專利名稱：數(shù)字微反射器印刷機(jī)的方法和構(gòu)造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及印刷機(jī)，尤其涉及采用空間光調(diào)制器(SLM)的印刷機(jī)。
一個(gè)分立元件陳列典型地由空間光調(diào)制器組成。這些陳列例如有液晶顯示器(LCD)和數(shù)字微反射器件(DMD)。有些SLM是二進(jìn)制器件，即其各個(gè)單元或者為“導(dǎo)通”或者為“截止”，而另有一些則可以有若干電平。在產(chǎn)生灰色標(biāo)度的印刷系統(tǒng)中，這將產(chǎn)生某些問題。
靜電印刷系統(tǒng)典型地采用以下方法。印刷機(jī)接收來自原始圖像，諸如計(jì)算機(jī)終端或已掃描了用以再現(xiàn)圖像的掃描單元的數(shù)據(jù)。印刷系統(tǒng)將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并將正確圖案的光照射到光敏磁鼓上，在磁鼓上形成潛在的電荷圖案。然后，磁鼓旋轉(zhuǎn)通過調(diào)色劑分配器，并將調(diào)色劑粉粒吸引到磁鼓表面上的潛像上。磁鼓帶著這些調(diào)色劑粉粒一起施轉(zhuǎn)，并將它們轉(zhuǎn)移到感光層典型地為一頁紙上。然后，一般通過熱將調(diào)色劑熔化在紙上，紙隨后退出印刷機(jī)。
通常，大多數(shù)此類系統(tǒng)都采用激光掃描曝光系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)印刷。由于空間光調(diào)制器可能提供較多的印刷功能，故使用為最佳。激光掃描系統(tǒng)通過沿著光柵行掃描激光束印刷一個(gè)接一個(gè)的像素。例如，如果用戶想要按每分鐘40頁的速度，用600點(diǎn)/英寸(dpi)的密度印刷8.5″×11″的紙張，那么每頁將要求打印11″×600dpi即6600行。每分鐘40頁即相當(dāng)于每秒4400行，其中每行有8.5×600即5100個(gè)像素。這樣就要求每秒有22.44×106的像素，每個(gè)像素用時(shí)44.6毫微秒。但激光不可能在短短的像素時(shí)間內(nèi)快速地以模擬形式調(diào)制提供灰度曝光。由于SLM具有能同時(shí)工作的大量光調(diào)制元件，故它們可以組態(tài)來一次印刷整行印刷信息。每秒鐘印刷的像素量維持相同，但SLM方法提供了長(zhǎng)達(dá)5100倍(5100×44.6毫微秒＝227.5微秒)的時(shí)間用灰度調(diào)制印刷單一像素。
然而，SLM有其自身的問題，由于其導(dǎo)通/截止或若干電平工作方式的性質(zhì)，產(chǎn)生灰度即在全導(dǎo)通(黑)與截止(無調(diào)色劑)圖像之間產(chǎn)生灰度梯度變得相當(dāng)困難。每個(gè)元件都具有一致的光點(diǎn)直徑、形狀和位置等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)清晰的圖像質(zhì)量較高。然而，由于固定的曝光電平和像素位置限制，SLM陳列的分辨率可容易地做到例如300dpi，也難以再現(xiàn)曲線圖形和細(xì)微的文本特征。
因此，解決上述問題提供了一個(gè)機(jī)會(huì)使印刷系統(tǒng)具有更好的質(zhì)量，更低的價(jià)格以及更易于維修等性能。
本發(fā)明所揭示的印刷系統(tǒng)，結(jié)合了行積分、脈幅調(diào)制、脈寬調(diào)制和脈位調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的印刷。該系統(tǒng)采用可調(diào)制光源，空間光調(diào)制器以及光敏介質(zhì)，后者典型的可用有機(jī)光感受器，但是，同樣的方法也適用于薄膜介質(zhì)。
