Московский государственный университет печати

Сидоров А.С.


         

Электронные устройства полиграфического оборудования: Ч. 2. Лазеры в полиграфии

Учебное пособие


Сидоров А.С.
Электронные устройства полиграфического оборудования: Ч. 2. Лазеры в полиграфии
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Введение

1.

Лазерное излучение

1.1.

Физические принципы

1.2.

Возбуждение, автоматическая фокусировка, частотный спектр лазерных колебаний

1.3.

Энергетические характеристики, режимы действия лазеров

2.

Лазеры

2.1.

Сведения общего характера

2.2.

Твердотельные лазеры

2.3.

Газовые лазеры

2.4.

Полупроводниковые лазеры

3.

Преобразователи лазерного излучения

3.1.

Базовые физические эффекты

3.2.

Поляризационные призмы и пластины

3.3.

Электрооптические модуляторы и дефлекторы

3.4.

Акустооптические преобразователи

4.

Оптико-электронное оснащение лазеров

4.1.

Принципы и схемы оптического сканирования

4.2.

Способы и средства лазерного сканирования

4.3.

Оптические преобразователи лазерного излучения

4.4.

Оптическое соединение полупроводниковых лазеров и волоконных световодов

4.5.

Схемотехника управления полупроводниковыми лазерами

5.

Лазеры в устройствах получения, преобразования и передачи информации

5.1.

Сканеры, читающие автоматы

5.2.

Голография

5.3.

Измерительная техника

5.4.

Волоконно-оптические линии связи

6.

Лазерная техника отображения и записи информации

6.1.

Фотонаборные машины и автоматы

6.2.

Принтеры, электрофотографические аппараты

6.3.

Системы компьютер - печатная форма

6.4.

Оптические запоминающие устройства и среды

Библиографический список

Указатели
37  именной указатель
349  предметный указатель
534  указатель иллюстраций

6.
Лазерная техника отображения и записи информации

Скрытое изображение текста и иллюстраций на фотоматериале. Вещественные (аналоговые) и дискретно сформированные (цифровые) носители изобразительной информации. Формирование растрированных изображений. Лазерные фотонаборные машины и автоматы: принципы и схемы построения, сканирующие устройства, оптические головки.

Электрофотография. Основные стадии электрофотографического процесса. Лазерные принтеры.

Технология компьютер - печатная форма. Прямая лазерная запись изображений. Термопластины. Системы лазерного экспонирования. Лазерные печатные автоматы.

Запись и считывание информации на видеодисках. Многослойные тонкопленочные структуры для лазерной записи информации. Оптические запоминающие устройства и среды.

6.1.
Фотонаборные машины и автоматы

6.1. Указать и пояснить законы фотохимии, непосредственно определяющие процессы формирования скрытого изображения на фотоматериале.

В рамках фотохимии рассматриваются химические реакции, происходящие под действием света ссылка на источники литературы. Существенное значение в этом направлении имеет Закон Гротгусазакон ГротгусГротгуса (первый закон фотохимии): химическую реакцию в веществе может вызвать только поглощенная часть падающего на него света. Другими словами, только лучи, поглощенные веществом, вызывают в нем химические превращения.

Закон Бунзена - РосноЗакон БунзенБунзена - РосноРосно (второй закон фотохимии) формулируется как закон взаимозаместимости: количество продукта фотохимической реакции определяется общим количеством энергии излучения, падающего на фотохимическую систему, т.е. произведением мощности (интенсивности) Ф излучения на время действия (выдержку) t, вне зависимости от соотношения Ф и t. Этот закон подчеркивает взаимное влияние на фотохимический эффект интенсивности света (освещенности, поверхностной плотности потока излучения) Е и времени t действия света через обобщенный параметр (экспозицию, количество освещения) Н = Et. При этом фотохимический эффект не изменяется для различных значений Ei, ti, если сохраняется неизменным произведение Н = Eiti (например, E1t1 = E2t2 = ... = Entn).

Согласно закону Эйнштейна молекула вещества при поглощении кванта света переходит из основного в возбужденное состояние, в котором она и вступает в химическую реакцию. Таким образом, в фотохимическом превращении каждый поглощенный веществом фотон готовит к реакции (возбуждает) одну молекулу этого вещества.

6.2. Представить базовые сведения о фотоматериалах, используемых для регистрации и получения черно-белых изображений.

ФотоматериалФотографические материалыссылка на источники литературы чувствительны к свету и по-разному реагируют на оптическое излучение различной интенсивности и длительности. Такие материалы состоят из ряда тонких слоев, последовательно нанесенных на подложку (стеклянную пластину, полимерную пленку, бумагу). Базовым является эмульсионный слой, в котором распределены микрокристаллы (зерна) светочувствительного вещества (галогенида серебра). Предохранение эмульсионного слоя от механических повреждений, скрепление с подложкой, нейтрализацию самопроизвольного скручивания, статического электричества, ореолов отражения обеспечивают защитный, противозарядный, противоореольный слои, специальные подслои и противослои.

Фотографической эмульсией служит взвесь микрокристаллов галогенида серебра в водном растворе желатины. Микрокристаллы в негативных эмульсиях состоят из бромида серебра (AgBr), как правило, с примесью йодида серебра (AgI). В позитивных эмульсиях могут содержаться бромид, бромид-йодид, бромид-хлорид (AgCl) и хлорид серебра. Толщины эмульсионных слоев обычных фотопленок и фотобумаг относительно невелики (5-25 мкм).

6.3. Рассмотреть строение и свойства эмульсионных микрокристаллов ссылка на источники литературы, формирующих скрытое (латентное) изображение.

Кристаллическая решетка галогенида (например, бромида) серебра, показанная на рис. 6.1Рис. 6.01. Кристаллическая (кубическая) решетка галогенида серебра, является кубической решеткой ионного типа. В такой кристаллической структуре каждый атом брома притягивает один электрон атома серебра и становится отрицательно заряженным ионом (анионом), а возникающий таким образом положительно заряженный ион (катион) серебра взаимодействует (путем электростатического притяжения) с ионами брома. В кубической решетке (рис. 6.1Рис. 6.01. Кристаллическая (кубическая) решетка галогенида серебра) каждый ион серебра (показанный зачерненным кружком) окружен шестью ионами брома Br-, а каждый ион брома (представленный светлыми кружками) - шестью ионами серебра Ag+.

Структура реальных кристаллов не является строго периодической и имеет нарушения (дефекты). В эмульсионных микрокристаллах дефекты возникают в процессе изготовления фотоэмульсий, что связано с трещинами, сдвигами, микровкраплениями металлического серебра и сульфида (сернистого) серебра. Дефекты решетки являются потенциальными ямами или ловушками и способны удерживать попавшую в них частицу. В фотоматериалах дефекты структуры способны накапливать атомы серебра, освободившиеся под действием света, и создавать центры скрытого (латентного) изображения.

6.4. Рассмотреть механизм образования черно-белого изображения на фотоматериале ссылка на источники литературы.

Под действием света на кристалл галогенида (например, бромида) серебра энергия hn каждого фотона освобождает один электрон е, отрывая его от иона брома:

Атом брома выходит на поверхность микрокристалла, поглощается желатиной фотоэмульсии и теряет химическую активность.

Электрон, освобожденный квантом света, продвигается в объеме кристаллической решетки до встречи с центром светочувствительности. Захватив такой электрон, центр получает отрицательный заряд, притягивает положительно заряженный ион серебра, нейтрализует его и превращает в атом серебра:

Таким образом, весь фотохимический процесс протекает согласно химической реакции

При освещении (экспонировании) фоточувствительного слоя в центре светочувствительности группируется значительное число атомов серебра, которые в совокупности создают участок скрытого изображения на поверхности и внутри эмульсионного микрокристалла.

Далее Фотоматериалфотоматериал подвергают химической обработке: проявлению и фиксированию. В результате металлическое серебро восстанавливается, ранее освещенный светочувствительный слой чернеет, формируя видимое черно-белое изображение, а остатки неразложившихся галоидных солей удаляются.

6.5. Выделить параметр и характеристики, позволяющие количественно оценить степень почернения освещенного фотоматериала ссылка на источники литературы.

Основным параметром служит оптическая плотность

здесь τ - коэффициент пропускания; Ф - падающий поток света; Φτ - поток света, проходящего через исследуемое место почернения фотоматериала.

