Теоретичні відомості. Голкові (матричні) принтери (Dot Matrix Printer) тривалий час відносились до стандартних пристроїв виводу інформації

Голкові (матричні) принтери (Dot Matrix Printer) тривалий час відносились до стандартних пристроїв виводу інформації. Перевага цих принтерів визначається, в першу чергу, здатністю роботи з будь-яким папером, а також низькою вартістю друку та можливістю одночасного Друку декількох копій. Метод, з допомогою якого голковий принтер переносить знаки на папір, в принципі, дуже простий. На відміну від важільного та " кулькоподібного" принтера, в якому встановлюються різні типи (букви, цифри та знаки), голковий принтер формує знаки кількома голками, розміщеними в головці принтера.

Механіка подачі паперу в цілому мало змінилася - папір втягується з допомогою валу; між папером і головкою принтера розміщується фарбувальна стрічка. При ударі голки по цій стрічці на папері залишається зафарбований слід. Голки, розташовані в середині головки, приводяться в дію електромагнітами. Головка переміщується по горизонтальним напрямним з допомогою крокового двигуна. В перших матричних принтерах в головці принтера знаходилось 9 голок, потім з'явилися 18-голкові принтери. В теперішній час більшість фірм-виробників перейшли на виробництво 24-голкових принтерів.

Завдяки горизонтальному руху головки принтера і активізації окремих голок, синтезований знак утворює матрицю, причому окремі букви, цифри та знаки, записані в пам'ять принтера (ПЗП) у вигляді бінарних кодів. Тому головка принтера " знає", які голки і в яких комбінаціях необхідно активізувати, щоб, наприклад, створити за 10 кроків головки букву " К" (рисунок 1).

Хоча наявність дев'яти голок в головці принтера забезпечує високу швидкість друку, високої якості досягти не вдається. В 24-голкових принтерах (сьогоднішній стандарт матричних принтерів) використовується технологія послідовного розміщення голок в два ряди по 12 голок. Внаслідок того, що голки в сусідніх рядах зсунуті по вертикалі, крапки на роздруківці перекриваються таким чином, що їх неможливо розрізнити. В цих принтерах є можливість проходу головки двічі для кожної стрічки, щоб знаки продруковувались ще раз з невеликим зміщенням. Зображення букви, ідо виникає таким чином якісніше. Тому таку якість друку позначають як LQ, що є скороченням від Letter Quality (висока якість). Дещо гірший за якістю друк відповідно позначають NLQ (Near Letter Quality).

Рисунок 1 - Матриця для букви " К" в залежності від кількості голок в головці принтера та режиму друкування

При роботі в режимі LQ швидкість друку зменшується не в значній мірі, тому що головка друкує при русі в обох напрямках: як зліва направо, так і справа наліво.

Матричні принтери у порівнянні з безударними (non-impact) принтерами, мають одну суттєву перевагу, оскільки можуть друкувати одночасно декілька копій документа. Але робота голкового принтера завжди супроводжується шумом. Фірми-виробники голчатих принтерів для зменшення шуму знаходять різноманітні технічні рішення. У деяких принтерах є так званий " тихий режим" (Quiet Mode). Однак таке зниження шуму досягається за рахунок зниження швидкості друку в два рази. Інколи внутрішню поверхню корпуса принтера покривають звукоізоляційним матеріалом, наприклад, пінистим герметиком або поролоном.

Г ак само як і в інших пристроїв виводу інформації, якість друку принтера сильно залежить від розрізнювальності, тобто від кількості крапок, які друкуються в одному дюймі (dots per inch, dpi). Для голкового принтера розрізнювальність грає роль тільки тоді, коли він працює в графічному режимі, в якому повинно точно розраховуватись положення кожної окремої крапки на папері. При друці звичайних текстових знаків слід пам'ятати, що для матричних принтерів суттєву роль грають і інші фактори, такі як точність позиціонування головки принтера, частота ударів голок або якість фарбувальної стрічки.

Тільки невелике число голкових принтерів має можливість кольорового друку. Це можна пояснити тим, що до моменту появи на ринку перших моделей 24-гожових принтерів, здатних друкувати кольорові зображення, ціна на кольорові струменеві принтери вже суттєво понизилась. А якість друку 24-голкового принтера з допомогою багатоколірної друкувальної стрічки набагато гірша за якість друку на струменевому принтері.