為了更完整地理解本發(fā)明及其進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，以下將結(jié)合附圖和詳細(xì)的說明書對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。


圖1表示行積分印刷圖;
圖2a-2f表示描繪幾例脈幅調(diào)制的圖;
圖3a-3c描繪脈寬調(diào)制;
圖4表示脈位調(diào)制示意圖;
圖5表示一例脈位調(diào)制與脈幅調(diào)制的組合。
空間光調(diào)制器典型地包括一個(gè)單元陳列，每個(gè)單元都有其自己的尋址手段。某種調(diào)制器，諸如數(shù)字微反射器件(DMD)內(nèi)含存儲(chǔ)單元，它能夠接收和存儲(chǔ)下一幀數(shù)據(jù)，同時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)。這就允許用于任何像素的數(shù)據(jù)在不同的單元之間，甚至在不同的列和行單元之間“移動(dòng)”。數(shù)據(jù)實(shí)際上不“移動(dòng)”，但在下一幀數(shù)據(jù)中置于與現(xiàn)行顯示位置不同的位置。這一特征允許在諸如灰度印刷應(yīng)用中利用許多不同的技術(shù)。
圖1表示行積分印刷的一個(gè)方塊圖，用現(xiàn)行的一種技術(shù)來延長(zhǎng)任何一批數(shù)據(jù)的曝光時(shí)間。在t1，表示用于空間光調(diào)制器(SLM)陳列中列114的第一單元的數(shù)據(jù)位于單元110。該數(shù)據(jù)用A表示。箭頭112表示印刷介質(zhì)，諸如光敏磁鼓相對(duì)此列單元114的運(yùn)動(dòng)。數(shù)據(jù)A用一個(gè)曝光周期轉(zhuǎn)移到介質(zhì)上。該單個(gè)曝光周期以顯示圖像118表示。
在t2，或者通過器件內(nèi)部的直接轉(zhuǎn)移，或者通過將移動(dòng)到新位置的數(shù)據(jù)A重新輸入調(diào)制器，使數(shù)據(jù)A沿著列陳到達(dá)單元116，一個(gè)標(biāo)為B的新數(shù)據(jù)輸入單元110。運(yùn)動(dòng)箭頭112上的條形圖有了改變。B的所示圖像120作了一次曝光，而A的所示圖像118已作了二次曝光。此過程在t3重復(fù)進(jìn)行，其中A的圖像118已作了三次曝光，B的圖像120已作了二次曝光，單元110中標(biāo)為C的新數(shù)據(jù)具有一次曝光圖像122。當(dāng)然，該過程可重復(fù)進(jìn)行多次，由設(shè)計(jì)師決定為取得合適的曝光所需要的曝光次數(shù)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，將行積分與容積照度調(diào)制相結(jié)合，以形成灰度圖像?，F(xiàn)有技術(shù)的行積分方法，允許通過改變用以暴露給定像素的整個(gè)積分步驟的次數(shù)來形成灰度圖像(即可用16個(gè)積分行實(shí)現(xiàn)16個(gè)灰度)。本發(fā)明結(jié)合行積分與容積照度調(diào)制，允許用極少的行(4位2進(jìn)制加權(quán)的曝光量提供16個(gè)灰度)或更高的精度(16個(gè)行具有15個(gè)全曝光量，和1個(gè)半曝光量提供32個(gè)灰度)。
圖2a-2f表示一個(gè)實(shí)例。此例中，該實(shí)施例假定采用諸如數(shù)字微反射器件(DMD)一類的反射式空間光調(diào)制器，當(dāng)然，具有快速響應(yīng)時(shí)間的任何二進(jìn)制空間光調(diào)制器都可使用。DMD可以有多種不同的規(guī)格，此例假定一個(gè)DMD具有4行，圖中僅示出一個(gè)4反射器列，作為一個(gè)時(shí)間過程。圖2a表示在t1產(chǎn)生灰度等級(jí)的4反射器列，其中只有第一個(gè)圖像單元接受其數(shù)據(jù)。在該時(shí)幀內(nèi)，光源是全部照亮的。印刷列中框M1中的數(shù)字1表示印刷圖像的第一個(gè)圖像單元即像素的數(shù)據(jù)。
