激光打印机原理

3.63.6 激光打印机的基本原理激光打印机的基本原理 激光打印机是 20 世纪 60 年代 Xerox 公司发明的，采用的是电子照相(Electro-photo-graphy) 技术。该技术利用激光束扫描光鼓，通过控制激光束的开与关使传感光鼓吸与不吸墨粉，感光鼓再把 吸附的墨粉转印到纸上而形成打印结果。激光打印机的整个打印过程可以分为控制器处理阶段、墨影 及转印阶段。 与针式打印机和喷墨打印机相比，激光打印机有非常明显的优点。高密度。激光打印机的打印分 辨率最低为 300DPI，还有 400DPI、600DPI、800DPI，甚至是 1200DPI，达到了照相机的水平。高速 度。激光打印机的打印速度最低为 4ppm，一般为 12ppm、16ppm，有些工作组用激光打印机的打印速 度可以达到 24ppm噪声低。一般在 53dB 以下，非常适合在安静的办公场所使用。处理能力强。 激光打印机的控制器中有 CPU，有内存，控制器相当于计算机的主板，所以它可以进行复杂的文字处 理、图像处理、图形处理。 3.6.13.6.1 激光打印机的工作原理激光打印机的工作原理 激光打印机与复印机的打印过程基本相同。首先，计算机把需要打印的内容转换成计算机读得 懂的代码，然后再把这些代码传送给打印机。这时，打印机语言再把这些代码破译成点阵的图样。破 译后的位图样被送到激光发生器，激光发生器根据图样的内容迅速作出开与关的反应，把激光束投射 到一个经过充电的旋转鼓上，鼓的表面凡是被激光照射到的地方电荷都被释放掉，而那些激光没有照 到的地方却仍然带有电荷。 举例来说，如果在打印机语言所生成的位图中，只有在第三行第三 列处有一个圆点，其余部分都是空白，于是激光发生器便只在这个位置发出一束激光，照射到感应鼓 上，其余位置激光发生器都保持关的状态。这时感应鼓的表面只有第三行第三列处的那个点不带电荷， 而其余部分仍然保持充电的状态，这时激光打印机有两种处理方法：只对这个点进行上色，其余部 分不上色(产生出白底黑点)；只对其余部分上色，对这个点不上色(产生出黑底白点)。第一种处理 方法被称为“写黑“，第二种处理方法则被称为“写白“。很明显，如果在这个例子中我们想以写白的方 式打印出一个黑点，那幺我们必须让激光照遍感应鼓表面除这个点之外的所有位置(注意激光的作用 只是放电，而不是充电)，换句话说，也就是保证只有这个点带电，其余部分的电荷都被激光释放掉。 在这种情况下，由于激光束必须照遍除这个点之外的所有区域，因此打印机需要相当一段时间才能打 印出这个小小的黑点。在大多数环境中，打印机实际需要打印的部分最多只占整个页面的 1/3，因此 今天大多数激光打印机都采用写黑的方式打印，这样可以缩短激光扫描的时间。 当然，激光打印机的整个打印过程并不仅仅包括激光发生器和感应鼓，还有很多其它部件也都 参与了打印作业。下面就按照打印过程的先后顺序，将这些部件作一介绍。 1.打印机控制器 打印机控制器负责接收从主机传来的打印资料，并把这些数据转换为图像。打印机控制器需要 处理很多程序，包括与主机通信、解释主机的打印命令、格式化打印内容(即准备创建图像，包括设 定纸张大小、边页、选择字体等)、光栅化(创建位图像)，最后将图像送往打印引擎。不同的打印机 语言对控制器发出不同的命令，不同的生产厂商又使用不同的方法来设计他们各自的打印机控制器。 2.打印装置 打印装置是一组电子与机械相结合的系统，它能把打印机控制器生成的位图形打印出来。打印 装置有自己的处理器，用来控制引擎与电路。一般说来，打印装置由以下部件构成：激光扫描装置、 感应鼓、硒鼓、显影装置、静电滚筒、黏合装置、纸张传送装置、清洁刀片、进纸器和出纸托盘。下 面对其中一些主要部件的工作方式进行系统的介绍。 