激光打印機(jī)工作原理

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惠普LaserJet 4050T

噴墨打印機(jī)這個(gè)詞非常準(zhǔn)確地描述了該類型打印機(jī)的工作過程——這些打印機(jī)通過噴射微小墨滴把圖像印在紙上。而激光打印機(jī)這個(gè)詞則帶有更多的神秘感——激光束（高度會(huì)聚的一束光線）能夠在紙上寫出字母和繪制圖像嗎？

在本文中，我們將揭開激光打印機(jī)背后的秘密，追蹤將計(jì)算機(jī)屏幕上的字符變?yōu)榧埳系拇蛴∽帜傅纳衿孢^程。當(dāng)謎底揭開之后，您便會(huì)明白，其實(shí)激光打印過程基于一些很簡(jiǎn)單的科學(xué)原理，只不過它以非常具有創(chuàng)新性的手段應(yīng)用了這些原理。

基本知識(shí)：靜電

激光打印機(jī)的主要工作原理是利用靜電。靜電還能使烘干機(jī)中的衣物纏繞成一團(tuán)，或者形成從云端直撲地面的閃電。實(shí)際上靜電就是在某種絕緣材料（例如氣球或你的身體）上積聚的電荷。由于帶相反電荷的原子會(huì)相互吸引，因此具有異性靜電場(chǎng)的材料會(huì)緊貼在一起。

一張紙?jiān)诩す獯蛴C(jī)中的歷程

激光打印機(jī)將這種現(xiàn)象用作一種“臨時(shí)性的粘合劑”。該系統(tǒng)的核心部件是感光器，通常是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的鼓形或圓柱形部件。這個(gè)鼓形部件由可以通過可見光子進(jìn)行放電的高光導(dǎo)材料制成。

激光打印機(jī)的基本組件

基本知識(shí)：硒鼓

開始時(shí)，硒鼓的所有部分都帶有通過充電電暈線施加的正電荷，該電暈線是一段有電流通過的電線。（一些打印機(jī)使用充電輥而不是電暈線，但是它們的原理是相同的。）在硒鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)，打印機(jī)會(huì)放出微弱的激光束通過硒鼓的表面，將某些點(diǎn)處的電荷釋放掉。這樣，激光就以電荷圖案的形式“繪制”出了要打印的字母和圖像——一幅靜電圖像。此外，系統(tǒng)還可以以相反的形式工作——即在負(fù)電荷背景上繪制一幅正電荷圖像。

激光在旋轉(zhuǎn)的光導(dǎo)硒鼓上“書寫”內(nèi)容

在圖案完成后，打印機(jī)在硒鼓上涂抹帶有正電荷的墨粉——一種極其微細(xì)的黑色粉末。由于它帶有正電荷，所以墨粉會(huì)粘附在硒鼓上帶有負(fù)電荷的區(qū)域，而不會(huì)粘在帶有正電荷的“背景”上。這有點(diǎn)像在一個(gè)蘇打水罐上用膠水寫字，然后再把該罐子在面粉中滾一下：面粉只會(huì)粘在罐子上涂有膠水的部分，因此最終會(huì)看到用面粉書寫的一條信息。

在粘上粉末圖案之后，硒鼓會(huì)在紙上滾過，紙沿著下方的一條皮帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在紙運(yùn)動(dòng)到硒鼓的下方之前，會(huì)通過轉(zhuǎn)印電暈線（充電輥）帶上負(fù)電荷。此電荷的強(qiáng)度大于靜電圖像的負(fù)電荷，所以墨粉會(huì)被印到紙上。由于紙的運(yùn)動(dòng)速度與硒鼓相同，所以紙上會(huì)印有完全相同的圖像圖案。為了將紙與硒鼓分離開，在墨粉轉(zhuǎn)移到紙上后，會(huì)通過分離電暈線對(duì)紙立即進(jìn)行放電。

