Принтер- это устройство, формирующее на бумаге или другом носителе (прозрачной пленке, конверте, и др.) полученное от компьютера изображение способом электрофотографии. Центр печатающего механизма лазерного принтера, фотобарабан - металлическая трубка, покрытая фоточувствительным слоем. Сопротивление фоточувствительного слоя в темноте велико, а при освещении оно значительно уменьшается. Именно с помощью фотобарабана и тонера происходит формирование видимого изображения. Сначала на барабан наносится значительный равномерный отрицательный электрический заряд. Это происходит с помощью вала заряда. Затем блоком лазера, управляемым контроллером, построчно (в зависимости от разрешения принтера на одном дюйме окружности барабана по 300, 600, 1200 и более строк) разряжается барабан в точках, где есть изображение. Модулированный луч лазерного диода инфракрасного диапазона попадает на вращающееся с высокой скоростью зеркало в виде многогранной призмы, каждая грань которого отклоняет луч на всю ширину барабана.

Отрицательно заряженные участки соответствуют «пустым» (белым) участкам исходного изображения, а разряженные - темным (точкам и линиям). Это невидимое изображение необходимо теперь сделать видимым, и здесь в дело вступает блок проявки. Блок проявки состоит из бункера с тонером и носителем, магнитного вала и дозирующего ножа (doctor blade). Магнитный вал, находящийся на небольшом расстоянии от фотобарабана, притягивает тонер (или носитель с тонером), и придает ему дополнительный отрицательный заряд. С магнитного вала отрицательно заряженные частицы тонера благодаря разности потенциалов, переносятся на разряженные участки фотобарабана, т. е. именно те, которые соответствуют темным участкам исходного инверсного изображения. Отрицательно заряженные участки остаются чистыми. В результате на барабане образуется видимое изображение, соответствующее исходному. Теперь его необходимо перенести на бумагу. Для этого используется еще один вал, называемый валом переноса (transfer roller). Отрицательно заряженные частицы тонера притягиваются к положительно заряженному листу, формируя на нем готовое изображение. Однако на этом этапе полученное изображение еще нестабильно, его можно просто стряхнуть с бумаги. Закрепление производится путем прогрева листа с тонером в термоузле. Верхний вал нагревается до высокой (100–300°C, в зависимости от материала тонера) температуры и расплавляет частицы тонера, образуя стойкое изображение. Оставшиеся на фотобарабане частицы тонера счищаются чистящим ножом в емкость для неиспользованного тонера. Очистка барабана необходима, чтобы на странице не возникало остаточных изображений, создаваемых оставшимися от предыдущего прохода частицами тонера.
Цветная печать. По принципу действия цветной лазерный принтер мало отличается от монохромного. Разница лишь в том, что изображение наносится на бумагу (или фотобарабан) не один раз, а четыре — отдельно тонерами каждого из четырех основных цветов: голубого (Cyan), пурпурного (Magenta), желтого (Yellow) и черного (Black). Однако способов нанесения цветного изображения и переноса его на носитель существует несколько, из них наиболее широко используются три.
В моделях начального уровня применяется четырехпроходная технология. Вокруг фотобарабана располагается «револьвер» из четырех блоков проявки с CMY- и K-тонерами. За четыре оборота барабана на него последовательно наносятся заряды, соответствующие изображениям каждого из четырех цветов, при этом соответствующие блоки проявки путем поворота «револьвера» совершают свои «подходы» к фотобарабану, нанося на него изображения своего цвета. Затем готовое цветное изображение переносится на бумагу и термически закрепляется. Из-за необходимости как минимум четырех оборотов фотобарабана скорость цветной печати использующих эту технологию принтеров примерно в четыре раза меньше, чем монохромной.

Тандемная технология: для каждого из четырех основных цветов имеется полный комплект формирующих изображение элементов: лазер, фотобарабан, блок проявления и тонер. Каждый фотобарабан переносит изображение своего цвета на промежуточный ремень переноса (transfer belt), ширина которого равна длине фотобарабана, т. е. максимальной ширине печатаемой страницы. С ремня изображение переносится на бумагу и закрепляется «печкой», как обычно.

Наконец, третий вариант, называемый линейной (in-line) технологией, предполагает прямой перенос тонеров с фотобарабанов на бумагу или другой носитель в один проход, без применения промежуточного ремня переноса.

Расходные материалы. Расходные, т. е. подлежащие замене, материалы в любом лазерном принтере, независимо от применяемой в нем технологии, — это тонер, фотобарабан, блок проявки и блок термического закрепления. По способу замены расходных материалов все лазерные принтеры и МФУ подразделяются на две категории: с совмещенным картриджем и с раздельными расходными материалами.