激光扫描装置激光扫描装置 有时也被称为“光栅输出扫描设备(ROS)“，包括一个激光发生器，旋转镜和一个透镜。 激光发生器把激光投射在感应鼓表面所有需要打印的点上，而在不需要打印的地方则保持关闭状态 (写白式打印机则刚好相反)。激光发生器本身是固定的，激光束通过一个旋转镜来实现激光在感应鼓 表面的横向移动。激光发生器与旋转镜必须设计得极为精密，才能保证它们同步工作，并将激光准确 地投射到正确的点位。激光在感应鼓表面的纵向移动则由感应鼓本身的旋转来实现。 感应鼓感应鼓 也称“受光器“，或直接称为“鼓“。感应鼓通常呈圆柱体，表面极为光滑。它的表面可以被静 电充电，这种静电一遇到强光便会被释放掉。 硒鼓硒鼓 硒鼓是用来盛碳粉的装置。有些打印机的硒鼓与感应鼓装在一起，被称为“打印组件“。碳粉是 从许多特殊的合成塑料炭灰、氧化铁中产生的。 显影装置显影装置 实际上就是一条覆盖有磁性微粒的滚轴。这些带有磁性的微粒附着在滚轴的表面，就像一 个极为精细的“刷子“。 纸张传送装置纸张传送装置 这个装置通过两根由电动机驱动的滚轴来实现对纸张的传送。纸张由进纸器开始， 经过感应鼓、加热滚轴等部件，最后再被送出打印机。激光打印机中的滚动设备，如感光鼓、磁性滚 轴和走纸滚轴的转动必须是同步进行的，它们的速度必须保持一致才能确保精确的打印输出。一般来 说，这些滚轴都是以走纸装置为中心，通过互相啮合的齿轮来实现同速转动。 黏合装置黏合装置 纸张经过传送装置经过感应鼓时，鼓表面所附着的碳粉又被吸附到纸的表面，这时纸的 表面虽然由碳粉形成了图像，但是这些碳粉对纸张的吸附力并不很强，稍强一点的风就可以把这些碳 粉吹离纸的表面。为了使碳粉永久地附着在纸张表面，必须对碳粉进行黏合处理。我们知道，碳粉的 原料是合成塑料炭灰，这种材料在高温状态下可以熔化。熔化后的碳粉再凝固，就可以永久地粘在纸 张表面，在激光打印机内部有两根紧靠在一起的非常热的滚轴，它们的作用便是对从其间经过的纸张 加热，使碳粉熔化从而黏合在纸张的表面。 3.6.23.6.2 激光打印机的技术指针激光打印机的技术指针 评价一种激光打印机，应当从速度、分辨率、打印机语言三个方面入手，其次还应该考虑激光 打印机的兼容性能以及寿命等。传统上认为激光打印机最重要的特点还是以下几个因素。 1.速度 不同种类的激光打印机其速度也有放大差别。激光打印机的速度是以 ppm 或 ipm 为计量单位的。 ppm 是英文 Pages Per Minute 的缩写；ipm 是 Images Per Minute 的缩写，意为“每分钟图像数“。大 部分打印机制造商所提供的打印速度一般是指打印机的最高打印速度，这个速度往往就是打印引擎 (打印机内运送纸张的机械装置)的最大速度。但是，这个速度只有当打印机在打印那些内容比较简单 的文件，如纯文本文件时，才有可能达到。现实中的文件几乎没有是以纯文本格式打印的，因此这些 打印机一般不会像说明书里所形容的那幺快。不过，也有一些厂家(如惠普)给出的最快打印速度是指 打印机在打印既有文字、又有图形的文件时的打印速度。虽然这样给出的速度看起来似乎是保守了一 些，但这些打印机几乎总是以这样的速度进行工作。 2.分辨率 分辨率是指激光打印机在一定的区域内所能打出的点数。激光打印机打出的图像实际上就是点 的矩阵，这样产生出的图像被称为“位图图像“。比如说某台激光打印机的分辨率为 600DPI，这是指这 台激光打印机能在每平方英寸内打出 600600 个点。 3.打印机语言 打印机语言就是控制打印机工作的命令，打印机按照这些命令来处理计算机传来的打印资料， 并最终打印出美丽的文字与图像。这些打印命令被计算机软件嵌入打印资料，通常不在屏幕上显示。 打印机语言大体上可分为两类：一种是页面描述语言(PDL)，另一种是 Escape 码语言。 