Цветные лазерные принтеры начального уровня. Часть 1.

Автор: Рустам Гайнуллин

Этой серией статей мы открываем обзор цветных лазерных принтеров начального уровня. В первой части приводится описание принципов работы современного цветного принтера, а также рассматриваются технологии цветопередачи. Вторая часть посвящена обзору однопроходных сетевых цветных принтеров формата А4, стоимостью от 1000 долларов. При этом основной упор при оценке делался не на качество печати, а на стоимость их эксплуатации.

Краткое описание работы цветного лазерного принтера

Архитектура форматтера современного принтера поддерживает многозадачную обработку данных, то есть обработка следующего задания начинается уже во время печати предыдущего. Это делает возможным одновременное использование всех имеющихся интерфейсов. Процесс обработки данных состоит из четырех этапов — загрузка в буфер, преобразование, растеризация, печать, показанных на следующем рисунке (для увеличения картинки, щелкните по ней мышью).

Каждый интерфейс имеет отдельный входной буфер с объемом, зависящим от скорости передачи, т.е. для сетевого интерфейса он больше, чем для параллельного. Поступившие данные в логическом порядке сохраняются в локальных буферах до освобождения основного буфера (host input buffer). Опрос локальных буферов и передача данных осуществляется с использованием SIO (simultaneous interface operation). Данные из основного буфера передаются в ESP (emulation sensing processor), который автоматически определяет язык поступивших данных или использует для обработки язык по умолчанию (при невозможности определения языка или принудительной установкее). Автоматический выбор основан на анализе первой страницы задания и сравнения ее с шаблонами в принтере. Это избавляет от постоянной необходимости выбора и переключения языка, что особенно актуально при удаленной печати.

Преобразованные данные в специальном сжатом формате сохраняются в специальной области памяти до окончания печати задания, что позволяет напечатать задание без повторной передачи данных при замятии бумаги или при печати нескольких экземпляров одного задания. Это позволяет увеличить скорость печати и уменьшить сетевой трафик. Если в принтере установлен жесткий диск, то часть его объема может быть использована для сохранения преобразованных данных. В момент готовности механизма к очередному циклу печати растеризатор очень быстро преобразует сжатые данные в четыре растровых изображения (только черное при монохромной печати). Они запоминаются в выходном буфере (frame buffer), расположенном в оперативной памяти принтера (жесткий диск из-за большого времени доступа не используется) и в дальнейшем печатаются при помощи механизма (print engine). Растрирование позволяет отобразить миллионы цветов при помощи только четырех основных.

Максимально получаемое разрешение зависит от объема выходного буфера. Его можно рассчитать по формуле (в МB с округлением до ближайшего целого размера памяти): 1,778 * (exp-10) * h * v * H * V, где h – горизонтальный размер носителя в мм, v – вертикальный размер носителя в мм, H – разрешение по горизонтали в dpi, V – разрешение по вертикали в dpi, S – число сторон (1 или 2), C – число цветов (один или четыре). При монохромной печати с разрешением 1200х1200 dpi на листе формата А4 необходимо минимум 16 Мбайт, при цветной печати — 64 Мбайт. Для двухсторонней печати эти значения в 2 раза больше.

Работа механизма с карусельным расположением картриджей происходит следующим образом. Луч лазерного блока (laser unit, у HP он называется лазер-сканер), попадая на поверхность фотобарабана (OPC — organic photoconductive) снижает потенциал засвеченных точек. Предварительно барабан равномерно заряжается отрицательным зарядом с помощью зарядного ролика (charging roller). Лазерный луч отражаясь от вращающегося зеркала в виде шестигранной призмы перемещается только по горизонтали. Вертикальное сканирование обеспечивается прокручиванием фотобарабана. Черный тонер является магнитным и состоит из полимерных и магнитных частиц, цветной — немагнитный и состоит только из полимерных частиц.