Воздействие света на Фотоматериалфотоматериал (экспонирование) характеризуется количеством освещения (экспозицией)

которое зависит от импульса освещенности E(t) и времени его действия t (в пределах экспонирования t1 и t2). Если освещенность Е неизменна, то Н = Еt.

Характеристическая кривая D = φ(lgH), представленная на рис. 6.2Рис. 6.02. Характеристическая кривая фотоматериала, показывает (в полулогарифмическом масштабе) зависимость оптической плотности светочувствительного слоя конкретного фотоматериала от экспозиции. Участок кривой до точки а называется зоной вуали; в этой области при проявлении наблюдается почернение фотослоя, ранее не подвергавшегося воздействию света. В зоне вуали оптическая плотность D0 минимальна. Точка а является порогом почернения, а соответствующее количество освещения - пороговым.

Характеристическая кривая имеет четко выраженные нижний (аб) и верхний (вг) криволинейные участки, причем в точке г оптическая плотность достигает максимального значения Dmax. Крутой прямолинейный участок (бв) характеристической кривой D = φ(lgH) несложно описать аналитически:

здесь γ - коэффициент контрастности, характеризующий оптические свойства конкретного фотоматериала; Hi - экспозиция, полученная пересечением линейного участка кривой с осью абсцисс (в так называемой точке инерции).

6.6. Указать принципиальные различия вещественных и цифровых шрифтоносителей, применяемых в фотонаборных машинах и автоматах ссылка на источники литературы.

В фотонаборной технике на фотоматериале должны формироваться скрытые изображения весьма разнообразных текстов и иллюстраций с тонкой и нестандартной структурой (представляющих в совокупности мощный, во многом уникальный поток текстовой и изобразительной информации). Однако реальные функциональные и технические возможности фотонаборных машин и автоматов заметно различаются и существенно зависят от вида шрифтоносителя. Доминируют два подхода с использованием вещественных (естественных, аналоговых) и искусственных (формализованных, дискретно сформированных, цифровых) шрифтоносителей (в достаточно широкой и обобщенной трактовке этого понятия).

В Фотонаборные системыфотонаборных автоматах с вещественными шрифтоносителями ссылка на источники литературы используются фотопленки и диапозитивы, содержащие строки текста, заголовки, колонцифры, таблицы, математические и химические формулы, служебную информацию. Каждый шрифтоноситель предназначен для набора текста шрифтом определенной гарнитуры. Активно применяются групповые шрифтоносители, изображающие (несущие) комплекты знаков. В процессе фотонабора знаки вещественного шрифтоносителя оптически проецируются на светочувствительный материал.

В Фотонаборные системыфотонаборных системах с цифровыми шрифтоносителями ссылка на источники литературы скрытое фотографическое изображение текста и растрированных изображений постепенно формируется из отдельных элементов (точек и черно-белых отрезков). Для этого световой луч, сфокусированный на плоскости фотоматериала в пятно весьма небольшого размера, сканируется по всей площади регистрирующего (записывающего) фотоматериала. Световое пятно, интенсивность которого модулируется (управляется) по принципу «да - нет», последовательно перемещается по вертикальным (или горизонтальным) линиям с определенным шагом, засвечивая фотоматериал. В результате формируется полное изображение шрифтовых знаков, штриховых и растрированных полутоновых иллюстраций, других графических материалов.

Использование цифровых шрифтоносителей существенно расширяет функциональные и технические возможности фотонаборных машин и автоматов. Цифровой способ представления графического изображения позволяет длительно хранить в запоминающих устройствах большого объема и четко записывать на фотоматериал (без принципиальных ограничений) разнообразную текстовую и изобразительную информацию.

6.7. Рассмотреть методы формирования растрированных изображений шрифтовых знаков.

Активно используются три метода ссылка на источники литературы. В рамках первого метода шрифтовые знаки формируются из горизонтальных точечно-растровых строк однолучевым сканированием фотоматериала (рис. 6.3, аРис. 6.03. Формирование растрированных изображений шрифтовых знаков). Второй метод позволяет сформировать изображения шрифтовых знаков из пакета горизонтальных точечно-растровых строк многолучевым сканированием материала.

При использовании третьего метода шрифтовые знаки формируются с помощью микрорастра. При этом каждый знак записывается вертикальными точечно-растровыми линиями (рис. 6.3, бРис. 6.03. Формирование растрированных изображений шрифтовых знаков).

6.8. Определить условия, пояснить возможности эффективного применения лазеров в фотонаборной технике.

Лазер в процессе формирования скрытого изображения на фотоматериале служит быстродействующим источником управляемого оптического излучения, создающего интенсивное пятно света небольших размеров. Короткие длины волн и малая расходимость монохроматического лазерного излучения позволяют сформировать весьма компактное (5-30 мкм) пятно света. Согласно ссылка на источники литературы в фотонаборных автоматах успешно применяются газовые (аргоновые с длиной волны λ = 499 нм и гелий-неоновые с λ = 633 нм) лазеры и лазерные диоды видимого красного (λ = 670-680 нм) и инфракрасного (λ =780 нм) диапазонов.

Управление лазерным излучениемВысокоскоростное управление лазерным излучением обеспечивают акустооптические (до 10 МГц) и электрооптические (до 100 МГц) модуляторы. Переключение лазерных диодов с нано- и субнаносекундным быстродействием обеспечивают малоинерционные транзисторы и цифровые электронные микросхемы.

Важно также учитывать ссылка на источники литературы, что частота вращения зеркальных Дефлектордефлекторов в современных фотонаборных автоматах достигает 40000 об/мин. При этом за один оборот дефлектора записывается одна или несколько (по числу отражающих граней) точечно-растровых строк изображения.

6.9. Рассмотреть и количественно определить разрешение лазерных фотонаборных автоматов ссылка на источники литературы.

Разрешение (или разрешающая способность) оценивается количеством точек, которое лазер воспроизводит на единицу длины (сантиметр или дюйм) фотоматериала. Запись лазерным лучом в фотонаборном автомате жестко связана с системами синхронизации и развертки, поэтому конкретная разрешающая способность фиксирована и при изменении системных (аппаратных) условий изменяется скачкообразно.

Приняты и широко используются определенные (дискретные) значения разрешающей способности (числа N1 точек на сантиметр, N1/см, или числа N2 точек на дюйм, N2/дм = 2,54 N1/см). Стандартизованы и технически обеспечены величины N1/N2 = 500/1270; 667/693; 800/2032; 1000/2540; 1333/3387; 1600/4064; 2000/5080. Используются также значения N1/N2 = 480/1219; 540/1372; 945/2400; 960/2438.

6.10. Используя структурную схему (рис. 6.4Рис. 6.04. Лазерная фотонаборная машина (структурная схема)) лазерной фотонаборной машины ссылка на источники литературы, пояснить функциональный состав лазерного сканирующего устройства.

Лазерная фотонаборная машинаЛазерная фотонаборная машина содержит в первом (укрупненном) приближении два устройства: электронное управляющее и лазерное сканирующее. Управляющее устройство осуществляет ввод и обработку текстовой и изобразительной информации. Цифровая информация об изображении сверстанной полосы издания или ее фрагмента передается в растрированной форме.

Лазерный сканерЛазерное сканирующее устройство (в достаточно общем виде) содержит лазер с блоком питания, модулятор лазерного излучения, телескоп, дефлектор, фокусирующий объектив, кассету с механизмом привода, системы синхронизации процессов сканирования и коррекции пространственного положения лазерного луча, электронный блок управления. В состав такого устройства могут входить светофильтры, зеркала, призмы, бленды, другие оптические элементы.

На вход лазерного сканирующего устройства подается цифровая информация о сверстанной полосе или отдельном ее фрагменте (например, иллюстрации). На выходе в результате сканирования получают изображение полосы (или ее фрагмента), зарегистрированное на фотоматериале или печатной форме.

6.11. Рассмотреть схему (рис. 6.5Рис. 6.05. Лазерное сканирующее устройство фотонаборной машины «Лазеркомп Мк2и»), пояснить принцип действия Лазерное сканирующее устройство фотонаборная машина «Лазеркомп Мк2и»лазерного сканирующего устройства фотонаборной машины «Лазеркомп Мк2и» ссылка на источники литературы.

