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计算机直接制版(computer to plate，CTP)技术是通过数字化的工作流程，直接生成印版的技术。近年来，我国CTP技术进入了高速发展阶段，数字化与自动化成为了印刷产业转型的必由之路[1]。目前行业内普遍认为830 nm的外鼓式热敏CTP设备和405 nm的内鼓式光敏CTP设备是今后发展的主流方向[2]。而830 nm的外鼓式热敏CTP设备则以分辨率高、成本低、工作环境要求低等优点[3]，占据了市场的主导地位。现有文献多着重于对版材材料[4-6]、激光光源[7-8]和质量控制方法[9-13]进行分析，没有对外鼓式热敏CTP设备的光学系统做出相关叙述。本文中针对830 nm的外鼓式热敏CTP设备，设计了一款畸变小于0.1%，场曲小于1 μm的制版镜头。该光学系统结构紧凑，透镜均采用标准球面设计，制版效果好，可满足国内实际制版企业的技术需求。
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外鼓式热敏CTP设备, 其工作原理如图 1所示[14]。热敏版材通过真空泵吸附在感光鼓的外表面, 工作时，感光鼓匀速转动一圈扫描一行, 制版镜头沿滚筒侧边的导轨移动一个光点的距离，通过这样转动和移动的方式配合完成制版。为了提高制版效率，外鼓式热敏CTP设备多采用光纤耦合的方式把多支独立的830 nm半导体激光光源导到密排头上，密排头上的激光经光学镜头聚焦在感光鼓表面上的版材上，对版材进行辐照，同时激光驱动电路系统根据计算机的点阵图像来驱动各独立的激光器开关[15]，从而与版材表面上的热敏涂层发生反应，形成点阵图像。
图 1 外鼓式热敏CTP设备工作原理
Figure 1. Working principle of external drum thermal CTP equipment
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对于CTP设备的光学系统来说，需要将光点大小与分辨率相匹配的前提下，保证场曲、畸变和相对照度满足实际制版要求。
人眼可分辨较好质量的印版分辨率应在2000DPI左右，本文中制版的分辨率采用2400DPI，由此可计算出光点直径d为：
$ d=\frac{1}{2400} \times 25.4=10.58 {\rm{ \mathsf{μ} }} \mathrm{m} $
(1) 单根光纤纤芯直径为50 μm，为了将其缩小成与分辨率相匹配的点，光学系统的缩小倍率为：
$ \frac{50 {\rm{ \mathsf{μ} }} \mathrm{m}}{10.58 {\rm{ \mathsf{μ} }} \mathrm{m}}=4.72 $
(2) 由于光点直径边缘能量较弱，通过实验将倍率进一步缩小，直到光点清晰，由此确定制版效果最好的缩小倍率为3.83倍。本文中采用128路830 nm激光二极管来提高制版效率，通过光纤直排的排列方式来消除光纤之间间隙[16]，128束光线分成上下两横排，上下交错各64路，激光器密排头口径是8 mm，因此像高为：
$ \frac{8 \mathrm{~mm}}{3.83}=2.09 \mathrm{~mm} $
(3) 光纤密排组成的物平面，如果经过场曲较大的CTP制版镜头光学系统后，其聚焦的光点构成了一个曲面，会导致曝光后的版材边缘制版效果清晰而中间制版效果模糊，或是出现版材中间制版效果清晰而边缘制版效果模糊的现象；光纤密排组成的物平面，如果经过畸变较大的CTP制版镜头光学系统后，易出现聚焦到版材上的光点变形失真的情况，影响制版还原度；相对照度表示边缘视场的照度与中心视场照度之比，如果相对照度小，易导致版材某些位置曝光不足等现象。
制版镜头的设计指标如表 1所示。
表 1 外鼓式热敏CTP镜头主要设计指标
Table 1. Main specifications of external drum thermal CTP lens
specification parameter wavelength 830 nm reduce magnification 3.83 numerical aperture 0.1~0.12 conjugate distance 180 mm~220 mm curvature of field ＜1 μm distortion ＜0.1% relative illumination ＞0.95 -
根据设计技术指标，利用ZEMAX软件进行仿真设计，通过选取合适的初始结构并合理地配合玻璃的材料与曲率进行优化，得到符合要求的仿真设计结果，从而保证光点尺寸与制版质量。为了保证前文中提到的缩小倍率，通过操作数DMVA保证像面高度为2.09 mm；为了避免因相对照度较小而导致的边缘能量不够，通过操作数RELI控制相对照度、通过操作数RAID控制主光线角角度；由于外鼓式热敏CTP设备的特性，场曲和畸变需要满足较高的设计要求，因此通过分析赛德尔系数来挑选对这几个设计指标贡献较大的表面改变其曲率半径，通过操作数DIMX控制各个视场的最大畸变值，通过操作数FCGS和FCGT分别对弧矢场曲、子午场曲进行优化，并根据校正结果，合理地调整操作数的权重，使得场曲和畸变满足设计要求；为了在生产中便于加工，通过操作数ETGT与CTGT对镜片边缘厚度和镜片中心厚度加以控制，使得两片透镜之间的间隔大于1 mm；加入操作数TOTR控制光学系统的总长，保证光学系统结构紧凑。
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优化后的光学系统结构如图 2所示。由6片透镜组成，焦距41.5 mm，λ=0.830 μm，数值孔径为0.1，共轭距离为200 mm，该系统满足各项指标要求，能够满足高精度制版的需要，且透镜均采用标准球面，易于量产。
