Технологии сканирования и печати

Автор: Александр Воронович
Опубликовано: 16 августа 2005 года
Источник: "Компьютерная газета"

Наблюдать за тем, как человек подходит к решению противоположных задач, всегда интересно. Это касается и области информационных технологий. Необходимость оцифровывать графическую информацию и, наоборот, делать осязаемой цифровую возникла одновременно с появлением самих компьютеров. А такой необходимости просто не могло не возникнуть, ведь она стала следствием периода перехода от одной системы хранения информации к принципиально другой. На заре времен люди пытались рисовать предметы на скалах и камнях, позже они перешли на деревянные и глиняные дощечки, затем появился папирус и бумага. Именно бумажный носитель завоевал наибольшую популярность. Бумагой пользовались многие века и пользуются до сих пор. Но на смену бумаге пришли электронные устройства. На данный момент еще не произошел полный переход (если он вообще возможен) с бумажной системы хранения информации на цифровую. А поэтому эти две системы существуют как бы параллельно. Но между ними есть своеобразные мосты — устройства, способные переводить информацию из одной формы в другую. Об их устройстве и пойдет речь в данной статье.

Сканирование

Основными компонентами современного CCD-сканера являются лампа подсветки с холодным катодом, система отклоняющих зеркал, двигатель и светочувствительный сенсор(ы) с системой фокусирующих линз. Лампа подсветки и зеркало установлены на подвижной каретке. Эта каретка приводится в действие пошаговым двигателем. Процесс сканирования не является непрерывным во времени, он состоит из отдельных операций по сканированию полосок изображения. После передвижения двигателем каретки с лампой и зеркалом сенсор готов принимать следующую порцию информации. Свет от лампы подсветки попадает на сканируемый объект (далее — оригинал) и отражается от него. После отражения от объекта полоска света попадает на зеркало каретки и отражается в плоскость, параллельную плоскости хода каретки. Таким образом, где бы ни находилась каретка, в начале или в конце документа, отраженная полоска света направляется вдоль оригинала ко второму, стационарному, зеркалу. Второе зеркало направляет свет в систему линз. Пройдя через систему линз, свет попадает на сенсор. Наиболее широко распространенный сенсор для планшетных сканеров — CCD (Couple-Charged Device). Эта же сенсорная матрица используется в большинстве цифровых фото- и видеокамер.

Это устройство действительно представляет собой матрицу из сенсоров (а не один сенсор) — очень маленьких фотореле. Весь принцип построен на явлении фотоэффекта (попадание света на металлическую пластину вызывает эмиссию электронов). Эта технология хорошо характеризует черно-белые сканеры, которые, кстати, уже давно не выпускаются (разве что для кассовых аппаратов с возможностью распознавания штрих-кода). Создатели же первых цветных сканеров столкнулись с проблемой. Дело в том, что сила тока, возникающая в фотоэлементе при воздействии на него цветами с близкими по значению длинами волн очень слабо разнится. А системы распознавания столь слабых изменений электрического импульса не было. Поэтому нужно было либо использовать три сенсора (что дорого), либо производить три прохождения каретки. Сейчас в некоторых профессиональных камерах ставится три сенсора, каждый из которых специализируется на своем диапазоне волн. Но это уже скорее привилегия, чем острая необходимость. На данный момент созданы достаточно чувствительные к изменению импульса средства обработки.

CIS (Contact Image Sensor) — это новая технология, в которой нет системы зеркал и линз. Это стало возможным после размещения фотосенсоров на каретке, где они плотно прилегают к стеклу. Поэтому свет после отражения от оригинала сразу попадает на сенсор. Для того, чтобы сенсорная матрица была динамичной, пришлось использовать более простые по конструкции фотоэлементы. Вместе с тем, пришлось поменять и источник света (правда, энергопотребление от этого только уменьшилось) — лампу с холодным катодом, которая обеспечивала равномерный световой поток со стабильными характеристиками — на полоску светодиодов. Понятно, что технология CIS возникла как более дешевая альтернатива CCD. Кроме приятной дешевизны, такая технология обеспечивает высокую мобильность (не нужно времени на прогрев лампы), компактность сканера (система зеркал и линз просто отсутствует, как и довольно громоздкая лампа) и низкий уровень энергопотребления. Однако за все это приходится дорого платить хорошим качеством, высокой скоростью и возможностью работы со слайд-адаптерами.

