Отечественный имиджсеттер для качественной цветной полиграфии

В.П. Бессмельцев, С.Г.Баев, Л.В.Выдрин, В.А.Слуев, К.К.Смирнов

Особенности оптикомеханической системы имиджсеттера

Многоканальная оптическая головка

Аппаратно-программные средств управления и подготовки данных

Блок подготовки данных

Программное обеспечение

Заключение

Печать цветных изображений существенно ужесточает требования на все допечатное оборудование, применяемое при проектировании и изготовлении печатных форм и фотоформ. Как вполне убедительно показано в работе (1), для качественной цветной печати аппаратура изготовления фотоформ и печатных форм должна обеспечивать разрешение не менее 100 лин/мм (2540 на дюйм) при размере точки не более 20 мкм; при этом геометрическая повторяемость должна быть +-10 мкм при выводе 4 форм, а точность задания полутонов (размера растрового элемента) при растрировании — 1%.

В дополнение к этому, лазерная растровая запись изображений — фактически единственный использующийся сейчас способ записи фотоформ и печатных форм — накладывает особые требования на периодические ошибки растра, вызывающие искажения в виде муара. Реальная ошибка растра (шага лазерной записи) и, соответственно, геометрические ошибки записи должны быть менее 1 мкм на шаг растра (около 10 мкм). Таким требованиям отвечают последние разработки ведущих западных фирм (Scitex, Creo, Hidenberg, Agfa и т.д.) стоимостью выше 60 000 долл. для форматов более А3. Оптико-механические узлы этих систем построены по двум схемам: с материалом, установленным на вращающемся цилиндре с короткофокусной головкой записи, и с материалом, установленным внутри неподвижного цилиндра с вращающейся головкой записи..

Лазерные имиджсеттеры, разработанные в Институте Автоматики и электрометрии СО РАН, реализованы по схеме первого типа на основе СО2 и ИАГ лазеров и выпускаются с 1979 г. (2, 3, 4). На наш взгляд, основные преимущество таких систем состоят в относительной легкости достижения нужных точностных характеристик при низкой стоимости механических узлов развертки, возможности использования простого короткофокусного объектива с малой апертурой для получения точки менее 25 мкм и удобном доступе к зоне установки материала для записи, что особенно важно при ручной или полуавтоматической системе зарядки формы или фотоформы . Наиболее явно эти преимущества обнаруживаются при больших форматах записи (>500х600 мм²). Однако еще несколько лет назад казалось, что основной принципиальный недостаток таких систем — низкая производительность, вызванная невозможностью вращения цилиндра с носителем с высокой скоростью. Например, при разрешении 2500 dpi и скорости вращения барабана 10 об/сек время записи формата 500х600мм² равно 83 минутам.

Это ограничение было снято разработкой многоканальных головок записи,. увеличивающих производительность систем пропорционально количеству одновременно записываемых каналов (лучей). В 1996-98 гг. такие крупные фирмы, как Dainippon Screen, Creo, Optronics, Inc, перешли на выпуск барабанных имиджсеттеров и плейтсеттеров с многоканальными (16-200 каналов) записывающими головками.

Такие системы позволяют выводить форматы порядка 1м² за считанные минуты с высоким разрешением и точностью. Ограничивающим фактором чаще всего становится уже производительность подсистем подготовки ( растеризации) данных.

Параллельно с развитием аппаратных средств лазерных имиджсеттеров был достигнут существенный прогресс и в производстве фоточувствительных носителей для фотоформ и печатных форм с ускоренными процессами обработки, ориентированных на дешевые маломощные лазеры — полупроводниковые и He-Ne. Эти материалы обладают прекрасными характеристиками, позволяя получить высококачественные фотоформы и печатные формы с «идеальными» точками (воспроизводить точки размером 5 мкм и плотностью более 4D с «жесткой» границей).)

