Принцип работы лазерного принтера, устройство

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 (OPC, 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.). 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 OPC (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 используют 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 (q), 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°C, 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 Mac OS, печатать на них, например, из старых DOS-программ, как правило, невозможно) 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. Более дорогие модели снабжаются полноценным растровым процессором (Raster Image Processor, RIP). Описание страницы передается в виде программы на специальном языке (Page Description Language, PDL), команды которого интерпретируются встроенным процессором, а растровое изображение формируется во внутреннем ОЗУ принтера. Фактическим отраслевым стандартом стал разработанный компанией Hewlett-Packard язык описания страниц PCL (Printer Control Language). Сейчас в монохромных моделях используется шестая версия этого языка, PCL 6, а в цветных — PCL 5c, ориентированная на работу с цветом. Практически любой современный лазерный принтер (кроме GDI-моделей) «понимает» PCL 6, хотя иногда команды этого языка преобразуются в «естественный» для принтера фирменный язык (такой, например, как RPCS компании Ricoh или KPDL компании Kyocera). Поэтому нередко при работе с драйвером, реализующим «естественный» язык принтера, его производительность, а иногда и качество печати оказываются выше, чем при работе с PCL-драйвером. Для сетевых моделей, начиная с уровня принтеров для средних и больших рабочих групп, практически обязательно наличие встроенного интерпретатора языка описания страниц PostScript компании Adobe. Этот аппаратно-независимый язык обладает максимальной гибкостью и позволяет описывать наиболее сложные, насыщенные графикой страницы. Текущая, третья, версия языка содержит все средства для описания самых сложных цветных изображений. Описание на языке PostScript отсылаемой на принтер страницы представляет собой не расположение точек на ее растровом образе, а описание составляющих ее объектов (текста, линий, окружностей, кривых, фигур произвольной формы и т. п., в том числе растровых изображений, если они есть). Такое описание не зависит от типа устройства вывода и может быть с максимально возможной степенью детализации выведено на любом устройстве, способном его интерпретировать — от дисплея с разрешением 640х480 точек до фотолитографической машины с разрешением 2400 и более точек на дюйм. PostScript — это фактически специализированный язык программирования (основой для него послужил популярный в свое время «стековый» язык Forth, его выбрали потому, что он требовал минимального количества ресурсов для реализации интерпретатора), его операторы задают перемещения текущей точки изображения (виртуального курсора) и параметры линий, которые при этом должны отрисовываться. Буквы, цифры и другие символы также представляют собой сочетания точек, линий и кривых, и теоретически их можно представлять в виде описаний этих сочетаний. Но гораздо эффективнее использовать готовые описания всех символов для каждой гарнитуры (набора символов шрифта определенного начертания) и держать их в постоянной или оперативной памяти принтера. Тогда для передачи каждого символа можно использовать лишь один байт — его ASCII-код. С появлением в 1984 г. языка PostScript компания Adobe ввела в употребление два типа масштабируемых шрифтов: PostScript Type 1 и PostScript Type 3. Формат Type 1 был проработан лучше, чем Type 3, и обеспечивал более высокое качество вывода благодаря встроенному механизму указаний, или подсказок (hints), т. е. способов улучшения качества при выводе на устройствах с меньшим разрешением или для малых кеглей (размеров символов). Кроме того, в шрифтах Type 1 использовался более эффективный алгоритм сжатия описывающих гарнитуру данных. В спецификации Type 3 имелись некоторые возможности, отсутствующие в Type 1, но в целом это был значительно более простой формат. Спецификация на шрифты Type 3 была опубликована, тогда как подробности формата Type 1 не раскрывались. Последний использовался компанией Adobe при разработке собственных коммерческих гарнитур, библиотека из нескольких десятков которых встраивалась в любой PostScript-принтер. В то же время на базе спецификации Type 3 также разрабатывались гарнитуры, но не Adobe, а независимыми поставщиками шрифтов (например, MonoType), выпускавшими целые библиотеки таких гарнитур. В конце 1980-х гг. Adobe разработала интерпретатор PostScript для вывода изображений на экран дисплея, Display PostScript, и предложила лицензировать его обоим ведущим разработчикам ОС для ПК — компаниям Apple и Microsoft. Однако они, во-первых, не захотели допустить вмешательства третьей стороны в важнейшие подсистемы своих ОС, а во-вторых, сочли требуемые Adobe лицензионные отчисления чрезмерными. Поэтому Apple и Microsoft решили объединить усилия и разработать собственный формат