Як працює лазер? Пристрій та робота лазерних принтерів. Як здійснюється кольоровий лазерний друк

Перед тим як відповісти на питання про те, як працює принтер лазерного типу, слід зазначити, що перше зображення, отримане Ч. Карлсоном із застосуванням статичної електрики та сухого чорнила, відноситься до 1938 року. А ось перший прообраз сучасного лазерного пристрою був створений у середині 50-х років минулого сторіччя. Слід додати, що принцип роботи лазерного принтера полягає в процесі т.зв. лазерного сканування. Після того як документ проскановано, відбувається накладення та перенесення фарбуючої речовини, а також закріплення готового зображення. Подібний принцип лазерного друку дозволяє друкувати текст і графіку на звичайному папері з досить високою швидкістю. Докладніше про те, як друкує лазерний принтер, ви можете нижче.

Якщо говорити про те, що є пристроєм лазерного принтера, то потрібно сказати, що будь-яка модель такого пристрою складається з фотобарабану, блоку лазера, вузла переносу і блоку закріплення. Крім того, в картриджах, залежно від моделі, використовується магнітний вал або ролик проявки. Папір подається на друк за допомогою спеціального вузла, що відповідає за цю дію.

Щоб докладніше відповісти питанням про те, як влаштований принтер лазерного типу, необхідно розповісти також про фарбі (тонер), застосовуваної у цій оргтехніці. Отже, тонер є речовиною, що складається з дуже маленьких частинок полімеру, покритих барвником, з включенням магнетиту. Крім того, до його складу входить т.зв. регулятор заряду. Залежно від виробника всі подібні порошки відрізняються такими показниками, як щільність, дисперсність, розмір зерен, магінтність і т.п. Тому заправляти лазерний принтер будь-якою випадковою порошковою фарбою не варто, т.к. це погіршить якість друку.

Оргтехніка такого типу, як монохромний принтер/мфу знайшов широке застосування особистого користування, тобто. вдома. Його основна перевага полягає в доступній вартості, що обумовлено тим, що такі пристрої не потребують великої кількості програмних ресурсів або пам'яті. Їм потрібен лише контролер, який дозволить здійснювати саму основну функцію, що полягає у роздрукуванні різноманітних документів. Загалом його можна використовувати для друку звичайного тексту або яких-небудь чорно-білих діаграм і схем, де наявність кольору не грає великого значення. Інші переваги монохромних девайсів лазерного типу полягають у невисокій вартості на витратні матеріали, витримуванні великих навантажень і можливості друку великої кількості сторінок. Але подібний пристрій принтера не дозволяє йому друкувати кольорові фотографії та складні схеми. Крім того, такий девайс не має високої якості друку.

Що стосується кольорових лазерних принтерів, то їх переваги полягають у високій швидкості друку і можливості друку кольорових схем, зображень і фотографій. Але врахуйте, що такий друкуючий девайс коштує досить дорого, що, у свою чергу, суттєво звужує його доступність. Іншими його мінусами є низька рентабельність через дорожнечу витратних матеріалів, високе енергоспоживання та недостатньо високу якість кольорових зображень. Тобто. такий девайс не підходить для друку професійних фотографій.

Але всі види лазерних принтерів, як правило, мають один і той самий принцип дії. Відмінності полягають лише в їх вартості та функціональних можливостяхі параметрах, наприклад, такому, як роздільна здатність лазерного принтера. Що стосується безпосередньо процесу друку, його можна розділити на п'ять ключових етапів, описаних далі.

Перший етап: утворення заряду фотобарабану (фотувала)

Щоб відповісти на запитання про те, як влаштований лазерний принтер і як він працює, слід сказати, що одним з основних його пристроїв є барабан, покритий спеціальним напівпровідником, який має високу фоточутливість. Саме на ньому на першому етапі формується зображення, призначене для подальшого друку. Для цього дана деталь забезпечується зарядом зі знаком плюс або мінус. Робиться це, як правило, за допомогою коротрона (коронатора) або зарядного валу (ролика заряду). Перший є блоком, що складається з дроту, навколо якого є металевий каркас, другим – вал із металу, покритий поролоном або струмопровідною гумою.

