УСТРОЙСТВА ВЫВОДА ПРИНЦИПИАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДЫХ КОПИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ ТЕКСТОВ И ИЗОБРАЖЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ПРИНТЕРОВ

Для получения твердых копий электронных графических изображений, а также текстов документов, подготовленных на компьютере и хранящихся в его памяти в виде электронных документов (файлов), используются специальные печатные устройства - принтеры (знакопечатающие устройства).

«Универсальность, экономичность и быстродействие знакопечатающих устройств обусловили их широкое использо- вание в самых различных отраслях общественной практики».^[165]

Принтерная печать открыла новые возможности непосредственной печати информации, выдаваемой из компьютера, без печатной формы, реализуя в печати присущий телевидению принцип линейной развертки. Знакографическая информация, выводимая на печать, подготавливается пользователем и идентична отображаемой на экране монитора.

«Благодаря успехам вычислительной техники и цифровой электроники, в настоящее время претерпевает существенные изменения и сам шрифт, воспроизводящий рисунок (конфигурацию) букв и других знаков. В частности, наметилась тенденция массового перехода от аналогового рисунка шрифта к дискретному, который синтезируется отдельными элемента- ми».^[166]

В современных принтерах (знакопечатающих устройствах) литерная (аналоговая) печать практически повсеместно вытеснена дискретной.

Использование возможностей, предоставляемых современным программным обеспечением, позволяет подготавливать тексты различных объемов, вводить (а соответственно и выводить на печать) одновременно тексты, составленные различными шрифтами с изменяющимися размерами. При необходимости иллюстрирования текстовых сообщений в них включаются графические объекты (фотографии, аппликации, видеоклипы, схемы и др.).

Большинство принтеров позволяют печатать цветные изображения.

В современной научной литературе, периодической печати, а также в различных маркетинговых изданиях выделяются три основные группы принтеров: матричные, струйные и лазерные.

«В основу электрофотографии положены свойства некоторых диэлектриков и полупроводников на протяжении длительного времени сохранять электрическую поляризацию и явление изменения электростатического заряда под воздействием света».^[167]

Перенос изображения на твердый носитель (бумагу, пленку и т.д.) осуществляется электрофотографическим методом, который также используется в копировально-множительных аппаратах и светодиодных принтерах.

Кроме того, в матричных, твердочернильных с промежуточным барабаном и принтерах с электрофотографическим способом печати происходит непосредственный контакт печатающих элементов (иголок, печатающего барабана) с поверхностью твердого носителя текста. В струйных и термосублимационных принтерах такой контакт в силу специфики печати невозможен. Следовательно, принтеры можно разделить на две большие группы - контактные и бесконтактные.

Матричные принтеры:

165

Матричные (или точечно-матричные) принтеры представляют группу широко распространенных принтеров, обеспечивающих среднее качество печати при небольших материальных затратах.

Особенности печати, присущие оттискам, полученным матричным способом (рельефность оттиска и внедрение краски вглубь бумаги, а также ее устойчивость), в настоящее время находят применение при заполнении бланков документов. В частности, рассматривается вопрос о заполнении бланков паспортов на «паспортных» матричных принтерах типа ML5330-FB.

Основной печатающий элемент в матричном принтере - печатающая головка. Она представляет собой матрицу, в которую вертикально в ряд помещены печатающие стержни - иголки. Такие печатающие головки называются однорядными, они получили наибольшее распространение. Кроме однорядных, существуют и плоскостные головки, в них знаки формируются в плоской матрице. При печати все точки, составляющие знак, воспроизводятся одновременно.

Матричные принтеры - принтеры ударного действия (impact-принтеры). Свое название матричные принтеры получили от используемого ими способа формирования изображений печатаемых символов. При печати изображение формируется из отдельных точек на основе специальной матрицы изображения символа. Только матричные принтеры позволяют печатать тексты одновременно на нескольких экземплярах бумаги через копирку.

Существуют два типа точечно-матричных принтеров. Первую группу представляют обычные (serial-принтеры). В них изображение формируется при движении печатающей головки вдоль печатаемой строки, а стержни в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту, соответственно знаки печатаются последовательно в зависимости от движения головки - слева направо или справа налево.

