflektorschale 24 angeordnet, die dazu beiträgt, einen Teil des in einer uner wünschten seitlichen Richtung abgestrahlten Lichts zu sammeln und dieses Licht vertikal in die gewünschte Richtung zu lenken. Die konventionelle, diskrete LED 32 ist in einer Epoxydomlinse 28 gekapselt, die dazu beiträgt, Licht in die gewünschte Richtung zu lenken. Der Treiberstrom wird von einer Anodenleitung 21 über einen dünnen, vergoldeten Verbindungsdraht 27 durch den LED-Chip 25 zu einer Kathodenleitung 23 geleitet. Unter dem Kühlungsgesichtspunkt sind Konvektion und Wärmeabstrahlung zu vernachlässigen. Die innerhalb der diskreten LED 32 erzeugte Wärme muss von der diskreten LED 32 über die Kathodenleitung 23 abgeführt werden. Ein hoher thermischer Widerstand reduziert die Gesamtleistung und Lebensdauer der LED.
Der für die diskrete LED 32 in 1a, 1b und 1c gezeigte konventionelle Konstruktionsansatz ist für viele Anzeigeanwendungen akzeptabel. Wie in der vorausgehenden Beschreibung erwähnt, sei allerdings darauf hingewiesen, dass aufgrund des sensitometrischen Ansprechverhaltens des lichtempfindlichen Mediums und der Nachteile der konventionellen Konstruktion der diskreten LED 32 der konventionelle Ansatz relativ ineffizient und für Schreibanwendungen nicht gut geeignet ist. An der Konstruktion der diskreten LED 32 können diverse Verbesserungen vorgenommen werden. Beispielsweise zeigen die Drauf- und Seitenansichten in 2a und 2b eine verbesserte Konstruktion für die diskrete LED 32. Hier sind zwei Elektroden 30 in diagonalen Ecken des LED-Chips 25 angeordnet, wodurch der dunkle Punkt in Achsenrichtung konventioneller diskreter LEDs 32 beseitigt wird, und wodurch eine zusätzliche Lichtemission in der gewünschten Richtung der optischen Achse ermöglicht wird. Mit den Anordnungen aus 2a und 2b wird der Treiberstrom innerhalb des LED-Chips 25 zudem gleichmäßiger verteilt. Der Wärmeaufbau bleibt jedoch problematisch, da er mit der in 2a und 2b gezeigten konstruktiven Lösung nicht ausreichend abgeführt wird.
Lösungen für die Gruppierung von LEDs
Ein Verfahren zur Erzielung höherer Belichtungsenergiedichten aus diskreten LEDs 32 besteht darin, mehrere diskrete LEDs 32 zu gruppieren. Die relativ kleine Baugröße diskreter LEDs 32 macht diesen Ansatz innerhalb bestimmter Grenzen möglich. 4a zeigt ein Beispiel eines 3x3 großen Array aus diskreten LEDs 32 in einer Farbanordnung. Ein derartiger Array aus diskreten LEDs 32 auf einer LED-Trägerplatte 31 ist verwendbar, um eine stärkere Helligkeit zu erzielen, wenn die Verwendung von Quellen diskreter LEDs 32 vorteilhaft ist.
Wie in 4a gezeigt, kann es vorteilhaft sein, die diskreten LEDs 32 in verschiedenen Mustern anzuordnen und relativ mehr diskrete LEDs 32 derselben Farben zu verwenden, je nach der spektralen Empfindlichkeit des zu belichtenden lichtempfindlichen Mediums.
In typischen Schreibvorrichtungen bestimmt der Öffnungskegelwinkel des Beleuchtungssystems, innerhalb welchen Bereichs diskrete LEDs 32 auf der LED-Trägerplatte 31 angeordnet werden können. In der Praxis weisen geeignete Beleuchtungsoptiken typischerweise einen Öffnungskegelwinkel von ca. f/4 auf. Bei konventionellen Linsenkomponenten und Konstruktionsansätzen, beispielsweise bei Verwendung einer achromatischen Linse mit 25 mm Durchmesser, würde dies die verfügbare Fläche einschränken, wodurch LEDs innerhalb von ca. 6,45 cm² (ca. 1 Zoll²) angeordnet werden müssten.