Печать

Безусловно, обработка информации на компьютере куда более удобна, чем на бумаге. Однако зачастую представление конечного результата предпочтительнее на бумажном носителе. К примеру, появление электронных версий книг не произвело фурора в мире книголюбов — люди по-прежнему предпочитают классические бумажные книги их электронным копиям. Отсюда вывод: печать информации на бумажный носитель не менее важна, чем оцифровка ее путем сканирования. Создание цветных отпечатков основывается на смешивании различных красок. Таких красок 3: первичными цветами для цветных принтеров являются зелено-голубой (Cyan), светло-красный (Magenta) и желтый (Yellow). Отсюда и название системы — CMY. Однако, в отличие от системы RGB (Red, Green, Blue), смешивание CMY не дает полностью черного цвета — скорее темно-коричневый. Поэтому для печати черных областей используется отдельный черный краситель — blacK. Система, работающая на 4-х красителях, называется CMYK. Существуют также системы работы в 5, 6, 7 и т.д. цветах. Но это уже более специализированные разработки, предназначенные для конкретного применения. Например, для печати на матовой бумаге черно-белого изображения добавляются серая и матовая черная краски. А для создания светлых цветных изображений недостаточно просто уменьшать количество наносимого красителя — добавляется светло-голубой (light-Cyan) и светло-пурпурный (light-Magenta). Существующие на сегодняшний момент принципы нанесения изображения на бумагу обеспечивают довольно высокое качество. Поэтому усилия компаний — производителей принтеров направлены на увеличение скорости печати, экономичности в расходовании чернил, уменьшение аппаратов в размерах и т.д. Ниже приведены описания самых распространенных типов принтеров.

Матричный принтер

С этого типа принтеров начиналась история принтеров как таковых — печатные машинки и станки не в счет. Для печати в таких принтерах используется печатающая головка, расположенная на подвижной каретке. В печатающей головке в один, два или три ряда размещены 9, 24 или 48 игл. Каретка движется перпендикулярно ходу бумаги. Между печатающей головкой и бумагой натянута красящая лента. За счет использования шагового двигателя привода бумаги она (бумага) движется пошагово, прерывисто. После очередного продвижения лист останавливается, и, пока он не двигается, каретка проезжает вдоль него, а иголки печатающей головки в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту. Принцип очень прост. Такие принтеры имеют ряд достоинств и недостатков. Матричные принтеры позволяют получить очень дешевую (почти бесплатную учитывая стоимость красящей ленты и срок ее службы) напечатанную страницу. Эти принтеры также отличаются длительным сроком службы. Однако они непригодны для высоких постоянных нагрузок (нагрузкой на принтер считается количество печатаемых страниц за определенный промежуток времени), а скорость и качество печати оставляют желать лучшего. И если качество еще можно увеличить за счет повышения проходности каретки (по одной строке проходит несколько раз), то увеличить нагрузки и скорость печати — никак. Это связано с проблемой нагрева печатающей головки от трения иголок. На этом и остановились, решив не увеличивать количество иголок и не заниматься поиском нового для них материала — невыгодно. Ведь, кроме всего прочего, эти принтеры создают довольно высокий уровень шума во время работы!

Струйный принтер

Это хорошо знакомый большинству пользователей тип принтеров, ведь на сегодняшний день он является самым распространенным среди домашних пользователей. Кардинальных технологических различий между цветной и монохромной струйной печатью нет. Вообще сам принцип построения изображения на бумаге очень похож на матричный, только закрашенная точка на бумаге получается не путем оттиска через красящую ленту, а при помощи краски, капельки которой попадают непосредственно на бумагу.
Итак, принцип струйной печати очень схож с матричным. Так же, как и в матричном принтере, печатающий элемент расположен на подвижной каретке, которая передвигается перпендикулярно ходу листа бумаги. Однако в данном случае печатающим элементом является не печатающая головка с иглами, а т.н. картридж. Что собой представляет картридж? Это гораздо более сложное устройство, чем просто резервуар, емкость для чернил. Каждый картридж состоит из резервуара для чернил и головки картриджа, которая, в свою очередь, состоит из сопел. В современных принтерах картриджи могут содержать суммарно до 450 сопел. Очевидно, что задача печати сводится к задаче вытолкнуть в нужный момент (ведь каретка постоянно движется) каплю краски из сопла. Эта задача решается различными способами — их подробное описание приводится ниже. Стоит также заметить, что первые струйные принтеры печатали по другому принципу: краска поступала на бумагу сплошным потоком (струями), а в нужный момент капли, не долетая до бумаги, перехватывались микроемкостью, которая возвращала краску в резервуар.

