KLAIPĖDOS UNIVERSITETAS
GAMTOS IR MATEMATIKŲ MOKSLŲ FAKULTETAS
FIZIKOSKATEDRA
Referatas
Lazeriniaispausdintuvai
(Лазерные принтеры)
Parengė: II kurso, If-1 gr.studentė
LIDIJABELČIKOVA
Klaipėda,2003
Содержание:
I Историяпечатающих средств[1]
История развития лазерных принтеров[1]
II Физический принцип работы лазерногопринтера[1] [2][4]
Формирование изображения [1]
Принцип действия [1][4]
Цветная печать [1] [2]
Основные характеристики лазерныхпринтеров [1]
III Физические процессы [1] [2][3]
Технология изготовления фоторецепторов [2][3]
Процесс ксерографии [2] [7]
Виды коротронов [2]
Формирование изображения [2]
Проявление [2]
Перенос [2]
Отделение [2]
Закрепление [2]
Очистка [2]
Фотобарабан [1]
Лазер [3][6]
IVИтоги
Список источников литературы
Приложение №1
Теория полупроводников [3][5]
Фотоэлектрический эффект [3][6]
Часть I
Историяразвития [1]
Из истории печатающих устройств
История печатинеразрывно связана с развитием письменности и языка, литературы,искусства, науки и техники. Давным-давно, когда ещё не было печатающихустройств, все документы, книги и т. п. воспроизводились вручную. Дляотображения информации использовались камень, дерево, бронза, папируси другие носители. Древнейшие египетские папирусы относятся к XXVвеку до н. э. ВЕгипетской Александрийской библиотеке хранилось огромное число рукописей,написанных на папирусе. Первые греческие, римские и египетские книги, написанные в IXвеке до н. э., имели форму свитка. Вдревнем Риме производство книг приобрело коммерческий характер: книги переписывались специально обученными рабами.
В средние века вЕвропе переписыванием книг занимались монахи. Переписчиков обучаликаллиграфии и умению украшать книгу маленькими рисунками. Создание книги требовалобольшого труда и искусства. Писец сидел, склонившись над листом, и гусиным перомстарательно выводил строчкуза строчкой заказанной ему книги. За день самый усидчивый и опытный писец мог переписать не более 10—15страниц.
Огромное значение имело изобретениебумаги в Китае во IIвеке н. э. Однако в Европе вплоть до XIIвека в качестве материала для письмаиспользовалсяпергамент, изготавливаемый из кожи животного. В VIIвеке в Европе дажепоявился указ, согласно которому все документы должны были исполнятьсятолько на пергаменте.
Своимрождением печатающие устройства обязаны изобретению в Китае в
началеXIвека подвижныхлитер, которые изготавливались из глины и
дерева.После того как в XIVвеке в Корее были изготовлены металлические
подвижныелитеры, книгопечатание получило широкое распространение.
Истинныйпереворот в книгопечатании произвел Иоганн Гутенберг, который изобрелручной словолитный прибор — аппарат для отливки слов и печатный станок(около 1445 г.). Этот станок (рис. 1.1) в течение нескольких веков являлсяв Европе единственным печатным аппаратом.
Pис. 1.1
Печатный станок Гутенберга
Только в XVIIIвеке был построен металлическийпресс с усовершенствованным механизмом для прижима бумагик форме, а в 1863 г. У. Буллоном (США) быласконструирована первая ротационная печатная машина, печатающая на«бесконечной» ленте. Спустя три года его соотечественником К. Шеллсомсобрана первая пишущая машинка, получившая название «ремингтон». ВРоссии первая оригинальная полиграфическая машинка была предложена в1870 г. М.И. Алисовым (рис. 1.2, а). А в 1889 г. Вагнер (США)сконструировал печатающую машинку с открытым шрифтом, т. е. при печати натакой машинке был виден набираемый текст (рис. 1.2, б). Эта машинка и явиласьпрототипом большинства современных электрических пишущих машинок.