Перший спосіб надання фотовалу певного заряду з використанням коронатора полягає в тому, що під дією напруги між каркасом і дротом (вольфрамова нитка з покриттям із платини/золота/вуглецю) утворюється розряд. Після цього формується електричне поле, яке, своєю чергою, передає фотобарабану заряд статичного типу.

Використання коронатора має цілу низку мінусів, які полягають у тому, що скупчення на його нитки частинок фарби/пилу або її вигин можуть призвести до різкого зниження якості друку, посилення поля електричного типу в певному місці і навіть пошкодження поверхні фотобарабану.

Що стосується другого способу, то ролик заряду при зіткненні з барабаном забезпечує його поверхню, що відрізняється високою фоточутливістю певним зарядом. Напруга на ролику при цьому на порядок нижча, що, своєю чергою, вирішує проблему з появою озону. Але щоб здійснити передачу заряду обов'язково потрібний зіткнення. Отже, деталі принтера у разі зношуються швидше.

Другий етап: експонування

Ціль даного етапуполягає у формуванні на поверхні фотобарабану з підвищеною світлочутливістю невидимого зображення з точок, причому без використання статичного заряду. Для цього тонкий промінь лазера світить на дзеркало чотирьох або шестигранної форми, після чого відбивається і потрапляє на т.зв. лінзу, що розподіляється. Він відправляє його на місце на поверхні барабана. Далі система, що складається з кількох лінз та дзеркал, переміщає лазерний промінь вздовж фотовалу, внаслідок чого формується рядок. Т.к. друк здійснюється за допомогою точок, то лазер постійно вмикається та вимикається. Заряд також знімається точковим чином. Після того як рядок добігає кінця, фотовал починає повертатися за допомогою покрокового двигуна і процедура експонування продовжується.

Третій етап: проявлення

Ще один вал, що є в картриджі лазерного принтера, є металевою трубкою, всередині якої є магнітний сердечник. Магніт всередині відсіку притягує до поверхні валу тонер і, обертаючись, виносить його назовні. Спеціальне дозувальне лезо дозволяє регулювати товщину шару барвника і запобігати, таким чином, його рівномірному розподілу.

Після цього фарба потрапляє між фотобарабаном та магнітним валом. На ділянках, що пройшли експонування, тонер починає притягуватися до поверхні фотовалу, а на заряджених – відштовхуватися. Фарбувальна речовина, що залишилася на магнітному ролику, зазвичай йде далі і знову проходить через бункер. Що ж до тонера, що перемістився на поверхню барабана, він робить зображення у ньому видимим, після чого слідує далі, тобто. до паперу.

Четвертий етап: перенесення

Аркуш паперу, який було подано до девайсу, проходить під фотовалом. Під папером у своїй розташовується т.зв. вал перенесення зображення, який сприяє тому, щоб тонер, що є на поверхні барабана, потрапив на поверхню паперу. На серцевину ролика, виготовлену з металу, подається заряд зі знаком плюс, який через гумове покриття переноситься на папір. Переміщені на поверхню листа мікроскопічні частинки тонера тримаються на ньому виключно за рахунок статичного тяжіння. Усі частинки порошку, ворсинки паперу і пил, що залишилися на фотобарабані, відправляється за допомогою ракелю або вайпера в бункер, спеціально призначений для відходів. Як тільки фотобарабан завершить весь цикл, ролик заряду/коротрон знову сприяє відновленню на поверхні заряду і вся робота повторюється знову.

П'ятий етап: закріплення

Тонер, що використовується в лазерних принтерах обов'язково повинен мати здатність плавитися при високих температурних показниках. Тільки завдяки цій властивості він може остаточно закріпитись на поверхні паперу.

Для цього лист простягається між двома валами, один з яких притискає його, а інший розігріває. Завдяки цьому, мікроскопічні частинки барвника як би вплавляються в структуру сторінки. Після виходу з печі, порошок досить швидко застигає, внаслідок чого надрукована картинка або текст стає досить стійким.