Совмещенный картридж содержит практически все основные элементы тракта формирования изображения: фотобарабан, бункер с тонером, блок проявления, очищающие элементы и емкость для неиспользованного тонера. Все компоненты такого картриджа подобраны так, чтобы срок их службы соответствовал количеству страниц, которое может быть напечатано с помощью имеющегося в картридже тонера. Совмещенный картридж намного удобнее и проще заменять, замена раздельных расходных материалов экономически выгоднее и экологичнее, поскольку каждый элемент заменяется только тогда, когда заканчивается именно его ресурс. При раздельной системе замене обычно подлежат пластиковая туба с тонером, блок фотобарабана, блок проявки,блок отработанного тонера, термоузел.

Тонер. Черный или цветной порошок, один из важнейших элементов, обеспечивающих качество печати любого лазерного принтера. Он должен быть достаточно мелким, чтобы обеспечить номинальное разрешение принтера, «достаточно черным», чтобы отпечатанные документы были близки по виду к типографским, должен содержать магнитные частицы и хорошо электризоваться. В то же время он должен легко и быстро плавиться при не слишком высокой температуре, чтобы при больших скоростях печати термоузел успевал справиться со своей задачей, не потребляя при этом много электроэнергии. Сейчас основные изготовители лазерных принтеров и МФУ используют тонер, частицы которого получены методом химического выращивания. Частицы полимера, воска и красителя размером около 1 мкм собираются вместе и благодаря химическому процессу, называемому эмульсионной агрегацией (emulsion aggregation), формируют более крупные сферические частицы контролируемого размера (4–6 мкм). Такая частица имеет легкоплавкое восковое ядро, в которое вкраплены частицы красителя и магнитного материала.

Бумага. Еще один расходный материал, о котором нередко забывают, говоря о лазерной печати. Она подается в тракт печати специальными обрезиненными роликами и, проходя по нему, взаимодействует со всеми основными элементами этого тракта: фотобарабаном, валом переноса и валами термоузла. Структура ее поверхности должна быть такой, чтобы хорошо удерживать перенесенный с фотобарабана тонер, без потерь донести его до «печки» и «принять» в себя расплавленный тонер с минимальными искажениями изображения. Бумага не должна пылить, пыль оседает на подвижных узлах, преждевременно выводя их из строя. Края листов должны быть качественно обрезаны.

Проблемы, возникающие при прохождении бумаги через тракт печати, общеизвестны: это замятия, подача двух и более листов вместо одного, неподача листа, скручивание готового отпечатка после окончательного высыхания тонера, образование пузырей в структуре бумаги. Кроме этих, чисто механических, неприятностей, есть еще ряд дефектов получаемого отпечатка, связанных со свойствами бумаги. Это растекание электрических зарядов, выражающееся в появлении на отпечатке точек и линий произвольной формы, наличие фона из-за паразитных зарядов, рассыпание скоплений частиц тонера, вызывающее нежелательное утолщение линий, уже упоминавшееся появление «призраков» предыдущего изображения, появление темных пятен различной формы, зависящей от структуры бумаги и внешних условий (температуры, влажности и т. п.). Для борьбы со всеми этими явлениями ведущие изготовители лазерных принтеров и независимые поставщики бумаги создают специальные многослойные структуры.

Сканер - блок МФУ, осуществляющий преобразование изображения с листа бумаги или другого носителя в цифровую форму. Его основной элемент — CCD матрица (ПЗС или Charge-Coupled Device, CCD) или контактный датчик (CIS, Contact Image Sensor), преобразующие отраженный от оригинала свет в электрические сигналы, амплитуда которых пропорциональна яркости соответствующих участков оригинала. Эти сигналы затем усиливаются, преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя и записываются в память контроллера МФУ.

ПЗС-датчик представляет собой три линейки светочувствительных ПЗС-ячеек, причем перед каждой линейкой стоит светофильтр одного из трех основных цветов — красного, зеленого и синего (RGB). Отраженный от оригинала свет люминесцентной лампы с холодным катодом (Cold Cathode Fluorescent) падает на систему зеркал, изменяющую направление лучей на 90°, и попадает в объектив, создающий три уменьшенные копии изображения, сфокусированные на каждой из трех линеек CCD-матрицы. Подобная система, благодаря наличию объектива, обладает значительной глубиной резкости и высоким оптическим разрешением — до 4800 пиксел/дюйм. Такая глубина резкости позволяет сканировать оригиналы большой толщины, в частности развороты книг, без потери четкости в зоне перегиба и даже небольшие трехмерные объекты. К недостаткам ее относятся более высокая по сравнению с контактными датчиками цена, большее энергопотребление (для питания лампы необходим специальный преобразователь напряжения — инвертор), меньшая компактность.