基本知識(shí)：定影器

最后，打印機(jī)讓紙張通過定影器（一對(duì)加熱輥）。在紙張通過這些輥時(shí)，原先松散的墨粉會(huì)融化，并與紙中的纖維融合在一起。然后定影器將紙張輸送到輸出托盤，于是你就得到了最終的打印頁面。此外，定影器還會(huì)將紙張本身加熱，這就是從激光打印機(jī)或影印機(jī)中出來的紙張總是比較熱的原因。

那么紙張為何沒有發(fā)生燃燒呢？主要的原因是速度——紙張通過這些輥時(shí)速度很快，因此溫度不會(huì)變得非常高。

在墨粉印到紙上后，硒鼓的表面會(huì)經(jīng)過放電燈。這盞很亮的燈使整個(gè)感光器表面暴露在光線之下，從而擦去上面的靜電圖像。然后，硒鼓的表面經(jīng)過充電電暈線，并再次帶上正電荷。

從概念上說，激光打印機(jī)的所有工作就是這樣的。當(dāng)然，將這些不同的組件實(shí)際捏合在一起則是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作。在后面的部分中，我們將更詳細(xì)地介紹各個(gè)組件，看看它們?nèi)绾慰焖?、精?zhǔn)地產(chǎn)生文字和圖像。

打印機(jī)控制器：通信

在激光打印機(jī)能夠工作之前，它需要獲得頁面數(shù)據(jù)并計(jì)算出如何將這些數(shù)據(jù)印到紙上。這個(gè)工作由打印機(jī)控制器完成。

打印機(jī)控制器是激光打印機(jī)的主要板載計(jì)算機(jī)。它通過某個(gè)通信端口（例如并口或USB端口）與主機(jī)（例如您的PC）進(jìn)行交談。在打印作業(yè)開始時(shí)，激光打印機(jī)會(huì)與主機(jī)一起確定數(shù)據(jù)的交換方式?？刂破骺赡鼙仨毝ㄆ趩?dòng)和停止主機(jī)，以便處理它已經(jīng)接收到的信息。

通常，激光打印機(jī)具有多個(gè)不同類型的通信端口。

在辦公室中，激光打印機(jī)可能要連接到多臺(tái)不同主機(jī)，因此多位用戶都可以從他們自己的計(jì)算機(jī)上打印文檔?？刂破鞣謩e處理每位用戶的打印作業(yè)，但是可能會(huì)同時(shí)開展許多場(chǎng)“對(duì)話”。而同時(shí)處理多個(gè)作業(yè)的能力是激光打印機(jī)受到廣泛歡迎的原因之一。

打印機(jī)語言

若要讓打印機(jī)控制器和主機(jī)之間能夠通信，它們需要使用相同的頁面描述語言。在較早的打印機(jī)中，計(jì)算機(jī)發(fā)送一種特殊的文本文件和能夠向打印機(jī)提供簡(jiǎn)單格式信息的簡(jiǎn)單代碼。由于這些早期打印機(jī)只有幾種字體，因此上述過程是一個(gè)非常簡(jiǎn)單明了的過程。

而現(xiàn)在，您可以選擇數(shù)百種不同的字體，并且會(huì)不假思索地打印復(fù)雜的圖像。為了處理所有這些變化多樣的信息，打印機(jī)就需要說一種更高級(jí)的語言。

目前，主要的打印機(jī)語言有惠普的打印機(jī)命令語言（PCL）和Adobe的Postscript。這兩種語言都以矢量形式描述頁面——即，將頁面描述為幾何形狀的數(shù)學(xué)值，而不是描述為一系列的點(diǎn)（位圖圖像）。而打印機(jī)在收到矢量圖像后，會(huì)將它們轉(zhuǎn)換成位圖頁面。利用這種機(jī)制，打印機(jī)可以接收精細(xì)、復(fù)雜的頁面，并打印出任何類型的字體或圖像。此外，由于位圖圖像是由打印機(jī)創(chuàng)建的，所以它可以使用打印機(jī)的最大分辨率。

