DE4131866C2 - Vorrichtung zur Laseraufzeichnung auf Ausweiskarten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beaufschlagung eines Aufzeichnungsträgers mit einem Laserstrahl zur Erzeugung einer Laseraufzeichnung, bei der der Laserstrahl eines Lasers über eine Zweikoordinaten- Strahlablenkvorrichtung mit einem einzigen Spiegel abgelenkbar ist, der um zwei Achsen schwenkbar gehalten ist und mittels zweier elektromagnetischer Kraftgeber gesteuert um die beiden Achsen verschwenkbar ist.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DD 2 40 102 A1 bekannt. Diese zeigt eine optische Ablenkvorrichtung, bei der ein Spiegel um zwei Achsen schwenkbar gehalten ist und mittels zweier Elektromagnete um diese Achsen gesteuert verschwenkbar ist. Der Spiegel ist mit einem kugelförmigen Körper eingefaßt, der einen weichmagnetischen Ring enthält. Durch die nichtlinearen Magnetkräfte durch umgebende Magnete auf dem Ring läßt sich dieser nicht zentrisch halten, und er nimmt eine unbestimmte Lage zu einem der umgebenden permanentmagnetischen Polpaare an. Demgemäß ist die Spiegellage und eine damit vorgenommene Strahlablenkung ungenau.

Weiterhin ist aus Berger, J. et al: High power, high efficient neodymium: yttrium aluminum garnet laser end pumped by a laser diode array. In US-Z.: Appl. Phys. lett., Vol. 51, No. 16, 1987, S. 1212-1214 ein Neodym:Yttrium Aluminium Kristall-Laser (Nd:YAG-Laser) mit einem Pump-Laserdiodenarray bekannt. Dieser weist einen hohen Konversionsgrad von ca. 11% bei 415 mW Ausgangsleistung auf, und weitere Wirkungsgradverbesserungen waren zu erwarten.

Weiterhin ist aus ZHOU, B. et al.: Efficient, frequency­ stable laser-diode-pumped Nd:YAG laser. In US-Z.: Optics Letters, Vol 10, No. 2, 1985, S. 62-64 ein Nd:YAG-Laser bekannt, der von einer Galliumarsenid-Laserdiode gepumpt wird. Es konnten jedoch nur Ausgangs-Leistungen von einigen mW erbracht werden.

Weiterhin ist aus STRÄTER, H.-D/GEORGIADIS, A.: Laserscanner in der industriellen Anwendung, Teile 1-3. In DE-Z.: Laser Magazin No. 1/91-3/91, S. 21-23, 20-23, 34-42 eine Laserbeschriftungsanlage von Werkstücken bekannt, bei der die Schriftzüge durch Punktbeaufschlagung mittels eines galvanisch in zwei Koordinaten abgelenkten Laserstrahls erstellt werden. Es werden bis 160 Zeichen pro Sekunde erreicht. Zur Strahlablenkung dienen insbesondere Galvanometerspiegel, die sich durch hohe Ablenkwinkel von einigen 10 Grad und hohe Linearität auszeichnen. Zug zweidimensionalen Ablenkung werden zwei Spiegel benutzt, deren Spiegelachsen um 90° gegeneinander versetzt sind.

Eine weitere Vorrichtung ist aus der DE 29 07 004 C2 bekannt. Diese besteht aus einem Laser, der mit einer Gasentladungsleuchte gepumpt wird. Wegen des geringen Pumpwirkungsgrades der Gasentladungsleuchte ist eine Hochleistungsleuchte mit einer Wasserkühlung notwendig, um mit einer ausreichenden Strahlintensität eine Beschriftung oder Bildaufzeichnung auf einer zur Laseraufzeichnung bekannter Weise strukturierten und/oder präparierten Kunststoffkarte vorzunehmen. Die langen Ein- und Ausschaltzeitkonstanten des Lasers in Verbindung mit denen der Hochleistungsleuchte erfordert eine punktgenaue Steuerung der Strahlbeaufschlagung der Kartenoberfläche durch eine steuerbare Blende, der eine steuerbare Fokussierungsvorrichtung vorgeschaltet ist, die den Laserstrahl bei geschlossener Blende jeweils defokussiert, damit deren oberflächenspezifische Belastung auf ein zulässiges Maß reduziert wird. Durch diese Baugruppen hat die Gesamtvorrichtung eine große Baulänge und erhebliche Lichtverluste, die ca. 75% der Laserstrahlleitung betragen, wodurch die Vorrichtung Tisch- oder Schrankform hat. Deshalb und auch wegen des Kühlwasseranschlusses und des erforderlichen Kraftstromanschlusses räumlich fest zu installieren ist.

