一種滾筒成像的解析度切換方法及其裝置與流程
2023-11-07 19:11:32 2
本發明屬於滾筒類雷射光纖密排掃描成像設備，如光學繪圖機，雷射照排機，雷射直接製版機等的光學成像系統，特別涉及一種滾筒成像的解析度切換方法及其裝置。
背景技術：
在固定解析度的光纖密排掃描系統中，雷射像素信號通過多路單模或多模光纖，以密排的形式送出，透過大數值孔徑的精密透鏡組，按比例縮小成像到吸附或裝夾在勻速旋轉的滾筒上的膠片或版材表面。同時，由於光纖的斷面結構分為芯徑和折射包層，如多模光纖的直徑比為62.5/125um，雷射像素信號只在芯徑層傳輸。這樣從密排出來的光點之間是分離的，下一步將其成像，在像平面上其光斑也是分離的。這明顯不能滿足掃描要求。若用離焦的方法擴大像面光斑直徑，雖然可以彌合光斑間距，但會犧牲光斑的邊緣質量。也有方案是將光纖的外包層去除，使其光導層密接在一起。但這種方法即使成功，工藝難度會很大，批量成本很昂貴。
目前的解決方案是採用常規的密排方法構造光點分離的線陣列，但在安裝時使線陣列與滾筒水平母線保持一個夾角，使得線陣列中的光點投影到滾筒水平母線上時，光點直徑可以密接(如圖1)。但是一個傾斜的線陣列向水平面投影是不可能用光學方法實現的，這實際上是要求陣列中的本應同步輸出的各個光點(即光柵數據)行異步、分時地遞推延遲輸出，這就需要一個數據時序處理器對陣列光點激勵作延遲遞推，使傾斜的線陣列中所有光點分時的成像到水平線上，令光點以期望的解析度緊密排列和曝光。
在光纖數目不變的光纖密排成像設備的使用中，更高的成像解析度可明顯提升成像細節品質，但同時會令曝光整體耗時接近成比例的增加，從而導致設備的單位產能下降。因此，客戶希望根據其產品的具體成像品質需求和產能要求，自主實時選擇更合理的成像解析度，並迅速切換成功。
由上述成像原理可知，像素間點距由線陣列光纖芯距、透鏡組放大倍率、線傾斜傾斜角，以及數據時序處理器共同決定。而在變更解析度的技術方案選擇上，理論上更直接的應是變更透鏡組的放大倍率。因為透鏡組倍率變更的比例，直接體現出成像解析度切換的比例，而後上述所列的其餘幾個參數都不必更改，同時每個像素點的點徑也能同時跟隨切換。此方案的弊端的是，若只對透鏡組的放大倍率的簡單變更必定影響其數值孔徑，從而影響透鏡組自身的其他物理參數，如焦深、視場、物像距、解析度等。這為透鏡組的設計和系統設計帶來難題。例如，焦深與數值孔徑的平方成反比關係，因此如當成像像素解析度從8000DPI改變為16000DPI時，焦深將變得小得難以工程實現。
技術實現要素：
本發明的主要目的是提供一種滾筒成像的解析度切換方法及其裝置，實現根據產品的具體成像品質需求和產能要求，自主實時選擇更合理的成像解析度，並迅速切換成功。
本發明提出一種滾筒成像的解析度切換方法，步驟為：
1)變更光纖線陣列與滾筒母線的傾斜角度，同時數據時序處理器配合改變光點激勵延遲節拍量，令成像像素點距符合實際期望；
2)根據切換目標解析度的需求，再通過光控電路調整雷射器的光源激勵功率，從而得到準確點徑的光點光斑，令像素點點徑也符合要求；
在所述步驟1中，改變光纖線陣列傾斜角度的方法為：1.1)用一對精密軸承把線陣列座固定好，以確保其旋轉時的定位精度；1.2)再使用一個精確細分步進電機和用於調整線陣列角度的調節裝置，來確定光纖線陣列與滾筒母線的物理角度；
在所述步驟1中，光點激勵延遲調整方法為：1.3)在勻速旋轉的滾筒軸端安裝同步旋轉編碼器，編碼器信號指示出各個時刻旋轉滾筒的相角；1.4)對編碼器輸出信號作高倍數的細分，得到光電激勵延遲時鐘脈衝；當數據時序處理器接收了一組成像光電數據後，以線陣列內第一路光點的激勵時刻作為基準，其餘各光點的激勵時刻均比其前一光點激勵時刻滯後n個延遲參考時鐘脈衝：即同一組數據分時激勵，令成像光點間距滿足解析度需求的同時，又能使一組雷射成像到介質上的實際排列與滾筒母線平行。