Слід також додати, що верхній ролик, який розігріває аркуш паперу, буває у вигляді термоплівки або тефлонового валу. При цьому другий варіант вважається більш довговічним та надійним. Однак він є дорогим і найчастіше використовується в девайсах, які повинні витримувати великі навантаження. Перший варіант є менш надійним і використовують його зазвичай для принтерів, призначених для малих офісів та використання в домашніх умовах.

Складно в наш час знайти людину, яка ніколи не чула б слова «лазер»Проте чітко уявляють, що це таке, вельми небагато.

За півстоліття з моменту винаходу лазери різних видівзнайшли застосування у широкому спектрі напрямів, від медицини до цифрової техніки. Так що ж таке лазер, який принцип його дії і для чого він потрібен?

Що таке лазер?

Можливість існування лазерів була передбачена Альбертом Ейнштейном, який ще в 1917 опублікував роботу, що говорить про можливість випромінювання електронами квантів світла певної довжини. Це було названо вимушеним випромінюванням, але тривалий час воно вважалося нереалізованим з технічної погляду.

Однак з розвитком технічних та технологічних можливостей створення лазера стало справою часу. У 1954 році радянські вчені М. Басов та А. Прохоров отримали Нобелівську преміюстворення мазера – першого мікрохвильового генератора, працюючого на аміаку. А 1960 року американець Т. Мейман виготовив перший квантовий генератор оптичних променів, названий ним лазером (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Пристрій перетворює енергію на оптичне випромінювання тонкої спрямованості, тобто. світловий промінь, потік квантів світла (фотонів) високої концентрації

Принцип функціонування лазера

Явище, у якому заснована робота лазера, називається вимушеним, чи індукованим, випромінюванням середовища. Атоми певної речовини можуть випускати фотони під дією інших фотонів, при цьому енергія фотона, що впливає, повинна бути рівною різниці між енергетичними рівнями атома до випромінювання і після нього.

Випромінений фотон є когерентним тому, що викликав випромінювання, тобто. точно подібний до першого фотону. Через війну слабкий потік світла у середовищі посилюється, причому не хаотично, а одному заданому напрямі. Утворюється промінь вимушеного випромінювання, яке отримало назву лазера.

Класифікація лазерів

У міру дослідження природи та властивостей лазерів було відкрито різні види цих променів. За видом стану вихідної речовини лазери можуть бути:

• газовими;
• рідинними;
• твердотільні;
• на вільних електронах.

В даний час розроблено кілька способів отримання лазерного променя:

• з допомогою електричного тліючого чи дугового розряду у газовому середовищі – газоразрядные;
• за допомогою розширення гарячого газу та створення інверсій населення – газодинамічні;
• за допомогою пропускання струму через напівпровідник із збудженням середовища – діодні чи інжекційні;
• шляхом оптичного накачування середовища лампою-спалахом, світлодіодом, іншим лазером тощо;
• шляхом електронно-променевого накачування середовища;
• ядерним накачуванням при надходженні випромінювання з ядерного реактора;
• за допомогою особливих хімічних реакцій- Хімічні лазери.

Всі вони мають свої особливості та відмінності, завдяки яким знаходять застосування в різних сферах промисловості.

Практичне використання лазерів

На сьогоднішній день лазери різних типівзастосовуються у десятках галузей промисловості, медицини, IT технологій та інших сферах діяльності. З їх допомогою здійснюються:

• різання та зварювання металів, пластмас, інших матеріалів;
• нанесення зображень, написів та маркування поверхні виробів;
• свердління надтонких отворів, прецизійна обробка напівпровідникових кристалічних деталей;
• формування покриттів виробів напиленням, наплавленням, поверхневим легуванням тощо;
• передача інформаційних пакетів за допомогою скловолокна;
• виконання хірургічних операцій та інших лікувальних впливів;
• косметологічні процедури омолодження шкіри, видалення дефектних утворень та ін;
• наведення на ціль різних видівозброєнь, від стрілецької до ракетної зброї;
• створення та використання голографічних методів;
• застосування у різних науково-дослідних роботах;
• вимірювання відстаней, координат, щільності робочих середовищ, швидкості потоків та багатьох інших параметрів;
• запуск хімічних реакцій щодо різних технологічних процесів.

