автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка методов полутоновой термопечати и устройства регистрации изображений

На правахрукописи

Парамонов Владимир Дмитриевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОЛУТОНОВОЙ ТЕРМОПЕЧАТИ И УСТРОЙСТВА РЕГИСТРАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)"

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Алехин Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Степанов Игорь Михайлович кандидат технических наук, профессор, Горнец Николай Николаевич

Ведущая организация: ЗАО НПФ «СИГМА» (г. Калуга)

Зашита диссертации состоится «_»_2004 г. на заседании

диссертационного совета Д 212.131.03 при Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) по адресу: 119454, Москва, проспект Вернадского, д. 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета).

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н, доцент

Тягунов О.А.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. 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: электрофотографическая (лазерная) печать; струйная печать; термопечать.

Термопечать начала развиваться с начала 70х годов 20 века и в настоящее время уверенно занимает значительный сектор рынка печатающих устройств и благодаря своим уникальным возможностям печати полутонов превосходит другие технологии печати по качеству полноцветных отпечатков. Термографические видеопринтеры позволяют печатать монохромные и цветные полутоновые изображения фотографического качества и находят широкое применение в системах управления и видеоконтроля, медицинской технике, цифровой электронной фотографии.

Термографические принтеры основаны на использовании термографического метода, состоящего в локальном нагреве термочувствительного носителя (ТЧН) нагревательными элементами (НЭ) термопечатающей головки (ТПГ). Первоначально применялся метод прямой термопечати (ПТП), в котором термочувствительным оконечным носителем является термочувствительная, как правило, термохимическая бумага (ТХБ). Дальнейшим развитием является метод термопереноса краски (ТПК), в котором термочувствительным носителем служит промежуточная полимерная пленка, покрытая с одной стороны плавкими красителями различных цветов. Под действием локального нагрева красители с пленки переносятся на оконечный бумажный или полимерный носитель, контактирующий с пленкой в месте нагрева.

В методе ПТП достигнуто разрешение 16 точек/мм, возможна печать монохромных двухградационных и полутоновых изображений на специальной ТХБ.

В методе ТПК при разрешении (6-12) точек/мм достигается печать полноцветных изображений. Количество оттенков превышает 16 миллионов.

Ведущими производителями термопечатающих устройств являются японские фирмы: Mitsubishi, Sony, Seikocha, Canon.

В нашей стране рынок полутоновых и цветных термопечатающих устройств полностью занят зарубежными фирмами. Российские фирмы производят термопринтеры для кассовых аппаратов, некоторые принтеры этикеток и штрих-кодов, факсимильные аппараты специального назначе-

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

«

ния. Расширение ассортимента российских термопечатающих устройств является актуальным и важным для развития наукоемких производств электронных изделий.

В нашей стране рынок полутоновых печатающих устройств полностью занят зарубежными фирмами. Российские фирмы производят термопринтеры для кассовых аппаратов, некоторые принтеры этикеток и штрих-кодов, факсимильные аппараты специального назначения. Расширение ассортимента российских термопечатающих устройств является актуальным и важным для развития наукоемких производств электронных изделий.

Для разработки и производства современных устройств термопечати необходимы не только новейшие технологии производства, но и четкое представление о процессах термопечати, знание характеристик основных элементов, осуществляющих процесс термопечати, таких как термопеча-тающая головка, термохимическая бумага илентопротяжныймеханизм (ЛПМ), химии и физики цветопроявления, критериев оценки качества термопечати и ряда других параметров. Все современные термопринтеры являются устройствами с линейной печатью данных, в которых одновременно печатается строка точек изображения, а термочувствительный материал перемещается в перпендикулярном направлении. Широко распространены термопринтеры с прямой термопечатью и термопереводные принтеры с плавкими красителями, которые применяются для печати этикеток и штрих-кодов.

С развитием технологий цветной печати постоянно расширяется сфера их применения, и в тоже время растут требования к качеству напечатанных материалов. Все это стимулирует развитие и появление более совершенных и прогрессивных технологий, в том числе и технологии термосублимационной печати. Необходимым условием качественной цветной и монохромной печати изображений является точное воспроизведение полутонов.

В представленной диссертационной работе впервые в России в 1992 году решена задача монохромной полутоновой термопечати с линейной шкалой, имеющей 64 градации серого цвета.

В последние годы резко увеличилось количество патентов США в области термопечати. Их количество превышает сейчас 2000. Лидером в области научно-исследовательских разработок методов, элементов и устройств термопечати является Япония, далее идут Соединенные Штаты Америки и страны Западной Европы. Список же отечественных публикаций по данной теме составляет, по проведенному диссертантом реферативному поиску за последние десять лет и поиску в

сети Интернет, всего шесть работ, в половине из которых диссертант принимал участие.

Исследование вышеназванных вопросов является необходимой основой для создания и организации производства отечественных устройств термопечати, в том числе полутоновых видеопринтеров, регистрирующих изображения в медицинской аппаратуре, факсимильной связи, информационной технике.

Цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка методов полутоновой термопечати и устройства полутоновой термопечати для научно-технического обеспечения отечественных разработок перспективных современных термопечатающих устройств.

Задачи диссертационной работы.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Проведение исследований термохимических бумаг (ТХБ);

2. Проведение исследований термопечатающих головок (ТПГ);

3. Разработка алгоритмов управления процессом полутоновой термопечати;

4. Анализ качества изображения, определение требований к термохимическим бумагам и термопечатающим головкам;

5. Разработка и создание действующего образца полутонового термографического видеопринтера, реализующего на практике результаты исследований и разработанные алгоритмы.

Исследование перечисленных вопросов является необходимой основой для создания и организации производства отечественных устройств термопечати, в том числе полутоновых видеопринтеров, регистрирующих изображения в медицинской аппаратуре, факсимильной связи, информационной технике.

Методы исследования.

При решении поставленных задач использованы методы теории математического моделирования, теории фотографического процесса, теории теплопередачи, химии цветопроявления, программирования.

Научная новизна работы. Научная новизна работы заключается в следующем:

• Впервые в России поставлены и решены задачи, позволяющие проектировать полутоновые термопечатающие устройства на

основе созданной теории и методов экспериментальных исследований, используя наиболее эффективные методы термопечати, элементную базу и соответствующие им алгоритмы управления.

• Разработана математическая модель процесса термопечати и проведена ее экспериментальная проверка.

• Разработана методика испытаний для исследования и стандартизации термохимических бумаг - носителей информации.

• Впервые в России разработан и создан термографический видеопринтер, позволяющий получить 64-х градационный (64 оттенка серого) отпечаток («твердую копию») оригинала изображения, представленного в телевизионном стандарте.

Практическая ценность результатов работы.

Выполненные исследования и научно-технические разработки предназначены для создании отечественных устройств термопечати, в том числе термографических видеопринтеров, факсимильных аппаратов с черно-белой и полутоновой печатью, применяемых в устройствах вычислительной техники и системах управления, информационных устройствах, медицинской аппаратуре, телевизионных системах наблюдения и контроля, в системах штрихового кодирования, печати этикеток, чеков и т. п., а также при разработке и испытаниях таких элементов как термопечатающие головки и термохимические бумаги.

Реализация научно-технических результатов работы.

Результаты работы были использованы при выполнении хоздоговорных НИР, проводимых в МИРЭА с НИИ «Пульсар» (№ Р-38), г. Москва, 1992 г., ЗАО НПФ «Сигма» (№ Р-177), Калуга, 2000 г., а также НИР между НПФ «ЭЛУР ЛТ» и ЗАО НПФ «СИГМА» № 13, 2000 г., № 37/С, №45 2001 г, № 1 2003 г., №27/03 2003 г., №12/03 2003.

Апробация и внедрение результатов работы. Материалы и результаты выполненных разработок и исследований докладывались на международных и всесоюзных конференциях:

- III Всесоюзная НТК по гибридным технологиям (Ярославль, 1991);

- III Всесоюзная конференция по диагностике сердечных заболеваний (Львов, 1990);

- Международная конференции "Электрофотография 91 "(Москва, 1991), а также на нескольких научно-технических конференциях МИРЭА.

