Принципы построения лазерных выводных устройств

Ю.Н.Самарин, канд. техн. наук, профессор МГУП

Основные модули лазерных выводных устройств

Основные характеристики лазерных выводных устройств

Классификация лазерных сканирующих устройств

В выводных устройствах получение скрытого изображения на фотографических и формных материалах (для форм офсетной и высокой печати) осуществляется за счет создания на их поверхности оптического изображения точки, экспонирования этих материалов с одновременной разверткой изображения по всему формату и его регистрацией. При этом регистрация осуществляется путем изменения физико-химических свойств светочувствительных или термочувствительных слоев, нанесенных на прозрачную или непрозрачную основу (подложку). Визуализация скрытого изображения происходит в результате соответствующей химической обработки.

Основные модули лазерных выводных устройств

Лазерные фотовыводные (фотонаборные автоматы) и формовыводные устройства (рис. 1) структурно можно разделить на управляющие и лазерные сканирующие устройства.

Управляющее устройство осуществляет ввод информации об изображении полосы или полноформатного печатного листа издания в виде матрицы экспонирования и формирует сигналы управления исполнительными устройствами и механизмами сканирующего устройства. Эти сигналы управляют модуляцией лазерного луча, разверткой изображения при экспонировании фотографического или формного материала, перемещением материала, контролируют син-хронную работу исполнительных устройств.

Рис. 1. Структурная схема лазерного выводного устройства

Управляющее устройство состоит из интерфейса ( И ), осуществляющего прием цифровых данных матрицы экспонирования от растрового процессора системы допечатной подготовки изданий; основного контроллера ( К ), организующего работу всех электронных и электромеханических узлов автомата; блока памяти ( БП ) для хранения данных настройки лазерного выводного устройства на -определенный режим работы и промежуточного хранения информации об изображении в процессе его записи; блока управления ( БУ ), который непосредственно вырабатывает сигналы управления исполнительными механизмами и системами.

Первые лазерные фотонаборные автоматы имели управляющее устрой-ство, осуществлявшее обработку текстовой, иллюстрационной и шрифтовой информации для получения цифровой информации об изображении сверстанной полосы издания или ее фрагмента (например, блока или гранки текста) в растрированной форме.

В качестве устройств ввода информации использовались накопители на гибких магнитных дисках, а также устройства сопряжения с каналом связи для организации работы фотонаборного автомата в линию с ЭВМ системы обработки текста и иллюстраций.

Основой управляющего устрой-ства этих лазерных фотонаборных автоматов служил персональный компьютер, который выполнял обработку текста и шрифтовой информации, в том числе формирование строк заданного формата с расчетом их выключки, верстку полос, масштабирование шрифтовых знаков из базового кегля в кегль набора, трансформацию знаков для получения выделительных начертаний и т.п.

Для хранения информации о начертании большого количества знаков, иллюстраций, текста, программ обработки текста требуются значительные объемы памяти. Поэтому лазерные фотонаборные автоматы оснащались запоминающими устройствами на жестких магнитных дисках.

С развитием вычислительной техники появились аппаратно-программные и программные быстродействующие растровые процессоры, с высокой скоростью выполняющие преобразование текста, графики и растрированных полутоновых иллюстраций в матрицу экспонирования. Функции же по обработке текстовой информации и ее хранению сегодня полностью переданы рабочим станциям системы допечатной подготовки изданий.

Лазерное сканирующее устрой-ство (ЛСУ) представляет собой сложный комплекс оптико-механических узлов, объединенных электронными блоками управления. В общем случае лазерное сканирующее устройство состоит из лазера ( Л ) с блоком питания, модулятора ( М ) лазерного излучения, телескопа ( Т ), дефлектора ( Д ), фокусирующего объектива ( ФО ), механизма транспортирования материала ( МТМ ), систем синхронизации процесса сканирования ( СС ) и коррекции пространственного положения лазерного луча ( СК ).

На вход лазерных сканирующих устройств подаются электрические сигналы из управляющего устройства. В результате сканирования на выходе получают изображение полосы, ее фрагмента или полноформатного оттиска, зарегистрированных на фотоматериале или печатной форме.