圖2b表示，在t2，諸如發(fā)光二極管(LED)一類的光源，以其全部照度的二分之一照亮該列。位1的紙上圖像已移動(dòng)位于有反射器M2的行中，很像以上所述的行積分。然而，在該點(diǎn)上，像素1已接受了1個(gè)全照度脈沖和一個(gè)1/2照度脈沖。相對(duì)于印刷圖像，用條形206表示其全部累積的照度脈沖。在該印刷圖像中，像素2直接位于像素1之下，它已經(jīng)接受了1/2照度脈沖，用條形208表示。
像素1在紙上圖像上的實(shí)際全部照度可以是或不是1和1/2照度脈沖。在t1，反射器1可以已開通，允許1個(gè)照度脈沖，在t2，反射器2可以已關(guān)閉，以1個(gè)照度脈沖在紙上留下實(shí)際照度。總累積照度脈沖這一詞僅僅意味著像素有可能接受該照度。通過四行反射器，總照度可能為最大照度的1.875倍。即1為全照度脈沖，0.5為第二照度脈沖，0.25為第三照度脈沖，0.125為第四照度脈沖，累加為1.875。
現(xiàn)在參見圖2c，將光源調(diào)制到其滿功率的1/4。此時(shí)，位于反射器M3的像素1具有1.875的總照度脈沖206。同樣，在圖2d中，像素1已經(jīng)過了其全部可能的光源照度，如條形206所示，它具有1.875倍滿功率照度的全部可能照度。注意，如條形208所示，像素2已經(jīng)接受了總的可能照度脈沖的1/2+1/4+1/8即0.875。在圖2e中，當(dāng)像素2在t5接受全照度脈沖時(shí)，即完成其可能的組合。也請(qǐng)注意，在所示的4個(gè)像素之后，該列中的下一個(gè)像素一第5個(gè)像素開始移動(dòng)通過灰度等級(jí)。
適合該方案的數(shù)據(jù)格式最好不在陳列中，該數(shù)據(jù)被送到已格式化的存儲(chǔ)器單元，對(duì)脈幅調(diào)制起作用。它顯示于圖2f中。該數(shù)據(jù)如圖示那樣格式化。在時(shí)間t1，諸如位0以上三個(gè)單元的數(shù)據(jù)未圖示(數(shù)據(jù)位的數(shù)字用下標(biāo)表示，其中，0＝用于全照度的數(shù)據(jù)位，等等)，對(duì)于像素1(像素?cái)?shù)字用上標(biāo)表示)用0填充。曝光量沿底部橫軸表示，例如EF表示全曝光量。
上例提供16個(gè)可能的灰度。每個(gè)像素可以有選擇地接受或不接受4種不同的照明強(qiáng)度，16(24)種可能的組合。為了將灰度等級(jí)數(shù)增加到32，只需增加一個(gè)附加的照度等級(jí)，即全照度的1/16，并將像素行組合為5?？梢越M合任何行數(shù)，它僅取決于系統(tǒng)的限定。此外，組合為4的子集合可以重復(fù)，提供兩倍的原始分辨率，即32個(gè)等級(jí)，如下所示。

上表說明，分辨率取決于該方法能達(dá)到多少步。通過將圖2a-2f所討論的型式重復(fù)一遍，可以提高功率和分辨率。根據(jù)系統(tǒng)所需的功率和尋址電路的復(fù)雜性，該電路必須能合適地對(duì)數(shù)據(jù)加以格式化，才能實(shí)現(xiàn)多種不同的組合。有時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更高程度的格式化，中到大的功率和高分辨率。此外，可以通過消除曝光等級(jí)中的一個(gè)等級(jí)達(dá)到中等的分辨率，同時(shí)獲得大功率。下一張表說明了這一問題。注意，詞“等級(jí)”指的是照度等級(jí)，而不是灰度等級(jí)。
至此，該技術(shù)已經(jīng)假定在經(jīng)過方向上一種均勻的像素寬度。當(dāng)可以形成不同寬度的像素單元時(shí)，在二進(jìn)制空間光調(diào)制印刷中就可以實(shí)現(xiàn)更多的靈活性。這可以用兩種方法實(shí)現(xiàn)，盡管正方形像素已足夠了，這兩種方法都將受益于矩形像素的使用。這些技術(shù)稱為脈寬調(diào)制。