Разработанные методы полутоновой термопечати защищены

тремя авторскими свидетельствами СССР и патентом Российской Федерации. Научному руководителю Алехину В.А, в соавторстве с которым опубликовано большинство работ, принадлежит постановка соответствующих задач и научное руководство проведенными исследованиями и опытно-конструкторскими разработками. На термографический видеопринтер получены документы, указанные в приложении, подтверждающее внедрение, научную и практическую значимость: акты испытаний от крупнейших медицинских центров, Главного Технического управления и Центра криминалистической экспертизы МВД России. Министерство Здравоохранения РФ рекомендовало видеопринтер к серийному производству.

Работа проводилась в тесном сотрудничестве с ведущими организациями, занимающимися разработкой и производством термопечатающих устройств: НПО «ПУЛЬСАР» г. Москва, КНИИТМУ, г. Калуга, ЗАО «Сигма», г. Калуга.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ в ведущих научно-технических журналах и изданиях, получено три авторских свидетельства и патент Российской Федерации.

Основные положения, выносимые на защиту-

1. Теоретические исследования методов регистрации полутоновых изображений, включающие следующие основные вопросы:

- особенности восприятия и параметры полутоновых изображений, градационные преобразования в системах электронной печати;

- классификация методов регистрации полутоновых изображений;

- теоретические основы методов модуляции оптической плотности растровых точек (ДМ- метод);

- управление полутоновой печатающей головкой в ДМ-методе;

- оценка требований к точности ТПГ и компенсация разброса параметров;

- теоретические основы методов модуляции площади растровых точек ^М)-методы;

2. Методика исследования температурной чувствительности отечественных и импортных ТХБ и методы тестирования ТПГ, разработанные для исследования энергетических характеристик ТПГ и динамических характеристик цветообразования с различными видами термобумаг.

3. Алгоритм управления ТПГ при модуляции оптической плотности растровых точек, отличающийся высокой линейностью оптической плотности печати. Проведены экспериментальные исследования

метода, определены оптимальные режимы управления, дана оценка качества печати.

4. Методика исследования динамических характеристик нескольких вариантов ТПГ и определения предельного быстродействия.

5. Измерительный стенд для анализа качества изображений при полутоновой термопечати.

6. Действующий образец полутонового видеопринтера. Сделан полный комплект конструкторской документации (КД), по которому изготовлены мелкие серии приборов на заводах ОАО ЛОМО г. Санкт-Петербург и НИИДАР г. Москва.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (68 наименований), приложения. Работа содержит 144 стр. текста и включает 100 рисунков, 42 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи, которые необходимо решить для ее достижения, приведено краткое ее содержание.

В первой главе рассмотрены развитие и современное состояние термопечатающих устройств регистрации информации, приведены технические характеристики наиболее распространенных принтеров, проведена классификация и конструктивные особенности термопеча-тающих головок (ТПГ), используемых в качестве рабочего элемента при получении отпечатка, а также проведен обзор выпускаемых термочувствительных носителей. В заключении главы по результатам анализа сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Проведена классификация термопечатающих устройств с линейной печатью основанная на используемом методе печати и назначении устройства.

Упрощенная схема термографического линейного принтера (ТЛП) с термопечатающей головкой показана на рис. 1 .Простейшая ТПГ имеет алюминиевую пластину теплоотвода 1, керамическую пластину 2, линию нагревательных элементов 3 с шириной печати р^, микросхемы управления (драйверы) 4, разъем 5. Прижимной вал 6 термопечатающего модуля диаметром ё прижимает термочувствительный материал 7 к линии НЭ и перемещает его.

Рис. 1 Конструкция ТПГ и методы термопечати

В методе прямой термопечати осуществляется печать на термочувствительную бумагу 7. В термопереносной печати краситель с красящей ленты 7а переносится на бумажный носитель 7б. В термосублимационной термопечати сублимационный краситель переносится с пленки 7а на специальную подложку с акцепторным слоем 7б.

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.

Проведен подробный обзор и дана классификация современных тер-мопечатающих головок. Высокая конкуренция на рынке электронных компонентов заставляет производителей постоянно обновлять и улучшать ассортимент изделий. Поэтому технические характеристики лучших образцов TOT, как правило, достаточно близки. Наиболее широкий ассортимент ТПГ производят фирмы ROHM, Kyocera, Gulton, APS и TEC Singapore. Приведены параметры для разных классов ТПГ, классифицированы ТПГ по ряду важных признаков, даны типовые характеристики и рекомендации по выбору ТПГ для различных применений. Подробно рассмотрены наиболее распространенные стандартные ТПГ.

Современные ТПГ можно классифицировать следующим образом:

По способу печати:

линейные ТПГ, в которых термопечать производится построчно ли-

нейкой нагревательных элементов (НЭ);

последовательные ТПГ с малым количеством НЭ и последовательной печатью символов в строке (в настоящее время применяются мало).

По способууправления:

стандартные ТПГ с одним или несколькими одноразрядными входами данных;

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;

полутоновые ТПГ с многоразрядным входом данных для видеопринтеров и цветных принтеров.

По конструкции нагревательныхэлементов: толстопленочные ТПГ; тонкопленочные ТПГ; с плоской глазурью; с частичной глазурью; с микроглазурью; со спаренными НЭ; с одиночными НЭ; с угловым расположением НЭ для печати на плоскости.

По скорости печати: для медленной печати (25-50 мм/с); для средней скорости печати (50... 100 мм/с); для высокой скорости печати (100...300 мм/с).

Рассмотрены конструкции нагревательных элементов ТПГ и типовые технические характеристики ТПГ различного назначения. В видеопринтерах применяют ТПГ с частичной глазурью.

Проведен обзор современные материалов для термопечати: термочувствительных бумаг (термохимических бумаг); красящих лент с восковым красителем и бумажным оконечным носителем; липких этикеток; материалов для сублимационной печати.

Во второй главе даны основные понятия, характеризующие процесс печати полутоновых изображений, введена классификация методов, позволяющих получить полутоновое изображение с использованием линейных ТПГ, приведена тепловая модель печати, разработаны критерии оценки качества термопечати, описан алгоритм управления ТПГ в методе модуляции оптической плотности печатаемой точки, даны рекомендации по выбору метода полутоновой термопечати для качественного получения полутонового изображения.

Монохромные (цветоделенные) изображения при печати характеризуются следующими параметрами : коэффициентом отражения р{х,у), оптическая плотность Z?(x,y) = ~ lg р{х>у), контраст k = ртах / ртш ; интервал оптических плотностей AD(x, у)= lgk = DmiX — Dmm.

Интегральная оптическая плотность элементарной площадки отпечатка определяется формулой Шеберстова-Муррея-Девиса:

D = -lg[&x КГ0' + (1 - Ä)xlO"^ J

где Д - оптическая плотность растровой точки (печатного элемента); Dpr - оптическая плотность пробела; St - относительная суммарная площадь растровых элементов, определяемая соотношением S,= Stl Se ( - абсолютная площадь запечатанного участка в пределах элементарной площадки Se).

Управлять оптической плотностью участка изображения можно тремя методами:

1) Методом модуляции оптической плотности Д растровых точек без изменения относительной суммарной площади St растровых элементов. Этот метод мы будем называть DM - метод.

2) Метод модуляции относительной суммарной площади St растровых элементов без изменения оптической плотности Dt (SM - метод).

3) Метод одновременной модуляции оптической плотности растровых точек Д и их площади St (DSM - метод).

В диссертации сделан анализ восьми методов полутоновой термопечати, основанных на модуляции оптической плотности и относительной площади растровых точек. Наиболее высокие показатели имеет DM — метод (до 256 градаций при разрешении 12-16 пикселей на мм.

Для сокращения времени печати надо приложить большую энергию к нагревательным элементам. Однако входная энергия, накапливаясь в ТПГ, вызывает нежелательное ухудшение качества печати, высокая температура ускоряет разрушение нагревательных элементов. Поэтому требуется оптимизация режима печати с учетом тепловых характеристик ТПГ и термочувствительных материалов.

При импульсных воздействиях тока на нагревательные элементы ТПГ асимптотическая (установившаяся) температура нагревательного элемента Т и температура алюминиевой основы Т рассчитываются из

уст F J г а -г

условий теплового баланса в соответствии с входной мощностью и интервалом ее воздействия t. Если на нагревательный элемент подается последовательность импульсов длительностью tH с коротким интервалом следо-

вания то с учетом влияния предшествующих импульсов температура возрастает и падает по кривой отклика, находящейся между Та и Туст.