一些打印機(jī)使用圖形設(shè)備接口（GDI）格式而不是標(biāo)準(zhǔn)的PCL。在這種系統(tǒng)由主機(jī)創(chuàng)建點(diǎn)陣，因此控制器不承擔(dān)任何處理工作——它只是將點(diǎn)指令發(fā)送給激光器。

但是在大部分激光打印機(jī)中，控制器必須組織它從主機(jī)接收到的所有數(shù)據(jù)。這包括向打印機(jī)告知應(yīng)執(zhí)行的工作的所有命令——使用什么紙張、如何設(shè)置頁面的格式、如何處理字體等等?？刂破鳛榱耸褂眠@些數(shù)據(jù)，必須以正確的順序接收數(shù)據(jù)。

光柵圖像處理器

在構(gòu)造出數(shù)據(jù)之后，控制器就開始生成整個(gè)頁面。它會(huì)設(shè)置文本邊距，排列單詞并放置所有圖像。在頁面排列完畢之后，光柵圖像處理器（RIP）會(huì)獲取頁面數(shù)據(jù)，既可以一次獲取整個(gè)頁面，也可以一部分一部分地獲取，然后將頁面分割成由微小點(diǎn)組成的陣列。正如我們將在下一節(jié)中看到的，打印機(jī)要求頁面必須采用此格式，以便激光器能夠?qū)⑵鋵懙礁泄夤纳稀?

在大多數(shù)激光打印機(jī)中，控制器會(huì)將所有打印作業(yè)保存到它自己的內(nèi)存中。這使得控制器能夠?qū)⒉煌蛴∽鳂I(yè)放到一個(gè)隊(duì)列中，以便一次處理一個(gè)打印作業(yè)。此外，如果要打印文檔的多份副本，這種方法還可以節(jié)省打印時(shí)間，因?yàn)橹鳈C(jī)只需要發(fā)送一次數(shù)據(jù)即可。

激光器組件

由于打印機(jī)的激光系統(tǒng)負(fù)責(zé)頁面的繪制工作，因此它——或激光掃描組件——必須做到非常的精確。傳統(tǒng)的激光掃描組件包括：

• 激光器
• 一面可移動(dòng)的鏡子
• 一組透鏡

激光器接收頁面數(shù)據(jù)——組成文本和圖像的小點(diǎn)——一次接收一個(gè)水平行。當(dāng)光束在硒鼓上橫向移動(dòng)時(shí)，激光器會(huì)為要打印的每個(gè)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)光脈沖，對(duì)于空白區(qū)域的點(diǎn)則不發(fā)出任何脈沖。

激光器本身實(shí)際上并沒有移動(dòng)激光束。相反，激光束是通過一面可移動(dòng)的鏡子反射到硒鼓上的。當(dāng)鏡子移動(dòng)時(shí)，它會(huì)反射激光束并使其通過一系列的透鏡。該系統(tǒng)可彌補(bǔ)由于鏡子和硒鼓上的點(diǎn)之間的距離不斷發(fā)生變化而引起的圖像變形。

激光打印機(jī)如何“寫入”頁面

激光器組件只在一個(gè)平面上沿水平方向移動(dòng)。在每次進(jìn)行水平掃描之后，打印機(jī)會(huì)將感光鼓移動(dòng)一個(gè)刻度，以便激光器組件可以繪制下一行。由一個(gè)小型打印引擎計(jì)算機(jī)以飛快的速度完美地執(zhí)行所有這些同步操作。

一些激光打印機(jī)使用一排發(fā)光二極管（LED）來寫入頁面圖像，而不是使用單個(gè)激光器。每個(gè)點(diǎn)的位置都有自己專用的光線，也就是說該打印機(jī)的打印分辨率是固定的。與真正的激光器組件相比，這些系統(tǒng)的制造成本較低，但是打印結(jié)果也較差。通常，您只會(huì)在一些廉價(jià)打印機(jī)中找到這種系統(tǒng)。