В струменевих принтерах для формування зображення використовуються спеціальні сопла, через які на папір подається чорнило. Тонкі сопла знаходяться на головці принтера, де встановлено резервуар з чорнилом, яке переноситься через сопла на матеріал носія. Число сопел залежить від моделі принтера та Його виробника. Звичайно їх буває від 16 до 64. Деякі останні моделі мають значно більшу кількість сопел, наприклад, головка принтера DeskJet 1600 має 300 сопел для чорних чорнил і 416 - для кольорових.

Оскільки образ символу відтворюється з використанням всіх задіяних сопел одночасно, в якості параметра, що визначає швидкість друку, в струменевих принтерах також прийнято вважати кількість символів за секунду (cps), хоча в рекламних проспектах швидкістю друку називають кількість сторінок, що друкуються за хвилину.

Зберігання чорнила здійснюється двома методами:

- головка принтера є складовою частиною патрона з чорнилом, заміна патрона з чорнилом одночасно пов'язана з заміною головки;

- використовується окремий змінний резервуар, який через систему капілярів забезпечує чорнилом головку принтера.

Фірми-виробники реалізують різноманітні способи нанесення чорнил на папір:

- п'єзоелектричний метод;

- метод газових пухирів;

- негод drop-on-demand.

П'єзоелектричний метод. Для реалізації цього методу в кожне сопло встановлено плоский п'єзокристал, зв'язаний з діафрагмою. Як відомо, під дією електричного поля відбувається деформація п'єзоелемента (рисунок 2).

Рисунок 2 - Подача чорнила через сопло з п'єзоелементом

При друці п'єзоелемент що знаходиться в трубці, стискуючи та розтискуючи трубку, наповнює капілярну систему чорнилом. Чорнило, яке віджимається назад, перетікає назад до резервуара, а чорнило, яке " відтиснулося" назовні, залишає на папері крапку. Подібні пристрої випускаються компаніями Epson, Brother та ін.

Метод газових пухирів. Цей спосіб базується на термічному методі й більше відомий під назвою Bubblejet (пухирі, що інжектуються). При використанні цього методу кожне сопло обладнане нагрівальним елементом, який при пропусканні через нього струму за декілька мікросекунд нагрівається до температури близько 500°С. Газові пухирі, що виникають при раптовому нагріванні (bubbles) намагаються виштовхнути через вихідний отвір сопла необхідну порцію (краплю) рідкого чорнила, яке переноситься на папір. При відключенні струму нагрівальний елемент охолоджується, паровий пухир зменшується і через вхідний отвір надходить нова порція чорнила. Подібну технологію друкування використовує фірма Canon (рисунок 3),

\

Рисунок 3 - Подача чорнила за методом газових пухирів.

Дякуючи тому, що в механізмах друку, що реалізовані з використанням методу газових пухирів, менше конструктивних елементів, такі принтери надійніші в роботі та строк їх експлуатації значно довший. Крім того, використання цієї технології дозволяє добитись найбільш високої розрізнювальної здатності принтерів. Володіючи високою якістю при прорисовуванні ліній, даний метод має недолік при друкуванні областей суцільного заповнення. Вони виходять дещо розпливчатими. Використання методу газових пухирів доцільне при друкуванні графіків, гістограм і т. п., тоді як друк напівтонових графічних зображень виходить більш якісним при використанні метода drop-on-demand.

Метод drop-on-demand. Цей метод, розроблений фірмою Hewlett-Packard, називається методом drop-on-demand. Так само як і в методі газових пухирів, тут для подачі чорнила з резервуару на папір використовується нагрівальний елемент. Однак при цьому додатково використовується спеціальний механізм (рисунок 4).

Рисунок 4 - Подача чорнила по методу drop-on-demand

Технологія drop-on-demand забезпечує найбільш швидке вприскування чорнила, що дозволяє суттєво підвищити якість і швидкість друку. Кольорове представлення зображення в цьому випадку більш контрастне.

Здатність струменевих принтерів створювати кольорове зображення привела до їх широкого розповсюдження. Кольоровий друк за допомогою голчатих принтерів не дає бажаної якості. Використання з цією метою інших типів принтерів, лазерних або термічних, багатьом звичайним користувачам не по кишені. Використання ж чорнил різного кольору є недорогою, але все ж таки якісною альтернативою.

Звичайно кольорове зображення формується при друці накладанням один на одного зображень трьох основних типографських кольорів: голубого (cyan), пурпурного (magenta) і жовтого (yellow). Хоча, термічно, накладання цих трьох кольорів 100%-насиченості повинно в результаті давати чорний колір, на практиці в більшості випадків виходить сірий або коричневий. Тому як четвертий основний колір добавляють ще й чорний (black). Таку кольорову модель називають, як уже відмічалось, CMYK.