Тонер при нанесении на поверхность барабана получает отрицательный заряд. Для создания потенциального рельефа на поверхности барабана используется напряжение смещения, состоящее из постоянной и переменной составляющих. Переменная составляющая создает облако тонера для опыления барабана, то есть проявления скрытого изображения. Картриджи трех цветов соприкасаются с барабаном только при вращении карусели, имеющей три фиксированных угловых положения. Расположение цветных картриджей внутри карусели уменьшает габариты механизма. Размещенный отдельно картридж с черным тонером всегда находится в контакте с барабаном. Когда засвеченная лазерным лучом область приближается к валу проявки (developing cylinder), частицы заряженного тонера притягиваются к поверхности барабана (image drum) за счет разности потенциалов между валом проявки и барабаном, затем изображение послойно создается на барабане переноса. Эта операция повторяется четыре раза для каждого цвета и отпечаток переносится на страницу. Барабан переноса заряжается во время печати положительным напряжением смещения при помощи коротрона (post charge unit) для притягивания тонера с барабана. Этот процесс происходит после каждого цикла. При цветной печати напряжение смещения при переносе последующих слоев увеличивается для неизменной эффективности проявления. Во время переноса желтого тонера отрицательный заряд уменьшается. Отрицательное напряжение смещения применяется для увеличения эффективности переноса черного тонера.

Предварительно положительно заряженный до некоторого потенциала (зависит от типа носителя и условий окружающей среды) носитель прижимается к барабану при помощи ремня переноса (транспортного ремня). Так как ремень переноса имеет высокое поверхностное удельное сопротивление, напряжение смещения уменьшается между страницами для снижения избыточного заряда барабана переноса. Отрицательное напряжение смещения, поданное на ремень переноса в конце цикла, перемещает остатки тонера с ремня на барабан переноса, а затем, через поверхность барабана, при помощи ракеля в емкость для сбора тонера (waste toner). Бумага отделяется от барабана за счет ее гибкости и разности потенциалов с поверхностью барабана. При дуплексной печати (или при использовании пленки) на коротрон переноса (transfer charge) подается переменное напряжение смещения для предотвращения электрического разряда между ремнем переноса и носителем. В условиях высокой температуры или влажности переменное напряжение смещения не применяется, так как избыточный заряд не образуется. Положительное напряжение смещения подается на очищающий ролик для удаления остатков тонера с барабана переноса. Этот ролик соприкасается с барабаном переноса при повороте кулачка, управляемого электромагнитом. В результате контакта ролика положительное напряжение смещения прикладывается к барабану переноса для увеличения заряда тонера на поверхности барабана. Затем напряжение смещения отключается, а ролик отводится от барабана. После завершения цикла печати ролик очистки заряжается отрицательно и снова прижимается к барабану переноса для удаления тонера. Знак напряжения смещения на поверхности барабана отрицательный, на барабане переноса — положительный, а так как остатки тонера заряжаются положительно, то они притягиваются с барабана переноса к поверхности барабана, откуда удаляются во время цикла его очистки.

В однопроходных машинах отсутствует барабан после транспортного ремня, а имеются четыре барабана в картриджах для каждого цвета, что избавляет от необходимости четыре раза прокручивать узел переноса. При этом отпечаток переносится на носитель непосредственно с транспортным ремнем. Печка нагревает нанесенный тонер до температуры плавления и запекает его на поверхности носителя для предотвращения его стирания. Затем отпечатанный лист транспортируется в выходной лоток. Несмотря на то, что созданное изображение состоит из нерегулярной структуры отдельных мелких точек, зрение интегрирует его и воспринимает как единое целое.

При расчете стоимости печати и создания запаса расходных материалов следует учитывать, что их ресурс указывается именно при 5% заполнении, которого обычно никогда не бывает, несмотря на заверения производителей о типичной офисной печати. Это показывают приведенные ниже образцы То есть при реальной работе ресурс меньше в 2–3 раза (при печати фотографий в обрез листа в 15–20 раз). Заполнение страницы не влияет только на ресурс барабана переноса . Еще один момент касается плотности используемой бумаги. Стало модно печатать визитные карточки на цветном принтере. Обычно карточки печатаются на бумаге плотностью 210 gsm, а принтер позволяет печатать при использовании нижнего лотка на бумаге 60–120 gsm. При использовании дуплекса диапазон становится 75–163 gsm. То есть бумагу 120–216 gsm следует загружать только в MPT (для принтера OKI C7300N заявлено максимальное значение 230 gsm).

