МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса»
(ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС»)
Кавминводский институт сервиса (филиал)
(КМВИС ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС»)
Яловой В.Я.
Устройство отображения информации.
Курс лекций для студентов специальности
230201.65 «Информационные системы и технологии»
Пятигорск 2013г.
УДК 621.397
ББК 32.84
Я 51
Кафедра «Информационные системы, технологии и связь»
Составитель:
доцент Яловой В.Я..
Рецензент:
к.т.н., доцент
Осмоловский Л.М.
Я 51 Яловой В.Я. Конспект лекций по дисциплине «Устройства отображения»
студентов очного и заочного обучения специальности 230201 «Информационные
системы и технологии». Пятигорск: КМВИС ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2013-82с
Методические указания печатаются по решению Научно-методического совета
КМВИС ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС» для внутривузовского издания (протокол №4 от
08.02.2013г.)
© КМВИС ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС»
© Яловой В.Я.
2
Лекция 1 Особенности зрительной системы человека
Вопросы:
1. Преобразование оптического изображения в электрический сигнал;
2. Восприятие изображения зрительной системой;
3. Характеристики зрительного восприятия.
1. Преобразование оптического изображения в электрический сигнал
Для восприятия окружающего нас реального мира природа наделала человека
пятью чувствами, три из которых (зрение, слух, обоняние) являются дистантными, а
два (осязание и вкус) — контактными. 3начение стимулов, доводимых до нашего
сознания разными органами чувств, далеко не одинаково. Физиологи утверждают, что 80
— 85 % всех ощущений человек воспринимает через зрение. Но как ни изумительно
устроен глаз человека, мы видим малую часть нашего непосредственного окружения,
и только то, что излучает или рассеивает падающий свет, который, как известно,
занимает весьма узкий диапазон электромагнитных колебаний.
Известно, что весь спектр электромагнитных колебаний условно делят на две
части: лежащие ниже 3000 ГГц относят к радиоволнам, а выше — к оптическому
диапазону.- Видимая часть спектра лежит в области оптического диапазона и
составляет лишь узкий участок (380...760 нм). На этом участке размещаются все
видимые цвета: от фиолетового до красного (рис. 1,а). На рис.1,6 показана кривая
относительной спектральной чувствительности глаза, или, как иногда её называют,
стандартной кривой относительно видности глаза. Максимальная спектральная
чувствительность глаза находится в области желто-зеленой части видимого спектра
частот (0,55 мкм). Слева и справа от максимума кривой видности глаза, где
располагаются синие и красные цвета, спектральная чувствительность глаза падает.
Следовательно, глаз не все цвета видимого диапазона различает одинаково. Это
обстоятельство было учтено при создании совместимых систем цветного телевидения.
Телевизионная система может расширить зрительные возможности человека, т.е.
она способна видеть то, что человек не может видеть невооруженным глазом.
Источником сигнала может быть любое излучение не только в оптическом диапазоне
электромагнитных волн. Для этого необходимо, чтобы оптико-электронный
преобразователь имел соответствующую чувствительность.
Рисунок 1 Спектр электромагнитных волн (а) и стандартная кривая относительной
спектральной чувствительности глаза(б)
3
Каждый элемент изображения характеризуется мгновенным значением яркости.
В процессе развертки, т.е. последовательной во времени передачи элементов
изображения, образуется сигнал яркости как функция времени. Для получения этого
сигнала необходимо преобразовать лучистую энергию в электрический сигнал, что
осуществляется в современных устройствах, использующими фотоэффект. Под
фотоэффектом понимается возможность освобождения электронов в веществе под
действием световых лучей. Электроны при этом могут покидать вещество, тогда это
называется внешним фотоэффектом, или оставаться свободными внутри вещества,
увеличивая его проводимость, тогда это называется внутренним фотоэффектом. В
первом случае процесс вылета электронов из вещества называется фотоэмиссией, а во
втором — электроны, освобожденные светом, но оставшиеся в нем, называются
электронами фотопроводимости.
Сущность внешнего фотоэффекта заключается в появлении электронной эмиссии
с поверхности некоторых металлов, облучаемых лучистым потоком.
Возбужденный квантом света электрон покидает вещество, преодолевая работу
выхода. Световые лучи, обладающие небольшой энергией световых квантов,
неспособны вырвать ни одного электрона из вещества, следовательно, во внешней
цепи не будет тока. Если световой квант обладает большой энергией, то он способен
освободить электроны, и тогда во внешней цепи потечет фотоэмиссионный ток. Он
будет пропорционален световому потоку, если прибор работает в режиме насыщения.
Тогда все электроны, испускаемые данным веществом, попадают во внешнюю цепь.
Преобразование светового потока в электрический ток при внешнем фотоэффекте
безынерционно. Основные закономерности внешнего фотоэффекта установлены
А.Г.Столетовым в 1888—1890 гг.
При внутреннем фотоэффекте за счет поглощения энергии излучения увеличивается
энергия отдельных электронов вещества и нарушаются связи электронов с ядром
своего атома, в результате чего внутри фотослоя возникают носители тока. Электроны
не покидают вещество, а остаются внутри него, переходя из заполненной зоны в зону
проводимости. Это приводит к изменению сопротивления фотослоя. Возбужденный
светом электрон через некоторое время рекомбинирует, т.е. возвращается в
заполненную зону. Скорость этого процесса возрастает по мере увеличения
концентрации фото-генерированных электронов. При неизменном потоке излучения
скорость генерации носителей постоянна, скорость рекомбинации возрастает, поэтому
через определенный промежуток времени интенсивность рекомбинации становится
равной интенсивности генерации новых фотоэлектронов. Наступает равновесное
состояние — стационарное значение проводимости.
При прекращении освещения носители тока рекомбинируют не мгновенно,
поэтому фотопроводимость сохраняется еще спустя некоторое время. Следовательно,
нарастание и спад фотопроводимости происходят не мгновенно, а являются
процессом инерционным.
Квантовый выход, т.е. отношение числа фотоэлектронов к числу падающих
квантов света, при внутреннем фотоэффекте значительно выше, чем при внешнем.
При внешнем фотоэффекте выбитые квантами света фотоэлектроны должны
совершить "работу выхода", чтобы покинуть свою среду, т.е. иметь большой запас
энергии. При внутреннем фотоэффекте фотоэлектроны работу выхода не совершают,
они только отрываются от своих атомов и остаются в пределах фотопроводника, при
этом требуется значительно меньше энергии. Следовательно, оптико-электронные
преобразователи, использующие явление внутреннего фотоэффекта, обладают более
высокой чувствительностью и поэтому современные датчики используют в основном
принцип внутреннего фотоэффекта.
4
2. Восприятие изображения зрительной системой
Зрительная система. Зрение, т.е. получение зрительной информации о внешнем
мире — форме вещей, их пространственном расположении, цвете, движении и т.д.,
осуществляется с помощью зрительной системы. Зрительная система состоит из
органа зрения — глаза, нервной системы и зрительного центра коры головного мозга.
Глаз представляет собой оптическую систему, с помощью которой формируется
изображение окружающих нас предметов на сетчатке. Последняя образует
светочувствительную поверхность дна глазного яблока. Оптическая система глаза
довольно проста, она легко управляется с помощью хорошо организованного
мышечного аппарата. Так, путем изменения кривизны хрусталика глаз автоматически
фокусирует изображение тех предмете
которые мы хотим рассмотреть в данный
момент. Диапазон фокусировки охватывает предметы, удаленные от наблюдателя на
десятки сантиметров и до бесконечности. Кроме того, автоматически устанавливается
оптическая ось глаза так, чтобы подвергающееся рассматриванию изображение
проецировалось на центральную часть сетчатки (фовеа), обладающую наибольшей
разрешающей способностью.
Сетчатая оболочка глаза представляет собой мозаику из светочувствительных
нервных окончаний. В соответствии с теорией двойственного зрения существует два
вида нервных окончаний — фоторецепторов. Колбочки — рецепторы аппарата
дневного зрения, характеризуемого малой световой чувствительностью, но большой
разрешающей способностью и цветоразличительными свойствами. Палочки —
рецепторы аппарата сумеречного зрения, не обладающего способностью различать
цвета, имеющего малую разрешающую способность, но большую световую
чувствительность. Центральная часть сетчатки (с угловыми размерами 1...3°)
содержит только колбочки, а периферия — колбочки и палочки. Причем плотность
колбочек убывает с удалением от центра, а плотность палочек почти постоянна.
Фоторецепторы через сложную нервную систему связаны со зрительным центром
головного мозга.
Световое раздражение сетчатки вызывает появление электрических импульсов с
различными частотами повторения, которые по сложным цепям проводящей системы
поступают к головному мозгу. Прежде чем сигнал поступит в вышележащие отделы,
он подвергается сложной обработке — кодированию. Механизм анализа поступающей извне зрительной информации, ее обработки, кодирования и дешифровки еще
далеко не изучен.
Создавая ту или иную систему воспроизведения изображений, необходимо
обеспечить на ее выходе максимальное приближение изображения к образу,
непосредственно воспринимаемому зрением. Поэтому при построении системы
отображения необходимо наилучшим образом согласовать ее параметры со
свойствами зрительной системы.
3 Характеристики зрительного восприятия
Число строк. Формат кадра. Предельная способность человека видеть мелкие
детали определяется разрешающей способностью зрительной системы (остротой
зрения). Различают два вида остроты зрения: в плоскости, нормальной к оптической
оси глаза, и по глубине деталей. Последнюю принято называть остротой глубинного
или стереоскопического зрения. И та, и другая острота зрения зависит от
разрешающей способности сетчатки глаза и его оптической системы. Для
нормального зрения доминирующую роль играет разрешение сетчатки. Однако
определять остроту зрения по характеристикам оптической системы глаза и
структуре сетчатки глаза нельзя. Глаз — динамическая оптическая система.
5
Процесс зрения сопровождается непроизвольными движениями глазного яблока —
тремором. Кроме того, оптическая ось глаза обегает контуры (границы раздела
полей разной яркости) изображения, как бы выбирая наиболее существенную
информацию. Эти движения глаза оказывают весьма существенное влияние и на
остроту зрения, увеличивая ее по сравнению со статической (расчетной).
Рисунок 2 Зависимость относительной остроты зрения V/V* от яркости L
Рисунок 3 Изменение относительной остроты зрения от углового расстояния
наблюдаемых объектов α до центрального углубления сетчатки
Рассмотрим усредненные характеристики глаза для большого числа наблюдателей
с нормальным зрением. Разрешающая способность глаза характеризуется
наименьшим угловым расстоянием δ между двумя светящимися точками, при
котором наблюдатель видит эти точки раздельно. Минимально разрешаемое
расстояние изменяется в значительных пределах при изменении яркости
наблюдаемых точек и их контраста относительно фона. На рис. 2 приведена экспериментальная зависимость остроты зрения V (величины, обратной δ ), отнесенной к
значению V* соответствующему δ = 1', от яркости L. Характер этой зависимости
может быть объяснен следующим образом. Малые световые сигналы не в состоянии
вызывать в одном нервном окончании (рецепторе) сигнал, надежно отличающийся от
собственных шумов и флуктуации квантов падающего света. Поэтому при малых
световых раздражениях сигналы от нескольких рецепторов, объединяющихся в один
элемент приемника (рецептивное поле), суммируются, что и приводит к уменьшению
разрешающей способности. По мере увеличения освещенности площадь рецептивного
поля (число объединенных рецепторов) уменьшается и разрешающая способность
растет. Однако площадь рецептивного поля может убывать лишь до значения
площади одного рецептора, поэтому предельная разрешающая способность
ограничивается раздельным возбуждением двух рядом лежащих нервных окончаний
сетчатки. Этим объясняется верхний загиб кривой рис. 2.
На практике максимальные значения яркостей экрана монитора или
6
телевизора достигают примерно 100...300 кд/м. При этом для стандартного глаза
разрешающая способность определяется минимальным угловым расстоянием δ=1'
при достаточно большом контрасте и неограниченном времени наблюдения.
Из-за неоднородности структуры сетчатки острота зрения уменьшается по мере
удаления α° от центрального углубления этой оболочки (рис. 3). Хотя поле зрения
глаза весьма велико (порядка 120... 130°), основная зрительная информация,
поступающая в глаз, сосредоточена в пространственном угле ясного зрения αя.
Приняв размеры поля ясного зрения α яв = 12° по вертикали и α яг = 16° по горизонтали
и положив разрешение глаза δ = 1', получим число регистрирующих информацию
элементарных участков в поле ясного зрения N, = (а яг/δ) ( α яв/δ) = (16 *60/1) (12
*60/1) = 0,7*106.
Изображение на экране должно обеспечивать отображение передаваемого образа
таким, каким его воспринимает зритель при непосредственном наблюдении. Однако
начальный этап построения систем отображения характеризуется двумя
противоречивыми тенденциями статистического согласования параметров изображения со свойствами зрительной системы как получателя информации. С одной
стороны, очевидно стремление сократить объем передаваемой информации в первую
очередь за счет уменьшения поля зрения, разрешающей способности системы и числа
мельканий изображения, отсутствия информации о цвете, объеме и т.д., а с другой —
построение более простых систем с постоянными неадаптируемыми параметрами,
которые должны обеспечить высокое качество передачи обширного ансамбля
всевозможных
изображений, что, естественно, увеличивает информационную
избыточность. В частности, реализованные в настоящее время системы
предусматривают наблюдение изображений только в пространственном угле, равном
углу ясного зрения α я.
Исходя из этого условия и в соответствии с форматом центральной зоны сетчатки (так
называемого желтого пятна) производится выбор величины формата кадра k = b/h
= 4/3, где b,h — ширина и высота кадра соответственно (рис.4). Для рассматривания
изображения в угле ясного зрения наблюдатель должен находиться от экрана
монитора на определенном расстоянии, при котором изображение полностью
проецируется в зону ясного зрения. Из геометрических соображений оптимальное
расстояние рассматривания можно определить как l опт ≈ 5h. При меньшем расстоянии
изображение не полностью проецируется в зону сетчатки с максимальной разрешающей способностью, а при большем — в эту зону попадают и посторонние объекты,
окружающие экран.
а)
S)
Рисунок 4 К определению числа строк разложения изображения (а) и вертикальной
чёткости изображения (б)
Число элементов разложения изображения N также должно соответствовать
7
числу элементарных участков поля ясного зрения N я.. Если принять конфигурацию
элемента разложения в виде квадрата или окружности (для одинаковой четкости
изображения в вертикальном и горизонтальном направлениях), то число элементов
разложения изображения определится как N — k z 2 (где z — число строк — число
элементов по вертикали; k z — число элементов в строке).
Тогда для опознавания N я деталей в системе с неподвижным (статическим)
растром число элементов разложения должно быть N ≥ 2NЯ из-за того, что между
деталями должны воспроизводиться и промежутки размером не менее одного элемента
разложения. Отсюда требуемое число строк разложения изображения при данных
условиях определится как
z ≥ 2√Nя / k =2√ 0,7 * 10 6 * 3/4 ≈ 1400.
Однако взаимное расположение деталей и строк растра может быть различным (см.
рис. 4,6). В зависимости от этого в вертикальном направлении будут
воспроизводиться детали размером либо h/z, либо 2h/z. Это делает неоднозначным
оценку четкости изображения по вертикали; поэтому для уверенного различения в
изображении 0,7-106 деталей необходимо использовать еще большее число строк
разложения.
В настоящее время только ТВ системы высокой четкости (ТВЧ) приближаются к
подобным требованиям. Для вещательной системы, использующейся в нашей стране,
выбрано число строк разложения изображения z = 625 (ГОСТ 7845-92).
Число строк разложения z = 625 определяет номинальную четкость
изображения. При этом различимость строчной структуры растра на оптимальном
расстоянии рассматривания оказывается вблизи порога разрешающей способности
глаза. В то же время подобная система в принципе обеспечивает воспроизведение как
одиночных деталей, так и множества черно-белых деталей N ≈ 0,5*106 с шахматной
структурой расположения, по размеру равных одному элементу разложения h/z.
Размер воспроизводимых деталей обычно оценивается в относительных единицах как
определенная часть высоты изображения h.
Лекция 2 Основные параметры оптической системы глаза
Вопросы:
1. Число кадров, передаваемых в одну секунду. Частота мельканий;
2. Контраст. Число полутонов (градаций яркости). Закон Вебера-Фехнера
3. Восприятие цвета и объема
1 Число кадров, передаваемых в одну секунду. Частота мельканий. Зрительное
восприятие дискретно во времени. Одиночный световой импульс длительностью t0
может быть обнаружен только при условии, что время действия его на глаз конечно, т.
е. t 0 > t кр (рис.1). Причем время tKp зависит от освещенности сетчатки Е0, т.е. от
мощности сигнала.
Рисунок 1 Визуальное ощущение яркости L виз ( t )/ L виз max периодически
излучающего источника
8
Иными словами, установлено, что Е0 * t кр = const. При переменном значении
Е0(t) суммарное воздействие светового сигнала должно достигнуть вполне
определенного значения для его обнаружения:
кр
∫ E 0 (t)dt = const,
о
Время накопления имеет граничное значение tкр, называемое критической
длительностью. Различные исследования дают большие расхождения в значениях tкр,
что объясняется различными условиями проведения опытов: tкр меняется в пределах
от сотых (при больших яркостях) до десятых (при малых яркостях) долей секунды.
После прекращения действия светового потока, возбуждающего сетчатку (рис. 5),
глаз как бы продолжает "видеть" источник с яркостью, спадающей во времени по
экспоненциальному закону Lвиз (t)/ L виз max = L0/L0 max exp(—t/ τ), где Lвиз (t)/ L виз max значение визуальной яркости во время t, прошедшее после прекращения
возбуждения; L0/L0 max — яркость возбуждения; τ = 0,1...0,15с— постоянная времени,
характеризующая инерцию зрения и отсчитываемая как τ = t, при котором кажущаяся
яркость уменьшается в е раз. Постоянная времени τ является функцией яркости и
уменьшается при ее увеличении.
Параметр τ определяет критическую частоту мельканий fкр, предcтавляющую
собой наименьшую частоту повторения импульсных возбуждений сетчатки, при
которой наблюдатель перестает замечать изменение светового потока и
воспринимает его как непрерывное излучение.
Критическая частота мельканий яркости источника зависит от средней яркости
поля наблюдения (яркости адаптации), размеров мелькающего участка и т.д.
Зависимость критической частоты мельканий от яркости подчиняется общему
психофизическому закону зрительных восприятий, т.е. логарифмическому закону:
fKp = a0 lgLcp + b 0 ,
где Lcp — средняя яркость экрана, кд/м2; a0 = 9,6, b0 = 26,8 — коэффициенты,
установленные опытным путем.
При частоте повторения, равной или большей критической, визуальная яркость Lcp
прерывисто излучающего источника может быть определена как средняя за период
повторения Т — закон Тальбота:
т
Lср = 1/Т ∫L 0 (t)dt.
о
Для яркостей современных мониторов f кр = 46...48 Гц.
Дискретное во времени воспроизведение изображений отдельных мгновенных
положений (фаз) движущихся предметов воспринимается как слитное движение,
если число фаз (кадров) в единицу времени больше или равно некоторому
критическому числу nф и если смещение предмета в соседних фазах незначительно,
т.е. если относительная скорость движения предмета в кадре невелика.
Из многолетнего опыта кино установлено, что для восприятия плавного движения
объектов в большинстве случаев достаточно передавать 16...24 отдельных фаз
движения в одну секунду. Поэтому в ТВ вещании принято число кадров п,
передаваемых в одну секунду, равным 25. При этом частота мельканий яркости
экрана fм = 2n = 50 Гц и соответствует частоте кадровой развертки (при
использовании чересстрочного разложения). Это сделано из соображений равенства
ее частоте промышленной сети с целью уменьшения заметности характерных помех
от электросети — динамических искажений геометрии и яркости изображения.
Для распознавания образ должен удерживаться на экране от 4 до 10 с, что
9
определяется пропускной способностью зрительной системы. Это справедливо как
для движущихся, так и для неподвижных объектов передачи — заставок, титров,
пейзажей. Последние достаточно было бы передать один раз и воспроизводить в
течение нескольких секунд. Аналогично можно уменьшить число передаваемых фаз
движения для воспроизведения изображений медленно движущихся объектов.
Однако это не реализовано в современных системах, что приводит к информационной
избыточности сообщения и усложнению каналов связи.
2 Контраст. Число полутонов (градаций яркости). Закон Вебера-Фехнера.
При наблюдении объектов или их изображений существенную роль играет диапазон
изменения яркости — от минимальной Lmm до максимальной Lmax. Его принято
характеризовать контрастом k = Lmax/Lmin. Однако глаз не способен обнаружить
сколь угодно малые приращения яркости. Контрастная различительная способность
глаза так же дискретна, как и его разрешающая способность. Она ограничивается
квантовыми флуктуациями света и собственными шумами зрительной системы.
Минимальное (пороговое) значение яркости светового пятна, обнаруживаемое
глазом на черном фоне при темновой адаптации, называют абсолютным порогом
световой чувствительности. На практике чаще приходится различать отдельные
детали на некотором фоне с яркостью L$; при этом глаз реагирует на относительное
приращение яркости (L—Lф)/ Lф = ΔL/Lф.
(ΔL/Lф )пор
Рисунок 2 Зависимость порогового контраста от яркости фона и размеров деталей
( r 1 ≥ r 2)
Отношение (ΔL/Lф )пор при ΔL = ΔLmia называют дифференциальным порогом,
или пороговым контрастом, который зависит от яркости фона, угловых размеров
деталей и фона и других параметров. Зависимость порогового контраста от изменения яркости фона и размера деталей r показана на рис.2. В рабочем диапазоне
изменения яркости фона (яркости адаптации) Lф в первом приближении можно
считать, что (ΔL/Lф )пор = σ = 0,02...0,05 = const —
закон Вебера-Фехнера.
При заданном контрасте k зритель может воспринять вполне определенное
количество ступеней изменения яркости — полутонов, т.е. градаций яркости.
Оценим их величину. Первая различимая ступень яркости L1 = Lmin + σLmin = (1
+σ)Lmin. Следующая ступень яркости L2 будет также определяться приращением
яркости первой ступени на величину σL,: L2 = L1 +σL1 = (1 + σ)2Lmin и т.д. Наконец, последняя ступень яркости Lmax = (1 + σ)mLmin, отсюда число ступеней m или число
градаций А определится как А = (In Lmax /Lmin )/ ln(l + σ ).
10
Разлагая ln(l + σ ) в ряд и ограничиваясь первым членом этого ряда вследствие
малости σ, получаем:
А ≈ In ( Lmax /Lmin )/σ ≈ 2,3 /σ In ( Lmax /Lmin ).
В природе, окружающей человека, яркость может изменяться в 105 раз. Зрительная
система неспособна одновременно воспринять весь этот диапазон изменения яркости
и сужает диапазон освещенностей на сетчатке благодаря адаптации —
приспособлению к различным яркостям. Адаптация происходит за счет снижения
освещенности сетчатки путем непроизвольного изменения диаметра зрачка (быстрая
адаптация) и выработки глазного пурпура — нейтрального поглощающего фильтра на
поверхности сетчатки (медленная — инерционная адаптация).
Полагая, что максимальный контраст, ограничиваемый глазом, Lmax /Lmin = 100, а σ =
0,05, получаем, что максимальное число градаций,
которое
глаз
будет
различать при данных условиях, А =2,3Ig l00/0,05 ≈ 92.
