Содержание к диссертации
Введение
Список сокращений и условных обозначений 2
Содержание 3
Введение 5
Развитие и современное состояние термопечатающих устройств
регистрации информации 13
Классификация термопечатающих устройств 15
Обзор современных термопечатающих головок . 31
Современные материалы для термопечати 42
Выводы по главе 1 45
Исследование методов регистрации полутоновых изображений 49
Введение 49
Основные параметры, характеристики, оценки качества полутоновых изображений в электронной печати и полиграфии 49
Классификация методов полутоновой термопечати 60
Тепловая модель печати 75
Управление термопечатающей головкой в DM - методе 97
Выводы по главе 2 122
Исследование отечественных и импортных термохимических бумаг и термопечатающих головок 124
Сенситометрические испытания ТХБ 124
Исследование энергетических характеристик термопечатающих головок (ТПГ) и динамические испытания термохимических бумаг (ТХБ) 133
Исследование и анализ режимов и методов полутоновой термопечати 171
Исследование структуры образцов полутоновой печати 186
Выводы по главе 3 193
Разработка и создание полутонового 64-х градационного термографического видеопринтера 197
Назначение и описание полутонового термофафического видеопринтера ТВП-4 197
Принципы работы видеопринтера и описание метода печати полутонового изображения 214
Выводы по главе 4 230
Заключение 232
Список литературы
- Развитие и современное состояние термопечатающих устройств
- Обзор современных термопечатающих головок
- Классификация методов полутоновой термопечати
- Исследование и анализ режимов и методов полутоновой термопечати
Введение к работе
В настоящее время в системах управления и вычислительной технике широкое применение находят различные устройства печати информационных данных на оконечных носителях. Известны и активно развиваются три основные технологии печати:
Развитие и современное состояние термопечатающих устройств
Современные регистрирующие устройства, использующие принцип термопечати, можно классифицировать по способу печати и области применения, как показано на рис 1.1.
Рынок термопечатающих устройств динамично расширяется, находя для себя новые области применения и вытесняя устройства, использующие иные технологии печати. Так, например, термопечать чеков, билетов в кассовых аппаратах, где применяются надежные, бесшумные дешевые термопечатающие модули (ТПМ), способные работать от автономного питания, при отрицательных температурах, практически заменила собой аппараты, использующие для печати матричные (игольчатые) головки.
В данной главе проведен обзор термопринтеров и приведены технические характеристики наиболее распространенных принтеров, предложена классификация и приведены конструктивные особенности термопечатающих головок (ТПГ), используемых в качестве пишущего элемента при получении отпечатка, а также дан обзор выпускаемых термочувствительных носителей. В выводах главы по результатам анализа сформулирована цель и задачи данного исследования, основные положения, выносимые на защиту.
Существует несколько видов скоростных устройств вывода данных для информационных систем. Например, такие как: матричный принтер, струйный принтер, лазерный принтер, термопринтер. Каждый из этих видов устройств вывода данных различается своими характеристиками, которые отвечают в свою очередь определенным потребностям печати: качеству, скорости, производительности, обслуживанию и т.п.
В диссертационной работе проведена разработка современной отечественной модели устройства вывода данных для информационных систем. Зарубежным аналогом является термопринтер с прямой термопечатью ТРМ-200 немецкой ifa фирмы BDT.