В состав лазерных сканирующих устройств также могут входить светофильтры ( С ), полевые диафрагмы ( ПД ), поворотные полупрозрачные или полностью отражающие зеркала и призмы, бленды и другие элементы. По принципу действия и конструктивному исполнению лазеры, модуляторы, дефлекторы, системы синхронизации и коррекции, а текже оптические элементы, в зависимости от назначения, схемы построения и требований, предъявляемых к сканирующему устройству, могут быть различными.

Лазеры в выводных устройствах служат источниками света. Они отличаются высокой монохроматичностью и когерентностью излучения, малой расходимостью пучка, большой интенсивностью световой энергии в пучке. Эти особенности лазеров позволяют сфокусировать световой пучок в пятно очень малых размеров с высокой плотностью энергии.

Модулятор предназначен для управления интенсивностью лазерного луча по принципу «да — нет». В лазерных выводных устройствах применяются электрооптические ( ЭОМ ) и акустооптические ( АОМ ) модуляторы.

Дефлектор является устройством, преобразующим модулированный световой пучок в одномерный растр. Двумерное изображение при этом создается медленной (по оси Y ) разверткой, как правило, за счет равномерного перемещения светочувствительного или термочувствительного материала ортогонально (или почти ортогонально) к линии быстрой одномерной развертки (по оси X ). Основными параметрами дефлектора являются максимальный угол отклонения, разрешающая способность и частота сканирования.

Таблица 1. Основные технические параметры различных типов фотовыводных устройств

Фокусирующие объективы и телескопические системы. Основной характеристикой ЛСУ, определяющей качество получаемого изображения, является разрешающая способность, которая оценивается числом элементов разрешения N, то есть числом различимых направлений луча, укладывающихся в пределах максимального угла :

где а — коэффициент, учитывающий форму сечения лазерного пучка; — длина волны излучения; D — ширина лазерного пучка, входящего в фокусирующий объектив.

Размер пятна, сфокусированного на экспонируемом материале, зависит от расходимости лазерного пучка. Так, например, газовые лазеры могут обеспечить минимальную расходимость:

Обычно используется световой пучок с круглым сечением (а=1,22). Если такой пучок фокусируется на оптической оси объективом с фокусным расстоянием f, то минимально достижимый диаметр сфокусированного пятна d₀ определяется следующим выражением:

Для расширения лазерного пучка и уменьшения его расходимости применяются телескопические системы, которые преобразуют параллельные пучки лучей, входящие в систему, также в параллельные пучки лучей на выходе из нее. Телескопическая система должна состоять как минимум из двух компонентов: объектива и окуляра. Чтобы обеспечить условия параллельности лучей в пучке, необходимо совместить задний фокус объектива с передним фокусом окуляра. Оптическая длина такой системы равна сумме фокусных расстояний объектива и окуляра. Основные оптические характеристики телескопической системы — угловое поле зрения, диаметр выходного зрачка и видимое увеличение, определяемое как отношение диаметра сечения пучков на выходе к диаметру на входе.

Светофильтры. Для регулирования мощности лазерного луча при настройке ЛСУ в соответствии со светочувствительной характеристикой применяемого материала используют нейтральные (серые) светофильтры.

Диафрагмы. Для изменения диаметра лазерного луча с целью получения микроточки разного диаметра при записи изображения с различными линиатурами растра используются диафрагмы. Диафрагмы имеют разную апертуру и располагаются на турели. При смене линиатуры записи турель автоматически поворачивается и устанавливает на оптическую ось диафрагму с апертурой, соответствующей диаметру микроточки, формирующей на экспонируемом материале изображение. Недостатком такого механизма является ограниченный набор диафрагм, что не позволяет для каждого значения линиатуры записи изображения подобрать соответствующий размер записывающего пятна. Этот недостаток в некоторых ЛСУ устранен за счет применения ирисовой диафрагмы, плавно изменяющей в определенных пределах апертуру своего отверстия и соответственно диаметр луча.