Яркостными параметрами изображения являются его средняя яркость (яркость
адаптации) L из ад, максимальная яркость L из пах, контраст k из = L из пах / L из min и число
полутонов — различимых градаций яркости А из. Средняя яркость, соответствую- щая
наилучшему восприятию, зависит от условий наблюдения, свойств зрения и от
содержания изображений. Практикой установлено, что средняя яркость L из ад = =30
кд/м2 вполне достаточна для наблюдения изображения и рассматривания его деталей
без особого утомления зрения. При этом яркость в белых местах изобра- жения может
достигать L из max =100...300 кд/м2. Изображение одной и той же сцены будет иметь
различную среднюю яркость в зависимости от того, в какое время дня она
воспроизводится: в солнечный полдень или в сумерки. Но в каждом изображении в
большинстве случаев должны быть детали с яркостью, близкой к L из max. Средняя
яркость изображения должна изменяться при изменении средней яркости
передаваемого объекта.
При воспроизведении изображений динамический диапазон изменения яркости
— контраст kиз и число воспроизводимых градаций А из ограничиваются:
- параметрами кинескопа: размером экрана, максимальной яркостью L из max,
контрастом в крупных и мелких деталях и др;
- рациональным выбором режима работы кинескопа: яркостью и контрастностью,
устанавливаемых с помощью оперативных органов управления;
- условиями наблюдения изображения: расстоянием рассматривания, внешней и
внутренней (от соседних участков) паразитными засветками экрана, размерами
деталей и всего изображения в целом;
- повышением значения порогового контраста зрительной системы из-за
ухудшения условий наблюдения и др.
Паразитные засветки L пар снижают контраст репродукции kиз, который в свою
очередь в большинстве случаев меньше контраста оригинала k0:
Перечисленные причины приводят к тому, что в репродукции на экране кинескопа
уменьшается и число градаций оригинала А0, т.е. А из < А0. Поэтому повысить качество
изображения
можно только за счет улучшения параметров кинескопа,
перераспределения градаций по динамическому диапазону изменения яркости
репродукции L из min …. L из max и адаптацией системы при формировании сигнала к
конкретным изображениям из широкого ансамбля изображений с разными
яркостными параметрами.
Наблюдается линейная зависимость яркости деталей изображения от яркости
соответствующих деталей оригинала L из == L0, т.е. пропорциональное воспроизведение
полутонов по всему диапазону изменения яркости репродукции (рис. 3). Однако в этом
случае, если А из < А0, то несколько градаций объекта воспроизводятся лишь как одна
11
градация репродукции. Как следствие, распознаваемость объектов ухудшается.
За счёт увеличения крутизны характеристики в области уровня черного
подчеркивается различие и улучшается опознавание мало освещенных деталей, но за
счет уменьшения полутонов и ухудшения распознаваемости деталей, яркость
которых лежит вблизи уровня белого. При γс>1 улучшается опознавание "белых"
деталей (за счет "черных"). Этот случай наиболее приемлем не только для чернобелых, но и для цветных систем, несмотря на некоторые искажения цветности объектов,
так как сюжетно важные детали, как привило, находятся в области большей
освещенности. Наилучшее качество изображения в большинстве случаев наблюдается
при γс = 1,2 ... 1,3.
Lиз / Lиз max
L0 / L0 max
Рисунок 3 Форма характеристики передачи уровней яркости при различных
значениях γс
3 восприятие цвета и объема
Восприятие цвета. Ощущение белого цвета соответствует раздражению сетчатки
зрительной системы световым потоком, имеющим равномерный спектр в видимом
диапазоне λ ≈ 380...780 нм. Равные по мощности, но различные по спектральному
составу световые раздражения вызывают различное яркостное восприятие.
Относительное визуальное восприятие яркости в зависимости от длины волны V(λ) (см.
рис. 1,6) характеризует относительную спектральную чувствительность глаза и
называется кривой относительной видности. Максимум чувствительности лежит в
области λ = 555 нм (желто-зеленая область). Как в сторону коротких волн (синефиолетовая область), так и в сторону длинных волн (красная область) чувствительность
зрительной системы падает.
При наблюдении окружающего мира глаз видит предметы, отличающиеся не
только по яркости, но и по окраске. При этом их можно сравнивать как по цвету, так
и по условной яркости — светлоте. Например, два равноизлучающих поля (желтое
и синее) воспринимаются как поля с разной светлотой. При воспроизведении
изображений в одном цвете наблюдатель лишен возможности сравнивать предметы
по их окраске и может отличать их лишь по светлоте.
Ощущение цвета возникает при раздражении сетчатки световым потоком с резко
выраженной неравномерностью спектра. Дополнение любого цвета белым не меняет
его цветового тона, а создает лишь впечатление блеклой окраски (пастельного
цвета). Таким образом, физиологически (субъективно) световой поток
характеризуется светлотой — определенным количеством цветового излучения,
эквивалентным излучению некоторого поля серой шкалы, и цветностью — качественным отличием данного цвета от других. Цветность светового потока, в свою
очередь, определяется цветовым тоном и насыщенностью. Цветовым тоном
12
называют характерное свойство потока, отличающее его от белого и серого, а
насыщенностью — степень различия ощущения цветности данного излучения от
ощущения цветности белого.
Физическими (объективными) параметрами светового потока являются: яркость
L, доминирующая длина волны λ - доминанта и чистота цвета р, определяющая
степень
разбавленности
его
белым.
Доминанта,
т.е.
длина
волны
монохроматического излучения λ, которое в смеси с белым создает ощущение
данного цвета, численно определяет его цветовой тон, а чистота цвета р численно
определяет насыщенность цвета и равна отношению яркости спектрального цвета Lλ
к суммарной яркости смеси: p= Lλ /(Lλ +L6), где L6 — яркость белого цвета,
входящего в смесь.
Рисунок 4 Кривые чувствительности глаза к основным цветам: синему B, зелёному
G, красному R
Каждый из субъективных параметров является качественным отражением в
нашем сознании соответствующих физических параметров светового потока.
Между объективными и субъективными параметрами существует качественное
соответствие, но отождествлять их нельзя.
В основе изучения цветового зрения лежит трехкомпонентная теория цветового
восприятия, высказанная русским ученым М.В. Ломоносовым еще в 1756 г. и
наиболее полно разработанная спустя более полутора столетий Г. Гельмгольцем.
Трехкомпонентная теория допускает существование в нашем органе зрения трех
видов рецепторов, селективно (раздельно) реагирующих на красный R, зеленый G и
синий В цвета (рис. 4 ). Масштаб кривых выбран таким, чтобы ограничиваемые ими
площади были равны в предположении, что одинаковое возбуждение всех трех
приемников вызывает ощущение белого цвета.
Существует ряд других теорий светового восприятия — четырех-компонентная,
семикомпонентная, а в последнее время разрабатывается нелинейная теория
восприятия цветов. Однако в теории и практике цветного телевидения, цветных
фотографий и кино в настоящее время широко используется трехкомпонентная
теория цветового зрения. Согласно ей красный R, зеленый G и синий В цвета
являются основными, взаимонезависимыми, т.е. ни один из них не может быть
получен путем смешения двух других. Все же остальные цвета, в том числе и белый,
могут быть получены смешением трех основных.
Для реализации цветной репродукции необходимо передавать в том или ином
виде информацию о трех цветоделенных изображениях, соответствующую
13
содержанию передаваемого изображения. В простейшем случае для этого
достаточно передать три сигнала основных цветов ER,' EG' и ЕB'.
Восприятие объема.
Объемность деталей и их расположение в пространстве воспринимаются как при
монокулярном зрении (одним глазом), так и при бинокулярном зрении в результате
жизненного опыта и обработки физиологической информации. При монокулярном
зрении объем оценивается через степень напряженности мышц, управляющих
поворотом глаз, кривизной хрусталика (аккомодация) и размером зрачка
(адаптация), изменяющихся при наблюдении разноудаленных предметов. Все эти
факторы не могут быть использованы
для
построения
стереоскопической
системы, являющейся некоторой статической моделью зрения.
Рисунок 5 Бинокулярное наблюдение
Одиночных предметов
Рисунок 6 Определение
порога глубинного зрения
Доминирующую роль в глубинном зрении, играет бинокулярное наблюдение
оценочных предметов (рис.5), а определяющей его характеристикой является глазной
базис — расстояние между оптическими осями глаз. Для "стандартного" глаза
глазной базис принимается равным 65 мм.
При рассмотрении удаленных предметов оптические оси глаз параллельны. По
мере приближения предмета к наблюдателю оптические оси сводятся (конвергируют),
оставаясь скрещенными на наблюдаемом предмете. Угол β, под которым
скрещиваются оси, называется углом конвергенции. При наблюдении разноудаленных
объектов М и Q (рис.6) углы конвергенции (параллактические) для каждого предмета
ά1 и ά2 различны. Разность параллактических углов Δά = ά1—ά2, называемая угловым
параллаксом, определяет восприятие глубинного расположения предметов.
Минимальный угловой параллакс δг, которому соответствует минимально
различимое восприятие глубины, называется порогом глубинного зрения. Среднее его
значение 10 ... 20". Острота глубинного, или стереоскопического, зрения
определяется как величина, обратная порогу глубинного зрения 1/δг.
Наличие углового параллакса приводит к тому, что отрезок MQ имеет различные по
длине проекции на сетчатки левого и правого глаза, т.е. mл qл ≠ mпр qпр. Если глаза
14
сконвергированы на точку М, то ее проекции в левом и правом глазу будут на
равноудаленных (по величине и направлению) точках сетчаток от центральных
углублений. Точка Q при этом будет проецироваться на разноудаленные от
центральных углублений (и от проекций точки М) точки qл и qпр на сетчатках левого
и правого глаза, называющихся несоответствующими или диспаратными. Разность
длин отрезков mnpqnp — тлqqл называется линейным параллаксом и определяет
механизм восприятия глубины.
Из анализа особенностей восприятия объема зрительной системой следует, что для
реализации стереоскопической системы необходимо передавать два изображения —
для правого и левого глаза с помощью двух камер с базисом 65 мм (не менее).
Лекция 3 Кинескопы цветного изображения.
Вопросы:
1. Принцип работы кинескопа;
Принцип работы цветных кинескопов основан на получении многоцветного
изображения путем пространственного смешивания трех цветоделенных изображений
основных цветов: красный, зеленый, синий. Для этого на экран кинескопа наносится
мозаика из достаточно мелких пятен (красный,синий, зелёный) люминофоров,
образующих триаду. Размер каждой триады выбирается таким, чтобы с расстояния (46) h свечения люминофоров 3х цветов сливалось в одно пятно. Тогда цветовой тон
этого пятна в зависимости от интенсивности свечения каждого из 3х элементов
триады может быть любым, включая белый. Основным типом цветных кинескопов,
применяемых в большинстве дисплеев мира является трехлучевой массочный
кинескоп. Применяются две разновидности:
G
R
B
Рисунок 3.1 Дельтообразное расположение электронных прожекторов
1 - с дельтообразным расположением электронных прожекторов внутри кинескопа и
мозаичным расположением люминофоров внутри триады (рис. 3.1).
2 - с планарным расположением электронных прожекторов и штриховым
расположением люминофоров внутри триады (рис. 3.2).
R
R
G
G
B
B
Рисунок. 3.2 планарным расположением электронных прожекторов
Количество триад независимо от типа кинескопов выбирается в зависимости от его
размера от 300 до 500 тысяч.
Кинескопы с дельтообразным расположением электронных прожекторов.
Такой кинескоп имеет электронно – отклоняющую систему, состоящую из 3х
самостоятельных электронных прожекторов и общих ОК. Электронные прожекторы
размещаются симметрично вокруг продольной оси кинескопа под
углом 120 градусов.
15
Рисунок 3.3 Кинескоп с дельтообразным расположением прожекторов
Чистота цвета нарушается на всем экране или на его части, в результате
одноцветное изображение по всему полю экрана или на его части становится
многоцветным и соответственно неправильно окрашено. Такой эффект называется
нарушением частот цвета, причем его возникновения тоже что и в предыдущем
случае.
Для получения хорошей чистоты цвета и для сведения лучей в одни и те же
отверстия маски по всему полю экрана в кинескопе на его горловине
устанавливаются, отключающей системы (4) так называемая система регулировки
частоты цвета и сведения лучей, кроме того предусмотрена возможность
перемещения самих ОК на 10-20мм вдоль горловины кинескопа. В состав системы
регулировки чистоты света и сведения лучей входящих: кольцевой
Продольные оси прожекторов расположены под углом 1° к оси кинескопа. Такое
расположение электронных прожекторов выбрано для того, чтобы все три луча
сходились в одну точку вблизи экрана, а каждый из них был сфокусирован в
плоскости экрана. Каждый из лучей модулируется своим световым сигналом
красным, зеленым или синим и должен попадать на свой люминофор триады для
обеспечения этого условия, т.е. чтобы при перемещении по экрану каждый из лучей
попадал только на свои элементы триады. Перед экраном в точке схождения лучей на
расстоянии 12-18мм располагается теневая маска. На каждую триаду в теневой маске
приходится одно отверстие d=0,33мм.
При этом проекция отверстия на экран совпадает с геометрическим центром
триады. Диаметр одного зерна люминофора для кинескопов с размером экрана по
диагонали от 59-67см равен примерно 0,42мм. Маска изготовлена из стального листа
сферической формы, толщина листа примерно 0,15мм. Лист крепится внутри колбы и
имеет потенциал второго анода. Точность расположения центров отверстий в маске
относительно с центром триад должна быть выдержана с точностью до нескольких
микронов, поэтому система "экран-маска" представляет наиболее сложную часть
цветного кинескопа, которая изготовляется методом подгонки люминофорных пятен
16
под отверстия в маске. Несмотря на точную подгонку в цветных кинескопах при
развертке цветного изображения один или все лучи могут попасть в разные отверстия
маски, но на свои люминофоры.
В результате при цветоделениях изображения окажутся не совмещенными
друг с другом, что приведет к искажению цветного изображения. Потеря четкости,
цветовое двоение и троение мелких деталей и характерному оконтуриванию крупных
однородно окрашенных деталей. Не сведение лучей (эффект развертки), этот эффект
возникает в силу неидентичности растров 3х лучей, обусловленной прежде всего их
различным расположением по отношению к краям экрана, а также вследствие
технологических разбросов в угле наклона пушек по отношению к центральной оси
кинескопа. Другой причиной нарушения сведения лучей является влияние внешних
магнитных полей на траекторию движения электронов, в том числе и поле Земли, и
соответственно остаточной намагниченностью маски в силу воздействия магнитных
полей.
Возможен второй вариант нарушения правильности цветовоспроизведения, при
котором все три луча попадают в свое отверстие маски, но частично или полностью
не на свои люминофоры.
При частичном попадании лучей не на свои люминофоры магнит (2),
предназначенный только для регулировки чистоты цвета, устройство статического и
динамического сведения лучей (8). Магнит бокового смещения синего луча (3).
Статическим - называется сведение трех лучей хотя бы в одном отверстии маски ее
центральной части, а динамическим - сведение лучей по всему экрану. Кроме того,
между экраном и вторым анодом электронных пушек располагаются так называемые
полосные наконечники.
Полосные наконечники (6) крепятся на общем цилиндре (7), называемым
цилиндром сведения. Каждая пара полосных наконечников охватывает свой луч и
экранирует пары друг от друга тремя специальными перегородками (8).
Магнитные регулировки чистоты цвета. (2)
Состоит из 2х кольцеобразных постоянных магнитов, сделанных из
магнитотвнрдого материала и одинаково намагниченных так, что каждый создает
внутри кольца его плоскости по возможности равномерное магнитное поле
напряженностью Нг max/2. Если одеть такие кольца на горловину кинескопа, то под
влиянием магнитного поля все три луча отклонятся на один и тот же угол,
перпендикулярный направлению движения.
Изменяя положение магнита можно тем самым изменить направление отклонения.
Для того, чтобы иметь возможность изменять и величину угла отклонения и
направление отклонения лучей, на горловину одевают 2 одинаковых магнитных
кольца, и обеспечивается возможность их вращения относительно, друг друга в
силу чего при совмещении одноименных полюсов магнитов N1, N2 напряженность
17
Рис. 3.4 Кольца регулировки чистоты цвета
магнитного поля возрастает в два раза до величины Нгmax и угол отклонения всех
сунок 3.37 Кольца регулировки чистоты цвета.
лучей тоже будет максимальным.
При совмещении разноименных полюсов магнита N1, S2, S1, N2, напряженность
магнитного поля становится равной нулю. (Нг=0;  =0). Т.о. изменяя положение
магнитов относительно друг друга можно менять напряженность магнитного поля, а
следовательно и величину угла отклонения электронных лучей от 0 до максимума, а
вращая систему 2х магнитов с фиксированным положением полюсов вокруг
горловины кинескопа можно тем самым изменять направление угла отклонения
лучей.
Рис. 3.5 Направление отклонения лучей.
Обычно величину напряженности магнитного поля Нг max /2 одного кольца выбирают
такой, чтобы при вращении обоих магнитов с одинаково расположенными полюсами,
луч на экране вычерчивал окружность, диаметром 20-30 мм, а при максимально
взаимной компенсации (совмещение разноименных концов полюсов) диаметр
окружности был 1-2мм. Т.о. обеспечивается регулировка чистоты света.
Магниты чистоты света одеваются на горловину кинескопа против
фокусирующего электрода.
Регуляторы радиального сведения лучей.
Предназначены для статического сведения лучей (в центре экрана) и для
динамического сведения (по всему экрану).
18
Рисунок 3.6 Регуляторы радиального сведения лучей.
Устройство состоит из внешнего1 и внутреннего2 полюсных наконечников,
выполненных из магнитомягкого материала и предназначенных для формирования
равномерного магнитного поля между полюсами внутреннего полюсного
наконечника; цилиндрического постоянного магнита 3, намагниченного
перпендикулярно оси вращения и вращаемого вокруг своей оси с помощью
цилиндрической ручки 7; катушек 5 и 6 для динамического сведения лучей на входы
которых подаются соответственно напряжение кадровой и строчной частоты. Для
ослабления взаимного влияния регулировок лучей и большей равномерности
магнитных полей применен внутренний магнитный экран 4.
При вращения постоянного магнита вокруг своей оси с помощью магнитопровода 1
между пластинами полюсного наконечника 2 будет формироваться магнитное поле
перпендикулярно направлению движения электронов.
Т.о. в зависимости от положения постоянного магнита луч любой из пушек будет
перемещаться по радиусу горловины кинескопа, причем величина перемещения по
радиусу будет также зависеть от положения полюсов магнита. След гарантированно
дает возможность совместить в центре экрана только два луча. Точка совмещения 3-х
лучей маловероятна.
Для полного совмещения всех 3-х лучей в центре экрана необходимо иметь
возможность горизонтального смещения синего луча.
Рисунок
Рис.
3.7 3.40
Магнитное
Магнитное
полеполе
радиального
радиального
сведения
сведения
.
.
19
Рис. 3.8 Совмещение синего луча.
Чтобы получить горизонтальное смещение синего луча нужно сформировать
вертикально направленное магнитное поле. Формируется такое поле с помощью
специально магнитогоризонтального смещения синего луча.
Рис. 3.9 Устройство смещения синего луча.
Устройство состоит из цилиндрического постоянного магнита 1,
намагниченного по диаметру и полюсного наконечника 2, охватывающего горловину
кинескопа. С помощью такой системы формируется направленное магнитное поле,
величина и направление которого могут изменяться вращением магнита 1, при этом
будет изменяться величина и направление горизонтального перемещения синего луча.
Т.о. три магнита радиального смещения лучей и один магнит горизонтального
перемещения синего луча обеспечивают статическое сведение 3-х лучей в центре
экрана.
Придание уплотненной формы экрану и теневой маске приводит к тому, что три
совмещенных в центре экрана луча неминуемо рассовместятся при отклонении от
центра.
Действительно точка Л1 перемещаясь по сферической траектории будет занимать
положение Л2, Л3,…, удаляясь от плоскости маски, следовательно на периферийных
маски, одновременно возбуждая хотя и свои люминофоры, но в разных участках
экрана электронные лучи будут попадать к экрану через разные отверстия триадах,
т.е. произойдет рассовмещение лучей на краях экрана, кроме того в силу (рисунок
3.10) разности расстояний пушек от краев экрана растр каждой из пушек получается
не симметричным и существенно разным.
20
Рис. 4.22 Рассовмещение лучей.
Рисунок 3.10 Ассиметрия расположения лучей.
В результате стороны красного, зеленого, и синего растров, лежащих на более
удаленных расстояниях от своих прожекторов, становятся несколько длиннее
противоположных сторон и три растра приобретают форму растянутых по углам
трапеций, что так же становится причиной рассовмещения лучей по краям экрана.
Т.о. упрощенная форма экрана и расположение электронных прожекторов со
смещением относительно центральной оси кинескопа является причиной
рассовмещения электронных лучей статически сведенных в центре по мере их
отклонения от центра экрана. Сохранение условий сведения лучей по всей площади
экрана достигается путем изменения по определенному закону угла отклонения
каждого луча при помощи системы динамического сведения. Последнее
осуществляет сведение лучей с помощью электромагнитов динамического сведения
катушки 5 и 6 (рисунок 3.6) которые размещены на внешних полюсных
наконечниках. Эти катушки питаются токами, изменяющимися по определенному
закону синхронно и синфазно с частотой строчной 6 и кадровой 5 разверток.
Рисунок 3.11 Искажение растра.
21
Корректирующие токи формируются в специальном блоке динамического сведения
с помощью переменных резисторов и катушек индуктивности, причем конкретно уже
к индивидуальному кинескопу в процессе регулировки (их может быть от 12- 18)
подбирается такое положение регулирующих потенциометров и сердечников катушек
индуктивности, при котором рассовмещение лучей по краям растра не превышает 3 4 мм. С внешней стороны по периметру конической части кинескопа размещается
петля размагничивания, охватывающая его стальной бандаж.
В момент включения телевизора через петлю протекает переменный ток,
затухающий по величине (I = 3 - 4 А).
Рис. 3.12 Ток размагничивания.
Он размагничивает в момент включения стальные конструкции кинескопа и
магнитного экрана, т.е. устраняется остаточная намагниченность стальной
конструкции, нарушающая частоту цвета.
Статистический и динамический баланс белого.
В силу неодинаковости светоотдачи люминофоров и неодинаковых
модуляционных характеристик электронных пушек, для получения белого цвета
необходимо соответствующим образом подобрать соотношения между точками трех
лучей, устанавливая (подбирая) требуемые напряжения на электродах кинескопа.
Такое условие - получение белого цвета свечения экрана - называется балансом
белого.
Различают статический и динамический балансы белого.
1. Статистический баланс белого определяют по отсутствию меняющейся
окраски экрана при регулировке яркости и контрастности. (Белое поле Л7) потенциал на электродах кинескопа - меняется положение регуляторов яркости,
контрасности - если белый цвет больше).
2. Динамический баланс белого определяют по черно-белой окраске (наличию
белого цвета) на всех градациях яркости, при воспроизведении полос градаций
яркости в черно-белом изображении и соответственно при любых положениях
регуляторов яркости и контрастности.
Модуляционные характеристики 3-х прожекторов, которые работают при
одинаковых напряжениях на ускоряющих электродах отличаются друг от друга как
углом отсечки, так крутизной;
от t1 до t2 - будет работать только крутизна пучков, и экран будет красным (R).
В момент времени t2 появляется ток синей пушки и экран окрашивается в
пурпурный цвет, в момент времени t3 появляется ток зеленой пушки и свечение
экрана становится близким к белому. Для совмещения углов отсечки (появление тока
луча) всех 3-х электронных прожекторов изменяют напряжение на ускоряющих
22
электродах, добиваясь, чтобы 3 луча возникали одновременно в момент времени t1.
Такой регулировкой обеспечивается статистический баланс белого.
Рисунок 3.13 Лучи при статическом балансе белого.
Для обеспечения динамического баланса белого необходимо, чтобы наклон
всех модуляционных характеристик совпадал (рисунок 3. 14).
Для этого изменяют напряжение на модуляторах кинескопа.
Рисунок 3.14 Лучи при динамическом балансе белого.
В хорошо отрегулированном кинескопе изображение черно-белое. При потере
эмиссионной способности угол меняется, то в изношенных пушках белого баланса
невозможно добиться.