Рис. 1.2. Пишущая машинка Алисова(а) и одна из первых пишущих машинок открытого типа (6)
Первые моделипринтеров фактически явились модернизацией электрических пишущихмашинок. Дополненные портами ввода, дешифраторами цифрового кода,например, ASCIIи устройствамиэлектромагниного управления для каждой клавиши, принтеры на базе пишущихмашинок оказались весьма удобными (для своего времени) устройствами и в60-х и 70-х годах получили достаточно широкое распространение. Принтерподдерживал единственный стандартный шрифт, «намертво» отштампованный налитерах рычажного типа, а редкие модели, использующие сменные поворотные головки,например, типа «ромашка» (рис. 1.3) зачастую для смены шрифтатребовали выполнения ряда сложных операций. Основным неудобством была«одноязычность» принтера.
Рис. 1.3
Принцип работы принтера типа «ромашка»: 1 — бумага; 2 — электромагнит; 3 — молоточек;
4 —лепестковая головка («ромашка»);
5 —красящая лента
Однако уже в тегоды принтер превосходил по скорости печати и неутомимости любуюквалифицированную машинистку.
Потребительскиесвойства принтера удалось резко повысить с возникновением игольчатых(матричных) устройств. В этих печатающих устройствах символы дляпечати формируются в виде матрицы точек, которые наносятся на бумагукончиками стержней, ударяющими по красящей ленте. Игольчатые принтеры, вотличие от своих предшественников, поддерживали разнообразные шрифты иалфавиты. С ноября 1982 г. фирма IBMприступила к выпуску игольчатых принтеров, обеспечивающихвоспроизведение точечных графических изображений.
Появлениеигольчатых принтеров было крупным шагом в развитии печатающих устройств. Однако недостатки, присущие игольчатым принтерам (высокийшум, низкое качество и монохромностьизображения и др.), вынуждали фирмы-изготовители искать новые методы печатикомпьютерной информации. Поэтому велисьразработки по созданию новых технологий печати.
Былисконструированы термические принтеры, механизм печати которых похож намеханизм игольчатых принтеров, однако в качестве печатной головки в нихиспользуется матрица нагревательных элементов и специальная бумага,пропитанная термочувствительным красителем. Достоинством этих принтеровявляется низкий уровень шума при работе, компактность, надежность и отсутствиебольшинства заправляемых материалов. К сожалению, принтеры, использующиетехнологию термопереноса, не получили широкого распространения. Скорость печатии качество оставались низкой, а бумага — дорогостоящей.
Более удачнойоказалась разработка технологии струйной печати. За 15 лет разрешающаяспособность струйных принтеров возросла почти в 20 раз
В начале 80-х годов появились первыелазерные принтеры. Среди современнойкомпьютерной периферии едва ли найдется устройство, вобравшее в себя больше технологических достижений, нежелилазерный принтер. Своим названием эти принтеры обязаны входящему в ихсостав маленькому лазеру (мощностью не более нескольких сот милливатт). Лазер,дающий очень узкий направленный пучок монохромного излучения, используется кактончайшее перо, которым на фотобарабане рисуется заданное изображение.
Краткая история развития лазерного принтера [1]
Толчком к созданию первых лазерныхпринтеров послужило появление новойтехнологии, разработанной фирмой Canon. Специалистами этой фирмы,специализирующейся на разработке копировальной техники, был создан механизмпечати LBP-CX. Фирма Hewlett-Packardвсотрудничестве с Canonприступила к разработке контроллеров, обеспечивающих совместимость механизмапечати с компьютерными системами PCи UNIX. Принтер HPLaserJetвпервые былпредставлен в начале 1980-х годов. Первоначально конкурируя с лепестковыми иматричными принтерами, лазерный принтер быстро завоевал популярность во всеммире. Другие компании-разработчики копировальной техники вскоре последовалипримеру фирмы Canonи приступили кисследованиям в области создания лазерных принтеров. Toshiba, Ricohи некоторые другие, менееизвестные компании, тоже были вовлечены в этот процесс. Однако успехи фирмы Canonв области создания высокоскоростныхмеханизмов печати и сотрудничество с Hewlett-Packardпозволили им добиться поставленнойцели. В результате на рынке лазерных принтеров модель LaserJetвплоть до1987-88 годов занимала доминирующее положение.Следующей вехой в истории развитиялазерного принтера явилось использование механизмов печати с большей разрешающейспособностью под управлением контроллеров, обеспечивающих высокую степеньсовместимости устройств.