Wegen der einfachen Lichtkegelgeometrie bestehen gewisse Einschränkungen bezüglich der Lichtausbeute bei der Bereitstellung mehrerer diskreter LEDs 32 innerhalb einer schmalen Beleuchtungsöffnung, wie mit Bezug auf 5a und 5b gezeigt. In 5b strahlt die diskrete LED 32 Licht mit einem gesamten LED-Streuungswinkel 33 ab, der einen Öffnungskegelwinkel 34 einer Kollimationslinse 36 für die Beleuchtungsoptik überschreitet. Ein Verlustlichtbereich 35 des von der diskreten LED 32 abgestrahlten Lichts liegt außerhalb des Öffnungskegelwinkels 34 der Optik und ist daher innerhalb der Druckervorrichtung nicht brauchbar. Wenn mehrere diskrete LEDs 32 verwendet werden, kann auch dann ein beträchtlicher Anteil an Verlustlicht vorhanden sein, obwohl der Emissionskegelwinkel kleiner als der Öffnungskegelwinkel der Optik ist, wie in 5a gezeigt. Die diskreten LEDs 32 am Randbereich der LED-Trägerplatte 31 haben einen größeren Anteil an Verlustlicht, was den Anteil am Verlustbereich 35 im Vergleich mit mittig angeordneten diskreten LEDs 32 vergrößert. Die einfache Erhöhung der Dichte der diskreten LEDs 32 hat somit in Bezug auf die Bereitstellung einer höheren Belichtungsenergie ihre Einschränkungen. Lösungen zur Verwendung kleinerer diskreter LEDs 32 können einen moderaten Zuwachs an Belichtungsenergie bereitstellen, unterliegen jedoch ebenfalls ähnlichen Ineffizienzen aufgrund der Winkelabweichung.
Ein alternativer Ansatz zur Bereitstellung einer ausreichenden Belichtungsenergie ist die Verwendung großflächiger LED-Vorrichtungen mit gemusterten Elektroden, wie in 7a und 7b gezeigt. Dieser Ansatz stellt aus einer relativ kleinen Beleuchtungsfläche die äquivalente Energie eines Arrays aus diskreten LEDs 32 bereit. Kommerzielle Versionen der kom pakten, großflächigen LED-Vorrichtungen sind u.a. Vorrichtungen des Typs Luxeon Star von Lumileds Lighting, LLC, aus San Jose, Kalifornien, USA, oder ähnliche Komponenten beispielsweise von Cree, Inc., aus Durham, North Carolina, USA. Wie in 7a gezeigt, weist eine Bauart einer großflächigen LED-Vorrichtung, nämlich eine gemusterte Elektroden-LED 134, eine gemusterte Elektrode 40 auf, die durch den LED-Chip 25 gleichmäßig Strom verteilt, ohne die Emission in der gewünschten Richtung wesentlich zu beeinträchtigen. 7b zeigt eine Seitenansicht der gemusterten Elektroden-LED 134. Im Vergleich ist der in der gemusterten Elektroden-LED 134 verwendete LED-Chip 25 ungefähr 2 mm lang, also ca. zehn Mal so lang wie ein standardmäßiger LED-Chip 25, wie er in einer konventionellen diskreten LED 32 zum Einsatz kommt. Die gemusterte Elektroden-LED 134 ist jedoch immer noch klein genug, um von einer einzelnen Linse ausreichend parallel gerichtet werden zu können. Ein spezielles Linsenelement-Array ist nicht erforderlich.
8a zeigt in detaillierter Form den Aufbau der gemusterten Elektroden-LED 134, beispielsweise des Typs Luxeon Star. Eine großflächige LED 46 ist auf einem Metallkühlkörper 48 angeordnet und extern über elektrische Leitungen 43 sowie intern über Verbindungsdrähte 27 verbunden. Die Vorrichtung ist durch eine klare Kunststofflinse 128 abgedeckt. Wie in 8b gezeigt, kann eine zusätzliche Sammeloptik hinzugefügt werden, um die Lichtstärke von der gemusterten Elektroden-LED 134 zu erhöhen. Ein Sammelkegel 41, beispielsweise eine gegossene Kunststoffkomponente, dient als Lichtleiter und sowohl als Kollimations- sowie Reflexionsoptik zur Lenkung des abgestrahlten Lichts. Der Sammelkegel 41 umfasst eine integriert gegossene Kollimationslinse 36 zur Unterstützung der Kollimation abgestrahlten Lichts, das eingangsseitig empfangen wird, um eine Emission mit kleinerem Winkel zu erzeugen. Zudem dient der Sammelkegel 41 in Form einer Prismenstruktur als Führungselement unter Nutzung der gesamten internen Reflexion zur Umleitung der Emissionen mit größeren Winkeln. Hieran wird klar, dass viel Aufwand erforderlich ist, um die gemusterte, großflächige LED als Lichtquelle für Filmbebilderungsanwendungen heranzuziehen, die eine relativ hohe Strahldichte, eine hohe Leistung, einen kleinen Emissionswinkel und eine kleine Ausgangsfläche aufweist, wenig Wärme aufbaut und in Achsenrichtung keine „Totpunkte" aufweist.
Obwohl die Gruppierung von LEDs und die Kombination gemusterter Elektroden-LEDs 134 mit Sammelkegeln 41 eine gewisse Verbesserung zur Erzielung hoher Belichtungsenergien von LED-Lichtquellen bringt, treten weiterhin erhebliche Schwierigkeiten auf. Um eine ausreichende Belichtungsenergie für das Drucken bei effizienten Geschwindigkeiten zu ermöglichen, ist sogar eine noch höhere Belichtungsenergie erforderlich. Gleichzeitig muss diese Energie von einer kleinen Quelle innerhalb eines begrenzten Bereichs und bei niedrigen Divergenzwinkeln abgestrahlt werden.