Системы синхронизации. При сканировании необходимо осуществлять синхронизацию положения лазерного луча в плоскости изображения с электрическими сигналами, управляющими интенсивностью света. Для этого следят за координатой сканирующего луча и дискретно вырабатывают синхросигналы по мере прохождения лучом отрезков пути, равных или кратных величине, обратной разрешению. Необходимость в системах синхронизации возникает из-за непостоянства скорости движения луча вдоль растровой строки вследствие неизбежных колебаний электрического напряжения, управляющего оптико-механическим дефлектором, износа механических деталей, неточностей в изготовлении отдельных поверхностей зеркальных многогранников и других причин.

Системы коррекции. Для поддержания межстрочного расстояния с высокой точностью в сканирующих устрой-ствах необходимо применять исключительно прецизионные дефлекторы, очень сложные в изготовлении. Кроме того, как бы точно ни был изготовлен дефлектор, при его эксплуатации изнашиваются опоры вращения вала, что приводит к неизбежному биению оси вращения дефлектора. Для обеспечения нечувствительности процесса сканирования к угловым ошибкам дефлекторов (то есть к малым отклонениям зеркальных граней дефлекторов от заданного положения) применяются специальные системы коррекции, изменяющие пространственное положение луча и компенсирующие угловые ошибки дефлектора.

Механизм транспортирования материала служит для размещения фотоматериала или формных пластин в положение, при котором осуществляется запись изображения.

Основные характеристики лазерных выводных устройств

Основными техническими характеристиками лазерных выводных устройств являются формат записи, разрешение и размер пятна, линиатура растра, повторяемость, скорость записи.

Формат. Различают максимальный формат и формат экспонирования лазерного выводного устройства. Формат лазерных устройств, изготавливающих формы, должен соответствовать формату печатной машины или перекрывать его. Формат фотовыводных устройств может быть меньше формата печатной машины. В этом случае выполняют ручной монтаж фотоформ.

Разрешение и размер точки. Под разрешением (разрешающей способностью) понимается количество точек, воспроизводимых лазерным лучом, на единицу длины (обычно на дюйм) экспонируемого материала:

R = 1/r dpi (точки на дюйм).

Поскольку запись лазерным лучом связана с синхронизацией движения либо экспонируемого материала, либо развертки луча, разрешающая способность обычно не может плавно изменяться. Все лазерные выводные устройства имеют несколько фиксированных значений разрешающей способности. Эти фиксированные значения производители устройств делают приблизительно одинаковыми, поскольку они должны удовлетворять требованиям теории растрирования. Вот наиболее часто встречающиеся значения: 1270, 1693, 2032, 2540, 3387, 4064, 5080 dpi. Используются и другие значения разрешения, например 1200, 1372, 2400, 2438 и т.д. Разрешение во многом определяется конструкцией сканирующей и оптической систем, применяемым лазером и программным обеспечением. Применение специальных алгоритмов растрирования и различных программно-аппаратных усовершенствований во многих случаях позволяет обеспечить достаточно хорошее качество при разрешении 2400 dpi.

В идеальном случае диаметр точки (пятна) и разрешение должны быть связаны соотношением d = 25400/R (диаметр пятна d выражен в микрометрах, а разрешение R — в точках на дюйм). Если это условие выполняется, то выводное устройство называют линейным.

Большинство выводных устройств могут выполнять запись точками нескольких размеров. Однако несмотря на то, что размер точки изменяется при изменении разрешения, он не всегда соответствует идеально требуемому. Более дешевые и простые выводные устройства, например ФНА ролевого типа, имеют всего один или два размера точки.

Линиатура растра. Этот параметр в большинстве случаев характеризует не само выводное устройство, а растровый процессор. Значение линиатуры, как правило, связано с разрешением следующим соотношением:

Lin=R/16lpi.

Исключения возможны в случае чрезмерного увеличения линиатуры за счет использования «запланированной нелинейности» или при ограничении допустимой линиатуры.

Повторяемость. Повторяемость характеризуют максимальной величиной несовмещения точек по формату на определенном количестве подряд выведенных фотоформ или печатных форм. Повторяемость большинства барабанных устройств равна ±5 мкм, а для устройств плоскост-ного типа этот параметр находится в пределах 25-40 мкм.