Другим важнымсобытием явилось появление цветных лазерных принтеров. Фирмы XEROXи Hewlett-Packard(далеесокращенно называемая HP) представили новое поколение принтеров, которые использовали язык описания страниц PostScriptLevel2,поддерживающий цветное представление изображения и позволяющий повысить какпроизводительность печати, так и точность цветопередачи. Язык принтера PCL6 такжеподдерживает расширенные цветовые возможности представления изображений дляпринтеров серии HPColorLaserJet.Часть II
Принципдействия [1][2][4]
Формированиеизображения [1]
Лазерные принтерыформируют изображение путем позиционирования точек на бумаге (растровый метод).Первоначально страница формируется в памяти принтера и лишь затемпередается в механизм печати. Растровое представление символов играфических образов производится под управлением контроллера принтера. Каждыйобраз формируется путем соответствующего расположения точек в ячейках сетки илиматрицы, как на шахматной доске (рис. 2.1).
Растроваятехнология в значительной степени отличается от векторной, используемой вперьевых графопостроителях. При использовании векторной технологииизображение формируется путем построения линий из одной точки в другую.
Рис. 2.1
Растровый метод формирования образа
Принципдействия [1][4]
Лазерныепринтеры, получившие наибольшее распространение, используют технологиюфотокопирования, называемую еще электрофотографической, котораязаключается в точном позиционировании точки на странице посредствомизменения электрического заряда на специальной пленке из фотопроводяшегополупроводника. Подобная технология печати применяется вксероксах. Принтеры фирм HPи QMS, например,используют механизм печати ксероксов фирмы Canon.
Важнейшимконструктивным элементом лазерного принтера является вращающийсяфотобарабан, с помощью которого производится перенос изображения на бумагу.Фотобарабан представляет собой металлический цилиндр, покрытый тонкой пленкойиз фотопроводящего полупроводника (обычно оксид цинка). По поверхности барабанаравномерно распределяется статический заряд. С помощью тонкой проволоки илисетки, называемой коронирующим проводом. На этот провод подается высокоенапряжение, вызывающее возникновение вокруг него светящейся ионизированной области,называемой короной.
Отклоняющее
Лазер,управляемый микроконтроллером, генерирует тонкий световой луч, отражающийся отвращающегося зеркала. Этот луч, попадая на фотобарабан, засвечивает нанем элементарные площадки (точки), и в результате фотоэлектрического эффекта вэтих точках изменяется электрический заряд.
Отклоняющее зеркало
Рис. 2.2
Функциональная схема лазерного принтера
эффекта в этих точках изменяетсяэлектрический заряд. Для некоторых типов принтеров потенциал поверхностибарабана уменьшается от -900 до -200 В. Таким образом, на фотобарабаневозникает копия изображения в виде потенциального рельефа.
На следующемрабочем шаге с помощью другого барабана, называемого девелопером (developer), нафотобарабан наносится тонер — мельчайшая красящая пыль. Под действиемстатического заряда мелкие частицы тонера легко притягиваются к поверхностибарабана в точках, подвергшихся экспозиции, и формируют на немизображение (рис. 2.3).
Рис.2.3. Создание копии изображения на фотобарабане
Лист бумаги изподающего лотка с помощью системы валиков перемещается к барабану. Затем листусообщается статический заряд, противоположный по знаку заряду засвеченныхточек на барабане. При соприкосновении бумаги с барабаном частички тонера сбарабана переносятся (притягиваются) на бумагу.
Рис. 2.4. Обобщенная схемаработы лазерного принтера
Для фиксациитонера на бумаге листу вновь сообщается заряд и он пропускается междудвумя роликами, нагревающими его до температуры около 180°—200°С (если выхоть раз ставили пирог со сладкой начинкой в духовку, то знаете, кактяжело разделить пропеченные компоненты). После собственно процессапечати барабан полностью разряжается, очищается от прилипших частицтонера и готов для нового цикла печати. Описанная последовательностьдействий происходит очень быстро и обеспечивает высокое качество печати.
В светодиодномпринтере для засвечивания барабана вместо лазерного луча, управляемого спомощью системы зеркал, используется неподвижная светодиодная строка(линейка), состоящая из 2500 светодиодов, которой формируется не каждая точка изображения, ацелая строка (рис. 2.5). На этом принципе,например, работают лазерные принтеры фирмы OKI.
