激光打印機工作原理

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噴墨打印機這個詞非常準確地描述了該類型打印機的工作過程——這些打印機通過噴射微小墨滴把圖像印在紙上。而激光打印機這個詞則帶有更多的神秘感——激光束（高度會聚的一束光線）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背后的秘密，追蹤將計算機屏幕上的字符變為紙上的打印字母的神奇過程。當謎底揭開之后，您便會明白，其實激光打印過程基于一些很簡單的科學原理，只不過它以非常具有創新性的手段應用了這些原理。

基本知識：靜電

激光打印機的主要工作原理是利用靜電。靜電還能使烘干機中的衣物纏繞成一團，或者形成從云端直撲地面的閃電。實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相互吸引，因此具有異性靜電場的材料會緊貼在一起。

激光打印機將這種現象用作一種“臨時性的粘合劑”。該系統的核心部件是感光器，通常是一個旋轉的鼓形或圓柱形部件。這個鼓形部件由可以通過可見光子進行放電的高光導材料制成。

激光打印機的基本組件

基本知識：硒鼓

開始時，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。）在硒鼓旋轉時，打印機會放出微弱的激光束通過硒鼓的表面，將某些點處的電荷釋放掉。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，系統還可以以相反的形式工作——即在負電荷背景上繪制一幅正電荷圖像。

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

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

基本知識：定影器

最后，打印機讓紙張通過定影器（一對加熱輥）。在紙張通過這些輥時，原先松散的墨粉會融化，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，定影器還會將紙張本身加熱，這就是從激光打印機或影印機中出來的紙張總是比較熱的原因。

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

在墨粉印到紙上后，硒鼓的表面會經過放電燈。這盞很亮的燈使整個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，硒鼓的表面經過充電電暈線，并再次帶上正電荷。

從概念上說，激光打印機的所有工作就是這樣的。當然，將這些不同的組件實際捏合在一起則是一項比較復雜的工作。在后面的部分中，我們將更詳細地介紹各個組件，看看它們如何快速、精準地產生文字和圖像。

打印機控制器：通信

在激光打印機能夠工作之前，它需要獲得頁面數據并計算出如何將這些數據印到紙上。這個工作由打印機控制器完成。

打印機控制器是激光打印機的主要板載計算機。它通過某個通信端口（例如并口或USB端口）與主機（例如您的PC）進行交談。在打印作業開始時，激光打印機會與主機一起確定數據的交換方式。控制器可能必須定期啟動和停止主機，以便處理它已經接收到的信息。

在辦公室中，激光打印機可能要連接到多臺不同主機，因此多位用戶都可以從他們自己的計算機上打印文檔。控制器分別處理每位用戶的打印作業，但是可能會同時開展許多場“對話”。而同時處理多個作業的能力是激光打印機受到廣泛歡迎的原因之一。

打印機語言

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

而現在，您可以選擇數百種不同的字體，并且會不假思索地打印復雜的圖像。為了處理所有這些變化多樣的信息，打印機就需要說一種更高級的語言。

目前，主要的打印機語言有惠普的打印機命令語言（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學值，而不是描述為一系列的點（位圖圖像）。而打印機在收到矢量圖像后，會將它們轉換成位圖頁面。利用這種機制，打印機可以接收精細、復雜的頁面，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創建的，所以它可以使用打印機的最大分辨率。

一些打印機使用圖形設備接口（GDI）格式而不是標準的PCL。在這種系統由主機創建點陣，因此控制器不承擔任何處理工作——它只是將點指令發送給激光器。

但是在大部分激光打印機中，控制器必須組織它從主機接收到的所有數據。這包括向打印機告知應執行的工作的所有命令——使用什么紙張、如何設置頁面的格式、如何處理字體等等。控制器為了使用這些數據，必須以正確的順序接收數據。

光柵圖像處理器

在構造出數據之后，控制器就開始生成整個頁面。它會設置文本邊距，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）會獲取頁面數據，既可以一次獲取整個頁面，也可以一部分一部分地獲取，然后將頁面分割成由微小點組成的陣列。正如我們將在下一節中看到的，打印機要求頁面必須采用此格式，以便激光器能夠將其寫到感光鼓上。

在大多數激光打印機中，控制器會將所有打印作業保存到它自己的內存中。這使得控制器能夠將不同打印作業放到一個隊列中，以便一次處理一個打印作業。此外，如果要打印文檔的多份副本，這種方法還可以節省打印時間，因為主機只需要發送一次數據即可。

激光器組件

由于打印機的激光系統負責頁面的繪制工作，因此它——或激光掃描組件——必須做到非常的精確。傳統的激光掃描組件包括：

• 激光器
• 一面可移動的鏡子
• 一組透鏡

激光器接收頁面數據——組成文本和圖像的小點——一次接收一個水平行。當光束在硒鼓上橫向移動時，激光器會為要打印的每個點發出一個光脈沖，對于空白區域的點則不發出任何脈沖。