Необходимо отметить, что отношение площади всех отверстий в маске к полной ее
площади равно 0,15 - 0,2, следовательно, 20% электронов достигает своих
люминофоров (экрана) в силу такой низкой прозрачности маски. Для получения в
этом случае достаточной яркости свечения экрана в масочных кинескопах приходится
увеличивать не только напряжение на ускоряющих электродах до 800 тыс. вольт
(1кВ), но и повышать до 20-27 кВ в зависимости от размеров экрана напряжение
второго анода. Естественно, что при этом общий ток луча кинескопа возрастает до 1
мА, причем 80% электронов тратится на нагрев маски кинескопа в целом.
Это является одним из существенных недостатков в целом с дельтообразным
прожектором, особенно 2-х. В связи с тем, что в масочном кинескопе с
дельтообразным расположением прожекторов имеются не 1, а 3 индивидуальных
электронных прожектора - увеличиваются размеры горловины кинескопа, что
приводит к необходимости увеличения токов в отклоняющих катушках для создания
требуемой
напряженности
магнитного
поля.
Следовательно,
возрастает
энергопотребление TВ приемника. Р = 250 - 300 вТ.
Кинескопы с планарным расположением электронных прожекторов.
Из рассмотренного принципа работы кинескопа с дельтообразным расположени- ем
очевидны указанные недостатки:
- трудности получения высокой яркости изображения;
23
- сложность системы динамического сведения.
Лучшими характеристиками обладают
масочные кинескопы с планарным
расположением электронных прожекторов. Их особенность сводится к следующему:
3 прожектора располагаются в горизонтальной плоскости. Прожектор зеленой пушки
располагается на центральной оси кинескопа, а красный и синий на расстоянии 5 мм
от нее.
Рисунок 3.15 Расположение прожекторов кинескопа.
Причем продольные оси красной и синей пушек наклонены к продольной
центральной оси кинескопа т.о., чтобы все 3 луча сходились в плоскости маски.
Отверстия в теневой маске имеют щелевидную форму, а люминофорный экран
представляет собой чередование тонких вертикальных полосок красного, зеленого и
синего люминофоров, образующих против каждой щели в маске триады.
Такая структура электронных прожекторов и экрана:
1. Исключает попадание каждого из лучей на люминофоры других цветов по
вертикали и существенно облегчает регулировку чистоты цвета, которая заключается
теперь в смещении лучей только по горизонтали.
2. В компланарном кинескопе средний луч зеленой пушки, направленный по оси
кинескопа, создает симметричный относительно центральной оси кинескопа растр G,
не нуждающийся в сведении. Крайние лучи, соответствующие красному и синему
цветам находятся в горизонтальной плоскости с зеленым, что приводит к
симметричному расслоению растров и упрощает сведение лучей.
Большая симметричность растров, чем кинескопа с дельтообразным расположением
прожекторов позволяет обеспечивать в компланарных кинескопах так называемый
режим самосведения.
В таких кинескопах расположение лучей при их отклонении от центра экрана
корректируются непосредственным воздействием поля самой ОС, при условии
обеспечения некоторой формы этого поля, поэтому отпадает необходимость в
устройстве динамического сведения.
Суть самосведения заключается в следущем:
Если обеспечить строчными отклоняющими катушками равномерное магнитное
поле подушкообразной формы а кадровыми ОК равномерное магнитное поле
бочкообразной формы, то можно достичь совмещения трех электронных лучей по
всей площади экрана, т.е. обеспечить динамическое сведение лучей.
24
Рисунок 3.16 Магнитное поле подушкообразной формы
Но для этого требуется специальная конфигурация отклоняющих катушек типа ТОРТОР. Однако все перечисленные достоинства ОС и кинескопа в целом реализуются в
полной мере при высокой точности изготовления ОС и точной установки на
горловине кинескопа. Смещение ОС на горловине кинескопа на 1 мм приводит к
заметному расслоению лучей, поэтому ОС устанавливают на горловину на заводе,
производят тщательную ее растировку, после чего приклеивают к горловине
кинескопа, и она становится неотъемлемой частью кинескопа с самосведением 51 см 61 см по диагонали - без приклеивания - худшее качество сведения. Кроме ОС на
горловине кинескопа размещается магнитостатическая система, состоящая обычно из
постоянных кольцеобразных магнитов и предназначенных для регулировки
статического сведения, регулировки чистоты цвета и симметрирования растра.
Каждый магнит образован парой запресованных в пластмассу намагниченных по
диаметру колец.
Для статического сведения лучей применяют 2 пары магнитов:
- одна пара представляет собой 2 кольца, имеющих 4 полюса;
- вторая пара представляет собой 2 кольца, 6 полюсных магнитов.
Рисунок 3.17 Магниты статического сведения имеющие четыре полюса.
Т.о. два 4-х полюсных магнита позволяют перемещать синий и красный лучи,
приближая их к зеленому или удаляя от зеленого. На зеленый луч они не оказывают
никакого влияния, т.к. он на центральной оси кинескопа. Шести полюсные магниты
позволяют смещать синий и красный лучи в одну сторону.
25
Рисунок 3.18 Магниты статического сведения имеющие шесть полюсов.
Примечание: В зависимости от поворотов обоих колец величина смещения будет
изменяться.
Магниты регулирования чистоты цвета и симметрирования растра фиксируются в
max положениях и в процессе эксплуатации не регулируются. В кинескопах
самосведения все электроды, кроме катодов для всех 3-х пушек сделаны общими, а
три электронных луча формируются с помощью диафрагмы в общей системе
электродов. Это позволяет повысить точность изготовления прожекторов, применять
в кинескопе горловину меньшего диаметра и сделать ее более короче за счет
укорочения электронной ОС.
Меньший диаметр горловины кинескопа снижает энергетические потребления ОК и
почти в 3 раза уменьшает мощность, потребляемую TВ приемником. Более высокая
прозрачность маски - лучшее качество статического и динамического сведения, что
делает эффективными эти кинескопы.
Лекция 4 Жидкокристаллические мониторы
Вопросы:
1. Эволюция ЖК-панелей;
2. Принцип работы ЖК монитора;
3 Эксплуатационные параметры ЖК монитора;
1. Эволюция ЖК-панелей
Первый рабочий жидкокристаллический дисплей был
создан Фергесоном (Fergason) в 1970 году. До этого
жидкокристаллические устройства потребляли слишком много
энергии, срок их службы был ограничен, а контраст изображения
был удручающим. На суд общественности новый ЖК дисплей
был представлен в 1971 году и получил горячее одобрение.
Жидкие кристаллы (Liquid Crystal) - это органические
вещества, способные под напряжением изменять величину
пропускаемого
света.
Жидкокристаллический
монитор
представляет собой две стеклянных или пластиковых пластины,
между которыми находится суспензия. Кристаллы в этой
суспензии расположены параллельно по отношению друг к другу, тем самым они
позволяют свету проникать через панель. При подаче электрического тока
расположение кристаллов изменяется, и они начинают препятствовать прохождению
света. ЖК технология получила широкое распространение в компьютерах и в
проекционном оборудовании.
26
Первые жидкие кристаллы отличались своей нестабильностью и были мало
пригодными к массовому производству. Реальное развитие ЖК технологии началось
с изобретением английскими учеными стабильного жидкого кристалла - бифенила
(Biphenyl). Жидкокристаллические дисплеи первого поколения можно наблюдать в
калькуляторах, электронных играх и в часах.
Современные ЖК мониторы также называют плоскими панелями, активными
матрицами двойного сканирования, тонкопленочными транзисторами. Идея ЖК
мониторов витала в воздухе более 30 лет, но проводившиеся исследования не
приводили к приемлемому результату, поэтому ЖК мониторы не завоевали
репутации устройств, обеспечивающих хорошее качество изображения. Сейчас они
стали популярны - всем нравится их изящный вид, компактность, экономичность.
Кроме того, считается, что только обеспеченные и серьезные люди могут позволить
себе такую роскошь – это своего рода атрибут достатка.
Время идет, цены падают, а ЖК мониторы становятся все лучше и лучше.
Теперь они обеспечивают качественное контрастное, яркое, отчетливое изображение.
Именно по этой причине пользователи переходят с традиционных ЭЛТ мониторов на
жидкокристаллические. Раньше жидкокристаллические технологии были медленнее
(обладали большой инерционностью, особенно заметной при просмотре
динамических изображений), их уровень контрастности был низок. Первые
матричные технологии, так называемые пассивные матрицы, вполне неплохо
работали с текстовой информацией, но при резкой смене картинки на экране
оставались так называемые «призраки». Поэтому такого рода устройства не
подходили для просмотра видеофильмов и игр. Сегодня на пассивных матрицах
работает большинство черно-белых портативных компьютеров, пейджеры и
мобильные телефоны. Так как при ЖК технологии каждый пиксель управляется
отдельным транзистором, четкость получаемого текста выше в сравнении с ЭЛТ
монитором. В отличие от ЭЛТ мониторов, у жидкокристаллической панели не может
быть ни несведения лучей, ни расфокусировки.
2. Принцип работы ЖК монитора
Рисунок 4.1 Устройство панели ЖК монитора
Существует два вида ЖК мониторов: DSTN (dual-scan twisted nematic 27
кристаллические экраны с двойным сканированием) и TFT (thin film transistor - на
тонкопленочных транзисторах), также их называют соответственно пассивными и
активными матрицами. Такие мониторы состоят из следующих слоев: поляризующего
фильтра, стеклянного слоя, электрода, слоя управления, жидких кристаллов, ещё
одного слоя управления, электрода, слоя стекла и поляризующего фильтра.
В первых компьютерах использовались восьмидюймовые (по диагонали)
пассивные черно-белые матрицы. С переходом на технологию активных матриц
размер экрана монитора стал больше. Практически все современные ЖК мониторы
используют панели на тонкопленочных транзисторах, обеспечивающих яркое, четкое
изображение размера, значительно большего, чем 8 дюймов.
Поперечное сечение панели на тонкопленочных транзисторах представляет
собой многослойный бутерброд. Крайний слой любой из сторон выполнен из стекла.
Между этими слоями расположен тонкопленочный транзистор, панель цветного
фильтра, обеспечивающая нужный цвет - красный, синий или зеленый, и слой жидких
кристаллов. Изнутри экран освещается флуоресцентной подсветкой.
Рисунок 4.2 Поперечное сечение панели на тонкопленочных транзисторах
При нормальных условиях, когда нет напряжения, жидкие кристаллы находятся в
аморфном состоянии. В этом состоянии жидкие кристаллы пропускают свет. С
помощью электрического напряжения можно изменять ориентацию кристаллов, а тем
самым управлять количеством света, проходящего через жидкие кристаллы.
Как и в традиционных электроннолучевых трубках, пиксель в ЖК мониторе
формируется из трех участков - красного, зеленого и синего. Различные цвета
получаются в результате изменения величины соответствующего электрического
заряда (что приводит к повороту кристалла и изменению яркости проходящего
светового
потока).
TFT экран состоит из целой сетки таких пикселей, где работой каждого цветового
участка каждого пикселя управляет отдельный транзистор. Количество пикселей
задает разрешение TFT монитора. Для нормального обеспечения экранного
разрешения 1024х768 (режим SVGA) монитор должен располагать именно таким
количеством пикселей.
В жидкокристаллических мониторах каждый пиксель расположен в фиксированой
матрице и включается или выключается отдельно, поэтому не возникает никаких
проблем со сведением лучей, в отличие от ЭЛТ мониторов, где требуется
безукоризненная
работа
электронных
пушек.
При этом ЖК мониторы обеспечивают в разрешении, совпадающем
с
28
физическим разрешением матрицы, идеальную четкость изображения. Так, картинка
17-дюймового TFT монитора в разрешении 1280x1024 по четкости превосходит
изображение даже 19-дюймовых ЭЛТ мониторов, для которых режим 1280x1024
считается оптимальным.
Утверждение, что ЖК мониторы абсолютно не излучают, неверно. Переменные
электромагнитные поля, которые создаются блоком питания и всей электрической
схемой, ЖК монитор излучает так же, как и ЭЛТ. Однако ЖК монитор имеет нулевой
постоянный потенциал дисплея, то есть не создает вокруг себя гораздо более
вредного постоянного электростатического потенциала.
При работе с ЖК монитором нагрузка на глаза существенно меньше сказывается ровная плоскость экрана и отсутствие мерцания.
Коэффициент отражения света от поверхности ЖК монитора в три и более раз
меньше, чем от поверхности кинескопа с самым совершенным на сегодняшний
момент антибликовым покрытием (Sony FD Trinitron, Mitsubishi Diamondtron NF).
Соответственно, бликов на экране ЖК монитора в несколько раз меньше.
От стандартной видеокарты компьютера идет аналоговый видеосигнал, хорошо
«понятный» ЭЛТ мониторам, которые по своей сути являются аналоговыми
устройствами. ЖК мониторы принципиально являются цифровыми устройствами
(дискретный набор пикселей, дискретное управление цветом и яркостью пиксела и
т.д.). Поэтому, чтобы аналоговый сигнал стал «понятен» ЖК монитору, необходимо
проводить преобразование аналогового сигнала в цифровой. Фактически, сначала
видеокарта кодирует цифровой сигнал от компьютера в аналоговый, затем передает
его монитору, который осуществляет обратное преобразование. При этом могут
возникать различные нежелательные артефакты. Чтобы избежать этого,
производители, сначала мониторов, а теперь уже и видеокарт, стали выпускать
видеокарты имеющие два выхода – аналоговый и цифровой. Массовое производство
видеокарт с цифровым выходом тормозилось отсутствием общепринятого стандарта
на передачу цифрового видеосигнала. Теперь, когда приняты соответствующие
стандарты, ситуация изменится!
ЭЛТ мониторы могут работать на нескольких разрешениях в полноэкранном
режиме, когда ЖК монитор может работать только с одним разрешением. Меньшие
разрешения возможны лишь при использовании части экрана. Так, например, на
мониторе с разрешением 1024х768 при работе в разрешении 640х480 будет
задействовано лишь 66% экрана. Применение же специальных функций
«растягивания» изображения на весь экран (поноэкранный режим работы) приводит к
катастрофическому падению четкости и искажению изображения.
При покупке ЖК монитора в первую очередь стоит учитывать следующее.
На плоской панели может не работать несколько пикселей. Распознать их нетрудно они всегда одного цвета. Они возникают в процессе производства и восстановлению
не подлежат. Приемлемым считается, когда в мониторе не более трех таких пикселей
(у разных производителей это число свое, и монитор считается браком лишь в том
случае, если у него число мертвых пикселей выше). Перед покупкой монитора
обязательно проверьте его на наличие мертвых пикселей. Однако невозможно
предугадать, сколько мертвых пикселей будет у монитора через год-другой.
Важный параметр угол обзора выбираемого монитора (как по горизонтали, так
и по вертикали). У некоторых моделей мониторов значение этого угла довольно
велико, таким образом вы можете видеть изображение на мониторе без потери
качества (ухудшения яркости, цветопередачи) даже в тех случаях, когда монитор не
находится непосредственно перед вами. Чем больше угол обзора, тем удобнее
работать за монитором.
Под контрастностью ЖК монитора подразумевается, сколько уровней яркости
29
могут создавать его пиксели. (Cами по себе пиксели не вырабатывают свет, они лишь
пропускают свет от подсветки. И темный экран вовсе не означает, что подсветка не
работает - просто пиксели блокируют этот свет и не пропускают его сквозь экран).
Контрастность 250:1 считается хорошей.
Насколько ярким может быть ЖК монитор? Яркость жидкокристаллического
дисплея может быть выше яркости электронно-лучевой трубки. Но, как правило,
яркость ЖК монитора не превышает 225 кандел на квадратный метр - это
сопоставимо с яркостью телевизора.
ЖК монитор имеет идеальную четкость изображения (для этих мониторов не
существует понятий несведение и плохая фокусировка), НО только в одном
фиксированном режиме! Этот режим соответствует физическому разрешению
матрицы, которая используется в модели (для 15" это обычно 1024x768). Это и
преимущество, и недостаток. Например, для геймеров, переключающихся с одного
экранного разрешения на другое, будет ощутимо плохое качество работы на
низших, чем физический размер матрицы режимах. Однако для человека,
работающего с офисными приложениями, и использующего единственный
видеорежим, это вовсе не ограничение.
Изображение на экране ЖК монитора не мерцает, при работе со статической
картинкой (текст, таблицы и т.п.) перерисовывается не весь экран, как в случае с
ЭЛТ монитором, а лишь те пиксели, которые изменяются.
ЖК монитор имеет идеальную геометрию изображения.
ЖК монитор имеет нулевой постоянный потенциал дисплея.
Быстродействие на современных матрицах сейчас достигнуто достаточное для
того, чтобы даже в самых динамичных игрушках смазывания изображения вы не
замечали.
Таким образом, на сегодняшний день ЖК монитор обладает в несколько раз
лучшими эргономическими показателями, чем ЭЛТ монитор. Многие продавцы
пытаются объяснить покупателям, что ЖК монитор безопасен, потому что не
излучает. Однако на самом деле основное преимущество ЖК монитора в том, что он
создает минимальную нагрузку на глаза.
К сожалению, дизайнеры и художники пока не могут заменить свои
профессиональные ЭЛТ мониторы на тонкие панели, связано это с недостатками
цветопередачи и невозможностью калибровки ЖК мониторов. Во всех же остальных
случаях ЖК монитор – идеальный выбор и достойная альтернатива привычному
монитору с кинескопом.
TN + OCF (optical compensation film) - это ЖК + оптический корректирующий
слой. С 1995 года Nec вёл разработку новых ЖК-панелей на базе технологии IPS.
Постепенно появлялись новые модификации, которые получали названия SFT (Super
Fine TFT — высококачественный TFT дисплей), A-SFT (Advansed SFT —
улучшенный SFT) и SA-SFT (Super A-SFT).
3 Эксплуатационные параметры ЖК монитора
3.1 Цветовой охват
На данном графике отображено соотношение количества воспроизводимых
цветов самой совершенной модели ЖК-панели (SA-SFT) c телевизионным сигналом
стандарта NTSC.
30
Рисунок 4.3
Соотношение количества воспроизводимых цветов
По этому графику видно, что остальным панелям (MVA, PVA и просто TN+Film)
ещё сложнее состязаться с качеством даже телевизионного сигнала.
3.2 Углы обзора
Серьёзной проблемой для ЖК-панелей является приемлемая величина угла обзора
формируемого изображения. Изображение на современных ЖК-дисплеях заметно
искажается при изменении угла обзора наблюдателем. Только в том случае, когда
наблюдатель смотрит на изображение почти перпендикулярно, оно выглядит
наиболее естественно. При изменении угла обзора искажается либо цвет
изображения, либо теряется контрастность, а следовательно и насыщенность
изображения.
Различные технологии по разному решали эти проблемы, ниже приведены
сравнительные графики изменения яркости серого поля при изменении угла обзора
либо слева-направо, либо сверху-вниз. По оси Y отложена логарифмическая шкала
яркости (в канделлах/кв.м.), а по оси X — значение отклонения наблюдателя от
нормали (в градусах).
ЖК + корректор
A-SFT на базе IPS
Рисунок 4.4 Сравнительные графики изменения яркости серого поля при изменении
угла обзора
Из левого столбца видно, что для традиционных активноматричных ЖК-панелей
31
большой проблемой было изменение угла обзора по вертикали. То есть, например,
если монитор разворачивался в портретный режим, то два человека уже не могли за
ним работать. График имеет несимметричную форму - характер искажения
изображения сверху и снизу отличается.
Кроме того, если производитель матриц TN+Film+OCF указывал, что угол обзора
по вертикали составляет 90 град., то на самом деле пользователь мог наблюдать более
чем 10-кратное изменение яркости (и более, чем 15-кратное — для тёмных тонов). В
общем виде можно сказать, что, с точки зрения пользователя, реальные углы обзора у
TN+Film мониторов составляют по вертикали не более +5/-5 град. (особенно для
тёмных градаций серого), а по горизонтали не более +30/-30 град.
У технологий MVA и IPS всё немного лучше, по крайней мере по вертикали всё
стало более плавным и почти симметричным. Но всё равно имеются большие
провалы по тёмным градациям, особенно у MVA. Тёмное поле становится заметно
ярче при отклонении от нормали, а потом снова темнеет. Это объясняет, почему на
MVA панели заметно искажается цветопередача изображения - так как не только
уменьшается контраст изображения, но и сам этот процесс происходит нелинейно.
MVA
IPS
Рисунок 4. 5 Реальные углы обзора MVA-панелей и IPS-панелей
В общем виде можно сказать, что с точки зрения пользователя, реальные углы
обзора у MVA-панелей составляют по вертикали не более +20/-20 град. (это особенно
заметно для тёмных градаций серого), а по горизонтали не более +20/-20 град.
IPS-панели, скорее всего, имеют область качественного отображения размером по
вертикали и по горизонтали +40/-40 град. (это, естественно, зависит от конкретной
технологии-преемницы).
3.3 Скорость реакции
На качество динамических изображений (видео, игры) существенно может влиять
время отклика матрицы, то есть скорость, с которой пикселы принимают нужный
цвет. Если точки не успевают устанавливать цвет адекватно динамическому
изображению, то наблюдатель отметит, что изображение имеет ненасыщенный и
«грязный» цвет. Пользователям не всегда понятно, что подразумевается под
«временем отклика», так как производители публикуют этот параметр с небольшими
оговорками: полное время отклика, типичное и максимальное время отклика.
Итак, полное время отклика — это сумма времени включения (активации) и
32
выключения пиксела (full response time = time rise + time fall). Эта характеристика
означает скорость реакции пиксела на переключение в крайние значения: белый и
чёрный. Но обладая только этими данными, совершенно нельзя судить о том,
насколько будет «быстрой» панель в реальных приложениях, в которых происходит
динамическая смена цветных изображений. Это утверждение основано на том, что
ЖК гораздо быстрее переключаются в крайние состояния (так как при этом ток
либо максимален, либо вовсе отсутствует), чем в промежуточные.
На графике, изображена полная диаграмма времени отклика для TN+Film панелей
при переключении пиксела из некоторого начального состояния в другое:
Рисунок 4. 6 Скорость работы ЖК-ячейки
Как видно из этого графика, скорость работы ЖК-ячейки сильно меняется в
большом диапазоне. Именно поэтому говорят о типичном (среднем) времени реакции
и о максимальном, которые в свою очередь могут совсем не корелировать с полным
временем отклика.
Лекция 5 PDP – мониторы
Вопросы:
1 Общие сведения о плазменных панелях;
2 Формирование изображения
Плазменные панели — PDP (Plasma Display Panel), которые в отличие от
жидкокристаллических — LCD сами излучают свет, — весьма эффективные,
совершенно плоские экраны больших размеров, воспроизводящие изображение с
высоким разрешением. PDP — современные устройства, способные заменить
традиционные телевизоры с электронно-лучевыми трубками — CRT [2] благодаря
ряду преимуществ.
Так, максимальный размер диагонали экрана плазменных панелей уже достиг 80"
(203 см), минимальный — 25" (63 см), а их глубина находится в пределах
7...18
м. Это позволяет размещать панели даже на стенах наподобие картин. Любое мерцание
на экране панелей отсутствует, точнее, происходит с гораздо большей частотой, чем в
кинескопах, что не утомляет зрение. Кроме того, изображение с их экрана можно
снимать видеокамерой не заботясь о синхронизации с воспроизводящим устройством.
В отличие от кинескопов в PDP нет геометрических искажений растра и несведения
лучей, как в центре экрана, так и на его краях. Из-за особенностей конструкции
панели, модуляционные характеристики всех трех цветовых каналов полностью
совпадают при любом уровне входного сигнала, поэтому баланс белого всегда
соблюдается.
PDP не создают вредных электрических и магнитных полей, так как они не
33
содержат таких устройств разверток и узлов высоковольтного анодного напряжения,
как в традиционных телевизорах. Они не притягивают к поверхности экрана пыль и не
создают рентгеновское или какое-нибудь другое вредное излучение.