Ко второй группе относятся высокоскоростные матричные принтеры, используемые в крупных офисах для распечатки больших объемов текстовой информации. Головки таких принтеров печатают одновременно всю строку сверху вниз и снизу вверх, что обеспечивается применением блока колеблющихся печатающих модулей (шатл-механизма) - это матричные принтеры параллельной печати (Line Matrix Impact Printers).

Рис. 44. Принципиальная схема устройства печатной головки матричного принтера.

Матричные Serial-принтеры - это группа наиболее широко распространенных, компактных, недорогих принтеров, ис - пользуемых для распечатки текстовой информации. Для печати графических изображений матричные принтеры мало пригодны из-за низкого разрешения. В таких принтерах точки наносятся на бумагу иголками печатающей головки, движущейся вдоль бумаги.

Иголки расположены в головке вертикально, одна над другой с равными промежутками. Они приводятся в движение управляющими электромагнитами. Каждая иголка управляется собственным электромагнитом.

Когда на электромагнит подается импульс тока, управляемая им иголка выталкивается и ударяет по красящей ленте. Управляющий сигнал может одновременно подаваться на лю - бую комбинацию электромагнитов.

В процессе печати иголки ударом прижимают красящую ленту к бумаге, оставляя на бумаге точечные следы, соответствующие очередной колонке матрицы изображения символа. После удара головка смещается в сторону для печати следующей колонки точек. Возникающее при этом множество точек на бумаге создает рисунок соответствующего символа или графического изображения. При печати импульсы тока сильно нагревают головку. Чтобы не допустить ее перегрева, используется металлический теплоотводный радиатор. Головка перемещается поперек листа в обоих направлениях строго по горизонтали специальным прецизионным механизмом, обеспечивающим ее установку в фиксированных положениях. Шаг письма и межстрочный интервал при печати устанавливаются программно. Эти размерные характеристики имеют самые различные значения, в большей степени зависящие не от типа принтера, а от возможностей соответствующей программы печати.

В зависимости от количества иголок в печатающей головке

матричные принтеры делятся на 9-, 12- и 24-игольчатые. Чем больше количество иголок, тем выше качество печати. Наиболее распространены 9-игольчатые матричные принтеры.

В матричных принтерах имеется возможность выбора одного из нескольких шрифтов.

Принтер может работать в двух режимах - в текстовом и графическом. В текстовом режиме принтер принимает от компьютера коды символов и печатает их в соответствии со специальной таблицей шрифта, в которой каждому коду символа соответствует матрица его изображения.

Рис. 45 Принципиальная схема печати изображений ударно-матричным Serial-принтером.

1 - печатающая, матричная головка принтера; 2 - направление движения головки; 3 - отпечатанный знак; 4 - печатающийся знак; 5 - красящая лента; 6 - иголки, находящиеся в состоянии нанесения удара.

В графическом режиме таблица не используется, и каждая иголка печатающей головки управляется компьютером отдельно, что позволяет выводить на печать произвольные графические изображения. При этом скорость печати значительно снижается. В графический режим принтер переводится специальной командой из компьютера.

Матричные Line-принтеры представляют класс принте - ров, используемых для печати больших объемов текстовой, промышленной графической информации, а также печати штрих-кодов. Такие принтеры печатают на перфорированной листовой бумаге шириной от 8 до 42 см.

Основным печатающим узлом такого принтера является модуль (головка шатл-механизма). В качестве примера рассмотрим принцип печати Line-принтером типа «Genicom». Шатл-механизм таких принтеров включает шесть модулей (головок), жестко закрепленных на шасси. Каждая головка содержит матрицу из 22 иголок, расположенных в два ряда (2х11). Таким образом, получается два ряда по 66 иголок, расположенных друг над другом. Это позволяет печатать одновременно две линии. Если головка обычного Serial-принтера пробегает всю строку поперек листа, то головка Line-прин- тера лишь колеблется в пределах нескольких знаков. Колебательные (челночные) движения модулям сообщает привод, получивший название шатл-механизма. Если шрифт имеет средние размеры, то каждая иголка печатает два соседних символа. При печати мелким шрифтом эта же иголка печатает уже 4 соседних символа.

