Формовыводные устройства для лазерной записи офсетных печатных форм
На вход формовыводного устройства для лазерной записи офсетных печатных форм цифровые данные поступают в виде матрицы экспонирования, подготовленной с помощью RIP. Результатом работы этого устройства является экспонированная пластина, которая после обработки становится печатной формой. Некоторые формные материалы не требуют обработки и после экспонирования сразу готовы к использованию в печатном процессе.
Основой лазерных формовыводных устройств является оптикомеханическая система, содержащая, в зависимости от конструкции, один или несколько лазеров, модулятор, телескоп, фокусирующую линзу, поворотные зеркала, вращающийся зеркальный дефлектор, механизм крепления и перемещения формной пластины, механизм перемещения оптической или термической головки.
Запись изображения на формных пластинах в устройствах с расположением пластин на внешней поверхности барабана может осуществляться методами однолучевого или многолучевого сканирования. В первом случае они оснащены одним лазером, экспонирующим светочувствительный или термочувствительный слой формного материала. При многолучевом сканировании записывающая головка формовыводного устройства содержит несколько лазеров (лазерных диодов), а количество экспонирующих лазерных лучей может быть равно количеству лазеров или быть большим.
Рис. 1. Лазерное сканирующее устройство для записи формных пластин на внешней поверхности барабана
На рис. 1 приведена конструкция лазерного сканирующего устройства с однолучевой записью формной пластины. Устройство работает следующим образом. Формная пластина 16 закрепляется на барабане 15, который установлен на станине 14 и вращается электродвигателем постоянного тока 12 через механизм привода 13. На одном валу с барабаном 15 расположен оптоэлектронный преобразователь угловых перемещений в цифровой код 11. Вдоль образующей барабана на станине установлен ходовой винт 9, на валу которого расположен шаговый электродвигатель 10. При работе шагового электродвигателя 10 ходовой винт 9 вращается, за счет чего каретка 7 с записывающей головкой, содержащей фокусирующую линзу 6 и зеркало 3, перемещается вдоль образующей барабана. В качестве источника излучения используется твердотельный YAGлазер 1, работающий в ИКдиапазоне спектра на длине волны 1,064 нм с выходной мощностью 1520 Вт и оснащенный системой охлаждения 8. Лазерный луч модулируется акустооптическим модулятором 2 и далее через систему зеркал 3, диафрагму 4, телескоп 5 попадает на линзу 6, которая фокусирует его в пятно малого размера на поверхности формной пластины, закрепленной на вращающемся барабане 15. Развертка по строке осуществляется вращением барабана и контролируется оптоэлектронным преобразователем угловых перемещений 11, а развертка по кадру — вращением (с помощью шагового электродвигателя 10) прецизионного ходового винта 9, по которому движется каретка 7 записывающей головки. Приведенная конструкция лазерного сканирующего устройства с однолучевой записью формной пластины реализована в лазерном автомате «Гранат 530».
Лазерный автомат «Гранат 630», серийное производство которого освоено отечественной промышленностью, в отличие от своего предшественника осуществляет двухлучевое сканирование (рис. 2).
Рис. 2. Лазерный формный автомат «Гранат 630»
Автомат работает следующим образом. Формный цилиндр с закрепленной формной пластиной непрерывно вращается от электродвигателя через ременную передачу. Оптическая каретка с объективом и призмой перемещается вдоль образующей цилиндра от ходового винта, приводимого шаговым двигателем. Оптическая схема состоит из волоконного лазера непрерывного действия с двумя волоконными световодами, на выходе которых установлены два коллиматора, два акустооптических модулятора с генераторами для управления лазерным излучением и двух поворотных зеркал. Длина волны лазерного излучения составляет 1070 нм. Работой исполнительных элементов управляет микропроцессорный блок, который связан с управляющей ПЭВМ. Датчик обратной связи постоянно контролирует угловое положение формного цилиндра, заданная частота вращения которого поддерживается микропроцессором по определенному алгоритму.
