用单模光纤实现多路光扫描的方法.pdf

一种用单模光纤实现多路光扫描的方法，旨在解决多模光纤光点形状(横模)质量差及光纤密排线阵列中各光点不能密接的问题，其中方法是采用倾斜放置单模光纤密排线阵列，和将物平面置于离窗后的适当位置，使采用电路适配方法密接光点成为可能。电路部分包括单稳型延迟计数器A、触发器D、位分频器U3和先进先出异步读写队列存储器FIFO等。本发明的关键之处是利用了单模光纤的出光光束在物平面上离焦之后虽然直径扩大但边缘仍然保持完整的特性。这样既实现了光点的密接，又实现了各路光点模式的高度一致性。其光点阵列的质量是此用多模光纤无法达到的。

1.  一种用单模光纤实现多路光扫描的方法，包括在激光照排中以光纤密排线阵列为光源的半导体激光器及多路光纤密排方法，其特征是
a.采用单模光纤密排线阵列，
b.将物平面置于密排线阵列出光端面后的适当位置。

2.  根据权利要求1所说的方法，其特征是
c.所述a为倾斜放置的线阵列，
d.所述b的位置以达到其在水平线上的投影光点密接或适当重叠。

3.  根据权利要求1、2所说的方法，其特征是
e.线阵列的倾斜角度α的余弦值等于在水平线上光组的期望宽度与密排线阵列的实际宽度之比；
f.通过线阵列数据流的顺序递推延迟输出，实现其在水平线上的投影；

4.  根据权利要求1、2所说的方法，其特征是采用串行级联的数字型单稳延迟计数A来实现延迟。

5.  根据权利要求1、2所说的方法，其特征是采用高于打点频率的计数时钟LCP来保证延迟位移的精度。

6.  根据权利要求1、2所说的方法，其特征是
在倾斜放置的线阵列中的每一路有各自独立的、递推延迟的行有效信号ES；及
从所述ES的公共行起始和公共行结束中分离出行起止脉冲信号CS；及
所述CS通过第n路单稳型延迟计数器A后其前沿将被延迟而产生脉冲延迟信号CSn，其中CSn一方面作为锁存时钟送往触发器D，将公共的行有效信号ES变成该路的行延迟信号ESn，另一方面作为下一路的行起止脉冲信号；及
所述ESn通过位分频器B的允许端控制位同步信号BSn的产生；及
所述BSn作为先进先出异步读写队列存储器FIFO的读时钟。

7.  实现权利要求1的用单模光纤实现多路光扫描的方法的装置，其特征是
包括按一定角度α倾斜放置的单模光纤密排线阵列，和
将物平面置于光纤密排线阵列出光端面后的适当位置使得成像后的光点大小满足在水平线上投影光点密接或适当重叠的，和
时延法倾斜校正处理器。

8.  根据权利要求7所说的装置，其特征是所述时延法倾斜校正处理器包括单稳型延迟计数器A、触发器D、位分频器U3和先进先出异步读写队列存储器FIFO；其中一行起止脉冲信号CS经单稳型延迟计数器A输出一脉冲延迟信号CSn，及CSn经触发器D输出一行延迟信号ESn，及ESn经位分频器B输出一位同步信号BSn，及BSn经先进先出异步读写队列存储器FIFO输出；一时钟LCP分别接A、D；一行有效信号ES接D；一打印数据总线D接FIFO。

9.  根据权利要求7所说的装置，其特征是一具体电路：U1是一个由GAL写成的5位可编程计数器，RS端是清0端，CO为进位端，P[4...0]是计数长度置入端；U1与D触发器U2A、拨码开关U5共同构成了单稳型延时计数器A；其中U1的P[4...0]接拨码开关U5，U2A的Q端接U1的RS端，U2A的复位端CD接U1的CO端，脉冲信号CS接U2A的反向端CLK，U2A的/Q端分别接D触发器U2B的CLK端和下一级单稳；U2B的Q端接位分频器U3的EN端，U3的Q端接FIFO的U4的RD端，U4的D端接总线、Q端输出；时钟LCD分别接U1和U3的CK端；行有效信号ES接U2B的D端。