Устройство (рис. 6.5Рис. 6.05. Лазерное сканирующее устройство фотонаборной машины «Лазеркомп Мк2и») содержит гелий-неоновый лазер 1, генерирующий луч диаметром 0,8 мкм, акустооптический модулятор 2, светочувствительные фильтры 3, зеркально-линзовый телескоп 4, увеличивающий диаметр лазерного луча до 40 мкм. Дальнейшее оптическое преобразование лазерного пучка осуществляется призмой 5, поворачивающей оптический луч, объективом 6, корректирующим положение оптического луча в лазерной системе, поворотным зеркалом 7. Базовую роль в процессе сканирования лазерного луча играет пятигранный пирамидальный дефлектор 8, вращающийся с частотой 300 об/мин. Согласно ссылка на источники литературы зеркальные грани дефлектора наклонены к его оси под углом 45° с точностью до 10" . Объектив 9 после дефлектора фокусирует (в пятно диаметром 25 мкм) лазерный луч на фотоматериале 10. Время записи изображения полноформатной газетной полосы с линиатурой 394 лин/см составляет 1,5-2 мин.

6.12. Пояснить схему (рис. 6.6Рис. 6.06. Лазерное сканирующее устройство фотонаборной машины «Дигисет ЛС 210») и принцип действия лазерного сканирующего устройства фотонаборной машины «Дигисет ЛС 210»Лазерное сканирующее устройство фотонаборная машина «Дигисет ЛС 210» ссылка на источники литературы.

В устройстве гелий-неоновый лазер 1 генерирует оптический пучок, проходящий через электрооптический модулятор 2 и две телескопические системы 3 и 4, уменьшающие расходимость лазерного луча. Зеркало 5 изменяет направление лазерного луча и ориентирует его на зеркальную грань вращающегося (развертывающего) призменного дефлектора 6. Далее оптическим путем лазерного луча управляют объектив 7 и зеркало 8. Фотоматериал, подаваемый из кассеты 9, размещен на подвижной плите 10. Начало и окончание процесса записи контролируют фотоэлектрические датчики 11 и 12. По завершении записи полосы фотоматериал сматывается в приемную кассету 13 и отрезается.

6.13. Указать составные части, пояснить принцип действия оптической схемы Лазерная фотонаборная машина типа ФЛПлазерной фотонаборной машины типа ФЛП, предназначенной для вывода сверстанных полос на фотоматериал.

Рассматриваемое устройство ссылка на источники литературы записывает точечно-растровые строки на фотоматериале и состоит из лазера, формирующей системы, дефлектора и фокусирующего объектива. По сигналам управления лазерный пучок модулируется акустооптическим устройством, а развертка изображения точечно-растровой строки осуществляется вращающимся зеркальным дефлектором. Оптическая схема ФЛП представлена на рис. 6.7Рис. 6.07. Оптическая схема лазерной фотонаборной машины ФЛП.

Источником когерентного оптического излучения с длиной волны 442 нм служит гелий-кадмиевый лазер 1. На пути лазерного луча действуют нейтральные светофильтры 2, отражающие зеркала 3, 12, 13 и полупрозрачное зеркало 8, телескопические системы 4, 5 и 7, 10, акустооптический модулятор 6, фокусирующий объектив 11, трехгранное зеркало 14, собирающее лазерный луч на плоскости фотоматериала 17, пятигранный вращающийся дефлектор 15. Держатель (турель) светофильтров 2 содержит диск с девятью нейтральными светофильтрами различной оптической плотности, что позволяет изменять освещенность в плоскости фотоматериала 17. Фотоэлемент 9 оценивает и регулирует мощность лазерного излучения. Фотоэлектрический датчик 16 преобразует угловые перемещения дефлектора 15 в электрические сигналы, оценивающие размеры таких перемещений. Начало и конец точечно-растровой строки на фотоматериале контролируют зеркало 18 и фотоприемник 19.

Детально конструкция и принцип действия оптического устройства ФЛП рассматриваются в учебнике ссылка на источники литературы. Там же представлено оптико-механическое устройство лазерной фотонаборной машины ФЛП 300, которая по сравнению с рассмотренной схемой (рис. 6.7Рис. 6.07. Оптическая схема лазерной фотонаборной машины ФЛП) имеет лишь некоторые конструктивные отличия. К тому же в устройстве ФЛП 300 источником когерентного оптического излучения служит аргоновый лазер.

6.14. Рассмотреть схему Лазерное сканирующее устройство автомата Linotronic 300лазерного сканирующего устройства автомата Linotronic 300.

Такой автомат входит в серию Фотонаборные системы капстанового типафотонаборных систем капстанового типа, разработанных фирмой Linotype-Hell. В устройствах капстанового (от англ. capstan - вал) или ролевого типа Фотоматериалфотоматериал располагается в плоскости и перемещается, осуществляя развертку по вертикали; при этом горизонтальная развертка изображения обеспечивается вращающимся многогранным зеркальным дефлектором.

Лазерное сканирующее устройство автомата Linotronic 300 строится по схеме, представленной на рис. 6.8Рис. 6.08. Лазерное сканирующее устройство автомата Linotronic 300 ссылка на источники литературы. Источником оптического излучения (с длиной волны 633 нм) служит гелий-неоновый лазер 1. Детали и условия дальнейшего управления лазерным излучением характерны для фотонаборных автоматов капстанового типа: собирающая линза 3, акустооптический модулятор 4, сферическое 5 и плоское 6 зеркала, телескопическая система 8, линзы 9 и 14, призма 10, призменный дефлектор 17, который вращается электродвигателем 18. Дополнительно введены механический затвор 2, поляризатор 7, комбинация светофильтров на турели 11, перископическая призма 15, объектив 16. Изображение записывается на фотоматериале 12. Начало сканирования фиксируется фотоприемником 13.

Схема транспортирования фотоматериала в автомате Linotronic 300 детально рассматривается в учебном пособии ссылка на источники литературы.

6.15. Рассмотреть схему, пояснить принцип действия Фотонаборные автоматы Linotronic 830 и 930сканирующего устройства фотонаборных автоматов Linotronic 830 и 930.

Такие автоматы, разработанные фирмой Linotype-Hell, строятся как системы с внешним барабаном ссылка на источники литературы. Схема сканирующего устройства рассматриваемых автоматов (рис. 6.9Рис. 6.09. Лазерное сканирующее устройство фотонаборных автоматов 830 и 930) содержит растровый процессор 1, буферное запоминающее устройство 2, лазер 4, систему полупрозрачных зеркал 5, акустооптические модуляторы 6 с блоком электронного управления 3, пучок волоконных световодов 7, записывающую фотоголовку (объектив) 8, фотопленку 9, закрепленную (вакуумным способом) на вращающемся барабане.

Используется аргон-ионный лазер 4, выходной луч которого расщепляется зеркалами 5 на восемь лучей одинаковой интенсивности. Мощность (яркость) каждого такого луча модулируется «своим» акустооптическим устройством. Растрированная цифровая информация об изображении формируется (на битовых картах) процессором 1, накапливается запоминающим устройством 2 и передается на блок 3, который управляет по электрическим каналам акустооптическими модуляторами 6.

Выходные лазерные лучи модуляторов 6 через волоконные световоды 7 поступают в фотоголовку 8, причем выходные торцы световодов сформированы (вытянуты) в линию, параллельную оси внешнего барабана. Восьмиканальный световод 7 через объектив 8 в каждом такте проецирует и записывает на фотопленку 9 восемь субэлементов (пикселов) растрированного изображения.

6.16. Рассмотреть техническую возможность, построить схему многоканального записывающего устройства фотонаборного автомата с одним частотно-модулированным акустооптическим дефлектором лазерного луча.

Принцип действия акустооптических дефлекторов рассматривался в заданиях 3.56-3.58. Частота f управляющего электрического напряжения и, как следствие, частота νs возбужденного ультразвука непосредственно влияют на угол отклонения оптического луча в акустооптической среде. Такой дефлектор применяется ссылка на источники литературы в сканирующем устройства фотонаборного автомата. Фрагмент схемы устройства приведен на рис. 6.10Рис. 6.10. Акустооптический дефлектор в сканирующем устройстве лазерного фотонаборного автомата.