Во время печати, температура радиатора теплоотвода Т имеет тенденцию к возрастанию в связи с накоплением тепла. Для вычисления Та, Т и температурного отклика при коротком цикле печати исследуются параметры и температурные коэффициенты материалов и частей ТПГ. При вычислении использована тепловая модель головки, в которой исследуется стационарный тепловой поток яшишннквой основе. Средняя подво-

Р — • Р

димая мощность к головке равна: Гср г , где Ги (мс) - длительность

*1

импульса включения элемента во время печати одной линии; Г1 (мс) - время интервала печати одной линии; Р (вт) - мощность, подводимая к головке.

Передача энергии от алюминиевой основы к теплоотводу выражается через коэффициент передачи С,:

Рср = С-1{Га — Тр)г где Та - температура алюминиевой основы; Тр-температура теплоотвода.

Коэффициенте, = (Я / , где Я - тепловая проводимость алюминия, d1 - толщина алюминия, - площадь теплового контакта алюминия.

Из вышеприведенных уравнений температура алюминиевой основы выражается следующим образом: Та = [Рср / С,)+ Тр .

Используя Та , установившаяся температура поверхности глазури может быть выражена следующим образом:

Туст=Та + (Рэ/С2%С°),

где Рэ (Вт) - мощность, подводимая к нагревательному элементу, С2 - коэффициент излучения поверхности глазури, Та - стационарная температура алюминиевой основы, полученная другими измерениями путем измерения средней мощности потребления. При этом временная зависимость температурынагревательного элемента выражается:

Тэ — Туст — (Гусш —Та)е т'(с°), где т - постоянная времени. Ее измеренная величина для полутоновых ТПГ составляет 200~250 1/с. Временные

зависимости температуры нагревательного элемента, рассчитанные по этой формуле, хорошо совпадают с экспериментальными характеристиками.

Изложенный выше метод расчета температуры нагревательного элемента в рамках сделанных предположений справедлив как для метода термического переноса краски (ТПК), так и для метода прямой термопечати (ПТП) на ТХБ.

Оценка требований к качеству полутоновой термопечати

Полутоновая ТПГ должна обеспечить равномерное воспроизведение серых полей. Для обеспечения заданного интервала отклонения AD требуется постоянство, с необходимой точностью, мощности, подводимой к нагревательным элементам ТПГ. При полутоновой термопечати модуляция энергии в НЭ осуществляется изменением длительности импульса Ги и поэтому при записи серого поля постоянной оптической плотности Ги = const, а отклонения 8D обусловлены разбросом мощностей в нагревательных элементах .

Если учесть влияние других факторов (разброс остаточного напряжения на ключевых транзисторах, неравномерность средней температуры ТПГ, неравномерность теплофизических свойств защитного слоя ТПГ, температуропроводности контактного слоя ТПГ-ТХБ, неравномерность термочувствительного красящего слоя ТХБ и т. д.), то количество воспроизводимых градаций значительно снижается. В реальных термографических видеопринтерах число воспроизводимых градаций составляет от 8 до 64 (256), а D^-D^ =13-0,1 = 1,2.

Шаг градационной шкалы Кш = (Dmax —Dmn )/ N .

При большом числе градаций (Кгр> 8-16) эти требования могут быть технологически невыполнимы. Решение этой проблемы возможно двумя способами:

1) Прецизионная подгонка цепей нагревательных элементов для получения требуемой идентичности.

2) Учет неидентичности элементов или секций ТПГ при формировании управляющих сигналов в контроллере термографического ПУ.

В работе приведены алгоритмы управления ТПГ при двухградацион-ной печати, последовательной печати по элементам строки, при последовательной печати градаций яркости, с компенсацией разброса параметров факсимильных ТПГ, с компенсацией разбросов параметров полутоновых ТПГ. В табл. 1 приведено качественное сравнение методов полутоновой печати.

Аппаратурная и программная реализация контроллеров и ТПГ сложнее для методов БМ, БЗМ-ёо!, DSM-3L. В контроллерах применяются микропроцессоры для обработки входного сигнала, коррекции выбора растров, управления ТПГ.

Наиболее высокие требования к качеству ТПГ предъявляются в методе БМ.

Табл. 1

Метод Число гра- Разрешение Требования

Принцип Модуляции даций (пикселей/мм) к ТПГ

БМ БМ до 64 6- 12 п/мм Высокие

SM SMB 4 1,5 - 3 п/мм Низкие

SMML 6-8 3-6 п/мм Средние

SMR 4-6 1-2 п/мм Низкие

DSM DSM-1G 5 1,5-3 п/мм Средние

DSM-3L 35 1,5 — 3 п/мм Средние

DSM-dot 16-32 6-12 п/мм Средние

DSM-line 12-16 6—12 п/мм Средние

В третьей главе приведены результаты сенситометрических испытаний термохимических бумаг, термопечатающих головок и образцов печати для разных методов полутоновой регистрации, приведено описание установки для испытаний ТХБ и блока тестирования ТПГ.

Методика испытаний состоит в получении с помощью специально разработанного сенситометра сенситометрических характеристик термографических бумаг как в статическом, так и в динамическом режимах записи с варьированием следующих параметров: температуры нагревательного штампа; скорости перемещения ТХБ; времени теплового воздействия; давления (прижима) в широком диапазоне. Это позволяет создать условия для испытания термографических носителей близкие к реальным условиям термопечати. Сенситометрические испытания были проведены для нескольких типов отечественных и импортных термографических бумаг.

Для исследования энергетических характеристик термопечатающих головок (ТПГ) и динамических испытаний термохимических бумаг (ТХБ) автором был разработан и реализован блок тестирования, позволяющий изучить взаимодействие 2-х компонент цветовоспроизводящей системы: термографического носителя и термопечатающей головки. Особая конструкция крепления ТПГ позволяет испытывать различные типы головок. Источник питания и механическая часть реализованы на основе самописца Н-3386 П и термопечатающего устройства УВВПЧ-80.

Контроллер ТПГ устанавливает различные режимы управления головкой и созданает различные виды тестовых изображений на носителе.

Исследованы следующие виды термопечатающих головок:

1. ТПГ типа «Перкаль» на ситалловой подожке с узкими шинами питания (обладающими омическими сопротивлением),

2. ТПГ типа «Перкаль» на ситалловой подложке с широкими шинами питания (сопротивление близко к нулю).

3. ТПГ типа «Перкаль» на керамической подложке с широкими шинами питания.

ТПГ «Перкаль» была разработана в НПО «Пульсар» и является прототипом отечественных ТПГ, представленных в главе 1 данной работы. Внешний вид ТПГ приведен в приложении.

Из полученных результатов можно сделать несколько важных выводов:

• Однотипные ТПГ с ситалловой подложкой, но с разной шириной шин питания, по своим энергетическим характеристикам весьма близки, то есть введенная теоретически поправка на падение напряжения подтверждается экспериментально. Для головки на керамической подложке энергетические характеристики несколько хуже.

• Для головок с узкими шинами питания в режиме печати 64-х линий очень четко прослеживается влияние остаточного напряжения на открытых ключах. Таким образом, проблеме разброса остаточных напряжений и соответствующей разбраковке управляющих кристаллов следует уделить особое внимание.

Важной характеристикой термопечатающей головки является Тпеч (время цикла печати), определяющее ее быстродействие. В современных факсимильных аппаратах цикл печати составляет 5-7 мс. Быстродействие ТПГ во многом определяется теплофизическими характеристиками материалов (подложки, основания, теплоотвода), которые должны за время Тц обеспечить охлаждение нагретых термопечатающих элементов до нижней температуры. Было проведено исследование динамических характеристик ТПГ.

Автором было исследовано качество печати так называемыми «парными импульсами». Смысл состоит в том, что импульс печати делится на 2, следующих друг за другом с некоторым интервалом времени смещения

^ Установлено, что разрыв импульса печати на два в пределах до ^ =

0,6 мс существенно не влияет на уровень оптической плотности

Проведены исследования образцов термопечати градационных полей видеопринтера Mitsubishi VP-60, Seickosha VP-1500, SONY UP960, факсимильного аппарата CANON-FAX750 на измерительном стенде, разработанным автором, включающем микроскоп МИК-1 с дополнительным осветителем, фоторегистратор и телевизионную установку МТУ-1. Измерительный стенд позволяет проводить непосредственные наблюдения и измерения структуры с помощью микроскопа МИК-1, наблюдать структуру изображений на ТВ экране. Используя комплекс МИК-1 и МТУ-1 как телевизионный микроскоп, можно измерять осциллографом параметры телевизионного видеосигнала при проведении микроденситометрических исследований, фотографировать увеличенные изображения структуры образцов.