Модули в Line-принтерах по горизонтали не перемещаются, а только колеблются. Основное же перемещение происходит по вертикали. Этот фактор следует учитывать при исследовании матричных принтерных текстов.

Рис. 46. Принципиальная схема устройства печатающего механизма Line-принтера.

1-6 - печатающие головки (модули); 7 - привод (шатл-механизм); 8 - верхний ряд иголок; 9 - нижний ряд иголок.

В некоторых моделях матричных принтеров фирмы OKI вместо модулей с иголками используются банки мини-молоточков (hammerbank).

Для печати цифровых фотографий матричные принтеры практически непригодны из-за достаточно низкого разрешения.

Струйная печать

Вторую большую группу устройств для распечатки электронных текстов представляют струйные принтеры.

В основе получения изображения при помощи данной категории печатающих устройств лежат принципы струйной печати, открытые еще в 1879 году английским физиком лордом Джоном Рэлеем:

«1) поток жидкости цилиндрической формы, вытекающий из маленького отверстия, представляет собой тонкую непрерывную струю, диаметр которой зависит от диаметра отверстия;

2) если к жидкости в отверстии приложить достаточное давление, можно разбить струю на капли случайного диаметра и частоты;

3) если струю жидкости в отверстии подвергать регулярному воздействию наряду с давлением, капли становятся оди-

наковыми по диаметру и частоте».¹⁶⁶

Датой реального воплощения струйной технологии печати является 1948 год, когда шведская компания Siemens Elema получила патент на гальванометр, снабженный не приборной стрелкой, а распылителем, с помощью которого регистрировались результаты измерений. Первые образцы струйных принтеров были разработаны немногим более 20 лет назад (в конце 70-х годов), и за это время показатель разрешения и, соответственно, качества печати возрос более чем в 20 раз. Улучшение качества печати струйных принтеров находится в постоянном поле зрения фирм-производителей - практически каждая новая модель принтера в своем классе по этому параметру превосходит предшествующую.

Поскольку струйные принтеры сочетают в себе целый ряд положительных качеств, таких как высокое разрешение, возможность цветной печати с реальной цветопередачей, бесшумность и высокая скорость печати при невысокой стоимости, в последнее время они все чаще используются преступниками для изготовления фальшивых денег, документов, оттисков печатей и штампов и др.

В данном разделе работы мы предлагаем рассмотреть принципы получения изображений, реализуемые в современных струйных принтерах.

В струйной печати знаки образуются из микрокапелек. Получение изображений высокого качества зависит от целого ряда факторов, влияющих на погрешности процесса печати. К ним относятся структура бумаги, взаимодействие зарядов капель, а также аэродинамические силы, действующие на капли в полете - они могут привести к слиянию или рассеиванию капель, к отклонению от траектории, образованию капель-сателлитов.

Можно выделить два типа технологий, используемых в струйной печати: пузырьково-струйная (Bubble-Jet), и пьезоэлектрическая.

Основным печатающим элементом данного типа принте - ров, как и матричных, является печатающая головка, которая и производит «выстреливание» чернил по одной из вышеназванных технологий.

166

Бриллиант М.Д., Елимелех И.М. Струйная техника в печатных и отделочных про

цессах. - М., 1982. - С. 56.

«Печатающие головки современных струйных принтеров - это маленькие чудеса техники: мельчайшие дозы тщательно приготовленных чернил за несколько миллисекунд разогреваются до 300° С или разгоняются пьезоэлементом. Вследствие этого образуется капля, которая выбрасывается на бумагу со скоростью около 100 км/ч».^[168]

Печатающая (пишущая) головка струйного принтера состоит из эластичного резервуара с чернилами и рабочей камеры с пишущими элементами. Благодаря капиллярному эффекту, рабочая камера всегда заполнена чернилами. Головка снабжена микроклапаном, который позволяет чернилам протекать в рабочую камеру и препятствует обратному движению. Пишущие элементы головки расположены вертикально и выполняют функцию, аналогичную функции иголок матричного принтера.