Таблица 2. Основные технические параметры различных типов формовыводных устройств

Скорость записи. Скорость записи растрированного изображения зависит от конструкции устройства (частоты вращения дефлектора, скорости перемещения экспонируемого материала или записывающей головки) и используемого для вывода разрешения. Чем больше значение разрешения, тем меньше скорость записи.

Классификация лазерных сканирующих устройств

В настоящее время известно более 200 моделей фотовыводных и более столько же формовыводных устройств, основу которых составляют сканирующие устройства. Точность и быстродействие работы лазерного сканирующего устройства во многом определяют качество изображения, получаемого на экспонированных фотографических или формных материалах, а также производительность изготовления форм и фотоформ. Составить представление о наиболее распространенных лазерных сканирующих устройствах можно путем рассмотрения их основных квалификационных признаков, к которым относятся: тип схемы построения устройства; тип лазера; тип модулятора лазерного излучения; тип развертывающего элемента (дефлектора); тип оптической системы; тип механизма транспортировки материала.

Схема построения — один из основных признаков для классификации лазерных сканирующих устройств, который определяет характер размещения и транспортирования экспонируемого материала и способ развертки изображения. Современные лазерные выводные устройства по схеме построения принципиально разделяются на два типа: плоскостной и барабанный.

В плоскостном фотовыводном или формовыводном устройстве (рис. 2) материал располагается в плоскости и перемещается (непрерывно или дискретно), осуществляя развертку изображения по вертикали. Горизонтальная развертка изображения производится непрерывно вращающимся многогранным, а иногда качающимся одногранным зеркальным дефлектором. Фотовыводные устройства, построенные по этой схеме, называют также устрой-ствами ролевого, или капстанового (от англ . capstan — вал), типа, а также планшетными (рис. 2 а ).

Рис. 2. Лазерное выводное устройство плоскостного типа: а — фотовыводное; б — формовыводное

Барабанные выводные устройства могут иметь конструкцию с внутренним или внешним барабаном. В первом случае экспонируемый материал располагается на внутренней поверхности неподвижного цилиндра (рис. 3 а ) или полуцилиндра (рис. 3 б ), а развертка изображения осуществляется по вертикали за счет непрерывного вращения дефлектора с одной отражающей гранью (зеркало, прямоугольная призма или пентапризма) и по горизонтали вследствие перемещения дефлектора и оптической системы вдоль оси барабана. По окончании записи в таких фотовыводных устройствах фотоматериал перематывается из подающей кассеты в приемную, а в формовыводных устройствах пластина автоматически или вручную выводится из позиции записи.

Таблица 3. Распределение числа моделей фотовыводных устройств

Таблица 4. Распределение числа моделей формовыводных устройств

В устройствах с внешним барабаном фотоматериал (листовой) или формная пластина располагается на внешней поверхности непрерывно вращающегося цилиндра (рис. 4), а развертка изображения осуществляется по вертикали за счет вращения барабана, а по горизонтали — вследствие перемещения оптической системы вдоль образующей барабана.

Рис. 3. Лазерное выводное устройство с внутренним барабаном: а — фотовыводное; б — формовыводное

В отдельную группу можно выделить устройства с так называемым виртуальным барабаном. В этих устройствах цилиндра как такового нет, но фотоматериал за счет своих упругих свойств, различных направляющих и других приспособлений располагается по цилиндрической поверхности и принимает форму барабана или полубарабана.

Анализ 200 различных моделей фотовыводных и 200 моделей формовыводных устройств, представленных за последние 5-6 лет на мировом рынке полиграфического оборудования, показывает (рис. 5), что доля плоскостных устройств среди фотовыводных составляет 50%, а среди формовыводных — только 23%. При этом доля барабанных устройств, построенных по технологии «внутренний барабан», среди фотовыводных и формовыводных примерно одинакова и равна 36 и 34% соответственно. Доля устройств, построенных по технологии «внешний барабан», среди фотовыводного оборудования составляет всего 8%, а среди формовыводных эта технология является доминирующей и равна 43%. Процент фотовыводных устройств с виртуальным барабаном мал — всего 6%.

