Технология работы струйного принтера

Технология работы струйного принтера

Александр Баулин

Создать шедевр очень просто — поучитесь у Леонардо да Винчи, Рубенса и Ван Гога. Но в XXI в. принято творить в цифровом виде, так как это гарантирует произведению практически вечную жизнь. Однако настоящие ценители по-прежнему предпочитают лицезреть картины на твердых носителях — бумаге, холсте и т. п. Поэтому в творческом процессе появляется еще один важный этап — печать цифрового изображения.

Взгляд внутрь дюзы

Казалось, все типы струйной печати уже придуманы и не изменятся: пьезоэлектрическая у компании Epson, термоэлектрическая у корпораций HP и Lexmark, наконец, пузырьково-струйная у Canon. Пьезоэлектрическая печатающая головка принципиально отличается устройством выброса чернил: капля выстреливается, как ядро катапультой, металлической пластиной, приводимой в движение пьезоэлектрическим кристаллом, который быстро изменяет свой объем при приложении напряжения. Термоэлектрическая и пузырьково-струйная между собой схожи: капля нагревается, вследствие чего под ней образуются пары, которые и выталкивают ее со скоростью до 12 м/с. Нечто подобное происходит при выливании масла на раскаленную сковородку, только в печатной головке температура составляет 600 °С, а подводимая мощность достигает 2 млн. Вт/м². Ранее в устройствах компании Canon ось сопла дюзы располагалась перпендикулярно нагревательному элементу, но в последних моделях инженеры развернули его на 90°, как это давно реализовано в печатающих головках фирм HP и Lexmark (см. также «Мир ПК», № 5/01, с. 28). Тем не менее остались отличия: размеры сопла у Canon очень маленькие, пузырек отсекает улетающую каплю от остальных чернил, предотвращая появление «сателлитных капель» (брызг). У печатных головок предыдущего поколения сопло имело звездообразный разрез, что уменьшало вероятность появления брызг, теперь же отверстие просто круглое.

Пьезоэлектрическая (сверху) и термоэлектрическая печать

Пьезоэлектрический способ формирования капли, применяемый в продукции компании Epson, при большем, чем у конкурентов, диаметре сопла обеспечивает формирование капель разного размера (технология Variable Size Droplet). Величина, на которую изменяется объем пьезоэлектрика, зависит от значения приложенного к нему напряжения. Варьируя его, инженеры Epson добились получения капель различного размера. Отсутствие нагревания капли и технология Active Meniscus Control (активный контроль мениска) предотвращают возникновение брызг. Контроль мениска, т. е. поверхности чернил, состоит в изменении напряжения на пьезоэлектрике на противоположное после выстрела капли. В результате объем чернильной камеры увеличивается и создается пониженное давление, которое затягивает обратно образовавшиеся брызги. Минимальный объем капли у Canon и Epson составляет менее 2 пл, у Lexmark — 3 пл, а у НР — около 4 пл.

Сколько в поле воинов?

Расположение сопел на печатающей головке (Lexmark)

Как известно, один в поле не воин, поэтому большое значение компании придают расположению дюз в печатной головке. Компания Lexmark в картриджах моделей Z65 и Z55 упаковала в шахматном порядке большие сопла для десятипиколитровых капель и маленькие для трехпиколитровых (технология Drop Size Variability — изменение размера капли). Хотя устройство ее нагревательных элементов не позволяло варьировать размер капель, технологическая новация преодолела это ограничение. Но все изменчиво в этом мире: фирма Canon, ранее также использовавшая технологию получения капель разных размеров, теперь отказалась от нее, посчитав более эффективным большое количество сопел с малым диаметром. Чтобы достичь высокой плотности дюз, она изготовляет печатающую головку литографическим методом (на кремниевой подложке, как процессоры). Такой подход позволил Canon выпустить промышленный принтер (литографический процесс изготовления — дорогое удовольствие) с головкой шириной 15 см, т. е. оригиналы формата А5 печатаются за один проход. Кроме того, такой подход обеспечивает отсутствие искривлений в канале для вылета капли. С той же целью Lexmark для нарезания сопел пользуется эксимерным лазером: в результате диаметр 3-пл дюз составляет 11 мкм, седьмую часть диаметра человеческого волоса!