Weiterhin ist es aus der DE 31 51 407 C1 bekannt, für die Beschriftung von Deckfolien von Ausweiskarten einen Neodym-YAG-Laser zu verwenden, dessen Laserstrahl gesteuert die Ausweiskarte beaufschlagt.

Weiterhin ist aus der US 43 16 073 eine Laservorrichtung zur Beschriftung von Dokumenten bekannt, bei der ein Laser über Servosteuerungen in zwei Richtungen positioniert ist, so daß dieser ein über weitere Positioniermittel vorausgewähltes Beschriftungsfeld mit dem Laserstrahl gesteuert beaufschlagt. Diese Positionierung des gesamten Lasers in zwei Richtungen ist sehr aufwendig und relativ langsam.

Weiterhin ist aus der US 43 60 728 eine Laseraufzeichnungsvorrichtung bekannt, bei der ein aufgeweiteter Laserstrahl eines gepulsten Halbleiterlasers über zwei Schwenkspiegel in zwei Koordinatenrichtungen zur Positionierung innerhalb eines präparierten Aufzeichnungsfeldes abgelenkt und mittels des letzten der beiden Spiegel fokussiert auf die Ausweiskarte gerichtet wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die eingangs bezeichnete Vorrichtung in ihrer Ablenkgenauigkeit zu verbessern und für eine Laseraufzeichnungsvorrichtung für Ausweiskarten einzusetzen.

Die Lösung besteht darin, daß der Spiegel federelastisch aufgehängt und an einem Haltekreuz über einen Verbindungssteg zweier benachbarter Haltekreuzarme gehalten ist, jeweils an den diagonalen Enden des Haltekreuzes die zwei Kraftgeber über jeweils einen Verbindungsbügel angreifen und die Kraftgeber magnetodynamische Anordnungen sind, die koaxial zum gehäuseseitig gehaltenen Mittelpunkt des Haltekreuzes angeordnet sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorteilhaft wird die Ablenkvorrichtung für die Ablenkung eines Strahles eines Neodym-YAG-Lasers genutzt, der sich mit einem in seiner Lichtfrequenz günstigen Halbleiterpumpdiode mit sehr hohem Wirkungsgrad pumpen läßt. Dadurch ist eine Wasserkühlung und eine Kraftstromversorgung entbehrlich, was auch Raum und Gewicht spart, wenn der Laser für die Beschriftung von Ausweiskarten benutzt wird.

Einen weiteren Vorteil erbringt die Halbleiterpumpdiode dadurch, daß sie eine so geringe Ein-Ausschaltzeit aufweist, so daß diese mit der Pumpzeit des Lasers zusammen geringer als ein Bruchteil einer Punkt-zu-Punkt- Positionierzeit und/oder eine Punkteinbrennzeit bei einer üblichen Ausweiskartenaufzeichnung ist. Diese Erkenntnis wird erfindungsgemäß dazu genutzt, daß die Halbleiterpumpdiode über einen Modulator bestromt wird, dem die aufzuzeichnende Bildinformation steuernd zugeführt wird. Hierdurch entfallen die aufwendigen Hell-Dunkel- Strahlsteuermittel im Laserstrahlengang, und der Laserstrahl ist unmittelbar über eine Strahlablenkvorrichtung auf die Ausweiskartenoberfläche gerichtet. Dadurch ergibt sich für den Laser mit dem Modulator und mit einer üblichen Kartenpositionierungs- und Zuführvorrichtung, die die Karte in bekannter Weise zu einer Beschriftung in einem buchstabenmäßigen Raster bewegt oder zu einer Bildaufzeichnung auf ein Bildfeld transportiert, ein Aufbau im Auftisch-Kofferformat. Dadurch läßt sich das Gerät an beliebige Einsatzorte in Büros oder Schalterhallen nach Bedarf verbringen.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß die Strahlablenkung in beiden Ablenkrichtungen über nur einen Spiegel erfolgt, der in zwei Koordinaten zu verstellen ist. Dadurch werden die Spiegelverluste eingespart, die ein zweiter Spiegel gewöhnlich erbringt. Auch ist der Spiegel gleichzeitig ein fokussierender Hohlspiegel, der weitere Fokussierungsmittel entbehrlich macht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt die neuartige Strahlablenkvorrichtung.