В четвертой главе дается описание разработанного с участием автора полутонового термографического принтера и приводится управляющая программа, реализующая выбранный метод термопечати с учетом проведенных теоретических и практических исследований процессов термопечати.

В качестве входных сигналов видеопринтер использует стандартный видеосигнал электронно-лучевого дисплея или видеомонитора и печатает копию изображения с экрана. Автор участвовал в разработках нескольких моделей видеопринтеров. Технические характеристики видеопринтера ТВП-4 приведены в табл.2.

Табл. 2

Метод печати Термопечать

Разрешение по вертикали и горизон- 6 т/мм

тали

Количество элементов в кадре печати 800x600(1142x600)

Формат печати 108x114 мм

Количество градаций 64 уровня серого

Интерфейс полный видеосигнал, разделенный видеосигнал

Вид развертки чересстрочная, прогрессивная

Скорость печати кадра 26 сек

Изображение при печати Статическое

Максимальная потребляемая мощ-

ность

• при печати 120 Вт

• в режиме ожидания 30 Вт

Габариты 340x230x150 мм

Отличительной особенностью полутонового видеопринтера ТВП-4 являются использование DM - метода прямой термопечати, что позволяет получать копии полутоновых изображений непосредственно по входному видеосигналу без каких-либо промежуточных этапов (проявления, закрепления и т. п.). Возможно копирование изображений с высокой скоростью. Структурная схема полутонового видеопринтера включает в себя блок преобразователя видеосигнала, ОЗУ видеосигнала, системный контроллер, контроллер полутонов, механизм перемещения бумаги, термопечатающую головку, блок питания.

В термографическом видеопринтере ТВП-4 использована толстопленочная термоголовка фирмы ROHM (Япония) KF1504-C1S. В диссертации приведены ее характеристики, структура и методы управления. Знание и учет параметров ТПГ позволяет получить качественный отпечаток.

Задача видеопринтера состоит в наиболее близком соответствии отпечатка оригиналу изображения. Теоретически оцифрованное изображение может состоять из 64 оттенков серого цвета (полутонов). Для решения этой задачи необходимо оптимально использовать возможности управления ТПГ, цветопроявляющие свойства носителя (ТХБ) и возможности лентопротяжного механизма (ЛПМ).

Идеальная градационная характеристика для термобумаги Mitsubishi K70S/70S выделена на рис. 2 а, б прямой линией.

Каждой градации по шкале номеров градаций N на рис. 2а соответствует определенное количество энергии, прикладываемой к цветопрояв-ляющему слою ТХБ. Реализация на практике этого соотношения и является основной задачей, выполняемой алгоритмом печати. Отметим, что градационная характеристика термобумаги сдвигается влево по шкале энергии по мере роста Т подложки ТПГ, то есть при длительном режиме работы видеопринтера в режиме печати. Для компенсации этого эффекта используются два метода:

А. — уменьшение длительности импульса подпора t под по мере нагревания подложки.

Б. — изменение длительности импульса печати одной градации to в процессе печати строки.

Совместное применение этих методов в управляющем алгоритме позволило автору получить печать полутонов, близкую к идеальной градационной характеристике, показанной на рис. 2 б прямой линией для широкого диапазона температур подложки ТПГ. Кроме того, в алгоритме применяется метод компенсации разброса сопротивлений нагревательных элементов ТПГ, что обеспечивает одинаковую передачу полутонов на всей линейке нагревательных элементов.

Рис. 2а. Градационные характеры-стики термобумаги без компенсации температуры нагрева ТПГ_

Рис. 2б. Градационные характеристики термобумаги с компенсацией температуры нагрева ТПГ

В заключении обобщаются основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложении приведены обзоры современных термопринтеров как для монохромной, так и цветной термопечати, приведено описание ТПГ, выпускаемых фирмой ROHM (Япония), представлены акты и отзывы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.

Основные результаты работы

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Проведен анализ зарубежных публикаций и теоретическое исследование методов регистрации полутоновых изображений термографическими видеопринтерами, среди которых ведущее положение занимают видеопринтеры, использующие метод прямой термопечати и термопереноса красителя (производители: фирмы Mitsubishi, Sony, Seikosha, Canon и др.). Введены параметры для оценки качества полутоновых изображений; указаны способы их измерения. Для основной характеристики - интегральной оптической плотности даны расчетные формулы Шеберстова-Муррея-Девиса и Юла-Нильсена. Рассмотрены особенности восприятия полутоновых монохромных изображений, отмечена наибольшая контрастная чувствительность глаза в среднем диапазоне полутонов, показано влияние градационных преобразований на улучшение восприятия изображений.

2. В результате анализа зарубежных публикаций, исследования образцов записи полутоновых видеопринтеров и теоретических расчетных соотношений проведена классификация методов полутоновой термопечати, среди которых наибольшее применение имеют: метод модуляции оптической плотности растровых точек -DM; метод модуляция количества черных и белых растровых точек в пикселе — SMB, метод одновременной модуляции оптической плотности растровой точки и ее размера - DSM.

Даны оценочные характеристики указанных методов (число градаций, разрешение, требования к ТХБ). Для DM-метода приведена тепловая модель термопечати, позволяющая рассчитывать зависимости температуры нагревательного элемента и оптической плотности отпечатка для термопереноса красителя.

3. Теоретически рассмотрен процесс цветообразования в прямой термопечати с использованием кинетических уравнений химических реакций. Показано, что в связи с отсутствием данных о многих параметрах, входящих в уравнения цветообразования, на практике целесообразно использовать экспериментальные зависимости оптической плотности печати от управляющих воздействий.

4. Проведена оценка требований к точности полутоновой термопеча-тающей головки. Показано, что в связи с большой крутизной градационных характеристик полутоновых термохимических бумаг и высокой контрастной чувствительностью зрения, предъявляются жесткие требования к разбросу параметров ТПГ.

5. Рассмотрено несколько схем управления ТПГ, реализующих DM метод: схема последовательной печати градаций яркости; схема последовательной печати элементов строки; схема интеллектуального управления с контроллерами оптической плотности в ТПГ. Для компенсации разброса параметров кристаллов полутоновых ТПГ предложена схема коррекции с суммированием данных изображения и поправок, записанных в ПЗУ коррекции. Регулировка полутоновых видеопринтеров с коррекцией разбросов ТПГ требует адаптивной самонастройки видеопринтера. Поэтому целесообразно применять высококачественные ТПГ для полутоновой и цветной печати с малым разбросом параметров.

6. Разработан и изготовлен сенситометр, предложена методика, проведены испытания термохимических бумаг и получены характеристики температурной чувствительности для различных значений времени воздействия. Введены численные параметры (три значения температуры, средний градиент кривой оптической плотности, полезный температурный интервал, температурная чувствительность), позво-

ляющие проводить количественное сравнение различных ТХБ. Предложенный метод испытаний прост в реализации и является более информативным.

7. Разработан и изготовлен блок тестирования, позволяющий исследовать процесс термопечати с учетом взаимодействия ТПГ и ТХБ. Блок тестирования обеспечивает протяжку носителя с непрерывной скоростью (от 1 мм/с до 250 мм/с), либо в пошаговом режиме, регулировку прижима ТПГ, напряжений питания, длительности импульса печати и т. д. Контроллер ТПГ создает различные виды тестовых изображений. Проведены исследования динамических характеристик цве-тообразования для восьми видов ТХБ и трех вариантов исполнения ТПГ. Результаты исследования представлены в виде графиков и таблиц.

8. Исследованы энергетические характеристики трех вариантов исполнения ТПГ, разработанных в НИИ «Пульсар»: на ситалле с узким тоководом; на ситалле с широким тоководом; на керамике с широким тоководом. Исследованы динамические характеристики ТПГ на ситалле и керамике Исследованы условия взаимозаменяемости параметров длительности и мощности импульса печати. Установлено, что при коротких импульсах

полутоновую термопечать можно осуществлять модуляцией длительности импульса печати. Исследованы динамические характеристики ТПГ на ситалле и керамике. Исследована термопечать парными импульсами

9. Экспериментально исследована полутоновая термопечать методом модуляции оптической плотности и площади точек. Получены записи градационных клиньев с 16 и 8 градациями оптической плотности. Выбран оптимальный режим управления ТПГ.