圖3a表示第一種方法。在該例中，我們對(duì)矩形像素采用了高寬比，如4∶1。此外，矩形像素間隔3個(gè)反射部分，如框301所示，它表示一個(gè)反射器列的4個(gè)反射器段。在此例中，列段301中只有開口的反射器被使用。通過點(diǎn)亮光源一段不同的時(shí)期，可以在該經(jīng)過方向上形成不同寬度的像素單元。
圖像304表示一個(gè)像素在一張紙上的長(zhǎng)度306，而對(duì)應(yīng)于該圖像的陳列單元被照亮整個(gè)一行時(shí)間的25%。當(dāng)然，這是假定該圖像要顯示的數(shù)據(jù)為1。如果數(shù)據(jù)為0，將無圖像。圖像308表示一個(gè)單元照亮50%時(shí)間時(shí)，該像素圖像的長(zhǎng)度310。同樣，圖像312和316表示75%照亮?xí)r間和100%照亮?xí)r間的相應(yīng)長(zhǎng)度。
根據(jù)實(shí)際的4∶1高寬比，有源反射器應(yīng)與其它反射器間隔3行，以在光敏介質(zhì)上形成全部4個(gè)脈寬。這將采用類似于圖2f中所示的一個(gè)圖，但現(xiàn)在下標(biāo)應(yīng)稱為脈寬，而不是脈幅。下標(biāo)0為25%寬度，下標(biāo)1為50%寬度，等等。
注意，通過僅利用一行反射器，并轉(zhuǎn)換反射器上的數(shù)據(jù)而不是轉(zhuǎn)換光源，可以取得同樣的效果。然而，這需要在一行的時(shí)間內(nèi)4次將數(shù)據(jù)裝入行中，而原先的方案每一行時(shí)間只需要一次。這兩個(gè)實(shí)施例分別包含了激活和非激活單元的概念，或者通過下述方法中的物理方法，或者如上述方法中的那樣，用光激活它們。
圖3b表示用具有相同長(zhǎng)度的照度脈沖達(dá)到與脈寬調(diào)制具有相同效果的第二種方法。在該方法中，多個(gè)鄰接的反射器用以形成具有不同寬度的印刷位置。在4∶寬高比的例子中，它用了4行，但不跳過任何反射器。通過接通單元301a，印刷位置將具有與25%脈寬調(diào)制位置相同的寬度。接通301a和301b，寬度等于50%脈寬，接通301a-301c等于75%脈寬，接通301a-301d，則等于100%脈寬。為了使其具有精確的1∶2∶3∶4的比例且基本上不模糊，光必須有接近0%占空度，如圖3b所示。由于光敏面的移動(dòng)，較高的占空度將產(chǎn)生模糊并影響到所產(chǎn)生的脈寬比。
兩種用于脈寬調(diào)制的方法均得益于矩形像素的使用。矩形像素或者取自于具有同構(gòu)光學(xué)的空間光調(diào)制器陳列上的矩形單元，或者取自于具有合成光學(xué)的方形像素。合成光學(xué)壓縮了方形像素的垂直分量，諸如DMD，并在水平分量上隨其自然。這樣就形成了很像脈寬調(diào)制中所述的一種矩形像素。然而，為了實(shí)現(xiàn)此舉，應(yīng)當(dāng)制造一種特殊的陣列，其反射器行的間隔寬度等于像素尺寸乘以合成壓縮比(例如，對(duì)于4∶1寬高比，行距應(yīng)為4個(gè)像素的寬度)。這將允許脈寬印刷，而不會(huì)重疊印刷像素。注意，對(duì)于圖3a所示的實(shí)際脈寬調(diào)制而言，這種特殊陳列將是唯一必需的。圖3b采用鄰接的反射器，因此不需要這種特殊的陳列。
脈寬調(diào)制可以改換以實(shí)現(xiàn)脈位調(diào)制，其中，寬度恒定，但光源開通時(shí)間延遲。圖3C表示了此中一例。起始時(shí)間被延遲，并由4種不同的時(shí)間表示，允許脈沖加在介質(zhì)的不同位置中。每次曝光320a-320d均被稱為一個(gè)相位。
