一种倍数级高精度激光成像的方法与流程

本发明涉及一种激光成像，尤其涉及一种ctp制版设备的光学系统中实现光纤密排倍数级高精度扫描成像的方法。

背景技术：

应用于ctp制版设备领域的激光成像系统普遍存在一个激光光点分离的问题，这个问题由光纤本身的结构导致。ctp中的光学系统所用光纤一般有多模光纤和单模光纤之分，无论多模或是单模光纤，其本身都至少包括光纤纤芯(导光部分)和纤芯外的包络层两部分，对于多模光纤，典型的外径尺寸是125um，其纤芯的芯径通常为62.5um或50um，而对于单模光纤来说，光纤的纤芯尺寸为8-10um，正是由于包络层的存在，使得多路光纤即使紧密排列在一起，其发射出去的光点之间也会存在间隙，导致最终到达印版上的光点必然也是分离的(如图1所示)，而光点分离将严重影响图像成像质量，尤其是对高精度扫描成像。

想要实现高精度扫描成像，存在几种常用方法，一种方法就是采用高倍光学镜头，然而高倍光学镜头价格昂贵，而且采用高倍镜头的成像系统，焦深短，对印版的适应性差，所以一般不被采用；另一种方法就是通过增大密排的斜排角度使光点密接(如图2所示)，并通过复杂的算法控制光点的延时，从而实现高精度扫描成像。但在实际操作时由于要使密排线阵列倾斜到很大角度，而且每根光纤的倾斜角度都必须十分精确，这对安装精度的要求非常高，必须要用到一些专业的仪器，而且测试精确的斜排角度还需要不断的测试图形来确定，一旦斜排的角度不正确，印版上的图像就会出现明显的扭曲变形，而且密排倾斜角度大，稳定性就会变差。

此外，对于针对柔版的制版设备来说，直接使光纤的光点密接扫描成像反而会带来问题，因为印版的制版会产生较大的粉尘，而印版上密接的光点同时作用时产生的粉尘就会相互影响，不但影响制版质量，还会影响除尘系统除尘。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术中存在的不足，提供一种无需高倍的光学镜头，且对密排的排列方式也没有具体要求，利用常规的硬件系统，通过软件控制激光扫描，不断对相邻光点之间进行插补的方法，即可使印版上光点的“分时密接”，从而实现激光的高精度高效扫描成像，且本技术方法可使普通光学系统的成像精度成倍增加的一种倍数级高精度激光成像的方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种倍数级高精度激光成像的方法，按以下步骤进行：

(一)、激光光源和密排的组成分析：

ctp制版所用的激光由半导体激光器产生，半导体激光器受激光控制电路板板的统一控制，光纤与半导体激光器耦合，半导体激光器产生的原始激光通过耦合光纤进行传导；

耦合后的光纤末端紧密相接，或间隔相同距离排成一列或多列，按上述方式排列的光纤被固定在基板上，然后连同基板一起被封装到光纤模块中，即构成密排；激光产生后经光纤传播并由密排发出，密排发出的激光经过透镜的聚焦后射到印版上进行成像；

(二)、成像操作：

ctp制版设备的制版过程是在上位机的控制下进行，上位机与设备主控板双向通讯，在将印版文件信息发送的同时也接收主控板反馈的设备生产状态信息，并实时调整确保正常制版流程；设备主控板相当于设备的大脑，控制并协调各部组件的正常运转，主控板将印版图文信息数据发送给激光控制板，并根据码盘反馈的信号，时刻控制并监测光鼓的旋转情况，同时主控板也实时控制扫描平台的移动；在扫描平台移动的过程中，半导体激光器经激光驱动板的驱动产生原始激光，激光控制板根据图文信息数据控制激光驱动板实现多路激光中的某一路或多路的开关，然后激光经密排发出，并通过透镜聚焦在版材上；

半导体激光器分别独立地与光纤耦合，耦合后的多路光纤组成密排，密排中的每一路激光均可实现独立控制，密排以平排或斜排的方式安装到激光镜头上，所谓的平排或斜排就是封装后的密排根据需要调整其与光鼓轴线所成角度的两种安装方式；