шрифтов и технологию их вывода, аналогичную PostScript. Так в 1992 г. в Mac OS 7 и Windows 3.1 впервые появились шрифты TrueType. Microsoft разработала для них PDL под названием TrueImage, однако этот язык был недостаточно хорошо проработан, его реализация изобиловала ошибками и так и не получила широкого распространения. В ответ Adobe выпустила специальный драйвер, Adobe Type Manager (ATM), который улучшал качество вывода шрифтов PostScript Type 1 на экран и на принтеры не-PostScript. Одновременно компания наконец опубликовала спецификацию на шрифты Type 1. В результате большинство крупнейших поставщиков гарнитур принялись переводить свои библиотеки в Type 1, оставив «на потом» решение вопроса о выпуске TrueType-версий. Следствием этого стало появление на рынке множества непрофессионально выполненных TrueType-гарнитур. В сочетании с рядом недоработок в блоке растрирования TrueType-шрифтов Windows 3.1 это привело к тому, что технология TrueType незаслуженно приобрела негативную репутацию, от которой ей удалось избавиться лишь с появлением OpenType. В 1996 г. Adobe и Microsoft удивили ИТ-сообщество, обнародовав совместные планы по созданию нового формата шрифтов, который объединит обе конкурирующие технологии — PostScript и TrueType. Новая технология, получившая кодовое название OpenType, должна была положить конец войнам шрифтовых стандартов. OpenType — это гибридный формат, похожий на TrueType, но в шрифте OpenType могут содержаться данные как TrueType-шрифта, так и его PostScript-аналога. Шрифты OpenType совместимы со всеми версиями Windows, начиная с 2000. Но формат OpenType полностью платформонезависим, кроме того, обладает рядом полиграфических преимуществ над предшественниками и возможностью работы с многобайтовыми наборами символов, в частности Unicode. Интерфейс До недавнего повсеместного проникновения интерфейса USB практически любой выпускавшийся в мире принтер, за исключением редких моделей с интерфейсами RS-323C или SCSI, оснащался параллельным интерфейсом Centronics с 36-контактным разъемом, который подключался кабелем к 25-контактному D-образному разъему LPT-порта ПК. Первоначально скорость передачи интерфейса составляла 150 кбайт/с, и он был однонаправленным, т. е. данные могли передаваться только от компьютера к принтеру. Поэтому информацию о состоянии принтера компьютер получить не мог. В дальнейшем спецификация интерфейса была расширена режимами EPP (Enchanced Parallel Port) и ECP (Extended Capability Port), применяя которые можно было обеспечить двунаправленную передачу данных и поднять скорость передачи до 2 Мбайт/с. Стандарт, описывающий такой параллельный интерфейс, был принят IEEE в 1994 г. и получил название IEEE 1284. В современных принтерах IEEE 1284 встречается все реже и реже, причем, как правило, только как дополнительный к основному интерфейсу USB. Версия 1.1 последнего обеспечивает двунаправленную последовательную передачу данных с (теоретическими) скоростями до 12 Мбит/с (1,2 Мбайт/с), а версия 2.0 — до 480 Мбит/с (48 Мбайт/с). Большинство последних моделей принтеров оснащаются интерфейсом USB 2.0, хотя его максимальная скорость передачи чаще всего избыточна для этих целей. После USB самый распространенный сейчас интерфейс принтеров — это Ethernet 10/100 Мбит/с. В последнее время сетевым интерфейсом нередко стали оснащаться не только высокопроизводительные принтеры для средних и больших рабочих групп, но и модели для небольших рабочих групп и даже некоторые модели уровня SOHO. Часто принтер стандартно оснащается только интерфейсом USB, но в нем предусматривается гнездо для установки приобретаемой дополнительно сетевой интерфейсной платы, причем это может быть не только проводной Ethernet-адаптер, но и плата Wi-Fi, Bluetooth или комбинированная. Для некоторых моделей принтеров факультативно предлагается ИК-приемник, позволяющий выводить данные на печать через ИК-порт ноутбука или КПК. Современный сетевой интерфейс принтера — это не просто Ethernet-контроллер. Это фактически принт-сервер, реализующий различные стеки протоколов, в том числе TCP/IP, IPX/SPX, AppleTalk, NetBEUI и др. Нередко в состав встроенного ПО сетевого адаптера входит полнофункциональный HTTP-сервер с Web-узлом, обеспечивающим управление принтером и контроль его состояния с помощью обычного браузера. Встроенный FTP-сервер позволяет передавать задания на принтер по протоколу FTP, а также модернизировать встроенное ПО путем передачи по FTP новых образов встроенного ПО. Могут быть реализованы также протоколы telnet, time, SMTP, POP3 (в этом случае принтер способен принимать задания на печать и передавать сообщения об изменении своего состояния по электронной почте), а также SSL-защита передаваемых данных. Некоторые компании-изготовители принтеров и ряд независимых компаний выпускают внешние принт-серверы, имеющие, с одной стороны, обычный проводной и/или беспроводной сетевой интерфейс (это может быть также интерфейс Bluetooth), а с другой — один или несколько (в этом случае к одному принт-серверу можно подключить несколько принтеров) интерфейсов USB или IEEE 1284.