«Гранат 630» позволяет записывать изображение на формный материал с максимальным разрешением 2032 dpi и повторяемостью цветоделенных форм ±10 мкм.
Для получения требуемого качества записи печатных форм необходимо обеспечить точную фокусировку лазерного луча в точке его падения на поверхность формной пластины, расположенной на барабане. На геометрические размеры точки оказывают влияние погрешности, появившиеся при изготовлении барабана и при его установке, а также различные виды биений, возникающие изза износа подшипников в опорах вращения. Более всего на это влияют отклонения барабана от идеальной формы и эксцентриситет, изза чего при вращении барабана расстояние от поверхности формной пластины до записывающей головки изменяется на величину 
, что приводит к расфокусировке лазерного луча. В связи с этим современные формовыводные устройства оснащены системой автоматической фокусировки пятна лазерного излучения на поверхности формного барабана (рис. 3).
Рис. 3. Система поддержания оптимальной фокусировки записывающего пятна: А — схема записывающей головки; Б — схема оптической системы поддержания положения оптимальной фокусировки пятна лазерного излучения; В — схема двухзонного фотоприемника при симметричной и асимметричной засветке пятном, сфокусированным на его сенсорных поверхностях
Система работает следующим образом. Лазерное излучение от источника 1, проходя через призму 5 и объектив 7, фокусируется в пятно необходимого размера на поверхности вращающегося формного барабана 2. Параллельно оси вращения барабана по направляющей 3 движется каретка 4 для продольного перемещения сфокусированного лазерного пятна вдоль образующей цилиндра формного барабана. На каретке 4 для продольного перемещения размещена дополнительная каретка 6 с жестко установленными на ней фокусирующим объективом 7 и с оптической частью системы поддержания оптимальной фокусировки 8. Дополнительная каретка 6 имеет возможность перемещения относительно каретки 4 в направлении, перпендикулярном оси вращения формного барабана 2, с помощью привода 9, укрепленного на каретке 4.
В случае оптимальной фокусировки лазерного излучения на поверхности формного барабана оптическая часть системы обеспечивает симметричное освещение зон а и б фотоприемника 13. При уходе сфокусированного лазерного пятна из положения 14 оптимальной фокусировки в положения плоскостей 15 или 16 пятно на двухзонном фотоприемнике 13 смещается вправо в зону б при положении 15 или влево в зону а при уходе плоскости фокусировки в положение 16. В том и другом случаях освещенности зон а и б становятся различными, что изменяет величины соответствующих фототоков.
На выходе фотоприемника находится устройство, которое формирует электрический сигнал, пропорциональный разности освещенностей зон а и б. На выходе дифференцирующего устройства сигнал имеет либо положительный, либо отрицательный знак. После усиления мощности этот сигнал поступает на привод 9 перемещения дополнительной каретки, являющийся выходом цепи обратной связи. Перемещение дополнительной каретки 6 приводит пятно лазерного излучения в положение 14 оптимальной фокусировки. Разностный электрический сигнал становится нулевым.
Система поддержания положения оптимальной фокусировки характеризуется величиной допустимого рабочего хода дополнительной каретки 6, в пределах которого достигается фокусировка. Для оптической части системы (рис. 3А) поддержания положения оптимальной фокусировки найдено следующее соотношение между и параметрами элементов оптической части:
,
где h — сторона зоны поверхности фотоприемника; L — расстояние между изображением источника света на поверхности формного барабана 2 и второй фокусирующей линзой 12; f` — фокусное расстояние второй фокусирующей линзы 12; i — угол падения излучения точечного источника 10 света после первой фокусирующей линзы 11.
Рис. 4. Система крепления пластин на барабане
Величина определяет максимально допустимый эксцентриситет или отклонение барабана от идеальной цилиндрической формы.
Формные пластины крепятся на внешней поверхности барабана с помощью механического, магнитного, вакуумного прижимов или их комбинаций. На рис. 4 представлена система крепления формных пластин, состоящая из подвижных (под разный формат пластин) зажимов в сочетании с вакуумным прижимом. Такая система обеспечивает надежную фиксацию пластин даже при высокой частоте вращения барабана.