由于光纤平排无法保证光点密接，而且激光路数较多时，受密排尺寸影响，将导致激光点间距较大，密排多采用斜排方式安装，并通过调整密排角度来使激光发出的光点投影到水平面能够密接或重叠，从而实现高精度成像；

假设光纤密排线阵列相对光鼓轴线倾斜的角度恰好为使激光光点密接的理想角度θ，并且光点的直径r与实际斜排相邻光纤纤芯之间的距离l相同，则可列公式：

由三角函数公式可知，满足上述条件的斜排角度θ为60°，若是需要光点有部分重叠，则实际斜排角度将大于60°；

但是倾斜的密排有一个问题，那就是倾斜的密排要在正对的水平线上打点，光学的方法无法实现，原本同时在印版上打出光点的多路光纤必须经过合适的延时才能使光纤在水平线上打出的光点密接；延时打点，即排列在相对水平面最低点的光纤打出第一个光点，确定了印版上一条水平线的端点，随着光鼓的转动，经合适的延时(斜排角度为α，则延时(tanα))，倒数第二根光纤(紧挨着最低点光纤)打出的光点恰好与第一个光点密接并位于同一水平线上，以此类推，光纤阵列上的相邻光纤都经过合适的延时，分别在印版上这一条水平线上打出光点，所有的光纤都打出光点后，这条水平线就成像在印版上，这个延时打点过程不断重复，随着光鼓的转动，一定宽度的一圈图文就在印版上成像，光鼓转动的同时激光扫描平台在移动，于是图文信息就一圈一圈在印版上成像；

对于密排来说，印版的制版成像精度要求不高，那么小角度的斜排就能满足制版需求，但是要求更高的制版精度，则需要密排倾斜角度更大；而利用插补扫描成像技术，可以进行两倍频或四倍频插补扫描，密排角度无需调整增大，即可轻松实现两倍或四倍甚至更高的制版精度；

密排分析：对于斜排的单排密排，当角度增大到70°时，密排位置其实已经非常“陡”，密排的安装调试工艺难度将会非常大，这仅是单排的密排，若是多排的密排则要求每排都必须向同一方向倾斜同一角度，一旦有丝毫偏差，反应到印品上就会很明显，且斜排尤其大角度安装调试过程难以实现，斜排角度的精确性受到很多因素的影响，如密排与基板平行度、与光鼓轴线平行度以及等高性；

插补成像方法，对密排的安装方式没有严格要求，无论是小角度斜排还是平排，对于光纤则无论双排甚至多排，均能兼容并实现高精度成像，插补技术并不是一次在印版上打出密接的光点，而是通过对分散的光点不断进行插补，从而两次或者多次扫描成像，使最终打在印版上的成像点密接，即所谓光点的“分时密接”；

插补成像技术分析：

所述的插补成像技术，与密排的安装方式没有必要联系，所以密排可以平排，也可以以最容易安装的斜排角度进行安装，假设密排以一小角度α安装，根据不同的制版精度，可以进行两次甚至四次的插补成像，能够轻易实现高精度扫描成像，而无需调整密排角度；光纤密排的多路激光经过合适的延时(斜排角度为α，则延时(tanα))，在印版打出一条水平线，线上的相邻光点不密接，而是根据密排光纤的排列等间距分布，根据不同的精度要求以及版材类型相关的参数设置，相邻光点的间距相差一个光点或者稍微小于一个光点直径的距离，随着光鼓转动成像点变为印版上的一圈一圈的“线”，不密接的光点在印版上成像的“线”也是等间距分散的，光鼓旋转过程中，主控板同时控制扫描平台移动，则第二次扫描成像的点就插入到第一次扫描成像的光点之间，第二次扫描的光点恰好与第一次扫描的光点密接或是有部分重叠，同样第二次扫描的光点插补到第一次光点之间后也会剩下一些分散的光点，然后第三次的扫描光点再插补到第二次的分散光点之间，并以此类推下去，最终实现除开始以及结束的部分无效光点外，所有的成像点紧密相接或部分重叠，实现了以小角度斜排实现高精度扫描成像。

