激光打印机工作原理

激光打印机工作原理

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喷墨打印机这个词非常准确地描述了该类型打印机的工作过程——这些打印机通过喷射微小墨滴把图像印在纸上。而激光打印机这个词则带有更多的神秘感——激光束（高度会聚的一束光线）能够在纸上写出字母和绘制图像吗？

在本文中，我们将揭开激光打印机背后的秘密，追踪将计算机屏幕上的字符变为纸上的打印字母的神奇过程。当谜底揭开之后，您便会明白，其实激光打印过程基于一些很简单的科学原理，只不过它以非常具有创新性的手段应用了这些原理。

基本知识：静电

激光打印机的主要工作原理是利用静电。静电还能使烘干机中的衣物缠绕成一团，或者形成从云端直扑地面的闪电。实际上静电就是在某种绝缘材料（例如气球或你的身体）上积聚的电荷。由于带相反电荷的原子会相互吸引，因此具有异性静电场的材料会紧贴在一起。

一张纸在激光打印机中的历程

激光打印机将这种现象用作一种“临时性的粘合剂”。该系统的核心部件是感光器，通常是一个旋转的鼓形或圆柱形部件。这个鼓形部件由可以通过可见光子进行放电的高光导材料制成。

激光打印机的基本组件

基本知识：硒鼓

开始时，硒鼓的所有部分都带有通过充电电晕线施加的正电荷，该电晕线是一段有电流通过的电线。（一些打印机使用充电辊而不是电晕线，但是它们的原理是相同的。）在硒鼓旋转时，打印机会放出微弱的激光束通过硒鼓的表面，将某些点处的电荷释放掉。这样，激光就以电荷图案的形式“绘制”出了要打印的字母和图像——一幅静电图像。此外，系统还可以以相反的形式工作——即在负电荷背景上绘制一幅正电荷图像。

激光在旋转的光导硒鼓上“书写”内容

在图案完成后，打印机在硒鼓上涂抹带有正电荷的墨粉——一种极其微细的黑色粉末。由于它带有正电荷，所以墨粉会粘附在硒鼓上带有负电荷的区域，而不会粘在带有正电荷的“背景”上。这有点像在一个苏打水罐上用胶水写字，然后再把该罐子在面粉中滚一下：面粉只会粘在罐子上涂有胶水的部分，因此最终会看到用面粉书写的一条信息。

在粘上粉末图案之后，硒鼓会在纸上滚过，纸沿着下方的一条皮带进行运动。在纸运动到硒鼓的下方之前，会通过转印电晕线（充电辊）带上负电荷。此电荷的强度大于静电图像的负电荷，所以墨粉会被印到纸上。由于纸的运动速度与硒鼓相同，所以纸上会印有完全相同的图像图案。为了将纸与硒鼓分离开，在墨粉转移到纸上后，会通过分离电晕线对纸立即进行放电。

基本知识：定影器

最后，打印机让纸张通过定影器（一对加热辊）。在纸张通过这些辊时，原先松散的墨粉会融化，并与纸中的纤维融合在一起。然后定影器将纸张输送到输出托盘，于是你就得到了最终的打印页面。此外，定影器还会将纸张本身加热，这就是从激光打印机或影印机中出来的纸张总是比较热的原因。

那么纸张为何没有发生燃烧呢？主要的原因是速度——纸张通过这些辊时速度很快，因此温度不会变得非常高。

在墨粉印到纸上后，硒鼓的表面会经过放电灯。这盏很亮的灯使整个感光器表面暴露在光线之下，从而擦去上面的静电图像。然后，硒鼓的表面经过充电电晕线，并再次带上正电荷。

从概念上说，激光打印机的所有工作就是这样的。当然，将这些不同的组件实际捏合在一起则是一项比较复杂的工作。在后面的部分中，我们将更详细地介绍各个组件，看看它们如何快速、精准地产生文字和图像。