Рис. 5. Этапы работы системы автоматической установки и снятия пластин
Некоторые формовыводные устройства оснащены системой автоматической установки формных пластин на внешнюю поверхность барабана и снятия их после экспонирования, а также системой пробивки штифтовых отверстий. На рис. 5 показаны этапы работы такой системы. Формная пластина 5 с помощью пневматического устройства подачи 4 вынимается из сдающей кассеты 6 и переносится к устройству пробивки штифтовых отверстий 3. Затем устройство 4 подводит край пластины с отверстиями к барабану 1 и надевает ее на штифты. При повороте барабана 1 на один оборот пластина полностью прилегает к нему и закрепляется зажимами. После этого барабан начинает вращаться, а записывающая головка 2, перемещаясь вдоль образующей барабана, осуществляет экспонирование пластины. Закончив экспонирование, барабан останавливается и поворачивается на один оборот назад. При этом пластина снимается со штифтов и с помощью транспортеров 8 подается в приемную кассету 7 или в процессор для обработки форм, соединенных в линию с формовыводным устройством.
Рис. 6. Схема устройства для многолучевой записи термопластин
В качестве примера многолучевой лазерной записи формных пластин, расположенных на внешней поверхности барабана, на рис. 6 приведена схема формовыводного устройства для экспонирования термочувствительных пластин посредством мощного инфракрасного многоканального лазерного диода. В этом устройстве лазерный диод и формирующая изображение оптика смонтированы в термоголовке 4, которая перемещается с помощью ходового винта 3 по направляющим 2 вдоль барабана 1.
В термоголовке луч записывающего лазера делится электрооптическим световым затвором на множество индивидуально управляемых лучей, фокусируемых на пластину. Электрические сигналы, управляющие включением и выключением каждого луча, поступают из блока обработки данных. Данные об изображении передаются в этот блок из RIP системы допечатной подготовки изданий по интерфейсу SCSI.
Для вращения барабана 1 и ходового винта 3 служат соответственно электродвигатели 5 и 6. Управление приводами термоголовки и барабана и позиционирование термоголовки осуществляются электронными блоками по командам микропроцессора. Для определения позиции барабана с целью синхронизации его вращения с работой светового затвора служит оптоэлектронный преобразователь угловых перемещений (ОПУП).
Рис. 7. Термоголовка формовыводного устройства
В термоголовке (рис. 7) использован мощный многоканальный лазерный диод 1 с длиной волны 830 нм. Диод имеет несколько эмиттеров 2 (обычно от 10 до 40) с широкой областью излучения в горизонтальном и достаточно узкой в вертикальном направлении. Лазерные лучи, испускаемые каждым эмиттером, коллимируются в вертикальном направлении удлиненной цилиндрической микролинзой 3. Вторая микролинза 4 представляет собой совокупность цилиндрических микролинз 5, расположенных на одной прямой с эмиттерами 2 лазерного диода 1. Поток излучения 6 от микролинз 5 коллимируется цилиндрической линзой 7 и проецируется как строка на линейный электрооптический световой затвор 8.
Поскольку строка, проецируемая на световой затвор 8, является суперпозицией потоков излучения всех эмиттеров лазерного диода, то отказ одногодвух эмиттеров не приводит к образованию темного пятна на световом затворе — в этом случае уменьшается общая интенсивность освещения (например, для 20эмиттерного лазерного диода один дефектный эмиттер уменьшит освещенность светового затвора на 5%). Это равномерное падение освещенности можно легко компенсировать, увеличивая ток лазерного диода.