Ориентируясь на применение таких материалов, в ИАиЭ СО РАН на основе оригинальной многоканальной головки и внешнецилиндрового узла развертки, зарекомендовавшего себя в предыдущих разработках, создан скоростной прецизионный имиджсеттер нового поколения. При проектировании прибора особое внимание обращалось на стоимость и надежность устройства при обеспечении характеристик записи, соответствующих мировым стандартам. При этом мы ориентировались на рынок России и развивающихся стран.

Особенности оптикомеханической системы имиджсеттера

Для удешевления устройство выполнено с ручной установкой/съемом материала-носителя. При этом возможны два варианта — один для работы на свету с полностью закрытым кожухом и сменными светонепроницаемыми кассетами, другой — бескассетный для работы при неактиничном для фотоматериала свете в специальном помещении.

Структура устройства приведена на рис 1. Фотоноситель (печатная форма) устанавливается на цилиндр записи с помощью специальных зажимов, а при малых форматах второй конец крепится скотчем. Качественная установка материала обеспечивается системой вакуумирования поверхности цилиндра.

Во вращение цилиндр приводится двигателем постоянного тока с блоком стабилизации скорости вращения. Датчиком координаты Х и скорости вращения служит оригинальный оптический датчик синхроимпульсов с разрешением 12000 на оборот. Электронная схема умножает сигнал оптического датчика еще в 10 раз, так что реальное разрешение по образующей цилиндра составляет 5 мкм. Фокусирующий объектив перемещается с помощью прецизионной шарико-винтовой передачи и шагового двигателя соединенного с осью винта через безлюфтовую зубчатую пару. Передаточный механизм также обеспечивает шаг 5 мкм в полношаговом режиме и 2,5 мкм в полушаговом режиме Для работы с фотоматериалами разной толщины перемещение объектива головки записи обеспечивается автоматической системой фокусировки .

Многоканальная оптическая головка

Известно несколько вариантов создания многоканальных головок записи (5). Условно их можно разделить на две группы: первая — множественные индивидуально управляемые и фокусируемые источники излучения; вторая — один источник излучения с последующей системой разделения луча в пучок лучей равной интенсивности, индивидуальная модуляция лучей, фокусировка пучка лучей. Сложности совмещения лазерных пучков от различных источников при микронных точностях положения лазерных лучей и высокая стоимость большого количества лазеров как таковых, с индивидуальными источниками питания и модуляции, определяют стоимость таких головок в несколько десятков тысяч долларов. Головки второго типа также технологически сложны, поскольку необходим стабильный и точный светоделитель и системы индивидуальной модуляции лучей. Поэтому неудивительно, что такими технологиями обладает очень ограниченное число фирм и головки получаются весьма дорогими.

Относительно дешевый и на первый взгляд простой вариант создания многоканальной головки на основе широкополосных акустооптических модуляторов, работающих в многочастотном режиме, был предложен уже давно (6). Идея состояла в том, что при определенных условиях в акустооптическом кристалле могут быть сгенерированы независимо управляемые акустооптические решетки. Решетки формируются путем подачи на кристалл сигналов с различными несущими частотами f1-fn. В результате интерференции входной луч разбивается на независимо модулированные лучи, угол отклонения которых от входного пучка пропорционален частоте, при этом интенсивностью каждого отклоненного пучка можно управлять, изменяя амплитуду соответствующей частоты (рис. 2).

Таким образом в одном кристалле совмещаются устройства разделения лучей и их модуляции, причем дополнительной оптики для этого не требуется. Однако явления интер- и кроссмодуляции, свойственные этому способу, то есть взаимовлияние сигналов управления и формируемых на акустооптическом кристалле оптических решеток, не позволяли использовать такие системы в качественных имиджсеттерах. Прогресс в современных технологиях создания широкополосных акустооптических модуляторов (АОМ) позволил при 10-15% дифракционной эффективности довести интермодуляционные эффекты до уровня процентов (7). Высокая чувствительность современных материалов (1 миллидж/см²) при хорошем контрасте и слабая зависимость стоимости лазеров для длин волн 0.63-0.8мкм от мощности в диапазоне мощностей 0.1-1 милливатт сделали применение этого способа эффективным даже с учетом больших (свыше 80%) световых потерь.