两倍频插补技术分析：

假设进行两倍频插补成像，制版设备开始工作，上位机读取印版文件，并将之转化为主控板能够识别的图文信息数据，主控板接收数据后根据制版精度参数以及版材参数对设备进行调整，装卸版系统调整以适应版材类型及版材幅面尺寸，激光扫描成像系统进行物距以及焦距的调节，设备参数调整结束并装版，然后主控板控制光鼓转动并通过对码盘信号的处理进一步控制光鼓的旋转以及扫描平台的移动，同时将图文信息数据转化为激光开关的信息数据发送给激光控制板，然后激光驱动板在激光控制板的控制下开始驱动半导体激光器产生原始激光，原始激光经耦合的光纤传导，经密排发出的激光经过透镜聚焦后发射到印版上；

激光经过延时一次在印版上打出的光点是分散的，光鼓不停旋转，同时扫描平台一直在移动，激光不断延时打点，在印版上形成一圈一圈的成像点，由于扫描平台和光鼓都在动，所以在印版上一圈一圈的成像点是螺旋形的，且光鼓旋转扫描一圈，螺旋线等间距分布，然后扫描平台移动，移动后密排发出的激光的光点恰好落在前一次扫描的中后部光点之间，根据制版精度要求不同，光点或密接或部分重叠，光鼓再次旋转扫描一圈，第二次成像的点也一圈一圈在印版上形成，两次成像的点分别密接或重叠，接下来第三次、第四次扫描，直到扫描结束，每次扫描在插补到前一次扫描的光点之间，同时中后部的成像点也是分散的，接着下一次扫描便插补到分散的光点之间“弥补”了间隙，这样的过程不断重复，直至扫描结束，除了第一次扫描的中部以前以及最后一次扫描的中部以后存在分散的光点(这些区域通常并不是印刷区域)，所有扫描的光点都相互密接或部分重叠；

插补扫描激光能量分析：

光纤打出的光点，其能量均呈现高斯分布(即正态分布)，这将导致光点边缘的能量不足，传统直接大角度斜排使光点密接的方式，每一路激光能量都要很高才能满足整体能量要求，而且激光能量分布不均匀；利用插补技术使激光打出的相邻光点边缘部分重叠，密接的光点边缘重叠部分相当于能量叠加，恰好弥补了边缘能量的不足，使激光能量分布更均匀，在满足了整体激光能量要求的同时，对单独一路激光的能量要求降低，插补成像技术使成像精度更高，最后印品的曲线更光滑；

插补成像技术还根据制版精度或分辨率的要求，进行四倍频插补成像，四倍频插补成像即在相邻光点之间再插入3个光点，并依次重复插补直至扫描完成，四倍频插将使光点更加密集，激光能量分布也更均匀；反复的插补使单位面积内的像素点变为原来的四倍，图像分辨率更高，而无论两倍频插补还是四倍频插补对系统硬件以及光纤密排角度等的要求均无变化。

本发明的有益效果是：

1、使用本发明技术的光学系统，主要通过软件控制扫描过程实现插补，对硬件要求不高，利用普通的硬件进行倍频插补扫描成像也能使成像精度提高一倍甚至更多。

2、激光插补式扫描，印版上相邻密接的光电并不是同时打出的，即光点“分时密接”，防止相邻密接的光点同时在柔版上成像相互影响。

3、插补式激光扫描方式，使打出的相邻光点之间部分重叠，消除光点边缘能量不足现象，使能量分布更均匀，满足制版功率要求的同时，降低单路激光的功率要求，降低了生产成本。

4、倍数级高精度激光成像的多路激光互相独立，一路激光损坏，可直接更换，无需复杂的标定和校准过程。

5、倍频插补技术激光扫描成像可根据印品要求选择插补倍数，倍数越高，单位面积内像素点越多，图文信息加倍细分，使成像的边缘更加平滑，提高了图像分辨率，分辨率可实现从4000dpi至9600dpi甚至更高。