Konventionelle Ansätze ermöglichen derzeit Schreibgeschwindigkeiten von bis zu ca. 1 Bildfeld/Sekunde. Für eine kommerzielle Nutzung sind allerdings Geschwindigkeiten von ca. 24 Bildfeldern/Sekunde erforderlich. Weil eine Erhöhung der Belichtungsenergie direkt eine potenzielle Erhöhung der Schreibgeschwindigkeit ermöglicht, können sogar kleine Verbesserungen zur Steigerung der Belichtungsenergie vorteilhaft sein, vorausgesetzt, die notwendigen Einschränkungen bezüglich Flächenbegrenzung und Divergenzwinkel werden erfüllt.
Es besteht daher Bedarf nach einer verbesserten Druckervorrichtung, die hohe Druckgeschwindigkeiten auf lichtempfindlichen Medien unter Nutzung einer energiestarken LED-Beleuchtung zu erzielen vermag.
Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Lichtquelle zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahls entlang einer Beleuchtungsachse nach Anspruch 1 bereit.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie mehrere LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet, je nach Empfindlichkeitseigenschaften des lichtempfindlichen Mediums. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren nutzen die Vorteile der Merkmale und der Kosten von LED-Komponenten, wobei diese Vorrichtungen in geeigneter Weise konfiguriert werden, um Film und andere lichtempfindliche Medien zu beschreiben. Beispielsweise nutzt die vorliegende Erfindung die Emission mit schmaler Bandbreite, die relativ hohe Effizienz, die hohen Schaltgeschwindigkeiten, die relativ niedrigen Kosten, die kleine Baugröße und die minimale Wärme- und IR-Abstrahlung von LEDs.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie die Menge der für das Drucken verfügbaren Lichtenergie erhöht, wenn LED-Quellen unter Verwendung einer Reihe von Anordnungen und optischen Zusatzkomponenten benutzt werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie kompakte Anordnungen von LEDs als Belichtungsquellen ermöglicht.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und beschrieben wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1a, 1b und 1c Herstellungsdetails für konventionelle, diskrete LEDs, beispielsweise für LEDs, die für Anzeigezwecke verwendbar sind;
2a und 2b anhand von Drauf- und Seitenansichten Herstellungsdetails für eine verbesserte LED-Konstruktion unter Verwendung von Eckelektroden;
3 eine Kurve zur Darstellung der Empfindlichkeitseigenschaften für einen typischen Farbzwischennegativfilm zusammen mit einer darüber liegenden, normalisierten Kurve zur Darstellung des photopischen Ansprechverhaltens des menschlichen Auges;
4a eine Vorderansicht eines 3x3 Arrays aus LEDs mit fünf roten, zwei grünen und zwei blauen LEDs;
4b eine Vorderansicht eines Arrays mit mehreren LEDs, die zur Maximierung der Packungsdichte wabenförmig angeordnet sind;
5a eine schematische Zeichnung zur Darstellung einer LED-Anordnung, wobei Licht von den äußeren LEDs von der Linse nicht gesammelt wird;
5b eine schematische Zeichnung zur Darstellung einer LED mit weitem Emissionswinkel, der den Öffnungskegelwinkel der Linse übersteigt;
6a eine Draufsicht einer LED-Anordnung aus einzelnen LED-Elementen auf einer gemeinsamen Grundplatte;
6b eine Seitenansicht des LED-Arrays aus 6a mit Darstellung eines speziellen Linsenelement-Arrays, das Licht von jedem LED-Element kollimiert;
7a und 7b Drauf- und Seitenansichten einer verbesserten LED mit interdigitalisierten Elektroden;
8a eine Schnittansicht einer verbesserten LED;
8b eine Kollimator-/Reflektorstruktur zur Verwendung mit der LED aus 8a;
9 eine mehrfarbige LED-Anordnung mit einer einzelnen LED und einer Kollimator-/Reflektorstruktur, die von diskreten LEDs unterschiedlicher Farbe umgeben ist;
10a eine Lichtquellenkonfiguration mit vier LEDs einer einzelnen Farbe, die jeweils eine modifizierte Kollimator-/Reflektorstruktur aufweisen;
10b aus einer Vorderansicht eine Lichtquellenkonfiguration mit vier LEDs einer einzelnen Farbe, die jeweils eine modifizierte Kollimator-/Reflektorstruktur aufweisen;
10c aus einer Vorderansicht eine Lichtquellenkonfiguration mit vier verschiedenfarbigen LEDs, die die erfindungsgemäße Kollimator-/Reflektorstruktur verwenden;
11a vier verbesserte LEDs, die auf einem thermoelektrischen Kühler angeordnet sind, wobei eine Öffnungsplatte Kollimatorlinsen enthält;
11b eine Lichtquellenkonfiguration mit vier LEDs einer einzelnen Farbe, die jeweils eine modifizierte Kollimator-/Reflektorstruktur aufweisen und auf einem thermoelektrischen Kühler angeordnet sind;
12 eine alternative Anordnung, in der eine Lichtquelle rote und grüne LEDs in der Anordnung eines vierblättrigen Kleeblatts aufweist, ähnlich wie in 10a gezeigt, wobei zusätzliche blaue LEDs zur Bildung eines mehrfarbigen Arrays hinzugefügt sind;
13 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Druckervorrichtung unter Verwendung mehrerer Beleuchtungsquellen, kombiniert durch einen dichroitischen Spiegel;
14a eine Seitenansicht zur Darstellung einer Struktur, in der mehrere LEDs auf einer winkligen Fläche angeordnet sind, wodurch Licht zum Mittelpunkt einer Kollimationslinse gelenkt wird;
14b eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung, bei der LEDs auf einer winkligen Fläche angeordnet sind, wie in 14a gezeigt, wobei die LEDs die in 8b gezeigte Kollimator-/Reflektorstruktur aufweisen;
15 eine LED, die mit einer Kollimationslinse und einem parabolischen Reflektor konfiguriert ist, um Licht zu sammeln und parallel zu richten, also zu kollimieren;
16a, 16b, 16c und 16d mehrere Ansichten einer erfindungsgemäßen Schreibvorrichtung, die drei Raumlichtmodulatoren verwendet;
17 eine schematische Darstellung einer alternativen Druckvorrichtung mit drei separaten Schreibköpfen, eine für jede Farbe, und
18 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Druckvorrichtung.