Светотехнические параметры панелей исключительно высоки: яркость изображения
может превышать 500 кд/м2, а контрастность — 350:1. Обычные кинескопы не
позволяют получить такие характеристики. Нормальное изображение обеспечивается
панелями в довольно широком угле обзора — до 160°.
Эти устройства очень надежны: их рабочий ресурс вдвое превышает ресурс
кинескопов, а процент брака в производстве — на порядок ниже. PDP, в отличие от
кинескопов, практически не подвержены влиянию магнитных и электрических полей,
что позволяет широко использовать их в домашних кинотеатрах совместно с
акустическими системами, содержащими динамические головки с неэкранированными
магнитами.
Панели можно легко "складывать" в большие блоки и получать экраны с
диагональю 5.. .7 м.
Одним из существенных недостатков PDP следует назвать значительную
потребляемую от питающей сети мощность, в связи с чем в ряде панелей используют
даже специальные охлаждающие вентиляторы, создающие дополнительный
акустический шум. В новейших панелях применяют пассивное охлаждение
металлическими (как правило, алюминиевыми) теплоотводящими подложками. Еще
одним недостатком PDP можно считать их относительную конструктивную сложность
из-за необходимости применения высоковольтных сильноточных узлов управления яркостью свечения. Это также не позволяет пока снизить стоимость панелей.
Рисунок 5.1. Разрез плазменной панели
В основу работы плазменной панели положен принцип, схожий с принципом
работы флуоресцентной лампы, которую в обиходе называют "лампой дневного света".
Панель представляет собой герметизированный пакет, эскизно показанный в разрезах
(рис. 5. 1). Он состоит из двух близкорасположенных стеклянных листов (переднего и
заднего), между которыми находится большое число объемных полостей —
микроскопических ячеек, заполненных инертным газом (смесью ксенона и аргона или
ксенона и неона). На внутренние поверхности ячеек нанесены специальные пигментирующие вещества — люминофоры трех основных цветов: красного (R), зеленого (G) и
34
синего (В).
Каждая цветная точка экрана (пиксел) состоит из трех упомянутых ячеек (так
называемых субпикселов), светящихся только одним цветом. Например, плазменная
панель с диагональю экрана 42" содержит 1226880 субпикселов. Снаружи ячеек
(субпикселов) точно напротив них расположены токопроводящие электроды: по
одному перед задним стеклом — адресации (данных) и по два прозрачных за передним
стеклом — разрядные (дисплейные), причем один из них служит сканирующим (Scan),
а другой — электродом поддержания разряда (Sustain).
Когда между электродами подано напряжение, в ячейках возникает электрическое
поле, ионизирующее газ. В результате разряда в газовой среде (так же, как и в парах
ртути ламп дневного света) образуется плазма — особое состояние вещества, в
котором значения плотности положительных (ионов) и отрицательных (электронов)
зарядов практически одинаковы. Плазма излучает энергию ультрафиолетового
диапазона. Люминофор каждой ячейки поглощает невидимое человеком ультрафиолетовое излучение и испускает фотоны видимого света. Это иллюстрирует рис. 5. 2.
Складываясь в пространстве, три основных цвета трех субпикселов с различными
яркостями свечения обеспечивают восприятие зрителем самых разнообразных
цветовых оттенков. Световое излучение распространяется во все стороны, в том числе
и вглубь панели — к заднему стеклу. Для использования и этой части излучения между
ячейками и электродами адресации находится непрозрачное отражающее диэлектрическое покрытие. Прозрачное диэлектрическое покрытие между разрядными
электродами и ячейками необходимо для герметизации последних со стороны
переднего стекла. Для увеличения контрастности панели на нижнюю поверхность
изолирующего покрытия со стороны ячеек нанесена затемняющая пленка окиси
магния. Черные разделительные перегородки (ребра), расположенные между ячейками,
предотвращают паразитное засвечивание люминофоров соседних "невозбужденных"
ячеек при разряде в "возбужденной" ячейке.
Рисунок 5.2. Структура пиксела
Электроды адресации (данных) и разрядные (дисплейные) электроды образуют
ортогональную решетку. Электроды соединены специальными гибкими шлейфами с
узлами управления адресацией (данными), сканированием и поддержанием разряда
так, как изображено на рис. 5.3. Структура отдельного субпиксела панели представлена
на рис.5. 4.
Интенсивность излучения ячейки зависит, в частности, от напряжения на разрядных
электродах. Его можно изменять в очень малых пределах. Снизу оно ограничено
напряжением удержания разряда, а сверху — напряжением зажигания, при котором в
ячейке образуется плазма в отсутствие поджигающего импульса данных на адресном
35
электроде. Кроме того, слишком интенсивный разряд приводит к быстрому выгоранию
люминофоров.
Рисунок 5.3 Ортогональная решетка
субпиксела
Рисунок 5.4. Структура отдельного
Следовательно, в плазменной технологии изменением интенсивности разряда не
удается добиться регулировки яркости в необходимых пределах. Для этой цели
используют метод широтно-импульсной модуляции, который заключается в изменении
соотношения длительности включенного),зряд есть) и длительности выключенного
(разряда нет) состояний ячейки.
Для формирования растра в плазменной панели каждое поле (20 мс) разбивают на
восемь частей различной длительности, называемых субполями — SF (Sub Fields). Все
субполя состоят из двух временных интервалов: адресации и поддержания разряда. Интервалы адресации одинаковы для всех субполей, а интервалы поддержания разряда
имеют длительность, возрастающую вдвое каждый раз с увеличением номера субполя,
что видно на рис.5.5.
Рисунок 5. 5. Структура субполя
Во время интервалов адресации происходит передача сигналов информации на
ячейки панели через электроды адресации (данных). Во время интервалов поддержания разряда на разрядные (дисплейные) электроды поступают импульсы напряжения,
число которых зависит от номера субполя (от 1 до 128). Так получают различное число
вспышек соответствующей ячейки в течение поля — от 0 (в ячейку не адресована
информация ни в одном субполе и яркость ячейки минимальная) до 255 (в ячейку
адресована информация во всех восьми субполях и яркость ячейки максимальна), т. е.
256 градаций яркости или 16777216 цветовых оттенков (учитывая число субпикселов).
Рисунок 5.6 Формирование плазменного разряда
Плазменный разряд в ячейке во время каждого субполя формируется в течение трех
36
стадий: инициализации, записи и поддержания разряда (рис.5.6). Далее процесс
периодически повторяется. Осциллограммы напряжений на сканирующем электроде и
электроде поддержания разряда во время инициализации, записи и поддержания
разряда показаны на рис. 5.7.
Рисунок 5.7 Осциллограммы напряжений во время инициализации, записи и
поддержания разряда
Инициализация нейтрализует любой предыдущий остающийся в ячейке разряд. Для
этого между электродом поддержания разряда и сканирующим электродом подан
трапецеидальный импульс напряжением U (рис.5.8). Поскольку на электрод адресации
в это время ничего не поступает, имеющийся предыдущий разряд становится менее
иненсивным и гаснет.
Рисунок 5.8. Инициализация остающегося в ячейке разряда
В стадии записи одновременно на электрод адресации приходит положительный
информационный импульс, а на разрядный сканирующий электрод — отрицательный
импульс записи (рис.5.9). Это и приводит к началу развития нового разряда. Причем
ионы плазмы (показаны на рисунке знаками +) в ячейке скапливаются у сканирующего
электрода, а электроны (показаны знаками -) — у электрода адресации. После
окончания действия импульсов ионы и электроны некоторое время сохраняются, а
между их скоплениями возникает напряжение Uw, называемое "потенциальной
37
стеной". По-другому стадию записи называют "пилотной подсветкой".
Рисунок 5.9. Стадия записи
Интервал поддержания разряда довольно сложен и, в свою очередь, имеет
несколько фаз. В первой из них (рис.5.10) на электрод поддержания разряда
воздействует отрицательный импульс, а на сканирующий — положительный.
Напряжение между электродами Us складывается с напряжением Uw и начинается разряд. Во второй фазе, когда импульсы поддержания разряда и сканирующий
прекращаются, ионы и электроны создают такую же "потенциальную стену Uw, но
противоположной полярности.
Рисунок 5.10. Интервал поддержания разряда (первая фаза)
В третьей фазе (рис. 5.11) на электрод поддержания разряда подан положительный
импульс, а на сканирующий — отрицательный. Напряжение между ними Us также
складывается с напряжением Uw и опять происходит разряд. В четвертой фазе после
окончания импульсов поддержания разряда и сканирующего тоже образуется
"потенциальная стена" другой полярности, чем предыдущая, и процесс повторяется.
Рисунок 5.11. Интервал поддержания разряда (третья фаза)
Матричная структура панели позволяет одновременно управлять только одним
рядом ячеек (строкой или столбцом). Каждая ячейка устроена так, что в местах
пересечения электродов адресации (данных) и сканирующего электрода появляется
небольшая емкость, т. е. каждая ячейка представляет собой конденсатор с очень малым
током утечки. Условно это показано на рис. 5.12.
Рисунок 5.12. Матричная структура панели
38
Лекция 6 Принтеры
Вопросы:
1. Общие сведения о принтерах.
2. Матричные принтеры.
Введение
Самой
популярной
периферией,
подключаемой
к
персональному
компьютеру, является принтер - небольшое чудо, по сравнению со всеми другими чудесами, которые могут творить, персональные компьютеры внутри
центрального блока.
Принтеры
(печатающие
устройства)
это
устройства
вывода
данных из ЭВМ, преобразующие информационные ASCII-коды в соответствующие
им
графические
символы
(буквы,
цифры,
знаки,
и
т.
п.)
и
фиксирующие эти символы на бумаге. Принтер расширяет взаимосвязи
компьютера с материальным миром, заполняя бумагу результатами своей работы.
Термин "принтер", возможно, имеет самую широкую трактовку в
языке, описывающем процесс обработки информации. Они отличаются
большим разнообразием. По скоростным возможностям они образуют
диапазон от вялой работы до световой. Внешне они могут смотреться,
как глыбы времён неолита. Они соперничают' с графопостроителями в
возможностях чертить графические изображения. Некоторые могут писать прописью.
Принтеры рознятся между собой по различным признакам:
- Цветность (чёрно-белые и цветные);
- Способ формирования символов (знакопечатающие и знакоситезирующие);
- Принцип действия (матричные, термические, струйные, лазерные);
Способы печати (ударные, безударные) и формирования строк
(последовательные, параллельные);
- Ширина каретки (с широкой (375 -450 мм) и узкой (250 мм) кареткой);
- Длина печатной строки (80 и 132 - 136 символов);
- Набор символов (вплоть до полного набора символов ASCII);
- Скорость печати;
Разрешающая
способность,
наиболее
употребительной
единицей
измерения является dpi (dots per inch) - количество точек на дюйм.
Внутри ряда групп можно выделить по несколько разновидностей
принтеров; например, широко применяемые в ПК матричные знакосинтезирующие
принтеры
по
принципу
действия
могут
быть
ударными,
термографическими,
электрографическими,
электростатическими,
магнитографическими и др.
39
Среди ударных принтеров часто используются литерные, шаровидные,
лепестковые (типа "ромашка"), игольчатые (матричные) и др.
Печать у принтеров может быть посимвольная, построчная, постраничная. Скорость печати варьируется от 10 - 300 зн.\с (ударные
принтеры) до 500 - 1000 зн.\с и даже до нескольких десятков (до 20) страниц в
минуту (безударные лазерные принтеры); разрешающая способность - от 3 - 5 точек
на миллиметр до 30 - 40 точек на миллиметр (лазерные принтеры).
Многие
принтеры
позволяют
реализовать
эффективный
вывод
графической информации (с помощью символов псевдографики); сервисные режимы
печати:
плотная
печать,
печать
с
двойной
шириной,
с
подчёркиванием, с верхними и нижними индексами, выделенная печать
(каждый символ печатается дважды), печать за два прохода (второй раз
символ печатается с незначительным сдвигом) и многоцветная (до 100
различных цветов и оттенков) печать.
Полная классификация устройств не будет никогда завершена, потому что
устройства постоянно изменяются: используются новые технологии, старые модели
реализуются с использованием каких- либо новшеств, а кажущиеся абсолютными
идеи повторяются снова и снова.
1 Общие сведения о принтерах
1.1 Ударные и безударные принтеры
При классификации принтеров одним из самых важных является
вопрос: касается ли механизм бумаги при нанесении на неё изображения. Контактный
принтер бьёт бумагу. Бесконтактные принтеры прижимают и давят её и даже,
возможно, бьют её электрическим током, но никогда не ударяют по ней резко.
Практическое отличие между этими технологиями по отношению к тому, что
случается с бумагой, невелико. Но оно может определять качество, надёжность и
даже уровень шума работающего устройства.
На
сегодняшний
день
более
широкое
распространение
среди
принтеров, подключаемых к домашнему компьютеру, получили контактные
принтеры. Все контактные принтеры имеют много общего с пишущими машинками,
и их легче постичь, познакомившись с этими прародителями.
Хотя все старомодные пишущие машинки являются сложными, с
точки зрения механики (попробуйте разобрать, а потом собрать), но принципы их
работы
очень
просты.
Снимите
все
кулачки,
рычажки
и
клавиши и вы обнаружите, что основу всех пишущих машинок составляют
молоточки.
Каждый молоточек ударяет по красящей ленте, которая в свою
очередь касается бумаги в текущей позиции. Удар молоточка приводит
к чернильному отпечатку на бумаге. Каждый молоточек в точке соприкосновения с
красящей
лентой
снабжён
каким-либо
символом
обычно
символом алфавита.
Тем или иным образом все ударные принтеры реализуют базовый
принцип пишущей машинки. Все они наносят изображения на бумагу
при помощи ударов молоточков по бумаге через красящую ленту. И в
самом деле, всё отличие между принтерами и пишущими машинками
заключается в том, как задаётся печать нужного символа. Пишущая машинка
напрямую связана с пальцами машинистки, а принтер – между вами и печатаемыми
словами требует использовать персональный компьютер.
40
Хорошим примером, иллюстрирующим подобие пишущих машинок и
компьютерных принтеров, служит универсальная пишущая машинка, способна
работать как напрямую через клавиатуру, как и от компьютера, подключаясь к его
порту. На заре персональных компьютеров, до тех пор, пока производители пишущих
машинок верили в надёжность рынка PC, определённое число компаний
приспособили выпускаемую продукцию к подключению к компьютерному выходу.
Типовым примером таких устройств является Bytewriter - медленный, подключаемый
к компьютеру принтер с полным набором клавиатуры от пишущей машинки. Если не
подключать его к компьютеру, можно работать с ним, как с пишущей машинкой.
Одно из устройств, прожившее короткую жизнь на рынке, позволяло превращать
вашу пишущую машинку в принтер установкой специального ящика на клавиатуру.
Этот
ящик
содержит
дюжины
соленоидов
и достаточное количество других механических частей, заставляющих
космический
Шатл
выглядеть
простым.
Соленоиды
работают
вместо
электронных пальцев, надавливая по каждой команде на нужную клавишу
центрального
блока.
Эти
механизмы
занимают
узкое
пространство
между абсурдом и оригинальностью. В 1981 Х)ду несколько таких устройств было
даже продано.
Преимущества контактных принтеров
Точно так же, как и пишущие машинки, все контактные принтеры
имеют определённое число достоинств. Опираясь на многолетний опыт
и постоянное развитие инженерной мысли, они реализуются на базе хорошо
обдуманной технологии. Их конструкции и функции хорошо увязаны и легко
понятны.
Большинство
контактных
принтеров
могут
использовать
любые
вещества, имеющие свойства чернил; работать с любой бумагой, которая может
найтись у вас в доме. Кроме того, можно легко получить нужное число копий,
используя копировальную бумагу.
Контактные
принтеры
унаследовали
от
пишущих
машинок
шум,
порождаемый при ударе молоточка по красящей ленте и бумаге. Этот
шум у разных людей ассоциируется с различными звуками: с шумом работающей
бормашины, дыханием злых великанов или сотнями москитов. Обычно контактные
принтеры
порождают
звуки,
превосходящие
по
тональности диапазон нормального разговора. И это служит очень сильным
аргументом.
Бесконтактные принтеры используют другую технологию. Для этого применяются
совсем другие принципы. Они возникли благодаря новым технологиям и развитию
хорошего воображения. Наиболее широкое распространение получили следующие
виды принтеров, реализуемые по соответствующим бесконтактным технологиям:
струйный, термический и лазерный принтеры.
1.2 Способы формирования символов
Терминами "контактный и бесконтактный" описывается технология, с помощью
которой
формируются
отметки
на
бумаге.
Но
способ
формирования самого символа, как задаётся его форма, опускается. В то
время как различия в реализуемых принтерных технологиях сказываются на качестве
формируемого ими изображения и областях их применения, другие характеристики
так же очень важны для качества. Среди наиболее важных и способ формирования
формы символов.
41
Принтеры с готовыми символами
Первые пишущие машинки и более поздние устройства, выпущенные до конца
70-х, основываются на принципе использования готовых форм символов. Эта
технология применялась ещё в первом печатном прессе Бутенберга. Каждая буква
получалась из оттиска, жёстко заданной формы, имеющие обратное изображение.
Каждый молоточек, в устройствах этого класса действует наподобие пресс-формы
для получения изображения соответствующей буквы.
Компьютерные
принтеры,
формирующие
изображение
символов
аналогичным образом, называются принтерами с готовыми символами.
Иногда их называют другими именами. Среди них качественные буквенные принтеры
и колёсные принтеры. Как говорят сами за себя последние эпитеты, эти устройства
обеспечивают наивысшее качество, удовлетворяющее требованиям для ведения
деловой переписки, потому что они аналогично по своим характеристикам
используемым в этой области печатным машинкам.
Почти все принтеры этого класса используют контактный принцип нанесения
чернил на бумагу. Вместо того чтобы использовать отдельный молоточек на каждую
букву, символы разделяются на отдельные элементы, которые вставляются между
одним молоточком и резиновым валиком. Молоточек от соленоида, управляется
электроникой принтера и компьютера, выбирает нужный элемент. С его помощью
затем выдавливаются чернила с красящей ленты на бумагу. Чтобы позволить
напечатать все алфавитно-цифровые символы на бумаге, печатаемые элементы
отклоняются или вращаются, позволяя молоточку выбрать требуемый в нужный
момент элемент.
Чаще
всего
символы
устанавливаются
по
периметру
крута.
Эта
конструкция заработала термин "колесо маргаритки" потому что напоминает
лепестки цветка.
Иногда поступают, как NEC. В её устройствах маргаритки установлены
горизонтально и их лепестки изогнуты вверх.
Характерной чертой торговой марки принтеров с жестко заданной
формой символов является высшее качество формируемого изображения. Стандарт, к
которому все другие принтеры стремятся, задается бесконтактным принтером с
полностью сформированной формой символов, названным phototypesetter или
photocomposer. Этот тип машин используется для получения первых оттисков газет,
журналов
и
книг.
Эти
машины работают фотографически. Символы имеют заданную форму,
нанесённую на плёнку в виде негатива. Каждый нужный символ вносится в зону
света по очереди, и его образ высвечивается на фотобумаге. В результате получают
ряды великолепных символов.
Другие принтеры этого типа обеспечивают качество текстов приблизительно
такого
же
качества.
Главным
ограничением
является
не
принтерная технология, а используемая красящая лента. Некоторые колёсные
принтеры, снабжённые лентой Mylar, могут сравниться по качеству со стандартом.
Недостатки принтеров с жёстко заданной формой символов
Скорость передачи является одним из главных недостатков большинства
доступных коммерческих принтеров с жёстко заданной формой символов. Они очень
медленны. Некоторые из них работают со скоростью 12-20 символов в секунду. Такая
производительность сравнима с производительностью машинистки. Более дорогие
устройства этого класса способны на 40-90 символов в секунду. Это быстрее, но всё
равно в три раза медленнее, чем производительность принтеров, реализуемых по
другим технологиям, и стоящих те же деньги.
42
Эти
принтеры
печатают
символы
из
ограниченного
множества.
Можно получить оттиск только тех символов, которые напрессованы на
принтерном колесе или напёрстке. Более того, они формируют плохое
графическое изображение, а большинство из них не формируют его вовсе.
2 Матричные принтеры
Альтернативой принтерам с жёстко заданной формой символов
является технология, по которой можно получить изображение символа
заданной конфигурации. Исходным элементом, из которого формируется
изображение символов на бумаге, служит тот же элемент, используемый и при
формировании изображения на экране. Из некоторого множества точек можно
составить любой символ, который нужно напечатать. Чтобы облегчить алгоритм
печати (и его разработку), принтеры, формирующие символы из точек, обычно
размещают их в матрицы. Так как символы формируются из точек матрицы,
правомерно называть их точечно-матричными принтерами.
Прототипом
таких
принтеров
являются
контактные
устройства.
Они используют печатные головки, которые ходят вперёд и назад по
всей ширине бумаги. Некоторое число тонких печатных иголок действуют, как
молоточки, нанося чернила с красящей ленты на бумагу.
В большинстве матричных принтеров кажущийся сложным, но
эффективный механизм каждой иглой. Печатающая игла в обычном положении
находится в стороне от красящей ленты и бумаги. Её движение вперёд происходит
под воздействием силы постоянного магнита. Магнит обмотан витком провода,
образуя электромагнит. Полярность электромагнита противоположна постоянному
магниту. Их поля нейтрализуют друг друга. Поле постоянного магнита образует
составляющую, удерживающую иглу в нормальном положении. Подача энергии в
электромагнит приводит к тому, что игла направляется к красящей ленте и оставляет
отпечаток на бумаге. После этого электромагнит обесточивается, и постоянный
магнит возвращает иглу в позицию ожидания, готовя её к следующему акту. Этот
принцип реализуется с одной целью - удерживать иголки в позиции ожидания при
отсутствии
питания
на
принтере.
Сложность механизма оправдывается реализацией им защиты деликатных
печатающих
игл.
Печатающая
головка
матричного
принтера
образуется некоторым числом печатающих игл. Количество иголок в
печатающей головке определяет качество печати. Недорогие принтеры
имеют 9 игл. Матрица символов в таких принтерах имеет размерность
7x9 или 9x9 точек. Более совершенные матричные принтеры имеют 18
игл и даже 24.
Чтобы напечатать строку символов, принтерная головка движется
горизонтально по бумаге и каждая игла ударяет в строго заданной позиции для
получения нужного символа. Удар иглы происходит в заданное время, когда она
будет занимать точно заданное положение в матрице. Игла выстреливает в ленту головка принтера никогда не останавливается до тех пор, пока она не достигнет
границы бумаги.
Главным
фактором,
ограничивающим
скорость
этих
устройств,
служит время, проходящее между возможностями запуска различных
игл. Физические законы движения ограничивают увеличение производительности
принтеров. Таким образом, время необходимое для возможности последующего
использования каждой печатающей иглы, является физическим ограничением того,
43
как быстро печатающая головка может передвигаться по бумаге. Головка не может
перемещаться к следующей точечной позиции, прежде чем все её иголки не придут в
состояние готовности. Если бы головка принтера перемещалась слишком быстро,
точечное позиционирование (и формы символов) получались бы случайным образом.
Для увеличения производительности некоторые контактные матричные
принтеры печатают в двух направлениях: один ряд - слева направо, а следующий справа налево. Такой режим функционирования устраняет потерю времени,
затрачиваемого на возврат каретки с левой границы бумаги к исходному столбцу.
Конечно же, такой принтер должен иметь достаточно памяти для полного хранения
строки текста, чтобы прочесть его в обратном порядке.
2.1 Качество матричных символов
Символы, формируемые матричными принтерами, часто смотрятся довольно
грубыми
по
сравнению
с
изображением,
получаемым
по
технологии с жёстко заданной формой символов. Это происходит из-за
того, что некоторые индивидуальные точки могут выделяться. Качество
символов, получаемое матричным принтером, главным образом определяется числом
точек
в
матрице.