本发明提供一种倍数级高精度激光成像的方法，结构简单，使用成本低，成像精度高。

附图说明

图1是传统密排平排激光成像能量示意图；

图2传统密排斜排成像原理示意图；

图3是本发明的2倍频插补技术原理示意图；

图4是本发明的2倍频插补扫描成像示意图；

图5是本发明的激光在光鼓上的扫描成像简化示意图；

图6是本发明与传统光学设备激光能量分布对比示意图；

图7是本发明4倍频插补技术原理示意图；

图8是本发明的4倍频插补扫描成像示意图；

图9是本发明中插补成像流程图；

图10是本发明中插补成像结构图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，一种倍数级高精度激光成像的方法，其特征在于按以下步骤进行：

(一)、激光光源和密排的组成分析：

ctp制版所用的激光由半导体激光器产生，半导体激光器受激光控制电路板板的统一控制，光纤与半导体激光器耦合，半导体激光器产生的原始激光通过耦合光纤进行传导；

耦合后的光纤末端紧密相接，或间隔相同距离排成一列或多列，按上述方式排列的光纤被固定在基板上，然后连同基板一起被封装到光纤模块中，即构成密排；激光产生后经光纤传播并由密排发出，密排发出的激光经过透镜的聚焦后射到印版上进行成像；

(二)、成像操作：

ctp制版设备的制版过程是在上位机的控制下进行，上位机与设备主控板双向通讯，在将印版文件信息发送的同时也接收主控板反馈的设备生产状态信息，并实时调整确保正常制版流程；设备主控板相当于设备的大脑，控制并协调各部组件的正常运转，主控板将印版图文信息数据发送给激光控制板，并根据码盘反馈的信号，时刻控制并监测光鼓的旋转情况，同时主控板也实时控制扫描平台的移动；在扫描平台移动的过程中，半导体激光器经激光驱动板的驱动产生原始激光，激光控制板根据图文信息数据控制激光驱动板实现多路激光中的某一路或多路的开关，然后激光经密排发出，并通过透镜聚焦在版材上；

半导体激光器分别独立地与光纤耦合，耦合后的多路光纤组成密排，密排中的每一路激光均可实现独立控制，密排以平排或斜排的方式安装到激光镜头上，所谓的平排或斜排就是封装后的密排根据需要调整其与光鼓轴线所成角度的两种安装方式；

由于光纤平排无法保证光点密接，而且激光路数较多时，受密排尺寸影响，将导致激光点间距较大，密排多采用斜排方式安装，并通过调整密排角度来使激光发出的光点投影到水平面能够密接或重叠，从而实现高精度成像；

假设光纤密排线阵列相对光鼓轴线倾斜的角度恰好为使激光光点密接的理想角度θ，并且光点的直径r与实际斜排相邻光纤纤芯之间的距离l相同，则可列公式：

由三角函数公式可知，满足上述条件的斜排角度θ为60°，若是需要光点有部分重叠，则实际斜排角度将大于60°；

但是倾斜的密排有一个问题，那就是倾斜的密排要在正对的水平线上打点，光学的方法无法实现，原本同时在印版上打出光点的多路光纤必须经过合适的延时才能使光纤在水平线上打出的光点密接；延时打点，即排列在相对水平面最低点的光纤打出第一个光点，确定了印版上一条水平线的端点，随着光鼓的转动，经合适的延时(斜排角度为α，则延时(tanα))，倒数第二根光纤(紧挨着最低点光纤)打出的光点恰好与第一个光点密接并位于同一水平线上，以此类推，光纤阵列上的相邻光纤都经过合适的延时，分别在印版上这一条水平线上打出光点，所有的光纤都打出光点后，这条水平线就成像在印版上，这个延时打点过程不断重复，随着光鼓的转动，一定宽度的一圈图文就在印版上成像，光鼓转动的同时激光扫描平台在移动，于是图文信息就一圈一圈在印版上成像；