打印机控制器：通信

在激光打印机能够工作之前，它需要获得页面数据并计算出如何将这些数据印到纸上。这个工作由打印机控制器完成。

打印机控制器是激光打印机的主要板载计算机。它通过某个通信端口（例如并口或USB端口）与主机（例如您的PC）进行交谈。在打印作业开始时，激光打印机会与主机一起确定数据的交换方式。控制器可能必须定期启动和停止主机，以便处理它已经接收到的信息。

通常，激光打印机具有多个不同类型的通信端口。

在办公室中，激光打印机可能要连接到多台不同主机，因此多位用户都可以从他们自己的计算机上打印文档。控制器分别处理每位用户的打印作业，但是可能会同时开展许多场“对话”。而同时处理多个作业的能力是激光打印机受到广泛欢迎的原因之一。

打印机语言

若要让打印机控制器和主机之间能够通信，它们需要使用相同的页面描述语言。在较早的打印机中，计算机发送一种特殊的文本文件和能够向打印机提供简单格式信息的简单代码。由于这些早期打印机只有几种字体，因此上述过程是一个非常简单明了的过程。

而现在，您可以选择数百种不同的字体，并且会不假思索地打印复杂的图像。为了处理所有这些变化多样的信息，打印机就需要说一种更高级的语言。

目前，主要的打印机语言有惠普的打印机命令语言（PCL）和Adobe的Postscript。这两种语言都以矢量形式描述页面——即，将页面描述为几何形状的数学值，而不是描述为一系列的点（位图图像）。而打印机在收到矢量图像后，会将它们转换成位图页面。利用这种机制，打印机可以接收精细、复杂的页面，并打印出任何类型的字体或图像。此外，由于位图图像是由打印机创建的，所以它可以使用打印机的最大分辨率。

一些打印机使用图形设备接口（GDI）格式而不是标准的PCL。在这种系统由主机创建点阵，因此控制器不承担任何处理工作——它只是将点指令发送给激光器。

但是在大部分激光打印机中，控制器必须组织它从主机接收到的所有数据。这包括向打印机告知应执行的工作的所有命令——使用什么纸张、如何设置页面的格式、如何处理字体等等。控制器为了使用这些数据，必须以正确的顺序接收数据。

光栅图像处理器

在构造出数据之后，控制器就开始生成整个页面。它会设置文本边距，排列单词并放置所有图像。在页面排列完毕之后，光栅图像处理器（RIP）会获取页面数据，既可以一次获取整个页面，也可以一部分一部分地获取，然后将页面分割成由微小点组成的阵列。正如我们将在下一节中看到的，打印机要求页面必须采用此格式，以便激光器能够将其写到感光鼓上。

在大多数激光打印机中，控制器会将所有打印作业保存到它自己的内存中。这使得控制器能够将不同打印作业放到一个队列中，以便一次处理一个打印作业。此外，如果要打印文档的多份副本，这种方法还可以节省打印时间，因为主机只需要发送一次数据即可。

激光器组件

由于打印机的激光系统负责页面的绘制工作，因此它——或激光扫描组件——必须做到非常的精确。传统的激光扫描组件包括：

• 激光器
• 一面可移动的镜子
• 一组透镜

激光器接收页面数据——组成文本和图像的小点——一次接收一个水平行。当光束在硒鼓上横向移动时，激光器会为要打印的每个点发出一个光脉冲，对于空白区域的点则不发出任何脉冲。

激光器本身实际上并没有移动激光束。相反，激光束是通过一面可移动的镜子反射到硒鼓上的。当镜子移动时，它会反射激光束并使其通过一系列的透镜。该系统可弥补由于镜子和硒鼓上的点之间的距离不断发生变化而引起的图像变形。

激光打印机如何“写入”页面

激光器组件只在一个平面上沿水平方向移动。在每次进行水平扫描之后，打印机会将感光鼓移动一个刻度，以便激光器组件可以绘制下一行。由一个小型打印引擎计算机以飞快的速度完美地执行所有这些同步操作。