用单模光纤实现多路光扫描的方法
技术领域
本发明涉及激光照排系统中的光纤密排线阵列技术，主要是指一种用单模光纤实现多路光扫描的方法。
背景技术
在激光照排机、激光光绘机中实现多路光扫描的方法之一是采用半导体激光器为一次光源，将其耦合到光纤之中，再将光纤密排成一个多路线阵列作为二次光源。
目前均采用多模光纤实现密排。因为多模光纤具有合适的光导出窗直径，容易实现光点的密接。常用的多模光纤内径(光导出窗)一般为62.5um或50um，外径则均为125um。实现密接的方法有两种：一种是剥离光纤的外折射层，只保留内径(光导窗)，然后将内径密排，我们称之为“裸纤密排”。这种方法工艺难度较大。一种方法是直接按外径密排，光点在几何上不能密接，但光点直径与光点间距相差不大，约为1∶1，可以将密排线阵列倾斜放置，用电路技术适配(扫描数据逐点延迟)，在水平线上实现光点密接。这种方法电路技术复杂。以上两种技术的示意参见图1和2。
上述两种方法都是建立在透镜成像，以光纤出窗端面为物平面，以感光软片为像平面的原理之上的。使用时调焦必须非常准确，否则因为物平面偏离光纤出窗端面(离焦)，光斑不但直径扩散，而且边缘变得非常模糊。这是由于多模光纤特性所致：它的出光光束远场模式复杂混乱。参见图4。图4中所示为光斑直径上的功率分布(示意)。
实际上即使调焦准确，光斑的形状也不理想，各路光斑形状仍很难一致。即使在耦合阶段对光斑模式进行筛选，也很难达到扫描质量要求。这仍然是多模光纤特性所致：它的近场(出窗)模式也是不规则的。
发明内容
本发明的目的旨在解决现有光纤多路光扫描中存在的缺陷而提出一种用单模光纤实现多路光扫描的方法。
实现本发明的技术方案是：该方法包括在激光照排中以光纤密排线阵列为光源的半导体激光器及多路光纤密排方法，具体方法是采用单模光纤密排线阵列，和将物平面置于离窗后的适当位置。
该技术方案还包括：
倾斜放置的单模光纤密排线阵列，和物平面的位置以达到其在水平线上的投影光点密接或适当重叠。及
线阵列的倾斜角度α的余弦值等于在水平线上光组的期望宽度与密排线阵列的实际宽度之比；及
通过线阵列数据流的顺序递推延迟输出，实现其在水平线上的投影；及
采用串行级联的数字型单稳延迟计数器A来实现延迟；及
采用高于打点频率的计数时钟LCP来保证延迟位移的精度；及
在倾斜放置的线阵列中的每一路有各自独立的、递推延迟的行有效信号ES；及
从所述ES的公共行起始和公共行结束中分离出行起止脉冲信号CS；及
所述CS通过第n路单稳型延迟计数器A后其前沿将被延迟而产生脉冲延迟信号CSn，其中CSn一方面作为锁存时钟送往触发器D，将公共的行有效信号ES变成该路的行延迟信号ESn，另一方面作为下一路的行起止脉冲信号；及
所述ESn通过位分频器B的允许端控制位同步信号BSn的产生；及
所述BSn作为先进先出异步读写队列存储器FIFO的读时钟。
实现本发明方法所需的装置：该装置包括按一定角度α倾斜放置的单模光纤密排线阵列，和将物平面置于光纤密排线阵列出光端面(出窗)后的适当位置使得成像后的光点大小满足在水平线上投影光点密接或适当重叠的要求，和时延法倾斜校正处理器。及
所述时延法倾斜校正处理器包括单稳型延迟计数器A、触发器D、位分频器U3和先进先出异步读写队列存储器FIFO；其中一行起止脉冲信号CS经单稳型延迟计数器A输出一脉冲延迟信号CSn，及CSn经触发器D输出一行延迟信号ESn，及ESn经位分频器B输出一位同步信号BSn，及BSn经先进先出异步读写队列存储器FIFO输出；一时钟LCP分别接A、D；一行有效信号ES接D；一打印数据总线D接FIFO。
