Московский государственный университет печати

Вартанян С.П.


         

Оптоэлектронные приборы и устройства в полиграфии

Учебное пособие


Вартанян С.П.
Оптоэлектронные приборы и устройства в полиграфии
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Предисловие

1.

Введение

1.1.

Историческая справка

1.2.

Взаимодействие фотонов и электронов

1.3.

Оптический диапазон

1.4.

Основные единицы измерения

2.

Элементная база оптоэлектронных приборов и устройств

2.1.

Оптоэлектронные приемники излучения

2.1.1.

Фоторезисторы

2.1.2.

Фотодиоды

2.1.3.

Фотоэлементы

2.1.4.

Фототранзисторы

2.1.5.

Фототиристоры

2.1.6.

Фотоэлектронные умножители

2.1.7.

Видиконы

2.1.8.

Сканисторы

2.1.9.

Фотодиодные линейки и матрицы

2.1.10.

Приборы с зарядовой связью

2.2.

Оптоэлектронные источники излучения

2.2.1.

Излучающие диоды

2.2.2.

Лазеры

2.2.3.

Источники свечения

2.3.

Оптические среды и эффекты в них

2.3.1.

Световоды

2.3.2.

Оптически активные среды

2.3.3.

Эффекты отклонения луча в оптических средах

2.3.4.

Жидкие кристаллы

2.3.5.

Среды, различающие цвет

3.

Типовые оптоэлектронные приборы и устройства

3.1.

Оптопары и оптроны

3.1.1.

Резисторные оптопары

3.1.2.

Диодные оптопары

3.1.3.

Транзисторные оптопары

3.1.4.

Тиристорные оптопары

3.2.

Преобразователи линейных и угловых перемещений

3.2.1.

Преобразователи линейных перемещений

3.2.2.

Преобразователи угловых перемещений

3.3.

Волоконно-оптические световоды, кабели, линии связи

3.4.

Приборы и устройства хранения информации

3.4.1.

Оптические диски с постоянной сигналограммой

3.4.2.

Оптические диски однократной записи

3.4.3.

Реверсивные оптические диски

3.5.

Индикаторы, экраны, дисплеи

3.5.1.

Индикаторы

3.5.2.

Экраны и дисплеи

4.

Оптоэлектронные компоненты издательской и полиграфической техники

4.1.

Оптоэлектронные компоненты вводных устройств

4.1.1.

Барабанные сканеры

4.1.2.

Планшетные сканеры

4.1.3.

Слайд-сканеры

4.1.4.

Листовые сканеры

4.1.5.

Ручные сканеры

4.1.6.

Устройства ручного ввода

4.1.7.

Модемы

4.1.8.

Цифровые камеры

4.1.9.

Оптические диски

4.2.

Оптоэлектронные компоненты выводных устройств

4.2.1.

Вывод на цифровую печать (computer-to-print)

4.2.2.

Вывод на фотопленку (computer-to-film)

4.2.3.

Вывод на печатную форму (computer-to-plate)

4.3.

Оптоэлектронные компоненты систем контроля и управления

4.3.1.

Системы лабораторного контроля

4.3.2.

Системы выборочного производственного контроля

4.3.3.

Системы машинного контроля

4.3.4.

Системы регулирования и управления

Заключение

Литература

Термины и определения

Глоссарий

Указатели
66   именной указатель
426   предметный указатель
94   указатель иллюстраций
47   указатель компаний
Рис. 3.1. Резисторные оптопары и их передаточные характеристики Рис. 3.1. Резисторные оптопары и их передаточные характеристики Рис. 3.1. Резисторные оптопары и их передаточные характеристики Рис. 3.1. Резисторные оптопары и их передаточные характеристики Рис. 3.2. Диодные и диодно-транзисторная оптопары и их передаточные характеристики Рис. 3.2. Диодные и диодно-транзисторная оптопары и их передаточные характеристики Рис. 3.3. Транзисторные оптопары и их передаточные характеристики Рис. 3.1. Резисторные оптопары и их передаточные характеристики Рис. 3.2. Диодные и диодно-транзисторная оптопары и их передаточные характеристики Рис. 3.3. Транзисторные оптопары и их передаточные характеристики Рис. 3.4. Тиристорные оптопары в схеме управления двигателем Рис. 3.4. Тиристорные оптопары в схеме управления двигателем Рис. 3.5. Схемы и диаграммы выходных сигналов преобразователя линейных перемещений Рис. 3.5. Схемы и диаграммы выходных сигналов преобразователя линейных перемещений Рис. 3.5. Схемы и диаграммы выходных сигналов преобразователя линейных перемещений Рис. 4.5. Принцип действия ручного сканера и его оптоэлектронные компоненты Рис. 3.6. Коды дисков, схемы и диаграммы сигналов преобразователей угловых перемещений Рис. 3.6. Коды дисков, схемы и диаграммы сигналов преобразователей угловых перемещений Рис. 3.6. Коды дисков, схемы и диаграммы сигналов преобразователей угловых перемещений Рис. 3.6. Коды дисков, схемы и диаграммы сигналов преобразователей угловых перемещений Рис. 3.6. Коды дисков, схемы и диаграммы сигналов преобразователей угловых перемещений Рис. 3.5. Схемы и диаграммы выходных сигналов преобразователя линейных перемещений Рис. 3.7. Конструкция и диаграммы сигналов преобразователя «угол - код» IRC-111 Рис. 3.8. Примеры световодов различных типов Рис. 4.15. Оптическая схема спектрофотометра Рис. 4.10. Схема оптоэлектронных элементов рекордера серии Linotronic Рис. 3.8. Примеры световодов различных типов Рис. 3.9. Схема волоконно-оптических линий связи, реализованная в московской типографии им. А.С. Пушкина Рис. 3.10. Схемы записи и чтения оптических дисков Рис. 2.15. Поляризация света Рис. 3.10. Схемы записи и чтения оптических дисков Рис. 3.10. Схемы записи и чтения оптических дисков Рис. 3.11. Схема издательской системы с магнитооптическим накопителем Рис. 3.12. Схема устройства кинескопа Рис. 3.13. Устройство жидкокристаллического экрана Рис. 2.12. Схема люминесцентного экрана

Прибор оптоэлектронный Оптоэлектронные приборы в широком понимании представляют собой устройства, использующие оптическое излучение для своей работы: генерации, детектирования, преобразования и передачи информационного сигнала ссылка на источники литературы. Как правило, эти приборы включают в себя тот или иной набор оптоэлектронных элементов, основные из которых были рассмотрены в предыдущей главе. В свою очередь, сами приборы можно подразделить на типовые и специальные, считая типовыми те из них, которые серийно производятся для широкого применения в различных отраслях промышленности, а специальные устройства выпускаются с учетом специфики конкретной отрасли - в нашем случае, полиграфии.

Специальные полиграфические оптоэлектронные устройства и системы будут рассмотрены в гл. 4, а эта глава посвящена типовым приборам (таким, как Оптопараоптопары, преобразователи угловых и линейных перемещений и др.), с успехом применяемым во многих отраслях, в том числе широко используемым в полиграфических машинах и системах.

Оптопара Оптопара представляет собой оптоэлектронный прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, т.е. связь входа с выходом осуществляется с помощью световых сигналов. В электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода ссылка на источники литературы. Понятие Оптрон «оптрон» трактуется в литературе несколько шире, чем оптопара (слово «оптопара» само по себе несет уже некоторое ограничение - пара, т.е. всего два элемента, хотя, как правило, есть еще оптическая иммерсионная среда, да и в одном корпусе зачастую размещается не одна пара элементов). Исторически термин «оптрон» получил изначально право на существование, но вскоре выяснилось ссылка на источники литературы, что еще в начале 60-х годов одна из американских фирм была зарегистрирована под названием Optron«Optron», и поэтому международные организации не рекомендуют применять то же слово для названия прибора, чтобы не переносить имя этой фирмы на изделия других производителей. Более того, МЭК (Международная электротехническая комиссия) предложила даже термин transoptor ссылка на источники литературы, однако он не прижился. Так или иначе, но сегодня у нас официально (в справочниках, технической документации) применяют термин «оптопара», распространяя его и на приборы с более чем двумя элементами.

Поскольку в большинстве оптопар источником служит Диод излучающийизлучающий диод, принято классифицировать оптопары по типу фотоприемников - Оптопара резисторнаярезисторные, Оптопара диоднаядиодные и т.п.