Классификация термопечатающих устройств Упрощенная схема термографического линейного принтера (ТЛП) с термопечатающей головкой (ТПГ) показана нарис. 1.2. Простейшая ТПГ имеет алюминиевую пластину теплоотвода 1, керамическую пластину 2, линию нагревательных элементов 3 с шириной печати pw, микросхемы управления (драйверы) 4, разъем 5. Прижимной вал 6 термопечатающего модуля диаметром d прижимает термочувствительный материал 7 к линии НЭ и перемещает его. Различают три метода термопечати: 1-прямая термопечать на термочувствительную бумагу 7; 2-термопереносная печать, при которой плавкий краситель с красящей ленты 7а переносится на бумажный носитель 76; 3-термосублимационная термопечать с термопереносом красителя с пленки 7а на специальную подложку с акцепторным слоем 76. Прямая термопечать на термочувствительную бумагу применяется в монохромных принтерах, факсимильных аппаратах с термобумагой, термопринтерах для Интернета и информационных систем, видеопринтерах, термопринтерах штрих-кодов, этикеток, чеков, квитанций. Термопереносную печать применяют в многоцветных термопринтерах, в факсах на обычной бумаге и в некоторых принтерах этикеток и штрих-кодов. Сублимационную термопечать применяют в высококачественных цветных принтерах, видеопринтерах, фотопринтерах, цветных принтерах для пластиковых карт. Назначение» применение и основные технические характеристики термографических и оптических устройств с линейной печатью данных Термографические устройства
Первые промышленные термопечатающие устройства появились в России в начале 80-х годов. Наиболее известными из них были печатающие устройства 15ВВП80, которые назывались УПТ2, УПТЗ и т. д. В этих устройствах применялись отечественные термопечатающие головки типа 2ФВ2.000., МС97102, М0111НФ1 и аналогичные, разработанные в НИИ «Пульсар», Москва и НПО «Электронприбор», Ярославль [1], [2]. Буквы и цифры синтезировались с помощью матрицы, содержащей 5x7 точек. Каждая ТПГ имела ширину 40 мм и содержала 40 нагревательных элементов. Печать линии точек выполняли 5 ТПГ, установленных параллельно в ряд. Термочувствительным материалом служила термохимическая бумага (ТХБ), разработанная предприятием ВНПО «Бумпром», Санкт-Петербург. В конце 80-х годов в России были разработаны первые термопечатающие головки «Электроника МС 6904» - «Перкаль» шириной 40мм с количеством нагревательных элементов 120 - (НИИ «Пульсар», Москва), послужившие прототипом термоголовкам ТІ 001, ТІ ООП, ТІ 002, выпускаемых в настоящее время в больших количествах для кассовых аппаратов. За рубежом термопечатающие головки и термографические устройства на их основе разрабатывались более интенсивно, чем в России. Уже в середине 80-х годов ведущие японские фирмы начали серийный выпуск факсимильных аппаратов с термоголовками шириной 215 мм и количеством точек в линии 1728 [3]. Активно велась разработка различных классов термографических устройств и их патентование. В середине 90-х годов существовало мнение, что термопечать не выдержит конкуренции с электрофотографическим (лазерная печать) и струйным методом печати. Однако, сейчас многообразие классов термографических устройств, широта их применения, высокое качество изображения, компактность и высокая надежность позволяют уверенно утверждать, что термография и устройства, созданные на её основе заняли прочное место в сфере высоких технологий электронной печати. Подтверждением этого являются данные таблицы 1.2, в которой представлены технические характеристики наиболее популярных термопринтеров, представляющих различные классы термографических устройств. Материалы таблицы 1.2 составлены на основании проспектов фирм, технических описаний устройств, собранных автором и соавторами в течение многих лет в печатном виде и полученных через Интернет.
Для пояснения существа технических характеристик таблицы 1.2 рассмотрим упрощенную схему печати в термографическом устройстве на рис. 13. Термопечатающая головка 1 имеет керамическую пластину 2, на которой расположены нагревательные элементы 3. Резиновый прижимной вал 4 продвигает под линией нагревательных элементов термочувствительный материал (термобумагу в методе прямой термопечати или термопереносную ленту вместе с обычной бумагой в методе термопереносной печати). Импульсы электрического тока, поступающие на нагревательные элементы (НЭ) от схемы управления термоголовкой, нагревают НЭ до температуры, при которой происходит цветообразование на термочувствительной бумаге или термоперенос красителя с красящей ленты. Нагревательные элементы, расположенные на одной линии, выполняют горизонтальное сканирование носителя записи. Вращение прижимного вала перемещает носитель в направлении вертикального сканирования
Обзор современных термопечатающих головок
Подробный обзор и классификация современных термопечатающих головок сделаны Алехиным В.А. в [6]. Для понимания существа проблем разработки и производства ТПГ приведены материалы статьи в достаточно полном виде. Высокая конкуренция на рынке электронных компонентов заставляет производителей постоянно обновлять и улучшать ассортимент изделий. Поэтому технические характеристики лучших образцов ТПГ, как правило, достаточно близки. Наиболее широкий ассортимент ТПГ производят фирмы ROHM, Куо-cera, Gulton, APS и TEC Singapore. Мы приведем параметры для разных классов ТПГ, классифицируем ТПГ по ряду важных признаков, дадим типовые характеристики и рекомендации по выбору ТПГ для различных применений. Подробно рассмотрим наиболее распространенные стандартные ТПГ.