圖4表示一種相位方法，它允許將一個(gè)像素圖像分為幾個(gè)相位，并一起印刷非重疊的相位。此例用了4個(gè)相位，但其它數(shù)量的相位，例如6個(gè)相位也能采用。其中，第一、第三和第五相位一起印刷，第二、第四和第六相位一起印刷。換句話說，在用于3次曝光的時(shí)間里，像素可以印刷兩個(gè)相位。宏觀像素P有4個(gè)相位φ1至φ4。在t1，由于它們相互偏離，相位φ1和φ3一起以矩形形式印刷。在t2，相位φ2和φ4一起印刷。該過程允許以兩個(gè)步驟而不是四個(gè)步驟印刷宏觀像素P的4個(gè)相位，在t3形成圖像。根據(jù)調(diào)色劑的濃度，較寬或較窄的像素可以表現(xiàn)為灰度級(jí)。多種濃度調(diào)色劑的組合，與在一個(gè)宏觀像素內(nèi)選擇相位的能力相結(jié)合在形成灰度級(jí)時(shí)提供更高的靈活性。
采用二進(jìn)制空間光調(diào)制器，上述技術(shù)可以組合產(chǎn)生高分辨率(600dpi)的灰度級(jí)。圖5表示脈幅調(diào)制與脈位調(diào)制的結(jié)合。每組括號(hào)510、512、514、516和518分別表示四個(gè)曝光級(jí)的一個(gè)。為便于討論，將橫穿介質(zhì)追蹤像素1(520)。注意，垂直方向上的運(yùn)動(dòng)為介質(zhì)的經(jīng)過方向，沿著水平方向的運(yùn)動(dòng)為時(shí)間。圍繞像素對(duì)的虛線框表示當(dāng)印刷時(shí)，相位是如何重疊的。
像素1(520)在括號(hào)510的左列中，是以全部功率當(dāng)相位1和3時(shí)曝光的。四分之三的行時(shí)間(在時(shí)間軸530上用時(shí)間間隔t1表示)之后，相位2和4以全部功率曝光。該時(shí)間延遲必須補(bǔ)償行時(shí)間的1/4，以允許兩個(gè)相位對(duì)之間的1/4像素調(diào)整，導(dǎo)致t1等于3/4行時(shí)間，如圖4中所示。上述討論中，相位可以開通或關(guān)閉，曝光僅僅表示光已經(jīng)轉(zhuǎn)移到磁鼓上的可能。
宏觀像素現(xiàn)已在所有四個(gè)相位，或兩個(gè)相位對(duì)中按全照度曝光。括號(hào)512表示以1/2全照度曝光。括號(hào)510與512之間的時(shí)延在時(shí)間軸上用時(shí)間間隔t2表示，它為5/4的行時(shí)間。現(xiàn)在，像素轉(zhuǎn)移到下一個(gè)單元或組成宏觀像素的下一組單元，如圖2中所述。同樣需要附加的1/4行時(shí)間來完成相位對(duì)之間的調(diào)整。該過程沿著用于該特定的宏觀像素的線524重復(fù)進(jìn)行，直至在括號(hào)518中，它接收相位對(duì)用第1/8的照度級(jí)。對(duì)此，就該組行而言，完成了特定的宏觀像素。參照上表所述，像素可以重復(fù)接收那組行。
注意，在括號(hào)510的右列，像素2的相位2被曝光。接著，與像素1(520)的過程相同，除了相位4的右列，位置526才接受全部功率的曝光。在一列中，該周期發(fā)生在每個(gè)像素之間。本技術(shù)不限于4個(gè)像素。如前所述，它可以根據(jù)設(shè)計(jì)師的需要采用許多像素，并僅僅局限于陳列和電子學(xué)的性能。
盡管以上描述了用二進(jìn)制空間光調(diào)制器進(jìn)行灰度印刷的實(shí)施例，但它們并非用來限制本發(fā)明的范圍，除了所附權(quán)利要求書所表示的范圍以外。
權(quán)利要求
1.一種脈幅調(diào)制方法，包括a)提供具有子陣列的空間光調(diào)制器陣列，它包括預(yù)定的行數(shù)；b)將對(duì)應(yīng)于一個(gè)像素的光源的曝光量的數(shù)據(jù)加到用以訪問所述陣列一個(gè)單元的尋址電路；c)根據(jù)所述的曝光量露出所述的單元，有選擇地將所述數(shù)據(jù)成像或不成像在光敏介質(zhì)上；d)加入對(duì)應(yīng)于所述光源下一個(gè)曝光量的數(shù)據(jù)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)可以加到用于不同單元的電路中，以協(xié)調(diào)所述子陣列中所述數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)與所述介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)；e)根據(jù)所述的下一個(gè)曝光量露出所述單元，有選擇地將所述數(shù)據(jù)成像或不成像在所述光敏介質(zhì)上，以及f)重復(fù)加入數(shù)據(jù)和露出單元的步驟，直至根據(jù)每個(gè)預(yù)定曝光量的數(shù)字已經(jīng)露出所述的單元為止。