В Оптопара резисторная резисторных оптопарах источником является излучающий диод либо миниатюрная лампа накаливания (см. схему оптопары ОЭП-2 на рис. 3.1Рис. 3.1. Резисторные оптопары и их передаточные характеристики), а приемником служит фоторезистор, чаще всего на базе селенида кадмия ссылка на источники литературы.

Свойства Фоторезисторфоторезисторов не зависят от полярности питающего напряжения, поэтому выход резисторной оптопары можно подключить к цепи переменного тока, что иногда имеет существенное значение для схем управления оборудованием в цеховых условиях. Зависимость выходного сопротивления оптопары (передаточная характеристика по сопротивлению) от входного тока (протекающего через источник света), например, для оптопары ОЭП-2 или 3ОР125А (на рис. 3.1Рис. 3.1. Резисторные оптопары и их передаточные характеристики приведена зависимость для одного из четырех сопротивлений этой оптопары) показывает, как резко, на несколько порядков падает сопротивление фоторезистора под действием излучения (следует обратить внимание, что масштаб по шкале сопротивлений для этих зависимостей логарифмический, а для 3ОР125А и по оси абсцисс отложен логарифм входного тока). В то же время коэффициент передачи по току (Iвых /Iвх ) у оптопар на фоторезисторах невелик - порядка 0,3 (см. токовую передаточную характеристику оптопары АОР124А1).

Помимо функций гальванической развязки оптопары могут выполнять функции разветвления сигнала на несколько независимых друг от друга каналов. Это иллюстрирует схема оптопары 3ОР125А - один излучатель передает световой сигнал одновременно на четыре фоторезистора, каждый из которых может быть подключен к своему информационному каналу. С другой стороны, эта оптопара позволяет увеличить коэффициент передачи по току - если запараллелить все четыре фотосопротивления для одного информационного канала.

Все рассмотренные примеры касались оптопар с внутренней передачей сигнала от излучателя к приемнику через иммерсионную среду, в которую они погружены в корпусе оптрона. В этом случае расстояние между передающим и приемным элементами минимально (доли миллиметра), что позволяет минимизировать потери и иметь максимально возможный коэффициент передачи (следует напомнить закономерность, известную из курса физики, что освещенность падает пропорционально квадрату расстояния от источника до приемника).

Однако оптопара может быть не только передатчиком сигнала, но и служить его первоисточником, выполняя функцию датчика информации. Пример такого рода представляет так называемая оптопара с открытым оптическим каналом (см. схему оптопары АОР113А на рис. 3.1Рис. 3.1. Резисторные оптопары и их передаточные характеристики). В данном случае свет от источника через рабочее окно в корпусе прибора испускается во внешнюю среду, где, отразившись от специально устанавливаемого отражателя (вогнутого зеркала), возвращается в корпус оптрона и падает на два фоторезистора, которые имеют общую точку и могут электрически составлять одну половину измерительного моста (другая половина составляется из двух постоянных сопротивлений). Конструктивно фотосопротивления расположены в линию, поэтому если между оптопарой и зеркалом поместить какой-либо плоский объект, например край листа бумаги, то можно очень точно следить за его перемещением вдоль этой линии. Приведенная на рис. 3.1Рис. 3.1. Резисторные оптопары и их передаточные характеристики передаточная характеристика оптопары АОР113А показывает, как линейно реагирует ток в измерительной диагонали моста (Iизм ) на перемещения в диапазоне +/-0,2 мм (выделенная на графике зона определяется разбросом параметров).

Такие допусковые пределы на положение кромки листа или бумажного полотна могут контролироваться подобными оптопарами на листовых и рулонных печатных машинах.

В Оптопара диодная диодных оптопарах фотоприемником служит фотодиод на основе кремния, а источником является инфракрасный диод, излучающий на длине волны около 1 мкм. Поскольку фотодиоды могут работать как в диодном, так и фотогенераторном режиме, то выходная цепь при необходимости может работать автономно - без источника питания (например, подавать сигнал непосредственно на измерительную головку, скажем, стрелочный микроамперметр или милливольтметр). Примером работы диодной оптопары в том и другом режиме служат передаточные характеристики Iвых /Iвх для прибора АОД107, приведенные на рис. 3.2Рис. 3.2. Диодные и диодно-транзисторная оптопары и их передаточные характеристики ссылка на источники литературы. Представленные графики показывают, что в фотодиодном режиме зависимость близка к линейной, с коэффициентом передачи по току, близким к 5%, в то время как в фотогенераторном режиме нелинейность зависимости становится все более явной по мере увеличения сопротивления нагрузки выходной цепи (по мере превращения фотоприемника из источника тока в источник напряжения), что одновременно влияет на уменьшение коэффициента передачи по току (по мере снижения выходного тока).

Оптрон диодныйДиодный оптрон АОД134АС представляет набор из двух оптопар в одном корпусе, что создает определенные удобства при реализации на них гальванических развязок в электротехнической аппаратуре. Коэффициент передачи по току порядка 1% типичен для диодных оптопар (на графике показана зона разброса и усредненная кривая).

Существенный рост коэффициента передачи по току достигается в диодно-транзисторных оптопарах (45% для КОЛ201А на рис. 3.2Рис. 3.2. Диодные и диодно-транзисторная оптопары и их передаточные характеристики), у которых приемник - фотодиод - выполнен интегрально на одной пластине с n-р-n-транзистором. Они как бы перекидывают мостик к другому типу оптопар - транзисторным.

Типовой источник в Оптопара транзисторная транзисторных оптопарах - Диод инфракрасныйинфракрасный диод, а фотоприемником служит, как правило, кремниевый (n-р-n) одинарный или составной Транзистортранзистор. Характерные примеры схем транзисторных оптопар и графических зависимостей, связывающих выход со входом, приведены на рис. 3.3Рис. 3.3. Транзисторные оптопары и их передаточные характеристики ссылка на источники литературы. Следует отметить, что в справочной литературе не всегда можно найти представляющие интерес зависимости (в частности, передаточные характеристики), поэтому на рис. 3.1-3.4Рис. 3.1. Резисторные оптопары и их передаточные характеристики, Рис. 3.2. Диодные и диодно-транзисторная оптопары и их передаточные характеристики Рис. 3.3. Транзисторные оптопары и их передаточные характеристики, Рис. 3.4. Тиристорные оптопары в схеме управления двигателем[ссылка на источники литературы] приведены графики, так или иначе дающие информацию о преобразовании входного сигнала в выходной, которые были приведены в последнем (по дате выпуска) и достаточно полно отражающем оптоэлектронную элементную базу издании ссылка на источники литературы.

Коэффициент передачи по току у транзисторной оптопары 3ОТ138 (А, Б) намного превышает (50-250%) возможности диодных оптопар (на графике показаны зона разброса и усредненная кривая). Это позволяет усилить слабый токовый сигнал в самой микросхеме оптопары, не рискуя «забить» его шумами и помехами при передаче по сигнальному кабелю. Еще большего усиления добиваются при использовании составных фототранзисторов, как, например, в оптопаре АОТ126 (А, Б). Но, как говорят, медаль имеет две стороны. Повышение коэффициента передачи за счет усиления на транзисторе снижает быстродействие, так как новый элемент привносит свою инерционность за счет межэлектродных емкостей. В литературессылка на источники литературы приводятся сведения о сравнении этих параметров для оптронов различных типов:

Вид фотоприемника  оптрона Коэффициент передачи, % Граничная частота, МГц
Фотодиод 0,1 10
Фототранзистор 30 0,3
Составной фототранзистор 300 0,03

Из приведенных данных следует, что на сколько порядков повышается коэффициент передачи, на столько же падает быстродействие, поэтому приходится выбирать - либо то, либо другое. Оптопара диоднаяДиодным оптопарам отдается предпочтение в компьютерных каналах связи, где быстродействие - один из определяющих параметров, а сам сигнальный импульс достаточно чист и уверенно воспринимаем. Оптопара транзисторнаяТранзисторные оптопары более применимы к аналоговым сигналам, а то и используются в виде датчиков, как, например, оптопары с открытым оптическим каналом АОТ146 (отражательного типа) или АОТ151А (щелевого типа).

Датчики на базе Оптопара отражательного типаоптопар отражательного типа, имея источник инфракрасного излучения, хорошо работают в условиях повышенной запыленности (например, бумажной пыли в печатных машинах ссылка на источники литературы). Оптопара щелевого типаОптопары щелевого типа часто используются в качестве концевых выключателей (например, в принтерах, сканерах), когда, скажем, каретка доходит до крайнего положения и необходимо остановить движение или осуществить реверс. При этом заслонка или «флажок», связанный с кареткой, входит в щель оптопары, прерывая световой поток и сообщая тем самым о достижении крайнего положения.

