Устройство лазерного принтера

Любое современное печатающее устройство состоит из трех основных узлов: собственно печатающего меха­низма (слово «механизм» в применении к лазерному принтеру, вообще говоря, не совсем уместно, на самом деле это очень точное и сложное электронно-оптико-механическое устройство, во многих элементах кото­рого, особенно тонере, реализуются последние дости­жения химических технологий), контроллера, содержа­щего растровый процессор, который преобразует посту­пающие от компьютера данные в графические образы печатаемых страниц (в некоторых случаях эта задача может быть возложена и на центральный процессор ПК), и интерфейсного блока, обеспечивающего двуна­правленный обмен данными с компьютером.

Печатающий механизм

Центр печатающего механизма лазерного принтера — фотобарабан, называемый иногда также фотовалом, — металлическая трубка, покрытая пленкой из органиче­ского фоточувствительного полупроводника (ОРС, Or­ganic Photo-Conductor). Сопротивление фоточувстви­тельного слоя в темноте очень велико, но при освеще­нии оно значительно уменьшается. Именно он с помо­щью тонера превращает в видимое и переносит на бу­магу (или другой носитель) сформированное на нем лу­чом лазера невидимое изображение, представляющее собой «карту» электрических зарядов. Рассмотрим этот процесс более подробно (рис. 27). Отметим, что длина самого барабана равна максимальной ширине печатае­мой страницы, тогда как длина его окружности значи­тельно меньше максимальной длины страницы, так что страница печатается за несколько оборотов ОРС (обыч­но за три). Поэтому все описанные ниже операции в процессе печати страницы, движущейся под барабаном с помощью системы резиновых роликов, повторяются при непрерывном его вращении с постоянной угловой скоростью.

Прежде всего на барабан наносится значительный равномерный положительный электрический заряд. Раньше это делалось с помощью расположенных в не­посредственной близости от него одного или несколь­ких коронирующих электродов (тонких проволочек, на­ходящихся под напряжением в несколько тысяч вольт, вокруг которых возникает коронный разряд). Сейчас большинство изготовителей лазерных печатающих ме­ханизмов использует для этого специальный валик, так называемый валик первичного заряда (PCR, Primary Charge Roller). Затем блок развертки лазерного луча, управляемый контроллером принтера, построчно (в за­висимости от разрешения принтера на одном дюйме ок­ружности барабана может умещаться 300, 600, 1200 и более строк) переносит на барабан сформированное в памяти инверсное (зеркальное) изображение соответ­ствующей части страницы.

Рассмотрим более подробно устройство блока раз­вертки. Модулированный луч лазерного диода ИК-диапазона мощностью от единиц (в принтерах начального уровня) до десятков (в высокопроизводительных прин­терах) милливатт, пройдя коллиматор, через цилиндри­ческую линзу, изменяющую эллиптическое сечение лу­ча на круговое, попадает на вращающееся с высокой ско­ростью зеркало (в виде многогранной призмы, обычно 10-гранной), каждая грань которого отклоняет луч на всю ширину барабана. Поскольку отклонение луча про­исходит по дуге окружности,

фокусировка его на краях барабана ухудшается. Чтобы «распрямить» фокальную плоскость луча, используются специальные, так назы­ваемые f-тэта-линзы, — довольно сложные и дорогие оптические системы, в которых расстояние точки изо­бражения на выходе от центральной оси пропорцио­нально углу отклонения от нее падающего луча, а не тангенсу этого угла, как в обычных сферических лин­зах. Полярность заряда в засвеченных точках меняется на противоположную, т. е. отрицательную. Таким об­разом, на поверхности барабана формируется карта за­рядов разной полярности, причем положительно заря­женные участки соответствуют «пустым» (белым) уча­сткам исходного изображения, а отрицательно заря­женные — темным (точкам и линиям). Это невидимое изображение необходимо теперь сделать видимым, и здесь в дело вступает блок проявления (developer).

Этот блок состоит из бункера с тонером, магнитно­го вала и так называемого дозирующего скребка (doc­tor blade). Магнитный вал, находящийся на небольшом расстоянии от фотобарабана или, в зависимости от конкретного исполнения, в непосредственном контак­те с ним, захватывает тонер, который содержит маг­нитные частицы (обычно железо), и придает ему поло­жительный заряд. Дозирующий скребок снимает с маг­нитного вала лишний тонер. Регулируя расстояние ме­жду скребком и валом, можно менять количество по­даваемого тонера, а следовательно, насыщенность по­лучаемого изображения. С магнитного вала положи­тельно заряженные частицы тонера благодаря притя­жению противоположных зарядов переходят на отрица­тельно заряженные участки фотобарабана, т. е. имен­но те, которые соответствуют темным участкам исход­ного инверсного изображения. Положительно заряжен­ные участки остаются чистыми. Поскольку по абсолют­ной величине отрицательный заряд фотобарабана боль­ше положительного заряда частиц тонера, последние меняют полярность своего заряда на отрицательную.