Пьезоэлектрический метод

Для реализации этого метода используется пьезокристалл. При воздействии на него электрическим током происходит деформация. Именно это свойство пьезокристалла и используется при печати. Рассмотрим подробно строение сопла с пьезокристаллом. Сопло чаще всего имеет цилиндрическую форму. С одной стороны стенка сопла сделана из гибкого материала. В этом месте к стенке прикрепляется плоский пьезокристалл с подведенными к нему электродами. Сама полость сопла с одной стороны выходит в резервуар с чернилами, с другой — к бумаге. Выход из сопла ничем не закрывается: чернила не выливаются за счет силы их поверхностного натяжения. Когда необходимо вытолкнуть капельку, на пьезокристалл подается напряжение. Он выгибается наружу от сопла вместе со стенкой сопла — тем самым создается выпуклость, которая заполняется чернилами. Ток перестает подаваться на пьезокристалл, и он резко возвращается в исходное состояние и выдавливает из выпуклости чернила. Половина этих чернил направляется в сторону резервуара, вторая половина — на бумагу.

Пузырьковый метод

Здесь все очень похоже на предыдущий метод. Такое же сопло, только его стенки со всех сторон твердые, без гибких участков. К стенке сопла не прикреплен никакой пьезокристалл, но вместо этого в нее вмонтирован нагревательный элемент — маленький резистор (к нему, конечно же, подведены контакты). В необходимый момент за несколько микросекунд резистор нагревается до 500єС. Краска, находящаяся в сопле, также нагревается и образует газовый пузырек паров краски. Этот пузырек занимает весь объем сопла и выталкивает из него краску в противоположные стороны, в том числе и на бумагу. При использовании первых двух методов (пьезоэлектрического и пузырькового) возникает проблема капель-сателлитов. Это капли, которые вылетают следом за основной. Они гораздо меньше основной капли, но все равно снижают качество изображения.

Метод drop-on-demand

Это почти тот же пузырьковый метод, только немного модифицированный компанией HP. Представьте то же сопло, только выходное отверстие (к бумаге) расположено в стенке сопла напротив резистора. Ну, а само сопло имеет форму кольца. Сам процесс таков: чернила текут по кольцу сопла сплошным потоком. В нужный момент резистор нагревается, и из потока чернил выпаривается капелька, которая попадает на бумагу. Этот метод требует высокой технологичности процесса. Посудите сами: чтобы газовый пузырек вследствие диффузии не расползался, необходимо, чтобы бумага была ОЧЕНЬ близко к выходу из сопла. А при такой близости расположения неровности бумаги могут быть серьезной помехой. Вот вам и проблемка.

Недостатки струйной печати

Глядя на описанные выше методы струйного нанесения чернил, можно увидеть, что они не идеальны. Действительно, каждый метод имеет свои технологические недостатки: технология с пьезокристаллом менее надежна, чем пузырьковая и drop-on-demand, однако обеспечивает лучшее дозирование размеров капли (в современных принтерах применяются технологии с переменным размером капли — для заливающихся объектов она крупная, для прорисовки контура, наоборот, используется наиболее мелкая). Однако есть и общие проблемы, к решению которых каждая компания-производитель подошла по-своему.
Каплю чернил недостаточно просто нанести на бумагу — ее необходимо еще и закрепить на ней. Ведь при печати с высоким разрешением смешивание соседних капель за счет их расползания по бумаге совсем нежелательно, да и постпечатная фиксация изображения на листе от этого не выигрывает. Особенно остро этот вопрос встает при использовании бумаги низкого качества (с неровной поверхностью, рыхлой структурой и микроворсинками). Решение этой проблемы — быстрозасыхающие чернила. Их химический состав очень сложен, разработки по его улучшению ведутся и сейчас. Другая не менее важная проблема — сателлиты. Так называют капли — спутники основной капли — они отрываются от поверхности чернил при выходе из сопла. Они меньше основной капли по размерам, но и наличие их все равно нежелательно, потому что они ложатся на бумагу рядом с основной каплей (ведь каретка с картриджем при печати движется — этот процесс аналогичен бомбометанию), что и приводит к смешиванию капель. Решать эту проблему можно двумя способами: либо использованием двухкамерной системы подачи чернил в сопла (это решение было найдено экспериментальным путем), либо увеличением показателя поверхностного натяжения чернил, чтобы каплю было тяжелее «оторвать».