影印機(jī)

激光打印機(jī)的工作方式有些類似于影印機(jī)，但在某些方面存在顯著差異。最顯而易見的差異是圖像的來源：影印機(jī)通過圖像反射的光線來掃描圖像，而激光打印機(jī)則以數(shù)字格式接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)。
另一個(gè)主要差異是創(chuàng)建靜電圖像的方式。在影印機(jī)中，當(dāng)紙張對(duì)光線進(jìn)行反射時(shí)，照射到白色區(qū)域的光線會(huì)反射到感光器上，而照射到黑色區(qū)域的光線則會(huì)被吸收。在此過程中，“背景”被放電，而靜電圖像保留正電荷。這種方法被稱為“寫白”。

在大部分激光打印機(jī)中，此過程是相反的：激光器會(huì)對(duì)靜電圖像所在的行進(jìn)行放電，并將背景保留為帶有正電荷。在打印機(jī)中，這種“寫黑”機(jī)制比“寫白”機(jī)制較易于實(shí)現(xiàn)，而且一般具有更好的效果。

墨粉基本知識(shí)

對(duì)于激光打印機(jī)（或影印機(jī)）來說，最與眾不同的地方之一在于它使用的墨粉。讓紙張抓住“墨水”而不是讓打印機(jī)噴出墨水，這是一個(gè)很奇怪的概念。而更奇怪的地方是，“墨水”實(shí)際上根本就不是墨水。

那么墨粉是什么東西？簡(jiǎn)而言之：它是一種由以下兩種主要成份組成的帶有電荷的粉末。顏料和塑料。

顏料的作用很明顯——負(fù)責(zé)對(duì)文本和圖像進(jìn)行著色（在單色打印機(jī)中為黑色）。顏料與塑料微?；旌显谝黄?，因此墨粉在經(jīng)過定影器加熱后會(huì)融化。這種性質(zhì)使得墨粉在很多方面都優(yōu)于液體墨水。首先，它可以牢固地附著在幾乎任何類型紙張中的纖維上，也就是說文字不會(huì)輕易出現(xiàn)模糊或滲色現(xiàn)象。

涂覆了小墨粉微粒的顯影器磁珠

上墨

那么打印機(jī)如何為硒鼓上的靜電圖像涂抹墨粉呢？墨粉存儲(chǔ)在墨斗中，墨斗是內(nèi)置了一個(gè)可拆卸盒子的小容器。打印機(jī)使用顯影器單元收集來自墨斗的墨粉。“顯影器”實(shí)際上包括許多帶有負(fù)電荷的小磁珠。這些磁珠附著在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的金屬輥上，該金屬輥帶著它們從墨斗里的墨粉中經(jīng)過。

由于顯影器磁珠帶有負(fù)電荷，所以它們會(huì)在通過墨粉時(shí)吸附帶有正電荷的墨粉微粒。然后，輥?zhàn)訉⒋胖樵诟泄夤慕M件上刷過。靜電圖像帶有比顯影器磁珠更強(qiáng)的負(fù)電荷，因此硒鼓會(huì)將墨粉微粒從磁珠上吸走。

在許多打印機(jī)中，墨斗、顯影器和硒鼓組件都放在一起并位于一個(gè)可更換的組件中。

然后，硒鼓從紙張上方通過，由于紙張帶有更強(qiáng)的電荷，因此會(huì)將墨粉奪走。在吸附了墨粉之后，會(huì)通過分離電暈線立即對(duì)紙張進(jìn)行放電。此時(shí)，將墨粉保留在紙張上的唯一作用力是重力——如果此時(shí)你對(duì)紙吹一口氣，會(huì)徹底將圖像吹散。因此紙張必須經(jīng)過定影器以將墨粉固定牢固。定影輥由內(nèi)部的石英管燈進(jìn)行加熱，于是墨粉中的塑料就會(huì)在通過定影輥時(shí)發(fā)生融化。