В отличие от транзисторных Оптопара тиристорная тиристорные оптопары позволяют усиливать информационный сигнал не только по току, но и по мощности, поскольку приспособлены для работы при напряжениях на входе и выходе, отличающихся на порядки - как, например, в случае, иллюстрируемом на рис. 3.4Рис. 3.4. Тиристорные оптопары в схеме управления двигателем ссылка на источники литературы: на входе сигнал уровня 5 В (компьютерный) превращается на выходе в 220 В переменного тока. Такая тиристорная оптопара в свою очередь может использоваться для управления тиристорами на десятки киловольт или сотни ампер (например, в энергетических сетях).

Представить параметры тиристорных оптопар малой и средней мощности можно на примере характеристик оптопары АОУ115Д (предельные электрические параметры при Tокр = +25°С):

Входной постоянный ток, мА 30
Входной импульсный ток (при длительности импульса 1 мс и скважности 10), мА 60
Входное обратное напряжение, В 2
Выходной постоянный ток, мА 100
Выходное постоянное прямое напряжение на фототиристоре в закрытом состоянии, В 400
Напряжение на изоляции, В 1500
Диапазон рабочей температуры окружающей среды, °С -45...+55

Из приведенных данных видно, что коэффициент передачи по мощности составляет (400 В×0,1 А/2 В×0,03 А)×100% = 66667%, что существенно выше возможностей других видов оптопар. Кроме того, включенное состояние Фототиристорфототиристора сохраняется и при прекращении излучения входного диода. Следовательно, управляющий сигнал может подаваться только на момент отпирания фототиристора, что экономично, дополнительно повышает коэффициент передачи по мощности и может быть полезно при многоканальном управлении.

В заключение необходимо отметить, что пары оптоэлектронных элементов «источник - приемник» не в виде отдельной микросхемы, а как составная часть более сложного типового прибора используются, например, в преобразователях линейных и угловых перемещений.

Во многих электронных полиграфических машинах и аппаратах (Сканерсканерах, Рекордеррекордерах, Фотоаппаратфотоаппаратах и др.) требуется точная информация о местоположении или перемещении того или иного узла - объектива, фотоголовки, записывающего инструмента и т.п. В таких ситуациях наибольшую точность обеспечивают, как правило, оптоэлектронные преобразователи линейных и угловых перемещений в электрический сигнал, зачастую выдаваемый в виде импульсов, подготовленных к восприятию дискретными логическими схемами и компьютерами.

В типовых оптоэлектронных Преобразователь линейных перемещенийпреобразователях линейных перемещений (согласно стандарту на техническую документацию в наименовании изделий первое слово должно быть именем существительным, в данном случае - преобразователь оптоэлектронный линейных перемещений, сокращенно ПОЛП) информация снимается чаще всего несколькими фотоприемниками (работающими в отраженном или проходящем свете) с перемещаемой вдоль них кодовой линейки (соответственно стеклянной или металлической), на которой с высокой степенью точности нанесены микроштрихи, ширина которых и расстояние между ними измеряются микрометрами. Схема, поясняющая принцип действия такого преобразователя, работающего в отраженном свете ссылка на источники литературы, приведена на рис. 3.5Рис. 3.5. Схемы и диаграммы выходных сигналов преобразователя линейных перемещений.

На каретке, линейное перемещение которой требует контроля, размещается измерительный блок ПОЛП, обращенный рабочим окном к кодовой линейке. Чем выше требования к точности контроля перемещений (а это могут быть даже доли микрометра), тем тоньше должны быть риски микроштрихов и тем чаще они должны быть нанесены на линейку. Однако, когда счет идет на микрометры, следует помнить о Дифракциядифракции и о длине волны излучателя - естественных ограничителях возможностей кодовой линейки и оптических измерений. Применение четырех фотоприемников и соответственно четырехщелевой диафрагмы позволяет измерять перемещения, в 4-8 раз меньшие шага штрихов линейки.

Ширина щелей диафрагмы равна ширине штрихов линейки, а шаг щелей в 1,25 раза больше шага ее штрихов. Поэтому если, например, в какой-то момент перемещения щель А полностью совпадает со штрихом линейки, то щель В в этой позиции уже пройдет половину ширины соседнего штриха, щель C совместится точно с пробелом между штрихами, а в щели D покажется первая половина нового штриха.

Каждый из четырех фотоприемников нацелен на свою щель в диафрагме, поэтому на фотоприемник А будет падать минимальный световой поток, отразившийся от закрывшего щель темного штриха, на фотоприемник С - максимальный, а на В и D - средний между максимальным и минимальным. При перемещении диафрагмы вдоль линейки сигнал каждого фотоприемника будет, следовательно, плавно изменяться по синусоидальному закону, со сдвигом по фазе на 90° относительно сигналов соседних фотоприемников.

Если вспомнить, что у фотоприемников (Фотосопротивлениефотосопротивлений, Фотодиодфотодиодов, Фототранзисторфототранзисторов - элементов, чаще всего применяемых для таких целей, в данном же случае более подходящим является фотодиод как наименее инерционный элемент) при их освещении внутреннее сопротивление падает, а при затемнении - резко возрастает, то при подключении такого элемента к источнику стабилизированного питания последовательно с постоянным сопротивлением (см. схему платы электроники на рис. 3.5Рис. 3.5. Схемы и диаграммы выходных сигналов преобразователя линейных перемещений) образуется делитель напряжения, потенциал средней точки которого будет максимальным (относительно общей шины фотоприемников) при наблюдении штриха и минимальным - при наблюдении пробела.

Таким образом, на один шаг линейки (штрих и пробел) датчик ПОЛП выдаст четыре амплитудных максимума синусоидальных сигналов, сдвинутых друг относительно друга на 90°. Схема платы электроники позволяет превратить эти сигналы в череду равноотстоящих друг от друга прямоугольных импульсов - по четыре импульса на каждый шаг линейки. С этой целью к тому же источнику питания подключен делитель напряжения на двух постоянных сопротивлениях, со средней точки которого относительно общей шины снимается постоянное напряжение U0 , равное среднему значению между максимальным и минимальным сигналами фотоприемника. Если подать это напряжение на инвертирующий вход операционного усилителя, работающего в режиме компаратора (сравнивающего два напряжения и выдающего сигнал на выходе, при наличии большего напряжения на неинвертирующем входе ссылка на источники литературы), а на неинвертирующий - сигнал с фотоприемника, то на выходе компаратора (K) будет присутствовать положительный постоянный сигнал при превышении сигналом фотоприемника уровня U0 (см. диаграммы сигналов Ua - U0 и Ka , U0 - U0 и K0 , Uc - U0 и Kc , Ud - U0 и Kd на рис. 3.5Рис. 3.5. Схемы и диаграммы выходных сигналов преобразователя линейных перемещений). Далее, по передним фронтам сигналов Ka , Kb , Kc и Kd на выходах формирователей импульсов (F) своевременно будут сформированы счетные импульсы Fa , Fb , Fc и Fd . Подав эти импульсы на схему совпадения, с ее выхода можно снимать уже последовательность счетных импульсов - по четыре импульса на каждый шаг кодовой линейки.

Таким образом, имея, скажем, шаг линейки 20 мкм, можно контролировать линейные перемещения на каждые 5 мкм (в ссылка на источники литературы приводятся данные о возможности контроля подобными преобразователями перемещений в 0,1 мкм).

Кроме ПОЛП в полиграфических машинах ротационного типа находят применение подобного рода преобразователи для контроля угловых перемещений.

Знание точного углового положения вращающегося барабана или цилиндра обязательно при сканировании или построчной записи информации во многих видах полиграфического оборудования - от барабанных сканеров до офсетных печатных машин. В подобных случаях задача часто решается с помощью Преобразователь угловых перемещенийоптоэлектронных преобразователей угловых перемещений (ПОУП).