10. Разработан и создан полутоновой термографический видеопринтер, позволяющий получать качественные отпечатки с 64 градациями серого. Приведено его описание, технические характеристики, режимы работы.

Сделан полный комплект конструкторской документации (КД), по которому изготовлены мелкие серии приборов на заводах ОАО ЛОМО, г. СПб-Петербург и НИИДАР, г. Москва.

11. Разработан алгоритм управления процессом термопечати, позволяющий достичь качества и стабильности отпечатка, не уступающей отпечаткам зарубежных видеопринтеров этого класса. Достоинства алгоритма заключаются в следующем:

- передача полутонов отпечатка происходит по градационной характеристике, близкой к линейной;

- линейность градационной характеристики сохраняется в широких диапазонах температур термопечатающей головки - от +20° С до +55 ° С;

- реализован БМ-метод печати полутонов, учитывающий характерные особенности применяемых ТПГ и ТХБ, а также конструкцию лентопротяжного механизма.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Алехин В.А., Парамонов В.Д., Соколов В.Г. Термографический видеопринтер// Приборы и системы управления, N7, 1990, с.29-30.

2. Алехин В.А., Парамонов В.Д. Термографические видеопринте-ры//Приборы и системы управления, N8, 1991, с.30-33.

3. Алехин В.А., Кузнецов В.В., Парамонов В.Д. Полутоновой термографический видеопринтер// Приборы и системы управления, N8,1992, с.38-39.

4. Алехин В.А., Парамонов В Д, Поликанов Ю.В. Сенситометрические испытания термографических бумаг// Приборы и системы управления, N3, 1992, с.41-44.

5. Патент на изобретение 2054818 РФ МКИ 6 Н 04 N 1/413 Устройство регистрации статических телевизионных изображений / Алехин В.А., Кузнецов В.В., Парамонов ВД-№ 5057419/09. Заявл. 31.07.92. Опубл. 20.02.96.-Бюл. N5.-18 с.

6. А.с. 1706059 СССР МКИ в 03 в 17/00. Устройство для записи телевизионного изображения / Алехин В.А., Парамонов В.Д, Соколов В.Г. -№ 4728664/09. Заявл. 07.08.89. Опубл. 15.01.92, Бюл. Ш.-с.3.

7. А.с. 1720168 СССР МКИ Н 04 N 5/76, 5/84. Устройство для регистрации телевизионного изображения /Алехин В.А., Евтихиев Н.Н., Парамонов ВД-№ 4793805/09. Заявл. 14.12.89. Опубл. 15.03.92, Бюл. М0.-с.5.

8. А.с. 1728981 СССР МКИ Н 04 N 5/87. Устройство для регистрации телевизионных изображений/ Алехин В.А., Парамонов В.Д., Соколов В.Г. -№ 4697377/09. Заявл. 28.05.89. Опубл. 23.04.92, Бюл. N15.-с.3.

9. Алехин В.А., Парамонов В Д, Поликанов Ю.В. Сенситометрические параметры термографических бумаг//Тезисы доклада III Всесоюзной НТК по гибридным технологиям.-Ярославль, 1991.-с.87-88.

10.Алехин В.А., Парамонов В.Д. Термографический видеопринтер для медицинских приборов// Тезисы доклада III Всесоюзной конференции по диагностике сердечных заболеваний.-Львов, 1990.-c.3-4.

11Алехин В.А., Кузнецов В.В., Парамонов В.Д. Схемотехника термографических видеопринтеров//Научно-техническая конференция МИРЭА, сборник трудов, Москва, 1993г.

12Алехин В.А., Кузнецов В.В., Парамонов В.Д., Обыграйкин В.И. Исследование жидкокристаллического модулятора света для электрофотографического принтера//ЖНИПФиК.-1992.- N5.

13. Алехин В.А., КузнецовВ.В., ПарамоновВ.Д., Обыграйкин В.И. Исследование модулятора света на основе ЖК-линейки для электрофотографического принтера// Тезисы доклада Международной конференции "Электрофотография 91 ".-М.: 1991.- с. 182-184.

14.Парамонов В.Д. Анализ состояния рынка термопечатающих устройств на современном этапе //53-я Научно-техническая конференция МИРЭА, Сборник трудов, Москва, 2004 г.

15. Парамонов В.Д. Алгоритм управления термопечатающей головкой, обеспечивающий высококачественную полутоновую термопечать. //53-я Научно-техническая конференция МИРЭА, Сборник трудов, Москва, 2004 г.

Подписано в печать 01.11.2004. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16 Усл. кр.-отт. 4,64. Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 735

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

*23952

Глава

1.2 1.3.

Глава 2 2.1.

Глава

Список сокращений и условных обозначений

Содержание

Введение 5 Развитие и современное состояние термопечатающих устройств регистрации информации

Классификация термопечатающих устройств

Обзор современных термопечатающих головок.

Современные материалы для термопечати

Выводы по главе 1 45 Исследование методов регистрации полутоновых изображений

Введение 49 Основные параметры, характеристики, оценки качества полутоновых изображений в электронной печати и полиграфии

Классификация методов полутоновой термопечати

Тепловая модель печати

Управление термопечатающей головкой в ИМ - методе

Выводы по главе 2 122 Исследование отечественных и импортных термохимических бумаг и термопечатающих головок

Сенситометрические испытания ТХБ 124 Исследование энергетических характеристик термопечатающих головок ( ГШ ) и динамические испытания термохимических бумаг (ТХБ) 133 Исследование и анализ режимов и методов полутоновой термопечати

Исследование структуры образцов полутоновой печати

Выводы по главе

Глава 4 Разработка и создание полутонового 64-х градационного термографического видеопринтера

4.1. Назначение и описание полутонового термографического видеопринтера ТВП

4.2. Принципы работы видеопринтера и описание метода печати полутонового изображения 214 Выводы по главе 4 230 Заключение 232 Список литературы 237 Приложение

- Технические характеристики термопринтеров

- Состав современных термо и термовидеопринтеров

- Технические характеристики ТПГ фирмы ROHM

- Акты и отзывы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы

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:

- электрофотографическая (лазерная) печать;

- струйная печать;

- термопечать.

Представленная диссертационная работа посвящена разработке методов полутоновой термопечати и полутонового термографического видеопринтера. Термопечать начала развиваться с начала 70 годов и в настоящее время уверенно занимает значительный сектор рынка печатающий устройств и благодаря своим уникальным возможностям печати полутонов превосходит другие технологии печати по качеству полноцветных отпечатков. Термографические видеопринтеры позволяют печатать монохромные и цветные полутоновые изображения фотографического качества и находят широкое применение в системах управления и видеоконтроля, медицинской технике, цифровой электронной фотографии.

Термографические принтеры основаны на использовании термографического метода, состоящего в локальном нагреве термочувствительного носителя (ТЧН) нагревательными элементами (НЭ) термопечатающей головки (ТПГ). Применяют метод прямой термопечати (ПТП), в котором термочувствительным оконечным носителем является термочувствительная, как правило, термохимическая бумага (ТХБ). Вторым методом является метод термопереноса краски (ТНК), в котором термочувствительным носителем служит промежуточная полимерная пленка, покрытая с одной стороны плавкими красителями различных цветов. Под действием локального нагрева красители с пленки переносятся на оконечный бумажный носитель, контактирующий с пленкой в месте нагрева.

В методе ПТП достигнуто разрешение 16 точек/мм, печать монохромных двухградационных и полутоновых изображений на специальной ТХБ. В методе ТПК при разрешении (6-12) точек/мм достигается печать полноцветных изображений. Количество оттенков превышает 16 миллионов.

Ведущими производителями термопечатающих устройств являются японские фирмы: Mitsubishi, Sony, Seikocha, Canon.

Потребности рынка в качественной цветной печати побуждают специалистов изобретать новые технологии и совершенствовать уже известные. В наше время источники изображения не ограничиваются только компьютером, все больше используются цифровые фото и видеокамеры, мониторы с аналоговыми выходами и прочие. В качестве устройств вывода изображения чаще других используются матричные, струйные, лазерные или термосублимационные принтеры.