对于密排来说，印版的制版成像精度要求不高，那么小角度的斜排就能满足制版需求，但是要求更高的制版精度，则需要密排倾斜角度更大；而利用插补扫描成像技术，可以进行两倍频或四倍频插补扫描，密排角度无需调整增大，即可轻松实现两倍或四倍甚至更高的制版精度；

密排分析：对于斜排的单排密排，当角度增大到70°时，密排位置其实已经非常“陡”，密排的安装调试工艺难度将会非常大，这仅是单排的密排，若是多排的密排则要求每排都必须向同一方向倾斜同一角度，一旦有丝毫偏差，反应到印品上就会很明显，且斜排尤其大角度安装调试过程难以实现，斜排角度的精确性受到很多因素的影响，如密排与基板平行度、与光鼓轴线平行度以及等高性；

插补成像方法，对密排的安装方式没有严格要求，无论是小角度斜排还是平排，对于光纤则无论双排甚至多排，均能兼容并实现高精度成像，插补技术并不是一次在印版上打出密接的光点，而是通过对分散的光点不断进行插补，从而两次或者多次扫描成像，使最终打在印版上的成像点密接，即所谓光点的“分时密接”；

插补成像技术分析：

所述的插补成像技术，与密排的安装方式没有必要联系，所以密排可以平排，也可以以最容易安装的斜排角度进行安装，假设密排以一小角度α安装，根据不同的制版精度，可以进行两次甚至四次的插补成像，能够轻易实现高精度扫描成像，而无需调整密排角度；光纤密排的多路激光经过合适的延时(斜排角度为α，则延时(tanα))，在印版打出一条水平线，线上的相邻光点不密接，而是根据密排光纤的排列等间距分布，根据不同的精度要求以及版材类型相关的参数设置，相邻光点的间距相差一个光点或者稍微小于一个光点直径的距离，随着光鼓转动成像点变为印版上的一圈一圈的“线”，不密接的光点在印版上成像的“线”也是等间距分散的，光鼓旋转过程中，主控板同时控制扫描平台移动，则第二次扫描成像的点就插入到第一次扫描成像的光点之间，第二次扫描的光点恰好与第一次扫描的光点密接或是有部分重叠，同样第二次扫描的光点插补到第一次光点之间后也会剩下一些分散的光点，然后第三次的扫描光点再插补到第二次的分散光点之间，并以此类推下去，最终实现除开始以及结束的部分无效光点外，所有的成像点紧密相接或部分重叠，实现了以小角度斜排实现高精度扫描成像。

两倍频插补技术分析：

假设进行两倍频插补成像，制版设备开始工作，上位机读取印版文件，并将之转化为主控板能够识别的图文信息数据，主控板接收数据后根据制版精度参数以及版材参数对设备进行调整，装卸版系统调整以适应版材类型及版材幅面尺寸，激光扫描成像系统进行物距以及焦距的调节，设备参数调整结束并装版，然后主控板控制光鼓转动并通过对码盘信号的处理进一步控制光鼓的旋转以及扫描平台的移动，同时将图文信息数据转化为激光开关的信息数据发送给激光控制板，然后激光驱动板在激光控制板的控制下开始驱动半导体激光器产生原始激光，原始激光经耦合的光纤传导，经密排发出的激光经过透镜聚焦后发射到印版上；

激光经过延时一次在印版上打出的光点是分散的，光鼓不停旋转，同时扫描平台一直在移动，激光不断延时打点，在印版上形成一圈一圈的成像点，由于扫描平台和光鼓都在动，所以在印版上一圈一圈的成像点是螺旋形的，且光鼓旋转扫描一圈，螺旋线等间距分布，然后扫描平台移动，移动后密排发出的激光的光点恰好落在前一次扫描的中后部光点之间，根据制版精度要求不同，光点或密接或部分重叠，光鼓再次旋转扫描一圈，第二次成像的点也一圈一圈在印版上形成，两次成像的点分别密接或重叠，接下来第三次、第四次扫描，直到扫描结束，每次扫描在插补到前一次扫描的光点之间，同时中后部的成像点也是分散的，接着下一次扫描便插补到分散的光点之间“弥补”了间隙，这样的过程不断重复，直至扫描结束，除了第一次扫描的中部以前以及最后一次扫描的中部以后存在分散的光点(这些区域通常并不是印刷区域)，所有扫描的光点都相互密接或部分重叠；