Рис. Принципиальная схема головки струйного принтера.

В момент, когда необходимо нанести на бумагу точку, в соответствующем пишущем элементе создается импульс избыточного давления, под действием которого капля через сопло вылетает и наносится на бумагу или пленку.

Разрешение, а соответственно и качество печати напрямую зависит от размеров и количества сопел. Например, пишущая головка принтера Lexmark имеет 400 микросопел, благодаря чему достигнуто разрешение печати 1200х1200 точек на дюйм, т.е. в одном квадратном дюйме (25,4х25,4 мм²) помещается 1440000 точек.^[169] Такое высокое разрешение делает изображение очень четким, сочным с широкой палитрой хорошо воспринимаемых цветов.

Для создания избыточного давления в камерах головки используются термо- или пьезоэлементы.

Принцип действия пузырьково-струйной головки следующий (см. рис. 48 - А): при поступлении электрического сигнала температура нагревательного элемента, встроенного в стенку сопла, импульсно возрастает, расширение образующегося при этом пара вызывает избыточное давление, которое и выталкивает каплю из сопла. После прекращения сигнала и вылета очередной порции чернил температура снижается, давление падает и следующая порция чернил втягивается в нее сама собой за счет разрежения давления, после чего устройство снова готово к печати.

Так как пузырьково-струйная технология предполагает выстреливание «горячих» чернил, соответственно и степень их проникновения в бумагу выше. Кроме того, рядом с очертаниями знаков зачастую наблюдаются чернильные микровкрапления.

Альтернативой пузырьково-струйной технологии является пьезоэлектрический метод (см. рис. 48-Ь). В пьезоэлектрических головках избыточное давление в камере с чернилами создается за счет изменения формы (увеличе-ния) пьезоэлектрического диска при поступлении электрического сигнала. Так как диск технологически представляет одну из стенок камеры, то такое действие соответственно уменьшает ее объем. Чернила под воздействием избыточного давления выталкиваются из камеры и вылетают через сопло в виде капли. При прекращении сигнала элемент приобретает изначальную форму, и за счет разрежения давления в камеру втягивается очередная порция чернил.

Рис. Принципиальная схема работы: пузырьково-струйной (А) и пьезоэлектрической (Б) головок; 1 - состояние подготовки; 2 -

состояние «выстрела» чернил; 3 - нагревательный элемент; 4 - пьезоэлемент.

Пьезотехника непосредственно преобразовывает электрическое напряжение в механическое движение и, следовательно, вырабатывает еще более короткие импульсы, чем пузырь- ково -струйная техника.

Пьезоэлектрические головки используются в принтерах Epson. Патент на данную технологию принадлежит компании Seiko Epson. Патентом на пузырьковую технологию (Bubble- Jet) обладают Canon и Hewlett-Packard. Такие головки устанавливаются в принтерах Canon, Hewlett-Packard, Lexmark.

На качество печати, воспроизводимое струйными принтерами, большое влияние оказывает вид используемых бумаги и чернил. Поскольку печать производится путем нанесения капель жидких чернил, то на бумаге невысокого качества проявляется «эффект промокашки» - чернильные точки растекаются, сливаются, края знаков получаются неровными, размытыми. Исключение составляют только принтеры Lexmark, в которых для повышения качества печати на обыкновенной бумаге используются концентрированные чернила. Уникаль - ная технология позволила даже при высоком разрешении использовать вместо жидкого красителя в черных чернилах твердые частицы, которые прилипают к поверхности бумаги. Тексты, отпечатанные таким красителем, не расплываются даже при случайном попадании воды. Твердые красители обеспечивают им долговечность и достаточную яркость.

Как уже ранее отмечалось, струйные принтеры в настоящее время наиболее оптимальны для цветной печати.

Цветная печать может осуществляться как обычным способом, так и фотопечатью. Различия между ними заключаются в количестве используемых цветов. Если в обычной цветной печати используются четыре (Cyan, Magenta, Yellow и Black - CMYK - технология), а в некоторых принтерах три цвета (без черного, он образуется путем смешения цветов - CMY-технология), то при фотопечати используется шесть или семь цветов. Добавляются дополнительные светлые цвета (Light-cyan, Light-magenta, Light-yellow).