Der Laser (1) wird gemäß Fig. 1 von der Halbleiterpumpdiode (2) lichtmäßig beaufschlagt. Die Halbleiterpumpdiode (2) ist von einem Modulator (3) bestromt. Dieser Modulator (3) kann ein einfacher Schaltverstärker sein, wenn nur Schwarzweiß-Aufzeichnungen ohne Graustufen vorgenommen werden sollen oder eine Pulslängenmodulation vorgesehen ist.

Besonders vorteilhaft ist der Modulator (3) ein Verstärker, der entweder eine steuerbare Stromquelle oder ein pulslängenmoduliertes Graustufensignal abgibt.

Das Graustufensignal wird zur Steuerung des Modulators (3) in seiner Stromhöhe bzw. in seinem Puls-Pausenverhältnis durch einen Singnalumformer (4) mit einem Steuersignal (SS) gespeist, der vorzugsweise aus einem Digitalrechner besteht und eine geeignete nichtlineare Transformation von eingehenden Graustufensignalen (GS) vornimmt, die die Nichtlinearität der Schwärzungscharakteristik des jeweilig gegebenen Aufzeichnungsträgers (A) gradationsmäßig ausgleicht. Es ist hier vorgesehen, daß das Signal um so größer oder längerdauernd ist, wenn die Schwärzung tiefer sein soll. Das eingangsseitig vorliegende Graustufensignal (GS) entstammt beispielsweise einer Videokamera (V), deren Bildsignalfolge in einem Bildspeicher (BS) geeignet zwischengespeichert ist. Der Signalumformer (4) kann auch in einer Vorverarbeitung den Inhalt des Bildspeichers (BS) in bekannter Weise verändern und beispielsweise den Kontrast oder Bildausschnitt verändern. Zur Steuerung und Beobachtung der Vorverarbeitung ist eine Eingabevorrichtung (E) und ein Bildmonitorgerät (M), das die Graustufensignale, die jeweils im Bildspeicher (BS) enthalten sind, wiedergibt, an den Signalumformer (4) angeschlossen.

Ein besonders vorteilhafter Betrieb des Modulators (3) ist dadurch gegeben, daß von der Ausweiskarte (A) reflektiertes Licht des Laserstrahles mittels eines darüber angeordneten Photosensors (PS) aufgenommen und invertiert als ein Ist-Signal dem Modulator (3) zugeführt ist, dem andererseits das Steuersignal (SS) als ein Soll- Signal zu einer geregelten Erzeugung der Bestromung der Halbleiterpumpdiode (2) dient. Vorzugsweise steuert der Ausgang eines Soll-Istwertvergleichers die Bestromung so, daß jeweils bei Erreichung eines durch den Sollwert vorgegebenen Schwärzungsgrades die Bestromung beendet ist. Damit ist ein vollständiger Regelkreis von der Stromquelle im Modulator (3) über die Pumpdiode (2), den Laser (1), die Ablenkgruppe (ZA), die Ausweiskarte (A), den Photosensor (PS) und zurück zum Modulator (3) geschlossen, wodurch die Nichtlinearität der Aufzeichnungscharakteristik des Aufzeichnungsmediums und alle Material- und Betriebsbedingungsveränderungen und Eigenschaften weitgehend ausgeglichen sind. Es verbleibt allenfalls eine ungeregelte Nachwirkung des Laserstrahls durch die Abschalt- und Abklingzeiten der Pumpdiode (2) und des Lasers (1). Dieser Effekt ist jedoch weitgehend durch die vorgesehene Vorverarbeitung der Graustufensignale im Bildspeicher (BS) zu kompensieren.

