Принципы построения лазерных выводных устройств

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

Окончание. Начало в № 5, 6` 2004.

По типу оптической системы лазерные сканирующие устройства с плоскостной разверткой в зависимости от взаимного расположения фокусирующего объектива и развертывающего дефлектора подразделяются на два типа: с дообъективной и послеобъективной разверткой. В лазерных сканирующих устройствах с записью изображения на внутреннюю поверхность барабана используются оптические системы с послеобъективной разверткой. В лазерных сканирующих устройствах с записью на внешнюю поверхность барабана, в которых строчная развертка изображения осуществляется за счет вращения барабана, применяются короткофокусные малогабаритные объективы — иногда в сочетании со световолоконной оптикой. Тип оптической системы не влияет ни на быстродействие, ни на качество записи изображения.

Системы дообъективной развертки имеют сложные многокомпонентные линзовые или зеркально-линзовые объективы, обеспечивающие телецентрический ход лучей (рис. 1). Сложность их конструкции объясняется необходимостью компенсировать внеосевые аберрации, поскольку объективы работают в широких наклонных пучках лучей, особенно при использовании дефлекторов с большим углом отклонения. Такие объективы компенсируют криволинейность поля изображения линии растра и неравномерность скорости движения луча вдоль растровой строки.

Рис. 1. Оптическая система с телецентрическим ходом лучей

Объективы, в которых отсутствует явление нелинейности при высоком разрешении, называются объективами. Они обеспечивают преобразование x=tg вместо обычного ( x — координата в плоскости изображения вдоль линии сканирования, — фокусное расстояние объектива, — угол отклонения луча дефлектора). Число оптических элементов в них достигает восьми. Функционально компоненты объективов можно объединить в две группы: первая обеспечивает фокусировку лазерного луча в плоскости изображения; вторая расположена ближе к плоскости изображения и компенсирует криволинейность поля, а также обеспечивает линейность закона перемещения лазерного луча вдоль линии сканирования при развертке дефлекторами, вращающимися с постоянной частотой. Зеркально-линзовые объективы применяют в тех случаях, когда при сравнительно большом фокусном расстоянии необходимо сократить размеры системы вдоль оси.

Системы с послеобъективной разверткой характеризуются наличием малогабаритными объективами простой конструкции, так как всегда работают в параксиальной области и требуют корректировки лишь сферической аберрации. В устройствах с плоскостной записью трудность при использовании этого типа оптической системы заключается в криволинейности поля изображения линии, что требует дополнительных средств для компенсации этой криволинейности. При записи изображения на плоском поле погрешность, связанная с этим, может быть сведена к минимуму с помощью объектива с очень большим передним рабочим отрезком. Наибольшее распространение получил метод компенсации криволинейности поля изображения посредством дополнительных зеркал или линз.

Оптические системы с послеобъективной разверткой успешно применяются в лазерных выводных устройствах с внутренним барабаном (рис. 2). В этих системах луч лазера 1 фокусируется объективом 2 на внутренней поверхности барабана 4 , а развертка изображения по строке осуществляется вращающимся зеркалом 3 .

Рис. 2. Оптическая система с послеобъективной разверткой

В ЛСУ желательно применять короткофокусный объектив, обеспечивающий получение достаточно малого диаметра пятна, что свидетельствует о высокой разрешающей способности системы. Однако на практике для большого формата сканируемого поля приходится пользоваться длиннофокусными объективами, а это приводит к увеличению размеров фокусирующей системы.

Для лазерных плоскостных сканирующих устройств (см. рис. 1) оптическая система дообъективной развертки с учетом формата изображения l должна обладать объективом с фокусным расстоянием, вычисляемым по формуле:

.

Для оптической системы с послеобъективной разверткой изображения на внутренней поверхности барабана (см. рис. 2) фокусное расстояние определяется следующим выражением:

,

где — угол охвата внутренней поверхности барабана изображением формата l.

Требуемый размер сфокусированного пятна может быть получен путем изменения угла расходимости лазерного излучения, что достигается коллимацией светового пучка посредством применения в ЛСУ афокальной телескопической системы. Такая система, представляющая собой перевернутый телескоп, устанавливается между лазером и фокусирующим объективом. Известны различные системы телескопов, такие как схема Кеплера, Галилея, Кассегрена и др. Наиболее часто применяют систему Галилея, в которой первый компонент — отрицательная линза, а второй — положительная линза. Оба компонента расположены на одной оптической оси так, что задний фокус первой линзы совпадает с передним фокусом второй линзы.