Оптическая система с контактным датчиком проще по конструкции, дешевле и энергоэкономичнее. Вместо лампы, зеркал, объектива и ПЗС-матрицы используются три светодиода (красный, зеленый и синий), по очереди освещающих оригинал, и линейка фотодиодов с самофокусирующимися линзами, перемещающаяся практически вплотную к стеклу сканера. Но CIS уступает CCD по максимальному разрешению, точности передачи оттенков цветов и, самое главное, глубине резкости, из-за чего о сканировании объемных оригиналов здесь не может быть и речи.

Наконец, еще одна важная характеристика — разрядность АЦП сканера. Ею определяется глубина цвета в получаемом изображении. В современных сканерах разрядность варьируется от 24 до 48 бит, но в сканирующих блоках МФУ она обычно не превышает 36 бит. Следует понимать, что под разрядностью сканера понимается суммарная разрядность всех трех АЦП, установленных в цветовых каналах R, G и B. Таким образом, если указывается разрядность 24 бит, это значит, что в сканере установлены три восьмиразрядных АЦП, а следовательно, он различает по 256 градаций каждого из трех основных цветов, т. е. примерно 16 млн. оттенков. Для сканеров, как и для принтеров, существуют программные методы повышения разрешения и глубины цвета. Например, может быть указано, что глубина цвета «software 30 bit»; это, скорее всего, означает, что используются восьмиразрядные АЦП и тот или иной алгоритм «программного повышения разрядности».

Сканеры МФУ для средних, больших, а сейчас нередко и для малых рабочих групп оснащаются автоподатчиками листовых документов (Automatic Document Feeder, ADF) некоторые из них способны подавать листы так, что они сканируются с обеих сторон одновременно.

Контроллер. В контроллер МФУ входят центральный процессор (как правило, построенный по RISC-архитектуре), оперативная память, в которую помещаются растровые образы печатаемых и сканируемых страниц, флэш-память, в которой хранится встроенное ПО контроллера, а также встроенные шрифты. Встроенное ПО выполняет всю работу по координации деятельности основных узлов устройства и управлению им. В качестве интерфейса пользователя выступает панель управления МФУ.

Интерфейс.

Практические все современные МФУ оснащены интерфейсом USB версии 1 или 2. Этот двунаправленный интерфейс обеспечивает передачу данных как с ПК на МФУ для печати, так и с МФУ на ПК при сканировании. Версия USB 1.1 обеспечивает двунаправленную последовательную передачу данных с (теоретическими) скоростями до 12 Мбит/с (1,2 Мбайт/с), а версия 2.0 — до 480 Мбит/с (48 Мбайт/с). Большинство последних моделей МФУ оснащаются интерфейсом USB 2.0.

После USB самый распространенный сейчас интерфейс МФУ — Ethernet 10/100/1000 Мбит/с. В последнее время сетевым интерфейсом нередко стали оснащаться не только высокопроизводительные МФУ для средних и больших рабочих групп, но и модели для небольших рабочих групп и даже некоторые модели уровня SOHO. Часто МФУ стандартно оснащается только интерфейсом USB, но в нем предусматривается слот для установки приобретаемой дополнительно сетевой интерфейсной платы, причем это может быть не только проводной Ethernet-адаптер, но и плата WiFi, Bluetooth или комбинированная.

Современный сетевой интерфейс МФУ — это не просто Ethernet-контроллер. Это фактически сервер, реализующий различные стеки протоколов, в том числе TCP/IP, IPX/SPX, AppleTalk, NetBEUI и др. Обычно встроенное ПО сетевого адаптера содержит полнофункциональный HTTP-сервер с Web-узлом, обеспечивающим управление МФУ и контроль его состояния с помощью обычного браузера. Так же обеспечивается SSL-защита передаваемых данных.

Встроенное ПО.

Встроенное ПО играет важнейшую роль в работе всех компонентов МФУ. Сложность его, особенно в моделях высшего класса, не уступает сложности компьютерных операционных систем. В больших МФУ встроенное ПО нередко работает на базе универсальных ОС (Linux, BSD, VxWorks и др.).