Процессор 1 через промежуточный (согласующий) блок 2 фотонаборного (записывающего) устройства управляет высокочастотным генератором 3 электрического напряжения. Изменяется частота выходных колебаний такого генератора, причем генератор в зависимости от уровня управляющего напряжения (на выходе блока 2) формирует выходные сигналы с шестью различными частотами (в диапазоне 200-250 МГц). Лазерный луч 6, падающий на акустооптическую среду 5, в зависимости от частоты f отклоняется дифракционной решеткой 4 дефлектора 7 на различные углы α. Поэтому выходные (дифрагированные) лучи 8 далее распространяются по различным направлениям (вертикально отклоняются в разной степени). При фокусировке оптических лучей на фоточувствительный барабан удается получить шесть пишущих пучков лазерного излучения с использованием одного акустооптического дефлектора.

Необходимое строчное сканирование фотоматериала одновременно по шести параллельным каналам обеспечивается с использованием вращающегося многогранного зеркального дефлектора.

6.17. Указать технические особенности применения лазеров в Фотонаборные автоматы фирмы Heidelberg Prepressфотонаборных автоматах фирмы Heidelberg Prepress ссылка на источники литературы.

Эта фирма выпускает серию автоматов Herkules, автоматы Quasar, Signasetter и Drysetter. Общим для всех указанных автоматов является лазерное экспонирование фотоформы, неподвижно (вакуумным способом) закрепленной на внутренней поверхности полого незамкнутого цилиндра (по принципу «внутренний барабан»).

Этот принцип наглядно иллюстрируется схемой сканирующей системы фотонаборного автомата Herkules, представленной на рис. 6.11Рис. 6.11. Сканирующая система фотонаборного автомата Herkules. Лазерный луч 2 формируется оптической головкой 1, отклоняется зеркалом 3 и экспонирует фотоматериал 4. Зеркало 3 вращается приводом 5 и обеспечивает сканирование лазерным лучом фотоматериала 4 по внутреннему радиусу барабана. При этом оптическая головка 1 перемещается вдоль оси симметрии барабана, что позволяет экспонировать всю поверхность фотоматериала. Интенсивность лазерного луча 2 модулируется в соответствии с оптической плотностью фрагментов растрированного (записываемого) изображения.

В фотонаборных автоматах Herkules и Quasar источником света служит полупроводниковый лазер (лазерный диод) с длиной волны в диапазоне 670-680 нм. В автомате Signasetter использован гелий-неоновый лазер. Источником оптического излучения фотонаборного автомата Drysetter служит лазер, действующий в инфракрасном диапазоне.

Существенной особенностью автомата Drysetter является «сухой» процесс изготовления фотоформ. Обработка фоточувствительного материала осуществляется без химических реактивов. Сканирующая система автомата строится и действует по схеме (рис. 6.11Рис. 6.11. Сканирующая система фотонаборного автомата Herkules). При этом рулонный материал сложной (четырехслойной) структуры чувствителен к инфракрасному излучению, но не реагирует на дневной свет (т.е. успешно экспонируется без специального затемнения).

Детально принципы построения и действия лазерных фотонаборных автоматов фирмы Heidelberg Prepress представлены в учебном пособии ссылка на источники литературы.

6.18. Пояснить схему преобразования лазерного луча в оптической головке фотонаборного автомата Herkules.

Оптическая головка входит в состав сканирующей системы (рис. 6.11Рис. 6.11. Сканирующая система фотонаборного автомата Herkules) и строится по схеме ссылка на источники литературы, представленной на рис. 6.12Рис. 6.12. Оптическая головка в сканирующей системе автомата Herkules. Собственно оптическая головка 1 содержит семь элементов: полупроводниковый лазер (лазерный диод) 2, линзы 3 и 4, турели 5 и 6, затвор 7 и объектив 8. Цилиндрическая линза 3 уменьшает расходимость лазерного пучка. Фокусировку лазерного луча обеспечивает линза 4, которая может перемещаться вдоль оптической оси в пределах 9 мм. Турель 5 с шестью поглощающими светофильтрами позволяет регулировать мощность проходящего лазерного излучения. Турель 6 с шестью апертурными диафрагмами дает возможность изменять диаметр лазерного пучка.

Лазерный луч, сформированный оптической головкой, далее отражается от зеркала (призмы) 9 и направляется к поверхности фотоматериала 11 под углом 93,2° . Зеркало 9 вращается электродвигателем 10.

6.2.
Принтеры, электрофотографические аппараты

6.19. Пояснить принципиальные особенности процессов электрофотограии (по существу ксерографии) применительно к лазерной электрофотографической технике.

Известны ссылка на источники литературы два основных варианта Электрофотографический процессэлектрофотографического процесса: ксерография и электрофотография на фотоэлектретах. Лазерная электрофотографическая техника базируется на ксерографии, которая позволяет сформировать и получить скрытое электростатическое изображение на фотопроводящих материалах путем оптического (инфракрасного, видимого или ультрафиолетового) воздействия с последующим получением (проявлением) видимого изображения.

Четко выражены стадии Электрофотографический процессксерографического (далее электрофотографического) процесса: электризация, экспонирование, проявление, перенос, закрепление. При этом практикуется терминология типовых фотографических процессов, использующих химические реакции при проявлении и закреплении. Однако электрофотография «обходится» без химических реактивов и по существу базируется на «сухих» фотопроцессах.

Электрофотографический слой создается на поверхности металлической подложки с использованием оксида цинка ZnO (нанесением эмульсии) или селена Se (вакуумным распылением). Толщина селеновых электрофотографических слоев составляет 10-50 мкм.

6.20. Рассмотреть стадию электризации (зарядки) электрофотографического слоя.

Электрофотографический слой в исходном состоянии не обладает светочувствительностью и приобретает ее лишь путем электризации, в результате которой на поверхности слоя осаждаются положительные или отрицательные ионы, а внутри слоя создается электрическое поле. Электризацию электрофотографического слоя можно сравнить с зарядкой конденсатора, в котором диэлектриком служит высокоомная пленка фотопроводника.

Электризация (зарядка) электрофотографического слоя осуществляется различными техническими способами ссылка на источники литературы. Чаще других применяется электризация в коронном разряде, причем источником ионизируемого излучения служат тонкие (диаметром 0,05-0,08 мм) проволоки - коротрон (коронирующий провод). При подаче между электрофотографическим слоем и коротроном разности потенциалов в несколько киловольт возникает коронный разряд и образующиеся ионы осаждаются на поверхности электрофотографического слоя равномерным слоем статического заряда.

6.21. Пояснить особенности стадии экспонирования в лазерных электрофотографических аппаратах.

На стадии экспонирования под действием оптического излучения за счет внутреннего фотоэффекта, увеличивающего фотопроводимость, пропорционально интенсивности падающего света происходит уменьшение (утечка) электрических зарядов, нанесенных на поверхности электрофотографического слоя. Падающий свет отражает (передает) оптическое изображение объекта (оригинала), которое имеет на различных участках (фрагментах) неодинаковую интенсивность в соответствии с оптической плотностью участков объекта. Поэтому электрофотографический слой засвечивается по-разному: на участках с интенсивным освещением количество зарядов существенно уменьшается, на незасвеченных участках слоя количество зарядов остается максимальным. По окончании экспонирования на поверхности заряженного фотослоя создается скрытое электрофотографическое изображение (или потенциальный рельеф) оригинала.

Стадия экспонирования в лазерных электрофотографических принтерах имеет существенную специфику ссылка на источники литературы. Источник оптического излучения (лазер) в таких устройствах освещает электрофотографический материал тщательно сфокусированным лучом точечно и дискретно. При этом количество электрических зарядов на участке материала, засвеченного лазером, существенно уменьшается, что обеспечивает скрытое электрическое изображение мини-участка оригинала.

Дальнейшее горизонтальное (построчное) экспонирование электрофотографического материала дискретными лазерными точками (световыми пятнами) характерно для растрового метода формирования изображения. Техническое обеспечение такого метода (растровый процессор, обрабатывающий изобразительную информацию об оригинале по цифровой программе, буферное запоминающее устройство, хранящее цифровую информацию о растрированном изображении, цифровое программированное управление интенсивностью лазерного излучения, сканирующее устройство, периодически развертывающее лазерный луч горизонтально (построчно), дискретный (пошаговый) сдвиг электрофотографического материала вертикально, позволяющий в итоге обойти лазерным лучом весь экспонируемый материал) является в той или иной степени универсальным и характерно, в частности, для лазерных фотонаборных машин и автоматов.