Die vorliegende Beschreibung trifft insbesondere Elemente, die einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden oder direkt damit zusammenwirken. Es sei darauf hingewiesen, dass nicht ausdrücklich gezeigte oder beschriebene Elemente verschiedene Formen annehmen können, die einschlägigen Fachleuten bekannt sind.
18 zeigt in schematischer Darstellung eine Druckervorrichtung 100 zum Bedrucken eines lichtempfindlichen Mediums, wie eines Laufbild-Printfilms. Die Druckervorrichtung 100 umfasst Optikkomponenten 10 sowie ein Medienverarbeitungssubsystem 212. Das Medienverarbeitungssubsystem 212 umfasst einen Filmvorrat 202, eine Belichtungssektion 204 und eine Filmspeichereinheit 208. Ein Steuerlogikprozessor 210 empfängt und verarbeitet Bilddaten für die Druckervorrichtung 100 und steuert den gesamten Betrieb der Optikkomponenten 10 sowie der Komponenten des Medienverarbeitungssubsystems 212. Der Betrieb der Druckvorrichtung entspricht den üblichen Verfahren für andere Druckerbauarten. Zum Drucken wird ein unbelichteter Abschnitt eines lichtempfindlichen Mediums 160 aus dem Filmvorrat 202 in die Belichtungssektion 204 transportiert. Die Optikbaugruppe 10 wirkt mit dem Steuerlogikprozessor 210 zusammen, um Bilddaten auf das lichtempfindliche Medium 160 zu drucken. Der belichtete Abschnitt des lichtempfindlichen Mediums 160 ist dann verarbeitungsbereit, um das Bild entwickeln zu können.
Innerhalb der Optikbaugruppe 10 befinden sich die Komponenten zur Ausbildung des Bildes und zur Fokussierung des Bildes auf das lichtempfindliche Medium 160. Eine Lichtquelle 20 richtet monochromatisches Licht mit einer Menge möglicher Farben auf einen Polarisationsstrahlenteiler 16, der Licht mit geeignetem Polarisationszustand auf einen Raumlichtmodulator 14 richtet, bei dem es sich in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel um ein LCD handelt. Der Raumlichtmodulator erzeugt das Bild durch Modulation des Polarisationszustands des einfallenden Lichts und reflektiert das modulierte Licht, das dann mithilfe der Fokussierungsoptik 18 auf die Belichtungssektion 204 fokussiert wird. Die Homogenisierungsoptik 12 homogenisiert Licht aus der Lichtquelle 20, um ein gleichmäßiges Feld zur Modulation durch den Raumlichtmodulator 14 zu erzeugen.
Für die vorliegende Erfindung nutzt die Lichtquelle 20 eine Kombination von LED-Quellen in einem Array, das derart angeordnet ist, dass ausreichende Belichtungsenergie für die Hochgeschwindigkeitsverarbeitung des lichtempfindlichen Mediums 160 bereitgestellt wird. Wie in den hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigt, können die LED-Quellen an der Lichtquelle 20 alle dieselbe Farbe aufweisen. Alternativ hierzu können die LED-Quellen an der Lichtquelle 20 unterschiedliche Farben aufweisen und getrennt gespeist werden, um aufeinanderfolgende Bildfelder des lichtempfindlichen Mediums 160 zu belichten. Die Empfindlichkeit des lichtempfindlichen Mediums 160 gegenüber verschiede nen Wellenlängen, wie in 3 gezeigt, ist ein wichtiger Faktor in der Konstruktion der Lichtquelle 20. Wie in der vorausgehenden Besprechung des Hintergrunds der Erfindung erwähnt, hat die Lichtquelle 20 einen effektiven Beleuchtungsbereich von ca. 6,45 cm² (ca. 1 Zoll²). Um eine hohe Leistung und Geschwindigkeit zu erreichen, muss die Lichtquelle 20 eine maximale Strahldichte für die Belichtung des lichtempfindlichen Mediums 160 bereitstellen.