实现上述装置的一具体电路：U1是一个由GAL写成的5位可编程计数器，RS端是清0端，CO为进位端，P[4...0]是计数长度置入端；U1与D触发器U2A、拨码开关U5共同构成了单稳型延时计数器A；其中U1的P[4...0]接拨码开关U5，U2A的Q端接U1的RS端，U2A的复位端CD接U1的CO端，脉冲信号CS接U2A的反向端CLK，U2A的/Q端分别接D触发器U2B的CLK端和下一级单稳；U2B的Q端接位分频器U3的EN端，U3的Q端接FIFO的U4的RD端，U4的D端接总线、Q端输出；时钟LCD分别接U1和U3的CK端；行有效信号ES接U2B的D端。
本发明具有如下优点：
1.实现了单模光纤密排线阵列的多路光扫描技术。
2.远优于多模光纤的光点质量。
附图说明
图1是裸线密排示意图。
图2是多模光纤线阵列倾斜成像示意图。
图3是本发明的单模光纤地远场横模剖面示意图，图中给出物平面位置。
图4是多模光纤的远场横模剖面示意图，图中给出物平面位置。
图5是n路线阵列倾斜校正数字处理器方框图。
图6是实现图5的一具体电路。
图7是各路起止脉冲延迟及行有效延迟的相关时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明提出的解决方案是采用单模光纤按外径常规密排(倾斜密排)，但抛弃常规的成像概念，即仍然采用缩小(如1∶5)透镜，但不以光纤出窗端面为物平面，而是将物平面置于出窗之后的适当距离，则单模光纤的光斑在物平面上将会有合适的放大尺寸(离焦所致)，而光点之间的间距却是缩小的(透镜倍率所致)。这将使采用电路适配方法密接光点成为可能。甚至可以使用更小倍率的透镜，如1∶10，无需电路适配而直接用离焦的方法密接光点(但这时焦深太短，并不实用)。参见图3。
但是一个倾斜的线阵列向水平面投影是不可能用光学方法实现的，实际上是要求阵列中的本应同步输出的各个光点(即光栅数据)异步地递推延迟输出，同时为了保持行长不变，也要递推延迟结束。本发明的核心即是这种阵列倾斜时间延迟的扫描方式以及实现这一延迟的方法。参见图5。
在图5中，行有效信号ES的长度(以时钟计量)即是打印行的时钟长度。我们定义ES的长度为高电平有效。在N路密排阵列水平放置的情况下，ES的上跳即是公共行起始，下跳即是公共行结束。但在倾斜放置线阵列的情况下，阵列中的每一路都必须有各自独立的、递推延迟的行有效信号，这在图2中写为“行延迟ES[(n-1)...0]”。
为了实现这个精确的延时，我们从行有效信号的ES的上跳、下跳沿中分离出两个脉冲信号，统称为行起止脉冲CS(由前端电路实现)。信号CS通过第0路单稳型延迟计数器后其前沿将被延迟，称为CS0，信号CS0一方面作为锁存时钟送往D触发器，将公共的行有效信号ES变成该路的行(有效)延迟ES0，另一方面作为下一路的行起止脉冲，引发下一路的延迟过程...，直至最后一路。
行延迟信号ES0通过位分频器的允许端控制着位同步(打点时钟)BS0的产生。因为延时是以时钟LCP计时的，若位分频器是一个8分频器，则可知延时在图像中产生的位移是以1/8个点位来计量的，这在工程上已足够精确。
各路中的FIFO是一个异步读取的，先进先出的队列存储器。各路FIFO可以通过数据总线同步地压入数据，但又允许各路分别独立的读取数据，这就把各路位同步的时间差转变成了数据的位置差。这里位同步BS0是作为FIFO的读时钟的。FIFO的数据写入另有电路完成。
一个可以实现上述框图的具体电路可参见图6。为简单起见，只画出第0路和第一路。参照第0路解释如下。