Die sogenannten Graustufenwerte können auch Farbwerte sein, falls der Aufzeichnungsträger (A) auf verschiedene Leistungsbeaufschlagungen hin unterschiedliche Farbumschläge erleidet, wozu eine geeignete Beschichtung oder Materialzusammensetzung bekannter Art auf den Aufzeichnungsträger aufzubringen ist.

Die Ablenkgruppe (ZA) wird mit Ablenksignalen (I1, I2) für zwei Koordinaten gespeist, so daß Buchstabenformen des Ablenkweges oder ein Zeilenraster für eine Bilddarstellung oder eine Informationsdarstellung in maschinenlesbarer Form durch den Laserstrahl (L) auf dem Aufzeichnungsträger erzeugt werden können, wobei entsprechend der jeweiligen Weglänge, die von der Strahlspur auf dem Aufzeichnungsträger zurückgelegt wird, die punktmäßige Beaufschlagung des Modulators (3) erfolgt.

Fig. 2 zeigt eine neuartige Ausgestaltung der Ablenkbaugruppe. Bei dieser ist es vorgesehen, daß ein einziger Spiegel (SP) den Strahl (L) durch Veränderung seiner Spiegelneigung in beiden Koordinatenrichtungen (x, y) gesteuert ablenkt und außerdem vorteilhaft durch seine Ausbildung als ein Hohlspiegel den Laserstrahl (L) auf den Aufzeichnungsträger fokussiert.

Der Spiegel (SP) ist seitlich an einem Verbindungssteg (VS1) von zwei benachbarten Haltearmen eines Haltekreuzes (HK) schräg geneigt befestigt. Die jeweils sich gegenüberliegenden Enden des Haltekreuzes sind paarweise diagonal an jeweils einen stromgesteuerten Kraftgeber (MD1, MD2) geführt, von denen der eine oberhalb und der andere unterhalb des zentralen Befestigungspunktes des Haltekreuzes angeordnet ist. Die Kraftgeber (MD1, MD2) sind vorzugsweise magnetodynamische Systeme, wie sie beispielsweise in Lautsprechern zum Einsatz kommen. Die beiden Haltekreuzarme, die der Verbindung, an der der Spiegel befestigt ist, gegenüberliegen, sind symmetrisch zu diesem ersten Verbindungssteg (VS1) mit einem entsprechenden Verbindungssteg (VS2) verbunden, so daß die gesamte Anordnung völlig achssymmetrisch aufgebaut ist. Der Mittelpunkt des Haltekreuzes (HK) ist an einem Haltearm (HA) gehäuseseitig fixiert. Die Verbindungen von den Endpunkten der Haltekreuzarme zu den Kraftgebern (MD1, MD2) ist durch biegsame Bügel (B1, B2) vorgenommen. Auf diese Weise sind die mit dem Haltekreuzmittelpunkt konzentrischen Kraftgeber völlig zentrisch belastet.

Die Spiegelauslenkung in der x-Richtung erfolgt abhängig von einer Bestromung der beiden Kraftgeber in gleicher Kraftrichtung, wobei die beiden Haltekreuzarme, die zum Spiegel hin gerichtet sind, gleichzeitig abgebogen werden, so daß der Spiegel eine Verschwenkung in die x-Richtung erleidet. Zur Ablenkung in die y-Richtung werden die beiden Kraftgeber einander entgegenrichtet bestromt, so daß die gegensinnige Auslenkung der Haltekreuzarme eine Torsion des Spiegels (SP) bewirkt, wodurch eine Strahlauslenkung in der y-Richtung erfolgt. Bei einer entsprechenden Überlagerung der Ablenkströme (I1, I2) der magneto-dynamischen Kraftgeber (MD1, MD2) läßt sich eine entsprechende gleichzeitige Strahlablenkung in beiden Achsrichtungen überlagert vornehmen.