Классификация ТПГ I Современные ТПГ можно классифицировать следующим образом: По способу печати: " А1 - линейные ТПГ, в которых термопечать производится построчно линейкой нагревательных элементов (НЭ); А2 - последовательные ТПГ с малым количеством НЭ и последовательной печатью символов в строке (в настоящее время применяются мало). По способу управления: Б1 - стандартные ТПГ с одним или несколькими одноразрядными входами данных; Б2 - интеллектуальные ТПГ (Intelligent) с одним или несколькими одноразрядными входами данных, содержащие специальные микросхемы контроля «предыстории» печати и многоуровнего управления энергией нагрева каждого НЭ для качественной печати на больших скоростях; БЗ - полутоновые ТПГ с многоразрядным входом данных для видеопринтеров и цветных принтеров. По конструкции нагревательных элементов: 81 - толстопленочные ТПГ; 82 - тонкопленочные ТПГ; 83 - с плоской глазурью; 84 - с частичной глазурью; 85 - с микроглазурью; 86 - со спаренными НЭ; 87 - с одиночными НЭ; 88 - с угловым расположением НЭ для печати на плоскости. По скорости печати: Г1 - для медленной печати (2550 мм/с); Г2 - для средней скорости печати (50... 100 мм/с); ГЗ - для высокой скорости печати (100...300 мм/с). Конструкция ТПГ и методы термопечати И Конструкция ТПГ класса А1 и методы полутоновой термопечати описываются в главе 2 данной работы. конструкция нагревательных элементов
Полная глазурь В классе ВЗ ( рис. 1.4а ) керамическая пластина 1 полностью покрыта слоем глазури 2, на которой размещены проводники 3 и резистивные НЭ 4, покрытые сверху слоями защитного покрытия 5. Проводники 3 подключены к общей шине бик драйверам 7. Частичная глазурь
В классе В4 керамическая пластина 1 покрыта глазурью частично в виде «бугорка» 2, что улучшает контакт с термочувствительным материалом и качество печати. Микроглазурь
В классе В 5 с микроглазурью 2 маленький бугорок глазури покрыт тонкопленочным резистором 4, на который нанесены алюминиевые проводники 3 и защитные покрытия 5. Зона нагрева формируется в разрыве проводников. Конструкция НЭ для разных классов ТПГ показана ниже. Толстопленочный резистивный слой 1 В классе В16 (сочетание признаков классов В1 и В6) проводники выполнены в виде встречноштыревой структуры, на которую нанесен толстопленочный резистивный слой 3. Проводники 1 подключены к общей шине питания, управляющие электроды 2 к драйверам. Шаг электродов Dp (dot pitch). Каждая точка изображения печатается двумя участками резистивного слоя (2 нагревателя на точку). Размер точки Dw (dot width). Величина, обратная шагу точек, называется плотностью печати Dd (dot density). Тонкопленочный резистивный слой 2 В классе В257 керамическая пластина 1 покрыта микроглазурью и имеет алюминиевые электроды 2 с тонкопленочными резистивными НЭ 3. Точки Л изображения формируются одним нагревателем. Класс В257 имеет наибольшую скорость печати. Последние усовершенствования в конструкции нагревательных элементов применение «двойной глазури» (double partial glaze), у которой выступ в зоне НЭ повышает тепловую эффективность и улучшает изображение точки, а также «выпуклой глазури» (flash glaze), которая имеет более острый выступ, чем в двойной глазури. Уменьшение толщины глазури улучшает тепловую эффективность ТПГ. В классе А1В8 линия НЭ 3 ( рис.1.4г ) расположена на самом краю керамической пластины (толщина линейки размер s стремится к нулю). При этом диаметр вала d стремится к бесконечности, поэтому ТПГ может печатать на плоской поверхности.
В интеллектуальных ТПГ класса А1Б2 перед драйверами включены дополнительные ИС, которые запоминают предысторию работы каждого НЭ и его окружения за несколько предыдущих шагов. Эти ИС также формируют различные уровни энергии печати для улучшения качества на высоких скоростях.