但是墨粉為何不會(huì)被定影輥吸走而是粘在紙張上呢？這是由于為了防止墨粉被吸走，定影輥必須涂上一層特氟龍。它是一種不粘材料，也可以防止您的早餐粘在煎鍋的底部。

彩色打印機(jī)

起初，大多數(shù)商用激光打印機(jī)都是單色打印機(jī)（在白紙上打印黑色內(nèi)容）。但是現(xiàn)在，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了許多彩色激光打印機(jī)。

從本質(zhì)上說，彩色打印機(jī)的工作方式與單色打印機(jī)完全相同，但是它需要進(jìn)行四次打印才能完成整個(gè)打印過程——青色（藍(lán)色）、洋紅色（紅色）、黃色和黑色各打印一次。通過按照不同比例來混合這四種顏色，就可以產(chǎn)生光譜中所包含的所有顏色。

彩色打印機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

您可以通過多種方式來實(shí)現(xiàn)彩色打印。一些型號(hào)的轉(zhuǎn)輪上有四個(gè)墨粉和顯影器單元。打印機(jī)布置好一種顏色的靜電圖像，然后將相應(yīng)墨粉單元移動(dòng)到相應(yīng)位置。然后，它將該顏色印到紙上，接著繼續(xù)下一種顏色的印刷過程。另一些打印機(jī)在將圖像印到紙上之前，會(huì)將所有四種顏色加入到一個(gè)盤子中。

某些更昂貴的打印機(jī)實(shí)際上為每種顏色都提供了一個(gè)完整的打印機(jī)單元——一個(gè)激光器組件、一個(gè)硒鼓和一個(gè)墨粉系統(tǒng)。紙張直接通過不同的硒鼓頭，按照組件的順序吸附所有顏色。

激光打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

那人們?yōu)槭裁匆褂眉す獯蛴C(jī)而不是更便宜的噴墨打印機(jī)呢？激光打印機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)在于其高速度、高精度和低打印成本。激光的運(yùn)動(dòng)速度非?？?，所以可以用比噴墨打印機(jī)快很多的速度“寫入”內(nèi)容。此外，由于激光束的直徑可以發(fā)生變化，所以它可以更精確地繪制圖案，同時(shí)不會(huì)浪費(fèi)墨水。

激光打印機(jī)一般比噴墨打印機(jī)昂貴，但是它的使用成本并不高——墨粉便宜而且能長(zhǎng)時(shí)間使用，而噴墨打印機(jī)的墨盒不僅昂貴而且墨水很快便會(huì)用盡。這就是辦公場(chǎng)所通常使用激光打印機(jī)作為其“坐騎”的原因，因?yàn)檫@些地方經(jīng)常要打印很長(zhǎng)的文檔。在大多數(shù)型號(hào)的機(jī)器中，機(jī)械上的低效率會(huì)通過先進(jìn)的處理效率得到補(bǔ)償。典型的激光打印機(jī)控制器可以為小型辦公室中的所有人提供服務(wù)。

在激光打印機(jī)最初面市時(shí)，由于其價(jià)格過于昂貴而無法用作個(gè)人打印機(jī)。但是之后，激光打印機(jī)已經(jīng)變得越來越便宜?，F(xiàn)在，一臺(tái)具備基本功能的激光打印機(jī)的價(jià)格比一臺(tái)好的噴墨打印機(jī)貴不了多少。

隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，激光打印機(jī)的價(jià)格還將繼續(xù)下降，而性能卻會(huì)不斷提高。我們還會(huì)看到眾多的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并有可能出現(xiàn)對(duì)靜電打印技術(shù)的全新應(yīng)用。許多發(fā)明家相信，對(duì)于簡(jiǎn)單的靜電所蘊(yùn)含的潛能，我們現(xiàn)在利用到的也許只是九牛一毛！