Линейный световой затвор 8 состоит из множества отдельно управляемых ячеек. При подаче электрических сигналов управления (СУ) на электроды ячеек они под действием электрического напряжения меняют направление поляризации света. Призма поляризатора 9 передает световой поток 11 горизонтальной поляризации, то есть свет, проходящий через неактивированные ячейки светового затвора, и отражает световой поток 10, у которого изменилось направление поляризации под действием активированных ячеек. Прошедший через поляризатор 9 световой поток 11 направляется зеркалом 12 на фокусирующую линзу 13, которая проецирует на формную пластину 14 изображение строки ab. Это изображение является уменьшенным изображением светового затвора и состоит из отдельных близко расположенных точек. Форма точек (круглая, квадратная) определяется геометрической формой ячеек светового затвора, а размер точек — размерами ячеек с учетом коэффициента увеличения (
<1), создаваемого линзой 13. Например, используя 20канальный лазерный диод с эмиттерами длиной 0,15 мм и расстоянием между ними 0,64 мм, а также световой затвор с 240 прямоугольными ячейками, можно получить после фокусирования на пластине прямоугольные световые пятна высотой 3,4 мкм и шириной 10,6 мкм.
Рис. 8. Схема формирования квадратных точек на пластине: 1 — начальная стадия формирования; 2 — сформированная точка
За счет вращения барабана (рис. 8) на пластине формируются экспонированные квадратные точки размером 10,6x10,6 мкм.
Поскольку барабан вращается, то расстояние между формной пластиной 14 и фокусирующей линзой 13 может меняться в некоторых пределах изза отклонения барабана от идеальной формы или эксцентриситета. Это приводит к тому, что изображение строки ab будет расфокусировано. В целях компенсации расфокусировки линза 13 автоматически перемещается. Управление приводом фокусирующей линзы 13 осуществляет электронный блок системы автоматической самофокусировки по показаниям оптоэлектронного датчика 17 расфокусировки. Система автоматической фокусировки содержит маломощный лазер 16 (10 мВт) с длиной волны 670 нм. Луч этого лазера проходит через зеркало 12, которое для длины волны излучения 670 нм является прозрачным, а затем линзой 13 фокусируется в точку О на поверхности пластины 14. Точка О является точкой оптимальной фокусировки для записи изображения строки ab. Отраженный от пластины в точке О луч, проходя обратно через линзу 13 и зеркало 12, отклоняется призмой 15 и попадает в точку М на поверхности датчика 17.
При увеличении расстояния между формной пластиной и линзой 13 луч лазера 16 фокусируется в точке O` и, отражаясь от пластины, попадает через линзу 13, зеркало 12 и призму 15 на датчик в точку M`. Датчик 17 вырабатывает сигнал, пропорциональный расстоянию между точками М и M`, а электронный блок системы автоматической самофокусировки — соответствующий сигнал управления приводом линзы 13. В результате линза 13 перемещается ближе к пластине, а фокусировка для записи изображения строки ab снова становится оптимальной. При уменьшении расстояния от формной пластины до фокусирующей линзы луч лазера 16 отражается от поверхности пластины в точке O` и попадает на датчик 17 в точку M`. Аналогично вырабатывается сигнал управления приводом линзы 13, который перемещает ее, удаляя от пластины.
В термоголовке предусмотрены воздушное охлаждение и подача потока воздуха, направленного к пластине в точке экспонирования. Воздушный поток сдувает дым и отходы, препятствующие световому пучку.
Формовыводные устройства для записи пластин, расположенных на внутренней поверхности барабана, состоят из трех последовательно соединяемых секций: ввода, экспонирования и вывода. Секция ввода предназначена для размещения кассеты (кассет) с формными пластинами и для ручного ввода пластин в секцию экспонирования. Секция экспонирования служит для записи изображения и пробивки штифтовых отверстий в формной пластине. Секция вывода осуществляет передачу экспонированной пластины непосредственно в процессор для обработки форм или выводит пластину на приемное устройство. Все три секции объединены системой транспортирования пластин, конструкция которой в разных моделях формовыводных устройств имеет свои особенности.
Рис. 9. Схемы транспортирования формных пластин
Так, система транспортирования, представленная на рис. 9а, осуществляет передачу пластин из кассеты с вертикальным их размещением в секцию экспонирования также в вертикальном положении. В секции экспонирования пластина с помощью вакуума располагается на внутренней поверхности барабана. После пробивки штифтовых отверстий и экспонирования пластина вновь принимает вертикальное положение и передается в секцию вывода. В секции вывода пластина из вертикального положения переводится в горизонтальное и выходит на приемное устройство или в подсоединенный к нему процессор.