Існує ще чимало напрямків, в яких лазери вже використовуються або знайдуть застосування найближчим часом.

Лазерні принтеризабезпечують високу якість, ніж струменеві принтери. Найбільш відомими фірмами – розробниками лазерних принтерів є Hewlett-Packard, Lexmark.

Принцип дії лазерного принтера заснований на методі сухого електростатичного перенесення зображення, винайденому Ч.Ф.Карлсоном в 1939 і реалізується також в копіювальних апаратах. Функціональна схема лазерного принтера наведено на рис. 5.6. Основним елементом конструкції є барабан, що обертається, що служить проміжним носієм, за допомогою якого здійснюється перенесення зображення на папір.

Мал. 5.6.Функціональна схема лазерного принтера

Барабанє циліндром, покритим тонкою плівкою світлопровідного напівпровідника. Зазвичай як такий напівпровідник використовується оксид цинку або селен. По поверхні барабана рівномірно розподіляється статичний заряд. Це забезпечується тонким дротом або сіткою, що називається коронувальним дротом, або коротроном. На цей провід подається висока напруга, що викликає виникнення навколо нього іонізованої області, що світиться, званої короною.

Лазер,керований мікроконтролером, генерує тонкий світловий промінь, що відбивається від дзеркала, що обертається. Розгортка зображення відбувається так само, як і в телевізійному кінескопі: рухом променя по рядку та кадру. За допомогою обертового дзеркала промінь ковзає вздовж циліндра, причому його яскравість змінюється стрибком: від повного світла до повної темряви, і так само стрибкоподібно (поточково) заряджається циліндр. Цей промінь, досягнувши барабана, змінює його електричний заряду точці дотику. Розмір зарядженої площі залежить від фокусування лазерного променя. Фокусується промінь за допомогою об'єктива. Ознакою хорошого фокусування вважають наявність чітких країв та кутів на зображенні. Для деяких типів принтерів у процесі заряджання потенціал поверхні барабана зменшується від 900 до 200 В. Таким чином, на барабані, проміжному носії, виникає прихована копія зображення у вигляді електростатичного рельєфу.

На наступному етапі на фотонабірний барабан наноситься тонер- фарба, що є найдрібнішими частинками. Під дією статичного заряду частинки легко притягуються до поверхні барабана в точках, що зазнали експозиції, і формують зображення вже у вигляді рельєфу барвника.

Папірвтягується з лотка, що подає, і за допомогою системи валиків переміщається до барабана. Перед барабаном корот-рон повідомляє паперу статичний заряд. Потім папір стикається з барабаном і притягує завдяки своєму заряду частинки тонера, раніше нанесені на барабан.

Для фіксації тонера папір пропускається між двома роликами з температурою близько 180 "С. Після закінчення процесу друку барабан повністю розряджається, очищається від прилиплих зайвих частинок для здійснення нового процесу друку. Лазерний принтер є посторінковим, Т. е. формує для друку повну сторінку.

Процес роботи лазерного принтера з моменту отримання команди від комп'ютера до виходу надрукованого аркуша можна розділити на кілька взаємопов'язаних етапів, під час яких задіяні такі функціональні компоненти принтера, як центральний процесор; процесор розгортки; плата керування двигуном дзеркала; підсилювач яскравості променя; блок керування температурою; блок керування подачею листа; плата керування протяжкою паперу; інтерфейсна плата; блок живлення; плата кнопок та індикації керуючої панелі; додаткові плати розширення ОЗП. По суті, функціонування лазерного принтера подібно до комп'ютера: той же центральний процесор, на якому зосереджені головні функції взаємозв'язку та управління; ОЗУ, де розміщуються дані та шрифти, інтерфейсні плати та плата керуючої панелі, що здійснюють зв'язок принтера з іншими пристроями, вузол друку, що видає інформацію на аркуш паперу.