В таких преобразователях основными элементами являются кодовый диск и одна или несколько Оптопараоптопар «источник света - фотоприемник». Все многообразие этих приборов можно разделить на два класса - приборы накопительного типа и приборы прямого отсчета угла. В приборах накопительного типа угловое перемещение определяется по числу импульсов фотопреобразователя, полученных при повороте кодового диска, на котором нанесены с равным шагом темные риски на светлом фоне (в датчиках отражательного действия) или те же темные риски на прозрачном стекле (в датчиках, работающих на просвет). Кроме того, в простых приборах используются и непрозрачные диски с перфорированными отверстиями в виде круглых дырочек или щелевых прорезей (см., например, рис. 4.5Рис. 4.5. Принцип действия ручного сканера и его оптоэлектронные компоненты). Как правило, при включении прибора накопительного типа в работу его необходимо установить в начальное положение - заранее известную угловую позицию, считающуюся нулевой. Здесь следует добавить, что существуют наипростейшие приборы с кодовым диском, имеющим всего одну щель (или вырез) - такой прибор дает всего один импульс на оборот, называется цикловым датчиком и является одновременно и накопительным (если считать число оборотов) и прибором прямого отсчета (поскольку единственный импульс приходится на одно и то же угловое положение диска).

Приборы прямого отсчета имеют более сложные кодовые диски. Как правило, на таком диске присутствует несколько дорожек в виде концентрических окружностей, с размеренным чередованием темных и светлых (или прозрачных) дужек. Если взять для примера диск, изображенный на рис. 3.6Рис. 3.6. Коды дисков, схемы и диаграммы сигналов преобразователей угловых перемещений, то можно отметить, что на ближайшей к центру диска окружности имеется всего одна темная полуокружность (с раствором угла в 180°) и один пробел. На следующей от центра окружности темных дужек вдвое больше (так же, как и пробелов), а раствор угла соответственно в 2 раза меньше и т.д.

Если каждая из окружностей пересекает оптическую ось соответствующего фотоприемника (как правило, фотодиода), то на темных ее участках с выхода фотоприемника будет сниматься напряжение, практически равное напряжению источника питания (темновое сопротивление фотодиода велико), а на светлых - падение напряжения на фотоприемнике будет близко к нулю. Таким образом в приборе организовано преобразование угла в двоичный код (выражающий числовые величины в виде нулей и единиц): самая ближняя к центру диска окружность представляет старший разряд двоичного кода углового положения диска, а самая дальняя от центра - младший разряд.

Известно, что в двоичной системе счисления младший разряд представляет всего два числа - 0 и 1, двумя разрядами выражается уже четыре числа (0, 1, 2, 3), третий разряд добавляет к ним еще четыре (4, 5, 6, 7), т.е. прибавление каждого нового разряда удваивает количество представляемых значений. Изображенный на рис. 3.6Рис. 3.6. Коды дисков, схемы и диаграммы сигналов преобразователей угловых перемещений диск имеет четыре кодовые окружности (четыре двоичных разряда), значит, поворот диска может идентифицироваться 16 позициями и единица младшего разряда соответствует углу поворота в 22,5° (если взять больше разрядов, то можно добиться точности определения угла вплоть до долей градуса).

Преимущество приборов прямого отсчета состоит в том, что каждому угловому положению диска соответствует свой двоичный код и нет необходимости запоминать предыдущую или начальную угловую позицию. Линией считывания кода является прямая ON0 , на которой находятся фотоприемники 1, 2, 3 и 4 с одной стороны диска (их позиции на линии ON0 показаны кружочками) и источник света SL - с другой (на рис. 3.6Рис. 3.6. Коды дисков, схемы и диаграммы сигналов преобразователей угловых перемещений - за диском). Источником света в таких приборах служит, как правило, лампа накаливания, так как здесь нет необходимости модулировать исток света (поскольку информация вводится кодовым диском), а лампа может дать мощный широкий поток света, охватывающий все оптические каналы.

Исходному положению соответствует код 0000. Если диск повернуть по часовой стрелке до позиции ОА, то на линии считывания окажется кодовая комбинация, обозначенная линией ON (0010). Для примера на рисунке указано еще несколько кодовых комбинаций (0110, 1001, 1101), соответствующие им позиции на диске и выходные сигналы фотоприемников, работающих по приведенной схеме.

Наряду с очевидными достоинствами приборы с простым двоичным кодом имеют недостаток, ограничивающий область их применения, - переход от одной кодовой комбинации к другой должен происходить строго одновременно по всем фотоприемникам и малейшие несовпадения приведут к погрешности в определении углового положения. В этом отношении более совершенным является двоично-сдвинутый код, называемый также Код Баркеракодом Баркера ссылка на источники литературы. Для пояснения принципа построения кода Баркера на рис. 3.6Рис. 3.6. Коды дисков, схемы и диаграммы сигналов преобразователей угловых перемещений приведена развертка диска.

Особенностью двоично-сдвинутого кода является представление каждого разряда, кроме младшего, двумя дорожками (подразрядами) - а и b с возможностью считывания одной из них по следующему алгоритму: если предыдущий разряд кодовой комбинации 0, то значение следующего разряда считывается по его дорожке а; если же 1- то значение следующего разряда определяется по дорожке b. Дорожки построены так, что зоны 1 (и соответственно 0) подразряда b сдвинуты относительно подразряда а на половину своей ширины; зоны младшего разряда расположены по центру зон а второго разряда; зоны подразряда а каждого следующего разряда сдвинуты на четверть ширины зоны подразряда а предыдущего разряда. Такое построение и алгоритм считывания исключают возможность ошибок на границах соседних разрядов при изменении углового положения диска, так как границу пересекает только фотоприемник младшего разряда, а остальные, участвующие в считывании кода при этом располагаются заведомо внутри кодовой зоны. Для иллюстрации сказанного на развертке диска по коду Баркера кружочками выделены зоны уже упомянутых кодов: 0000, 0110, 1001, 1101 (возрастание чисел на развертке справа налево) и приведена соответствующая схема прибора (схемы на рис. 3.6Рис. 3.6. Коды дисков, схемы и диаграммы сигналов преобразователей угловых перемещений приведены без логических элементов, принцип работы которых требует отдельных пояснений и увел бы изложение от главной темы, а схемы съема сигналов с фотоэлементов в данном случае аналогичны схеме, приведенной на рис. 3.5Рис. 3.5. Схемы и диаграммы выходных сигналов преобразователя линейных перемещений.

Приборы накопительного типа проще в изготовлении и не требуют подробных пояснений принципа действия. Наиболее точные из них также содержат стеклянный кодовый диск с рядом кодовых дорожек, осветитель в виде лампы накаливания и несколько фотоприемников (соответственно дорожкам), в качестве которых чаще всего применяются фотодиоды. На рис. 3.7Рис. 3.7. Конструкция и диаграммы сигналов преобразователя «угол - код» IRC-111 приведена конструкция и диаграммы сигналов чешского преобразователя «угол - код» накопительного типа IRC-111, а ниже приводятся его технические характеристики:

Число цикловых импульсов на оборот диска 1
Число тактовых импульсов на оборот диска 1000
Напряжение, соответствующее 1, В 3,5-5
Напряжение, соответствующее 0, В 0,1-2
Напряжение питания электронных элементов, В 5
Напряжение питания осветителя, В 6
Последовательности тактовых импульсов:
- прямая
- инверсная
- прямая со сдвигом на 0,5 длительности импульса
- инверсная со сдвигом на 0,5 длительности импульса
 
Скважность (отношение длительности периода к длительности импульса) 2

Прямая или инверсная последовательности выбираются с учетом полярности питания логических схем. Последовательность тактовых импульсов со сдвигом в 0,5 импульса относительно основной дает возможность логическим элементам определять, в какую сторону осуществляется вращение (в зависимости от этого на схему, определяющую направление вращения оси преобразователя, первым будет приходить либо основной, либо сдвинутый импульс).

В заключение следует отметить, что подобные приборы выпускают многие производители (в том числе и отечественные) на разное число тактовых импульсов (500, 1000, 2500, 5000, 10000 и более), разных размеров и конструктивного оформления. В полиграфии они применяются не только для контроля углового положения валов и цилиндров, но и для слежения за линейными перемещениями - установка такого прибора, например, на ходовой винт одноножевой бумагорезальной машины позволяет отслеживать перемещения подавателя стопы бумаги (подробнее об этом см. соответствующий раздел гл. 4).

Рассматривая применение типовых оптоэлектронных приборов в качестве датчиков контроля полиграфических процессов, необходимо кратко остановиться на применении для этих целей световодов и использовании в полиграфии типовых волоконно-оптических устройств.