В транспортирующей системе, показанной на рис. 9б, пластина, находящаяся в кассете или подаваемая оператором в секцию ввода, расположена в горизонтальной плоскости. В таком положении она передается в секцию экспонирования; при этом прокладочная бумага отделяется от формной пластины. В секции экспонирования пластина засасывается вакуумом и плотно прилегает к внутренней поверхности барабана. Экспонированная пластина с пробитыми штифтовыми отверстиями в горизонтальном положении поступает в секцию вывода.
На рис. 9в дана схема системы транспортирования, которая обеспечивает автоматическое удаление прокладочной бумаги и выборку пластин из двух подающих кассет. Загрузка и выгрузка пластин частично выполняются одновременно: пока экспонированная пластина извлекается из барабана, следующая пластина подается из кассеты к точке входа в барабан; загрузка чистой пластины в барабан происходит параллельно с транспортированием экспонированной пластины в проявочный процессор. В результате время загрузки/выгрузки сокращается почти в два раза.
В секции экспонирования запись изображения на светочувствительный или термочувствительный формный материал, расположенный на внутренней поверхности барабана, осуществляется лазером. Некоторые формовыводные устройства в зависимости от того, какой тип пластин предполагается использовать, могут быть оснащены разными лазерами.
Рис. 10. Оптическая схема формовыводного устройства
На рис. 10 представлена оптическая схема устройства, оптическая система которого обеспечивает высокоточную запись изображения с разрешением до 3386 dpi. В этой системе луч лазера 1 проходит через затвор 2, плоскопараллельную пластину 3 и модулируется акустооптическим модулятором 4. В зависимости от требуемого разрешения, поворотом турели 5 на оптическую ось устанавливается одна из линз, которая соответственно разрешению формирует апертуру лазерного луча.
Мощность лазерного излучения контролирует фотодиод 6. Для снижения мощности и приведения ее в соответствие со светочувствительностью формных пластин служат поглощающие светофильтры, расположенные на турелях 7 и 12, причем на турели 7 установлены светофильтры кратностью 1, 8, 64, 256 и 1024, а на турели 12 — кратностью 1, 2 и 4. Пройдя один из светофильтров на турели 7, лазерный луч отражается от зеркал 8 и 9 и направляется в оптическую головку 10. Зеркало 9 неподвижно, а зеркало 8 может менять свое положение по двум осям координат и тем самым изменять направление отраженного от него луча в небольших пределах. Изменение положения зеркала 8 осуществляет пьезоэлемент, с которым оно жестко соединено. Управление отклонением луча производится подачей на пьезоэлемент электрического напряжения. Для определения величины и направления отклонения зеркала 8 служит фотодиодный датчик 11 положения луча. Датчик 11 и зеркало 8 на пьезоэлементе являются соответственно измерительным и исполнительным элементами системы коррекции пространственного положения луча, призванной компенсировать погрешности в траектории сканирования сфокусированным лучом формной пластины. Эти погрешности могут возникать вследствие неточности изготовления механизма перемещения оптической головки 10, изза вибраций, износа опор вращения развертывающего элемента 15. Зеркало 9 направляет лазерный луч через один из светофильтров турели 12 в фокусирующий объектив 13. Объектив 13 имеет привод от шагового двигателя, с помощью которого он устанавливается на оптической оси в положение для наилучшей фокусировки луча для пластин разной толщины.
Развертку точечнорастровых строк на формных пластинах, надежно закрепленных вакуумной системой на внутренней поверхности неподвижного барабана 17, осуществляет вращающаяся пентапризма 15. Пентапризма 15 закреплена на валу электродвигателя 16 и вместе с объективом 13, турелью 12 и датчиком 11 входит в состав оптической головки 10. Развертка изображения по всей поверхности осуществляется перемещением головки 10 при непрерывном вращении пентапризмы 15. Датчик 14, состоящий из пары светодиода и фотодиода, определяет начало линии развертки изображения при каждом обороте пентапризмы.