3.6.33.6.3 激光式印字机的组成激光式印字机的组成 不同机型的产品，尽管某些组成部件有不同的特征，但基本组成大致相同。 高速和中速机型的光源都是采用气体(He-Ne)激光器，用声光(AO)调制器对激光进行调制。为拓 宽调制频带，由激光器发生的激光束，需经聚焦透镜进行聚焦后再射入 AO 调制器。根据打印信息对 激光束的光强度进行调制，为使打印光束在感光体表面形成所需的光点直径，需经扩展透镜进行放大。 为使光束在感光体上进行全程扫描，需对光束进行偏转，为此需采用光偏转器，一般都使用多 面转镜。采用半导体激光器(LD)的打印机，可以对 LD 直接进行调制，无需用 AO 调制器，而其余部分 基本相同。 作为激光式打印机的核心部件是激光写入部件和多面转镜。以下仅就这两种关键部件的有关技 术问题及其精度要求，作简短叙述。 1.激光写入部件 激光写入部件，即激光写入头也称激光打印头。包括以下部分： (1)光源 作为光源的激光，除特殊机型例外，早年的大型高速设备都用 He-Ne 激光，近年来大力发展的 中低速机型大多用半导体激光(Laser Diode)。 半导体激光器的芯片可作到 0.5mm 以下，包括散热板在内也不超过数厘米，由于可以直接调制 激光器的驱动电流，能实现高达吉赫兹频带的高速调制，而且不需要光调制器，因此可以实现小型化。 (2)光调制器 根据打印信息对激光束的调制方法，有利用电光效应的 EO 调制器，也有利用声光效应的 AO 调 制器。 (3)光学系统 为使激光束在感光体上生成打印所需的印点，需要一套复杂的光学系统。这套光学系统的组成， 大致有为使散射的光束变细的聚焦透镜，为扩大光束的扩展透镜以及光束整形透镜等一组透镜群。 (4)光偏转器 光偏转器，也是为实现激光扫描记录的重要部件之一。最近，投放市场的各种型号的激光式打 印机大多都采用多面转镜。 2.多面转镜 激光式打印机的记录方式，就是对高速转动的感光鼓或高速传动的感光带(统称感光体)用激光 束进行高速扫描的一种光栅扫描记录方式。 根据需要记录的图像信息，对激光束的光强度调制成为像素(Picture Element)，使像素按记录 信息要求集合成图像。激光式打印机的打印质量，在很大程度上受像素排列精度的影响。一般对像素 排列精度的要求应达到像素尺寸 l/4l/10 的程度。光束在两个扫描方向上的位置变动必须控制在 1025m 以下。 (1)像素排列误差 光束在主扫描和副扫描两个方向上的扫描位置的变动，即像素排列误差，主要是由下述一些因 素产生的。 主扫描方向 偏转器的偏转角度误差。 由于存在光束位置检测误差和时钟同步误差，在打印图像的纵向会产生锯齿状。 副扫描方向 偏转器(多面转镜)拐角的角度变化。 感光鼓转动无效行程(或感光带传动的无效行程)，在打印图像的横向会发生粗细不等的变化。 (2)多面转镜的组成 多面转镜(Polygonal Scanner)是一种用正多角柱的侧面作镜面，并由电机驱动高速转动的多面 镜，也是一个由多面镜和电机组装为一体的组合体。 多面转镜的性能，将直接影响到像素的排列精度，所以对多面镜和电机转速的精度要求是很高 的。 (3)镜面精度 图图 3-493-49 多面转镜的镜面精度与主扫描方向的位置变动多面转镜的镜面精度与主扫描方向的位置变动 多面转镜的各镜面，主要是采用精密压铸和抛光工艺制成镜面。各镜面之间的边缘接口处都有 一个凸形状的拐角。假设把其中一个镜面加工成圆弧镜面，把其它镜面称理想镜面，并把这种多面镜 作为一种模型，试比较主扫描方向位置变动的关系，具体如图 3-49 所示。 (4)多面镜拐角精度 多面镜的接口拐角，在各镜面的偏转方向都存在有垂直角度的变动量1,具体如图 3-50 所示。 