Чтобы обеспечить нагревание капли, к головке, естественно, надо подводить энергию в виде тока. Соответственно на печатной головке приходится оставлять место для электрических контактов. Еще пять лет назад количество сопел и контактов было сравнимым, порядка шестидесяти тех и других. Но в современных печатающих головках уже от 500 до 3072 дюз, а количество контактов менее 30.

Для ускорения вывода изображения в Lexmark заменили последовательное расположение дюз (сначала циан (голубой), затем маджента (пурпурный), последний — желтый) на параллельное. В результате они накладываются последовательно, но за один проход, а не за три. В компании Canon сдвинули блок сопел для черных чернил относительно цветного, чтобы они могли печатать параллельно. Ранее приходилось задерживать вывод черных точек на один проход, иначе цветные чернила не успевали просохнуть.

Порядок рассадки в квартете

В известной басне Крылова никакое пересаживание с места на место не помогло, а вот в струйной печати строгий порядок наложения красок позволяет добиться передачи цветов с фотографической точностью. Известно, в каких пропорциях надо смешать базовые цвета (голубой, пурпурный, желтый, черный), чтобы получить нужный оттенок. Однако специалисты Canon обратили внимание, что при наложении, скажем, голубого на пурпур и пурпура на голубой результаты несколько различаются. Поэтому в блок сопел для цветных чернил ввели еще три ряда, расположенные симметрично базовым (технология Advanced Precision Color Distribution). Теперь при проходе накладываются последовательно голубой, пурпур, желтый, а затем в обратном порядке желтый, пурпур, голубой — финальный оттенок точно известен.

Общий подход к расширению цветовой гаммы состоит в использовании фотокартриджей, в которые добавлены светло-голубой и светло-пурпурный компоненты. Их плотность у разных компаний колеблется, но всегда низкая — 15—20% от плотности чернил базовых цветов. В результате натуральнее передаются светлые оттенки за счет более плотного заполнения красителем. Например, вместо одинокой пурпурной точки участок фотографии заполняется пятью светло-пурпурными. Однако дальнейшие подходы к созданию оттенков несколько различаются.

Например, Epson первой предложила шестицветную печать, а НР, наоборот, долго обходилась четырьмя базовыми компонентами, добиваясь разнообразия оттенков за счет применения технологии PhotoRET III. Но бурное развитие цифровой фотографии побудило ее ввести шестицветную печать в фотопринтерах. Как и у конкурентов, были добавлены «фотоцвета» — светло-пурпурный и светло-голубой. Быстро сменились поколения принтеров с технологией PhotoRET IV на аппараты с PhotoRET Pro. Суть технологии состоит в том, что для получения нужного оттенка точки в область, где она должна появиться, падает до 39 капель одного из шести базовых цветов. При их смешивании можно получить более 72 млн. оттенков. Человеческий глаз такого их количества не различает, но они дают плавные цветовые переходы.

При формировании изображения компании Epson (технология AcuPhoto Halftoning) и Lexmark также используют несовершенство человеческого глаза, применяя дизеринг. То есть нужный оттенок получается за cчет того, что изображения нескольких близкорасположенных точек разного оттенка в нашем глазу сливаются и вместо набора желтых и голубых точек мы видим оттенок зеленого.

Для получения нужного цвета немаловажно расположение точек: например, у компаний НР и Canon они должны попасть точно одна на другую, а у Epson и Lexmark — оказаться поблизости друг от друга (иначе не сольются в глазу). Поэтому наряду с уменьшением размера капли производители наращивают разрешение аппаратов. Так, при плотности сопел, обеспечивающей разрешение 1200 точек на дюйм (тнд), головка в горизонтальном направлении способна позиционироваться со сдвигом на половину или четверть диаметра сопла. В результате получается так называемое оптимизированное разрешение 4800х1200 тнд (у Epson 5760х1440 тнд). Заметьте, что оно указывается только для цветных изображений, черно-белые не требуют такой детализации, и производители обычно ограничиваются 1200 тнд. Оптимизированность заключается в том, что размер точек все равно соответствует 1200 тнд, а повышение разрешения позволяет рисовать плавные изогнутые линии.