13 zeigt eine alternative Konstruktion für die Druckervorrichtung 100 zur sequenziellen Bebilderung, worin unter Verwendung eines einzelnen Modulators für alle Farben eine Lichtquelle 20 mehr als einen Array aus LED-Quellen optisch entlang einer gemeinsamen Beleuchtungsachse verwenden kann. Während eines ersten, sich periodisch wiederholenden Zeitintervalls stellt eine rote LED-Anordnung 60 eine Quellenbeleuchtung entlang einer Beleuchtungsachse I bereit. Während eines zweiten, sich periodisch wiederholenden Zeitintervalls erzeugt ein grünes Licht aus einem grünen und blauen LED-Array 61 eine Quellenbeleuchtung. Während eines dritten, sich periodisch wiederholenden Zeitintervalls erzeugt ein blaues Licht aus einem grünen und blauen LED-Array 61 eine Quellenbeleuchtung. Ein dichroitischer Spiegel 62 kombiniert Licht aus einem grünen und blauen LED-Array 61 sowie aus einem roten LED-Array 60 und lenkt dieses Licht durch die Kollimationslinse 36 und die Vereinheitlichungsoptik 45 entlang der Beleuchtungsachse I. Für jedes LED-Array 60 und 61 werden zusätzliche Kollimationslinsen 36 bereitgestellt. Eine telezentrische Kondensorlinse 70 leitet die Beleuchtung durch einen Polarisator 52 zu einem Polarisationsstrahlenteiler 81. Licht aus dem Polarisationsstrahlenteiler 81, das den richtigen Polarisationszustand aufweist, wird dann an einem Raumlichtmodulator 91 moduliert, tritt durch den Polarisationsstrahlenteiler 81 und wird entlang der Ausgabeachse O durch einen Analysator 63 an eine Drucklinsenbaugruppe 110 ausgegeben, die das Bild auf ein lichtempfindliches Medium 140 fokussiert.
Der dichroitische Spiegel 62 kann dazu beitragen, die Eigenschaften der LED-Quellen an den speziellen Film oder an ein anderes lichtempfindliches Medium 140 anzupassen. Beispielsweise kann der dichroitische Spiegel 62 so konstruiert sein, dass er die kürzeren Wellenlängen des roten Lichts abtrennt, um eine unerwünschte Grünbelichtung zu minimieren. Dies würde einen optionalen Filter entbehrlich machen.
Die Konstruktion aus 13 lässt eine Reihe von Abwandlungen zu, wie Fachleuten in der optischen Technik bekannt sein wird. Die Vereinheitlichungsoptik 45 kann ein Linsenelement-Array, einen optischen Tunnel, eine Integrationsleiste oder sogar eine Integrationskugel umfassen. Der schematisch als MacNeille-Prisma dargestellte Polarisationsstrahlenteiler 81 könnte alternativ auch als Drahtgitter-Strahlenteiler ausgeführt sein. Der Analysator 63 kann entfallen, wenn das Kontrastverhältnis akzeptabel ist. Zudem könnte jedes der hier beschriebenen verbesserten Ausführungsbeispiele der Lichtquelle 20 in der Druckervorrichtung 100 verwendet werden, wie in 13 gezeigt, sowie mit den Ausführungsbeispielen der Druckervorrichtung 100, die in 16a–16d, 17 oder 18 gezeigt werden.
16a, 16b, 16c und 16d zeigen schematische und perspektivische Ansichten der Druckervorrichtung 100 in einem Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer separaten Lichtquelle und eines Modulators für jede Farbe. Wie insbesondere in 16a, 16b und 16c gezeigt, lenken die Lichtquellen 20, 22 und 26 Licht (üblicherweise rotes, grünes und blaues Licht) durch die Vereinheitlichungsoptik 45, 49 und 47, durch die telezentrische Kondensorlinse 70, 72, 71, durch die Polarisatoren 53, 55 und 57, durch die Klappspiegel 73, 75, 77 sowie durch die Polarisationsstrahlenteiler 80, 84 und 82 zu den reflektierenden Raumlichtmodulatoren 90, 97 bzw. 95. Moduliertes Licht wird durch die Polarisationsstrahlenteiler 80, 84 und 82 zu einer X-Würfelkombinationsvorrichtung 86 übertragen, die die separat modulierten Farbstrahlen entlang einer Ausgabeachse zum Schreiben kombiniert. 16d zeigt ein Beispiel für die räumliche Anordnung dieser Beleuchtungs- und Modulationskomponenten innerhalb der Druckervorrichtung 100.