Рис. 2.5
Формированиеизображения с помощью LED-технологии
Цветная печать [1][2]
При печати нацветном лазерном принтере используются две технологии.
В соответствии с первой, широко используемой до недавнего времени, на фотобарабане
последовательнодля каждого отдельного цвета (Cyan, Magenta, Yellow, Black) формировалосьсоответствующее изображение, и лист печатался за четыре прохода, что,естественно,
Рис. 2.6 Универсальная тестоваятаблица
сказывалось на скорости и качестве печати. В современных моделях (например, HPColorLaserJet5) в результатечетырех последовательныхпрогонов на фотобарабан наносится тонер каждого из четырех цветов. Затем присоприкосновении бумаги с барабаном на нее переносятся все четыре краскиодновременно, образуя нужные сочетания цветовна отпечатке. В результате достигается более ровная передача цветовыхоттенков, почти такая же, как при печати на цветных принтерах с термопереносом красителя.
Соответственно вцветных лазерных принтерах используются четыре ёмкости для тонеров. Принтеры этого классаоборудованы большим объемом памяти,процессором и, как правило, собственным винчестером. На винчестересодержатся разнообразные шрифты и специальныепрограммы, которые управляют работой, контролируют состояние и оптимизируютпроизводительность принтера. Цветные лазерные принтеры имеют довольно крупные габариты и большую массу.
Технология процесса цветной лазернойпечати весьма сложна, поэтому и цены нацветные лазерные принтеры еще очень высоки.
Основныехарактеристики лазерных принтеров [1]
Лазерный принтер является сложнымоптико-механическим устройством, которое,независимо от конструктивного исполнения, характеризуется большимколичеством различных параметров. С потребительской точки зрения все параметрыможно разбить на группы, определяющие:качество печати; скорость печати; удобство в эксплуатации; экономичность работы; дополнительные возможности.Часть III
Физическиепроцессы [1][2] [3]
В основе работы,как копировального аппарата, так и лазерного принтера лежит процесс сухойксерографии[1] (лат. xeros — сухой иgraphos — писать). В свою очередь он базируется на электростатическойфотографии.
В основеэлектростатической фотографии лежит способность некоторых полупроводниковуменьшать свое удельное сопротивление под действием света. Такие полупроводникиназываются фотопроводниками и используются для изготовления фоторецепторов.
Основные характеристики фотопроводников перечислены ниже:
1. Спектральная чувствительность — характеризует способность фотопроводникареагировать на излучение различных длин волн. Ни один фотопроводник не можетодинаково реагировать на различные длины волн. Некоторые типы фоторецепторовслабо реагируют на голубой цвет, который вообще не воспроизводится на копии,некоторые слабо реагируют на желтый цвет. В идеале фотопроводник долженодинаково хорошо передавать все цвета, однако обычно этого не происходит.
2. Фотоэлектрическаячувствительность (скорость формирования изображения) — это величина,характеризующая скорость уменьшения заряда на фоторецепторе при освещении егосветом заданной интенсивности. Чем меньше остаточная величина заряда нафоторецепторе после его экспонирования, тем выше качество копии. Эта величина может зависеть отматериала, срока эксплуатации и состояния проводника.
3. Скорость темновой утечки — величина, характеризующая, как быстро фотопроводник теряет заряд в темноте. Этосвязано с тем, что полупроводник, из которого изготовлен фоторецептор, хотя иприобретает в темноте свойства диэлектрика, но все же не может хранить зарядтак долго, как это могут делать диэлектрики.
4. Усталость материала — этоявление, возникающее при многократном и частом экспонировании фоторецептора.Усталость материала может возникать и при засветке солнечным светом (пользовательвытащил картридж и оставил его на солнце барабаном вверх). Усталость материалаприводит к увеличению скорости темновой утечки заряда, а в некоторыхслучаях наоборот к сохранению заряда на поверхности после экспонирования.
5. Устойчивость к внешнимвоздействиям — эта характеристика определяет способность фотопроводникасохранять свои свойства как можно дольше при механическом контакте с бумагой.Бумага, при правильном использовании аппарата, является наиболее важнымфактором естественного износа фоторецептора. Поэтому шероховатая бумага,неправильно обрезанная и т.д. сокращает срок службы фоторецептора. Хотя самабумага практически не контактирует с фоторецептором, однако жесткие волокна бумагимогут попадать под ракельный нож. Кроме того, срок его службы сокращаютразличные химические вещества, которые могут попасть на него с бумаги или сдругого источника, а также механические повреждения.