Чем
больше
плотность
матрицы
(больше
число точек в данной площади), тем лучше смотрится символ.
Часто даже двунаправленные принтеры переходят на работу в одном
направлении,
если
требуется
получить
качественную
печать.
Для
увеличения плотности точек они проходят каждую строку два, а то и
более число раз, передвигая бумагу на половину вертикальной ширины
между каждым проходом, заполняя пространство между точками. Возможность
работать в любом направлении помогает обеспечить аккуратное размещение каждой
точки во время каждого прохода.
Матрицы 5x7 точек (горизонталь к вертикали) являются достаточным для
формирования всех заглавных и прописных букв алфавита, хотя они смотрятся
довольно грубо и не эстетично. Всё дело в том, что точки довольно большие и
смотрятся угловато. Ещё хуже то, что минимальная матрица слишком мала для
формирования отличимых символов, таких, как g, j, р, q и у. Нижняя часть этих букв
неразборчива. Поэтому минимальной матрицей, используемой в большинстве
коммерческих матричных принтеров, является матрица 9x9 точек. С её помощью
формируется читаемый текст, но он всё ещё не элегантен. Хотя матричные принтеры
способны и на большее. Лазерные принтеры тоже используют эту технологию, но они
реализуют
точечную
технологию
с
очень высокой плотностью - 300 точек на дюйм. Каждый символ можно
получить
матрицей
30x50.
Самые
последние
контактные
матричные
принтеры приближаются по качеству к этому уровню.
Точно так же, как это имеет место с компьютерными дисплеями,
часто путаются понятия разрешающей способности и адресуемости точечных
матричных
принтеров.
Упоминая
разрешающую
способность,
имеется в виду адресуемость. Принтер может быть в состоянии адресоваться к любой
позиции
на
бумаге
с
точностью,
скажем,
1,120
дюйма.
Хотя, если печатающая игла больше 1/120 дюйма в диаметре, механизм
никогда не сможет напечатать с точностью большей, чем 1/120дюймовая.
Большие
точки,
формируемые
широкой
иглой,
печатают
расплывчатые символы. Более качественные ударные матричные принтеры
используют более мелкие иглы. Лазерные принтеры обычно используют точки
соответствующие их разрешающей способности - 1/300 дюйма.
44
Для текстовой печати в общем случае имеются следующие режимы,
характеризующиеся различным качеством печати:
- Режим черновой печати (Draft);
- Режим печати, близкий к типографскому (NLQ - Near-Letter Quality);
- Режим с типографским качеством печати (LQ - Letter-Quality);
- Сверхкачественный режим (SLQ - Super Letter-Quality).
Примечание. Режимы LQ и SLQ поддерживаются только струйными и лазерными
принтерами.
В принтерах с различным числом иголок эти режимы реализуются по-разному. В 9игольчатых принтерах печать в режиме Draft выполняется за один проход
печатающей головки по строке. Это самый быстрый режим печати, но зато имеет
самое низкое качество. Режим NLQ реализуется за два прохода: после первого
прохода головки бумага протягивается на расстояние, соответствующее половинному
размеру точки; затем совершается второй проход с частичным перекрытием точек.
При этом скорость печати уменьшается вдвое.
Матричные принтеры, как правило, поддерживают несколько шрифтов и их
разновидностей, среди которых получили широкое распространение roman (мелкий
шрифт пишущей машинки), italic (курсив), bold-face (полужирный), expanded
(растянутый), elite (полусжатый), cadenced (сжатый), pica (прямой шрифт - цицеро),
courier (курьер), san serif (рубленый шрифт сенсериф), serif (сериф), prestige elite
(престижэлита) и пропорциональный шрифт (ширина поля, отводимого под символ,
зависит от ширины символа).
Переключение режимов работы
матричных принтеров и смена
шрифтов могут осуществляться как программно, гак и аппаратно путём
нажатия имеющихся на устройствах клавиш и/или соответствующей установки
переключателей.
Псевдографика
Кроме того, матричные принтеры способны формировать графическое
изображение. Многие матричные принтеры имеют дополнительные множества
символов,
названных
псевдографикой.
Они
позволяют
формировать изображение при помощи встроенных блоков, имеющих
форму простейших геометрических фигур, таких, как квадраты, прямоугольники,
треугольники,
горизонтальных
и
вертикальных
линий
и
т.д.
Каждая из этих фигур закодирована и распознается принтером точно
так же, как буква алфавита. Принтер просто заполняет строчку за строчкой этими
блочными символами, формируя картину. Изображение
смотрится слегка
грубоватым, потому что встроенные блоки больше. Наименьшие из них имеют в
поперечном сечение 1/8 дюйма.
Графика с адресацией ко всем точкам
Большинство матричных принтеров позволяет даже указать, где расположить
каждую индивидуальную точку на листе бумаги. Для этих целей используется
технология, названная адресацией по всем точкам (all points addressable graphics АРА graphics). Вооружившись соответствующими инструкциями, можно получить
графическое изображение с отличной деталировкой или даже нарисовать картину в
полутонах, формируя изображение, схожее по качеству с газетными фотографиями.
Программное обеспечение принтера позволяет каждой печатаемой точечной
позиции быть контролируемой, описывая её как печатаемую (чёрную) или не
печатаемую (белую). Целый образ может быть сформирован наподобие
45
телевизионной картинки, сканированием линий шириной в несколько точек (по
ширине они равны числу иголок головки) по всей бумаге.
Эта технология получения графического изображения имеет ещё одно имя. Так как
каждая индивидуальная печатаемая точка может быть назначена определённой
позиции или "адресу" на бумаге, она часто называется графикой с поточечной
адресацией. Иногда полный титул упрощается до точечной графики. Случается он
изменяется до графики с побитовым изображением, потому что каждая точка
описывается при формировании изображения одним битом информации.
Точно так же, как это имеет место с качеством текста, точность печати принтеров,
реализующих
такую
технологию,
образуют
широкий
диапазон от среднего до очень хорошего качества. Настоящая разрешающая
способность
(больше
чем
адресуемость)
указывает,
как
точны,
могут быть печатаемые детали. Она может быть в пределах от 72 до 300
или более точек на дюйм. Чем больше точек на дюйм разрешающей способности. Тем
лучше будет выглядеть печатаемая графика.
Загружаемые множества символов
Помимо индивидуальной адресации к каждой точке бумаги некоторые
матричные принтеры позволяют даже определить точечное множество для символов
целого
алфавита.
Формы
символов,
определённые
вами, могут использоваться в качестве обычного шрифта. Каждое множество букв
печатается посылкой обычного алфавитно-цифрового символа компьютера. Такая
характеристика называется загружаемостью множеством символов, потому что
информация, необходимая для формирования символов, загружается с компьютера в
память принтера.
Шрифтовые кассеты
Некоторые матричные принтеры используют другой вариант расширения
библиотеки
шрифтов.
Точечные
множества,
необходимые
для
формирования символов альтернативных шрифтов, хранятся в микросхемах ПЗУ,
содержащихся внутри специальных шрифтовых кассет.
Сама кассета просто
обеспечивает установку микросхем ПЗУ и содержит разъём, подключаемый к
принтеру. С помощью такой кассеты можно увеличить память принтера. Многие
контактные и лазерные принтеры разработаны таким образом, чтобы иметь
возможность использовать такие шрифтовые кассеты.
Каждый производитель кассет выпускает отличающуюся от других и
несовместимую с ними продукцию (иногда кассеты двух моделей принтера,
выпущенные одним и тем же производителем, несовместимы
Термопринтеры.
Кроме матричных игольчатых принтеров есть
ещё группа матричных
термопринтеров, оснащённых вместо игольчатой печатающей головки головкой с
термоматрицей и использующих
при печати специальную термобумагу или
термокопирку (что, безусловно, является их существенным недостатком).
46
Лекция 7 Струйные
Введение
принтеры
1. Общие сведения о струйных принтерах
2. Устройство струйного принтера
3. Принцип работы струйного принтера
4. Разьёмы, порты
Введение
Что бы ни говорили о превосходстве электронных носителей информации над
бумажными, похоже, век бумаги и печатного текста пройдет еще не скоро. Давно
известно, что напечатанный текст воспринимается совершенно иначе, чем его
«электронная» копия на экране монитора. И до того светлого дня, когда безбумажный
стандарт информации восторжествует и нам больше не придется переводить на
бумагу весело шумящие леса.
Мы будем печатать. А значит, принтер останется таким же неизменным
атрибутом любого офиса и даже квартиры.
За последние годы в принтерном мире произошла настоящая революция. Бывшие
некогда дорогой игрушкой струйные принтеры по цене «скатились» до уровня
комплекта из хорошей мыши и клавиатуры. Примитивные, скрежетавшие игольчатые,
матричные принтеры канули в Лету.
Матричные принтеры появились в эпоху, когда никто всерьез и не
задумывался о серьезной работе с графикой. Практически все компьютеры
работали в символьном режиме. А это значит, что точно таким же узким
набором стандартных печатных символов оперировал и принтер.
Матричные принтеры назывались еще и игольчатыми. Их печатающее
устройство содержало в себе некоторое число (9 или 25) иголок, которые
выскакивали из головки и наносили удар по красящей ленте, похожей на
машинописную. От удара иголочки на бумаге оставалась точка.
А комбинация иголочек давала символ — букву или цифру.
В основном, конечно, матричные принтеры были черно-белыми. Однако довольно
скоро появились и их цветные коллеги, работавшие с многоцветной печатной лентой.
Такие уже неплохо справлялись и с графикой, выдавая полноцветные картинки.
Матричные принтеры были достаточно быстрыми — быстрее, чем многие из
современных
струйных
принтеров,
недорогими
в
эксплуатации.
И
— страшно шумными. Не в этом ли причина того, что эти устройства при первой же
возможности «сошли со сцены», уступив место принтерам нового поколения —
струйным.
Струйные принтеры. Время символов ушло. Наступила эпоха Windows — эпоха
графики,
красивых
картинок,
ярких,
четких,
типографского
качества шрифтов. И на арену вышел новый тип принтеров — струйные.
Печатным устройством в этом принтере были уже не иголки и красящая
лента, а емкость со специальными чернилами, которые выбрызгивались на
бумагу из миниатюрных дырочек-сопел под большим давлением. На бумаге
оставалась крохотная капелька, диаметр которой был в десятки раз меньше,
чем диаметр точки от матричного принтера. Соответственно гораздо более
четкими и реалистичными стали выдаваемые этим принтером картинки —
качество
отпечатков
последних
моделей
нетрудно
перепутать
с
отпечатанными в типографии. И при этом струйные принтеры практически не
шумели!
47
Были (и есть до сих пор) у «струйников» и недостатки. Во-первых, скорость.
Печать одной страницы текста на струйном принтере занимает от 30 секунд до 1—2
минут, а картинки того дольше. Во-вторых, стоимость печати на струйном принтере
до сих пор остается высокой: с учетом расхода чернил и стоимости специальной
бумаги она составляет 10—25 центов за лист. Но главное — стоит капнуть на лист
со «струйной» распечаткой каплю воды, чтобы чернила сразу же поплыли, образовав
безобразную кляксу.
1 Общие сведения о струйных принтерах
1.1. История создания
Методу струйной печати уже почти сто лет. Лорд Рейли, лауреат
нобелевской премии по физике, сделал свои фундаментальные открытия в
области распада струй жидкости и формирования капель еще в прошлом веке, датой
рождения технологии струйной печати можно считать только 1948 год. Именно тогда
шведская фирма Siemens Elema подала патентную заявку на устройство, работающее
как
гальванометр,
но
оборудованное
не
измерительной
стрелкой,
а
распылителем,
с
помощью
которого
регистрировались результаты измерений.
И даже теперь, спустя почти полвека, эта гениально простая система печати
применяется,
например,
в
медицинских
приборах.
Правда,
жидкостный осциллограф способен печатать лишь кривые, а не тексты и
графики. Эта эффективная схема была усовершенствована, и появился новый
струйный
принтер,
функционирующий
по
принципу
непрерывного
распыления красителя или печати под высоким давлением.
Разработчики воспользовались закономерностью, выявленной лордом Рейли :
струя
жидкости
стремится
распасться
на
отдельные капли.
Нужно
только чуть подправить случайный процесс распадения струи, накладывая с
помощью
пьезоэлектрического
преобразования
на
струю
красителя,
выбрасываемую под высоким давлением (до 90 бар), высокочастотные
колебания давления.
Таким способом может выбрасываться до миллиона капель в секунду.
Их размеры зависят от геометрической формы сопел-распылителей и составляют
всего лишь несколько микрон, а скорость, с которой они долетают до бумаги,
достигает 40 м/с.
Благодаря высокой скорости полета капель допускается использовать
поверхности с сильными неровностями и в зависимости от требований к
качеству печати размещать их на расстоянии 1-2 см от сопла-распылителя. В
результате можно наносить маркировку, например данные о сроке годности
товара на картонные коробки, бутылки, консервные банки, яйца или кабели.
Эту
технологию
печати
нетрудно
узнать
по
точкам,
кажущимся
неравномерными и как бы обтрепанными.
С начала 70-х годов необычайно активизировалась исследовательская
деятельность,
направленная
на
создание
систем
без
недостатков,
свойственных системам печати под высоким давлением. Первое решение,
найденное специалистами - печатающие головки с пьезоэлектрическими
преобразователями, испускающие по запросу отдельные капли красителя.
48
1.2. Типы и модели
Печатающие
устройства
с
исполнительными
пьезоэлектрическими
механизмами.
Первые заявки на регистрацию изобретения систем струйной
печати с
исполнительными пьезоэлектрическими механизмами были поданы в 1970 и 1971гг.
На протяжении нескольких лет различные
фирмы и институты проводили
фундаментальные исследования, пока, наконец, компании Siemens не удалось облечь
этот принцип в приемлемую для рынка форму. В 1977г. Был продемонстрирован
первый струйный принтер с дозированным выбросом красителя. Этот принтер,
оснащенный двенадцатью соплами-распылителями и печатающий почти бесшумно со
скоростью 270 символов в секунду, произвел революцию даже в кругах специалистов.
Siemens в качестве электромеханического преобразователя использовала
пьезоэлектрическую трубочку, вмонтированную в канал из литьевой смолы. Все
каналы заканчиваются пластиной с калиброванными отверстиями для распыления,
расположенной на передней стороне устройства. Передача электроэнергии и
красителя производится исключительно посредством колебаний давления,
распространяющихся в канале в соответствии с законами акустики. Колебания,
достигающие конца канала, отражаются там с инверсией фазы, т.е. в этом месте
колебание с пониженным давлением и наоборот.
1.3. Пьезопластины
В начале 1985 г. компания Epson представила первый из свою пьезопланарных
струйных принтеров. Вместо пьезоэлектрических трубочек, как у Siemens, на
печатающие головках Epson, выполненных из структурированных стеклянных
пластинок укреплены небольшие пьезопластинки. Если к ним приложить
электрическое напряжение, их диаметр чуть-чуть изменится, но и этого будет
достаточно чтобы они согнулись вместе с пассивной стеклянной многослойной
подложкой подобно биметаллической пластине.
В 1987 г. компания Dataproducts предложила другой принцип использования
пьезоэлектриков для струйной печати, основанный на применении пластинчатого
пьезопреобразователя. В последующие годы это метод оставался сравнительно
малоизвестным причем не столько из-за конструкции на базе преобразователя,
сколько из-за жидких восковых чернил которые применялись во всех струйных
принтерах с пластинчатым пьезопреобразователем производства Epson
Согласно этому методу пьезопреобразователь, представляющий собой
длинную плоскую пластинку (ламель), размещается позади небольшого
резервуара с красителем. При воздействии на ламель импульсов напряжения
ее длина немного меняется, что приводит к всплескам давления внутри
резервуара, которые, в свою очередь, выталкивают капли из сопла-распылителя.
Пластинчатые пьезопреобазователи сочетают в себе преимущества как плоских, так
и
трубчатых
систем
высокую
частоту
распыления
и
компактную
49
конструкцию. Сегодня на печатающие головки с пьезоламелями делают
ставку такие фирмы, как Dataproduts, Tektronix и Epson.
В
начале
1994
года
Epson
продемонстрировал
пьезотехнологию
MACH (Multilayer Actuator Head - головка с многоуровневым исполнительным
механизмом). Тем не менее и в пьезоэлектрических печатающих головках МАСНголовках применяются пьезоламели. Правда, компании Epson удалось изготовить
пьезоламели одного ряда сопел-распылителей в едином блоке (Multilayer). Таким
образом оказалось возможным еще уменьшить размеры печатающей головки,
разместить преобразователи, каналы и сопла-распылители с меньшей дистанцией и
одновременно снизить производственные расходы.
1.4. Печатающие устройства с термографическими исполнительными
механизмами
В 1985 году сенсацию вызвал Thinkjet компании Hewlett-Packard - первый струйнопузырьковый
термопринтер.
Метод
пузырьково-струйной
термопечати за несколько лет покорил рынок (количество проданных
струйных термопринтеров составило 10 млн.)
В чем же революционность этой технологии? Как часто бывает в подобных
случаях,
достижением
стало
сокращение
производственных
расходов. Если пьезоэлектрические печатающие механизмы приходилось с
большим или меньшим трудом собирать из множества отдельных деталей, то
пузырьково-струйные
печатающие
головки,
представляющие
собой
кристаллы на кремниевых подложках, изготавливались по тонкослойной
технологии сотнями.
При
тонкослойной
технологии
применяются
в
принципе
те
же
производственные процессы, что и при изготовлении интегральных схем.
Каналы подачи красителя, сопла-распылители, исполнительные механизмы и
токоподводящие шины возникают при поочередном нанесении слоев на
подложки, например способом ионно-лучевого напыления, и последующем
структурировании этих слоев.
Таким образом, по завершении процесса производства, насчитывающего
более сотни шагов, на одной подложке появляется очень много термопечатающих
элементов. Все структуры должны быть выполнены с точностью до тысячной доли
миллиметра. Кроме того, малейшее загрязнение при производстве приводит к отказу.
По этой причине пузырьково-струйные печатающие элементы изготавливаются в
чистых помещениях и с применением машин, типичных для полупроводниковой
промышленности.
Поскольку головки струйно-пузырьковой термопечати изготавливаются по тому же
принципу, что и интегральные микросхемы, напрашивается мысль об интеграции
последних в печатающие кристаллы. И первый шаг в этом направлении сделала
фирма Canon, встроив в печатающие головки своих принтеров транзисторную
матрицу. Примеру Canon последовала компания Xerox, выпустившая в 1993 году
модель пузырьково-струйного принтера с головкой, оборудованной 128
распылителями, и полностью интегрированным последовательно-параллельным
преобразователем.
Функционирование пузырьково-струйного сопла-распылителя:
Сначала сильный импульс напряжения длительностью 3-7 мкс подается на
крохотный нагревательный элемент, который мгновенно накаляется до 500 гр.
Цельсия. На его поверхности температура превышает 300 гр. Цельсия. Мощность
нагрева поверхности настолько велика, что при увеличении длительности импульса
50
напряжения всего лишь на несколько микросекунд нагревательный элемент
моментально бы разрушился.
Сразу же в тонкой пленке над нагревательным элементом начинают кипеть
чернила, и через 15 мкс образуется закрытый пузырек пара высокого давления (до 10
бар). Он выталкивает каплю чернил из сопла-распылителя, при чем скорость полета
капли достигает 10 м/с и более. Через 40 мкс пузырек, соединившись с атмосферой,
опять опадает, однако пройдет еще 200 мкс, пока новые чернила под действием
капиллярных сил не будут засосаны из резервуара.
С самого начала пузырьково-струйные печатающие головки делились на две
группы. Компания Canon, изобретатель системы, предпочла вариант Edlgeshooter.
Почти одновременно фирма Hewlett-Packard разработала головку типа Sidechooter,
которую теперь изготавливает и компания Olivetti.
Головка Edgeshooter, как становится ясно уже из названия, разбрызгивает
чернильные капли "за угол", т.е. перпендикулярно к направлению образования
пузырьков. В головке Sideshooter, где пластина с соплами-распылителями находится
поверх нагревательных элементов и каналов подачи чернил, пузырьки и капли
движутся в одном направлении. Поскольку края сопел-распылителей в головках типа
Sideshooter сделаны из однородного, а не из различных материалов, как в Edgeshooter,
процесс изготовления распылителей с отверстиями определенного размера для
Sideshooter значительно проще, чем для головок Edgeshooter. Кроме того, приходится
учитывать неодинаковое смачивание разнородной поверхности головки Edgeshooter.
Требования к качеству чернил для любой системы струйной термопечати очень
высоки, значительно выше, чем пьезосистемах. Принцип функционирования и
высокие температуры обусловливают применение только смешанных растворимых
красителей на водяной основе.
Красители должны соответствовать целому ряду требований:
- быть совместными с материалами, из которых сделан печатающий механизм;
- не образовывать отложений в каналах и распылителях, а также не расслаиваться;
- храниться в течении длительного времени;
- обладать определенными показателями плотности, вязкости и поверхностного
натяжения при температурах от 10 до 40 гр. Цельсия;
- не служить питательной средой для образования бактерий и водорослей;
- не содержать ядовитых или канцерогенных веществ и не возгораться.
К тому же красители для струйной термопечати должны образовывать пузырьки
пара
без
отложения
осадков
и
выдерживать
кратковременное
нагревание до 350 гр. Цельсия.
До сих пор никакой другой метод печати не порождал такого разнообразия
вариантов, как струйная печать, при чем не подлежит сомнению что возможность
этой технологии еще долго не будет исчерпана.
2 Устройство струйного принтера
Струйный принтер является дальнейшим развитием идеи матричного
принтера, поэтому в его конструкции сохранены многие из элементов
предшественника.
Главным элементом струйного принтера является печатающая головка.
Печатающая головка состоит из большого количества сопел, к которым подводятся
чернила. Чернила подаются к соплам за счет капиллярных свойств и удерживаются
от вытекания за счет сил поверхностного натяжения жидкости.
51
В головку встроен специальный механизм, позволяющий выбрасывать из сопла
микроскопическую капельку чернил. В зависимость от устройства этого механизма
различают принадлежность принтера к тому или иному классу. В
струйных
принтерах используется один из двух методов выбрасывания чернильных
капель:
- Пьезоэлектрический (Epson);
- Метод газовых пузырьков (Canon, HP).
В основе пьезоэлектрической технологии лежит способность пьезоэлемента
деформироваться под воздействием электрического поля. В каждое сопло
печатающей головки встроена плоская мембрана, изготовленная из пьезокристалла.
Под воздействием электрического импульса мембрана деформируется, а создаваемое
при этом давление выбрасывает из сопла микроскопическую каплю чернил.
В основе метода газовых пузырьков лежит быстрое нагревание небольшого объема
до температуры кипения. Скорость нагрева столь велика, что она подобна взрывному
процессу. Образующийся при этом пар выбрасывает из сопла микроскопическую
каплю чернил. Для реализации этого метода в каждое сопло встраивается
микроскопический нагревательный элемент.
Каждый из этих двух способов по-своему привлекателен, однако каждый из них не
свободен и от недостатков.
Пьезоэлектрическая технология наиболее дешевая, отличается более высокой
надежностью (т. к. не используется высокая температура). Этот способ управления
менее инерционен, чем нагрев, что позволяет повысить скорость печати.
Пузырьковая технология связана с высокой температурой. При высокой
температуре нагреватель со временем покрывается слоем нагара, поэтому в
принтерах, использующих эту технологию, печатающая головка довольно часто
выходит из строя. В таких случаях она вместе с резервуаром для чернил образует
конструктивный единый узел.