Классификация методов полутоновой термопечати
Методы воспроизведения полутоновых изображений в репродукционных печатных системах и устройствах безударной печати используют общие принципы, основанные на зависимости интегральной оптической плотности элементарной площадки от параметров растровых точек, определяемой формулами (2.1) и (2.2). Как следует из этих формул, управлять оптической плотностью участка изображения можно, по крайней мере, тремя способами: 1) Метод модуляции оптической плотности Dm растровых точек без изменения относительной суммарной площади Sm растровых элементов. Этот метод мы будем называть DM - метод. # 2) Метод модуляции относительной суммарной площади Sm растровых элементов без изменения оптической плотности Dm (SM — метод). 3) Метод одновременной модуляции оптической плотности растровых точек Dm и их площади Sm (DSM - метод).
Реализация DM - метода печати DM - метод может быть реализован при двух условиях: во-первых, воздействие на оконечный носитель должно быть переменным, управляемым в соответствии с сигналом оптической плотности элемента оригинала (ЭО)
Dop\xty)\ во-вторых, носитель записи должен обеспечивать изменение оптической плотности Dp[x,y) в соответствии с требуемой градационной характеристикой Dp{x, у) = g [Dop[x, у)\.
Первое условие выполняется в термографических принтерах с непрерывным управлением температурой (НУТ) нагревательных элементов (термопечатающие головки для полутоновых принтеров).
Второе условие выполняется при использовании в качестве носителя записи полутоновых термохимических бумаг (в методе ПТП) или термокопировальных пленок (промежуточный носитель) в методе ТПК; Отметим, что в электрографическом (ксерографическом) процессе промежуточный носитель записи, которым является поверхность фотополупроводникового слоя барабана, вследствие «краевого эффекта» полутоновые изображения воспроизводит с искажениями. Поэтому DM-метод в электрографических принтерах не применяется.
Реализация SM и DSM — методов SM - метод менее критичен к градационным характеристикам носителей записи, условиям печати и обработки материалов и позволяет при высокой разрешающей способности «пишущих элементов» получать достаточно хорошую передачу градаций оптической плотности. Однако, основным недостатком SM — метода является снижение разрешения на изображении, т. к. один элемент оригинала (ЭО) передается несколькими растровыми ЭИ. DSM - метод наблюдается в некоторых режимах печати DM - методом вследствие того, что на носителе одновременно с изменением оптической плотности точки меняется и ее размер. Действие этого эффекта при термопечати исследуется ниже.
В целом DSM - метод позволяет более плавно передавать полутона с большим количеством градаций по сравнению с SM- методом. Известно несколько модификаций методов полутоновой термопечати, основанных на модуляции относительной площади растровых точек. Они основаны на уравнении Юла-Нильсена (2,2.) (или Шеберстова-Муррея-Девиса (2.1)) и могут быть классифицированы следующим образом:
1. Бинарный SM - метод, в котором все точки имеют одинаковый размер и оптическую плотность, а количество точек в пикселе изменяется в зависимости от оптической плотности. Этот метод будем обозначать SMB.
2. Многоуровневый SM метод [14], в котором количество точек в пределах пиксела неизменно, а размер каждой точки увеличивается по мере увеличения оптической плотности. Так как происходит модуляция оптической плотности растровых точек, будем обозначать этот метод SMML (rnulti - level). В SMB - методе пиксел формируют в виде матрицы n х п точек (например, 8 х 8), причем количество и расположение черных и белых точек в матрице зависит от номера градации. Так как уравнения (2.1.) и (2.2.) нелинейны относительно ST, то этот метод не обеспечивает хорошую линейность градационной характеристики. Предположим, что интервал оптических плотностей между DMAX и Ошы надо разбить на N - градационных уровней.