З цієї причини в нових моделях струменевих принтерів використовується не три, а чотири кольорових патрони для створення кольору (додатковий патрон чорного кольору). Завдяки цьому з'явилась можливість широкого використання таких принтерів для звичайного друку текстів і чорно-білих графічних з одночасною економією кольорових чорнил.

На відміну від голкових принтерів, що є ударно-механічними, струменеві принтери працюють тихо. Лише двигун, що керує головкою принтера, створює незначне гудіння. Рівень шуму складає близько 40 дБ, що на 15 дБ менше, ніж у матричних принтерів.

Швидкість друку струменевого принтера, як і голкового, залежить від якості друку. При чорновому друці (Draft Mode) за швидкістю друку струменевий принтер значно переверщує голковий. При друці з підвищеною якістю (LQ) швидкість друку значно зменшується. При цьому швидкість друку струменевого принтера в середньому складає від 150 до 200 cps, що відповідає 3-4 сторінкам за хвилину. Кольоровий друк триває дещо довше. Останні сучасні моделі є швидкодійними та призначені для роботи в мережі.

Вирішальна перевага струменевого принтера, у порівнянні з матричним полягає в зображені шрифту. Для моделей з великою кількістю сопел характерно досягнення якості лазерного принтера. Велике значення мають якість і товщина паперу. Для отримання високоякісного зображення рекомендується використання спеціального паперу, який характеризується швидкою шпитальною здатністю по відношенню до чорнил (extra-absorbent paper). В принципі, можна відмовитись від спеціального паперу, що пропонується різними виробниками. Струменевий принтер друкує на папері щільністю від 60 до 135 г/м². Добре зарекомендував себе папір для ксероксів щільність якого рівна 80 г/м³.

Для зниження втрат якості друку, пов'язаних з розтіканням чорнила існують різноманітні технічні рішення. Наприклад, в моделях PaintJet XL 300 і DeskJet 1200C, що випускаються фірмою Hewlett-Packard, для висихання чорнила використовується підігрів паперу.

Розрізнювальність струменевих принтерів при друці графіки складає від 300x300 до 600x600 dpi. Деякі моделі, наприклад, Canon BJC-70, при друці чорним із згладжуванням мають розрізнювальну здатність 720x360 dpi.

Струменевий принтер не може використовувати папір у рулоні. Робота з таким папером можлива тільки для голкових принтерів. Декілька копій на струменевому принтері можна отримати тільки з допомогою багаторазового друку.

Основним недоліком струменевого принтера є відносно велика загроза засихання чорнила в середині сопла. В цьому випадку необхідно замінити друкувальну головку.

Поштовхом для створення перших лазерних принтерів послужила поява нової технології розробленої фірмою Canon. Фахівцями цієї фірми що спеціалізується на розробці копіювальної техніки, було створено механізм друкування LBP-CX. Фірма Hewlett-Packard у співробітництві з Canon розробила контролери, що забезпечують сумісність механізму друку з комп'ютерними системами PC та UNDC. Принтер HP LaserJet вперше був представлений на початку 80-х років. Наступним етапом в історії розвитку лазерного принтера є використання механізмів друку з більшою розрізнювальною здатністю під керуванням контролерів, що забезпечують високу ступінь сумісності пристроїв.

Домінуючими для лазерних принтерів є електрографічна та світлодіодна (LED, Light Emitting Diode) технології. Електрофотографічна технологія подібна до тієї що використовується в копіювальних апаратах. В світлодіодній технології в якості оптичного пристрою, що формує зображення, використовуються світлодіоди (історично світлодіодні принтери відносяться до класу лазерних). Світлодіодна технологія, як правило, знаходить використання в широкоформатних принтерах (до 36 дюймів). Електрофотографічна технологія використовується в настільних і офісних принтерах.

Лазерні принтери формують зображення шляхом позиціонування крапок на папері (растровий метод). Спочатку сторінка формується в пам'яті принтера і лише потім передається в механізм друку. Растрове представлення символів і графічних образів відбувається під керуванням контролера принтера. Кожний образ формується шляхом відповідного розміщення крапок в комірках сітки або матриці, як на шаховій дошці (рисунок 2.10).

Растрова технологія в значній мірі відрізняється від векторної, яка використовується в перових графопобудовниках. При використанні векторної технології зображення формується шляхом побудови ліній з одної точки в іншу.