Различные технологии печати, реализуемые в современных принтерах, позволяют улучшить качество изображения разными путями и соответственно имеют свои признаки, отражающиеся на бумаге. Например, технология «P-PoP», разработанная Canon, состоит в применении специального оптимизатора обычной бумаги, что позволяет ее использовать для качественной струйной печати. Оптимизатор - это жидкость, которая автоматически наносится на бумагу в процессе печати перед нанесением чернил.

HP C-Ret - технология повышения цветного разрешения, используемая в принтерах компании Hewlett Packard. Она основана на нанесении нескольких слоев чернил в одну точку, что улучшает интенсивность цвета.

Технология HP PhotoRet II основана на уменьшении размера капель на 70 процентов по сравнению с предыдущими сериями картриджей и нанесении нескольких слоев чернил (до 16 капель в одну точку).

Кроме использования специальных технологий для нанесения красителя, в струйной печати применяются специальные сорта бумаги, поверхность которой обработана так, что набрызгиваемые чернила не расплываются, поэтому соседние цвета не проникают друг в друга, а следовательно, и изображения получаются значительно четче, чем на обычной бумаге.

Рис. 49. Схематическое изображение растекания чернил при печати на обычной (А) и оптимизированной бумаге (Б).

Как правило, в специальной бумаге оптимизируется одна сторона, отличить ее от неоптимизированной не представляет большой сложности даже при обычном визуальном наблюдении - оптимизированная сторона имеет более яркий оттенок. Кроме того, существуют специальные сорта бумаги для фотопечати (глянцевые и обычные), а также прозрачные пленки для печати слайдов. Пленки для струйной печати имеют многослойную структуру. Подложка такой пленки изготавливается из полиэфира, который для фиксации чернил покрывается специальным слоем (для этого зачастую используется желатин), который воспринимает чернила и ограничивает их растекание, сверху пленка покрывается слоем вещества, придающего глянец и ускоряющего высыхание.

Твердочернильная технология печати. В последнее время появились принтеры, в которых используется термопластичный способ формирования изображений. В сущности, это новая технология. В рамках данной работы мы предлагаем лишь краткое описание принципа печати.

Твердочернильная (или твердокрасочная) технология в ряду других технологий печати занимает особое место. Она позволяет получать цветные изображения с качеством, близким к фотографическому, благодаря четырехцветной CMYK - технологии. Чернила в обычном состоянии представляют собой твердые бруски. Бруски чернил, находящиеся в специальных отсеках (бункерах), передним краем упираются в специальные термопанели. При включении принтера край упирающегося в термопанель бруска плавится. Расплавленные чернила попадают в соответствующие по цвету чернильницы, из которых при печати через специальные сопла наносятся или непосредственно на бумагу, или на промежуточный алюминиевый барабан, а после - на твердый носитель (бумагу, пленку и т.д.). При переносе чернил на бумагу или барабан используется пьезоэлектрический способ, аналогичный применяемому при струйной печати.

После нанесения чернил не требуется их дополнительного запекания, как при электрофотографическом способе. Они застывают сами, образуя прочную водо-нерастворимую пленку.

Лазерные и светодиодные принтеры

Лазерные и светодиодные принтеры обладают рядом преимуществ перед рассмотренными выше матричными и струйными принтерами - качество печати на них приблизилось к типографскому, по сравнению со струйными они не очень требовательны к качеству бумаги, а по скорости печати значительно превосходят струйные и матричные.

Лазерные принтеры проигрывают струйным лишь в одном - в распечатке изображений в цвете, однако здесь основную роль играет фактор стоимости, а не качества и скорости печати: цветные лазерные принтеры слишком дороги что и является основной причиной их малой распространенности.

Различие между лазерными и светодиодными принтерами заключается не в технологии получения оттиска на бумаге, а в использовании устройств для передачи и формирования изображения на барабане. Если в лазерном для этих целей используется луч лазера, который, пробегая последовательно по поверхности барабана, формирует изображение, то в светодиодном поток света с информацией формируется светодиодной линейкой. Дальнейший же процесс совершенно одинаков.