Различия в цветопередаче монитора и принтера

Цвета подразделяются на хроматические и ахроматические. К последним относятся черный, белый и различные оттенки серого. Остальные цвета относятся к хроматическим. Человеческое зрение имеет самый широкой цветовой диапазон, гораздно уже дипазон ПЗС сканера и цифрового фотоаппарата, монитор воспроизводит уже только 16,7 млн. цветов используя цвета RGB 256-ти уровней интенсивности, а принтер еще меньше, несмотря на использование CMYK тех же относительных насыщенностей. Это приводит к тому, что монитор воспроизводит цвета за пределами цветовой гаммы принтера. Это наглядно отображено на рисунке.

Из этой диаграммы следует, что один и тот же цвет можно получить при смешивании различных исходных цветов или два одинаковых цвета при одном освещении совершенно различны при другом для зрения. Серые (ахроматические) цвета получаются добавлением черного цвета. Смешение двух любых аддитивных цветов создает вторичный насыщенный цвет.

Существует цветовое пространство HSB, принципиально отличающееся от RGB учетом яркости (относительного положения в ахроматическом ряду).

Помимо этого все цвета на экране ЭЛТ формируются излучаемым светом аддитивных первичных цветов (красный, зеленый и синий), а принтер печатает субтрактивные цвета (голубой, пурпурный, желтый и черный), которые наблюдаются в отраженном свете. Принципиальное различие этих способов цветовоспроизведения может явиться причиной несоответствия цветов на распечатанном изображении и мониторе, то есть не реализуется важный принцип what you see is what you get (WYSIWYG). Например, смешение аддитивных цветов (красного, зеленого и синего), в полном сответствии с законами оптики дает белый цвет.

Смешение (то есть печать краской на бумаге) основных субтрактивных цветов: голубого, пурпурного и желтого дает черный цвет.

Прежде всего несовпадение цветов относится к оттенкам синего (который превращается в пурпурный), хотя может действовать и в отношении других цветов. В свою очередь принтер может, например, напечатать определенные оттенки желтого цвета, которые нельзя точно воспроизвести на экране ЭЛТ. Все это приводит к необходимости управления цветом (калибровки), то есть устранения программным путем исправимых ошибок. Начиная с Windows 98 используется icm 2.0 (image color management), поддерживающий профили icc, но позволяющий пользователю ничего не указывать. ОС применяет один из профилей sRGB. Наиболее точным является подход с использованием цветовых карт RGB (color palettes), демонстрирующих возможность воспроизведения принтером цветовой гаммы RGB. Для каждого цвета карты указаны соответствующие ему значения красной, зеленой и синей компонент. Использование этих значений в прикладной программе позволяет точно согласовать цвета. Например для проверки правильности цветопередачи принтера Phaser 6250 можно распечатать цветовые карты CMYK (18 л.), RGB (12 л.), HSB (Hue, Saturation, Brightness-12 л.), представляющие собой окрашенные прямоугольники с различными значениями цветовых компонент. Карты имеются в формате всех популярных графических программ (Illustrator, InDesign, Photoshop, XPress, Freehand, CorelDraw и т.д.). Разрабатывается стандарт scRGB, отличающийся от sRGB более широкой гаммой цветов, улучшенной шкалой градаций и 16-ти битным описанием каждого цвета. В аппаратных устройствах планируется внедрение стандарта sRGB64.

Практически все устройства ввода изображений, мониторы и большая часть созданных документов используют RGB, а пространство CMYK используется в издательских и графических системах для печати. PCL драйвер поддерживает только RGB, для CMYK следует использовать PS драйвер. Для более точной цветопередачи RGB можно использовать icc (international color consortium) профили с выбором входного (сканер, монитор, цифровой фотоаппарат) и выходного (принтер) профилей. Обе группы используются для создания соответствующего набора. Например Pantone (1089 цветов), CRD (color rendering dictionary) и др. Использование CRD (который управляет только RGB) было основным методом до внедрения icc. Главным преимуществом icc перед CRD является использование гибких профилей вместо фиксированных (translation tables). Эта функция работает не со всеми программами, но в большинстве профессиональных графических программ имеется функция выбора источника цветового пространства ввода и вывода.