激光器本身實際上并沒有移動激光束。相反，激光束是通過一面可移動的鏡子反射到硒鼓上的。當鏡子移動時，它會反射激光束并使其通過一系列的透鏡。該系統可彌補由于鏡子和硒鼓上的點之間的距離不斷發生變化而引起的圖像變形。

激光打印機如何“寫入”頁面

激光器組件只在一個平面上沿水平方向移動。在每次進行水平掃描之后，打印機會將感光鼓移動一個刻度，以便激光器組件可以繪制下一行。由一個小型打印引擎計算機以飛快的速度完美地執行所有這些同步操作。

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

影印機

激光打印機的工作方式有些類似于影印機，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：影印機通過圖像反射的光線來掃描圖像，而激光打印機則以數字格式接收圖像數據。
另一個主要差異是創建靜電圖像的方式。在影印機中，當紙張對光線進行反射時，照射到白色區域的光線會反射到感光器上，而照射到黑色區域的光線則會被吸收。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中，此過程是相反的：激光器會對靜電圖像所在的行進行放電，并將背景保留為帶有正電荷。在打印機中，這種“寫黑”機制比“寫白”機制較易于實現，而且一般具有更好的效果。

墨粉基本知識

對于激光打印機（或影印機）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”而不是讓打印機噴出墨水，這是一個很奇怪的概念。而更奇怪的地方是，“墨水”實際上根本就不是墨水。

那么墨粉是什么東西？簡而言之：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——負責對文本和圖像進行著色（在單色打印機中為黑色）。顏料與塑料微粒混合在一起，因此墨粉在經過定影器加熱后會融化。這種性質使得墨粉在很多方面都優于液體墨水。首先，它可以牢固地附著在幾乎任何類型紙張中的纖維上，也就是說文字不會輕易出現模糊或滲色現象。

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

由于顯影器磁珠帶有負電荷，所以它們會在通過墨粉時吸附帶有正電荷的墨粉微粒。然后，輥子將磁珠在感光鼓組件上刷過。靜電圖像帶有比顯影器磁珠更強的負電荷，因此硒鼓會將墨粉微粒從磁珠上吸走。

但是墨粉為何不會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

起初，大多數商用激光打印機都是單色打印機（在白紙上打印黑色內容）。但是現在，市場上已經出現了許多彩色激光打印機。

從本質上說，彩色打印機的工作方式與單色打印機完全相同，但是它需要進行四次打印才能完成整個打印過程——青色（藍色）、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，就可以產生光譜中所包含的所有顏色。

您可以通過多種方式來實現彩色打印。一些型號的轉輪上有四個墨粉和顯影器單元。打印機布置好一種顏色的靜電圖像，然后將相應墨粉單元移動到相應位置。然后，它將該顏色印到紙上，接著繼續下一種顏色的印刷過程。另一些打印機在將圖像印到紙上之前，會將所有四種顏色加入到一個盤子中。

某些更昂貴的打印機實際上為每種顏色都提供了一個完整的打印機單元——一個激光器組件、一個硒鼓和一個墨粉系統。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。

激光打印機的優點

那人們為什么要使用激光打印機而不是更便宜的噴墨打印機呢？激光打印機的主要優點在于其高速度、高精度和低打印成本。激光的運動速度非常快，所以可以用比噴墨打印機快很多的速度“寫入”內容。此外，由于激光束的直徑可以發生變化，所以它可以更精確地繪制圖案，同時不會浪費墨水。

激光打印機一般比噴墨打印機昂貴，但是它的使用成本并不高——墨粉便宜而且能長時間使用，而噴墨打印機的墨盒不僅昂貴而且墨水很快便會用盡。這就是辦公場所通常使用激光打印機作為其“坐騎”的原因，因為這些地方經常要打印很長的文檔。在大多數型號的機器中，機械上的低效率會通過先進的處理效率得到補償。典型的激光打印機控制器可以為小型辦公室中的所有人提供服務。

在激光打印機最初面市時，由于其價格過于昂貴而無法用作個人打印機。但是之后，激光打印機已經變得越來越便宜。現在，一臺具備基本功能的激光打印機的價格比一臺好的噴墨打印機貴不了多少。

隨著技術不斷進步，激光打印機的價格還將繼續下降，而性能卻會不斷提高。我們還會看到眾多的創新設計，并有可能出現對靜電打印技術的全新應用。許多發明家相信，對于簡單的靜電所蘊含的潛能，我們現在利用到的也許只是九牛一毛！

[責任編輯：小敏]