Напевно, складно собі уявити людину в нинішньому суспільстві, яка ніколи не чула про комп'ютери та периферійну техніку для них. На сьогоднішній день дані пристрої стали практично незамінними в житті сучасних споживачів. Одним із допоміжних елементів для швидкої та зручної роботи є принтери. Як правило, подібну техніку можна зустріти практично в кожному офісі, а ось для домашньої експлуатації її придбання зустрічається набагато рідше. Тим не менш, багато хто знає про існування цих пристроїв, але далеко не всі розуміють принципи роботи принтера.

Розрізняють два основні типи друкувальних пристроїв - струменеві та лазерні. лазерного принтера, звичайно, не схожі на принцип дії так як і конструкція у них різна. На сьогоднішній день споживачі вважають за краще вибирати моделі з лазерним друком, аргументуючи це вищою якістю. Звичайно, такі моделі мають вартість набагато вищі, але якщо є постійна необхідність отримання якісного зображеннято ціна відходить на другий план.

Отже, у чому полягають принципи роботи лазерного принтера? Насамперед, слід зазначити, що вони засновані на особливостях конструкції необхідного зображення відбувається за електрофотографічною технологією. Вона полягає в тому, що кожна точка на аркуші розміщується в конкретному місці на сторінці за допомогою зміни спеціальної плівки. Вона, зазвичай, складається з напівпровідника, здатного змінювати електропровідність під впливом випромінювання. Така сама технологія зазвичай застосовується у ксероксах.

Якими б не були принципи роботи лазерного принтера, нічого б не вийшло без барабана, що обертається, що є головним конструктивним елементом всього пристрою, адже саме з його допомогою відбувається перенесення зображення на аркуш паперу. Він є якимось циліндром з металу, який покритий тією самою спеціальною напівпровідниковою плівкою. Насамперед поверхня цього барабана заряджається позитивними або негативними іонами.

Далі з допомогою лазера створюється найтонший світловий промінь, який переміщається барабаном, відбиваючись від кількох лінз і дзеркал. Точкове світло, що потрапляє на поверхню барабана, розряджає його в місці зіткнення. Лазером, як правило, управляє мікроконтролер, що включає і вимикає його за необхідності. Зазвичай формування зображення на барабані відбувається рядково. Після закінчення складання картинки в одному рядку, спеціальний двигун, званий також кроковим, злегка провертає барабан, щоб з'явилася можливість подальшої роботилазера. Таким чином, на поверхні циліндра з'являється зображення, що складається із заряджених точок. Ці точки чергуються з розрядженими, які розташовані в тих місцях, де не повинно бути зображення.

На наступному етапі принципи роботи лазерного принтера мають на увазі безпосереднє нанесення зображення на аркуш паперу. Перед цим на заряджені місця поверхні барабана налипає тонер, має протилежний заряд. При цьому барабан повільно обертається, щоб фарба рівномірно розподілялася. Продовжуючи обертатися, циліндр із нанесеним на нього тонером стикається з поверхнею паперу, внаслідок чого фарба переноситься на аркуш.

Далі папір має пройти між двома валами. Як правило, верхній вал має високу температуру, а нижній вал притискає лист до верхнього. Таким чином, частинки фарби нагріваються та закріплюються на поверхні паперу. В останню чергу барабан очищається від залишків тонера спеціальним пристосуванням, а потім на всю поверхню знову наноситься заряд.

Історія лазерних принтерів почалася в 1938 році з розробки технології друку сухим чорнилом. Честер Карлсон, працюючи над винаходом нового способу перенесення зображень на папір, використовував статичну електрику. Метод отримав назву електрографії і вперше був використаний корпорацією Xerox, що випустила в 1949 копіювальний апарат Model A. Однак для роботи цього механізму окремі операції потрібно виробляти вручну. Через 10 років створено повністю автоматичний Xerox 914, який вважається прообразом сучасних лазерних принтерів.