Поверх основной ОС в МФУ работают службы, обеспечивающие различные аспекты функционирования устройства, например обслуживание панели управления, HTTP-сервер для удаленного администрирования, сетевые клиенты для отправки отсканированных данных с помощью различных сетевых протоколов, сетевые серверы для получения данных по различным протоколам, утилиты преобразования изображений.

Любое МФУ может работать как минимум в трех режимах — принтера, сканера и копира. Рассмотрим каждый из этих режимов более подробно.

Режим принтера. Прежде чем начать печатать страницу, ее изображение должно быть сформировано в ОЗУ МФУ. Этим занимается растровый процессор (Raster Image Processor, RIP), который может быть выполнен в виде отдельной микросхемы или совмещен с основным ЦП контроллера. Описание страницы передается от компьютера через интерфейсный узел в виде программы на специальном языке (Page Description Language, PDL), команды которого интерпретируются процессором, а растровое изображение формируется во внутреннем ОЗУ МФУ. Фактическим отраслевым стандартом стал разработанный компанией Hewlett-Packard язык описания страниц PCL (Printer Control Language). Сейчас в монохромных моделях используется шестая версия этого языка, PCL 6, а в цветных — PCL 5c, ориентированная на работу с цветом. Практически любое современное лазерное МФУ «понимает» PCL 6, хотя в некоторых случаях команды этого языка преобразуются в «естественный» для данной модели фирменный язык (такой, например, какRPCSкомпании Ricoh или KPDL компании Kyocera). Поэтому нередко при работе с драйвером, реализующим «естественный» язык МФУ, его производительность, а иногда и качество печати оказываются выше, чем при работе с PCL-драйвером.

Для сетевых моделей, начиная с уровня МФУ для средних и больших рабочих групп, практически обязательно наличие встроенного интерпретатора языка описания страниц PostScript компании Adobe. Этот аппаратно-независимый язык обладает максимальной гибкостью и позволяет описывать наиболее сложные, насыщенные графикой страницы. Текущая, третья версия языка содержит все средства для описания самых сложных цветных изображений. Описание на языке PostScript отсылаемой на принтер страницы представляет собой не расположение точек на ее растровом образе, а описание составляющих ее объектов (текста, линий, окружностей, кривых, фигур произвольной формы и т. п., в том числе растровых изображений, если они есть). Такое описание не зависит от типа устройства вывода и может быть с максимально возможной степенью детализации выведено на любом устройстве, способном его интерпретировать — от дисплея с разрешением 640x480 точек до фотолитографической машины с разрешением 2400 и более точек на дюйм. PostScript фактически представляет собой специализированный язык программирования, операторы которого задают перемещения текущей точки изображения (виртуального курсора) и параметры линий. Буквы, цифры и другие символы также представляют собой сочетания точек, линий и кривых, и теоретически их можно представлять в виде описаний этих сочетаний. Но гораздо эффективнее использовать готовые описания всех символов для каждой гарнитуры (набора символов шрифта определенного начертания) и держать их в постоянной или оперативной памяти МФУ. Тогда для передачи каждого символа можно использовать лишь один байт — его ASCII-код. Сейчас в большинстве МФУ предусмотрен набор встроенных шрифтов типа TrueType (OpenType), а в моделях, где реализован язык PostScript, еще и шрифтов PostScript Type 1.

Режим сканера. В этом режиме МФУ может работать как обычный сканер, передавая в подключенный к нему ПК с TWAIN- драйвером изображения отсканированных страниц. Управление сканированием при этом осуществляется как обычно, от компьютера через драйвер. МФУ для средних и больших рабочих групп, оснащенные развитыми панелями управления, позволяют управлять процессом сканирования непосредственно на устройстве. В сетевых моделях предусматривается отправка отсканированных изображений в виде TIFF-, JPEG- или PDF-файлов на заданный адрес электронной почты или в сетевую папку. При использовании форматов PDF или TIFF возможна отправка многостраничного документа в виде одного файла.

Режим копира. Этот режим - именно то, из-за чего МФУ все стремительнее вытесняют из офисов принтеры, сканеры и аналоговые копиры. Он позволяет копировать на устройстве документы автономно, вообще не пользуясь компьютером. Для работы в этом режиме МФУ даже не нужно подключать к ПК. Созданный сканером в ОЗУ образ страницы отправляется прямиком на принтер. Интерфейсный узел в этом процессе не участвует. Число копий и ряд параметров сканирования (контрастность, масштаб, тип оригинала и др.) задаются с панели управления устройства, после чего нажимается привычная для пользователей копиров большая кнопка Start.