图图 3-503-50 多面镜拐角与光束位置变动多面镜拐角与光束位置变动 (5)法兰盘间隙精度 图图 3-513-51 法兰盘间隙精度法兰盘间隙精度 电机上安装多面镜用法兰盘的间隙精度会导致多面镜在电机转动轴上的安装角度误差，具体如 图 3-51 所示。 3.6.4 激光式印字机的结构 图图 3-523-52 激光打印机的内部构造示意图激光打印机的内部构造示意图 激光打印机的机械结构十分复杂，但大部分最重要的部件如：墨粉、硒鼓(感光鼓)显影辊、初 级高压电晕放电线及转移电晕线等都装在一个可取下的盒子中，墨粉用完后，可将硒鼓更换。图 3-52 是激光打印机的内部构造示意图。 打印的影像在位于墨粉盒中央的硒鼓上形成，然后黑色的墨粉由显影轧辊转到鼓上，再转到打 印纸上。最后墨粉由定影轧辊熔融在打印纸上。 3.6.53.6.5 工作过程工作过程 1.硒鼓初始化 图 3-54 是打印机将打印的图像传到打印纸上的过程示意图。打印机的关键部件是硒鼓，鼓的外 表面是一层有机光敏涂层，内部是薄铝筒，铝筒接地。 通常情况下光敏涂层是很好的绝缘体，如果在硒鼓的外表面带上负电荷，这些电荷会停留在上 面不动，然而一旦硒鼓某一部分受到光照射，该部就变成导体，它表面上分布的电荷就会通过导体排 入地，而未受光照的部分的电荷却依然存在。 图图 3-533-53 激光扫描原理图激光扫描原理图 激光打印机开始工作时，将硒鼓外表面均匀充上负电荷，这一步骤称为硒鼓初始化。初级电晕 放电线安在一个长而窄的槽中，见图 3-54 中直机关 A 部分。电晕线上带有-6000V 的高压，这个高压 使得电线周围的空气不再是绝缘体，而是能移动的带电微粒，即离子。 2.硒鼓感光 每当打印机要打印一个黑点时，它将一个细小的激光二极管点亮，激光二极管发出的激光经过 一系列反射镜后到达鼓上的有机光敏材料上，使该点变成导体。打印机就在鼓面上写下一个带-100V 电压的像点。此时，这种带电像点无法看见，也不会在纸上留下印迹，称它为潜像。 3.显影 显影过程就是让硒鼓上已感光的部分沾上墨粉，得到可见像点。因打印机使用的墨粉其主要成 分是黑色塑料粉末，墨粉中含有微小铁粉，使磁粉能被磁铁吸引，这样墨粉能在磁铁控制下移动。墨 粉由显影轧辊的上方供给(见图 3-54 中 C 部分)。 图图 3-543-54 激光打印机循环过程示意图激光打印机循环过程示意图 显影轧辊中心装有磁铁(见图 3-54 中 C 部分)。当轧辊转动时，磁铁吸引墨粉，有一个刮刀将墨 粉刮匀，使得显影轧辊带上一层均匀的墨粉。显影轧辊上带有负电，墨粉也随之带上负电荷。显影轧 辊的电压又叫偏压，改变这个电压的大小，辊上所带墨粉的多少也随之改变，进而改变打印纸的着色 浓淡程度。有一个高达 1600V 的直流电压加在显影轧辊上，帮助墨粉摆脱磁铁吸引。 硒鼓和显影轧辊十分接近，当硒鼓上某一部分被激光束照射时，这一点的电位降为-100V，一旦 这点与显影轧辊相遇，高电压的墨粉就被较低电压的硒鼓所吸收，而跳到它们的间隙，落在硒鼓上， 这时鼓上的-100V 的不可见像点就变成了可见的黑色墨粉粉点了，由此完成了显影过程。 4.将图像传到打印纸上 硒鼓继续转过一段，与打印纸接触(见图 3-54 中 D 部分)，纸的下表面是次级电晕放电线，这根 线上产生正电荷，附在打印纸的背面。这些正电荷将鼓上带负电荷的墨粉紧紧吸引住，而在纸上得到 一个墨粉黑点。在静电消除器上，又产生负电荷，从而减少硒鼓与打印纸之间的吸引力，使打印纸易 于脱离硒鼓而不被吸住。 5.熔化像点 要在纸上得到牢固的图像，墨粉必须紧密地附着在打印纸上(又称为定影)。定影部分由两个轧 辊组成，如图 3-54 中 E 部分所示。上轧辊装有一个高温灯泡，当打印纸通过这里时，灯泡发出热量 将墨粉中的树脂熔化，两个轧辊之间的压力又迫使熔化后的墨粉进入纸的纤维中。 定影轧辊不工作时温度为 74，当处理纸时温度上升到