图 2 光学系统布局图
Figure 2. Layout of optical system
图 3所示为调制传递函数(modulation transfer function，MTF)曲线图。它能够全面地反映出光学系统对物体不同频率下对比度的传递能力，可以看出, 在空间频率200 lp/mm时，全视场MTF值均大于0.7，接近衍射极限。
图 3 传递函数曲线图
Figure 3. Curve diagram of MTF
图 4所示为点列图。各个视场下弥散斑均方根半径均在0.11 μm以内，远小于光学系统艾里斑直径，图中, OBJ(object)代表物面，IMA(image)代表像面。
图 4 点列图
Figure 4. Spot diagram
图 5所示为场曲和畸变图。弧矢场曲和子午场曲均小于1 μm，畸变小于0.1%，满足设计指标。
图 5 场曲和畸变图
Figure 5. Diagram of field curvature and distortion
图 6所示为光学系统的像面相对照度。最大视场处相对照度大于98%，满足设计和使用要求。
图 6 相对照度
Figure 6. Relative illumination
由以上分析可知，CTP镜头具有畸变场曲小、像面照度均匀等特点，满足CTP设备的制版要求。
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为了分析和模拟加工装配过程中的精度误差对光学系统成像质量的影响，需要通过ZEMAX软件中的公差分析功能来对实际加工安装提供参考。本文设计的制版镜头部分公差参数如表 2所示, 表中N为光圈数。采用MTF的平均值作为评价标准，标准值为0.72410346，在MTF为200 lp/mm处进行200次蒙特卡洛分析后，公差分析结果如表 3所示。可以看出, 90%以上蒙特卡洛样本MTF值大于0.53，满足实际批量生产和装配的要求。
表 2 公差要求
Table 2. Tolerance requirements
the tolerance category value radius 2N thickness 0.02 mm decenter 0.01 mm tilt 0.013° spherical and astigmatism irregularity 0.2 abbe 0.5% index 0.0005 表 3 蒙特卡洛公差分析结果
Table 3. Result of Monte Carlo tolerance analysis
benign rate value ＞90% 0.53350854 ＞80% 0.57671560 ＞50% 0.63829413 ＞20% 0.68124155 ＞10% 0.69663692 -
加工后的制版镜头如图 7所示。将其装配于如图 8所示工作位置。图 9所示为外鼓式热敏CTP设备整机系统。根据实际的制版条件和制版质量要求选定合适的制版条件与参数。主要制版条件与参数如表 4所示。
图 7 外鼓式热敏CTP制版镜头
Figure 7. External drum thermal CTP lens
图 8 外鼓式热敏CTP制版镜头的安装图
Figure 8. Installation drawing of the external drum thermal plate-making lens
图 9 外鼓式热敏CTP设备整机系统
Figure 9. Whole external drum thermal CTP machine system
表 4 制版及印刷主要条件与参数
Table 4. Main conditions and parameters of plate making and printing
type value working temperature 25 ℃ relative humidity 60% resolution 2400 DPI laser energy 130 mJ/cm2 the rotational speed of the photosensitive drum 900 r/min photographic developer Hua Guang TPD-85 thermal CTP plate Hua Guang TP-ⅡⅩ thermal CTP plate 数字印版测控条[17-18]是最常用的制版质量检测方式，其中，像素细线单元主要用于检测成像系统精度，聚焦正确则线条清晰完整；而灰度值为50%的像素点单元用于检测激光能量。图 10和图 11分别是10倍显微镜下观察两个激光点宽度的线条和2×2的像素点。可以看出, 边缘较为锐利，网点清晰，无糊版现象。
图 10 2个激光点宽度细线实际制版效果
Figure 10. Two laser dot width line actual plate making effect
图 11 2×2像素点实际制版效果
Figure 11. 2×2 pixels actual plate making effect
外鼓式热敏CTP制版机光学系统设计
Optical design of external drum thermal CTP equipment