При разработке лазерного принтера были объединены лучшие достижения прецизионной механики, оптики, лазерной технологии, методов обработки изображения и микропроцессорного управления.

В основе работы всех страничных принтеров лежит электрофотографический принцип, аналогичный тому, который уже более полувека применяется в копировальных аппаратах.

Рабочий механизм лазерного принтера состоит из следующих основных узлов: компактного светодиодного лазерного устройства; оптической призмы; фоточувствительного барабана; модуля фиксации (нагрева); чистящего механизма, а также устройств транспортировки бумаги и подачи тонера.

Рис. Принципиальная схема страничной печати лазерным и светодиодным принтерами. А - нанесение отрицательного заряда на барабан: 1- зарядный провод, 2 - барабан; Б - формирование изоб

ражения на поверхности барабана лучом лазера: 3 - лазерный каротрон, 4 - призма; В - формирование изображения в светодиодном принтере: 5 - светодиодная линейка; Г - нанесение тонера; Д - получение оттиска на бумаге.

Барабан представляет собой металлический цилиндр, покрытый тонкой светочувствительной пленкой. Это покрытие чувствительно к положительным и отрицательным электрическим зарядам.

Когда луч света попадает на барабан, проводимость освещенного участка повышается и заряд с него исчезает, образуя незаряженную зону. Для формирования на поверхности барабана равномерного статического заряда используется тонкий зарядный провод или сетка.

Формирование изображения. С помощью зарядного провода на поверхность светочувствительного барабана равномерно наносится статический положительный заряд (напряжение до 5000 V).

Лазерный луч из лазерной головки, направляемый шестигранной зеркальной вращающейся призмой, пробегает вдоль поверхности барабана. Участки светочувствительной поверхности барабана, освещенные лучом лазера, разряжаются, образуя невидимый (электронный) образ изображения на поверхности барабана. Разряженные лазером участки притягивают частицы тонера, в результате чего изображение на барабане проявляется.

Когда изображение на барабане построено и на него нане - сен тонер, механизм подачи бумаги берет очередной лист и с помощью системы валиков перемещает его к барабану. Для переноса тонера на бумагу с помощью зарядного коротрона бумаге сообщается статический заряд, противоположный заряду поверхности барабана. Разная полярность зарядов на поверхностях бумаги и барабана активизирует перенос частиц тонера на бумагу и обеспечивает прилипание. Затем бумага поступает в фиксирующий узел, в котором происходит закрепление изображения - тонер прогревается до температуры плавления (200-220° С.) и прижимается к бумаге резиновыми валиками. При этом расплавленный порошок крепко соединяется с поверхностью бумаги. Далее готовая страница подается на выходной лоток принтера.

Когда изображение с поверхности барабана переносится на бумагу, не все частички тонера прилипают к бумаге и не - большое количество тонера остается на барабане. Перед зарядкой барабана для печати очередной страницы специаль- ныи чистящии узел удаляет частицы тонера с поверхности барабана, а разрядная лампа снимает заряд с поверхности барабана.

Рис. Схема узла транспортировки бумаги и фиксации изображения.

В светодиодных принтерах вместо лазерного устройства нанесения информации на светочувствительный барабан используется линейка светодиодов. «Для получения разрешения 300 dpi такая линейка должна содержать 2500 элементов, а 600 dpi - почти 5000».^[170]

Для качественной печати необходимы соответствующие расходные материалы, к которым относится краситель и бумага. В лазерных принтерах в качестве красителя используется тонер. В отличие от жидких чернил для струйного принтера тонер представляет собой сыпучий порошок. По конфигурации микрочастиц тонер бывает сферическим (микрочастицы шарообразной формы) и обычным (микрочастицы различной формы). Одно из несомненных достоинств твердых копий, полученных на страничных принтерах, - это их влагостойкость, в обеспечении которой не последнее место принадлежит тонеру. Расплавленные под воздействием высокой температуры и впоследствии застывшие микрочастицы влагостойки, а следовательно, документы более долговечны. Однако, со временем возможно растрескивание и осыпание краси - теля.