Итак, само по себе разрешение не является гарантией высокого качества изображения; важны еще такие аспекты, как взаимное расположение точек и способы получения полутонов. Но поверхность, на которую падают чернила, — не посторонний наблюдатель, она принимает самое живое участие в процессе.

Водой не разольешь

Взаимодействие чернил с бумагой — краеугольный камень технологий получения качественного отпечатка всех производителей принтеров. Этот процесс во многом зависит от типа применяемых чернил, которые можно разделить на водорастворимые и пигментные. Водорастворимые чернила легко растворяются в воде, их используют обычно для цветных красителей, так как они дают широкий цветовой охват. При падении на бумагу чернильный раствор впитывается в волокна, окрашивая их. Таким образом, вся поверхность рисунка закрашивается практически непрерывным слоем. Кроме того, они дают достаточное количество оттенков, чтобы обеспечить плавную цветопередачу.

Наилучшее качество получается при печати на бумаге с покрытием и тем более на фотобумаге. При растворении в воде краситель не теряет своих химических свойств и может вступать в реакцию со специальным покрытием этих носителей. Производители подбирают такой состав фотобумаги, чтобы выполнялись следующие условия:

после химической реакции бумаги с каплей не должно происходить неконтролируемого изменения оттенка получаемой точки. Иначе о фотографическом качестве можно забыть - драйвер думает, что печатает траву зеленой, а она получается цвета морской волны. Более того, у современных принтеров драйвер учитывает тип бумаги, на которой идет печать. Как раз чтобы сформировать правильный цвет;
капля должна прочно "схватиться" за участок, на который упала, не успев растечься. Иначе из-за смешивания капель не придется рассчитывать на дизеринг. Перед инженерами НР эта проблема стоит несколько менее остро, так как в технологии PhotoRET предусмотрено перемешивание капель. Однако при несоответствующем покрытии краска будет растекаться сильнее, пятна станут заметны глазу и нарушится плавность перехода одних оттенков в другие. Кроме того, после химической реакции чернил с бумагой смыть их с листа водой уже невозможно. Из водорастворимого красителя они превращаются в новое вещество с очень низкой растворимостью в воде;
капли должны высыхать быстро, чтобы предотвратить растекание чернил и смазывание их пальцами нетерпеливого пользователя. При печати на термоструйном принтере фотографий "на долгую память" дайте изображению как минимум две-три минуты, чтобы "схватиться". А перед помещением в рамку оно должно пролежать сутки.

В последнее время производители уделяют большое внимание печати на обычной офисной бумаге. Приходится подбирать формулу красителя так, чтобы он с ней взаимодействовал. Есть и иной путь. Компании Canon и Lexmark пробовали пользоваться стабилизатором, нанося его на лист и подготавливая таким образом для капли любую поверхность. Но это оказалось слишком дорого и на данный момент признано неперспективным.

Вы заметили, что мы сказали только о цветных чернилах? Потому что для черного цвета производители обычно используют пигментные чернила, дающие четкий контур, — это особенно важно при печати букв. Но и здесь есть свои исключения. Технология PhotoRET Pro отличается от предшественницы PhotoRET IV как раз тем, что для печати используются еще три цвета: черный и два оттенка серого. Все дополнительные чернила — водорастворимые, что позволяет быстро печатать качественные фотоизображения.

Компания Canon также планирует выпустить пяти-цветный принтер i865 для корпоративного применения к картриджам с цветными и пигментными черными чернилами, у которого будет добавлена емкость с водорастворимыми черными красками, что должно повысить качество печати картинок.