Новые разработки в струйной печати

Цветовой охват современных технологий печати достаточно велик — даже недорогой домашний принтер способен создавать очень красочные и насыщенные цветом отпечатки. Однако при печати важна не только цветопередача. Современному потребителю нужны долговечность отпечатка, устойчивость его к внешним воздействиям и экономичность. Работа в этих основных направлениях привела к появлению у различных компаний фирменных технологий. В основном это связано с разработками в сфере носителей и красителей.

Epson

Что касается бумаги — здесь спектр продукции очень велик. Однако за основу взята технология трехслойного строения. Средний слой — бумага. Она не является рабочей частью, а служит своеобразным каркасом для двух других слоев. Сверху бумагу покрывает слой, впитывающий чернила. На нем и формируются изображения. Этот материал характеризуется высокой устойчивостью к свету и газу. Снизу бумага покрыта слоем полимера. Он защищает отпечаток от механических повреждений и воды. Естественно, такая бумага наилучшим образом подходит для определенного класса чернил — в частности, таких, как водорастворимые чернила QuickDrytm, капельки которых проникают во впитывающий слой и застывают, образуя подобие фрески. Среди красителей также есть интересные разработки. Технология DURABritetm использует в качестве чернил пигментные элементы, каждая частичка которых защищена полимерной оболочкой, в свою очередь, защищающей пигмент от воздействия влаги, света, озона и других внешних и механических влияний. В отличие от чернил на водной основе, пигмент закрепляется на поверхности бумаги, а не проникает в ее структуру. Это позволяет сразу после печати, не дожидаясь высыхания, делать на документе пометки маркером. Полимерная оболочка, в свою очередь, защищает от всех негативных факторов. Отпечатки, сделанные по этой технологии, сохраняют цветность 80 лет на бумаге EPSON Matte Paper-Heavyweight и 70 лет на обычной бумаге.
Еще одна попытка победить неумолимое воздействие времени — технология UltraCHROMEtm. Добавление хрома в состав чернил привело к некоторому уменьшению цветового охвата (эта проблема частично решена за счет использования при печати 8-цветной системы), зато устойчивость к свету и влаге превосходна даже на простой бумаге. А период сохранения цветности с потерей 30% достигает 75 лет.

Canon

У данной компании есть довольно интересное решение пузырьковой печати. Называется оно Drop Modulationtm. Новаторство заключается в
использовании двух нагревательных элементов в одном сопле. Это позволяет получать капли меньшего размера. Сделать изображение более насыщенным и устойчивым к воде можно и с помощью способа, который предлагает технология P-POPtm. Вся хитрость состоит в предварительном нанесении на бумагу прозрачного вещества (оптимизатора чернил). Это не влияет на скорость печати — т.к. нанесение слоя происходит в процессе печати, в картридж встроен дополнительный отсек, из которого этот оптимизатор и наносится на бумагу. Также довольно интересна система оптического определения наличия чернил в картридже. Ink Out Detection Systemtm работает следующим образом: на дне емкости расположен отражающий элемент. Через слой чернил посылается световой луч (чернила его не проводят). Когда уровень чернил достигает определенного уровня, отражатель «оголяется», и компьютер сообщает пользователю об уровне чернил. В свою очередь, технология PhotoRealismtm просто использует более светлые чернила для лучшего отображения полутонов и светлых областей. Решением задачи минимизации размера капли стала технология MicroFine Droplet Technologytm. Ее секрет очень прост: форма сопла не круглая, а звездообразная.

HP

Для того, чтобы сделать изображение более контрастным и четким (преимущественно фотографии, сделанные при плохом освещении), были
разработаны методики Automatic Contrast Enhancementtm и Digital Flashtm. Это программные методы обработки изображений, созданные для предпечатной оптимизации фото относительно особенностей струйной печати HP.

