Задачи машинного зрения и области его применения

 

 

 

 

Принципы построения лазерных выводных устройств

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

Окончание. Начало в № 5, 6` 2004.

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

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

 

Рис. 1. Оптическая система с телецентрическим ходом лучей 

 

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

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

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

 

Рис. 2. Оптическая система с послеобъективной разверткой 

 

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

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

.

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

,  

 

где — угол охвата внутренней поверхности барабана изображением формата l.

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

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

.

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

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

 

Рис. 3. Схема фокусировки лазерного  пучка 

 

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

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

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

 

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

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

Важным параметром световода является максимально допустимый угол:

.

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

,

где относительная разность коэффициентов  преломления  .

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

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

 

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

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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