Die gezeigte Anordnung der beiden Kraftgeber und des Federelementes, nämlich des Haltekreuzes (HK), ist beispielhaft für eine Auslenkung eines Spiegels in zwei Koordinatenrichtungen. Sie läßt sich durch eine ähnliche Anordnung, die nicht symmetrisch zur Achse aufgebaut ist, ersetzen, wobei jedoch besondere Maßnahmen zum Auffangen entstehender Seitenkräften an den Kraftgebern getroffen werden müssen.

Die gesamte Vorrichtung läßt sich durch geeignete Beaufschlagung des einen Kraftgebers mit einem Vorstrom so unter eine Vorspannung setzen, daß die beiden Bügel (B1, B2) ständig mit einer Zugbelastung beaufschlagt sind. Aus diesem Grund können die Zugbügel als sehr leichte Drahtbügel ausgebildet sein.

Die schräge Anordnung des Hohlspiegels an dem Verbindungssteg (VS1) erbringt eine etwa konstant bleibende Mittelpunktslage des Spiegels (SP) zum Laserstrahl (L), wenn der Spiegel in der x-Richtung verschwenkt wird.

Die nichtlineare Biegecharakteristik der Haltekreuzarme läßt sich durch eine geeignete nichtlineare Strombemessung der Ablenkströme (I1, I2) und insbesondere der Ablenkstromanteile für die x- und y-Auslenkung durch geeignete Transformation der den Auslenkungen gemäßen Vorgabewerte der Ströme in der Steuervorrichtung ausgleichen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Beaufschlagung eines Aufzeichnungsträgers (A) mit einem Laserstrahl zur Erzeugung einer Laseraufzeichnung, bei der der Laserstrahl (L) eines Lasers (1) über eine Zweikoordinaten- Strahlablenkvorrichtung (ZA) mit einem einzigen Spiegel (SP) abgelenkbar ist, der um zwei Achsen schwenkbar gehalten ist und mittels zweier elektromagnetischer Kraftgeber (MD1, MD2) gesteuert um die beiden Achsen (X, Y) verschwenkbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Spiegel (SP) federelastisch aufgehängt und an einem Haltekreuz (HK) über einen Verbindungssteg (VS1) zweier benachbarter Haltekreuzarme gehalten ist,
• - jeweils an den diagonalen Enden des Haltekreuzes (HK) die zwei Kraftgeber (MD1, MD2) über jeweils einen Verbindungsbügel (B1, B2) angreifen und
• - die Kraftgeber (MD1, MD2) magnetodynamische Anordnungen sind, die koaxial zum gehäuseseitig gehaltenen Mittelpunkt des Haltekreuzes (HK) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftgeber (MD1, MD2) so mit Vorströmen beaufschlagt sind, daß die Bügel (B1, B2) stets unter einer Zugspannung stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (SP) ein Hohlspiegel ist, der den Laserstrahl (L) auf die Oberfläche des Aufzeichnungsträgers (A) fokussiert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Laser (1) ein Neodym-YAG-Laser ist, der von einer Halbleiterlaserdiode (2) optisch gepumpt wird,
• - die Halbleiterlaserdiode (2) mit einem Modulator (3) verbunden ist, der sie amplituden- und/oder pulslängenmoduliert,
• - der Modulator (3) mit einem Signalumformer (4) verbunden ist, der den Modulator (3) mit einem Steuersignal (SS) steuert und eingehende Graustufensignale (GS) derart umgeformt an den Modulator (3) weiterleitet, daß die Nichtlinearität der Schwärzungscharakteristik des Aufzeichnungsträgers (A) in Verbindung mit den Zeitkonstanten der Halbleiterlaserdiode (2) und des Lasers (1) kompensiert ist,
• - ein Photosensor (PS) vorhanden ist, der vom Aufzeichnungsträger (A) reflektiertes Laserlicht unmittelbar empfängt und ein Ausgangssignal liefert, das dem Modulator (3) als Ist-Signal invertiert zugeführt wird, während das Steuersignal (SS) des Signalumformers (4) als Soll-Signal für die geforderte Schwärzung des Aufzeichnungsträgers (A) dient.