U1是一个由GAL写成的5位可编程计数器，最大计数、编程长度为32；RS端是清0端，低电平清0；CO为进位端，低电平进位；P[4...0]是计数长度置入端。U1与D触发器U2A，拨码开关U5共同构成了单稳型延时计数器A。这个电路的初始态是稳态，计数器U1被U2A的Q端清0，而U1端的进位端CO为高电平，释放U2A的复位端CD；一旦脉冲信号CS到来，它的上跳沿将使U2A置位(因U2A的D端为高电平)，从而释放计数器U1；U1对时钟计数直到被编程的模长(由拨码开关U5置入，也可以由数据总线锁存置入)，CO变低使U2A复位；但由于U2A复位迫使计数器U1也复位，所以电路又回到了稳态。
在这个过程中U2A的反相端先是随着CS的上跳沿下跳，在计数结束后又上跳，从而实现了对CS上跳沿的计数延时，标记位CS0；CS0得上跳沿一方面触发下一级单稳，一方面作为锁存时钟送往D触发器U2B使其锁存行有效信号ES，而U2B的输出Q即为行(有效)延迟ES0。由于锁存时钟CS0相对于CS的延迟，使行延迟ES0相对于行有效ES也产生了对应的延迟。后续电路与框图已无明显差别，不赘述。
对应于图5、图6的信号时序图参见图7。
工作原理
如图5、6所示，其中每一路的数据传输都由单稳型延迟计数器A、D触发器、位分频器、FIFO构成。单稳型延迟计数器实际上等同于一个数字型单稳态电路，只不过它的计时不是由RC积分确定，而是由时钟计数确定，因此它有一个时钟端。计数模长可以编程设定。一个脉冲通过该电路时将被计数延迟。构造这个电路的方法很多。D触发器、位分频器、FIFO等单元一目了然，不赘述。
各路数据控制链中的单稳延迟计数器按串联方式级联，所以各路中的时序过程都是递推延迟的，从而实现对倾斜阵列的时延法校正。
为了实现精确的时延，要求有比较高的时钟频率。在一个工程实例中，时钟频率是同步频率的8倍。这一方面意味着位分频器是一个÷8分频器，另一方面意味着可以用1/8点距(分辨率)的精度延迟修正点位。实践证明这可以保证光点在水平线上的排列足够平滑。
结合图7的时序进一步阐述工作过程。行有效信号是一个具精确长度的电平，它对应的位同步数与行长严格一致，并且它的起止各伴随一个触发脉冲，即起止脉冲(行首、行尾脉冲)。行起脉冲只进入0路，然后通过各路串行级联的延迟计数器产生一连串的脉冲延迟。各路D触发器在行有效信号及脉冲延迟的共同作用下又产生了一连串的行延迟。行延迟具有和行有效信号相同的电平长度，但在时间上被严格顺延。行延迟信号作为允许信号作用在位分频器上，控制位分频器产生位同步链，其长度(脉冲数)与行长严格一致，各个链之间也是严格时延的。位同步信号作为FIFO的异步读信号使数据流移位输出，而各路数据都是按数点方式排列的。这样就实现了整个校正过程。
下面对单模光纤的特性作如下说明：
单模光纤具有单一、完美的远场模式，而且一致性极好。但它的出窗直径却几乎是一个几何点：如本发明所采用的单模光纤，波长为650nm，其内径只有4.5um，同时它的外径仍为125um。参见图3。这样的尺寸采用裸纤密排工艺是不可能的。若按外径密排，由于光点直径和光点间距的比例过大，约为1∶28，远远大于1∶1，不但光路上无法处理(按光点直径要求需要一个放大的透镜，例如3∶1，而这时间距也被放大到不可接受的程度)，电路上也因点间距过大而无法适配。
本发明的关键之处是利用了单模光纤的出光光束在物平面上离焦之后虽然直径扩大但边缘仍然保持完整的特性。这样即实现了光点的密接，又实现了各路光点模式的高度一致性。其光点阵列的质量是此用多模光纤无法达到的。