6.22. Пояснить физический механизм, рассмотреть технические средства проявления скрытого электростатического изображения.

В процессе проявления используется специальный краситель (Тонер (ксерография)тонер), который распределяется и фиксируется на фоточувствительном слое в соответствии с ранее созданным потенциальным рельефом и делает видимым экспонированное (но скрытое) электростатическое изображение. Визуализация изображения достигается электрическим притяжением заряженных частиц тонера к экспонированным участкам фоточувствительного слоя. Слабо освещенные участки фотослоя, сохранившие значительное количество зарядов, притягивают множество частиц тонера и становятся малопрозрачными (затемненными, оптически плотными). На интенсивно освещенных, слабо заряженных участках фотослоя, напротив, осаждается относительно небольшое количество частиц тонера; поэтому такие участки сохраняются прозрачными (светлыми, оптически неплотными).

Тонером служит ссылка на источники литературы мелкодисперсный порошок с частицами весьма небольших размеров. В лазерных принтерах применяется тонер высокого качества, содержащий сферические микрочастицы со средним диаметром 8 мкм. В стандартном техническом варианте тонер состоит из полистирола (60%) и магнетита (35%); 5% состава тонера определяют красящие вещества и поверхностно-активные вещества, необходимые в дальнейшем (на стадии закрепления изображения). Пигментом для черного тонера обычно служит аморфный углерод (сажа).

Предварительная электрическая зарядка микрочастиц тонера производится электризацией трением. Для этого процесса используется трибоэлектричество (от греч. tribos - трение) - явление возникновения электрических зарядов при трении ссылка на источники литературы, которое наблюдается при взаимном трении двух диэлектриков, полупроводников или металлов различного химического состава или неодинаковой плотности. При этом электризуются оба объекта (тела), приобретая заряды одинаковой величины, но разных знаков.

В процессе трибоэлектризации частицы тонера смешивают с частицами носителя, выполненными из магнитных материалов (стали, оксида железа), покрытых слоев полимера. При перемешивании тонер и носитель приобретают электрические заряды разного знака, причем частицы тонера притягиваются к частицам носителя. Размеры частиц носителя относительно велики, поэтому к одной частице носителя притягивается и жестко удерживается много микрочастиц тонера (рис. 6.13Рис. 6.13. Электрическое взаимодействие частиц носителя и тонера).

По технологии каскадного проявления ссылка на источники литературы двухкомпонентный проявляющий состав (порошок) прокатывают по поверхности заряженного электрофотографического слоя. В ходе этого процесса микрочастицы тонера отрываются от носителя под действием электростатического поля скрытого изображения и осаждаются на поверхности фотослоя.

Более совершенные технологии проявления скрытого электростатического изображения (применение «магнитной кисти», проявление «порошковым облаком», использование однокомпонентного «прыгающего» проявителя) рассмотрены в учебнике ссылка на источники литературы.

6.23. Рассмотреть техническое обеспечение стадии переноса Электрофотографический процессэлектрофотографического изображения.

В процессе переноса тонерное изображение переводится на бумагу, ткани или другие (специальные) материалы. Перенос осуществляется под действием электрического поля, созданного между электрофотографическим слоем и поверхностью материала (например, бумаги) или вспомогательного технического средства, взаимодействующего с фотослоем.

В распространенном техническом варианте ссылка на источники литературы лист бумаги, наложенный на поверхность фотослоя, заряжается коронирующим электризатором (коротроном переноса). При этом между листом и фотослоем возникает разность потенциалов, которая переводит микрочастицы тонера на бумагу. Очевидно, что процесс переноса идет в нужном направлении, если электрическое поле, возникающее между бумагой и тонером, заметно превосходит силу притяжения между тонером и фотослоем.

В другом техническом варианте ссылка на источники литературы разность потенциалов (около 1000 В) создается между проводящей подложкой электрофотографического слоя и валиком из токопроводящей резины. Лист бумаги проходит между валиком и тонерным изображением, которое под действием электрического поля переносится на бумагу.

6.24. Пояснить технические особенности закрепления электрофотографического изображения.

К началу этого процесса на материале (например, бумаге) создано тонерное изображение, которое фиксируется относительно слабыми электростатическими силами и является непрочным. Необходимо закрепить изображение на бумаге и обеспечить устойчивость копии к внешним воздействиям.

Распространение получил термомеханический метод закрепления ссылка на источники литературы. Тонерное изображение (незакрепленная копия) пропускается между двумя валиками (нагревательным и прижимным). В ходе этого процесса под действием тепла и давления тонер плавится и проникает (вдавливается) в поры бумаги. Метод эффективен, если проявляющий порошок (тонер) имеет легкоплавкое наполнение (например, соответствующие смолы).

Использование импульсных источников интенсивного оптического излучения (например, ксеноновых ламп) позволяет целенаправленно и эффективно оплавлять черные частицы тонера, не перегревая белые фоновые участки бумаги и исключая ее тепловую деформацию.

При «чисто» механическом закреплении используется специальный тонер, который вдавливается в бумагу (без нагрева). Химическое закрепление достигается переводом тонера в жидкое состояние с привлечением реактивов.

6.25. Рассмотреть условия и механизм подачи тонера на электрофотографический цилиндр (фотобарабан).Задание 6.25 составлено с привлечением учебного пособия: Василевский Д.Г. Основы ксерографии. М.: Учебный Центр RANK XEROX, 1995.

Фотобарабаном в лазерном принтере служит ссылка на источники литературы металлический цилиндр, покрытый тонкой пленкой из фотопроводящего полупроводника (например, оксида цинка). По поверхности фотобарабана в процессе электризации равномерно распределяется статический заряд. Управляемый лазерный луч в процессе экспонирования засвечивает на вращающемся фотобарабане элементарные участки (точки) и создает скрытое электрофотографическое изображение, далее это изображение проявляется.

Предварительно в емкости с проявителем устанавливается оптимальная концентрация тонера, при которой микрочастицы тонера полностью покрывают поверхность частицы носителя (рис. 6.13Рис. 6.13. Электрическое взаимодействие частиц носителя и тонера). При слишком высокой концентрации тонера могут загрязняться фрагменты изображения и внутренние узлы аппарата. Если концентрация тонера невелика, то проявленное изображение имеет недостаточную оптическую плотность.

Схема подачи тонера на фотобарабан представлена на рис. 6.14Рис. 6.14. Подача тонера на электрофотографический цилиндр. В устройстве используется эффективное техническое средство - магнитная кисть, состоящая из железных опилок (или других ферромагнитных частиц), смешанных с микрочастицами тонера. Введен магнитный валик - полая трубка, изготовленная из немагнитного материала, внутри которой размещены постоянные магниты. К валику притягиваются частицы проявителя с тонером и на поверхности валика образуются «щетинки» из частиц, расположенные вдоль магнитных силовых линий. При вращении магнитного валика щетинки магнитной кисти проходят под лезвием ракельного ножа, которое ограничивает их длину. Далее в процессе вращения валика отрицательно заряженные микрочастицы тонера оказываются вблизи электрофотографического слоя и притягиваются к положительным зарядам этого слоя, проявляя ранее скрытое электростатическое изображение.

6.26. Указать компоненты принципиальной схемы (рис. 6.15Рис. 6.15. Принципиальная схема лазерного принтера), пояснить принцип действия лазерного электрофотографического принтера ссылка на источники литературы.

Принтер содержит модули экспонирования и регистрации изображения. Управление принтером осуществляет ЭВМ, обеспечивающая цифровую обработку изобразительной информации и скоростной вывод цифровых информационных сигналов на исполнительные элементы принтера.

Модуль экспонирования изображения включает полупроводниковый лазер 11, действующий в импульсном режиме и формирующий инфракрасное излучение в диапазоне 750-900 нм. Лазерный луч разворачивается (сканируется) многогранным металлическим зеркалом 14, которое непрерывно вращается электродвигателем. Объектив 12, содержащий фокусирующую и компенсаторную линзы, и зеркало 10 направляют узкий (тщательно сфокусированный) оптический луч на поверхность электрофотографического цилиндра 8.