插补扫描激光能量分析：

光纤打出的光点，其能量均呈现高斯分布(即正态分布)，这将导致光点边缘的能量不足，传统直接大角度斜排使光点密接的方式，每一路激光能量都要很高才能满足整体能量要求，而且激光能量分布不均匀；利用插补技术使激光打出的相邻光点边缘部分重叠，密接的光点边缘重叠部分相当于能量叠加，恰好弥补了边缘能量的不足，使激光能量分布更均匀，在满足了整体激光能量要求的同时，对单独一路激光的能量要求降低，插补成像技术使成像精度更高，最后印品的曲线更光滑；

插补成像技术还根据制版精度或分辨率的要求，进行四倍频插补成像，四倍频插补成像即在相邻光点之间再插入3个光点，并依次重复插补直至扫描完成，四倍频插将使光点更加密集，激光能量分布也更均匀；反复的插补使单位面积内的像素点变为原来的四倍，图像分辨率更高，而无论两倍频插补还是四倍频插补对系统硬件以及光纤密排角度等的要求均无变化。

如图3所示，假设共有15路激光，光纤密排所发出的光点以单元格表示，由于本发明对光纤密排如何排列没有严格要求，所以光纤一次打出的点是否密接有也没有关系。光纤密排单次成像，即每一路激光经准确的延时均发射光点后，所形成的成像点或是光点如图3所示，第一次扫描成像后的每次扫描成像都会有部分插入前次扫描结果，之后的每次成像原理都是相同的，只是根据图文信息，具体到相应的某一路或多路激光的亮暗状态不同，图3所示的每次成像的图都是纵向排列，这只是为了便于观察理解成像原理。而经多次插补扫描成像后，在印版上形成的图像如图4所示，并以不同的序列表示每次插补扫描的成像光点，实际激光成像后，如图4所示部分的图文信息就会在印版上成像。

同样的原理，所述的四倍频插补扫描成像的插补方式如图7所示，即第一次扫描之后，接下来的扫描会在第一次扫描的光点之间插补三次，光鼓转动，扫描平台也水平移动，这种插补过程重复进行，最后在印版上形成的插补图像如图8所示，实际激光扫描成像，如图8所示部分的图文信息就会在印版上成像，且相对于一般激光成像，不断的插补使单位面积内像素点更多，扫描精度更高，对实物的还原度也更高。

具体的激光扫描流程如图5所示，图上所示四条粗黑线条表示光纤阵列，靠近光鼓部分显示设置了一凸透镜，经过凸透镜倾斜交叉的线条即表示光纤发射的激光，半导体激光器发出的原始激光经凸透镜聚焦后射到印版上，光鼓上一圈一圈的线即表示激光成像后的部分，光鼓上的线条就表示第一次扫描成像的数据，第二次插补扫描成像的数据就会插补到第一次之间，光鼓匀速转动，同时扫描平台也以恒定速度水平移动，移动过程中光纤密排不断重复上述扫描成像过程，印刷文件的图文信息就被转移到印版上。

激光扫描过程中的能量分布如图6所示，坐标横轴表示激光路数，纵轴表示激光能量，图中与横坐标平行的线代表激光扫描成像的一个阈值，即印版成像要求的激光能量值。通过光纤密排斜排直接做到光点密接的设备激光能量图为图中大半圆表示，本发明的激光能量线以小半圆表示，从图中可看出，单路激光的能量成高斯分布，传统的光学设备为了实现光点密接的高精度成像，同时要使激光整体能量达到阈值要求，每一路激光的能量值都很高，然而高于阈值的(图中阴影部分)能量就会被浪费，而且高能量的激光器造价也比较高昂。而本发明利用倍频插补技术，通过不断的插补，使激光能量分布更均匀，对单路激光的能量要求并不高，但总体激光能量却能满足扫描成像的阈值要求，而且造价相对高能量激光器也减少了将近30％。