В реальных условиях довольно часто встречаются ситуации, когда для подачи или съема оптического сигнала требуется применение Световодсветоводов. Это может определяться компактностью конструкции оборудования либо невозможностью размещения приемника, традиционной оптики или источника (осветителя) в требуемом месте из-за их размеров, необходимостью разветвления или сбора светового потока по нескольким каналам, потребностью в четком представлении на плоскости (торце световода), увеличении или уменьшении площади анализируемого участка и т.п. Для этих целей используются типовые решения в виде ординарных светопроводов в стандартном обрамлении, жгуты разветвленных световодов (ответвителей и коллекторов), фоконы, световоды с упорядоченной (регулярной) укладкой волокон и др. Примеры перечисленных типов световодов приведены на рис. 3.8Рис. 3.8. Примеры световодов различных типов.

Световод ординарный Ординарный световод представляет собой гибкий жгутик из оптических волокон, склеенный или спеченный у концов, диаметром в доли миллиметра (может быть и больше и меньше), заключенный в резиновую (или пластмассовую) трубочку с металлическими наконечниками, отшлифованными по торцу заподлицо со светопроводом. Наконечники могут иметь резьбу для соединения с другими деталями оптической системы.

Световод может изгибаться по любому естественному радиусу, не выводящему луч за границу предельного угла полного внутреннего отражения (разумеется, не следует перегибать световод до залома волокон). Примером применения одиночного световода в полиграфической технике может служить оптическая схема прибора спектрального контроля СРС-21 фирмы HeidelbergHeidelberg, приведенная на рис. 4.15Рис. 4.15. Оптическая схема спектрофотометра (см. гл. 4).

Световод разветвленный Разветвленные световоды предназначены либо для разделения (ответвитель) входного светового потока на несколько выходных, либо для сведения (коллектор) нескольких автономных оптических потоков, как правило информационных, к одному пучку. Волоконно-оптический ответвитель часто применяются для разведения света от мощного источника по нескольким каналам, когда требуется обеспечить в множестве точек идентичное локальное освещение (например, при одномоментных измерениях оптической плотности в динамике процесса печати на машине по полосе контрольных меток). Если в ответвителе укладка волокон общего жгута может быть достаточно произвольной, то световод-коллектор отличается упорядоченностью расположения жгутиков ветвей в торце общего пучка. Они могут располагаться, например, в линию, в сотовом либо каком-то ином порядке. Это дает возможность создать на выходе коллектора из оптических сигналов отдельных ветвей фрагмент изображения. Пример использования такого световода коллектора приведен на рис. 4.10Рис. 4.10. Схема оптоэлектронных элементов рекордера серии Linotronic (см. гл. 4). В нем по восьми автономно модулируемым каналам создается линейный фрагмент половины растрового квадрата (весь квадрат - 16×16).

Световоды с полностью упорядоченной укладкой (см. рис. 3.8Рис. 3.8. Примеры световодов различных типов) используются в случае необходимости передачи изображения или его фрагмента без искажений из одной точки пространства в другую (не находящиеся, как правило, на одной оптической оси). Если входное и выходное изображение соосны, то могут применяться не гибкие, а жесткие волоконно-оптические световоды, отдельные волокна у которых скреплены (склеены) друг с другом. К этому типу световодов относятся и фоконы (Фокон фокон - фокусирующий конус), волокна которых имеют переменную площадь сечения по длине. Диаметры отдельных волокон могут быть в пределах 5-75 мкм, так что с полиграфической точки зрения фоконы вполне приемлемы по разрешающей способности. Это позволяет не только передавать, но и масштабировать изображение - уменьшать или увеличивать в зависимости от того, каким концом (расширенным или суженным) фокон обращен к источнику изображения.

Отдельные волоконно-оптические элементы эффективны при передаче оптической информации на небольшие расстояния, как правило, внутри корпуса или блока одного аппарата, машины. Для связи объектов, обменивающихся оптическими сигналами внутри одного помещения, здания или находящихся на больших расстояниях (в полиграфических технологиях нередки ситуации, например, передача газет на расстоянии, при которых осуществляется передача оцифрованных данных из города в город, из страны в страну, с континента на континент), требуются оптоэлектронные компоненты другого уровня - волоконно-оптические кабели, элементы интегральной оптики и другие специфические устройства связи, из которых образуются системы оптической связи. Многие из этих компонентов являются типовыми оптоэлектронными элементами, но так как полиграфисты пользуются ими в качестве потребителей услуг связи (подобно почте, телефону, телевидению), в данном кратком курсе оптоэлектроники они не рассматриваются.

Тем не менее некоторые сведения о возможностях линий оптической связи представляют интерес, так как позволяют осознанно выбирать оптимальное решение той или иной производственной задачи. К примеру, по оптическим кабелям без регенерации (промежуточного усиления, компенсирующего затухание сигнала на большом расстоянии) можно передавать информацию (в том числе видеосигналы) на сотни километров. Учитывая, что частота оптических колебаний на много порядков выше частот радиодиапазона, информация по таким линиям связи передается более эффективно - быстрее и с меньшими потерями, что существенно при работе с оцифрованными изображениями. В качестве ориентира необходимой скорости передачи данных от различных источников информации ниже приводится выборка из материала на эту тему, опубликованного в книге японских авторов ссылка на источники литературы.

Ширина полосы пропускания, основная частота и скорость передачи данных для различных видов сигналов

Вид информации  Полоса Основная частота Скорость передачи
Телефон 4 кГц 8 кГц 64 Кбит/с
Телевизионное изображение 4 МГц 8 МГц 32 Мбит/с
Высококачественное телевизионное изображение   30 МГц 60 МГц 504,3 Мбит/с

По отечественным источникам ссылка на источники литературы, использование сверхбыстродействующих лазеров и фотодиодов позволило довести скорость передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи до 1 Гбит/с. Такая скорость кажется запредельной при сравнении со скоростью передачи, например, факсимильной информации по обычным телефонным линиям связи, составляющей несколько десятков килогерц. Однако, если представить, что одна цветная журнальная иллюстрация содержит объем информации в десятки мегабайт (об этом более подробно см. гл. 4), то становится понятным желание пересылать информацию еще быстрее.

Если вернуться к оптоэлектронике, ставшей привычной на полиграфических предприятиях, то в типографиях, оснащенных современным оборудованием, где происходит постоянный информационный обмен между рабочими станциями, серверами, вводными и выводными устройствами, устройствами хранения информации и другим оборудованием, прокладывают волоконно-оптические линии связи. Иллюстрацией этому может служить схема, реализованная в московской типографии им. А.С. Пушкина ссылка на источники литературы (рис. 3.9Рис. 3.9. Схема волоконно-оптических линий связи, реализованная в московской типографии им. А.С. Пушкина).

Переходя от вопросов получения информации к проблемам ее рационального хранения и использования, необходимо отметить, что хранение информации в удобной для пользователя форме осуществляется зачастую также с применением типовых оптоэлектронных средств.

Традиционные средства хранения информации на магнитных носителях (пленках, дисках и т.п.) играют важную роль в любой системе цифровой обработки информации. Однако технические возможности собственно магнитных средств записи, например, по такому параметру, как плотность записи (определяется количеством единиц информации на единицу площади носителя), видимо, близки к предельным. Поэтому, несмотря на очевидные достоинства и практичность магнитных носителей (простота в эксплуатации, удобство доступа к информации, возможность многократной перезаписи на один и тот же носитель, налаженность производства и т.п.), необходимость удобного и компактного хранения все возрастающих объемов оперативной информации заставила разработчиков искать другие носители и способы записи на них.

Обратили внимание и на оптические запоминающие среды. В источнике ссылка на источники литературы приведены сведения о таких средах, небольшая выборка из которых дана в следующей таблице.

Оптические запоминающие среды и их характеристики

Kласс среды Механизм записи информации Разрешение (1/мм) Возможность перезаписи Время хранения
Фотографические материалы Восстановление галоидов серебра До 4000 Нет Не ограничено
Фоторезист Фотополимеризация, фотодеструкция До 5000 Нет До 10 лет
Термооптические материалы Испарение, плавление, образование пузырьков 1500 Нет До 10 лет
Магнитооптические материалы Перемагничивание в магнитном поле при нагреве лазером До 1000 Есть До 1 года

Поиск оказался результативным, и в 70-х годах появились первые Диск оптическийоптические диски. Речь идет о достаточно распространенных сегодня оптических компакт-дисках, сокращенно обозначаемых CD (compact disc). Широкое использование технологии хранения информации на оптических CD в нашей стране началось с конца 80-х годов. Изначально она применялась в аудиосистемах с целью повышения качества и плотности записи информации в цифровой форме. Сначала появились диски однократной записи - всем теперь известные CD-ROMCD-ROM (read only memory), запись которых осуществлял производитель дисков, затем была реализована возможность записи (но тоже однократно) и у потребителя - CD-WORMCD-WORM (write only read multiply). Позже родился симбиоз магнитной и оптической технологий - магнитооптические носители и способ записи на них, совместившие высокую плотность записи, присущую оптическим дискам, с возможностью многократной записи, стирания и чтения - достоинством магнитных носителей.