Против ластика и спирта

Второй тип чернил — пигментные, в которых частички краски не растворяются полностью в воде, а образуют мелкую взвесь. Три производителя используют их для печати четкого черного текста, а компания Epson и вовсе делает на них ставку в своем лучшем фотопринтере Stylus Photo 2100 (чернила UltraChrome) и в двух «рабочих лошадках» — Stylus C63 и С84 (DURABrite).

Пигментные чернила практически «втыкаются» в поверхность листа и поэтому не поддаются смыванию водой. Расстояние между волокнами у обычной офисной бумаги несколько больше размера пигментных частиц. Поэтому конструкция картриджа предусматривает их обволакивание оболочкой, которая помогает им удерживаться на поверхности, а кроме того, защищает от выцветания при воздействии солнечных лучей. Еще одна находка инженеров Epson — гидрофобность пигментных чернил DURABrite. Даже на офисной бумаге в каждой точке молекулы их краски собираются вместе, не растекаясь с водой по волокнам.

Структура пигмента цветных чернил DURABrite

Переход на печать только пигментными чернилами теоретически решает проблемы с водостойкостью отпечатков. Они неплохо держатся даже при перечеркивании спиртовым маркером, а это, поверьте, нелегкое испытание. Чернила DURABrite (предназначенные для недорогих четырехцветных принтеров) быстро стабилизируются и на обычной офисной бумаге, причем обеспечивают широкий цветовой охват.

Однако у первого поколения пигментных чернил ColorFast фотопрофессионалы отмечали проблемы с цветопередачей при изменении типа источника света. Для исправления этого недостатка было разработано второе поколение пигментных чернил для фотопринтеров — UltraChrome. В них используется семь цветовых компонентов: к трем базовым цветам добавляются «фотоцвета» светло-голубой и светло-пурпурный с 25%-ной плотностью относительно голубого и пурпурного, а также черный матовый и черный глянцевый. Такой подход позволяет расширить диапазон оттенков черного цвета, передаваемого на рисунках, упростить подбор нужного.

Сразу стоит заметить, что и этот ход не дает тотального превосходства — в отдельных областях конкуренты достигают тех же результатов с помощью водорастворимых чернил. Например, у фотопринтеров Canon цветовой охват не меньше, чем у аналогичных аппаратов Epson. А печать недорогих принтеров Lexmark на офисной бумаге также выдерживает испытание маркером. Для пигментных чернил, как и для водорастворимых, производители гарантируют наилучший результат только при использовании фирменной фотобумаги.

Как попасть в цвет?

Напомним, что первый «шестицветник» выпустила компания Epson, а НР стала последним производителем, который применил для фотопечати шестицветные картриджи. В 2002 г. Lexmark решила перейти на четыре цвета, но в 2003 г. вернулся к шести. Видимо, такой подход дает объективные преимущества по качеству и цветовому охвату. Однако чтобы напечатать правильный оттенок, его надо сначала получить. В наше время для этого обычно используются цифровые камеры. Профессионалы для точной цветопередачи обрабатывают компьютерное изображение перед печатью. Чтобы уменьшить их временные затраты, а заодно помочь пользователям получать точные цвета, производители вводят технологии, сохраняющие исходные цвета. На данный момент принтеры всех производителей поддерживают стандарт Exif 2.2, который сохраняет основные параметры изображения при его съемке. Компания Epson расширила набор сохраняемых параметров в технологии PIM II, которую поддерживают 11 производителей цифровых камер. Корпорация НР использует расширенное цветовое пространство sRGB: в нем отмечается положение каждой точки, а затем конвертируется в значение, доступное устройству вывода (цветовые охваты, скажем, у принтера и монитора различны).

На полученные отпечатки будут воздействовать свет, воздух (в первую очередь молекулы озона) и влага, изменяя оттенки. Формулы чернил разрабатываются с учетом всех этих факторов. Например, мелкие капли улучшают качество картинки, но содержат меньше красителя, чем крупные, значит, под действием света он выгорит быстрее. Мы уже упоминали, каким образом этого удается избежать: пигментные чернила заключены в полимерную оболочку, краски на водной основе вступают в реакцию с фирменной фотобумагой.