In der in 16a, 16b, 16c und 16d gezeigten Anordnung umfassen die Lichtquellen 20, 22 und 26 jeweils ein LED-Array, das mit einem der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele konfiguriert ist. Die Raumlichtmodulatoren 90, 97 und 95 sind Auflicht-LCDs. Die Anordnung der 16a, 16b, 16c und 16d ermöglichen eine simultane Belichtung des lichtempfindlichen Mediums 140. Weil diese Konstruktion eine maximale Leistung für jede Farbe und das simultane Beschreiben der Farben ermöglicht, wird die Schreibgeschwindigkeit bei Verwendung dieser Anordnung maximiert.
17 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Druckervorrichtung 100, worin ein separates, einfarbiges Schreibmodul 66 eine Belichtung der Drucklinse 110 für jede Farbe vor sieht. Jedes einfarbige Schreibmodul 66 könnte beispielsweise die Struktur der in 18 gezeigten Optikbaugruppe 10 aufweisen. Mit der in 17 gezeigten Anordnung wird das lichtempfindliche Medium 140 von einer Position zur nächsten indiziert, um alle Farben für jedes Bildfeld zu belichten. Alle drei einfarbigen Schreibmodule 66 bebildern gleichzeitig aufeinanderfolgende Bildfelder. Mit dieser Anordnung schreibt beispielsweise ein Farbschreibmodul 66 die rote Komponente eines Bildfeldes. Das nächst folgende Farbschreibmodul 66 schreibt die grüne Komponente. Das letzte Farbschreibmodul 66 schreibt die blaue Komponente. Unter Verwendung dieser Anordnung können die Bebilderungsoptiken für bestimmte Farben optimiert werden, um chromatische Aberrationen zu minimieren.
Basisausführungsbeispiel – hexagonale Anordnung diskreter LEDs 32
4b zeigt aus einer Vorderansicht ein erstes Ausführungsbeispiel für die Lichtquelle 20 in der vorliegenden Erfindung. Die LED-Trägerplatte 31 dient als Träger für eine Reihe diskreter LEDs 32, die in einem hexagonalen oder Wabenmuster angeordnet sind. Das hexagonale Muster ermöglicht die dichtest mögliche Packung diskreter LEDs 32 in derselben Ebene. In der besten Anordnung würden die diskreten LEDs 32 im Wesentlichen innerhalb der Grenzen einer Fläche von ca. 6,45 cm² (ca. 1 Zoll²) angeordnet sein, wie gezeigt. In der Anordnung von 4b werden zweiundzwanzig diskrete LEDs 32 bereitgestellt: zwölf rote, neun grüne und eine blaue diskrete LED 32. Die Zahl der verschiedenfarbigen Einrichtungen entspricht recht genau den Empfindlichkeitsdifferenzen des lichtempfindlichen Mediums 160, wie in 3 gezeigt. Wichtige Faktoren zur Bestimmung der Zahl und Art der diskreten LEDs 32 jeder Farbe sind u.a. die abgestrahlte Wellenlänge, die Empfindlichkeit des lichtempfindlichen Mediums 160, Überlegungen zur Belichtungszeit und die LED-Ausgangsleistung. Die für rotes, grünes und blaues Licht benötigten Belichtungsstärken können beispielsweise für ein bestimmtes lichtempfindliches Medium 160 10,6 bzw. 2 erg/cm² (0,000001, 0,0000006 bzw. 0,0000002 J/cm²) betragen. Wenn beispielsweise diskrete LEDs 32 eine gleiche Ausgangsleistung und geeignete Wellenlängeneigenschaften aufweisen, würden zehn rote, sechs grüne und zwei blaue diskrete LEDs 32 für eine ähnliche Anordnung, wie die in 4b gezeigte, benötigt, sofern gleiche Belichtungszeiten gegeben sind.
Ausführungsbeispiele für einzelne Substrate
Alternative Lösungen zur Erhöhung der aus LED-Quellen ausgegebenen Belichtungsenergie umfassen die Verwendung einer kompakteren Herstellung. Wie in den schematischen Plan- und Seitendarstellungen aus 6a und 6b gezeigt, wurde ein LED-Array 130 hergestellt, indem LED-Chips 25 auf einem Substrat 131 angeordnet wurden, wobei eine entsprechende Chip-Lücke für die Verlegung des Anschlussdrahts freigelassen wurde. Um ein LED-Array 130 herzustellen, wurden LED-Chips 25 montiert und verdrahtet, worauf das LED-Array 130 mit Epoxidharz oder einem anderen geeigneten Schutzmittel beschichtet wurde. Das Beispiel aus 6a zeigt die Herstellung eines 14x14 Chip LED-Arrays 130. Um eine parallele Ausrichtung zu erzielen, kann das Linsenelement-Array 38 auf LED-Chips 25 in dem LED-Array 130 ausgerichtet und dann dauerhaft befestigt werden. Lösungen dieser Art, wie in 6a und 6b gezeigt, wurden zwar erprobt, aber die Ergebnisse können aufgrund der hohen Herstellungskosten und des erheblichen internen Lichtverlusts enttäuschend sein.