Печатающие головки могут конструктивно объединяться с чернильным
картриджем и заменяться одновременно с ним, а могут быть установлены в принтере
постоянно - при этом заменяется только картридж. Каждый из этих вариантов имеет
свои достоинства и недостатки. Казалось бы,
что чернильная емкость без
печатающей головки должна стоить намного дешевле, чем в комбинации с
печатающей головкой. На деле этого не происходит и заметного удешевления
эксплуатации при постоянно установленной в принтере печатающей головки не
наблюдается. В то же время, легко сменная печатающая головка позволяет легко
выйти из затруднений, связанных с засыханием чернил в ее каналах. Следует
помнить, что если чернила засохнут в головке, то ее, как правило, следует менять,
если своевременно не будут приняты соответствующие меры. Для того, чтобы
уменьшить риск засыхания чернил в каналах головки, предусматривается
специальное положение парковки. В большинстве принтеров предусмотрена
52
функция очистки сопел. Тем не менее, все это не дает полной уверенности, что при
эксплуатации печатающую головку не придется менять.
Головка вместе с емкостями для чернил закрепляется на каретке,
которая по специальной направляющей совершает возвратно-поступательное
движение поперек листа бумаги. Хотя способ «объединения» печатающей
головки и емкости для чернил конструктивно наиболее прост и в силу этого
получил самое широкое распространение, он не является оптимальным. Дело
в том, что каретка должна достаточно быстро двигаться, а также достаточно
быстро изменять направление движения, ибо скоростью ее движения
определяется скорость печати. Для этого подвижная каретка должна быть
мало инерционной, т. е. иметь возможно меньшую массу. С этой целью
уменьшают
объем
емкости
для
чернил.
Поэтому,
предпочтительнее
оказывается размещение емкости для чернил на неподвижной части принтера, а
подачу чернил к печатающим головкам осуществлять с помощью специальных
трубопроводов.
Такая система позволяет повысить скорость печати и одновременно увеличить
емкости для чернил, однако система трубопроводов конструктивно столь сложна, что
такая конструкция используется очень редко.
В процессе печати лист бумаги перемещается вдоль тракта печати при помощи
специального механизма. Его основу составляет обрезиненный валик, приводимый
во вращение шаговым двигателем. К валику бумага прижимается вспомогательными
обрезиненными роликами. Протяжка происходит за счет сил трения при повороте
валика. В старых конструкциях принтеров бумага для печати заправлялась в принтер
полистно. Это было очень неудобно, так как при печати многостраничных
документов требовалось постоянное присутствие оператора только для того, чтобы
вкладывать в принтер очередной лист бумаги и повторно запускать процесс печати. В
современных принтерах процесс подачи бумаги автоматизирован. В приемный лотов
принтера можно заложить перед началом печати стопку бумаги, очередной лист из
которой по мере необходимости автоматически будет захватываться, к подаваться в
печатный тракт. Количество листов бумаги, которое может быть заложено в
приемный лоток в разных моделях принтеров отличается, но обычно оно составляет
50-100 листов. Драйверы, управляющие процессом печати, позволяют устанавливать
необходимое количество копий и указывать страницы или части страниц, которые
должны
быть распечатаны. Автоматизация процесса подачи бумаги сделала
эксплуатацию принтера исключительно комфортной. Эти удобства особенно
ощутимы при больших объемах печати: достаточно заложить в приемный лоток
бумагу, указать параметры печати и запустить выполнение программы печати. Все
остальное принтер сделает автоматически. Дальнейшее развитие идеи автоматизации
привело к созданию принтеров, которые позволяют производить печать в
автоматическом режиме, используя обе стороны листа. Правда, такие устройства еще
достаточно дороги и используются лишь в некоторых дорогих моделях принтеров.
Конструктивно устройство для подачи бумаги выполняется различно в
разных типах принтеров, однако существуют две основных схемы, те или
иные варианты которых используются наиболее часто. Каждая из этих схем
по-своему удобна, и, в то же время, каждая не свободна от некоторых
недостатков. Схемы с верхней подачей бумаги требуют наличия достаточной
зоны обслуживания сверху корпуса принтера, поэтому такие принтеры мало
пригодны (или иногда даже вовсе не пригодны) для установки в нишах с
ограниченной высотой. Расположенный снизу приемный лоток часто делается
откидным, а иногда и вовсе отсутствует. При таком устройстве принтер занимает
меньше места на рабочем столе, что иногда немаловажно.
Такая конструкция
53
используется в принтерах Epson, Canon. В схемах с нижней подачей приемный лоток
располагается над подающим, что обеспечивает
максимум удобств при
эксплуатации. Такая схема расположения лотков характерна для большинства
струйных принтеров, выпускаемых под торговой маркой HP. Ненужность верхней
зоны обслуживания позволяет устанавливать этот принтер в нишах ограниченной
высоты (равной высоте самого принтера). К недостаткам таких принтеров следует
отнести то, что они занимают больше места на рабочем столе. Иногда это
компенсируется возможностью складывать приемный и подающий лотки в нерабочем
состоянии. В таких случаях, для приведения принтера в работоспособное состояние
необходимы вспомогательные операции по приведению лотков в рабочее положение.
В большинстве принтеров HP лотки не складываются, что обеспечивает постоянную
готовность к работе.
Синхронное взаимодействие всех механизмов принтера, а также его связь с
системным блоком ПК обеспечивается устройством управления. Это сложное
электронное
устройство,
представляющее
собой
мини-компьютер.
Именно оно осуществляет двухсторонний обмен информацией с ПК, хранение и
необходимые преобразования информации, формирование управляющих сигналов
на рабочие органы принтера.
Для контроля за состоянием принтера обычно предусмотрены элементы
управления и индикации. Управление осуществляется при помощи кнопок, а
индикация - светодиодов. Число органов управления, как правило, невелико, а иногда
они вообще отсутствуют, а управление принтером и индикация его состояния
производятся при помощи самого ПК.
Для подключения принтера к ПК используется параллельный порт.
Первоначально
принтеры
подключались
к
ранее
разработанному
последовательному порту RS-232. Однако этот порт был достаточно дорогим
(он не интегрировался в системную плату, как это принято сегодня, а
располагался
на
отдельной
плате
расширения),
что
останавливало
потенциальных покупателей принтеров. С целью решения этой проблемы
фирма Centronics в 1976 году разработала специально для подключения
принтеров параллельный 8-ми битный интерфейс. Новый интерфейс оказался
не только дешевле последовательного, но и гораздо производительнее
обеспечивая 500 Кбит/с (вместо 20 Кбит/с для последовательного порта).
Единственным недостатком нового порта была относительно небольшая
длина соединительного кабеля, которая для нормальной работы не должна
превышать 1,8 м (против 15м для последовательного порта). Этот недостаток
для работы с принтером был несущественен по сравнению с массой
достоинств, и новый интерфейс стал повсеместно применяться для
подключения принтеров. С тех пор параллельный порт неоднократно
усовершенствовался.
Все элементы конструкции, входящие в принтер, собраны на металлическом шасси,
которое часто выполняет роль нижней плоскости принтера. Элементы конструкции
закрыты пластмассовым корпусом. Центральную часть принтера занимает тракт
прохождения бумаги. Слева обычно размещаются элементы привода, а с правой
стороны - место парковки головок. Здесь часто размещаются устройства управления
и контроля и управляющая электроника. Обычно компоновка принтера достаточно
плотная и, несмотря на кажущиеся большие габариты, свободное место внутри
принтера практически отсутствует. Это обстоятельство иногда вынуждает делать
выносной блок питания, который в эксплуатации менее удобен. Встроенные блоки
питания обычно устанавливаются в принтерах Epson, для принтеров HP и Canon
характерен выносной блок питания.
54
3 Принцип работы
Принцип работы струйных принтеров напоминает игольчатые принтеры. Вместо
иголок здесь применяются тонкие сопла, которые находятся в головке принтера. В
этой головке установлен резервуар с жидкими чернилами, которые через сопла как
микрочастицы переносятся на материал носителя. Число сопел находится в диапазоне
от 16 до 64, а иногда и до нескольких сотен.
Для хранения чернил используются два метода:
1. головка принтера объединена с резервуаром для чернил; замена
резервуара с чернилами одновременно связана с заменой головки;
2. используется отдельный резервуар, который через систему капилляров
обеспечивает чернилами головки принтера.
В основе принципа действия струйных принтеров лежат:
- пьезоэлектрический метод;
- метод газовых пузырей.
Для реализации пьезоэлектрического метода в каждое сопло установлен плоский
пьезокристалл, связанный с диафрагмой. Под воздействием электрического тока
происходит деформация пьезоэлемента. При печати, находящийся в трубке
пьезоэлемент, сжимая и разжимая
трубку, наполняет капиллярную систему
чернилами.
Рисунок 7. 1 Пьезоэлектрическая головка
Чернила, которые отжимаются назад, перетекают обратно в резервуар, а чернила,
которые выдавились наружу, образуют на бумаге точки. Струйные принтеры с
использованием данной технологии выпускают фирмы Epson, Brother и др.
55
Рисунок 7. 2 Термическая головка
Метод газовых пузырей базируется на термической технологии. Каждое сопло
оборудовано нагревательным элементом, который, при пропускании через него тока,
за несколько микросекунд нагревается до температуры около 500 градусов.
Возникающие при резком нагревании газовые пузыри стараются вытолкнуть через
выходное отверстие сопла порцию (каплю) жидких чернил, которые переносятся на
бумагу. При отключении тока нагревательный элемент остывает, паровой пузырь
уменьшается, и через входное отверстие поступает новая порция чернил. Данная
технология используется в изделиях фирм Hewlett-Packard и Canon.
Цветные струйные принтеры имеют более высокое качество печати по
сравнению с игольчатыми цветными принтерами и невысокую стоимость по
сравнению
с
лазерными.
Цветное
изображение
получается
за
счет
использования (наложения друг на друга) четырех основных цветов. Уровень
шума струйных принтеров значительно ниже, чем у игольчатых, поскольку
его источником является только двигатель, управляющий перемещением
печатающей головки. При черновой печати скорость струйного принтера
значительно выше, чем у игольчатого. При печати с качеством LQ скорость
составляет 3-4 (до 10) страницы в минуту. Качество печати зависит от
количества сопел в печатающей головке - чем их больше, тем выше качество.
Большое значение имеет качество и толщина бумаги. Выпускается
специальная бумага для струйных принтеров, но можно печатать на обычной
бумаге плотностью от 60 до 135 г/кв.м. В некоторых моделях для быстрого
высыхания чернил применяется подогрев бумаги. Разрешение струйных
принтеров при печати графики составляет от 300*300 до 720*720 dpi.
Основной недостаток струйного принтера: возможность засыхания чернил внутри
сопла, что приводит к необходимости замены печатающей головки.
4 Разьёмы и порты
Последовательный порт и интерфейс USB
Эту новинку, не зря называли одной из самых значительных новаций десятилетия.
Порт USВ призван положить конец разнобою портов и устройств на компьютере:
отныне все они должны подключаться только через USB.
56
Более того — если к каждому из старых портов можно было подключить только
одно устройство, то на один USB-порт их можно подключить 127! Секрет прост: все
USB-устройства могут подключаться к компьютеру «по цепочке» — в том случае,
если у каждого «звена» имеется свой USB-порт
или USB- несколько портов одновременно.
Так, по схеме «бабка за дедку, дедка за репку», и выстраиваются в цепь
совершенно различные устройства — мышь и клавиатура, монитор и принтер, сканер
и цифровая фотокамера, колонки и модем. Единственное правило, которое следует
соблюдать при работе с USB -первыми в цепочке должны
быть самые
производительные устройства: принтер, сканер, колонки, накопители. А в самом
конце — медленные клавиатура и мышь.
Еще одно важное качество USB — этот интерфейс позволяет подключать к
компьютеру любые устройства без перезагрузки системы, «горячим» способом.
Идеология «включил и работай» была бальзамом на рану несчастным пользователям,
уставшим от бесконечных установок и перезагрузок.
Скорость первой модификации USB (а именно к этому стандарт; относятся все
устройства, выпущенные до конца 2000 года) составляет около 12 Мбайт/с (на деле
ряд подключенных к USB устройств работает с куда меньшей скоростью -— до 1,5
Мбайт/с). Спецификация шины USB 2.0,
увеличивает скорость передачи данных до 60 Мбайт/с, однако новые устройства,
поддерживающие такую скорость обмена, вышли на рынок только в конец года USB
2.0 совместима с устройствами USB старого формата, РАБОТАТЬ они будут с
прежней скоростью).
Порт и интерфейс FireWire (IEEE 1394). Как ни была бы быстра и удобна шина
USB, а все же существовали устройства, которым обеспечиваемой этим стандартом
скорости было явно маловато. Например, чтобы передать на компьютер
видеоизображение с цифровой видеокамеры (три года назад эти устройства как раз
начали входить в моду) требовалась пропускная способность в десятки раз выше.
Этот стандарт появился, а массовым все же не стал. Пропускная способность
FireWire до поры до времени была явно чрезмерной, цифровыми видеокамерами до
сей поры обзавелись не боле нескольких процентов пользователей. Сверх того,
разработчик FireWire пожадничали, обязав производителей материнских плат
FireWire- контроллеров платить им по несколько долларов с каждого проданного
чипа.
Все это и затормозило продвижение IEEE 1394 на рынок. Однако потребность в
высокоскоростном интерфейсе возникла у целого класса устройств — мобильных
накопителей, цифровых фотокамер, устройства для
ввода в компьютер графики и звука. В итоге популярность FireWire резко
выросла, и этот порт будет иметь добрая половина материнских плат. Правда,
остается не ясным, сможет ли FireWire выжить в битве с новорожденным стандартом
USB 2.0, который обеспечивает такую же скорость передачи данных.
Сегодня контроллеры FireWire устанавливаются в материнскую плату
дополнительно, в виде отдельной платы для разъема PCI.
Существует параллельный порт (LPT) Предназначен для подключения принтера.
До недавнего времени отличался сравнительно высокой скоростью передачи данных
(около 2-х Мб/с).
57
Лекция 8 Лазерные принтеры
Вопросы:
Введение
1 Принцип действия лазерных принтеров
2 Процесс ксерографии
3 Лазер
Приложение
Введение
История печати неразрывно связана с развитием письменности и языка, литературы,
искусства, науки и техники. Давным-давно, когда ещё не было печатающих устройств,
все документы, книги и т. п. воспроизводились вручную. Для отображения информации
использовались камень, дерево, бронза, папирус и другие носители. Древнейшие
египетские папирусы относятся к XXV веку до н. э. В Египетской Александрийской
библиотеке хранилось огромное число рукописей, написанных на папирусе. Первые
греческие, римские и египетские книги, написанные в IX веке до н. э., имели форму
свитка. В древнем Риме производство книг приобрело коммерческий характер: книги
переписывались специально обученными рабами.
В средние века в Европе переписыванием книг занимались монахи. Переписчиков
обучали каллиграфии и умению украшать книгу маленькими рисунками. Создание книги
требовало большого труда и искусства. Писец сидел, склонившись над листом, и
гусиным пером старательно выводил строчку за строчкой заказанной ему книги. За
день самый усидчивый и опытный писец мог переписать не более 10—15 страниц.
Огромное значение имело изобретение бумаги в Китае во II веке н. э. Однако в
Европе вплоть до XII века в качестве материала для письма использовался пергамент,
изготавливаемый из кожи животного. В VII веке в Европе даже появился указ, согласно
которому все документы должны были исполняться только на пергаменте.
Своим рождением печатающие устройства обязаны изобретению в Китае в
начале XI века подвижных литер, которые изготавливались из глины и
дерева. После того как в XIV веке в Корее были изготовлены металлические
подвижные литеры, книгопечатание получило широкое распространение.
Истинный переворот в книгопечатании произвел Иоганн Гуттенберг, который изобрел
ручной словолитный прибор — аппарат для отливки слов и печатный станок (около
1445 г.). Этот станок (рисунок 1 См. Приложение) в течение нескольких веков являлся в
Европе единственным печатным аппаратом.
Только в XVIII веке был построен металлический пресс с усовершенствованным
механизмом для прижима бумаги к форме, а в 1863 г. У. Буллоном (США) была
сконструирована первая ротационная печатная машина, печатающая на "бесконечной"
ленте. Спустя три года его соотечественником К. Шеллсом собрана первая пишущая
машинка, получившая название "ремингтон". В России первая оригинальная
полиграфическая машинка была предложена в 1870 г. М.И. Алисовым (рис. 2 См.
Приложение). А в 1889 г. Вагнер (США) сконструировал печатающую машинку с
открытым шрифтом, т. е. при печати на такой машинке был виден набираемый текст
(рисунок 3 См. Приложение). Эта машинка и явилась прототипом большинства
современных электрических пишущих машинок.
Первые модели принтеров фактически явились модернизацией электрических
пишущих машинок. Дополненные портами ввода, дешифраторами цифрового кода,
например, ASCII и устройствами электромагнитного управления для каждой клавиши,
принтеры на базе пишущих машинок оказались весьма удобными (для своего времени)
устройствами и в 60-х и 70-х годах получили достаточно широкое распространение.
Принтер поддерживал единственный стандартный шрифт, "намертво" отштампованный на
литерах рычажного типа, а редкие модели, использующие сменные поворотные головки,
58
например, типа "ромашка" (рисунок 4 См. Приложение) зачастую для смены шрифта
требовали выполнения ряда сложных операций. Основным неудобством была
"одноязычность" принтера.
Однако уже в те годы принтер превосходил по скорости печати и неутомимости
любую квалифицированную машинистку.
Потребительские свойства принтера удалось резко повысить с возникновением
игольчатых (матричных) устройств. В этих печатающих устройствах символы для печати
формируются в виде матрицы точек, которые наносятся на бумагу кончиками стержней,
ударяющими по красящей ленте. Игольчатые принтеры, в отличие от своих
предшественников, поддерживали разнообразные шрифты и алфавиты. С ноября 1982 г.
фирма IBM приступила к выпуску игольчатых принтеров, обеспечивающих
воспроизведение точечных графических изображений.
Появление игольчатых принтеров было крупным шагом в развитии печатающих
устройств. Однако недостатки, присущие игольчатым принтерам (высокий шум, низкое
качество и монохромность изображения и др.), вынуждали фирмы-изготовители искать
новые методы печати компьютерной информации. Поэтому велись разработки по
созданию новых технологий печати.
Были сконструированы термические принтеры, механизм печати которых похож на
механизм игольчатых принтеров, однако в качестве печатной головки в них
используется матрица нагревательных элементов и специальная бумага, пропитанная
термочувствительным красителем. Достоинством этих принтеров является низкий
уровень шума при работе, компактность, надежность и отсутствие большинства
заправляемых материалов. К сожалению, принтеры, использующие технологию
термопереноса, не получили широкого распространения. Скорость печати и качество
оставались низкой, а бумага — дорогостоящей.
Более удачной оказалась разработка технологии струйной печати. За 15 лет
разрешающая способность струйных принтеров возросла почти в 20 раз
В начале 80-х годов появились первые лазерные принтеры. Среди современной
компьютерной периферии едва ли найдется устройство, вобравшее в себя больше
технологических достижений, нежели лазерный принтер. Своим названием эти
принтеры обязаны входящему в их состав маленькому лазеру (мощностью не более
нескольких сот милливатт). Лазер, дающий очень узкий направленный пучок
монохромного излучения, используется как тончайшее перо, которым на
фотобарабане рисуется заданное изображение.
Толчком к созданию первых лазерных принтеров послужило появление новой
технологии, разработанной
фирмой
Canon. Специалистами
этой
фирмы,
специализирующейся на разработке копировальной техники, был создан механизм
печати LBP-CX. Фирма Hewlett-Packard в сотрудничестве с Canon приступила к
разработке контроллеров, обеспечивающих совместимость механизма печати с
компьютерными системами PC и UNIX. Принтер HP LaserJet впервые был представлен в
начале 1980-х годов. Первоначально конкурируя с лепестковыми и матричными
принтерами, лазерный принтер быстро завоевал популярность во всем мире. Другие
компании-разработчики копировальной техники вскоре последовали примеру фирмы
Canon и приступили к исследованиям в области создания лазерных принтеров. Toshiba,
Ricoh и некоторые другие, менее известные компании, тоже были вовлечены в этот
процесс. Однако успехи фирмы Canon в области создания высокоскоростных
механизмов печати и сотрудничество с Hewlett-Packard позволили им добиться
поставленной цели. В результате на рынке лазерных принтеров модель LaserJet вплоть до
1987-88 годов занимала доминирующее положение. Следующей вехой в истории развития
лазерного принтера явилось использование механизмов печати с большей разрешающей
способностью под управлением контроллеров, обеспечивающих высокую степень
59
совместимости устройств.
Другим важным событием явилось появление цветных лазерных принтеров. Фирмы
XEROX и Hewlett-Packard (далее сокращенно называемая HP) представили новое
поколение принтеров, которые использовали язык описания страниц PostScript Level 2,
поддерживающий цветное представление изображения и позволяющий повысить как
производительность печати, так и точность цветопередачи. Язык принтера PCL 6 также
поддерживает расширенные цветовые возможности представления изображений для
принтеров серии HP Color LaserJet.
1 Принцип действия лазерных принтеров
1.1 Формирование изображения
Лазерные принтеры формируют изображение путем позиционирования точек на
бумаге (растровый метод). Первоначально страница формируется в памяти принтера, и
лишь затем передается в механизм печати. Растровое представление символов и
графических образов производится под управлением контроллера принтера. Каждый
образ формируется путем соответствующего расположения точек в ячейках сетки или
матрицы, как на шахматной доске (рисунок 5 См. Приложение).
Растровая технология в значительной степени отличается от векторной,
используемой в первых графопостроителях. При использовании векторной технологии
изображение формируется путем построения линий из одной точки в другую.
1.2 Принцип действия
Лазерные принтеры, получившие наибольшее распространение, используют
технологию фотокопирования, называемую еще электрофотографической, которая
заключается в точном позиционировании точки на странице посредством изменения
электрического заряда на специальной пленке из фотопроводяшего полупроводника.
Подобная технология печати применяется в ксероксах. Принтеры фирм HP и QMS,
например, используют механизм печати ксероксов фирмы Canon.
Важнейшим конструктивным элементом лазерного принтера является
вращающийся фотобарабан, с помощью которого производится перенос изображения на
бумагу. Фотобарабан представляет собой металлический цилиндр, покрытый тонкой
пленкой из фотопроводящего полупроводника (обычно оксид цинка). По поверхности
барабана равномерно распределяется статический заряд. С помощью тонкой проволоки
или сетки, называемой коронирующим проводом. На этот провод подается высокое
напряжение, вызывающее возникновение вокруг него светящейся ионизированной области,
называемой короной (рисунок 6 См. Приложение).
Лазер, управляемый микроконтроллером, генерирует тонкий световой луч,
отражающийся от вращающегося зеркала. Этот луч, попадая на фотобарабан,
засвечивает на нем элементарные площадки (точки), и в результате
фотоэлектрического эффекта в этих точках эффекта в этих точках изменяется
электрический заряд. Для некоторых типов принтеров потенциал поверхности барабана
уменьшается от -900 до -200В. Таким образом, на фотобарабане возникает копия
изображения в виде потенциального рельефа.
На следующем рабочем шаге с помощью другого барабана, называемого
девелопером (developer), на фотобарабан наносится тонер — мельчайшая красящая
пыль. Под действием статического заряда мелкие частицы тонера легко притягиваются к
поверхности барабана в точках, подвергшихся экспозиции, и формируют на нем
изображение (рисунок 7 См. Приложение).
Лист бумаги из подающего лотка с помощью системы валиков перемещается к
барабану. Затем листу сообщается статический заряд, противоположный по знаку заряду
засвеченных точек на барабане. При соприкосновении бумаги с барабаном частички тонера с
барабана переносятся (притягиваются) на бумагу (рис. 8 См. Приложение).