6. Кристаллизация — процесспреобразования атомов фотопроводника из аморфной структуры в упорядоченную,кристаллическую. При этом фотопроводник теряет свои свойства. Такой процесснельзя остановить, но можно замедлить при правильном обращении с проводником.
7. Начальный потенциал — этопотенциал на поверхности фоторецептора, при котором накапливаемый заряд равензаряду, утекающему в подложку. Обычно фоторецептор заряжают до потенциала ниженачального, чтобы избежать его повреждения.
8. Остаточный потенциал — потенциал, который остается на освещенных участках фоторецептора послеэкспонирования. При экспонировании фоторецептор быстро теряет заряд доопределенной величины, затем скорость утекания заряда значительно снижается.Высокий остаточный потенциал способствует притягиванию частиц тонера наосвещенные участки, что приводит к фону на копии.
Эти характеристики фотопроводника тщательноанализируются при выборе его в качестве фоторецептора для копировальногоаппарата либо принтера. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОРЕЦЕПТОРОВ [2] [3]
Фоторецепторыобычно наносятся на алюминиевый полый цилиндр. В качестве фоторецептора служиллибо селен и его соединения, либо органические соединения (подложка).
Органическийфоторецептор двухслойный. Первый слой — слой, в котором осуществляется переносзаряда, под ним — слой в котором генерируется заряд. За ним идет тонкий слойоксидной пленки, который предотвращает утекание заряда в подложку. Подложка — последний алюминиевый слой.
Селеновыйфоторецептор состоит из «ловушечного слоя», представляющего собойестественную оксидную пленку. Этот слой уменьшает скорость темновой утечкизаряда. За ним идет фотопроводящий слой, алюминиевая оксидная пленка иподложка.
Существует двавида фоторецепторов: ленточные и цилиндрические. Первые обычно используются ваппаратах с очень высокой скоростью, поскольку позволяют обеспечивать болеевысокую скорость экспонирования. ПРОЦЕСС КСЕРОГРАФИИ [2][7]
Рис.3.1процесс ксерографииЗарядка[2]
Зарядкафоторецептора — это процесс нанесения равномерного заряда определенной величинына поверхность фоторецептора. Зарядка производится коротроном. Существуетнесколько их видов, которые мы рассмотрим ниже.
Для зарядки накоротрон подается высокий потенциал с помощью высоковольтного блока. Междукоротроном и фоторецептором образуется разность потенциалов в несколькокиловольт, что приводит к ударной ионизации воздуха (коронный разряд) и ионынакапливаются на поверхности фоторецептора. Часть электронов с заземленнойподложки стекает на землю, при этом в материале подложки, вблизи границы сфотопроводником возникает избыточный заряд, противоположный заряду наповерхности фоторецептора. Экран коротрона заземляют, чтобы разностьпотенциалов между фоторецептором и коронной проволокой не уменьшалась,поскольку эта разность должна превышать пороговое напряжение короны (напряжение,ниже которого не возникает коронный разряд).
Виды коротронов [2]
Обычныйкоротрон представляет собой тонкую проволоку из устойчивого к окислениюматериала, натянутую на металлическом экране. При загрязнении или окислениипроволоки происходит ухудшение качества копии. При загрязнении экрана возможнопроскакивание искры между экраном и коротроном, что приводит к необратимомувыгоранию фоторецептора.
Скоротрон — зарядное устройство, позволяющее получить более равномерный заряд поверхностифоторецептора. В нем кроме проволоки используется сетка, на которую такжеподается напряжение.
Дикоротрон — позволяет еще более точно регулировать величину заряда. Он состоит из двухактивных элементов: коронода и экрана. На коронод подается переменноенапряжение порядка 5-6 кВ, а на экран — постоянное 1-3 кВ. При этомположительные ионы перемещаются от коронода к экрану, а отрицательные — кфоторецептору.