Gruppiertes Ausführungsbeispiel mit einzelnem Sammelkegel 41
9 zeigt in einer Vorderansicht ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel der Lichtquelle 20, in der ein Mehrfarben-Array mittels einer Vielzahl von LEDs gebildet wird. In der Mitte ist eine einzelne, grüne, großflächige LED 46 mit einem Sammelkegel 41 bereitgestellt, wie in 8b gezeigt. Weitere diskrete LEDs 32 sind auf einer LED-Trägerplatte 31 bereitgestellt. Der Sammelkegel 41 ist gekerbt, um eng gepackte, benachbarte, rote und blaue diskrete LEDs 32 zu ermöglichen. Die Anordnung von 9 ist deswegen geeignet, weil die großflächigen LEDs 46 um ein Mehrfaches heller sind als konventionelle diskrete LEDs 32, insbesondere in Kombination mit dem Sammelkegel 41.
Gruppiertes Ausführungsbeispiel mit mehreren Sammelkegeln 41
10a zeigt eine Anordnung von Sammelkegeln 41 zur Verwendung in der Lichtquelle 20. Wie diese Anordnung zeigt, ist keiner der Sammelkegel 41 und keine der großflächigen LEDs 46 auf der optischen Achse O mittig angeordnet. Diese Anordnung ist daher relativ ineffizient und weist in der Mitte der optischen Achse O einen dunklen Punkt auf.
10b zeigt als Vorderansicht eine verbesserte Anordnung mit mehreren großflächigen LEDs 46 derselben Farbe in einer Mehrkegelstruktur 141. Im Unterschied zu der Anordnung mit separaten Sammelkegeln 41, wie in 10a gezeigt, lenkt die Mehrkegelstruktur 141 das abgestrahlte Licht enger zur optischen Achse O.
Die Mehrkegelstruktur 141 wird gebildet, indem eine Mehrzahl von Kegelsegmenten 101 zusammengefügt wird. Die Kegelsegmente 101 können geschnitten, gegossen oder in sonstiger Form ausgebildet sein, um eine kompakte Anordnung bereitzustellen, in der die Ausgabesektionen der Kegelsegmente 101 bündig aneinander liegen. Diese Anordnung maximiert den Beitrag jeder großflächigen LED 46 zur Beleuchtung in Achsenrichtung.
Die Beispiele in 10a und 10b erzeugen eine einzelne Farbe. Für einige Arten von Bebilderungsvorrichtungen sind einzelne Lichtquellen 20 geeignet. Es sind verschiedene alternative Anordnungen möglich. Das Ausführungsbeispiel in 10c zeigt beispielsweise eine Anordnung, in der verschiedene Farben innerhalb eines Clusters verwendbar sind. Hier werden mit einer Mehrkegelstruktur 141 rote, grüne und blaue großflächige LEDs 46 bereitgestellt. Alternativ hierzu werden in 12 blaue diskrete LEDs 32 in Nähe der Mehrkegelstruktur 141 für rote und grüne großflächige LEDs 46 zur Erzeugung blauer Wellenlängen bereitgestellt.
Es sei darauf hingewiesen, dass für Druckanwendungen die relative Empfindlichkeit des lichtempfindlichen Films oder eines anderen Mediums bei verschiedenen Wellenlängen von großer Bedeutung ist. Mit dem Laufbildmedium, das das in 3 gezeigte Ansprechverhalten aufweist, betrüge beispielsweise eine ideale rote Wellenlänge für die rote Schicht 690 nm. Andererseits weisen typische rote Display-LEDs Spitzenwellenlängen von 625–640 nm auf. Basierend auf der relativen Empfindlichkeit aus 3 würde bei 625 nahezu das Vierfache der Stärke benötigt, die bei 690 nm erforderlich ist. Dies schließt nicht die Verwendung roter LEDs mit kleinerer Wellenlänge aus; statt dessen legt diese Beziehung lediglich fest, wie viele rote großflächige LEDs 46 des Standardtyps erforderlich sind.
Ausführungsbeispiele zur Ermöglichung einer kompakteren Packung großflächiger LEDs 46
Die Reduzierung der Wärmeerzeugung verlängert einerseits die Lebensdauer der LEDs und ermöglicht andererseits einen Betrieb mit höherer Leistung und Helligkeit. 11a zeigt aus einer Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer Lichtquelle 20, die eine dichtere Packung und größere LEDs ermöglicht. Großflächige LED 46, wie die erwähnten Luxeon-Komponenten, sind auf einer LED-Trägerplatte 31 angeordnet. Um die Leistung und Lebensdauer zu erhöhen, ist ein thermoelektrischer Kühler 51 in Kontakt mit der LED-Trägerplatte 31 angeordnet. Ein Kühlkörper 56 ist vorgesehen, um die erzeugte Wärme abzuleiten. Für jede groß flächige LEDs 46 ist auf einer Aperturplatte 50 eine entsprechende diskrete Kollimationslinse 36 angeordnet. 11a zeigt eine Seitenansicht; aus einer Draufsicht könnten vier oder mehr großflächige LEDs 46 zusammen gruppiert werden, wie in den Ausführungsbeispielen aus 10a und 10b gezeigt.