Угловое увеличение Г телескопической системы определяется отношением углов наклона лучей на выходе u₂ и на входе u₁, то есть Г=u₂/u₁. Линейное увеличение телескопической системы определяется отношением диаметра (апертуры) пучка на выходе D₂ к диаметру пучка на входе u₁, то есть =D₂/D₁. Учитывая, что =1/Г, получим:

.

Из этого следует, что при расширении с помощью телескопической системы лазерного пучка с расходимостью u₁ расходимость пучка u₂ на выходе телескопической системы будет уменьшаться. Для фокусирующего объектива пучок, выходящий из телескопической системы (с уменьшенной расходимостью), является входящим и может быть сфокусирован в пятно требуемого размера даже при достаточно большом фокусном расстоянии объектива.

Специфика светового пучка, излучаемого полупроводниковым лазером, заключается в его асимметрии. Так, если в сечении YОZ линейная апертура светового пучка равна длине излучающей площадки (эмиттера), , а его угловая апертура , то в сечении XОZ эти параметры имеют значения и . Для коллимации светового пучка с такой асимметрией используется цилиндрическая оптика.

Рис. 3. Схема фокусировки лазерного пучка

На рис. 3 показана схема фокусировки асимметричного светового пучка, где в сечении YОZ он коллимируется цилиндрической линзой 2 , которая отстоит от точки О эмиттера полупроводникового лазера 1 на фокусное расстояние ₂. Цилиндрическая линза 3 в этом сечении является плоскопараллельной стеклянной пластиной, которая не изменяет параметры пучка. Коллимированный световой пучок фокусируется объективом 4 в точку А , которая отстоит от главной плоскости объектива на фокусном расстоянии f`₄.

В сечении XОZ коллимация светового пучка осуществляется линзой 3 , а линза 2 здесь является плоскопараллельной стеклянной пластиной. Объектив 4 фокусирует коллимированный пучок в точку. Так как эмиттер имеет форму прямоугольника, сфокусированное пятно будет прямоугольной формы.

Поскольку размеры эмиттера малы, то безаберрационная оптика в данном случае даст пятно с дифракционно ограниченными размерами:

где _x и _y — диаметры пятна, измеряемые вдоль осей OX и OY соответственно; — длина волны излучения; — коэффициент, который зависит от формы апертуры светового пучка и от степени его усечения (для практических расчетов е следует принимать равным 2).

В лазерных выводных устройствах с записью изображения на внешней поверхности барабана часто используются оптиковолоконные световоды. Оптическое излучение, которое вводится в торец волоконного световода под углом , испытывает в дальнейшем многократное полное отражение, формируется и распространяется в сердцевине световода в виде электромагнитных (оптических) колебаний строго определенного вида — световодной (направляемой, каналируемой) моды.

Важным параметром световода является максимально допустимый угол:

.

Лишь при углах гарантируется полное внутреннее отражение оптического излучения в волоконном световоде. Если оптическое излучение поступает в световод из воздушной среды, то коэффициент преломления n₀ =1; в этом случае

,

где относительная разность коэффициентов преломления .

Распространение получили многомодовые волоконные световоды с резким (ступенчатым) и плавным (градиентным) распределением коэффициента преломления n. Оптические волокна в таких световодах имеют достаточно большой диаметр сердцевины (50-100 мкм) и значительную (~1%) относительную разность коэффициентов преломления, что дает возможность вводить оптическое излучение в широком диапазоне и упрощает согласование световода с источником излучения.

В многомодовом ступенчатом оптическом волокне (рис. 4 а ) коэффициент преломления n на границе сердцевины и оболочки резко изменяется от n₁ до n₂. В такой структуре световая волна полностью отражается на четко выраженной границе слоев, а распространение волны происходит по ломаным траекториям. При этом в световод под разными углами поступает и распространяется множество (десятки и даже сотни) различных световых волн — мод. На рис. 4а показано распространение в ступенчатом многомодовом световоде трех световых волн различного порядка.