Рис. 4. Лазерное выводное устройство с внешним барабаном

В табл. 1 и 2 приведены значения технических параметров для фотовыводных и формовыводных устройств соответственно, в том числе параметров, значения которых получены путем расчета среднестатистических значений при рассмотрении технических характеристик 200 моделей фотовыводных и 200 моделей формовыводных устройств.

Основными достоинствами фотовыводных устройств плоскостного (ролевого) типа являются простота конструкции, достаточно высокая надежность, низкая цена, а также возможность записи большого по длине участка пленки. Максимальная длина ограничивается только возможностями растрового процессора и реже — емкостью приемной кассеты (когда она невелика). Определенным плюсом следует считать и относительно малые размеры.

Недостатки фотовыводных устройств плоскостного типа — прежде всего относительно низкая повторяемость (40-50 мкм для наиболее простых моделей, 25 мкм для высокоточных) — обусловлены погрешностями изготовления и работы вращающихся многогранных дефлекторов и механизма протяжки фотопленки. В целом такие устройства можно охарактеризовать как простое и экономичное оборудование для выпуска продукции, не требующей высокой линиатуры (152-200 lpi), при средней производительности.

Выводные устройства, работающие по принципу «внутренний барабан», сегодня являются наиболее популярными и позволяют записывать изображение с растром до 305 lpi, обеспечивая повторяемость ±5 мкм по всему формату.

Их достоинствами являются достаточность одного источника излучения, благодаря чему достигается высокая точность записи; простота фокусировки и отсутствие необходимости юстировки лазерных лучей, простота замены источников излучения; большая оптическая глубина резкости, простота установки перфорирующего устройства для штифтовой приводки форм.

Рис. 5. Диаграмма распределения по типу схемы построения устройств: а — фотовыводных; б — формовыводных

Внешнебарабанные устройства позволяют экспонировать фотоматериалы и пластины больших форматов. К их недостаткам относят использование значительного числа лазерных диодов и, как следствие, такого же числа информационных каналов; необходимость трудоемкой юстировки; сложность установки устройств для перфорирования форм. Ввиду высокой стоимости фотовыводные устройства с внешним барабаном сейчас используются редко, несмотря на то что они позволяют записывать изображение с разрешающей способностью до 5080 dpi.

При экспонировании термочувствительных формных пластин в инфракрасной области спектра преимущество имеет внешнебарабанная конструкция. Дело в том, что ИК-экспонирование требует высоких затрат энергии и ее источник должен находиться на небольшом расстоянии от поверхности печатной формы. У устройств с записью на внутреннюю поверхность барабана расстояние от пластины до развертывающего элемента соответствует радиусу барабана и возрастает с увеличением формата пластины. Для того чтобы генерировать исключительно маленькую и резкую точку на таком расстоянии, требуется дорогостоящая оптика.

При записи печатных форм ско-ростные характеристики формовыводных устройств во многом зависят от чувствительности формного материала. Внешние барабаны имеют сравнительно небольшую скорость вращения, например при записи термочувствительных материалов частота вращения барабана составляет 150 об./мин. Сокращение времени экспонирования печатной формы достигается путем увеличения числа лазерных диодов. При этом вероятность сбоев при работе возрастает с ростом числа диодов.

В настоящее время для записи печатных форм формата менее 70 x 100 см примерно в равных долях используются устройства всех трех типов пострения. Для больших форматов печатных форм определенные преимущества имеет техника с внешним барабаном. Планшетный способ широко применяется в области форматов до 50 x 70 см для газетного производства. Причем в последнем случае его преимущества объясняются именно небольшими форматами и достаточностью относительно низких разрешений.

По типу лазера выводные устрой-ства можно разделить на устройства с газовыми лазерами, твердотельными и полупроводниковыми (лазерными диодами). Тип лазера определяется в основном физико-химическими свойствами и чувствительностью экс-понируемых материалов. В выводных устройствах используются следующие типы лазерных источников света:

• аргон-ионный (Ar+) голубой лазер с длиной волны 488 нм;

• гелий-неоновый (He-Ne) красный лазер с длиной волны 633 нм;

• полупроводниковый красный лазер (IR) с длиной волны 635, 650, 660, 670 нм;

• полупроводниковый инфракрасный лазер (IR) с длиной волны 780, 830, 1050, 1064 нм;

• твердотельный зеленый лазер на иттрий-алюминиевом гранате с двойной частотой (FD:YAG) с длиной волны 532 нм;

• твердотельный лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом (ND:YAG) с длиной волны 1064 нм;

• полупроводниковый фиолетовый лазер (IR) с длиной волны 400-410 нм.