60
Для фиксации тонера на бумаге листу вновь сообщается заряд и он пропускается
между двумя роликами, нагревающими его до температуры около 180°—200°С. После
собственно процесса печати барабан полностью разряжается, очищается от прилипших
частиц тонера и готов для нового цикла печати. Описанная последовательность действий
происходит очень быстро и обеспечивает высокое качество печати.
В светодиодном принтере для засвечивания барабана вместо лазерного луча,
управляемого с помощью системы зеркал, используется неподвижная светодиодная строка
(линейка), состоящая из 2500 светодиодов, которой формируется не каждая точка
изображения, а целая строка (рисунок 9 См. Приложение). На этом принципе,
например, работают лазерные принтеры фирмы OKI.
1.3 Цветная печать
При печати на цветном лазерном принтере используются две технологии. В
соответствии с первой, широко используемой до недавнего времени, на фотобарабане
последовательно для каждого отдельного цвета (Cyan, Magenta, Yellow, Black)
формировалось соответствующее изображение, и лист печатался за четыре прохода, что,
естественно, сказывалось на скорости и качестве печати (рисунок 10 См. Приложение). В
современных моделях (например, HP Color LaserJet 5) в результате четырех
последовательных прогонов на фотобарабан наносится тонер каждого из четырех
цветов. Затем при соприкосновении бумаги с барабаном на нее переносятся все
четыре краски одновременно, образуя нужные сочетания цветов на отпечатке. В
результате достигается более ровная передача цветовых оттенков, почти такая же, как
при печати на цветных принтерах с теропереносом красителя. Соответственно в
цветных лазерных принтерах используются четыре ёмкости для тонеров. Принтеры
этого класса оборудованы большим объемом памяти, процессором и, как правило,
собственным винчестером. На винчестере содержатся разнообразные шрифты и
специальные программы, которые управляют работой, контролируют состояние и
оптимизируют производительность принтера. Цветные лазерные принтеры имеют
довольно крупные габариты и большую массу.
Технология процесса цветной лазерной печати весьма сложна, поэтому и цены
на цветные лазерные принтеры еще очень высоки.
Лазерный принтер является сложным оптико-механическим устройством,
которое, независимо от конструктивного исполнения, характеризуется большим
количеством различных параметров. С потребительской точки зрения все параметры
можно разбить на группы, определяющие:
- качество печати;
- скорость печати;
- удобство в эксплуатации;
- экономичность работы;
- дополнительные возможности.
2 Процесс ксерографии
2.1 Зарядка
Зарядка фоторецептора - это процесс нанесения равномерного заряда определенной
величины на поверхность фоторецептора. Зарядка производится коротроном.
Существует несколько их видов, которые рассмотрим ниже.
Для зарядки на коротрон подается высокий потенциал с помощью высоковольтного
блока. Между коротроном и фоторецептором образуется разность потенциалов в
несколько киловольт, что приводит к ударной ионизации воздуха (коронный разряд)
и ионы накапливаются на поверхности фоторецептора. Часть электронов с
заземленной подложки стекает на землю, при этом в материале подложки, вблизи
границы с фотопроводником возникает избыточный заряд, противоположный заряду
на поверхности фоторецептора. Экран коротрона заземляют, чтобы разность
61
потенциалов между фоторецептором и коронной проволокой не уменьшалась,
поскольку эта разность должна превышать пороговое напряжение короны
(напряжение, ниже которого не возникает коронный разряд).
2.2 Виды коротронов
Обычный коротрон представляет собой тонкую проволоку из устойчивого к
окислению материала, натянутую на металлическом экране. При загрязнении или
окислении проволоки происходит ухудшение качества копии. При загрязнении экрана
возможно проскакивание искры между экраном и коротроном, что приводит к
необратимому выгоранию фоторецептора.
Скоротрон - зарядное устройство, позволяющее получить более равномерный заряд
поверхности фоторецептора. В нем кроме проволоки используется сетка, на которую
также подается напряжение.
Дикоротрон - позволяет еще более точно регулировать величину заряда. Он состоит
из двух активных элементов: коронода и экрана. На коронод подается переменное
напряжение порядка 5-6 кВ, а на экран - постоянное 1-3 кВ. При этом положительные
ионы перемещаются от коронода к экрану, а отрицательные - к фоторецептору.
Коротрон служит источником характерного запаха озона, исходящего от
копировального аппарата во время работы. Следует отметить, что при использовании
хороших фильтров и их своевременной замене запах не ощущается. В настоящее
время фирмы-произвотели переходят на безозоновую технологию.
2.3 Формирование изображения
После зарядки на фоторецептор подается изображение, которое в копировальных
аппаратах освещается мощным источником света и проецируется через систему
зеркал. Для увеличения и уменьшения изображения служит объектив с изменяемым
фокусным расстоянием. Скорость барабана должна быть согласована. Изображение
со стекла экспонирования освещается лампой и через систему зеркал проецируется на
фоторецептор. Те места на фоторецепторе, на которые падает свет, теряют свой
потенциал. Таким образом, на фоторецепторе остается рисунок оригинала в виде
заряженных участков.
2.4 Проявление
Проявление - это процесс формирования изображения на фоторецепторе тонером.
Тонер представляет собой мелкодисперсный порошок, частицы которого состоят из
полимера или резины и красящего вещества (для черного тонера обычно
используется сажа).
Возможны два варианта проявления - однокомпонентное и двухкомпонентное.
Рассмотрим вначале двухкомпонентный способ.
Двухкомпонентный способ используется только в случае отрицательной зарядки
фоторецептора.
Тонер из бункера через специальное дозирующее устройство подается в бункер с
носителем. Носитель (девелопер) представляет собой частицы магнитного материала,
покрытого полимером.
Прилипание тонера к носителю происходит за счет трибоэлектризации
(электризации трением). В процессе трения частицы тонера и носителя приобретают
различные заряды и тонер равномерно покрывает носитель.
Носитель в свою очередь прилипает к магнитному валу, который представляет
собой полый вал с постоянными магнитами внутри. Вал, покрытый носителем с
тонером, входит в непосредственный контакт с фоторецептором, в результате чего
частицы тонера, имеющие заряд, противоположный заряду фоторецептора
притягиваются к его заряженным участкам.
Чистый носитель с остатками тонера вновь попадает в бункер. Носитель вновь
смешивается с тонером и попадает на магнитный вал. Сам носитель не расходуется в
62
процессе проявки. Однако в результате трения носитель теряет полимерный слой, что
приводит к его неспособности притягивать тонер. Кроме того, такой носитель может
вызывать механическое повреждение фоторецептора.
Для того, чтобы тонер не переносился на слабозаряженные участки фоторецептора
на магнитный вал подается напряжение смещения порядка 100-500В, знак которого
совпадает со знаком заряда на фоторецепторе. За счет этого сила притяжения тонера к
валу увеличивается, и тонер не переносится на слабозаряженные участки. Регулируя
величину напряжения смещения можно регулировать насыщенность копии,
например, для создания хорошей копии с плохого оригинала. Современные аппараты
обычно сами достаточно хорошо регулируют качество копии, практически не требуя
вмешательства оператора.
Однокомпонентное проявление обычно используется в аппаратах малого класса и
лазерных принтерах. В этом случае требуется тонер другого состава. Естественно
такой тонер стоит дороже. Однокомпонентное проявление не предусматривает
наличия носителя. В этом случае тонер изготавливается из смести частиц магнитного
материала, полимера и красителя.
Из бункера тонер попадает на магнитный вал. Над валом, на выходе из бункера
располагается заряжающее лезвие (ракель), которое выполняет две функции:
1.
Регулирует количество тонера на валу
2.
Заряжает частицы тонера
Трение частиц тонера о лезвие приводит к зарядке тонера знаком,
противоположным знаку заряда фоторецептора.
Перенос тонера с вала на фоторецептор осуществляется с помощью напряжения
смещения, прикладываемого к магнитному валу. В данном случае напряжение
смещения представляет собой переменное напряжение с постоянной составляющей,
которая по знаку соответствует знаку заряда фоторецептора. Во время периода, со
знаком, противоположным знаку заряда фоторецептора тонер переносится на
фоторецептор, во время периода, со знаком, соответствующим знаку заряда
фоторецептора тонер с фоновых участков возвращается на магнитный вал.
Регулировка качества копий происходит за счет изменения постоянной
составляющей.
Следует заметить, что в двухкомпонентной системе проявления гораздо сложнее
достичь равномерной заливки черным цветом. Это связано с тем, что носитель не
успевает принять достаточно тонера. Эта проблема решается использованием двух
или трех валов, вращающихся в разные стороны. Однако такая конструкция
увеличивает стоимость аппарата.
2.5 Перенос
Процесс переноса - процесс, при котором тонер переносится на бумагу.
Бумага проходит между коротроном переноса и фоторецептором, на котором
находится тонерный рисунок. Коротрон переноса сообщает бумаге заряд,
соответствующий заряду фоторецептора. В подложке фоторецептора существует
заряд, по знаку противоположный заряду бумаги. За счет этого бумага притягивается
к фоторецептору.
Для того чтобы тонер переносился на бумагу, сила притяжения между ней и
тонером должна быть больше чем сила притяжения между тонером и
фоторецептором. Не весь тонер переносится на бумагу. Поэтому его остатки
удаляются в процессе очистки фоторецептора.
Для улучшения качества изображения и уменьшения расхода тонера в некоторых
аппаратах осуществляется предварительный перенос, в процессе которого
ослабляется заряд фоторецептора. Для этого либо фоторецептор предварительно
освещается, либо на коротрон переноса подается переменное напряжение.
63
2.6 Отделение
Отделение бумаги от фоторецептора осуществляется как механическим, так и
электрическим способом.
В первом случае используются либо пальцы отделения, находящиеся в
непосредственной близости к фоторецептору, либо отделяющие ремешки,
устанавливаемые с одного края фоторецептора. Кромка бумаги скользит по ремешку
и затем легко отделяется от фоторецептора.
Во втором случае используется коротрон отделения, обычно использующийся
совместно с механическими средствами. Для отделения бумаги от фоторецептора на
коротрон отделения подается переменное напряжение. Он генерирует положительные
и отрицательный ионы. Часть из них ослабляют силу притяжения бумаги к
фоторецептору, а часть - обеспечивают прилипание тонера к бумаге.
2.7 Закрепление
После переноса копия уже практически готова. Но изображение, полученное на
бумаге, может быть стерто практическим любым механическим воздействием
(например, легким трением). Естественно такая копия не пригодна для практического
использования. Для увеличения сцепления тонера с бумагой используется механизм
закрепления.
Существует несколько способов закрепления. Наиболее распространенный - это
термомеханический способ, при котором копия подвергается нагреву и
механическому прижиму.
Механизм закрепления носит название фьючер (печка). Механизм состоит из
нагреваемого тефлонового вала, с кварцевой лампой внутри, и резинового
прижимного вала. Иногда вместо тефлонового вала устанавливается специальный
керамический термоэлемент, который отделяется от бумаги термопленкой. Такие
копиры имеют меньший срок прогрева и меньшее энергопотребление, однако и ходит
термопленка значительно меньшее количество копий и повредить ее значительно
легче при неправильном извлечении бумаги.
В части аппаратов предусмотрена смазка нагреваемого вала силиконовой смазкой.
Это позволяет избежать прилипания тонера к валику. Кроме того, может
использоваться специальное полотенце, для удаления остатков тонера или другой
грязи, прилипшей к валу. Для отделения бумаги от вала применяются пальцы
отделения.
2.8 Очистка
Очистка - это процесс удаления остатков тонера с фоторецептора после переноса на
бумагу.
Непосредственно перед очисткой может использоваться предочистка с помощью
засветки фоторецептора или коротрона предочистки, который генерирует
положительные и отрицательные ионы.
Оставшиеся частицы тонера удаляются с помощью ракельного ножа, находящегося
в непосредственном контакте с фоторецептором. Ракель изготавливается и точно
позиционируется относительно фоторецептора, для того, чтобы не повредить его.
Отработанный тонер попадает в бункер отработки. Повторное его использование не
рекомендуется, поскольку тонер слипается и загрязняется.
Возможное также удаление тонера мягкой щеткой, внутри которой устанавливается
система вакуумной откачки.
Последний этап очистки - это удаление остаточного заряда, которое
осуществляется с помощью либо источника света, либо коротрона, знак напряжения
которого противоположен знаку заряда фоторецептора.
Принцип действия лазерного принтера несколько отличается от принципов работы
копировального аппарата. Источником света здесь служит лазер, который уменьшает
64
потенциал в определенных участках фоторецептора. При этом фоновые участки
фоторецептора остаются заряженными. Тонер заряжается противоположным зарядом.
При контакте тонер притягивается подложкой в участки с низким потенциалом,
пробитые лазером.
Лазерная засветка осуществляется следующим способом: Лазерная пушка светит на
зеркало, которое вращается с высокой скоростью. Отраженный луч через систему
зеркал и призму попадает на барабан и за счет поворота зеркала выбивает заряды по
всей длине барабана. Затем происходит поворот барабана на один шаг (этот шаг
измеряется в долях дюйма и именно он определяет разрешение принтера по
вертикали) и вычерчивается новая линия. В некоторых принтерах кроме поворота
барабана используется поворот зеркала по вертикали, которое позволяет на одном
шаге поворота барабана вычертить два ряда точек. В частности первые принтеры с
разрешением 1200 dpi использовали именно этот принцип.
Скорость вращения зеркала очень высока. Она составляет порядка 7-15 тыс.
об./мин. Для того, чтобы увеличить скорость печати не увеличивая скорость зеркала
его выполняют в виде многогранной призмы.
Лазерные принтеры кроме механической части включают в себя достаточно
серьезную электронику. В частности на принтерах устанавливается память большого
объема, для того, чтобы не загружать компьютер и хранить задания в памяти. На
части принтеров устанавливаются винчестеры. Электронная начинка принтера также
содержит различные языки описания данных (Adobe PostScript, PCL и т. д.). Эти
языки опять же предназначены для того, чтобы забрать часть работы у компьютера и
передать принтеру.
3. Лазер
Лазер квантовый генератор, источник мощного оптического излучения. Излучение
избыточной энергии возбужденных атомов вынуждается внешним воздействием.
Лазер отличается от обычных источников света (например, лампы с вольфрамовой
нитью) двумя важными свойствами излучения. Во-первых, оно когерентно, т.е. пики
и провалы всех его волн появляются согласованно, и эта согласованность остается
неизменной в течение достаточно длительного времени. Все обычные источники
света эмитируют некогерентное излучение, в котором нет согласованности между
пиками и провалами различных волн. В некогерентном процессе световые волны
излучаются независимо друг от друга, энергия излучаемого пучка рассеивается по
пространству и быстро убывает по мере удаления от источника. При когерентном
излучении волны испускаются не хаотично и могут усиливать друг друга. Лучи
лазерного пучка почти параллельны между собой, поэтому он расходится
незначительно даже на больших расстояниях от излучателя. Так, лазерный пучок
диаметром 30 см направили на Луну, и он образовал на ее поверхности световое
пятно диаметром всего 3 км (до Луны около 386 000 км; на таком расстоянии свет от
обычного источника дал бы пятно диаметром 402 000 км). Вторая особенность
лазерного излучения – монохроматичность, т.е. одноцветность; это значит, что от
конкретного лазера исходят волны одной и той же длины. В свете почти всех
существующих источников обычно присутствуют все длины волн видимого спектра и
соответственно все цвета, поэтому такой свет нам кажется белым. Лишь немногие
традиционные источники (например, лампы низкого давления, наполненные
разреженными парами натрия) светят почти монохроматично, но их излучение
некогерентно и малоинтенсивно.
Чтобы создать лазер – источник когерентного света необходимо:
1) рабочее вещество с инверсной населенностью. Только тогда можно
получить усиление света за счет вынужденных переходов.
65
2) рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые
осуществляют обратную связь.
3) усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных
атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения,
зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала.
3.1 Принцип действия.
Свет – особая форма движущейся материи. Он соткан из отдельных сгустков,
именуемых квантами. Атомы любого вещества, излучая (или поглощая) свет,
испускают (или захватывают) только цельные кванты; в таких процессах (если нет
каких-то особых условий), атомы не взаимодействуют с долями квантов. Длина
волны (стало быть, цвет) излучения определяется энергией его кванта. Атомы,
одинаковые по своей природе, излучают или поглощают кванты лишь конкретной
длины волны. Это наглядно проявляется в свечении газоразрядных ламп с
однородным наполнением (например, неоном), которые используются в
декоративной иллюминации и рекламе. Когда атом излучает квант света, он
расходует энергию; поглощая квант света, атом приобретает дополнительную
энергию. Поскольку энергия переносится к атому и от него порционно, то и сам атом
может пребывать лишь в одном из дискретных энергетических состояний – либо в
основном (с минимальной энергией), либо в каком-то из возбужденных. Атом,
находящийся в основном состоянии, при поглощении кванта света переходит в
возбужденное состояние; при излучении кванта света все происходит наоборот. Чем
больше квантов вблизи атомов, тем больше и тех атомов, которые совершают
подобные переходы – с повышением или понижением энергии. (Свет своим
присутствием вынуждает атомы участвовать в энергетических переходах, поэтому
такие процессы называют вынужденными – вынужденное поглощение и
вынужденное излучение.) При вынужденном поглощении число квантов уменьшается
и интенсивность света убывает, а энергия атомов возрастает. Если некоторое
множество атомов, попав в освещение, вынужденно излучает суммарно больше, чем
вынужденно поглощает, то возникает лазерный эффект – усиление света
вынужденным излучением (данного множества атомов). Лазерная генерация может
возникнуть только в том множестве микрочастиц, где возбужденных атомов больше,
чем невозбужденных. Следовательно, такое множество надо заранее подготовить, т.е.
предварительно накачать в него дополнительную энергию, черпая ее от какого-либо
внешнего источника; эта операция так и называется – накачка. Типы лазеров
различаются в основном по видам накачки. Накачкой могут служить:
электромагнитное излучение с длиной волны, отличающейся от лазерной;
электрический ток; пучок релятивистских (чрезвычайно быстрых) электронов;
электрический разряд; химическая реакция в пригодной для генерации среде. Рис. 13
и 14 (См. Приложение) поясняют действие рубинового лазера. Посеребренные торцы
цилиндрического стержня из искусственного рубина служат зеркалами.
Одно из них покрыто менее плотным слоем серебра, поэтому оно полупрозрачно и
через него излучается лазерный свет. Рубин – кристалл, состоящий из окиси
алюминия с примесями окиси хрома. Атомы алюминия и кислорода не играют
определяющей роли в лазерной генерации; главные энергетические переходы
реализуются в хроме. При возбуждении атомы хрома переходят из основного
состояния на один из двух уровней возбуждения, обозначенных F1 и F2 (рисунок 14
См. Приложение).
Они довольно широки, и атомы хрома возбуждаются многими длинами волн света
накачки. Однако вследствие нестабильности они мгновенно покидают уровни F и
переходят на более низкий уровень E; при этих переходах излучения не происходит, а
высвобождаемая энергия передается кристаллической решетке окиси алюминия, где и
66
рассеивается в форме тепловых потерь. Однако с уровня E атом хрома излучает
вынужденно и переходит вследствие этого на основной уровень. Кванты,
эмитированные атомами хрома, многократно отражаются между посеребренными
зеркалами рубинового стержня и по пути вынуждают многие возбужденные атомы
испускать такие же кванты; процесс нарастает лавинообразно и заканчивается
импульсом лазерного света. Полупрозрачное зеркало должно хорошо отражать
лазерное излучение, чтобы обеспечить необходимую интенсивность его
вынуждающей доли, но одновременно и побольше пропускать его на выход; обычно
его коэффициент отражения – около. 80%. При самопроизвольном излучении атом
хрома пребывает на возбужденном уровне E не более 10-7 с, а при вынужденном – в
10 тысяч раз дольше (10-3 с). Поэтому у лазерного света достаточно времени, чтобы
вызвать вынужденное излучение огромного числа возбужденных атомов активной
среды.
Лазерное излучение реализовано во многих активных средах – твердых телах,
жидкостях и газах
Типы лазеров:
- твердотельные лазеры с оптической накачкой;
- газовые лазеры;
- химические лазеры;
- полупроводниковые лазеры;
- лазеры на красителях.
В лазерном принтере используется полупроводниковый лазер.
Если через полупроводниковую структуру типа транзисторной пропускать
электрический ток, то можно добиться лазерного эффекта. Такие лазеры делают в
основном на арсениде или алюмоарсениде галлия; применяют их главным образом в
системах связи.
Под воздействием света, (в лазерных принтерах источником высокочастотного
когерентного излучения является лазер), освещенные участки слоя полупроводника
на фотобарабане уменьшают электропроводность и разность потенциалов между
внешней и внутренней поверхностями слоя также уменьшается. На неосвещенных
участках слоя уменьшение зарядов не происходит. Таким образом, при
экспонировании на слое полупроводника образуется скрытое электростатическое
изображение.
Заключение
В настоящее время лазерные принтеры постепенно превращаются из дорогих
аппаратов, доступных только достаточно крупным и средним фирмам в аппараты для
высококачественной и высокоскоростной печати дома и в малом офисе.
Преимуществами цифровой печати являются:
1.
Более высокое качество печати.
2.
Низкий расход тонера.
3.
Возможность использования цифрового аппарата в качестве копира и
принтера одновременно, в некоторых моделях можно также пользоваться им как
сканнером.
4.
Более точная передача оттенков и полутонов.
Достоинства печати:
- высокая скорость печати (от 4 до 40 и выше страниц в минуту);
- скорость печати не зависит от разрешения;
- высокое качество печати (400 dpi лазерного цветного принтера сравнима с 1400 dpi
струйного);
- низкая себестоимость копии (на втором месте после матричных принтеров);
67
- бесшумность;
Недостатки:
- высокая цена аппарата;
- высокое потребление электроэнергии;
- очень высокая цена цветных аппаратов.
68
Приложение:
Рисунок 1 Печатный станок Гуттенберга
Рисунок 2 Пишущая машина Алисова
Рисунок 3 Машина Вагнера. Первая печатная
машина открытого типа
Рисунок 4 Принцип работы принтера типа
«ромашка»:
1 – бумага; 2- электромагнит;
3 – молоточек;
4- лепестковая головка («ромашка»);
5 – красящая лента
Рисунок 5 Растровый метод формирования образа
69
Рисунок 6 Функциональная схема лазерного принтера
Рисунок 7 Создание копии изображения на фотобарабане
Рисунок 8
Обобщенная схема работы лазерного принтера
70
Рисунок 9 Формирование изображения
с помощью LED-технологии
Рисунок 10 Универсальная тестовая таблица
71
Рисунок 11Процесс ксерографии
Рисунок 12 Фотографии тонера, значительно увеличенные
72
Рисунок 13 Рубиновый лазер
1 – посеребренный торец стержня (глухое зеркало); 2 – рубиновый стержень; 3 –
охлаждающая жидкость; 4 – газоразрядная лампа накачки; 5 – кожух (трубка)
охлаждения; 6 – слабо посеребренный торец стержня (полупрозрачное зеркало).
Рисунок 14
Действие лазера начинается
с возбуждения атомов хрома
и
их
переходов
на
энергетические уровни F1 и
F2.
Затем
каждый
возбужденный
атом
(самопроизвольно,
невынужденно)
квант
т.е.
излучает
(нелазерного
излучения) и, потеряв часть
своей энергии, переходит на метастабильный уровень E. Далее, под воздействием
вынуждающего кванта с лазерной длиной волны (такие кванты есть в излучении
лампы накачки), атом излучает еще один такой же квант, согласованный по фазе с
вынуждающим, и переходит на свой основной энергетический уровень.