Запись цифровой информации на CD-ROMCD-ROM осуществляется источником лазерного излучения, что позволяет увеличить плотность записи по сравнению с магнитной более чем на два порядка (600 Мбайт и более на диск диаметром 120 мм в сравнении с еще используемыми в то время 5-дюймовыми флоппи-дисками, имевшими объем памяти около 1,4 Мбайт). Информация записывается в виде углублений - Питпитов (англ. pit - ямка, углубление), по концентрическим дорожкам.

Размер пита (эллипсоидного по форме) около 1 мкм при глубине порядка 0,5 мкм, расстояние между дорожками 1,6 мкм, плоскость диска, где нанесена запись (называемая сигналограммой), металлизирована для лучшего отражения считывающего лазерного луча. Для защиты записи от механических повреждений сверху припрессовывается слой прозрачного пластика (поликарбоната), аналогичного материалу подложки диска. Диски могут быть и двусторонними (как бы склеенными тыльными сторонами), и в этом случае объем памяти удваивается. Схема хранения и получения информации с диска ссылка на источники литературы приведена на рис. 3.10Рис. 3.10. Схемы записи и чтения оптических дисков.

Считывание информации с оптического диска, как и запись, осуществляется с помощью лазерного луча. Луч лазерного диода коллимируется микрообъективом и попадает на светоделитель, пропускающий только линейно поляризованный свет одного направления (другие отражаются). Пройдя через четвертьволновую пластину, приводящую к сдвигу фаз составляющих (см. о поляризации света и рис. 2.15Рис. 2.15. Поляризация света) суммарной световой волны на 90° (четверть волны), луч отражается от отклоняющего зеркала и фокусируется микрообъективом на плоскость сигналограммы оптического диска.

Оптика отъюстирована (отлажена) таким образом, что если луч попадает на пит, в углубление, то он слегка расфокусируется, и, следовательно, мощность лучей, отраженных от пита и от участка нулевого сигнала, будет различной. Отраженные от диска световые лучи проходят вновь через микрообъектив, зеркало, четвертьволновую пластину до светоделителя. Но на этом пути, вследствие сдвига фаз еще на четверть волны, направление поляризации света изменится относительно исходного луча суммарно уже на 90° (при сдвиге фаз на полволны) и светоделитель не пропустит свет, модулированный информационным сигналом от диска, а отразит его в сторону фотоприемника.

Диск оптический однократной записиОптические диски однократной записи и многократного чтения используют свойства термооптических материалов (см. CD-WORM на рис. 3.10Рис. 3.10. Схемы записи и чтения оптических дисков). Запись производится тепловым воздействием лазерного луча на рабочий слой. В результате нагрева необратимо изменяются оптические свойства этого участка. Есть по крайней мере три варианта формирования «питов» (только в одном из вариантов образуется на самом деле углубление) на таких дисках.

В первом используется рабочий слой в виде пленки легкоплавкого материала, например теллура или его соединений, толщиной всего 0,03-0,06 мкм. Под действием лазерного луча слой испаряется и образуется воронка (углубление, пит), фиксирующая информацию о сигнале.

Во втором варианте диэлектрическая пленка с низкой температурой испарения покрыта тонким слоем металла, имеющего в исходном состоянии минимальный коэффициент отражения. Локальный нагрев участка лазерным лучом приводит к испарению пленки под металлом, и образующийся при этом пузырек газа вздувает поверхность металлического слоя, увеличивая его отражательную способность. В этом случае информационными являются вздутые бугорки.

Третий вариант основан на эффекте изменения под действием лазерного нагрева состояния полупроводникового рабочего слоя. При повышении температуры полупроводник переходит из кристаллического состояния в аморфное, не отражаясь на геометрии поверхности, но такой фазовый переход сопровождается изменением оптических свойств материала ссылка на источники литературы.

Оптические диски с возможностью многократной записи, чтения и стирания называются Диск оптический реверсивный реверсивными. Одна из технологий практически повторяет предыдущий вариант, но в данном случае фазовые превращения являются обратимыми. Полупроводниковый рабочий слой на базе окиси теллура, легированной германием или оловом (есть и другие материалы) при обработке коротким лазерным импульсом переходит из кристаллического в аморфное состояние. Но при другом, более длительном режиме нагрева, совершается обратный переход (из аморфной фазы в кристаллическую), с соответствующим восстановлением исходных оптических свойств. Оптические диски, работающие по этой технологии, выдерживают до миллиона циклов записи-стирания.

Другая технология основана на использовании аморфных магнитооптических материалов с термомагнитным эффектом. Пленка из такого материала наносится на основу оптического диска (например, из уже упоминавшегося поликарбоната) тонким слоем, толщиной 0,02 - 0,1 мкм. Перед процессом записи пленка однородно намагничивается (на рис. 3.10Рис. 3.10. Схемы записи и чтения оптических дисков это обозначено в слое стрелочками, направленными вниз). Термомагнитный эффект заключается в том, что при нагреве материал может быть перемагничен слабым магнитным полем, тогда как намагниченность ненагретых участков останется прежней. Слабое магнитное поле соленоида действует в процессе записи на находящуюся перед ним область оптического диска, однако перемагничивание происходит только в тех участках, которые нагреваются лазерным лучом. Таким образом, плотность записи информации соответствует диаметру сфокусированного лазерного луча (порядка 1 мкм), а носитель информации - магнитный материал. Однако считывание в этом случае осуществляется также с помощью лазерного луча.

Если при записи выходная мощность Лазерлазера составляет 10 - 30 мВт, то при считывании она понижается до уровня 1-2 мВт и не нагревает рабочий слой. Немодулированный поляризованный луч лазера сканирует (просматривает) дорожку записи и, отражаясь, попадает на фотоприемник. Оптическая схема (с использованием светоделителей) способна отличить небольшие повороты плоскости поляризации отраженного луча. А луч, отраженный от намагниченного материала, в соответствии с Эффект Керраэффектом Керра, как раз испытывает поворот плоскости поляризации на некоторый угол, значение и направление которого зависят от параметров намагниченности рабочего слоя. Таким образом воспроизводится записанная на диске информация.

Магнитооптические реверсивные диски обеспечивают десятки миллионов циклов стирания-записи и объемы памяти в несколько гигабайт. В перспективе устройства хранения информации на магнитооптических дисках способны заменить используемые в компьютерах накопители винчестерского типа ссылка на источники литературы. Они находят все более широкое применение в современных полиграфических технологиях в качестве устройств хранения больших объемов информации при подготовке изданий к печати. Примером такого использования может служить схема издательского комплекта оборудования, рекомендуемая московской фирмой Х.Г.С.-Центр«Х.Г.С.-Центр» ссылка на источники литературы, являющейся распространителем полиграфического оборудования ведущих зарубежных фирм на территории нашей страны (рис. 3.11Рис. 3.11. Схема издательской системы с магнитооптическим накопителем).

В заключение необходимо отметить, что значительно большую плотность размещения информации обеспечивают голографические запоминающие устройства, способные хранить данные в объеме оптической среды. Такие устройства используются в мощных вычислительных комплексах ссылка на источники литературы, но в полиграфии пока не распространены, поэтому в данном курсе не рассматриваются.

Рассмотрев типовые оптоэлектронные устройства получения, передачи и хранения информации, следует обратиться к устройствам ее отображения - индикаторам, экранам, дисплеям.

Оптоэлектронные индикаторы нашли самое широкое применение уже с начала 70-х годов практически во всех областях человеческой деятельности, включая быт (часы, калькуляторы и т.п.). С внедрением в практику цифровых устройств стрелочные приборы и газоразрядные лампы были оттеснены на периферию индикаторной техники, где не исчезли, а заняли свои ниши благодаря простоте и неприхотливости. Их место (и не только их, а свое собственное, в качестве цифровых и графических) заняли Индикатор светодиодныйсветодиодные, а затем и Индикатор жидкокристаллическийжидкокристаллические индикаторы. Нашли свое место в этой области также плазменные и люминесцентные индикаторные панели и дисплеи.