Ідея «намалювати» те, що пізніше має бути роздруковано, безпосередньо на копіювальному барабані лазерним променем належить Гері Старквітеру (Gary Starkweather). Починаючи з 1969 року компанія займалася розробкою і в 1977 році випустила серійний лазерний принтер Xerox 9700, який друкував зі швидкістю 120 сторінок за хвилину.

Апарат був дуже великим, дорогим, призначався виключно для підприємств та установ. А перший настільний принтеррозробила Canon у 1982, через рік – нова модель LBP-CX. Компанія HP в результаті співпраці з Canon у 1984 році розпочала виробництво серії Laser Jet і відразу ж зайняла лідируючу позицію на ринку лазерних принтерів для домашнього користування.

В даний час монохромні та кольорові друкувальні пристрої випускаються багатьма корпораціями. Кожна з них використовує власні технології, які можуть суттєво відрізнятися, але загальний принципроботи лазерного принтера уражає всіх пристроїв, а процес друку можна розділити п'ять основних етапів.

Друкуючий барабан (Optical Photoconductor, OPC) – це металевий циліндр, покритий фоточутливим напівпровідником, на якому формується зображення для подальшого друку. Спочатку OPC забезпечується зарядом (позитивним чи негативним). Зробити це можна одним із двох способів використовуючи:

• коротрон (Corona Wire), або коронатор;
• ролик заряду (Primary Charge Roller, PCR), або зарядний вал.

Коротрон є блоком з дроту і металевого каркасудовкола неї.

Провід коронатора – це вольфрамова нитка із вуглецевим, золотим або платиновим покриттям. Під дією високої напруги між дротом і каркасом виникає розряд, іонізована область (корона), що світиться, створюється електричне поле, яке передає статичний заряд фотобарабану.

Зазвичай у блок вбудовується механізм, що очищає провід, оскільки забруднення сильно погіршує якість друку. Використання коротрона має певні недоліки: подряпини, скупчення пилу, частинок тонера на нитці або її вигин може призвести до посилення електричного поля в цьому місці, різкого зниження якості роздруківок і, можливо, пошкодження поверхні барабана.

У другому варіанті конструкцію, що несе, з нагрівальним елементом усередині обгортає гнучка плівка, зроблена зі спеціальної термостійкої пластмаси. Технологія вважається менш надійною, використовується в принтерах для малого бізнесу та домашнього використання, де не очікується великих навантажень обладнання. Для запобігання прилипання аркуша до печі та закручування його навколо валу передбачено планку з відокремлювачами паперу.

Кольоровий друк

Для формування кольорового зображення використовуються чотири основні кольори:

• чорний,
• жовтий,
• пурпурний,
• блакитний.

Друк здійснюється за тим же принципом, що і чорно-біла, але принтер розбиває картинку, яку потрібно отримати, на монохромні зображення для кожного з кольорів. У процесі роботи кольорові картриджі переносять на папір свої малюнки, які накладення друг на друга дає підсумковий результат. Існує дві технології кольорового друку.

Багатопрохідна

У цьому способі використовується проміжний носій – вал чи стрічка перенесення тонера. За один оберт на стрічку наноситься один з кольорів, потім у потрібне місце подається інший картридж і поверх першого зображення накладається друге. За чотири проходи на проміжному носії формується повне зображення, яке переноситься на папір. Швидкість друку кольорового зображення в принтерах, що використовують цю технологію, у чотири рази менша, ніж монохромного.

Однопрохідна

Принтер включає комплекс із чотирьох окремих друкуючих механізмів під загальним управлінням. Кольорові та чорні картриджі вибудовані в лінійку, кожному відповідає окремий лазерний блок та ролик переносу, а папір проходить під фотобарабанами, послідовно збираючи всі чотири монохромні зображення. Лише після цього аркуш потрапляє до грубки, де тонер закріплюється на папері.

Друкуйте із задоволенням.