По данным производителей, их отпечатки не выцветают десятки лет! Не стоит безоговорочно доверять этим цифрам, так как их получают на основе «быстрых» тестов. Скажем, устойчивость к свету проверяется под мощной лампой. Потом ее яркость делится на яркость освещения в помещении и делается вывод о долговечности изображения. Но время коварно, и комплексное воздействие света и газов может в несколько раз сократить указанный производителем срок. Самые ценные картинки лучше продублировать в цифровом виде. Имеет смысл немного помочь производителям: подождите несколько минут, пока чернила стабилизируются. А лучше выдержите образец сутки и спрячьте под стекло — тогда газы и влажность ему точно станут уже не страшны. Компания Canon в своей фотобумаге использует пластиковую основу. В результате газам не подступиться к молекулам красителя — сверху «сплав» чернил и бумаги, снизу и по краям пластиковая оболочка — готовая «рамочка».

Интересно, что большинству пользователей фотографическая точность при передачи цветов не по душе. Компания Canon включила в драйверы функцию Vivid, обеспечивающую более сочные цвета по сравнению с реальными. А фирма Lexmark и вовсе разработала целых три региональные цветовые таблицы, где учтены предпочтения европейцев, американцев и азиатов при выборе оттенков.

Сервисные функции

Так как большинство новых технологий, о которых рассказано выше, используются в фотопринтерах, то пользователи ожидают от них качественного изображения. Но есть и другие факторы, иногда выходящие на первый план: удобство пользования, скорость или невысокая цена. В конкурентной борьбе производители не могут закрыть на них глаза, совершенствуя только качество изображения.

Еще один производитель ввел оптический сенсор за два года, прошедшие с нашей предыдущей публикации о струйных технологиях, — примеру НР последовала компания Lexmark. Принцип работы тот же: лист подсвечивается лазером и два датчика анализируют отраженный и рассеянный свет. Бумага с покрытием отражает лучше, без — хуже. Но у Lexmark сенсор стоит до печатной головки, и, анализируя данные с двух датчиков, драйвер подстраивается под тип бумаги (если пользователь укажет соответствующую опцию). Также сенсор позволяет проводить автокалибровку картриджей.

Благодаря оптическому сенсору компания НР реализовала технологию Proof Sheet. Набор картинок, хранящихся на флэш-карте или компьютере, печатается на одном листе. Пользователь отмечает галочкой самые интересные, оптический сенсор распознает галочки и дает команду на их печать уже в полноформатном виде. У Epson подобная технология реализована в МФУ, приходится пользоваться сканером для распознавания галочек.

Сенсор же дает механизму сигнал, что данный лист напечатан и пора подавать следующий. В принтерах компании Canon его заменяет подающее устройство релейного типа (Relay Feeding ASF): входящий лист размыкает контакт, как только он замыкается, нужно посылать другой. Для более точного позиционирования листа пошаговые двигатели в Canon сменили на линейные. Последние несколько сложнее конструктивно, но зато практически не имеют дискретности шага.

У компании Lexmark технология AccuFeed предотвращает захват нескольких страниц или замятие листа. Подача носителя производится специальной системой, состоящей из щупа с высоким трением, который выдвигается из основания с низким трением. Прилагаемое усилие постепенно наращивается до тех пор, пока чуть-чуть не превысит силу трения (вроде того, как мы, смочив палец, листаем книгу). Подаваемая страница останавливается роликами, которые вращаются таким образом, что препятствуют ее дальнейшему движению. Если какой-то край уехал вперед, он упирается в ролики и «ждет», пока приедет противоположный. Затем направление вращения меняется и лист подается дальше. У компании НР для фотопринтеров предусмотрен вынимающийся лоток, также снабженный хитрой системой подачи, исключающей замятие носителей.

Чтобы не пришлось постоянно менять типы бумаги, производители делают двойные лотки: в один кладется фотобумага, а в другой — обычная. Или в один — формата А4, в другой — А6. Выбор типа носителя производится в управляющей программе, а у принтеров Canon вручную, что, конечно, менее удобно. Самые совершенные модели имеют дополнительные возможности — печать на компакт-дисках (Canon, Epson), длинном рулоне фотобумаги, который потом разрезается на фотографии формата А6 (10х15 см) либо на панорамные снимки встроенным в принтер резаком (Epson).