Рис. 4. Многомодовые ступенчатое (а) и градиентное (б) волокна; одномодовый световод (в)

В градиентном оптическом волокне (рис. 4 б ) коэффициент преломления n плавно уменьшается от максимального значения n₁ в центре сердцевины к границе с оболочкой (по квадратичному закону). В такой структуре оптические лучи, поступающие в световод под различными углами , отражаются на различных расстояниях от горизонтальной оси световода. При этом лучи, распространяющиеся вблизи оси, проходят за один цикл (период колебаний) меньший путь по сравнению с лучами, достигающими границы с оболочкой. Важно, однако, учитывать, что скорость света в среде обратно пропорциональна коэффициенту преломления этой среды, поэтому лучи, проходящие в градиентном волокне различные пути, распространяются вдоль оси волокна с примерно одинаковой скоростью. Таким образом, оптические лучи самофокусируются в единый световой поток, причем распространение света идет по плавным траекториям. Световоды с градиентными волокнами называют также селфоками (от англ. self — сам и focus — фокус).

Диаметр сердцевины одного оптического волокна не превышает 5-100 мкм, а относительная разность коэффициентов преломления составляет 0,2-0,3%. В таких оптических волокнах распространяется только одна мода (рис. 4 в ).

В многомодовом световоде оптические волны различного порядка проходят неодинаковые пути за разное время. Поэтому в таком световоде четко проявляется дисперсия (рассеяние) излучения, которая, в частности, приводит к существенному увеличению длительности (расширению) оптического сигнала на выходе световода.

Этот эффект наглядно иллюстрируется в левой части рис. 4, где представлены импульсы света мощностью Р на входе (в момент t₁) и выходе (в момент t₂) световода. Наиболее значительной оказывается дисперсия в многомодовых ступенчатых световодах (см. рис. 4 а ). В многомодовых градиентных световодах дисперсия (см. рис. 4 б ) относительно невелика, а в одномодовых световодах она вообще отсутствует (см. рис. 4 в ).

Для оптического согласования полупроводниковых лазеров и волоконных световодов используются линзы цилиндрические, сферические и стержневые (градиентные).

По типу механизма транспортирования материала лазерные выводные устройства можно разделить на устройства с плоскостной (непрерывной или дискретной) протяжкой материала; с протяжкой по внутренней поверхности барабана с фиксацией материала в процессе экспонирования; с протяжкой материала по внешней поверхности барабана и вращения его при экспонировании. Тип механизма транспортирования экспонируемых материалов (фотографических или формных) в сочетании с форматными возможностями выводных устройств и форматами материалов определяет норму их расхода.

Привод протяжки пленки в фотовыводных устройствах ролевого типа, в которых используются приводные барабаны или лентопротяжные валики, должен обеспечивать пошаговое продвижение пленки по отношению к оптической системе. Каждому пробегу лазерного луча поперек пленки соответствует ее сдвиг на один шаг вдоль. Величина шага зависит от разрешения и составляет 0,005-0,02 мм. Проскальзывание между пленкой и приводными валами влечет за собой искажение изображения и несовпадение между двумя экземплярами одной и той же работы, проявляющееся как отклонение размеров в направлении движения пленки. Для уменьшения этих искажений поверхность приводных валов системы стабилизации натяжения фотоматериала имеет покрытие из специальных фрикционных материалов.

Главным требованием к механизму перемещения пленки является стабильность ее перемещения в зоне экспонирования. Различают стабильность средней скорости движения и стабильность мгновенной скорости по отношению к средней.

Под средней скоростью перемещения пленки принято понимать значение скорости, рассчитанное как фактическое перемещение пленки за минуту (или сравнимый с минутой) интервал времени. Под нестабильностью средней скорости перемещения пленки понимают среднее значение отклонения средних скоростей перемещения от номинальной скорости движения пленки, наблюдаемое, как правило, в пределах одного рулона пленки. Из-за изменения в процессе записи средней скорости движения пленки, проскальзывания пленки или ее растяжения ухудшается качество выводимых фотоформ.

Под мгновенной скоростью понимается скорость движения пленки в конкретный момент времени, то есть производная от перемещения пленки по времени. Под нестабильностью мгновенной скорости понимают среднее значение отклонения мгновенной скорости от средней, действующей в данный момент времени, наблюдаемое, как правило, в течение минуты или периода, за который производится измерение средней скорости.

Нестабильность мгновенной скорости перемещения пленки возникает из-за локальных отклонений размеров и формы элементов механизма перемещения от идеальных. Типичные примеры — эксцентриситет, или некруглость, ведущих валиков, изменение толщины пленки. Из-за эксцентриситета тянущих валиков изменяется скорость перемещения фотоматериала, а это, в свою очередь, приводит к изменению расстояния между растровыми строками и, следовательно, к изменению оптической плотности изображения. На участке, где скорость увеличивается (что соответствует максимальному радиусу эксцентрика), расстояние между растровыми строками увеличивается. Вследствие этого происходят растягивание изображения и уменьшение оптической плотности. На участке, где скорость уменьшается (что соответствует минимальному радиусу эксцентрика), расстояние между растровыми строками уменьшается, и это ведет к сжатию изображения и увеличению оптической плотности на данном участке.