Исследование и анализ режимов и методов полутоновой термопечати
Скорость химической реакции связана с концентрацией реагентов и продуктов кинетическим уравнением. Для элементарных реакций U к- С/ С"БВ ... (2.26), где к - константа скорости; СА,СВ- концентрации реагентов А, В, ..., пАіпв- - порядки реакций по соответствующим реагентам. Обычно полагают U = = =... .Тогда из кинетического уравнения dt dt (2.26) решением соответствующего дифуравнения —- = Ся/ Свв -... (2.27) at находят зависимость U и Са от времени, т. е. полное кинетическое описание щ реакции системы. Для сложных реакций систему кинетических уравнений составляют для отдельных стадий. Методом стационарных концентраций систему кинетических уравнений можно свести к одному: Порядок реакции по данному веществу есть показатель степени при концентрации этого вещества в кинетическом уравнении (2.26). Величина\пА +пБ +...)называется общим или суммарным порядком реакции. Порядок реакции зависит от ее механизма и может изменяться с температурой и давлением. Для элементарных реакций порядок - целочисленная величина, совпадающая с молекулярностью, для сложных он может быть дробным. Как правило, значение порядка не превышает 3. Порядок реакции определяется экспериментально, обычно по зависимости скорости реакции от концентрации данного вещества при постоянной концентрации всех остальных веществ. Молекулярность реакции - число исходных частиц одновременно взаимодействующих друг с лругом и подвергающихся химическому превращению в 4 одном элементарном акте простой реакции, может составлять 1,2 или 3. Соотношение между количеством вступающих в реакцию реагентов и образую щихся продуктов определяет стехиометрия реакции. Если vA молей реагента А реагирует с vB молями реагента В, с образованием VY молей продукта Y и vz молей продукта Z, то уравнение: UA-A + UB-B = v Y + vz-Z (2.28) называют стехнометрическим, а числа vA,vB...- стехнометрическими коэффициентами. В простых реакциях порядка пА,пв равны стехнометрическим коэффициентам этих веществ в уравнении реакции. Для сложных реакций это соответствие может не выполняться и порядки пА,пд ... могут быть дробными. В состоянии термодинамического равновесия концентрация всех реагирующих веществ пА А + пв В... — пс С + nD -D... (2.29) согласно закону действующих масс связаны соотношением р „А Пд— где кр - коэффициент равновесия. В уравнение (2.26) входит константа скорости реакции к. Зависимость к от температуры выражают уравнением Арениуса: к = Ае Е1КТ (2.30) Где А - предэкспоненциальный множитель, Е - энергия активации (дж), К -постоянная Больцмана (К = 1,38-Ю 23 Дж К"1); Т - абсолютная температура реагентов. Так как реакция подчиняется стехнометрическому уравнению для определения прореагировавшего продукта, достаточно решить дифференциальное уравнение для одного из реагентов, например (2.29): - L AC .C? (2.31) at В частном случае, когда один из реагентов имеет порядок равный 1, получаем АС линейное дифференциальное уравнение: — - -ks-C (2.32) at имеющее решение c(t) = cs (і - e ksr J (2.33) где cs- максимальная концентрация, x - время реакции; ks = kC"/ -Свй -...-коэффициент, включающий концентрации реагентов кроме одного, для которого n = 1. Подставив (2.33) в (2.25) получим уравнение для оптической плотности цветообразования: DG = {Ds - Dp ді - е sT)+ Dp (2.34) в котором ks называют нормой изменения цвета. Уравнение (1.30) приведено в [15] и [20] без вывода и требует обоснования его применимости для конкретных химических реакций цветообразования. В [20] приведено сравнение расчетных и экспериментальных данных и отмечено их удовлетворительное соответствие. Исследования, проведенные автором с использованием сенситометрической установки, показали удовлетворительное соответствие при больших временах температурного воздействия (750 мс), когда цветообразование в большей степени зависит от химического процесса. При малых длительностях существенное влияние оказывает значение теплопро-водности поверхности термическое сопротивление тепловых пограничных слоев бумаги. В связи с этим реальная температура химической реакции красителя оказывается ниже и аппроксимации менее точны.
В литературе практически отсутствует описание конкретных химических процессов цветообразования в термохимических бумагах. Известно, что в отечественных ТХБ в качестве красителя используются лактон (синий) и флуоран (черный). Порядки реакций по реагентам не уточняются. Кроме того, параметры уравнения Аррениуса (энергия активации Е, множитель А) определяются, как правило, только экспериментально. Поэтому в качестве приближенной математической модели процесса цветообразования можно принять уравнение (2.34), подставив в него экспериментальные значения Е и А, вычисленные в двух точках кривой D\T)f т = const, например, при тах 0,1 и Dmia+ 0,1.