Lexmark в 2003 г. наконец присоединился к остальным участникам рынка, научив свои принтеры печатать в край, т. е. без полей. Для струйных принтеров самое сложное в таком подходе — не дать чернилам вытечь за край листа. Обычно для этого служит уплотняющий валик.

Однако обратимся вновь к устройству картриджей. Хоть и сказано о них уже немало, но они ведь непосредственно обслуживают печатающую головку принтера. В 2003 г. компания Canon вернулась к конструкции раздельных печатающей головки и чернильной емкости. Теперь головка рассчитана на весь срок службы принтера. Компания НР наконец ввела раздельные картриджи, которые ранее уже использовали Canon и Epson. Очевидно, и Lexmark в будущем освоит этот подход, так как при нем пользователь выбрасывает только действительно пустую чернильную емкость. А в совмещенных картриджах приходится выкидывать емкости сразу с тремя цветами, даже если опустела всего одна. Конечно, у этой палки есть второй конец — при смене картриджа на принтере компании Lexmark пользователь меняет и печатную головку, самую важную деталь в принтере. Если она засорится, засохнет или сломается, пользователям других принтеров придется бежать в сервис-центр, а владельцу принтера Lexmark достаточно купить новый картридж.

При контроле за объемом чернил в картридже по-прежнему большинство производителей полагаются на программный счетчик, оценивающий количество срабатываний каждой дюзы печатающей головки. Зная, сколько капель было сформировано, драйвер рассчитывает оставшееся количество чернил. Только Canon для контроля использует еще и физический метод. В ее картриджах емкость разделена на две части, в одной из которых установлена губка. Когда во второй части кончаются чернила, луч перестает отражаться от призмы на дне картриджа и драйвер получает сигнал, что краситель имеется только в половине с губкой. Известно, что в этот момент остается примерно 10% чернил, в программе управления печатью происходит коррекция объема чернил. Картриджи всех производителей, если они содержат идентификационные микросхемы, используют их и для записи уровня оставшихся чернил. Таким образом, даже когда картридж вынут из принтера, информация об уровне чернил в нем не теряется.

Современный мир — цифровой

Хотя живем мы не в «Матрице» (надеюсь), но «цифра» окружает нас со всех сторон, и производители струйных принтеров это давно поняли. В этом году компания Lexmark присоединилась к остальной тройке со своим первым принтером, имеющим встроенный считыватель флэш-карт. Пока отставание на одно поколение чувствуется — ее фотопринтер не может работать с твердотельными носителями в отсутствие ПК. Остальные производители способны похвастаться такой функцией. Для удобства пользователя они даже предлагают модели с ЖК-мониторами диагональю 4—6 дюймов, позволяющими со всеми удобствами выбрать и откадрировать изображение перед печатью. Кроме кадрирования в струйные принтеры понемногу встраивают и эффекты, которые обычно реализовывались на ПК. Так, в аппаратах НР можно обработать фотографию «цифровой вспышкой», а на устройствах Epson добавить красивую рамочку.

Каждая из компаний Canon, Epson и HP имеет технологию подключения через USB фирменных камер. Однако, видно, пришла пора подумать о пользователе. Новый стандарт PictBridge обеспечивает совместимость между цифровыми камерами и струйными принтерами и будет поддерживаться тремя вышеупомянутыми производителями. Физический уровень стандарта — USB-интерфейс, однако не исключено, что со временем будут добавлены и другие интерфейсы.

Наше цифровое время еще и беспроводное. Поэтому НР уже объявила о выпуске моделей с поддержкой беспроводных стандартов. Компания Epson реализовала подключение своего принтера к Bluetooth c помощью внешнего адаптера (Stylus Photo С935). А Canon и Lexmark пока присматриваются к тем перспективам, которые сулят беспроводные соединения.