Цилиндр (фотобарабан) 8 входит в состав электрофотографической сменной кассеты 6, объединяющей все устройства электрофотографического процесса (включая электризатор 9 зарядки цилиндра 8, устройство проявления 13, ракельный нож 7 для чистки цилиндра 8 от остатков проявителя). Проявление скрытого электростатического изображения осуществляется магнитной кистью.

Модуль регистрации изображения кроме кассеты 6 включает механизмы переноса (с электризатором переноса 5) и термосилового закрепления изображения на бумаге (в устройстве 4), механизм подачи, приводки и приемки бумаги (с приемным столиком 3, фрикционным самонакладом 2 и лотком 1).

6.3.
Системы компьютер - печатная форма

6.27. Выделить существенные особенности, определить технические достоинства лазерной технологии компьютер - печатная форма.

В рамках этой технологии (англ. Computer-to-Plate или сокращенно CtP) изготовление печатной формы осуществляется на основе цифровой изобразительной информации, поступающей непосредственно из компьютера, путем прямой лазерной записи изображения на формный материал ссылка на источники литературы. Преимущества CtP- технологии отчетливо проявляются в первую очередь при сравнении с широко распространенной технологией фотонабора и формных процессов.

Прямое управляемое воздействие весьма тонким (тщательно сфокусированным) лазерным лучом гарантирует высокое качество печатной формы: компактные четкие растровые точки, небольшое смещение (жесткую приводку) и незначительную деформацию (минимальное растискивание) печатных элементов, точное и многогранное (широкодиапазонное) воспроизведение оптических (полутоновых) градаций и других свойств изображения.

Вывод за границы допечатного производства ранее необходимых технологических компонентов (включая обработку фотоматериала, копирование фотоформ, обработку экспонированных формных пластин) и оборудования (фотонаборных автоматов, проявочных машин, копировальных аппаратов) сокращает время технологического цикла и производственные площади, уменьшает расходы на технику, энергоснабжение, обслуживающий персонал, улучшает экологию полиграфических предприятий.

Устраняются дефекты и помехи, возникающие при экспонировании и обработке фотоматериалов и монтаже пленок на формные пластины, что в совокупности повышает качество изображения на печатных формах, полученных прямой лазерной записью.

6.28. Рассмотреть схему построения и принцип действия лазерного формного автомата «Гранат 530».

Автомат разработан отечественными специалистами (см. ссылка на источники литературы], а также статью: Десятник Э.С. Технология «компьютер - печатная форма» на базе лазерного формного автомата «Гранат 530»//Новая полиграфия. 1998. № 8). Схема автомата представлена на рис. 6.16Рис. 6.16. Лазерный формный автомат «Гранат 530».

Экспонирующая установка автомата содержит твердотельный лазер 1 непрерывного действия. Блок питания 2 стабилизирует выходную мощность лазера и контролирует параметры лазерного излучения. Управляемый акустооптический дефлектор 3 изменяет направление лазерного пучка. В свою очередь электронное устройство 4 возбуждает в акустооптической среде дефлектора 3 дифракционную решетку, обеспечивающую необходимое (изменяемое) отклонение лазерного луча. Система поворотных зеркал 5 переводит лазерный пучок в подвижный фокусирующий объектив 6, который является составной частью оптической головки.

Каретка 7, управляемая шаговым двигателем 8, обеспечивает поступательное движение оптической головки вдоль образующей барабана 9, на котором закрепляется формный материал 10. Барабан 9 вращается электродвигателем 11. Угловое положение барабана контролирует датчик 12, передающий полученную информацию в блок 13 управления автоматом, который в свою очередь активно взаимодействует с персональным компьютером 14. Управление лазером 1 компьютер 14 осуществляет по каналу с устройствами 13 и 4. Цифровую изобразительную информацию компьютер может получать различными маршрутами и средствами: с рабочего места верстальщика по локальной электрической линии связи, через дискету 15 или буферное запоминающее устройство, от растрового процессора по волоконно-оптической линии связи значительной длины и пропускной способности.

Лазерный формный автомат «Гранат 530» предназначен для изготовления офсетных печатных форм по технологии компьютер - печатная форма и получения первичных фотоформ (негативных или позитивных) на бессеребряных термочувствительных материалах, не требующих последующей «мокрой» обработки. В качестве формного материала применяется лавсановая пленка (основа) с нанесенным на нее односторонним металлическим покрытием, не содержащим серебра. Модулированное лазерное излучение большой мощности испаряет с поверхности материала элементы покрытия. В результате обнажившиеся части пленки являются в дальнейшем печатающими элементами, а оставшиеся части металлического покрытия служат пробельными элементами. Изготовление печатных форм и обслуживание лазерного автомата осуществляются без затемнения (при естественном или искусственном освещении).

6.29. Указать основные типы лазерных источников света, применяемых в рекордерах для экспонирования печатных форм по CtP-технологии.

Термин Рекордер«рекордер» (от англ. recorder - регистрирующий, записывающий аппарат) используется также для автоматизированных комплексов с лазерными экспонирующими устройствами, которые действуют по технологическому циклу компьютер - печатная форма.

Согласно ссылка на источники литературы в рекордерах эффективно применяются источники лазерного излучения нескольких типов:

  • аргон-ионный голубой лазер с длиной волны 499 нм;

  • зеленый лазер на иттрий-алюминиевом гранате (532 нм);

  • гелий-неоновый красный лазер (633 нм);

  • маломощный красный полупроводниковый лазер (670 нм);

  • мощный инфракрасный полупроводниковый лазер (830 нм);

  • мощный инфракрасный лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом (1064 нм).

Последний из перечисленных лазеров имеет определенные преимущества при экспонировании термпопластин, поскольку в диапазоне волн, близком к 1,06 мкм, многие материалы (в первую очередь металлы) имеют высокий коэффициент поглощения, что увеличивает эффективность лазерной записи на термопластины. Вместе с тем в указанном спектральном диапазоне потери лазерного излучения в волоконных световодах невелики, что облегчает лазерную передачу цифровой изобразительной информации по волоконно-оптическим каналам.

6.30. Рассмотреть технологический процесс записи и обработки термопластин.

CtP-технология с термальным экспонированием печатных форм используется ссылка на источники литературы в рекордерах Trendsetter и Platesetter, семейство которых совместно производится фирмами Heidelberg Prepress и Creo (Канада). В таких рекордерах применяется мощный полупроводниковый лазер с длиной волны 830 нм, действующий в инфракрасном диапазоне излучения.

Стадии технологического процесса записи и обработки термопластин ссылка на источники литературы наглядно иллюстрируются рис. 6.17Рис. 6.17. Запись и обработка термопластин (стадии технологического процесса), где используется единая цифровая система обозначений: 1 - эмульсионный слой (термополимер); 2 - алюминиевая подложка; 3 - луч лазера; 4 - экспонированный термополимер; 5 - нагревательный элемент; 6 - печатающие элементы формы; 7 - проявляющий раствор; 8 - печатная краска.

Слой эмульсии нанесен на алюминиевую подложку - основу термопластины. При термальном экспонировании используется тепловая энергия лазерного луча. В процессе лазерного экспонирования эмульсия нагревается и в эмульсионном слое происходит химическая реакция, которая ускоряет задубливание (отвердение) эмульсии. Химическую реакцию ускоряет дополнительный нагрев термопластины элементом 5 (рис. 6.17Рис. 6.17. Запись и обработка термопластин (стадии технологического процесса)), что укрепляет сцепление эмульсионного слоя с подложкой. При проявлении участки термопластины, не экспонированные лазером, смываются и счищаются щеткой в специальном (проявочном) устройстве. Дальнейшее отвердение эмульсии достигается обжигом термопластины.

Рассматриваемый технологический процесс обеспечивается комплексом оборудования, содержащим рекордер для термального экспонирования, печь для обжига и процессор для проявления термопластин.

6.31. Рассмотреть принципы построения и действия оптической схемы (рис. 6.18Рис. 6.18. Оптическая схема рекордера системы Gutenberg) рекордера системы Gutenberg ссылка на источники литературы.

Источником оптического излучения в таком рекордере служит твердотельный лазер 1 на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом. Длина волны лазерного излучения составляет 532 или 1064 нм. При экспонировании высокочувствительных термопластин мощность лазера составляет 10 мВт.