В результате на барабане образуется видимое изобра­жение, составленное из отрицательно заряженных час­тиц тонера и соответствующее исходному. Теперь его необходимо перенести на бумагу.

Это делается все тем же проверенным электроста­тическим способом: на проходящий под фотобарабаном лист бумаги наносится положительный заряд. Для это­го используется еще один валик, называемый валиком переноса (transfer roller). Отрицательно заряженные час­тицы тонера притягиваются к положительно заряжен­ному листу, формируя на нем готовое изображение. Однако на этом этапе полученное изображение еще не­стабильно, его можно просто стряхнуть с бумаги.

Закрепление выполняется сдавливанием листа с то­нером между двумя валиками блока термического за­крепления (fuser), в просторечии «печки». Верхний ва­лик нагревается до высокой (100-300 °С, в зависимо­сти от материала тонера) температуры и расплавляет частицы тонера, а благодаря обеспечиваемому нижним (прижимным) валиком давлению расплавленный тонер проникает в структуру бумаги, образуя стойкое изо­бражение.

Оставшиеся на фотобарабане частицы тонера счища­ются полиуретановым чистящим скребком (wiper blade) и отправляются в емкость для неиспользованного тоне­ра (waste bin). Чтобы счищенные частицы тонера не попали на бумагу, используется еще один скребок из майлара, направляющий их в емкость. Очистка бараба­на необходима, чтобы на странице не возникало «при­зрачных» (ghost) изображений, создаваемых оставши­мися от предыдущего прохода частицами тонера.

КОНТРОЛЛЕР

В контроллер лазерного принтера входят центральный процессор (как правило, построенный по RISC-архи­тектуре), оперативная память, в которую помещаются растровые образы печатаемых страниц, постоянная (ча­ще всего перезаписываемая) память, в которой хранит­ся встроенное ПО контроллера, а также встроенные шрифты. Дополнительные модули флэш-памяти могут содержать дополнительные шрифты или программы-интерпретаторы языков описания страниц, например PostScript.

Прежде чем начать печатать страницу, ее изображе­ние должно быть сформировано в ОЗУ принтера. Са­мый простой вариант — это передача из ПК полного растрового образа страницы. Именно так работают так называемые GDI-, или Windows-принтеры. В них всю работу по превращению текстовых и графических эле­ментов страницы в растровое изображение выполняет центральный процессор ПК, хранится это изображение в оперативной памяти компьютера, а управляет проце­дурой формирования растра GDI-драйвер конкретного принтера, которому «известны» особенности его печа­тающего механизма. Такой подход применяется в наи­более дешевых персональных моделях принтеров, по­скольку он позволяет кардинально снизить вычисли­тельную нагрузку на процессор принтера (благодаря этому можно использовать более простые, медленные и соответственно дешевые процессоры) и требования к объему его внутренней памяти. Самые большие недос­татки таких принтеров — невозможность работы без Windows (хотя сейчас изготовители GDI-принтеров не­редко снабжают их также драйверами для Linux и Мас OS, печатать на них, например, из старых DOS-программ, как правило, невозможна) и «торможение» на недоста­точно мощных ПК. Правда, совершенствование драйве­ров, увеличение пропускной способности интерфейсов и мощности компьютеров привело к тому, что последний недостаток уже можно не принимать во внимание.

Цветная печать

В 1994 г. компании HP, QMS и Xerox почти одновре­менно представили свои первые модели цветных лазер­ных принтеров. Они были громоздкими, дорогими и медленными, но положили начало продолжающемуся по сей день вторжению цветной лазерной печати во все офисы мира.

По принципу действия цветной лазерный принтер мало отличается от монохромного — разница лишь в том, что изображение наносится на бумагу (или фото­барабан) не один, а четыре раза: отдельно тонерами каждого из четырех основных полиграфических цве­тов — голубого (Cyan), пурпурного (Magenta), желто­го (Yellow) и черного BlасК). Однако существует не­сколько способов нанесения цветного изображения и переноса его на носитель, наиболее широко использу­ются три из них (рис. 5.29.).