По виду отображаемой информации Индикаториндикаторы подразделяют ссылка на источники литературы на единичные, цифровые, буквенно-цифровые, шкальные, мнемонические и графические. В качестве единичных сегодня, как правило, используются Светодиодсветодиоды зеленого, красного или желтого цвета свечения, поскольку они экономичны, долговечны и не требуют особой конструктивной привязки - припаянные к любой электронной плате двумя ножками, они уже готовы к работе. Ни один электронный прибор практически не обходится без таких индикаторов, если он выдает хотя бы информацию о включении своего питания. В гл. 2 (п. 2.2.1) достаточно подробно описаны излучающие диоды, поэтому нет необходимости их отдельного рассмотрения в качестве индикаторов.

Большим разнообразием отличаются Индикатор цифровойцифровые, Индикатор буквенно-цифровойбуквенно-цифровые и Индикатор шкальныйшкальные индикаторы. Назначение их ясно выражено в названиях. Различаются они конструктивным исполнением, размерами, принципом действия (газоразрядные, люминесцентные, светодиодные, жидкокристаллические). Наиболее распространены в настоящее время Индикатор светодиодныйсветодиодные и Индикатор жидкокристаллическийжидкокристаллические как самые экономичные. Индикатор люминесцентныйЛюминесцентные обладают более ярким свечением и применяются, например, в цеховых условиях, где наблюдение за панелью управления может вестись со значительного расстояния (в несколько метров), если оператор отходит от пульта к какой-либо зоне обслуживания машины, скажем, печатной или отделочной.

Самыми типичными в этом классе являются Индикатор одноразрядныйодноразрядные (при необходимости из них набираются индикаторы любой разрядности) семисегментные цифровые индикаторы, основанные, к примеру, на Линейка светодиоднаясветодиодной линейке (см. п. 2.2.1), но с характерным расположением излучателей - светодиоды выполнены в виде удлиненных кирпичиков, располагаемых в прямоугольном окошке в форме восьмерки - по два вертикально слева и справа, а горизонтально - в середине, сверху и снизу фигуры, что позволяет синтезировать любую цифру от 0 до 9.

Примерно также выполняются шкальные индикаторы, только элементы размещаются бок о бок в линию, которую, как метрическую линейку, можно располагать по необходимости горизонтально или вертикально. Из таких шкал удобно собирать индикационную панель для наблюдения за значениями множества однотипных параметров, например значениями зональной подачи краски в печатных машинах (краскоподающий узел каждой красочной секции печатной машины может иметь по 20-40 зон локального регулирования подачи краски ссылка на источники литературы).

Буквенно-цифровые индикаторы чаще строятся на основе матриц (например, тех же светодиодных - см. п. 2.2.1.), а не сегментных линеек, так как начертание у букв более разнообразно, чем у цифр. Отдельные индикаторы (как правило, 5×7 элементов), собранные в линию или табло, позволяют создавать уже строки или странички текстов таблиц. Такими индикаторами оснащаются пульты управления некоторых полиграфических машин (например, крышкоделательных машин фирмы HёraufHёrauf ссылка на источники литературы).

Индикатор мнемоническийМнемонические индикаторы выполняются как в форме отдельных символов (треугольник, квадрат, круг, прямоугольник), так и в виде табло с набором символов, знаков и схем, отображающих в условной и понятной для оператора форме отдельные технические узлы или состав машины в целом. Единичные индикаторы выполняются чаще на светодиодной основе, а табло - на люминесцентной или плазменной. В таких индикаторах один из двух электродов выполняется в форме изображаемого символа, а второй, прозрачный, перекрывает габаритную площадь фигуры или всего табло. Примером мнемонических плазменных индикаторов могут служить табло на пультах управления СРС печатных машин немецкой фирмы Heidelberg ссылка на источники литературы.

Индикатор графическийГрафические индикаторы, как правило, используются в составных средствах отображения информации, представляя буквы, цифры, символы, графики и другие изображения без потери информации в местах стыковки. Предназначенные для работы в составе цифровых систем, они имеют обычно число элементов, согласованное с бинарной системой счисления (8×8, 16×16 и др.) и создаются на базе Матрица светодиоднаясветодиодных, Матрица жидкокристаллическаяжидкокристаллических или Матрица газоразряднаягазоразрядных матриц.

Примером использования графических индикаторов может служить панель управления системы централизованного контроля офсетного печатного процесса (разработка ВНИИ полиграфии), в которой применены четыре газоразрядные панели типа ИМГ (индикатор матричный газоразрядный) для отображения данных о характеристиках оттисков и параметрах процесса на машинах типа ПОК84 ссылка на источники литературы. При необходимости отображения больших массивов информации в качестве индикаторов применяются экраны и дисплеи различных конструкций и принципов действия.

Компьютерные преобразования оцифрованного изображения осуществляются при постоянном контроле результатов обработки информации на экране Монитормонитора.

Специалисты проводят за Дисплейдисплеями основное рабочее время, и параметры этих устройств отражаются не только на качестве работы, но и на здоровье оператора. С другой стороны, сами мониторы могут эксплуатироваться в различных производственных условиях - от стерильных кондиционируемых помещений, защищенных даже от перепадов естественного света, до рабочей среды печатных цехов (при динамическом мониторинге качества продукции в процессе печатания). Для каждого конкретного случая сегодня можно подобрать монитор с оптимальными параметрами: размером экрана, разрешением, шагом пикселов, конструктивным исполнением, соответствующим набором калибровок и т.п.

На допечатной стадии подготовки издания к полиграфическому репродуцированию обычно используются мониторы с кинескопами (на электронно-лучевых трубках - CRT). Впервые разработку «катодной телескопии» с использованием электронно-лучевой трубки для получения изображений осуществил в 1907-1911 гг. преподаватель Петербургского технологического института Розинг Б.Л.Борис Львович Розинг (1869-1933). Схематическое устройство цветного кинескопа приведено на рис 3.12Рис. 3.12. Схема устройства кинескопа.

Электронные прожекторы, расположенные внутри стеклянной колбы кинескопа (по одному на каждый цвет RGB), генерируют потоки электронов, модулируемые по мощности управляющими видеосигналами. Для того чтобы электронные лучи достигли поверхности экрана кинескопа и заставили светиться нанесенные на нее люминофорные точки, образующие RGB-триады, требуется высокое напряжение, порядка 16-25 кВ. Каждая триада на экране образует изобразительный элемент - Пикселпиксел. Благодаря точной фокусировке электронных пучков, прецизионному изготовлению теневой маски (число отверстий в которой соответствует числу пикселов на экране) и тонкому сведению трех лучей в фокус при прохождении отверстия в маске удается расположить точки на экране с шагом 250-300 мкм. Очевидно, что чем меньше шаг, тем выше разрешающая способность экрана.

Разрешающая способность человеческого глаза (способность видеть два близко расположенных элемента раздельно) в среднем равна одной угловой минуте (1/60 углового градуса). С учетом этого для различных условий наблюдения изображения приходится добиваться различного экранного разрешения. Известно, что наилучшие условия наблюдения для человека заключены в углах обзора 20° по горизонтали и 15° по вертикали. Поэтому, скажем, у телевизионных экранов соотношение сторон равно 4:3 (то же, что 20:15), а число элементов разложения на телеэкране находится где-то на уровне 640?480 (для стандартов различных стран имеются небольшие расхождения). Такое экранное разрешение оправдано для телевидения, так как телевизор обычно смотрят с расстояния 1,5-2 м.

Оператору монитора тоже было бы желательно находиться от экрана на почтительном расстоянии. Электромагнитные поля, рентгеновское излучение, статическое электричество, мерцание кадров и блики на Экранэкране от внешних источников - весь это набор неприятных для здоровья, и в частности зрения, факторов усиливает эффект своего воздействия на человека при приближении его к экрану (особенно, ближе чем на 50 см). Но если текст на дисплее еще можно читать на удалении до метра, то при работе с изображением придется невольно приблизиться к экрану на расстояние порядка 50 см. На такой дистанции человеческий глаз уже способен различить детали с шагом в 150 мкм (тогда как на этом расстоянии телевизионное разрешение экрана с диагональю 52 см дает дискретизацию с шагом порядка 650 мкм). Это приводит к снижению четкости, исчезновению эффекта непрерывности изображения, что отрицательно отражается на восприятии его человеком. Конечно, на малых экранах (с диагональю 25-30 см или 10-11 дюймов) изображение будет более четким, но оператор вынужден в таком случае чуть ли не прилипнуть к экрану, чтобы различить мелкие детали и нюансы цвета.