В блок непосредственного управления лазерным лучом входят затвор 2, плоскопараллельная пластина 3, акустооптический модулятор 4, турели 5 и 7, фотодиод 6, зеркала 8 и 9. Турель 5 содержит набор линз, которые в зависимости от требуемого разрешения формируют апертуру лазерного луча. Фотодиод 6 контролирует мощность лазерного излучения. На турели 7 установлены поглощающие светофильтры кратностью 1, 8, 64, 256 и 1024, которые уменьшают мощность лазерного пучка в зависимости от светочувствительности формных пластин. Зеркало 9 неподвижно, а зеркало 8 может сдвигаться и, таким образом, изменять направление отраженного лазерного луча в небольших пределах. Этот процесс контролируется фотодиодным датчиком 11.

Лазерный луч, отражаясь от зеркал 8 и 9, направляется в оптическую головку 10. В состав оптической головки кроме датчика 11 включены турель 12 с набором поглощающих светофильтров (кратностью 1, 2 и 4), фокусирующий объектив 13 (с приводом от шагового двигателя), датчик 14, содержащий оптоэлектронную пару светодиод - фотодиод, вращающуюся пятигранную призму (пентапризму) 15, закрепленную на валу электродвигателя 16.

Формные пластины фиксированы вакуумной системой на внутренней поверхности неподвижного барабана 17. Развертку точечно-растровых строк на формных пластинах осуществляет вращающаяся пентапризма 15; развертка изображения (построчно) обеспечивается перемещением оптической головки 10. Оптопара 14 фиксирует начало развертки строки изображения при очередном обороте пентапризмы.

Оптическая система (рис. 6.18Рис. 6.18. Оптическая схема рекордера системы Gutenberg) обеспечивает запись изображения с высокой точностью. Разрешение составляет 1270, 1693, 2540, 3387 точек на дюйм.

6.32. Рассмотреть схему построения, пояснить принцип действия серии рекордеров Trendsetter и Platesetter.

Эти рекордеры действуют по схеме ссылка на источники литературы, представленной на рис. 6.19Рис. 6.19. Рекордер Trendsetter. Термопластина закреплена магнитным прижимом на внешней поверхности непрерывно вращающегося барабана 1. Термоголовка 4 перемещается вдоль барабана 1 по направлению 2 с помощью ходового винта 3. Вращение барабана 1 и ходового винта 3 обеспечивают электродвигатели 5 и 6.

В термоголовке 4 размещены мощный инфракрасный полупроводниковый лазер и оптические элементы, формирующие изображение. Луч записывающего лазера делится на 240 управляемых лучей, которые фокусируются на термопластину. Из этих лучей формируются прямоугольные световые пятна сечением 3,4 × 10,6 мкм, которые за счет вращения барабана создают (экспонируют) на термопластине квадратные точки размером 10,6 × 10,6 мкм. Включение и выключение каждого из 240 лазерных лучей осуществляются индивидуально по электрическим командам (сигналам), поступающим из блока обработки данных. Цифровая изобразительная информация поступает в этот блок из растрового процессора (RIP).

Позиционирование термоголовки, управление приводами термоголовки и барабана осуществляет микропроцессор. Синхронное взаимодействие барабана 1 и экспонирующей термоголовки 4 обеспечивает кодер.

6.33. Указать компоненты, пояснить принцип действия термоголовки, входящей в состав рекордеров Trendsetter и Platesetter (рис. 6.19Рис. 6.19. Рекордер Trendsetter).

Оптическая схема термоголовки ссылка на источники литературы представлена на рис. 6.20Рис. 6.20. Схема термоголовки рекордера. Полупроводниковый лазер 1, предназначенный для записи изображения на термопластину, генерирует пучок инфракрасного излучения, который проходит объектив 2 и попадает на световой затвор 3. Этот затвор делит пучок света на 240 лучей, управляемых индивидуально (независимо). Сигналы управления позволяют сформировать в плоскости 5 изображение 4 из световых точек прямоугольной формы. Изображение проходит через линзу 6, отражается от полупрозрачного зеркала 8 и через выходную линзу 10 проецируется на формную пластину 13. Экспонированное изображение 14 образуется на термопластине 13 из квадратных точек при вращении барабана. Воздействие лазерных лучей на термопластину 13 может перекрываться затвором 12.

Из-за вращения барабана расстояние между пластиной 13 и линзой 10 изменяется. Необходимую самофокусировку обеспечивает полупроводниковый лазер 7, который создает пятно света на термопластине 13, причем часть света отражается в термоголовку и регистрируется фотодатчиком 9. Если формная пластина перемещается, то отраженный свет попадает в различные области (зоны) фотодатчика 9. Эти перемещения отраженного луча фиксируются и количественно оцениваются логической микросхемой, непосредственно соединенной с фотодатчиком 9. Микросхема управляет приводом 11, обеспечивая необходимое (фокусирующее) перемещение линзы 10.

6.4.
Оптические запоминающие устройства и среды

6.34. Пояснить существенные особенности оптических запоминающих устройств и сред (структур).

Оптические запоминающее устройство (ЗУ)Оптическое запоминающее устройство (ЗУ) пригодно для записи, хранения, произвольной выборки, неразрушающего считывания и (или) стирания информации, представленной в оптической форме ссылка на источники литературы. Такое устройство подобно другим видам ЗУ, но оперирует с носителями (символами) оптической информации. Среда (носитель информации), на которую осуществляется запись оптической информации, называется оптической запоминающей средой. Запись и считывание (выборка) оптической информации базируются на двух принципах: последовательном и параллельном.

В оптических ЗУ последовательного типа запись и считывание информации осуществляются последовательно (поразрядно). Запись достигается воздействием остросфокусированного луча лазера на поверхность носителя информации, где в результате воздействия остается определенный след (метка). При считывании лазерный луч уменьшенной интенсивности сканирует поверхность носителя, а измененный характер (интенсивность, мощность) лазерного луча, отраженного от метки, воспринимается и регистрируется фотоприемником.

Оптические запоминающее устройство (ЗУ)Оптические ЗУ параллельного типа действуют как устройства с постраничной записью и считыванием информации. Такие ЗУ используют принципы голографии и управляемые оптические транспаранты.

6.35. Указать технические достоинства, представить характерные параметры дисковых накопителей оптической информации ссылка на источники литературы.

Такие оптические запоминающие среды (диски) успешно используют (реализуют) преимущества лазерной техники, обеспечивающей высокую плотность записи оптической информации. Оптические диски имеют диаметр 100-300 мм, причем накопительная система может включать несколько десятков дисков. Характерный размер локального воздействия лазерного луча на поверхность оптического диска, создающего элементы записи информации (углубление, вздутие, метку, пит), около 1 мкм, расстояние между дорожками лазерной записи не превышает 2 мкм.

Указанные параметры дисковых оптических систем записи информации обеспечивают высокие показатели качества таких систем, включая:

  • очень высокую плотность записи информации (1010 -1011 бит на диске диаметром 300 мм, т.е. примерно 107-108 бит/см2);

  • весьма значительную емкость одного диска, составляющую 2-4 Гбайт, и емкость накопителя (размером в одну стандартную стойку), достигающую 50-100 Гбайт;

  • высокую скорость записи (до 50 Мбит/с в одноканальных и вплоть до 1 Гбит/с в многоканальных системах);

  • быстрый поиск (много менее 1 с) и оперативное считывание информации;

  • возможность весьма длительного хранения информации (в течении 10 лет и более).

6.36. Классифицировать оптические запоминающие среды (носители информации) по способности выполнять функции записи, считывания и стирания информации. Указать основные параметры таких сред.

По данным функциональным признакам выделяют носители информации трех видов ссылка на источники литературы:

  • носители однократной записи, «чистые» до употребления, пригодные для записи информации пользователем и последующего ее считывания любое количество раз без разрушения записанного;

  • постоянные носители, в которых информация заложена одновременно с их изготовлением, предназначенные только для неразрушающего считывания;

  • реверсивные или стираемые носители, предназначенные для многократного повторения цикла запись - считывание - стирание.

Основными параметрами оптических запоминающих сред являются порог чувствительности, разрешающая способность, дифракционная эффектность (отношение сигналов лог. 1/лог. 0 при считывании информации с носителя). Существенное значение имеют возможности и условия длительного хранения информации и считывания информации без разрушения.

6.37. Рассмотреть принципы записи оптической информации на видеодиск, пояснить механизм считывания записанной информации ссылка на источники литературы.