73
Лекция 9 Плоттеры
Вопросы:
Введение
1 Cтруйные плоттеры (СП, PEN-JET PLOTTER)
2 Перьевые плоттеры (ПП, PEN PLOTTER)
3 Электростатические плоттеры (ЭП, ELECTROSTANIC PLOTTER)
4 Плоттеры прямого вывода изображения (ППВИ, DIRECT IMAGING
PLOTTER)
5 Плоттеры на основе термопередачи(ПТП, THTRMAL TRANSFER
PLOTTER)
6 Лазерные (светодиодные) плоттеры (ЛП, LASER/LED PLOTTER)
7 Основные параметры плоттеров
Литература
Введение
Задача вывода информации, представленной в графической форме, возникла
одновременно с появлением вычислительных, и ее решение - одна из основных целей
вычислительных средств, применяемых для автоматизации
проектирования.
Устройства, выполняющие функции вывода графической информации на бумажный
и некоторые другие носителей, называются графопостроителями или плоттерами (от
англ. plotter) - термин, который, как и многие другие транслитерированные
англоязычные термины, уже вытеснил свой русскоязычный аналог. В лекции
рассмотрены основные плоттерные технологии (р1оt/рrint technologies), тенденции
рынка, достоинства и недостатки различных типов плоттеров и характеристики,
которые необходимо учитывать при выборе конкретного плоттера.
Большинство рассмотренных ниже технологий используется в плоттерах не только
большого (АО, А1) формата, но и в плоттерах меньшего формата и даже в принтерах.
1 СТРУЙНЫЕ ПЛОТТЕРЫ (СП, INK-JET PLOTTER).
Струйная технология создания изображения известна с 70-х годов, но
истинный ее прорыв на рынке стал возможен только с разработкой фирмой Canon
технологии создания реактивного пузырька (Bubblejet) –направленного распыления
чернил на бумагу при помощи сотен мельчайших форсунок одноразовой печатающей
головки. Каждой форсунке соответствует свой микроскопический нагревательный
элемент (терморезистор), который мгновенно (за 7-10 мкс) нагревается под
воздействием электрического импульса. Чернила закипают, и пары создают пузырек,
который выталкивает из форсунки каплю чернил. Когда импульс кончается,
терморезистор столь же быстро остывает, а пузырек исчезает.
Печатающие головки могут быть "цветными" и иметь соответствующее
число групп форсунок. Для создания полноценного изображения используется
стандартная для полиграфии цветовая схема CMYK, использующая четыре цвета:
Cyan - голубой, Magenta - пурпурный, Yellow - желтый и Black - черный. Сложные
цвета образуются смешением основных, причем получение оттенков различных
цветов достигается путем сгущения или разрежения точек соответствующего цвета в
фрагменте изображения (аналогичный способ используется при получении различных
оттенков "серого" при выводе монохромных изображений).
Струйная технология имеет ряд достоинств. Сюда можно отнести простоту
реализации, высокое разрешение, низкую потребляемую мощность и относительно
высокую скорость печати. Приемлемая цена, высокое качество
и большие
возможности делают СП серьезным конкурентом перьевых устройств.
74
Спрос на СП со стороны работающих с настольными издательскими
системами и пользователей систем автоматизированного проектирования,
выпускающих сложные чертежи формата АО, растет, однако невысокая скорость
вывода графической информации и выцветание со временем полученного цветного
изображения без принятия специальных мер (использования ламинирования или
специальной "самоламинирующейся" бумаги) ограничивает их применение.
2 Перьевые плоттеры (пп, pen plotter).
Перьевые плоттеры - это электромеханические устройства векторного типа, и на
ПП традиционно выводят графические изображения различные векторные
программные системы типа AutoCAD. ПП создают изображение при помощи
пишущих элементов, обобщенно называемых перьями, хотя имеется несколько видов
таких элементов, отличающихся друг от друга используемым видом жидкого
красителя. Пишущие элементы бывают одноразовые и многоразовые (допускающие
перезарядку). Перо крепится в держателе пишущего узла, который имеет одну или
две степени свободы перемещения.
Существует два типа ПП: планшетные, в которых бумага неподвижна, а перо
перемещается по всей плоскости изображения, и барабанные (или рулонные ), в
которых перо перемещается вдоль одной оси координат, а бумага- вдоль другой за
счет захвата транспортным валом, обычно фрикционным. Перемещения выполняются
при помощи шаговых (в подавляющем большинстве плоттеров ) или линейных
электродвигателей, создающих довольно большой шум. Хотя точность вывода
информации барабанными плоттерами несколько ниже, чем планшетными, она
удовлетворяет требованиям большинства задач. Эти плоттеры более компактны и
могут
отрезать
от
рулона
лист
необходимого
размера
автоматически, что определило их доминирование на рынке больших ПП (ПП
формата A3 обычно планшетные).
Отличительной особенностью ПП являются высокое качество получаемого
изображения и хорошая цветопередача при использовании цветных пишущих
элементов. К сожалению, скорость вывода информации в ПП невысока, несмотря на
все более быструю механику и попытки оптимизации процедуры рисования;
существует и проблема подбора пары носитель - чернила.
Карандашно-перьевые плоттеры (КПП, pen/pencil) – разновидность перьевых отличаются возможностью установки специализированного пишущего узла с
цанговым механизмом для использования обычных карандашных грифелей, который
обеспечивает постоянное усилие нажима грифеля на бумагу и его автоподачу при
стачивании. В результате не требуется постоянно следить за процессом вывода
информации, как при эксплуатации ПП, в которых может засоряться канал истечения
красителя.
Дополнительные преимущества карандашной технологии:
- "краситель" карандашных грифелей не высыхает, и карандаш пишет на любой
скорости (при использовании жидких красителей необходимо учитывать время их
вытекания из пера и время высыхания);
- карандаш позволяет рисовать на любых бумажных носителях, в том числе и не
очень высокого качества; при этом изображения качественны, дают хорошие оттиски
при копировании, и в то же время их можно корректировать ластиком. Грифели
просто купить, значительно экономя на расходных материалах.
ПП и КПП особенно привлекательны для тех, кому важнее качество, нежели
количество изображений, и кто имеет скромный бюджет.
75
Все остальные типы плоттеров образуют изображения на носителе информации,
используя различные физические процессы, в частности прибегая к дискретному
(растровому) способу его создания.
3 Электростатические плоттеры (эп, electrostatic plotter).
Электростатическая
технология
основывается
на
создании
скрытого
электрического изображения (потенциального рельефа) на поверхности носителя
специальной электростатической бумаги, рабочая поверхность которой покрыта
тонким слоем диэлектрика, а основа пропитана гидрофильными солями для
обеспечения требуемых влажности и электропроводности. Потенциальный рельеф
формируется при осаждении на поверхность диэлектрика свободных зарядов,
образующихся при возбуждении тончайших электродов записывающей головки
высоковольтными импульсами напряжения. Когда бумага проходит через
проявляющий узел с жидким намагниченным тонером, частицы тонера оседают на
заряженных участках бумаги. Полная цветовая гамма получается за четыре цикла
создания скрытого изображения и прохода носителя через четыре проявляющих узла
с соответствующими тонерами.
Электростатические плоттеры можно было бы считать идеальными
устройствами, если бы не необходимость поддержания стабильных температуры и
влажности в помещении, необходимость тщательного обслуживания и их высокая
стоимость, в связи с чем ЭП приобретают пользователи, имеющие оправданно
высокие требования к производительности и качеству. Для достижения максимальной
эффективности ЭП обычно работают как сетевые устройства, для чего снабжены
адаптерами сетевого интерфейса. Немаловажны также высокая устойчивость
изображения к воздействию ультрафиолетовых лучей и невысокая (на уровне
стоимости
высококачественной
типографской)
стоимость электростатической бумаги. ЭП применяют при высокой степени
автоматизации проектных работ в солидных организациях и в геоинформационных
системах (ГИС).
4 Плоттеры прямого вывода изображения (ппви, direct imaging plotter).
Изображение в ППВИ создается на специальной термобумаге (бумаге,
пропитанной теплочувствительным веществом) длинной (на всю ширину
плоттера) "гребенкой" миниатюрных нагревателей. Термобумага, которая обычно
подается с рулона, движется вдоль "гребенки" и меняет цвет в местах нагрева.
Изображение получается высококачественным (разрешение до 800 dpi (dots per inch точка/дюйм)), но, только монохромным.
Сейчас цены на термобумагу снизились, недостатки, когда-то присущие ей
(чувствительность к изменениям температуры окружающей среды и низкая
контрастность изображения), устранены, а типы термоносителей включают в себя
стандартную белую бумагу, кальку и даже полиэфирную пленку. Качество этих
носителей удовлетворяет самым строгим архивным требованиям.
Учитывая их высокую надежность, производительность (может достигать 50
листов формата АО в день) и низкие эксплуатационные затраты, плоттеры ПВИ
применяют в крупных проектных организациях для вывода проверочных копий. В
связи с этим в их стандартную конфигурацию входит сетевой адаптер. Технические
характеристики ППВИ соответствуют требованиям прикладных задач инженерного
проектирования, архитектуры, строительства, городского
планирования и
электросхемотехники.
76
5 Плоттеры на основе термопередачи (птп, thermal transfer plotter).
Отличие этих плоттеров от ППВИ состоит в том, что в них между
термонагревателями и бумагой (или прозрачной пленкой!) размещается
"донорный цветоноситель" - тонкая, толщиной 5-10 мкм, лента (например,
лавсановая), обращенная к бумаге красящим слоем, выполненным на восковой
основе с низкой (менее 100 С) температурой плавления.
На донорной ленте последовательно нанесены области каждого из основных
цветов размером, соответствующим листу используемого формата. В процессе
вывода информации бумажный лист с наложенной на него донорной лентой проходит
под печатающей головкой, которая состоит из тысяч мельчайших нагревательных
элементов. Воск в местах нагрева расплавляется, и пигмент остается на листе. За один
проход наносится один цвет, се изображение получается за четыре прохода. Таким
образом, на каждый лист цветного изображения затрачивается в четыре раза больше
красящей ленты, чем на лист монохромного.
Ввиду дороговизны каждого отпечатка эти плоттеры используются в составе
средств автоматизированного проектирования для высококачественного вывода
объектов трехмерного моделирования, в системах картографии, где требуется
высокое качество воспроизведения цветов, и рекламными агентствами для вывода
цветопроб плакатов и транспарантов для красочных презентаций.
6 Лазерные (светодиодные) плоттеры (лп, laser/led plotter).
Эти плоттеры базируются на электрографической технологии, в основу
которой положены физические процессы внутреннего фотоэффекта в
светочувствительных полупроводниковых слоях селеносодержащих материалов и
силовое воздействие электростатического поля. Промежуточный носитель
изображения (вращающийся селеновый барабан) в темноте может быть заряжен до
потенциала в сотни вольт. Луч света снимает этот заряд, создавая скрытое
электростатическое
изображение,
которое
притягивает
намагниченный
мелкодисперсный тонер, переносимый затем механическим путем на бумагу.
После этого бумага с нанесенным тонером проходит через нагреватель, в
результате чего частицы тонера запекаются, создавая изображение.
Некоторое время назад создание скрытого изображения на барабане
осуществлялось
исключительно
при
помощи
лазера.
Для
управления
перемещением лазерного луча служила сложная система вращающихся
зеркальных многогранников или призм или линз. Вследствие этого плоттеры,
использующие лазеры, боятся тряски и ударов, которые могут сбить настройку.
Избежать сложностей с оптикой и сделать систему проще, легче и надежнее
позволило применение линеек точечных полупроводниковых светодиодов (lightemitting diode - LED).
Лазерные и LED-плоттеры ввиду высокого быстродействия (лист формата А1
выводится менее чем за полминуты) удобно использовать как сетевые устройства, и
они имеют в стандартной комплектации адаптер сетевого интерфейса. Не менее
важно и то, что эти плоттеры могут работать на обычной бумаги, что сокращает
эксплуатационные затраты.
LED-плоттеры становятся все более популярными, хотя по стоимости
сравнимы с монохромными электростатическими.
Область их применения: сложный технический дизайн, архитектура,
картография и другое, т.е. везде, где требования к производительности и качеству
77
результатов
высоки,
но
наличие
цвета
не
требуется..
7 Основные параметры плоттеров
Основные параметры, приводимые производителями плоттеров:
НОСИТЕЛЬ И ИЗОБРАЖЕНИЕ.
Тип носителя (media type) напрямую влияет на эксплуатационные расходы:
чем дороже и "экзотичнее" носитель, тем они выше.
Максимальный размер листа (max. media size) при использовании
нарезанных заранее или максимальная ширина листа носителя (max. media width) при
использовании рулонного носителя больше фактических соответственно размера
рабочего поля носителя (image size) или ширины рабочего поля (image width), т.е.
пространства, где плоттер рисует, на размер полей по краям листа (border, margins)
из-за необходимости его перемещения в процессе создания изображения. Формат
листа (drawing size) определяет максимальный стандартный формат, который может
быть вписан в размер рабочего поля.
Длина носителя (media length) для рулонных плоттеров зависит от его
толщины (чем тоньше носитель, тем он длиннее), так как допустимый диаметр
рулона ограничен. Иногда можно встретив параметр - максимальная толщина
носителя (max. media thickness). Понятно, что малая толщина носителя сужает
возможности использовании плоттера.
Параметры точности
То, насколько плоттер удовлетворяет потребности пользователя, во многом
определяется его параметрами точности. Данные, обычно приводимые в технической
документации, требуют дополнительного анализа, так как, во-первых, не существует
универсального показателя точности, а во-вторых, эти показатели у разных типов
плоттеров характеризуют фактические разные параметры.
Механическая точность (mechanical resolution, resolution) имеет смысл только
для перьевых плоттеров и характеризует то, с какой точностью их механическая
система способна позиционировать пишущий узел. Она всегда существенно лучше
фактической точности, обеспечиваемой плоттером, поскольку, с одной стороны,
центр пишущего элемента совсем необязательно попадет строго в установленную
позицию, а, с другой пятно, создаваемое пишущим элементом, имеет ненулевые
размеры.
Программно задаваемое разрешение (software resolution) определяет, с какой
точностью (разрядностью) могут кодироваться координаты в графическом файле,
пересылаемом плоттеру. К точности координат в выходно чертеже этот параметр
имеет весьма отдаленное отношение, так как обычно существенно превышает
механическую точность плоттера.
Разрешение печати (resolution).
Этот параметр используется в растровых плоттерах и измеряется числом
точек на дюйм (dots per inch, dpi) в зарубежным плоттерах и числом точек на
миллиметр - в отечественных. Чем величина больше, тем разрешение выше.
Следует иметь в виду, что разрешение полноцветной печати для некоторых
видов цветных плоттеров (например, струйных) меньше, чем разрешение
монохромной печати. Так, например, при разрешении 1200 точка/дюйм в
монохромном режиме тот же плоттер в полноцветном режиме будет обеспечивать
разрешение 1200/N (N=2—4, в зависимости от конструктивных особенностей
пишущей головки плоттера).
78
Точность (accuracy).
Когда этот параметр указан в явном виде для перьевых плоттеров, надо
учитывать, что он соответствует только некоторым, весьма определенным,
условиям работы плоттера. Например, применение бумаги с повышенной
шероховатостью (отечественный ватман) или другого пишущего узла
(отличающегося от тестового, а также износ механики плоттера вследствие
эксплуатации существенно повлияете на эту характеристику.
Повторяемость (repeatability).
Этот параметр весьма значим для перьевых плоттеров и определяет
точность, с которой плоттер многократно позиционирует пишущий узел в одной и
той же точке в процессе рисования.
Погрешность остановки пера (end point accuracy) характеризует величину
погрешности
позиционирования
пишущего
узла
перьевых
плоттеров,
возникающую при установке пишущего узла в начальную точку вектора после
холостого перемещения, происходящего на максимальной скорости.
Параметры производительности
Скорость печати, или перемещения носителя (media travel speed).
Эта характеристика присуща растровым плоттерам, и обычно определяет
максимально технически возможную скорость печати уже подготовленной
информации. В то же время для высокопроизводительных плоттеров узкое место
процессы пересылки графической информации и ее интерпретации в плоттере и
реальная скорость печати с учетом этих процессов ниже. Поэтому тип интерфейсе
(interface, input ports) - весьма важный параметр, характеризующий не только то,
каким образом можно подключать плоттер, но и скорость печати. Стандартными для
плоттеров является последовательный интерфейс RS-232C и более быстрый
параллельный интерфейс Centronics. Для высокопроизводительных растровых
плоттеров с большими объемами передаваемой информации желательно наличие
нескольких одновременно работающих стандартных интерфейсов.
При выборе плоттера для некоторых приложений полезно знать
быстродействие его процессора (контроллера). Например, это существенно, если вы
хотите готовить данные на языке PostScript и собираететсь использовать растровый
плоттер, имеющий встроенный интерпретатор PostScript-файлов.
Максимальная скорость взаимного перемещения пишущего узла и носителя (max.
speed). Этот параметр, приводимый для перьевых плоттеров, часто только вводит в
заблуждение. Техническая возможность перемещать пишущий узел с большой
скоростью и реальная скорость рисования - это, как говорится, две большие разницы.
Реальная скорость рисования определяется максимальной скоростью нанесения
непрерывной линии пишущим узлом (max. plotting speed) и максимальным
ускорением перемещения (acceleration) пишущего узла.
Максимальная скорость нанесения непрерывной линии указана на упаковке
пишущего узла, а не в технических характеристиках плоттера и определяется,
например, скоростью истечения чернил! А максимальное ускорение, которое может
быть придано пишущему узлу, сродни термину "приемистость автомобиля" и влияет
на потери времени при изменении направления пишущего узла, что происходит
постоянно. На потери времени также влияет скорость поднятия/опускания пера (pen
response time).
Память
Для улучшения функциональных показателей (быстродействие, удобство
работы, автономность и др.) плоттер имеет встроенную память, в которую
79
загружается графическая информация, обрабатываемая процессором плоттера в
процессе создания изображения.
Стандартный буфер - это оперативная память в плоттере стандартной
конфигурации. Современные модели плоттеров большего формата имеют
стандартный буфер (memory) емкостью (memory capacity, standard buffer size) от 1
Мбайт. В некоторых моделях плоттеров можно устанавливать дополнительные блоки
памяти, так называемое расширение буфера (memory upgrade, optional buffer)
емкостью до 64 Мбайт. У высокопроизводительных плоттеров с несколькими
каналами приема информации также должна быть дополнительная дисковая память
(disk) - встроенный жесткий диск, на который записывается графическая информация.
Для перьевых плоттеров размер памяти определяет только способность
работать в режиме off-line (т.е. автономно) после загрузки файла чертежа.
Для растровых плоттеров это жизненно важный параметр, так как он, в конечном
счете определяет разрешение и формат изображения, обеспечиваемые плоттером.
Форматы данных
Графические языки, стандартные форматы данных (protocol support, standard data
formats, graphic languages).
Как уже указывалось, существует два принципа создания изображения векторный и растровый.
Первый характерен для перьевых плоттеров, а второй - для всех остальных.
Однако не следует путать принцип создания изображения и то, какую
графическую информацию - растровую или векторную - можно вывести на
данном плоттере. Способность плоттера выводить тот или иной вид графической
информации определяется соответствующим программным обеспечением и набором
графических языков и форматов данных, которые "понимает" плоттер.
Проблема заключается в том, что часто и/или форматы данных информации в
компьютере не соответствуют разрешению и/или форматам данных плоттера. И если
векторные графические языки, такие, как HPGL, фактически стандарт для любого
плоттера (т.е. всегда обеспечен вывод векторной графической информации), то вывод
растровой информации на растровом же плоттере не всегда может быть осуществлен
без специальных драйверов. Как правило, это драйверы поставляются вместе с
плоттером, но в некоторых случаях их просто может не быть.
Поэтому для того чтобы плоттер работал с выбранным программным
обеспечением, необходимо удостовериться, что форматы данных и графические
языки, поддерживаемые вашим плоттером и этим программным обеспечением,
совпадают.
Ряд фирм-производителей выпускают модели плоттеров с возможностью
подключения дополнительных функциональных блоков, которые позволяют
расширять набор графических языков и форматов данных, "понимаемых"
плоттером. Наиболее часто это делается для языка PostScript.
Чертёжные характеристики
Цветовая палитра (colour palette)
Для цветных растровых плоттеров этот параметр характеризует максимально
возможное количество цветов, с которым способен работать плоттер, но количество
одновременно отображаемых цветов всегда меньше и определяется числом цветов
однородной заливки (area fill colours). Например (гипотетический случай), при
цветовой палитре в 16,7 млн. цветов одновременно могут отобразиться только 8192 из
них.
80
Число типов линий (line types)
Этот параметр используется для характеристики векторной графики и
определяет для некоторых плоттеров количество встроенных ("зашитых" в
постоянной памяти или задаваемых внутренней программой) типов линий.
Наличие встроенных типов линий не означает, что чертеж не может
содержать и большего чем указано, числа линий, так как ряд компьютерных
программ готовит данные для вывода на плоттер, не используя встроенные типы
линий.
Число штриховок (area fill types, hatch types)
Ряд перьевых и растровых плоттеров способны закрашивать замкнутые
области путем штрихования, и этот параметр характеризует количество
встроенных (аппаратно реализованных) видов штриховок. Он, как и число типов
линий, не относится к числу критичных, поскольку далеко не все программные
средства используют возможности встроенного управления штрихованием,
а
создают штриховку самостоятельно.
Давление на пишущий элемент (pen force)
Параметр определяет применимость для данного плоттера того или иного
носителя и пишущего элемента. Излишне высокое давление на пишущий элемент
может привести к замятию или прорезанию носителя, а также порче пишущего
элемента, а недостаточное - к потере непрерывности рисуемых линий.
Типы пишущих элементов (pen type)
Чем больше список применяемых типов пишущих элементов (а в их число
могут входить фломастеры, шариковые стержни и рапидографы с различными
характеристиками), тем проще будет найти расходные материалы для плоттера. Тип
пишущего узла оказывает критическое влияние на реальную производительность
плоттера.
Число пишущих элементов в карусели (No. of pens)
Это параметр определяет возможное число одновременно отображаемых
цветов или ширину линий на чертеже.
Специфический для карандашно-перьевых плоттеров параметр грифеледержатель (pencil holder). Он описывает характеристики карандашного
пишущего узла. Если грифеледержатель имеет бункер на несколько грифелей, то это
существенно повышает автономность работы плоттера, так как замена исписавшегося
грифеля при этом производится автоматически, без прерывания работы.
Специфическим для режущих плоттеров является параметр тип лезвий
(cutting kit). Он аналогичен параметру пишущих узлов.
Одной из наиболее серьезных, но крайне редко встречающихся
в
документации и рекламных листках на плоттеры характеристик является наработка
на отказ (MTBF - mean time before failure). Если данный параметр присутствует в
документации, это уже говорит о высоком качестве устройства, так как, если он
низок, его вряд ли будут афишировать.
Сегодня можно считать, что надежность плоттеров, поставляемых на рынок
солидными фирмами, составляет десятки тысяч часов.
81
Список используемой литературы
1. Партыка Т.Л., Попов И.И. Периферийные устройства вычислительной техники,
Учебное пособие. 3-е изд. испр. и доп. М.: ФОРУМ, 2012. - 432 с.
2. Яшин В.М. Информатика: аппаратные средства персонального компьютера,
Учебное пособие, М.: Инфра-М, 2011. – 254с.
3. Максимов Н.В., Попов И.И., Партыка Т.Л. Технические средства
информатизации, Учебник. 3-е изд. перераб. и доп. М.: ФОРУМ, 2010. - 592 с.
4. Гагарина Л.Г. Технические средства информатизации, Учебное пособие
М.:ФОРУМ, 2010. - 256с.
5. Джакония В.Е. Телевидение: учебник / Гоголь А.А., Друзин Я.В., Джакония
В.Е., 4-е издание", М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 616 стр.
82
Кафедра «Информационные системы, технологии и связь»
Яловой В.Я.
Устройство отображения информации.
Курс лекций для студентов специальности
230201.65 «Информационные системы и технологии»
Издательство КМВИС ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС»
357500, Ставропольский
край, г.Пятигорска, бульвар Гагарина 1, корпус 1
83