На рис. 6 представлены диаграммы распределения количества фотовыводных (рис. 6 а ) и формовыводных (рис. 6 б ) устройств по использованию того или иного типа лазерного источника света. Следует отметить, что диаграмма для формовыводных устройств построена с учетом возможности оснащения некоторых устройств при их покупке различными типами лазеров. Данные о частоте использования того или иного типа лазеров в выводных устройствах различных типов приведены в табл. 3 и 4.

Из диаграмм (рис. 6) видно, что в 75% фотовыводных и 50% формовыводных устройств используются полупроводниковые лазеры. Это объясняется следующими достоинствами:

1. Миниатюрностью: теоретическая минимальная длина резонатора близка к 10 мкм, а площадь его поперечного сечения — к 1 мкм² (объем активной области может достигать 10-12 см³).

2. Высоким КПД преобразования энергии накачки в излучение, приближающимся у лучших образцов к теоретическому пределу. Это обусловлено тем, что лишь при инжекционной накачке удается исключить нежелательные потери — вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов.

3. Удобством управления: низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами; возможность изменения мощности излучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и в импульсном режимах с обеспечением при этом очень высокой скорости переключения (в пикосекундном диапазоне).

Полупроводниковым лазерам присущи и определенные недостатки, из них принципиальными можно считать следующие: невысокая когерент-ность излучения (в сравнении, например, с газовыми лазерами), большая угловая расходимость, эллиптический астигматизм, резкое уменьшение мощности излучения при повышении температуры.

Рис. 6. Диаграмма распределения по типу используемого лазера устройств: a — фотовыводных; б — формовыводных

В фотовыводных устройствах используются лазеры мощностью 1-10 мВт, что обусловлено высокой светочувствительностью современных фотографических материалов. В формовыводных устройствах для записи на светочувствительные формные пластины применяются лазеры мощностью от 10 до 100 мВт, а для записи на термочувствительные пластины требуются лазеры мощностью порядка 10 Вт.

В большинстве существующих фотовыводных устройств используется всего один записывающий элемент, то есть луч лазера, прошедший через систему развертки, фокусировки и т.д. Но при записи больших форматов, например 750x1100 мм, для увеличения скорости применяется система, где с помощью набора призм луч лазера разбивается на пучок лучей. После этого экспонирование происходит не одним, а несколькими (шестью, восемью и т.д.) лучами. Наибольшее распространение метод многолучевой записи получил в технологии экспонирования формного материала. Например, в формовыводном устройстве Trendsetter фирмы Heidelberg для записи используются одновременно 240 лучей, которые создает мощный 20-эмиттерный лазерный диод с многоканальным электрооптическим модулятором.

При применении многолучевого метода записи резко возрастают требования к самому источнику излучения и оптической системе. Лазер должен быть достаточно мощным и обеспечивать устойчивую форму точки на фотоформе или форме.

В устройствах для изготовления флексографских печатных форм и форм глубокой печати методом прямой возгонки формного материала могут применяться мощные СО₂-лазеры с длиной волны 10,6 мкм. Но широкое применение СО₂-лазеров для выпуска высококачественной продукции невозможно. Дело в том, что при длине волны излучения 10,6 мкм его практически невозможно сфокусировать в пятно диаметром меньше 50 мкм, а следовательно, устойчивое воспроизведение элементов размером 15-20 мкм оказывается проблематичным.

Известны выводные устройства, в которых используется несколько одинаковых лазеров для записи изображения. Например, в фотовыводном устройстве FujiFilm Luxel F9000 может быть установлено от одного до трех лазеров.

Продолжение в следующем номере

КомпьюАрт 5'2004