Уменьшение размеров точек на экране до 250-280 мкм позволяет поднять Разрешение экранаэкранное разрешение (по сравнению с телевизионным) в 2-3 раза. В настоящее время существует широкий выбор мониторов с размерами экрана по диагонали 14, 15, 17, 19, 21 дюйм (36, 38, 43, 48 и 53 см соответственно), со стандартным экранным разрешением 640×480, 800×600, 1024×768, 1280×1024, 1600×1200 элементов.

Высокая разрешающая способность влечет за собой многократное увеличение требуемых объемов памяти и скорости передачи данных (как говорят специалисты в области обработки изображений - у компьютера не бывает слишком много памяти и он никогда не работает слишком быстро). И опять, чем совершеннее, тем дороже. Но работы простого уровня - малоформатные цветные (или просто полутоновые монохромные) изображения - могут выводиться для обработки на мониторы с размером по диагонали 14-17 дюймов и разрешением 640×480...1024×768. Работы среднего уровня требуют 19- или 21-дюймовых экранов с разрешением 1024×768...1280×1024. И только для продукции высокого класса следует выбирать самую лучшую технику. Но не следует экономить на охране здоровья.

Дисплей электронно-лучевойЭлектронно-лучевые дисплеи следует оснащать качественными защитными фильтрами (не только от электромагнитных излучений и статического электричества, но и поляризационно поглощающих блики от внешних источников света). Желательно также иметь экран с возможно большей частотой кадровой развертки (рекомендуется частота выше 80 Гц для снижения утомляемости). Насколько вредна для здоровья работа с электронно-лучевыми дисплеями, говорит тот факт, что в 1996 г. в нашей стране введено положение о запрете работы на мониторах женщин с момента установления беременности и кормящих матерей («Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным ЭВМ и организации работ», Санитарные правила и нормы 2.2.2.542-96, раздел 10.3).

Кроме опасности для здоровья мониторы на Кинескопкинескопах при всех своих достоинствах (в смысле качества изображения) имеют и другие недостатки (громоздкость, высоковольтное питание), которые накладывают ограничения на их использование в определенных условиях, например, если требуется портативность и транспортабельность (мониторы компьютеров класса notebook для сервисных служб и ремонтных бригад) или работа в типографских цехах, где возникают требования к ударопрочности, пыле- и влагонепроницаемости, пожаро- и взрывобезопасности.

В настоящее время поиск альтернативных CRT решений ведется в трех направлениях - речь идет о жидкокристаллических, Экран плазменныйплазменных и Экран электролюминесцентныйэлектролюминесцентных экранах. Структура Экран жидкокристаллическийжидкокристаллического экрана (в англоязычной литературе обозначается LCD - Liquid Crystal Display) схематично приведена на рис. 3.13Рис. 3.13. Устройство жидкокристаллического экрана ссылка на источники литературы.

Достижения тонкопленочной технологии (Thin Film Transistor technology - TFT) позволили разместить пленку с управляющими микросхемами внутри самого ЖК-экрана. В специальной литературе применительно к таким приборам употребляется термин «жидкий кристалл с активной матрицей». Внутри экрана размещена также пленка с RGB-фильтрами, а подсветка обеспечивается слоем белого люминофора постоянного свечения, расположенным за экраном. Таким образом, получается компактная, прочная плоская конструкция, хорошо совместимая с технологически родственными микросхемами компьютеров.

Разрешающая способность ЖК-экранов соответствует стандартам: 640×480 (VGA), 800×600 (SVGA) и 1024×768 (XGA), при размерах экранов по диагонали 9,4; 10,4; 11,3; 12,1; 13,3; 14,1; 15,1 дюйма. К уже перечисленным достоинствам жидкокристаллических дисплеев (компактность, жесткость конструкции, низковольтное питание, схемная совместимость с современной электроникой) можно добавить отсутствие сильных электромагнитных полей и вредных излучений, что допускает (если это необходимо) безопасную работу оператора с экраном на близком расстоянии, размещение таких мониторов в производственных цехах и даже непосредственно на работающем оборудовании. Но есть и недостатки. Один из них широко известен - суженный угол обзора: на ЖК-экран лучше всего смотреть, находясь прямо перед ним (правда, и здесь есть успехи - на выставке КОМТЕК-99 экспонировались ЖК-мониторы с углом обзора 120° по горизонтали и 110° - по вертикали ссылка на источники литературы). Есть ограничения и по сроку службы как самого ЖК-слоя, так и люминофорной подсветки (по данным отдельных источников ссылка на источники литературы, исходные параметры сохраняются только в первые два-три года работы). По стоимостным показателям ЖК-дисплеи заметно дороже эквивалентных (по рабочей площади экрана) электронно-лучевых. Уступают они и по яркости свечения, что существенно, так как цветовое зрение человека при низких яркостях заметно слабеет. Однако новейшие разработки в области LCD позволили создать профессиональные жидкокристаллические мониторы, отвечающие высоким требованиям полиграфических допечатных процессов, как, например Apple Studio Display ссылка на источники литературы.

По яркости свечения и по долговечности (срок службы около 20 лет) экраны, выполненные по электролюминесцентной технологии (Eletroluminescent technology - EL), значительно опережают LCD ссылка на источники литературы. Существенно шире у них и угол обзора - около 160°. Объясняется это тем, что ячейки EL-дисплеев сами являются источниками света (см. рис. 2.12Рис. 2.12. Схема люминесцентного экрана и гл. 2). Остальные конструктивные преимущества EL-дисплея (перед CRT) схожи с LCD. Поскольку первые образцы EL-полноцветных дисплеев только появились, возможности их в представлении цветных изображений пока не определены, но разработчики смотрят на перспективы этого направления с оптимизмом ссылка на источники литературы.

Больших успехов в последнее время достигли разработчики Экран плазменныйплазменных телевизионных экранов. Свои телевизионные плазменные дисплеи предлагают фирмы NishidenNishiden ссылка на источники литературы, ThomsonThomson ссылка на источники литературы, FujitsuFujitsu ссылка на источники литературы. Обладая достоинствами плоских экранов и свободные от недостатков электронно-лучевых мониторов, плазменные дисплеи имеют и некоторые преимущества в сравнении с LCD и EL. В отличие от LCD они обладают самосвечением и, следовательно, достаточной яркостью и хорошим углом обзора. В отличие от EL у них нет проблем с цветом. По-видимому, недостатком (не афишируемым) плазменных экранов является довольно крупный шаг между элементами (пикселами). Так, у дисплея ND20PD/S фирмы NishidenNishidenNishiden размер трехцветного элемента составляет 0,635?0,635 мм при размере экрана 465?365 мм. Параметры Plasmavision 42-03 фирмы FujitsuFujitsu следующие:

Размер по диагонали, мм 1056
Соотношение сторон 16 : 9
Разрешение, точек (трехцветных) 852×480
Контрастность 400 : 1
Угол наблюдения, град. 160
Цветовоспроизведение, млн. цветов 16,7
Поддерживаемое компьютерное разрешение VGA, SVGA, XGA
Ресурс, ч 30000

Из приведенных данных следует, что при указанных размерах экрана и разрешающей способности расстояние между центрами элементов (трехцветных) составляет 0,79 мм. Разработчики не уточняют, является ли крупный шаг плазменных экранов технологически неизбежным или это присуще только большим экранам (что оправдано для телевидения), а при меньших размерах дисплея и шаг будет уменьшен соответственно. Тем не менее приведенные характеристики свидетельствуют о конкурентоспособности плазменных дисплеев.

В этом плане интересна информация фирмы SHARPSHARP ссылка на источники литературы, которая сообщает о появлении дисплея, основанного на технологии PALC (plasma-addressed liquid crystal - жидкокристаллический с плазменным управлением). Суть технологии заключается в том, что вместо TFT-схем управления элементы жидкокристаллической матрицы открываются или закрываются с помощью плазменных электронных ключей. Благодаря более простой (по сравнению с TFT) структуре ключа заметно снижается стоимость дисплея, а его «плазменность» увеличивает угол обзора. Сообщается, что по технологии PALC можно создавать дисплеи с диагональю от 20 до 50 дюймов (0,5-1,3 м).

После завершения знакомства с типовыми оптоэлектронными приборами и устройствами, используемыми в полиграфических технологиях наравне с другими отраслями промышленности, можно обратиться к рассмотрению оптоэлектронных компонентов, применяемых в специализированной технике полиграфических предприятий и издательств.

© Центр дистанционного образования МГУП