В нашей стране рынок полутоновых и цветных термопечатающих устройств полностью занят зарубежными фирмами. Российские фирмы производят термопринтеры для кассовых аппаратов, некоторые принтеры этикеток и штрих-кодов, факсимильные аппараты специального назначения. Расширение ассортимента российских термопечатающих устройств является актуальным и важным для развития наукоемких производств электронных изделий. Для разработки и производства современных устройств термопечати необходимы не только новейшие технологии производства, но и четкое представление о процессах термопечати, знание характеристик основных элементов, осуществляющих процесс термопечати, таких как термопеча-таюшая головка, термохимическая бумага и лентопротяжный механизм (ЛПМ). химии и физики цветопроявления, критериев оценки качества термопечати и ряда других параметров. Все современные термопринтеры являются устройствами с линейной печатью данных, в которых одновременно печатается строка точек изображения, а термочувствительный материал перемещается в перпендикулярном направлении. Наиболее наукоемкая область термопечати - цветная печать. Отличительной особенностью цветных цифровых термопринтеров является их способность воспроизводить полноцветное изображение фотографического качества, что является недостижимым для принтеров с лазерной и струйной технологией.

Термопринтеры, использующие данную технологию печати, называются термосублимациоными принтерами с переносом красителя. Кроме таких принтеров широко распространены термопринтеры с прямой термопечатью и термопереводные принтеры с плавкими красителями.

Полноцветный отпечаток достигается путем наложения трех основных субстрактивных цветов - голубого, пурпурного и желтого (CMY) (иногда используется дополняющий цвет — черный (CMYK) в каждой точке локального нагрева. Причем, наиболее важно обеспечить высококачественную полутоновую термопечать каждого составляющего цвета. Так, если уровень яркости каждого основного цвета имеет 64 градаций, то возможна печать более двух миллионов цветов.

С развитием технологий цветной печати постоянно расширяется сфера их применения, и в тоже время растут требования к качеству напечатанных материалов. Сегодня источником изображения, кроме компьютера, становятся цифровые фотостудии, бытовые видеокамеры, видеомагнитофоны, охранные телекамеры, медицинское оборудование, мониторы с аналоговыми выходами и другие. Все это стимулирует развитие и появление более совершенных и прогрессивных технологий, в том числе и технологии термосублимационной печати.

В термосублимационных принтерах используются твердые красители, которые при печати переходят под действием высокой температуры в газообразное состояние, а затем опять в твердое, минуя жидкую фазу -происходит сублимация. В отличие от струйных принтеров, в которых цветная точка формируется как матрица, состоящая из точек базовых цветов, в термосублимационных принтерах красители базовых цветов наносятся на бумагу последовательно, в три слоя. Здесь нет проблем с высыханием краски и, варьируя толщиной цветных слоев, можно получать миллионы оттенков.

Именно в этом главное отличие термосублимационного принципа печати от всех остальных, и именно поэтому у термосублимационных принтеров нет конкурентов в качестве отпечатка. Термосублимационные устройства формата А4 используются профессионалами-дизайнерами, а принтеры формата 10x15 см и меньшего предлагаются как средство мгновенной печати снимков для владельцев цифровых камер, не имеющих ПК.

В представленной диссертационной работе впервые в России в 1992 году решена задача полутоновой термопечати с линейной монохромной шкалой, имеющей 64 градации серого цвета.

В последние годы резко увеличилось количество патентов США в области термопечати. Их количество превышает сейчас 2000. Лидером в области научно-исследовательских разработок методов, элементов и устройств термопечати является Япония, далее идут Соединенные Штаты Америки и страны Западной Европы. Список же отечественных публикаций по данной теме составляет, по проведенному диссертантом реферативному поиску за последние десять лет и поиску в сети Интернет[54-68], всего шесть работ, в половине из которых диссертант принимал участие.

Целью диссертационной работы является разработка методов полутоновой термопечати, включающих в себя:

- исследование термохимических бумаг (ТХБ) и исследование термопеча-тающих головок (ТПГ);

- разработка алгоритмов управления процессом полутоновой термопечати;

- анализ качества изображения, определение требований к термохимическим бумагам и термопечатающим головкам;

- разработка и создание действующего образца полутонового термографического видеопринтера, реализующего на практике ряд исследованных методов.

Исследование вышеназванных вопросов является необходимой основой для создания и организации производства отечественных устройств термопечати, в том числе полутоновых видеопринтеров, регистрирующих изображения в медицинской аппаратуре, факсимильной связи, информационной технике.

Таким образом, актуальность темы представленной мной работы для нашей страны является неоспоримой. Диссертация состоит из четырех глав, заключения и приложения.

• В первой главе рассмотрены развитие и современное состояние термопечатающих устройств регистрации информации, сформулированы цели и задачи диссертационной работы и положения, выносимые на защиту.

• Во второй главе проведен теоретический анализ методов регистрации полутоновых изображений, введена их классификация, даны критерии оценки качества термопечати, приведена тепловая модель печати, описан алгоритм управления 1111 в методе модуляции оптической плотности печатаемой точки.

• В третьей главе приведены результаты сенситометрических испытаний термохимических бумаг, термопечатающих головок и образцов печати для разных методов полутоновой регистрации, приведено описание установки для испытаний ТХБ и блока тестирования 1111.

• В четвертой главе дается описание разработанного с участием автора полутонового термографического принтера и управляющая программа, реализующая выбранный метод термопечати.

В заключении обобщаются основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложении приведены обзоры современных термопринтеров как для монохромной, так и цветной термопечати, приведено описание 1111, выпускаемых фирмой ROHM (Япония), представлены акты и отзывы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы. На защиту выносятся следующие положения:

1. Теоретическое исследование методов регистрации полутоновых изображений, включающих следующие основные вопросы:

- особенности восприятия и параметры полутоновых изображений, градационные преобразования в системах электронной печати;

- классификация методов регистрации полутоновых изображений;

- теоретические основы методов модуляции оптической плотности растровых точек (ДМ-метод);

- управление полутоновой печатающей головкой в ДМ-методе;

- оценка требований к точности 1111' и компенсация разброса параметров;

- теоретические основы методов модуляции площади растровых точек (SM)-методы.

2. Методика исследования температурной чувствительности отечественных и импортных ТХБ и методы тестирования ТПГ, разработанные для исследования энергетических характеристик ТПГ и динамических характеристик цветообразования с различными видами термобумаг.

3. Алгоритм управления ТПГ при модуляции оптической плотности растровых точек, отличающийся высокой линейностью оптической плотности печати. Проведены экспериментальные исследования метода, определены оптимальные режимы управления, дана оценка качества печати.

4. Методика исследования динамических характеристик нескольких вариантов ТПГ и определения предельного быстродействия.

5. Измерительный стенд для анализа качества изображений при полутоновой термопечати.

6. Действующий образец полутонового видеопринтера. Сделан полный комплект конструкторской документации (КД), по которому изготовлены мелкие серии приборов на заводах JIOMO г. С-Петербург и НИИДАР г. Москва.

При решении поставленных задач использованы методы теории математического моделирования, теории фотографического процесса, теории теплопередачи, химии цветопроявления, программирования.

Научная новизна работы и ее практическая значимость заключается в следующем: впервые поставлены и решены задачи, позволяющие создавать термопечатающие устройства системно, на строгой теоретической базе, используя наиболее эффективные методы термопечати, элементную базу и ^ соответствующие им алгоритмы управления; раскрыта и математически описана теория процесса термопечати на уровне достаточно простых математических моделей и проведена ее экспериментальная проверка; создана база для стандартизации термохимических бумаг - носителей информации. впервые в России разработан и создан термографический видеопринтер, позволяющий получить 64-х градационный (64 оттенка серого) отпечаток «твердую копию» оригинала изображения, представленного в телевизионном стандарте.

Материалы и результаты работы представлены на Всесоюзной конференции по гибридным технологиям (Ярославль), отражены в статьях и докладах. Разработанные методы полутоновой термопечати защищены тремя авторскими свидетельствами и патентом Российской Федерации. Список научных трудов приведен в конце диссертационной работы. Научному руководителю Алехину В.А, в соавторстве с которым опубликовано большинство работ, принадлежит постановка соответствующих задач и научное руководство проведенными исследованиями и опытно-конструкторскими разработками.

Результаты работы были использованы при выполнении хоздоговорных НИР № Р-38 с НИИ «Пульсар» г. Москва, 1992 г., № Р-177 между МИРЭА и ЗАО НПФ «Сигма», Калуга, 2000 г.,№ 13 2000 г., № 37/С , №45 2001 г, № 1,№27/03 2003 г.

На термографический видеопринтер получены документы, указанные в приложении, подтверждающее внедрение и научную и практическую значимость: акты испытаний от крупнейших медицинских центров, Главного Технического управления и Центра криминалистической экпертизы МВД России. Министерство Здравоохранения РФ рекомендовало видеопринтер к серийному производству.