Максимальное несовмещение элементов полосы S max на двух цветоделенных пленках примерно равно разности длин полуокружностей с минимальным и максимальным радиусом эксцентриситета: .

После преобразований получим: ,

где r — эксцентриситет ведущего вала; r₀ — радиус ведущего вала.

На рис. 5 приведена схема транспортирования фотоматериала с лентопротяжными валиками. Для стабильности скорости движения фотоматериала в процессе записи используются тяжелый приводной (главный) вал со специальным антифрикционным покрытием и два петлеобразных буфера, обеспечивающих независимость натяжения фотоматериала в зоне экспонирования от величины остатка пленки в подающей кассете и скорости работы проявочной машины.

Рис. 5. Схема механизма транспортирования фотопленки с лентопротяжными валиками

Формовыводные устройства с записью формных пластин, расположенных в плоскости, практически не деформируют пластины во время загрузки и экспонирования, что позволяет работать с пластинами разного формата и толщины с одинаково высокой точностью. Система позиционирования обеспечивает автоматическое выравнивание края пластины и ее вакуумную фиксацию на подвижном столе, что исключает самопроизвольное смещение пластины во время экспонирования. Формовыводные устройства плоскостного типа агрегатируются с устройствами автоматической подачи формных пластин из одной или нескольких кассет и процессорами для их обработки после экспонирования.

Современные устройства подачи пластин (рис. 6) обычно оснащаются механизмом автоматического удаления прокладочной бумаги перед подачей пластин в зону экспонирования.

Рис. 6. 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.).

Фотовыводные устройства, работающие по принципу внутреннего барабана, являются сегодня наиболее популярными. Устройства работают следующим образом. Пленка из подающей кассеты поступает на внутреннюю поверхность полого полубарабана, где пленка фиксируется при помощи вакуумной системы, создающей разрежение на барабане под пленкой, или системы механических прижимных валов. Вакуумная система фиксации фотоматериала в плане обеспечения качества позиционирования предпочтительнее механической. Такая система обеспечивает очень плотное прилегание фотоматериала по всей поверхности внутреннего барабана, хотя и обладает большей вероятностью отказа, чем механическая. После размещения и фиксации фотоматериала на внутреннем барабане лазер и оптическая система, расположенные на каретке точно на оси барабана, перемещаются вдоль этой оси, а модулированный лазерный луч отклоняется поперек направления движения при помощи вращающейся призмы. После экспонирования фиксация пленки снимается и материал протягивается, поступая в приемную кассету.

Привод вращения сканирующей призмы осуществляется электродвигателем, который также расположен на каретке. В большинстве последних моделей выводных устройств этого типа привод призмы реализован с применением воздушных подшипников.

Передвижение источника света вдоль оси барабана может происходить различными способами. Например, каретка с лазерным источником может перемещаться вдоль специальных направляющих на магнитной подвеске или механическим червячным приводом.

Важным обстоятельством, которое следует учитывать при записи изображения, является то, что расстояние от сканирующей призмы до экспонируемого материала всегда постоянно, так как луч находится в центре цилиндра и попадает на пленку под углом 90°, а следовательно, геометрия пятна всегда представляет собой идеальнцю окружность.

Одна из проблем устройств с внутренним барабаном — высокие требования к точности его изготовления, которая должна быть обеспечена в пределах 2 мкм, и к точности соосности барабана с оптической осью, вдоль которой перемещается каретка с лазером.

При работе выводных устройств этого типа необходимо также обеспечить отсутствие световых бликов, то есть устранить возможность отражения от поверхности барабана луча, приводящего к засветке материала. Ограничение с этой целью угла разворота барабана уменьшает максимальный формат экспонирования.

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 кассет с формными пластинами или 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. Так, система транспортирования, представленная на рис. 7, осуществляет передачу пластин из кассеты с вертикальным их размещением в секцию экспонирования. В секции экспонирования пластина при наличии вакуума располагается на внутренней поверхности барабана. После пробивки штифтовых отверстий и экспонирования пластина вновь принимает вертикальное положение и передается в секцию вывода. Там пластина из вертикального положения переводится в горизонтальное и выходит на приемное устройство или в подсоединенный к нему процессор.