Функциональная схема такой головки на основе анизотропного АОМ с малым уровнем интер- и кроссмодуляционных искажений, разработанная в институте, приведена на рис. 3.

Особенностью примененной нами оптической схемы явилось то, что основные оптические и электронные блоки установлены на неподвижном основании, чем обеспечивается долговременное сохранение юстировки. Движется только объектив с узлом автоматической настройки фокуса, имеющий небольшой вес, что позволяет работать в старт-стопном режиме с минимальными временами успокоения. Особое внимание было обращено на обеспечение стабильной и равной интенсивности в каждом луче, поскольку интенсивность каждого пучка квадратично зависит от подаваемой мощности, частотная характеристики модулятора во всей полосе модулируемых частот неравномерна и, кроме того, имеется зависимость интенсивности записывающих лучей от внешней температуры и юстировки .

Для этого часть света от отклоненных лучей поочередно подается на линейный фотоприемник и с помощью схемы автоматической калибровки приводится к эталонному значению. Кроме того, для компенсации влияния интенсивности лучей от их числа и взаимного расположения в блок управления модулятором введен цифровой узел коррекции интенсивности, осуществляющий коррекцию экспозиции каждой записываемой точки.

Аппаратно-программные средств управления и подготовки данных

Структура аппаратно-программных средств управления фотопостроителем унифицирована и состоит из двух блоков. Блок подготовки данных содержит RIP в виде программного интерпретатора на платформе IBM-совместимого компьютера и специализированного интерфейсного модуля-адаптера, принимающего данные по шине РС и передающего их через скоростной последовательный интерфейс во второй блок — блок управления, установленный внутри фотопостроителя. Блок управления выполнен на основе специализированных модулей, устанавливаемых на базовой системной плате — контроллере, размещенной в корпусе IBM-PC с источником питания. Он содержит три модуля — модуль синхронизации, модуль буферной памяти и базовый системный модуль, к которому подключены все специализированные узлы — датчики и драйверы исполнительных механизмов фокусировки и модуляции. Блок управления связан с шиной персонального компьютера при помощи двух каналов: канала управления и канала данных (рис.5).

Блок подготовки данных

Канал управления представляет собой стандартный последовательный интерфейс, подключаемый к порту персонального компьютера с одной стороны и к входам последовательного порта базового модуля — с другой. Этот канал служит для передачи команд управления контроллером и получения статусной информации о состоянии устройства.

Канал данных предназначен для передачи битовой карты изображения в модуль буферной памяти и представляет собой специально разработанный синхронный последовательный интерфейс (адаптер) со скоростью передачи более 10 мегабит в секунду.

Назначение базового модуля — управление и контроль низкоскоростными узлами фотопостроителя, установка режимов функционирования модулей синхронизации и буферной памяти, обеспечение тестирования узлов фотопостроителя и осуществление записи в тестовом режиме. Основа блока — микроконтроллер семейства I-51.

Блок буферной памяти предназначен для временного хранения данных, поступающих по скоростному каналу связи из RIPа. Важным элементом блока буферной памяти является блок ШИМ (широтно-импульсной модуляции), позволяющий изменять время экспозиции фотоносителя в пределах 0,05 - 1 мкс .

В предложенной структуре скоростные потоки данных и низкоскоростные элементы управления и контроля механизмами разделены, что дает возможность реализовать большинство узлов на дешевой элементной базе. Использование универсального микроконтроллера в качестве ядра системы контроля позволяет при малых издержках адаптировать электронику под требования заказчика .

Программное обеспечение

За основу интерпретатора языка PostScript взята широко известная программа Ghostscript. Однако производительность и качество формирования полутонового изображения примененной версии в первозданном виде были неприемлемы для решения задач современной полиграфии.