Лазерні принтери, що отримали найбільше розповсюдження, використовують технології фотокопіювання, що ще називається електрофотографічною, яка полягає в точному позиціонуванні крапки на сторінці за рахунок зміни електричного заряду на спеціальній плівці із фотопровідного напівпровідника Подібна технологія друку використовується в ксероксах (рисунок 6).

Найважливішим конструктивним елементом лазерного принтера є фотобарабан, що обертається, з його допомогою відбувається перенесення зображення на папір. Фотобарабан це металічний циліндр, покритий тонкою плівкою з фотопровідного напівпровідника (оксид цинку). По поверхні барабана рівномірно розподіляється статичний заряд за допомогою тонкого дроту або сітки, що називається коронованим дротом. На цей дріт подається висока напруга, що викликає виникнення навколо нього іонізованої області, що світиться і називається короною.

Рисунок 5 - Растровий метод формування образів

Лазер, який керується мікроконтролером, генерує тонкий світловий промінь, який відбивається від дзеркала, що обертається. Цей промінь, попадаючи на фотобарабан, засвічує на ньому елементарні площинки (точки) і в результаті фотоелектричного ефекту в цих точках змінюється електричний заряд. Для деяких типів принтерів потенціал поверхні барабана зменшується від -900 В до 200 В. Таким чином, на фотобарабані виникає копія зображення у вигляді потенціального рельєфу.

Потім з допомогою другого барабана, що називається девелопером (deweloper), на фотобарабан наноситься тонер - дрібний фарбуючий порошок. Під дією статичного заряду дрібні частинки тонера легко притягуються до поверхні барабана в точках, які піддалися експозиції, і формують на ньому зображення (рисунок 7).

Лист паперу з подавального лотка за допомогою системи валиків переміщується до барабана. Потім листу надається статичний заряд, протилежний за знаком заряду засвічених крапок на барабані. При контакті паперу з барабаном частинки тонера з барабана переносяться (притягуються) на папір.

Рисунок 6- Функціональна схема лазерного принтера

Для фіксації тонера на аркуш паперу знову подається заряд і він пропускається між двома роликами, що нагрівають його до температури 180-200°С. Після процесу друкування барабан повністю розряджається, очищується від прилиплих частинок тонера і готовий до нового циклу друку. Описана послідовність дій відбувається дуже швидко і забезпечує високу якість друкування.

При друці на кольоровому лазерному принтері використовуються дві технології. У відповідності з першою, що широко використовувалась до недавнього часу, на фотобарабані послідовно для кожного окремого кольору (Cyan, Magenta, Yellow, Black) формувалось відповідне зображення, і лист друкувався за чотири проходи, що відображалось на швидкості та якості друкування.

В сучасних моделях в результаті чотирьох послідовних прогонів на фотобарабан наноситься тонер кожного з чотирьох кольорів. Потім при контакті паперу з барабаном на нього переносяться всі чотири фарби одночасно, створюючи необхідні сполучення кольорів на відбитку. В результаті досягається більш рівна передача відтінків кольорів, майже така ж, як при друці на кольорових принтерах з термопереносом барвника.

Рисунок 7 - Створення копії зображення на фото барабані

В кольорових лазерних принтерах використовується чотири ємкості для тонерів. Принтери цього класу обладнані більшим об'ємом пам'яті, процесором і, як правило, власним вінчестером. На вінчестері містяться різноманітні шрифти і спеціальні програми, які керують роботою, контролюють стан і оптимізують продуктивність принтера. Кольорові лазерні принтери мають досить великі габарити і масу.

Технологія процесу кольорового лазерного друку досить складна, тому і ціни на кольорові лазерні принтери ще дуже високі. На сьогодні навіть дорогі моделі кольорових лазерних принтерів не дають ідеальної фотографічної якості. З цією метою краще використовувати термічні принтери.

Лазерний принтер є складним оптико-механічним пристроєм, який, незалежно від конструктивного виконання, характеризується великою кількістю різних параметрів. З точки зору споживача всі параметри можна розбити на групи, що визначають:

- якість друку,

- швидкість друку;

- зручність в експлуатації;

- економічність роботи;

- додаткові можливості.

Якість друку лазерного принтера, в першу чергу, визначається:

- розрізнювальною здатністю механізму друку;

- інтерполяційними можливостями;

- якістю тонера;

- алгоритмічною мовою принтера;

- драйвером, що використовується.