В первых моделях цветных лазерных принтеров ис­пользовалась применяемая до сих пор в моделях на­чального уровня четырехпроходная «карусельная» тех­нология. Вокруг фотобарабана располагалась «кару­сель» из четырех картриджей с CMY- и К-тонерами и блоками проявления. За четыре оборота барабана на него последовательно наносились заряды, соответст­вующие изображениям каждого из четырех цветов, при этом определенные тонер-картриджи путем поворота «карусели» совершали свои «подходы» к фотобараба­ну, нанося на него изображения своего цвета. Затем готовое цветное изображение переносилось на бумагу и термически закреплялось. Из-за необходимости как минимум четырех оборотов фотобарабана скорость цветной печати использующих эту технологию принте­ров примерно в четыре раза меньше, чем монохромной. Даже если изготовитель принтера не указывает, что реализуется четырехпроходная технология, это можно установить косвенным путем, по соотношению заяв­ленных скоростей цветной и черно-белой печати.

Первые однопроходные цветные принтеры выпусти­ла компания OKI. Как и в монохромных моделях этой фирмы, в них для засветки фотобарабанов использо­вались не лазерные оптические системы, а светодиод­ные линейки. Для каждого из четырех основных цве­тов имелся полный комплект формирующих изображе­ние элементов: светодиодная линейка, фотобарабан, блок проявления и резервуар с тонером. Они распо­лагались один за другим в горизонтальной плоскости от передней части принтера к задней, поэтому эта тех­нология получила название тандемной. Каждый фото­барабан переносит изображение своего цвета на про­межуточный ремень переноса (transfer belt), ширина которого равна длине фотобарабана, т. е. максималь­ной ширине печатаемой страницы. С ремня изображе­ние переносится на бумагу и закрепляется «печкой», как обычно. Эти принтеры были довольно компактны­ми по меркам тогдашних цветных лазерных аппаратов, а скорость цветной и монохромной печати у них были почти одинаковыми.

Недостатком тандемной технологии, кроме общих недостатков светодиодной печати, было и остается тре­бование очень точного выравнивания четырех светоди­одных линеек для получения удовлетворительного со­вмещения цветовых плоскостей. Из-за недостаточно точного выравнивания фотографические изображения на таких принтерах нередко получались слегка размы­тыми, а объекты одного цвета на фоне другого приоб­ретали ореолы.

Наконец, третий вариант, называемый линейной (in-line) технологией, предполагает прямой перенос на бумагу или другой носитель в один проход изображе­ний четырех основных цветов, без применения проме­жуточного ремня переноса. Такая технология напоми­нает тандемную светодиодную в том смысле, что здесь также применяются расположенные один за другим че­тыре фотобарабана со своими тонерными бункерами и блоками проявления, однако кардинально отличается от нее тем, что для засветки всех четырех фотобара­банов используется одна лазерная оптическая система. Мало того, что при этом исключаются сложности с вы­равниванием отдельных светодиодных линеек, более важно, что такой способ засветки позволяет в полной мере использовать возможности тонкой модуляции ла­зерного луча, т. е. наносить точки разных размеров,

ре­гулируя качество печати подобно тому, как это дела­лось в монохромных принтерах с технологиями «повы­шения разрешения».

Развивая эту технологию, разработчики компании Hewlett-Packard расположили блоки переноса изобра­жения каждого цвета в одну линию не в горизонталь­ной, а в вертикаль­ной плоскости. Та­ким образом удалось уменьшить занимае­мую принтером на столе площадь, об­легчить замену рас­ходных материалов, сократить вероят­ность замятия бума­ги, а если таковое произошло, макси­мально упростить его устранение. Однако далось это, как нетрудно догадаться, ценой значительного увеличения вы­соты аппаратов.

СВЕТОДИОДНАЯ ПЕЧАТЬ

Рассмотрим более подробно светодиодную технологию печати, изобретенную компанией Casio и доведенную до коммерческого применения фирмой OKI. Сейчас эта технология применяется в большинстве моделей OKI, а также в некоторых моделях компаний Lexmark, Xe­rox и Kyocera. Изображение на бумаге или другом носителе формируется также как и при лазерной печати, т.е. способом электрофотографии. Вместо сложной оптико-механической системы развертки лазерного луча здесь применяется неподвижная линейка светодиодов, над каждым из ко­торых располагается фокусирующая микролинза. Дли­на светодиодной линейки равна длине фотобарабана, поэтому засветка всех необходимых точек каждой строки изображения на барабане осуществляется од­новременно.