В отличие от барабанных систем формовыводные устройства с записью формных пластин, расположенных в плоскости, практически не деформируют пластины во время загрузки и экспонирования. Это позволяет работать с пластинами разного формата и толщины. Система позиционирования обеспечивает автоматическое выравнивание края пластины и вакуумную фиксацию ее на подвижном столе, что исключает ее самопроизвольное смещение во время экспонирования. Конструкция устройства с плоскостной записью формных пластин, соединенного в линию с проявочным процессором, представлена на рис. 11.
Рис. 11. Формовыводное устройство с плоскостной записью форм
Специальная оптическая система имеет двойную фокусировку луча — до и после многогранного зеркала. Оптическая система компенсации нелинейности развертки и угла поворота луча обеспечивает точное соблюдение геометрических размеров изображения.
Для обеспечения высокой скорости подачи информации на модулятор лазера используется буфер на двух жестких дисках. Пока информация с одного диска выводится на пластину, растровый процессор записывает следующую битовую карту на второй диск. Такое решение обеспечивает плавное движение пластины в зоне экспонирования с постоянной скоростью, что ведет к отличной точности совмещения.
Благодаря высоким скоростям работы 1014 мм/мин на низких разрешениях
1200 dpi устройство может применяться в газетном производстве.
Формовыводное устройство обеспечивает гарантированную точность совмещения 25 мкм на четырех последовательных пластинах, что при разрешениях до 3000 dpi позволяет использовать машину для подготовки форм высокого качества.
Автоматическое устройство подачи пластин (рис. 12) оснащено механизмом автоматического удаления прокладочной бумаги перед их загрузкой в зону экспонирования.
Рис. 12. Схема работы устройства подачи пластин
Система автоматического распознавания номера кассеты позволяет автоматически выбирать из памяти параметры находящихся в ней пластин (формат, чувствительность, центровка изображения, необходимость пробивки приводочных отверстий и т.д.).
На экспонирование четырех пластин максимального формата в формовыводном устройстве требуется около 1 мин. Широкий диапазон доступных разрешений дает возможность выбрать оптимальное соотношение между скоростью и качеством вывода.
Рис. 13. Схема формирования изображения при субрастровой записи форм
Существуют плоскостные формовыводные устройства, в которых запись изображения на формной пластине осуществляется методом субрастрового сканирования (рис. 13). Для этого записывающая головка, оснащенная лазером 1, зеркалом 2, акустооптическим модулятором 3 и фокусирующим объективом 4, совершает непрерывное возвратнопоступательное движение по одной оси координат и стартстопное поступательное движение по другой оси. Акустооптический модулятор 3 работает в режиме акустооптического дефлектора, одновременно производя модуляцию и отклонение луча перпендикулярно возвратнопоступательному движению записывающей головки. Таким образом, за один проход головки от одного края пластины 5 до другого записывается целая полоска изображения небольшой ширины. После записи полоски на пластине, размещенной на вакуумной плите, записывающая головка перемещается на ширину этой полоски и, возвращаясь в исходное положение, записывает следующую полоску и т.д. В результате изображение на формной пластине формируется из отдельных полосок, записанных ортогональными точечнорастровыми строками небольшой длины. Конструкция механизма перемещения записывающей головки по двум координатам представлена на рис. 14.
Рис. 14. Конструкция механизма перемещения записывающей головки: 1, 2, 3 — поле изображения для разных форматов пластин; 4, 5 — направляющие; 6 — вакуумная плита; 7 — записывающая головка
Рис. 15. Схема плоскостного формовыводного устройства с субрастровой записью
Формовыводное устройство (рис. 15) оснащено тремя кассетами для формных пластин и механизмом их смены 1. С помощью устройства подачи 2 пластина размещается на вакуумной плите 3, над которой перемещается в двух направлениях записывающая головка 4. По окончании экспонирования пластина по транспортеру 5 подается в процессор 6 для обработки форм.