11b zeigt ein weiteres optionales Ausführungsbeispiel mit Sammelkegeln 41, die zusammen mit großflächigen LEDs 46 zur parallelen Richtung und Sammlung des ausgestrahlten Lichts verwendet werden. Wie in 11b gezeigt, können die Sammelkegel 41 so geformt sein, dass sie eng zueinander passen.
14a und 14b zeigen in Seitenansicht bzw. in perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Lichtquelle 20, in der großflächige LEDs 46 auf einer winkligen Trägerfläche 64 verwendet werden. Die winklige Trägerfläche 64 weist allgemein in Bezug zur Beleuchtungsachse I eine konkave Form auf. Eine gewisse Krümmung könnte zudem zur Formung der winkligen Trägerfläche 64 vorgesehen sein. Diese Anordnung von 14a und 14b lenkt Licht zu einem Punkt F, der eine ideale Apertur für die Kollimationslinse 36 entlang der optischen Beleuchtungsachse darstellt.
Zwar bilden die Sammelkegel 41 einen Mechanismus, der dazu geeignet ist, Licht von großflächigen LEDs 46 zu lenken, aber es sind auch andere Arten von Strukturen verwendbar. Beispielsweise könnten geeignet geformte Glasprismen verwendet werden, von denen jedes so geformt ist, dass es ein kollimierendes Eingangselement umfasst und die gesamte interne Reflexion nutzt, um Licht zu einem Ausgang zu lenken.
Ausführungsbeispiel zur Verbesserung der Lichtsammlung
15 zeigt eine Anordnung für eine verbesserte Lichtausbeute. Die großflächige LED 46 ist im Fokus eines Parabolreflektors 65 angeordnet, der weit divergierende Strahlen kollimiert. Die Kollimationslinse 36 kollimiert die weniger divergierenden Strahlen. Diese Konstruktion ist eine Verbesserung gegenüber dem Sammelkegel 41 aus 8b, der die weit divergierenden Strahlen einfach ohne Kollimation nach vorne lenkt. Lichtstrahlen, die aus dem Sammelkegel 41 in einem Winkel austreten, der größer als ein f/4 Öffnungskegel von ca. 7 Grad beträgt, gehen verloren und tragen nicht zur Belichtung bei.
Obwohl die Erfindung mit besonderem Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Geltungsbereichs, wie zuvor beschrieben und in den nachstehenden Ansprüchen dargelegt, von Fachleuten Änderungen und Abwandlungen unterzogen werden.
Es wird somit eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Bedrucken eines lichtempfindlichen Mediums mithilfe von LED-Lichtquellen bereitgestellt.

Claims

Lichtquelle zum Bereitstellen eines Beleuchtungsstrahls entlang einer Beleuchtungsachse, mit: a) einer Vielzahl großflächiger LEDs (46), die auf einer Grundfläche gelagert sind zum Erzeugen abgestrahlten Lichts; b) einer Kollektorstruktur (141) zum Sammeln des abgestrahlten Lichts aus der Vielzahl großflächiger LEDs, um den Beleuchtungsstrahl zu bilden, wobei der Kollektor umfasst: für jede LED eine Lichtführung zum Sammeln des von der LED abgestrahlten und von der Lichtführung empfangenen Lichts an einem Eingang und zum Lenken des abgestrahlten Lichts zu einem Ausgang entlang der Beleuchtungsachse, wobei die Lichtführung umfasst: (i) ein Kollimationselement nahe dem Eingang zum Kollimieren eines Teils des abgestrahlten Lichts, um kollimiertes Licht in die Richtung der Beleuchtungsachse zu lenken; (ii) ein Führungselement zum Lenken eines anderen Teils des abgestrahlten Lichts am Eingang zum Ausgang und entlang der Beleuchtungsachse; worin der Ausgang mindestens einer ersten Lichtführung mindestens einen flachen Rand hat, der ein seitlicher Abschnitt der Lichtführung ist und der an einen entsprechenden flachen Rand des Ausgangs mindestens einer zweiten Lichtführung anstößt, und dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine diskrete LED (32) ohne entsprechende Lichtführung vorgesehen ist, wobei die diskrete LED nahe der Kollektorstruktur angeordnet ist, um für Beleuchtung entlang der Beleuchtungsachse zu sorgen.
Lichtquelle nach Anspruch 1, worin die großflächigen LEDs mehr als eine Farbe haben.
Lichtquelle nach Anspruch 1, worin es sich bei den Lichtführungen um konische Segmente handelt, die am Eingangsende schmaler sind.
Lichtquelle nach Anspruch 1, worin die Lichtführungen aus der aus Glas oder Kunststoff bestehenden Gruppe hergestellt sind.
Lichtquelle nach Anspruch 1, worin die Grundfläche gekrümmt ist.
Lichtquelle nach Anspruch 1, worin die Grundfläche eine Vielzahl abgewinkelter Flächen aufweist.