Работа проводилась в тесном сотрудничестве с ведущими организациями, занимающимися разработкой и производством термопечатающих устройств: НИИ «ПУЛЬСАР» г. Москва, КНИИТМУ, г. Калуга и ЗАО «Сигма», г. Калуга.

Выполненные исследования и научно-технические разработки предназначены для использования при создании отечественных устройств термопечати, в том числе термографических видеопринтеров, факсимильных аппаратов с черно-белой и полутоновой печатью, применяемых, в устройствах вычислительной техники и системах управления, информационных устройствах, медицинской аппаратуре, телевизионных системах наблюдения и контроля, в системах штрихового кодирования, печати этикеток, чеков и. т. п., а также при разработке и испытаниях таких элементов, как термопечатающие головки и термохимические бумаги.

Основные результаты, полученные в исследованиях автора и изложенные в главе 4 состоят в следующем:

1. Разработан и создан полутоновой термографический видеопринтер, позволяющий получать качественные отпечатки с 64 градациями серого. Приведено его описание, технические характеристики, режимы работы.

2. Разработан алгоритм управления процессом термопечати, позволяющий достичь качества и стабильности отпечатка, не уступающей отпечаткам зарубежных видеопринтеров этого класса. Достоинства данного алгоритма заключаются в следующем:

- передача полутонов отпечатка происходит по градационной характеристике, близкой к линейной - линейность градационной характеристики сохраняется в широких диапазонах температур термопечатающей головки - от +20° С до +55° С и, соответственно, температур окружающей среды.

3. Реализован БМ-метод печати особенности применяемых ТПГ лентопротяжного механизма. полутонов, учитывающий характерные и ТХБ, так и выбор конструкции 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью диссертационной работы являлось исследование и разработка методов полутоновой термопечати, включающих в себя:

- исследование термохимических бумаг (ТХБ);

- исследование термопечатающих головок (ТПГ);

- разработка алгоритмов управления процессом полутоновой термопечати;

- анализ качества изображения, определение требований к термохимическим бумагам и термопечатающим головкам;

- разработка и создание действующего образца полутонового термографического видеопринтера, реализующего на практике исследованные методы. Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Проведен анализ зарубежных публикаций и теоретическое исследование методов регистрации полутоновых изображений термографическими видеопринтерами, среди которых ведущее положение занимают видеопринтеры, использующие метод прямой термопечати и термопереноса красителя (производители: фирмы Mitsubishi, Sony, Seikosha, Canon и др.). Введены параметры для оценки качества полутоновых изображений; указаны способы их измерения. Для основной характеристики -интегральной оптической плотности, даны расчетные формулы Шеберстова-Муррея-Девиса и Юла-Нильсена. Рассмотрены особенности восприятия полутоновых монохромных изображений, отмечена наибольшая контрастная чувствительность глаза в среднем диапазоне полутонов, показано влияние градационных преобразований на улучшение восприятия изображений.

2. В результате анализа зарубежных публикаций, исследования образцов записи полутоновых видеопринтеров и теоретических расчетных соотношений проведена классификация методов полутоновой термопечати, среди которых наибольшее применение имеют: метод модуляции оптической плотности растровых точек -DM; метод модуляция количества черных и белых растровых точек в пикселе - SMB, метод одновременной модуляции оптической плотности растровой точки и ее размера - DSM.

Даны оценочные характеристики указанных методов (число градаций, разрешение, требования к ТХБ). Для DM-метода приведена тепловая модель термопечати, позволяющая рассчитывать зависимости температуры нагревательного элемента и оптической плотности отпечатка для термопереноса красителя.

3. Теоретически рассмотрен процесс цветообразования в прямой термопечати с использованием кинетических уравнений химических реакций. Показано, что в связи с отсутствием данных о многих параметрах, входящих в уравнения цветообразования, на практике целесообразно использовать экспериментальные зависимости оптической плотности печати от управляющих воздействий.

4. Проведена оценка требований к точности полутоновой термопечатающей головки. Показано, что в связи с большим крутизной градационных характеристик полутоновых термохимических бумаг и высокой контрастной чувствительностью зрения, предъявляются жесткие требования к разбросу параметров ТПГ.

5. Рассмотрено несколько схем управления ТПГ, реализующих DM метод: схема последовательной печати градаций яркости; схема последовательной печати элементов строки; схема интеллектуального управления с контроллерами оптической плотности в ТПГ. Для компенсации разброса параметров кристаллов полутоновых ТПГ предложена схема коррекции с суммированием данных изображения и поправок, записанных в ПЗУ коррекции. Регулировка полутоновых видеопринтеров с коррекцией разбросов ТПГ требует адаптивной самонастройки видеопринтера, поэтому целесообразно применять высококачественные ТПГ для полутоновой и цветной печати с малым разбросом параметров.

6. Разработан и изготовлен сенситометр, предложена методика, ^ проведены испытания термохимических бумаг и получены характеристики температурной чувствительности для различных значений времени воздействия. Введены численные параметры (три значения температуры, средний градиент кривой оптической плотности, полезный температурный интервал, температурная чувствительность), позволяющие проводить количественное сравнение различных ТХБ. Предложенный метод испытаний прост в реализации и является более информативным по сравнению с известным методом статических испытаний.

7. Разработан и изготовлен блок тестирования, позволяющий исследовать процесс термопечати с учетом взаимодействия ТПГ и ТХБ. Блок тестирования обеспечивает протяжку носителя с непрерывной скоростью (от 1 мм/с до 250мм/с), либо в пошаговом режиме, регулировку прижима ТПГ, напряжений питания, длительности импульса печати и т. д. Контроллер ТПГ щ создает различные виды тестовых изображений. Проведены исследования динамических характеристик цветообразования для восьми видов ТХБ и трех вариантов исполнения ТПГ. Результаты исследования представлены в виде графиков и таблиц.

8. Исследованы энергетические характеристики трех вариантов исполнения ТПГ, разработанных в НИИ «Пульсар»: на ситалле с узким тоководом; на ситалле с широким тоководом; на керамике с широким тоководом. Исследованы динамические характеристики ТПГ на ситалле и керамике Исследованы условия взаимозаменяемости параметров длительности и мощности импульса печати. Исследованы динамические характеристики ТПГ на ситалле и керамике. Установлено, что при коротких импульсах гпеч -мс полутоновую термопечать можно осуществлять модуляцией длительности импульса печати. Исследована термопечать парными импульсами.

10. Разработан и создан полутоновой термографический видеопринтер, ф позволяющий получать качественные отпечатки с 64 градациями серого. Приведено его описание, технические характеристики, режимы работы.

Сделан полный комплект конструкторской документации (КД), по которому изготовлены мелкие серии приборов на заводах ЛОМО г. С-Петербург и НИИДАР г. Москва.

11. Разработан алгоритм управления процессом термопечати, позволяющий достичь качества и стабильности отпечатка, не уступающей отпечаткам зарубежных видеопринтеров этого класса. Достоинства алгоритма заключаются в следующем:

- передача полутонов отпечатка происходит по градационной характеристике, близкой к линейной;

- линейность градационной характеристики сохраняется в широких диапазонах температур термопечатающей головки - от +20° С до +550 С;

- реализован ЭМ-метод печати полутонов, учитывающий характерные особенности применяемых ТПГ и ТХБ, а также конструкцию лентопротяжного механизма.

Полученные результаты являются основой для проведения опытно-конструкторских разработок термохимических бумаг, термопечатающих головок полутоновых термографических видеопринтеров, которые несомненно потребуют дальнейшего продолжения теоретических и экспериментальных исследований полутоновой термопечати. Сформулированы направления этих исследований: исследование полутоновых термохимических носителей на синтетической основе;

- исследование полутоновых ТПГ и способов управления для получения линейной градационной характеристики с числом градаций 64 -256;

- исследование влияния внешних факторов на качество термопечати, способов контроля и компенсации; исследование методов и технических средств коррекции технологических разбросов ТПГ и ТХБ для повышения качества термопечати;

- оптимизация режимов управления термопечатью, градационная коррекция видеосигналов, автоматическая регулировка качества изображения;

- разработка аппаратных и программных средств полутоновых термографических видеопринтеров;

- разработка методов и аппаратуры для испытания термохимических бумаг, термопечатающих головок и процесса термопечати;

- разработка методов цветной термопечати.