Коротронслужит источником характерного запаха озона, исходящего от копировальногоаппарата во время работы. Следует отметить, что при использовании хорошихфильтров и их своевременной замене запах не ощущается. В настоящее времяфирмы-произвотели переходят на безозоновую технологию. Формирование изображения [2]
После зарядкина фоторецептор подается изображение, которое в копировальных аппаратахосвещается мощным источником света и проецируется через систему зеркал. Дляувеличения и уменьшения изображения служит объектив с изменяемым фокуснымрасстоянием. Скорость барабана должна быть согласована. Изображение со стеклаэкспонирования освещается лампой и через систему зеркал проецируется нафоторецептор. Те места на фоторецепторе, на которые падает свет, теряют свойпотенциал. Таким образом, на фоторецепторе остается рисунок оригинала в видезаряженных участков. Экспонирование[2]
На этапеэкспонирования на поверхности фоторецептора получается скрытоеэлектростатическое изображение. Рассмотрим этот процесс более подробно.
До началаэкспонирования поверхностный заряд фоторецептора удерживается на месте за счетвзаимодействия с зарядом противоположного знака, находящегося на границезаземленной подложки и фоторецептора.
До попаданиясвета на фотопроводящий слой количество свободных носителей зарядов в нем мало,а удельное сопротивление — велико. Фактически электроны в фотопроводнике послезарядки смещаются из равновесного положения, но они еще находятся в своихмолекулах. Такое смещение положительных и отрицательных зарядов в молекуленазывается поляризацией.
Рассмотримупрощенную модель процесса, который происходит при освещении фоторецептора.Будем считать, что фоторецептор заряжен положительным зарядом.
При попаданиисвета на фотопроводник в нем происходит генерация свободных носителей заряда.Электрон той молекулы, которая расположена ближе к поверхности слояперемещается по направлению к положительном иону на поверхности. Этоперемещение нейтрализует часть положительных ионов на поверхности. В то жевремя молекула в верхнем слое остается положительно заряженной. Отсутствиеэлектронов в молекуле называют «дыркой». Тип проводимости, прикотором основными носителем заряда являются дырки, называют дырочной. Придырочной проводимости происходит перемещение электронов из одного атома всоседний. Результатом этого является перемещение положительных зарядов — дырок- в направлении, противоположном движению электронов.
Послепопадания света на фоторецептор электростатическое поле на поверхностифотопроводника изменяется. Оно действует уже не между зарядом на поверхностифоторецептора и подложкой, а межу «верхней» молекулой и подложкой.
Электроны,находящиеся снизу от «верхней» молекулы, немедленно реагируют наположительный заряд и начинают перемещаться к «верхней» молекуле,чтобы нейтрализовать часть возникшего заряда. Миграция электронов приводит ктому, что положительный заряд от «верхней» молекулы переходит кмолекуле из следующего, «второго» слоя молекул фотопроводника.
При этомэлектростатическое поле возникает между молекулой «второго» слоя иподложкой. Дырка соответственно перемещается от «верхней» молекулы кмолекуле из «второго» слоя. Процесс повторяется до тех пор, покадырка не перейдет к молекуле фотопроводника, ближайшего к подложке. В этомслучае электроны перемещаются от подложки к фотопроводнику, чтобынейтрализовать положительный заряд. Проявление[1]
Проявление — этопроцесс формирования изображения на фоторецепторе тонером.
Тонерпредставляет собой мелкодисперсный порошок, частицы которого состоят изполимера или резины и красящего вещества (для черного тонера обычноиспользуется сажа).
Возможны дваварианта проявления — однокомпонентное и двухкомпонентное. Рассмотрим вначаледвухкомпонентный способ.
Двухкомпонентныйспособ используется только в случае отрицательной зарядки фоторецептора.
Тонер из бункерачерез специальное дозирующее устройство подается в бункер с носителем. Носитель(девелопер) представляет собой частицы магнитного материала, покрытогополимером.
Прилипание тонерак носителю происходит за счет трибоэлектризации (электризации трением). Впроцессе трения частицы тонера и носителя приобретают различные заряды и тонерравномерно покрывает носитель.
Носитель в своюочередь прилипает к магнитному валу, который представляет собой полый вал спостоянными магнитами внутри. Вал, покрытый носителем с тонером входит внепосредственный контакт с фоторецептором, в результате че