本發明又提出一種線陣列角度調整裝置，包括底座、安裝在所述底座上的透鏡組、光纖密排、光纖密排安裝座、旋轉套、一對精密軸承、軸承固定座、電機、電機安裝座、光電傳感器、傳感器感應片、偏心軸套、旋轉擺臂和高剛度彈簧，所述光纖密排鑲套在所述光纖密排安裝座前部，所述透鏡組連接在所述光纖密排安裝座的後方，所述旋轉套套鎖在所述光纖密排安裝座的中部外壁，所述軸承鑲套在所述光纖密排安裝座的後端外壁，且所述軸承配合在所述軸承固定座上；所述電機的出軸端連接固定在所述電機安裝座上，所述電機的出軸從所述電機安裝座上的通孔伸出來連接所述偏心軸套，所述旋轉擺臂為L型設置，所述旋轉擺臂的橫臂置於所述偏心軸套的上方，所述偏心軸套在縱向支撐旋轉擺臂；所述旋轉擺臂的橫臂與所述旋轉套的外壁面連接鎖緊，所述高剛度彈簧的一端固定在所述底座上，另一端固定在所述旋轉擺臂的橫臂前端，對所述旋轉擺臂與偏心軸套起壓緊作用；所述傳感器感應片連接在所述電機出軸上，所述光電傳感器固定在所述電機安裝座上，所述傳感器感應片在零點位置遮蓋所述光電傳感器。
優選地，所述底座上固定有透鏡組安裝座，所述透鏡組安裝座上設有橫向貫穿的安裝孔，所述透鏡組貫穿固定在所述安裝孔中。
優選地，所述底座包括固定在其前端的連接板，所述電機安裝座豎向連接固定在所述連接板的前端，所述彈簧的下端固定在所述連接板上，上端固定在所述旋轉擺臂的橫臂前端。
本發明的滾筒成像的解析度切換方法及其裝置的有益效果為：
本發明的滾筒成像的解析度切換方法是通過改變密排陣列傾斜角度，再配合改變光點激勵延遲節拍量，同時改變雷射光功率，通過控制電路上的數據時序處理器改變光點激勵滯後的參考時鐘個數，光控電路對雷射器光功率作切換和穩定，實現成像解析度的切換。本發明的線陣列角度調整裝置主要是由細分步進電機和偏心軸套支撐並調節旋轉擺臂，旋轉擺臂與旋轉套與光纖密排安裝座隨動，從而改變光纖密排傾斜角度。實驗表明，此方案滿足光繪及照排和直接製版機對解析度切換的精度、重複性等設計要求。本發明能根據產品的具體成像品質需求和產能要求，自主實時選擇更合理的成像解析度，並迅速切換成功。
附圖說明
圖1為線陣列延遲校正原理圖。
圖2為本發明的線陣列角度調整裝置的結構示意圖。
圖3為光纖密排的相鄰兩路雷射激勵延遲示意圖。
本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。
具體實施方式
應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明的滾筒成像的解析度切換方法，其具體步驟為：
1)變更光纖線陣列與滾筒母線的傾斜角度，同時數據時序處理器配合改變光點激勵延遲節拍量，令成像像素點距符合實際期望；
2)根據切換目標解析度的需求，再通過光控電路調整雷射器的光源激勵功率，從而得到準確點徑的光點光斑，令像素點點徑也符合要求。
在步驟1中，改變光纖線陣列傾斜角度的方法為：用一對精密軸承把線陣列座固定好，以確保其旋轉時的定位精度；再使用一個精確細分步進電機和用於調整線陣列角度的調節裝置，來確定光纖線陣列與滾筒母線的物理角度。步進電機步距角的精確細分，以及角度調節裝置的角度解析度和重複一致性，是決定線陣列傾斜角度調整成功與否的關鍵。
在步驟1中，光點激勵延遲調整方法為：在勻速旋轉的滾筒軸端安裝同步旋轉編碼器，編碼器信號指示出各個時刻旋轉滾筒的相角。對編碼器輸出信號作高倍數的細分，得到光電激勵延遲時鐘脈衝。當數據時序處理器接收了一組成像光電數據後，以線陣列內第一路光點的激勵時刻作為基準，其餘各光點的激勵時刻均比其前一光點激勵時刻滯後n個延遲參考時鐘脈衝：即同一組數據分時激勵，令成像光點間距滿足解析度需求的同時，又能使一組雷射成像到介質上的實際排列與滾筒母線平行。