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摘要: 为了解决外鼓式热敏计算机直接制版(CTP)设备的制版镜头因畸变、场曲过大而导致制版质量不良问题, 采用ZEMAX光学仿真软件, 设计了一款低畸变、低场曲的制版镜头光学系统, 并对其进行了公差分析和实验验证。结果表明, 该光学系统由6片透镜组成, 工作波长为830 nm, 场曲小于1 μm, 畸变小于0.1%, 调制传递函数在全视场200 lp/mm处大于0.7, 并且镜片都采用标准球面设计, 制版效果良好。该系统能够满足实际制版生产需求, 具有一定的市场前景。Abstract: In order to solve the problem of poor plate-making quality caused by distortion and field curvature of the plate-making lens of the external drum thermal computer to plate (CTP)equipment, a low-distortion and low-field-curvature plate-making lens optical system was designed using ZEMAX software. Tolerance analysis and experimental verification have been carried out. The results show that the optical system is consisted of six lenses, the working wavelength is 830 nm, the field curvature is less than 1 μm, the distortion is less than 0.1%, and the modulation transfer function is greater than 0.7 at the full field of view of 200 lp/mm. All the lenses in this system are designed with a standard spherical surface, and the plate-making effect is good, which can meet the actual plate-making production needs, and has a certain market prospect.
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Key words:
- optical design /
- computer to plate /
- ZEMAX software /
- error analysis
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图 8 外鼓式热敏CTP制版镜头的安装图
Figure 8. Installation drawing of the external drum thermal plate-making lens
表 1 外鼓式热敏CTP镜头主要设计指标
Table 1. Main specifications of external drum thermal CTP lens
specification parameter wavelength 830 nm reduce magnification 3.83 numerical aperture 0.1~0.12 conjugate distance 180 mm~220 mm curvature of field ＜1 μm distortion ＜0.1% relative illumination ＞0.95 
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表 2 公差要求
Table 2. Tolerance requirements
the tolerance category value radius 2N thickness 0.02 mm decenter 0.01 mm tilt 0.013° spherical and astigmatism irregularity 0.2 abbe 0.5% index 0.0005
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表 3 蒙特卡洛公差分析结果
Table 3. Result of Monte Carlo tolerance analysis
benign rate value ＞90% 0.53350854 ＞80% 0.57671560 ＞50% 0.63829413 ＞20% 0.68124155 ＞10% 0.69663692
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表 4 制版及印刷主要条件与参数
Table 4. Main conditions and parameters of plate making and printing
type value working temperature 25 ℃ relative humidity 60% resolution 2400 DPI laser energy 130 mJ/cm2 the rotational speed of the photosensitive drum 900 r/min photographic developer Hua Guang TPD-85 thermal CTP plate Hua Guang TP-ⅡⅩ thermal CTP plate
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图(11) / 表(4)
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