В соответствии с принятой в языке Postscript моделью формирования образа выходного изображения (выходной страницы) эффект действия операторов рисования языка аккумулируется в некотором внутреннем представлении. Поэтому окончательное значение любой точки формируемого изображения определено только после интерпретации всего исходного PS-описания. Формирование полной выходной страницы в памяти с последующим выводом ее были в нашем случае неэффективны, так как при разрешении >2000 dpi и размерах страницы 20x25 дюймов потребность в памяти для растрового представления составил бы более 240 Мбайт (при 1 бит/пиксел). Реализация метода дисплейного списка программой Ghostscript порождала в некоторых случаях файлы промежуточного описания непредсказуемо большого размера. К тому же, как показал анализ производительности программы на тестовых примерах, затраты на чтение и интерпретацию исходного PS-файла составляли меньшую часть по сравнению с временем работы над битовой картой выходного образа. Поэтому в нашей реализации была применена многопроходная схема с проходами по исходному PS-файлу. Выходная страница делится на полосы, а интерпретатор на каждом проходе формирует битовую карту только для части страницы, попадающей в полосу. Размер полосы (объем битовой карты) определяется объемом доступного ОЗУ. Метод деления выходной страницы на полосы позволил также совместить операции формирования очередной полосы с выводом на имиджсеттер полосы, полученной на предыдущем проходе, что позволило частично компенсировать затраты на повторную интерпретацию исходного файла. Примененная схема позволила достичь приемлемого компромисса между объемом требуемого ОЗУ и временем формирования страницы.

Следующим шагом в адаптации Ghostscript была радикальная модификация алгоритмов формирования полутонового изображения. Большие затраты памяти на вспомогательные структуры не позволяли реально генерировать файлы для некоторых «плохих» углов, используемых в четырехцветной печати, с точностью, определяемой эффектом квантования растра. В данном случае основные проблемы создания качественного полутонового изображения относятся, в первую очередь, к объемам требуемой памяти и вычислительной сложности алгоритмов формирования полутонового образа. Нами была реализована схема, при которой полутоновой растр (halftone screen) предварительно преобразуется в форму порогового массива. Это, с одной стороны, позволяет свести до минимума объем памяти, требуемый для хранения информации о полутоне, а с другой, получить эффективные алгоритмы генерации полутоновых файлов, которые позволяют, в частности, генерировать файлы с длиной, кратной длине машинного слова, что оптимизирует время операций заполнения областей.

В результате проведенных модификаций появилась возможность генерации полутоновых файлов во всем диапазоне реально используемых линеатур (от 80 lpi и выше при разрешении более 2000 dpi) с ошибками по растровому углу и линеатуре, определяемыми только эффектом квантования растра.

Заключение

На рис. 6 представлен вариант устройства для работы в помещениях с неактиничным освещением, приводятся также его технические характеристики. В скобках приведены характеристики для модели с форматом 600х800. По заказам изготавливаются устройства с источником излучения в сине-зеленой области спектра — аргоновыми лазерами (0,488 нм) или на второй гармонике ИАГ с полупроводниковой накачкой (0,532 нм) Такие системы несколько дороже, но зато позволяют использовать более дешевые фотоматериалы для фотоформ и печатных форм.

Более чем двухлетний опыт работы устройств в типографиях и на участках печатных плат заказчиков показал высокую надежность устройств и воспроизводимость результатов.

В заключение благодарим директора фирмы JAY Instruments & System PVT.LTD (Индия) господина П.С. Котхари за моральную и материальную поддержку в процессе разработки устройства и прекрасную организацию работ по запуску опытного экземпляра устройства в Бомбее, а также вице-президента фирмы Business Universal Incorporated (Индия) д-ра Г.М.Патвардана за организацию «дружественного интерфейса» между индийскими и российскими коллегами.

КомпьюАрт 7'2000