Таким образом представляется целесообразным дальнейшее продолжение работ по указанным выше направлениям и использование полученных результатов в опытно-конструкторских разработках монохромных полутоновых и цветных видеопринтеров.

1. Филатов В.Н. Термопечать. Москва, Энергоатомиздат, 1990.

2. Поликанов Ю.В., Московский Ю.В., Миркин А. И. Термопечатающие головки// Приборы и системы управления. 1985. №3, с.35-36.

3. Левин Э. С. Факсимильные термопечатающие головки// Зарубежная радиоэлектроника, 1989, №4, с.91- 97.

4. Product Specification ТРМ200, BDT 2003

5. Поликанов Ю.В., Гурин В. Я. и др. Современные отечественные ТПГ и термопринтеры для контрольно-кассового оборудования// Электронные компоненты, 2001, №2 с. 35-38.

6. Алехин В. А. «Термопечать приносит деньги российской электронике»// Электронные компоненты, 2000, №1 с.38-40.

7. Козлова М.А, Андреева И.П. Бумага для термографии// Приборы и системы управления. 1984, №3 с. 34-35.

8. Термобумаги. Мат. Целлштофф папир (Герм), 2003

9. Эмонс-Пол А. Термопечать для самоклеющихся этикеток// журнал NarrowWebTech, 3-2001.

10. Узилевский В.А. Передача, обработка и воспроизведение цветных изображений. М. «Радио и связь», 1981 г.

11. Зернов В. А. Фотографические процессы в репродукционной технике. М. Книга, 1969 г.

12. Кузнецов Ю.В., Узилевский В.А. Электронное растрирование в полиграфии. М. Книга, 1976 г.

13. Shin Ohno. The Color Hardcopying Technologies Video - Hardcopy Printers and Digital Color Copiers. - Optoelectronics Devices and Technologies, v 3, № 1, June, 1988, p. 47-60.

14. Yokio Tokinaga, Kazunari Kubota, Jun Ohya. New grey Scale Printing method Using a Thermal Printer. - IEE Transactions on Electron Devices, V. ED-30, № 8, Aug., 1983.

15. H. Ochi, N. Tetsutani. A New Halftone reproduction and transmission methodusing standard black and white Facsimile Code. IEEE Transactions on I Communications, v. 35, № 4, 1987.

16. Hiromishi Ito, Kinihiro Kamata. Mobile Data Transmission and Facsimile System. 1979 Carnahan Conference on crime counter-Measures, University of Kentycky, Lexinton, May, 1979.

17. ДжаддД., Вышецки Г. Цвет в науке и технике.- М.: Мир, 1978, с 592.

18. Кобаяси М. Современное состояние и перспективы развития технологии принтеров. Ж. Кикай Сэккей, Яп. 1985 г., т. 29, № 13, с. 10-19. Перевод 25.03.87 №Н-20168.

19. Хоровиц иХилл. Искусство схемотехники. -М.: Мир, 1985 г.

20. Thermal printer with printing plate making mode. US. Pat. № 4.777.496, US.cl. 346/76 PH; Int C1.-G01D 15/10, Oct. 11, 1988.

21. A.c. 1706059 СССР МКИ G 03 G 17/00. Устройство для записи телевизионного изображения / Алехин В.А., Парамонов В.Д., Соколов В.Г.4 № 4728664/09. Заявл. 07.08.89. Опубл. 15.01.92, Бюл. N2.-c.3.

22. Makoto Tsumura, Ruozo Takeushi. A Bicmos Thermal Head Intelligent Driver with Density Controllers for Full-Tone Rendition Printers. IEEE Journal of Solid-State Circuits, v. 23, № 26 April 1988.

23. Левин Э.С. Факсимильные термографические головки// Зарубежная радиоэлектроника. 1989, № 4, с. 55-56.

24. Способ и устройство для оптимизации полутоновых изображений в принтерах. Пат. 6185005 США, МПК 358/1.9 англ. + дополнительный блок полутонирования, 1999.

25. Алехин В.А., Поликанов Ю.В., Парамонов В.Д. Сенситометрические испытания термографических бумаг// Приборы и системы управления . 1992, №3, с.41-44.

26. А.с. 1720168 СССР МКИ Н 04 N 5/76, 5/84. Устройство для регистрации телевизионного изображения /Алехин В.А., Евтихиев Н.Н., Парамонов

27. Ф 4793805/09. Заявл. 14.12.89. Опубл. 15.03.92, Бюл. N10.-c.5.

28. RICOH. Product information. 2003.

29. Thermal Printer Controller for TPM 80/ 100 /150 / 200 , Product Specification, BDT Büro- und Datentechnik GmbH & Co. KG, 2001.

30. Поликанов Ю.В. и др. Новая серия малогабаритных ТГТГ и термопринтеров для ККМ// Приборы и системы управления, 2001, №1 с. 39-41.

31. Алехин В.А., Поликанов Ю.В., Парамонов В.Д. Сенситометрические параметры термографических бумаг. Материалы III всесоюзной НТК по гибридным технологиям Ярославль, 1991, с.3-4.

32. Патент на изобретение 2054818 РФ МКИ 6 Н 04 N 1/413 Устройство регистрации статических телевизионных изображений / Алехин В.А., Кузнецов В.В., Парамонов В.Д.-№ 5057419/09. Заявл. 31.07.92. Опубл. 20.02.96.-Бюл. N5 .-18 с.

33. Lu Shin-Min Способ обработки полутоновых данных и управление нагревом для цветных термопринтеров. IEEE Trans. Consumer Electronic, 2001, t.46 №4 с 1148-1154.

34. Method and apparatus for printing higt quality still picture frames Пат 5870208 США H04N1/401 Fukuda Kyoko.

35. Thermal transfer imaging. Пат. 5863860 США, B41M5/035,2000.

36. Метод и аппаратура для обработки изображений, метод и аппаратура для формирования изображений. Пат. 6016206 США, H04N1/38, 2001.

37. Способ регистрации изображений с переносом в условиях теплового воздействия. Пат. 5929889 США, МПК G01015/10, 2001.

38. Способ и устройство обработки изображений. Пат. 5937087 США, H04N1/46, Canon, НПК 382/167, 2001.

39. Способ и устройство вывода изображения. Пат. 5889931 США, G06K15/00, МПК 395/116, 2001.

40. Способ и устройство для полутоновых точечных термопринтеров в процессе полихромной печати. Пат. 6104502 США НПК 358/1.9, англ. 2001.

41. Устройство и способ обработки изображения, устройство и способ управления печатью и принтер с их использованием. Пат. 6100996 США,

42. НОЧ N1/04, Canon corp., 2001. p 41. Способ повышения качества печати. Заявка 19943156, G06K15/02, Silitec Когр., нем. 2002.

43. Метод и аппаратура для регулирования плотности изображения Пат. 61477771 США H04N1/405, англ. 2002

44. Электродвигатель шаговый ДШР-39. ИАРК523314.003ТУ

45. THICK-FILM THERMAL HEAD, ROHM, Specification № 91KF1504-C1S-101. 15 mar. 1991.

46. H. Ochi, N. Tetsutani. A New Halftone reproduction and transmission method using standard black and white Facsimile Code. IEEE Transactions on Communications, v. 35, № 4, 1987.

47. PWM control of motor driver. ПАТ 5869946 США H02P5/17, 2000.

48. Maeda Shuichi и др., Разработка бумажного носителя изображения, имеющего слой с пористой микроструктурой. Scientific and Tecnology,2000, t.44, №5 с. 410-417, компания Oji.

49. Способ изготовления ТПГ. Пат. 6010754 США, Rohm corp. ltd. № 08/978281 НПК 427/545 англ. 2000.

50. Носитель термографической записи и способ его изготовления. Пат. 6174607 США. НПК 428/423.1 англ. 2002.

51. Передающая изображение красящая лента, печатающий элемент и метод изготовления печатающего элемента. Пат. 5965485 США В41 М5/035, Sony НПК 503/227, англ., 2000.

52. Материал для термографической записи. Пат. 5882797 США, Youshida Katsuhiro, Fujicopian Со, ltd. N684399, НПК 428/413, 2000.

53. Резистор с покрытием, разрушаемом при протекании больших токов. Пат. 5914648 США Н01Н85/143, опубл. 22.06.99.

54. Принтеры в информационной технологии. Asian Rev. Bisiness and Tecnology. 1999, febr-march, с 25-25 англ.