Lexmark

Компанией разработана оригинальная система выравнивания бумаги Accu-feedtm. Использование этой системы позволяет при печати всегда
располагать текст или изображение параллельно краю листа. Технология, автоматизирующая львиную долю процессов при печати и замене картриджа, называется PrecisionSensetm. Теперь юстировка проводится автоматически, как и определение типа бумаги. Довольно интересное решение по уменьшению размера капли — PrecisionSenstm. В этой технологии используются парные сопла разных диаметров (11 и 19,5 микрон) для получения капель 3 и 10 пкл соответственно. Использование этой технологии позволяет рационально использовать чернила и повышает качество печати.

Сублимационный принтер

Наверняка вы не раз восхищались качеством картинки на фотографиях. Я имею в виду обыкновенные фотографии, печать которых можно заказать в любом пункте продаж услуг и оборудования. А ведь эти фотографии печатаются сублимационным методом. Название его кроет в себе разгадку всего принципа нанесения изображения. Сублимация — фазовый переход из твердого состояния в газообразное минуя жидкую стадию. Вспомните drop-on-demand- метод струйного принтера. Все то же самое, только изначально краситель не жидкий, а твердый. В таких принтерах реализована возможность точного (в процентах) определения необходимого количества каждого из 3-х цветов. Таким образом, смешивая пары разных красителей в различных соотношениях, можно получать оттенки цветов, а конечное изображение будет очень высокого качества (ведь краски смешиваются еще до попадания на бумагу).

Лазерный принтер

Теперь это изображение нужно перенести на бумагу. Бумага посредством системы валиков продвигается к барабану. На этом пути она проходит по ролику переноса, который имеет положительный заряд. Следовательно, сама бумага также приобретает положительный электростатический заряд. При соприкосновении тонер с барабана перемещается на бумагу. На этом этапе стоит подчеркнуть одну особенность. Если бы в момент наложения на барабан тонер имел положительный заряд, то притянулся бы к незасвеченным его участкам. Тогда поверхность барабана была бы неоднородна — состояла бы из заряженных и незаряженных участков. При переносе на бумагу это привело бы к тому, что тонер равномерно распределился бы по всей поверхности бумаги. Ведь после попадания порции тонера на бумагу заряд на ее соседних участках не будет скомпенсирован соответствующим участком барабана (потому что на нем в этом месте «ноль»). При существующей же технологии этого не происходит. Ведь в процессе нанесения тонера отрицательно заряженный тонер притягивается к нулевым участкам барабана, поэтому _вся_ его поверхность отрицательно заряжена. Потому при переносе на бумагу поверхность барабана как бы проецируется на лист. Итак, тонер на бумаге. Для его закрепления будущее изображение проходит через печку (фьюзер), которая состоит из нагретого до 200єС вала (вал нагревается при помощи галогенной лампы или другого термоэлемента), вследствие чего тонер припекается к листу. Все, печать завершена.

Что касается цветных принтеров, то в них весь процесс идентичен — просто вместо тонера одного цвета последовательно наносятся тонеры 4-х цветов либо же используется несколько барабанов.

Светодиодный принтер

Технология печати этого принтера мало чем отличается от лазерной. Отличие заключается в способе засвечивания участков барабана. Здесь оно происходит не за счет луча лазера, а за счет полоски из светодиодов. Их количество варьируется между 2500 и 10000 штук. По команде контроллера в полоске зажигаются нужные диоды и засвечивают соответствующие им участки барабана. По сравнению с лазерным принтером светодиодный имеет некоторые преимущества. Во-первых, компактность. Система линз и отклоняющая призма при такой технологии не нужны. Во-вторых, из-за простоты технологии надежность и долговечность устройства становятся выше. При всем этом качество печати в этих принтерах идентичное. Ведь при запекании тонера он становится жидким и въедается в поверхность бумаги. Поэтому количество диодов в линейке не сильно отражается на качестве.

Итог

В этой статье были рассмотрены самые популярные методы печати и сканирования. Конечно, существует немалое количество других. Однако некоторые из них не получили распространения из-за экономической нецелесообразности, другие не отвечали требованиям ранка, третьи же вообще не вышли за пределы исследовательских лабораторий…