當光學系統接近理想狀態下，雷射透過光纖以及透鏡組後，成像光斑的能量密度分布圖應是高斯型或近高斯型的。當介質表面感光度一致的情況下，改變雷射器的瞬時激勵能量即光功率，則可令介質上的成像光斑的有效面積發生變化。因此，根據切換目標解析度的需求，光控電路調整雷射器光功率，從而得到準確點徑的光點光斑。
結合圖2，闡述本發明的線陣列角度調整裝置：
該線陣列角度調整裝置包括底座、安裝在底座上的透鏡組1、光纖密排7、光纖密排安裝座5、旋轉套4、一對精密軸承3、軸承固定座2、電機8、電機安裝座、光電傳感器9、傳感器感應片10、偏心軸套11、旋轉擺臂6和高剛度彈簧12。光纖密排安裝座5和軸承固定座2固定在底座上。底座上固定有透鏡組安裝座，透鏡組安裝座上設有橫向貫穿的安裝孔，透鏡組1貫穿固定在安裝孔中。光纖密排7鑲套在光纖密排安裝座5前部，透鏡組1連接在光纖密排安裝座5的後方，雷射源從光纖密排7送出，穿過光纖密排安裝座5的內部，進入光學透鏡組1，並成像到透鏡組1的後端。
旋轉套4套鎖在光纖密排安裝座5的中部外壁，一對軸承3鑲套在光纖密排安裝座5的後端外壁，且兩軸承3配合在軸承固定座2上。底座包括固定在其前端的連接板，電機安裝座豎向連接固定在連接板的前端。電機8的出軸端連接固定在電機安裝座上，電機8的出軸從電機安裝座上的通孔伸出來連接偏心軸套11。
旋轉擺臂6為L型設置，旋轉擺臂6的橫臂置於偏心軸套11的上方，偏心軸套11在縱向支撐旋轉擺臂6。旋轉擺臂6的橫臂與旋轉套4的外壁面連接鎖緊。高剛度彈簧12的下端固定在連接板上，上端固定在旋轉擺臂6的橫臂前端，彈簧12對旋轉擺臂6的置於偏心軸套11上的橫臂的前端施加向下的拉力，對旋轉擺臂6與偏心軸套11起壓緊作用。傳感器感應片10連接在電機8出軸上，光電傳感器9固定在電機安裝座上，傳感器感應片10在零點位置遮蓋光電傳感器9。
偏心軸套11縱向支撐旋轉擺臂6，同時彈簧12消除了偏心軸套11與旋轉擺臂6之間的反向間隙，而且旋轉擺臂6是鎖緊在旋轉套4上的，旋轉套4鎖緊在光纖密排安裝座5上，從而旋轉擺臂6與旋轉套4與光纖密排安裝座5隨動。因此，電機8與偏心軸套11的旋轉定位角度決定了光纖密排7的在一定範圍內的空間角度。光電傳感器9與傳感器感應片10確定了偏心軸套11的機械零點位置。
切換解析度時，只需給電機8送出目標定位指令，光纖密排7即可調整至範圍內的目標角度。電機8的出軸與偏心軸套11旋轉一周，對光纖密排7角度的調整量只需滿足成像解析度切換所需要的範圍，而且電機8可高倍數精確細分步距角，相當於對光纖密排7所需調整的角度行程作了高倍率的細分。因此，該結構足以達到光纖密排7調整角度的解析度和精度要求。
圖3為光纖密排的相鄰兩路雷射激勵延遲示意圖。
圖3中D0、D1：相鄰兩路雷射經過透鏡後的光斑物理位置。
θ角：光纖密排與滾筒母線的傾斜角度。
a：目標成像解析度的點距。
b：相鄰光點激勵滯後量
c：光斑物理點距
ck：延遲參考時鐘脈衝
其中，θ角由線陣列角度調整裝置設定，c由密排光纖芯距和透鏡組放大倍率決定，參考時鐘ck由滾筒同步編碼器信號作高倍率細分後得到，滯後量b則由n個參考時鐘ck組成。
解析度切換時，線陣列角度調整機構改變了θ角的角度，期望點距a伸縮至目標點距，則激勵滯後量b需作相應的改變，以滿足直角三角形的勾股定理。因此，此時需要改變組成滯後量b的參考時鐘ck的個數n。
當光纖密排內所有光點按上述方案調整滯後量，則一組成像光點排列與滾筒母線平行，而且點距滿足成像解析度要求。與此同時，光控電路對所有雷射器光功率作切換和穩定，令成像點徑達到解析度要求。
實驗結果表明，以上方案，可以滿足光繪及照排和直接製版機對解析度切換的精度、重複性等設計要求。
以上僅為本發明的優選實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。