Круглый видеодиск диаметром 100-300 мм (рис. 6.21Рис. 6.21. Схема записи оптической информации на видеодиск) внешне и размером мало отличается от стандартной грампластинки. Однако поверхность видеодиска, изготовленная из оптического стекла толщиной 6-10 мм, покрыта тонкой (5-10 нм) металлической пленкой, чувствительной к воздействию лазерного луча. Мощность лазерного излучения управляется (модулируется) внешними информационными сигналами. Лазерный луч через фокусирующую оптическую систему направляется на поверхность видеодиска (рис. 6.21Рис. 6.21. Схема записи оптической информации на видеодиск) и в процессе записи информации создает («выжигает») углубления (отверстия, питы), длина которых зависит от длительности лазерных импульсов и частоты вращения видеодиска.

Видеодиск при записи информации вращается, формируя концентрические информационные (записывающие) дорожки, причем расстояние между дорожками составляет 1,6-2,0 мкм, а поперечный размер питов равен 0,4-0,6 мкм. В рассматриваемой конструкции (рис. 6.22Рис. 6.22. Фрагмент видеодиска) видеодиска записывающая поверхность защищена прозрачной пленкой, исключающей загрязнение, воздействие пыли, появление локальных дефектов записи.

При считывании записанной информации поверхность видеодиска сканируется лазерным лучом небольшой мощности (не повреждающим сделанную запись). Отраженное лазерное излучение воспринимается фотоприемником и преобразуется в электрические сигналы. Интенсивность регистрируемого лазерного излучения зависит от коэффициента отражения локального участка видеодиска, что позволяет по сигналам на выходе фотоприемника восстановить и расшифровать записанное изображение.

6.38. Рассмотреть принципы построения и действия многослойной тонкопленочной структуры (рис. 6.23, аРис. 6.23. Многослойная структура для оптической записи информации) для оптической записи информации ссылка на источники литературы.

В такой структуре подложка 1 покрыта отражающей металлической (например, алюминиевой) пленкой 2. Выше нанесены пленки прозрачного диэлектрика 3 и тонкий металлический полупрозрачный слой 4. Этот слой локально разогревается лазерным лучом, и под действием сил поверхностного натяжения происходит раскрытие отверстия (ямки) 5 в расплавленной области. Диэлектрический подслой 3 имеет отражательную способность (коэффициент отражения ρ1), намного большую, чем металлический слой 4 (с коэффициентом отражения ρ1<<ρ2); этот эффект используется при считывании информации.

Алюминиевый отражатель 2 при записи возвращает часть лучей, прошедших через металлическую (4) и диэлектрическую (3) пленки, к поверхности структуры, повышая ее оптическую эффективность. При считывании алюминиевый слой 2 улучшает отражательную способность записанных участков. В результате повышается чувствительность записывающей среды и увеличивается разность оптических сигналов, отраженных от «чистой» (неповрежденной) поверхности 4 и зоны записи 5 (контраст считывания). Эффективность обоих явлений максимальна, если толщина диэлектрика 3 близка к λ/4, где λ - длина волны лазерного излучения.

Слой алюминия 2, обладающий большой теплопроводностью, заметно повышает порог записи (уменьшает чувствительность среды) за счет теплоотвода энергии из области излучения. Это влияние алюминия удается уменьшить, используя диэлектрик 3 с малой теплопроводностью. Например, замена окисла кремния SiO2 на полимерный диэлектрик увеличивает чувствительность структуры (рис. 6.23, аРис. 6.23. Многослойная структура для оптической записи информации) к лазерному воздействию почти вдвое.

6.39. Указать технические особенности многослойной структуры (рис. 6.23, бРис. 6.23. Многослойная структура для оптической записи информации), применяемой для лазерной записи информации методом выжигания микроотверстий ссылка на источники литературы.

И в этой структуре на подложке 6 размещены алюминиевый отражатель 4, диэлектрик 3, тонкая металлическая пленка 2. Однако дополнительно введено толстое прозрачное защитное покрытие 1, которое предохраняет металлический слой 2 от оседания пылинок. Промежуточный отражатель (подслой) 5 улучшает качество поверхности подложки.

Толщина металлической пленки 2 составляет 0,02-0,05 мкм, толщина диэлектрика 3 существенно (в несколько раз) больше, диаметр прожигаемых микроотверстий достигает 0,5-2 мкм. Металлическая пленка 2 должна иметь высокую чувствительность к лазерному воздействию и стабильные оптические свойства; этим требованиям удовлетворяют пленка теллура Те, висмута Bi и их сплавов. Подложкой (основой) 6 может служить полиметилметакрилат или стекло.

6.40. Рассмотреть действие многослойной тонкопленочной структуры (рис. 6.24Рис. 6.24. Структура для лазерной записи информации методом микровздутий), применяемой для лазерной записи информации методом формирования микровздутий ссылка на источники литературы.

Структура также содержит прозрачное защитное покрытие 1, тонкую металлическую пленку 2, диэлектрический слой 3, алюминиевый отражатель 4, промежуточный отражатель (защитное покрытие) 5, подложку 6. В качестве светоизлучающего слоя применяют металлы с высокой температурой плавления, например титан Ti, вместе с тем диэлектрический слой 3 имеет низкую температуру испарения. При лазерном воздействии под разогретой, но не расплавившейся металлической пленкой возникает пузырек газа, формирующий в пленке микровздутие. Отражательная способность такого деформированного участка рабочей поверхности структуры резко увеличивается, что является признаком записи и возможности считывания информации.

6.41. Рассмотреть оптическую схему записи информации в запоминающем устройстве с полупроводниковым лазером ссылка на источники литературы.

Вариант схемы представлен на рис. 6.25Рис. 6.25. Оптическая схема лазерной записи информации в запоминающее устройство. Устройство содержит полупроводниковый лазер 1, управляемый входными информационными сигналами. Введен высокоапертурный микрообъектив 2, коллимирующий пучок (уменьшающий раходимость) лазерного излучения. Цилиндрическая линзовая система 3 выравнивает (устраняет) пространственную асимметрию излучения, присущую полупроводниковым лазерам. Поляризационная призма (светоделитель) 4 разделяет (в пропорции 10:1) лазерные лучи записи и считывания информации. Более мощный луч, отражаясь от следующего зеркала 5, фокусируется объективом 6 на поверхность вращающего видеодиска 7 и обеспечивает запись оптической информации.

При считывании информации лазерный луч небольшой мощности, отраженный от дорожки записи, собирается фокусирующим объективом 6, отражается от зеркала 5, проходит через четвертьволновую пластину 8 (изменяющую плоскость поляризации луча) и далее через поляризационный светоделитель 4 направляется на фотоприемник 9, который преобразует считанные оптические сигналы в электрические импульсы, восстанавливающие записанное изображение.

6.42. Представить схему, пояснить назначение электромеханических устройств, обеспечивающих лазерную запись информации ссылка на источники литературы.

Выделим в этом плане схему (рис. 6.26Рис. 6.26. Лазерное запоминающее устройство), содержащую необходимое электромеханическое обеспечение лазерной запоминающей системы. Кроме лазера 1, модулятора 2 лазерного излучения, видеодиска 3, фокусирующей оптической системы 4 введены электропривод 5 вращения диска 3 с устройством 6, стабилизирующим частоту вращения двигателя (в пределах 200-800 об/мин). Поперечное смещение объектива в оптической системе 4 обеспечивает электропривод 7 .

В рассматриваемой системе записи возможны вертикальные биения диска, достигающие 25 мкм. В прецизионных устройствах расстояние между видеодиском 3 и оптической системой 4 поддерживается воздушной подвеской (воздушной опорой) линзы в системе 4. Для этого вводится электродинамический двигатель 8, обычно используемый в громкоговорителях для возбуждения колебаний диффузора.

В качестве датчика ошибок фокусировки при записи на металлические пленки используется емкостный мост 9, в одно из плеч которого включается емкость между объективом системы 4 и поверхностью видеодиска 3. Точные системы записи - считывания содержат сервомеханизм, компенсирующий поперечные смещения дорожки при считывании, вызванные биениями оси, перекосом диска и люфтом подшипников. Обычно такая компенсация достигается отслеживанием отклонений лазерного пятна с помощью вращающегося зеркала.

© Центр дистанционного образования МГУП