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述空間光調(diào)制器包括數(shù)字微反射器件。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定行數(shù)等于四。
4.一種脈寬調(diào)制方法，包括a)激發(fā)一個(gè)空間光調(diào)制器陣列中的一個(gè)單元，產(chǎn)生成像于一移動(dòng)介質(zhì)上的像素圖;以及b)在所述激發(fā)步驟后的一個(gè)預(yù)定的時(shí)間間隔里，不激發(fā)所述的單元，其特征在于，所述預(yù)定的時(shí)間間隔確定了像素在所述運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向上的尺寸。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述激發(fā)和不激發(fā)步驟分別通過開通和關(guān)閉光源完成。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述激發(fā)和不激發(fā)步驟分別通過開通和關(guān)閉所述單元完成。
7.一種脈寬調(diào)制方法，包括a)確定一個(gè)宏觀像素，它包括一個(gè)空間光調(diào)制器陣列中的預(yù)定數(shù)量的單元;b)選擇所述預(yù)定數(shù)量的單元中一組鄰接的子單元，其特征在于，其脈寬與所述預(yù)定數(shù)量一組子單元的尺寸成正比。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述空間光調(diào)制器包括數(shù)字微反射器件。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，通過固定所述脈沖的寬度并延遲所述脈沖開通的時(shí)間而設(shè)定所述脈沖。
10.一種脈位調(diào)制方法，包括a)沿經(jīng)過方向?qū)⒁粋€(gè)像素劃分為若干相位，其特征在于，每個(gè)相位偏離鄰近相位一個(gè)長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度實(shí)際上等于該像素內(nèi)所述若干相位的倒數(shù);b)露出所述相位中的一子組，其特征在于，所述一子組包括相互由至少一個(gè)相位隔開的相位;以及c)露出前面未曾露出的相位，按為所述像素給定的照度完成曝光。
全文摘要
一種用二進(jìn)制空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)高分辨率、高速灰度印刷的技術(shù)。一個(gè)空間光調(diào)制器陣列被劃分為若干子陣列，并以各個(gè)等級(jí)(510，512，514，516)的調(diào)制光源照亮該子陣列。此外，每個(gè)像素(520)可以劃分為四個(gè)相位，并按成對(duì)的相位印刷。
文檔編號(hào)B41J2/52GK1097069SQ9410318
公開日1995年1月4日 申請(qǐng)日期1994年3月29日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月29日
發(fā)明者詹姆斯M·弗洛倫斯, 威廉E·納爾遜, 瓦德拉蒙蒂·文卡特斯瓦, 詹姆斯St·克萊爾, 德克·布羅丁, 瑟奇M·F·塔韋尼耶 申請(qǐng)人:德克薩斯儀器股份有限公司, 矮克發(fā)·格凡而脫N·V·