Рис. 7. Схема транспортирования формных пластин

В фотовыводных и формовыводных устройствах с внешним барабаном материал закрепляется на поверхности барабана светочувствительным или термочувствительным слоем наружу. В процессе записи барабан вращается, а материал экспонируется лазерным лучом, направленным по нормали к поверхности барабана и перемещающимся параллельно его оси.

В современных устройствах с внешним барабаном практикуется многолучевая запись изображения, когда одновременно экспонируется несколько расположенных рядом точечно-растровых строк. При этом в качестве источника света может быть использован один лазер, луч которого специальной оптической системой либо акустооптическим модулятором расщепляется на несколько лучей или несколько лазерных диодов, лучи которых сведены в линейную матрицу. За счет многолучевой записи и большой частоты вращения барабана устройства этого типа имеют высокую производительность.

Фотовыводные устройства с внешним барабаном экспонируют лист фотопленки, длина которого в точности равна длине окружности барабана. Это исключает возможность последовательного вывода изображений небольшого формата, что снижает гибкость использования такого устройства. Кроме того, пленка на барабане фиксируется вакуумной системой. С учетом большой частоты вращения барабана такая система является узлом повышенного риска отказов. К тому же фиксация пленки на внешнем барабане — процесс довольно длительный: пленку нужно отмотать из кассеты (или подать лист из кассеты, если устройство листовое), обрезать ее по требуемой длине, пропустить ее вокруг барабана, и обжать, включить вакуумный прижим и зафиксировать пленку, привести барабан в исходную позицию. Лишь после этого можно начинать экспонирование. Снятие пленки с барабана также требует определенного времени. Все это приводит к тому, что при чрезвычайно высокой скорости собственно экспонирования фотовыводные устройства с внешним барабаном по производительности несколько уступают устройствам с внутренним барабаном.

Фотовыводные устройства с внешним барабаном могут использовать и рулонный фотоматериал, для чего они оснащаются одной или несколькими подающими и приемной кассетами. На рис. 8 представлена схема транспортирования фотопленки в выводном устройстве.

Рис. 8. Схема механизма транспортирования рулонного фотоматериала

Фотоматериал поступает из подающих кассет 2 и 3 с помощью проводящей системы 4 и закрепляется на внешней стороне цилиндра 5 либо механически, либо при помощи вакуума. Запись производится лазерным источником излучения 1 . В экономическом плане на подобных ФНА целесообразнее экспонировать полный формат, нежели отдельные полосы. После записи фотоматериал снимается с цилиндра механизмом 6 и в зависимости от используемого процесса попадает в приемную кассету 8 или, благодаря системе разделения 7 , направляется в проявочную машину. Применение подобных транспортирующих механизмов повышает производительность фотовыводного устройства.

Формные пластины крепятся на внешней поверхности барабана с помощью механического, магнитного или вакуумного прижима либо их комбинаций. Некоторые формовыводные устройства оснащены системой автоматической установки формных пластин на внешнюю поверхность барабана и снятия их после экспонирования, а также системой пробивки штифтовых отверстий.

При кажущейся простоте внешнего барабана он представляет собой довольно сложную и дорогостоящую систему:

• чтобы разметить лист фотопленки или пластины, например, формата А2 (420 x 588 мм), диаметр барабана должен быть не менее 135 мм (на самом деле его диаметр больше). Кроме того, требуется подвести вакуумную систему и обеспечить ее работу во время вращения барабана;

• чтобы обеспечить требуемую скорость записи, необходимо вращение барабана с достаточно большой частотой. Раскрутить тяжелый барабан и удерживать стабильную высокую частоту отнюдь непросто — нужен мощный двигатель, повышаются требования к подшипникам и распределению массы барабана во избежание его биения;

• при вращении барабана пленка или пластина стремятся сорваться с поверхности барабана, вследствие чего необходима надежная система фиксации, чтобы прочно удерживать ее на месте.

При использовании многолучевой записи в выводных устройствах с внешним барабаном удается снизить частоту его вращения и избежать вышеперечисленных проблем, однако усложняется управление пучком лазерных лучей. Это связано с трудностью обеспечения одинаковой интенсивности всех лучей, что приводит к некоторой неоднородности получаемого изображения. Достоинство выводных устройств с внешним барабаном заключается в том, что источник света находится очень близко к экспонируемому материалу и луч всегда попадет на него под углом 90°. Естественно, что геометрия записываемой точки и ее «жесткость» при этом практически идеальные.

КомпьюАрт 7'2004