Спеціалістам фірм-виробників лазерних принтерів вдалося домогтися розрізнювальної здатності 600 dpi (наприклад, у принтера HP LaserJet 6P). На сьогодні випускаються лазерні принтери з розрізненням 1200 dpi.

Розрізнення лазерного принтера по горизонталі і по вертикалі визначається різними факторами:

- вертикальне розрізнення відповідає кроку обертання фотобарабана, значення якого для більшості принтерів складає 1/600 дюйма (для більш дешевих 1 /300 дюйма);

- горизонтальне розрізнення визначається числом крапок в одній " стрічці" і залежить від точності наведення та фокусування лазерного променя на поверхні барабана.

Досягнути високого розрізнення по горизонталі легше, ніж по вертикалі. Тому більшість моделей принтерів сьогодні мають " несиметричне розрізнення", рівне, наприклад, 1200x600 dpi, коли точність переміщення лазерного променя складає 1/1200 дюйма, а крок обертання барабана - 1/600 дюйма. Зображення, що відтворюється розбивається при цьому не на квадрати, а на прямокутники із сторонами 1/600 і 1/1200 дюйма. У зв'язку з тим, що промінь лазера може переміщатись не тільки по горизонталі, але й по вертикалі, він здатен поставити крапку чи в верхній, чи в нижній частині прямокутника. В цьому випадку кажуть про алгоритмічне розрізнення (рисунок 8).

Очевидно, що високе алгоритмічне розрізнення замінює апаратне лише частково. Воно дозволяє зробити краї зображень більш рівними. Для передачі напівтонів зображення прийнято розбивати на декілька комірок. Наприклад, для принтерів з розрізненням 300x300 часто використовується квадратна комірка, що складається з 25 крапок розміром 0, 42 х 0, 42 мм (довжина сторони 1/60 дюйма), і зі сторонами, повернутими на 45° відносно вертикалі. При цьому можлива передача 26 відтінків сірого (від 0 до 25 крапок в комірці). Саме такі рекомендації мови PostScript Level 1. У зв'язку з тим, що розмір комірки досить великий, а число відтінків мале, зображення виходить зернистим.

Рисунок 8 - Розрізнення 1200 dpi алгоритмічне (а) і апаратне (б)

Як уже відмічалось, при друці на лазерному принтері зображення формується шляхом відповідного розміщення крапок в комірках, сітках або матриці. В результаті цього виникає так званий " східчастий ефект", який проявляється не тільки при друкуванні графічних зображень але й при друкуванні тексту крупним шрифтом.

Ця проблема вперше була вирішена фірмою HP за допомогою технології підвищення розрізнення, так званої RET-технології (Resolution Enhancement Technology). Основним складовим елементом при цьому є власний чіп, призначений для керування інтенсивністю лазерного променя, що дозволяє змінювати енергію заряду кожної точки растру на барабані в межах п'яти градацій для одержання крапок різного розміру, позиціонування яких призводить до згладжування країв зображення. При цьому скорочуються витрати тонера при друкуванні ліній, що перетинаються. RET-технологія збільшує видиме розрізнення до рівня вище апаратного та підвищує якість друкування тексту, штрихових і напівтонових зображень (рисунок 9).

В сучасних модулях принтерів Optra фірми Lexmark якість передачі напівтонових зображень підвищується за рахунок технології Lexmark PuctureGrade, що базується на спеціальному алгоритмі нанесення тонера при заповненні комірок напівтонових зображень. На рисунку 2.15 представлена елементарна комірка напівтонового зображення при затемненні 17% з використанням стандартного алгоритму (а) і алгоритму Lexmark PuctureGrade (б).

Рисунок 9 - Результат використання RET-технології

Що стосується Інтерпольованої чи підвищеної розрізнювальної здатності, яка часто вказується в характеристиках лазерних принтерів, то ці цифри слід сприймати критично.

На якість друкування впливає не тільки розрізнювальна здатність друкувального механізму та Інтерполяція, важливу роль грають також розміри та форми частинок тонера, які визначають форму і розміри крапок, з яких складається растрове зображення.

Фірми-виробники лазерних принтерів ведуть серйозні роботи по створенню тонера, який здатен забезпечити максимальну щільність чорних елементів, рівномірність ліній і чіткість країв зображень. Так, наприклад, в лазерних принтерах фірми OKI використовується унікальний дрібнодисперсний тонер сферичного типу із середнім розміром частинок 8 мкм.

Рисунок 10 Результат використання алгоритму Lexmark PuctureGrade