一些激光打印机使用一排发光二极管（LED）来写入页面图像，而不是使用单个激光器。每个点的位置都有自己专用的光线，也就是说该打印机的打印分辨率是固定的。与真正的激光器组件相比，这些系统的制造成本较低，但是打印结果也较差。通常，您只会在一些廉价打印机中找到这种系统。

影印机

激光打印机的工作方式有些类似于影印机，但在某些方面存在显著差异。最显而易见的差异是图像的来源：影印机通过图像反射的光线来扫描图像，而激光打印机则以数字格式接收图像数据。
另一个主要差异是创建静电图像的方式。在影印机中，当纸张对光线进行反射时，照射到白色区域的光线会反射到感光器上，而照射到黑色区域的光线则会被吸收。在此过程中，“背景”被放电，而静电图像保留正电荷。这种方法被称为“写白”。

在大部分激光打印机中，此过程是相反的：激光器会对静电图像所在的行进行放电，并将背景保留为带有正电荷。在打印机中，这种“写黑”机制比“写白”机制较易于实现，而且一般具有更好的效果。

墨粉基本知识

对于激光打印机（或影印机）来说，最与众不同的地方之一在于它使用的墨粉。让纸张抓住“墨水”而不是让打印机喷出墨水，这是一个很奇怪的概念。而更奇怪的地方是，“墨水”实际上根本就不是墨水。

那么墨粉是什么东西？简而言之：它是一种由以下两种主要成份组成的带有电荷的粉末。颜料和塑料。

颜料的作用很明显——负责对文本和图像进行着色（在单色打印机中为黑色）。颜料与塑料微粒混合在一起，因此墨粉在经过定影器加热后会融化。这种性质使得墨粉在很多方面都优于液体墨水。首先，它可以牢固地附着在几乎任何类型纸张中的纤维上，也就是说文字不会轻易出现模糊或渗色现象。

涂覆了小墨粉微粒的显影器磁珠

上墨

那么打印机如何为硒鼓上的静电图像涂抹墨粉呢？墨粉存储在墨斗中，墨斗是内置了一个可拆卸盒子的小容器。打印机使用显影器单元收集来自墨斗的墨粉。“显影器”实际上包括许多带有负电荷的小磁珠。这些磁珠附着在一个旋转的金属辊上，该金属辊带着它们从墨斗里的墨粉中经过。

由于显影器磁珠带有负电荷，所以它们会在通过墨粉时吸附带有正电荷的墨粉微粒。然后，辊子将磁珠在感光鼓组件上刷过。静电图像带有比显影器磁珠更强的负电荷，因此硒鼓会将墨粉微粒从磁珠上吸走。

在许多打印机中，墨斗、显影器和硒鼓组件都放在一起并位于一个可更换的组件中。

然后，硒鼓从纸张上方通过，由于纸张带有更强的电荷，因此会将墨粉夺走。在吸附了墨粉之后，会通过分离电晕线立即对纸张进行放电。此时，将墨粉保留在纸张上的唯一作用力是重力——如果此时你对纸吹一口气，会彻底将图像吹散。因此纸张必须经过定影器以将墨粉固定牢固。定影辊由内部的石英管灯进行加热，于是墨粉中的塑料就会在通过定影辊时发生融化。

但是墨粉为何不会被定影辊吸走而是粘在纸张上呢？这是由于为了防止墨粉被吸走，定影辊必须涂上一层特氟龙。它是一种不粘材料，也可以防止您的早餐粘在煎锅的底部。

彩色打印机

起初，大多数商用激光打印机都是单色打印机（在白纸上打印黑色内容）。但是现在，市场上已经出现了许多彩色激光打印机。

从本质上说，彩色打印机的工作方式与单色打印机完全相同，但是它需要进行四次打印才能完成整个打印过程——青色（蓝色）、洋红色（红色）、黄色和黑色各打印一次。通过按照不同比例来混合这四种颜色，就可以产生光谱中所包含的所有颜色。

彩色打印机的内部结构

您可以通过多种方式来实现彩色打印。一些型号的转轮上有四个墨粉和显影器单元。打印机布置好一种颜色的静电图像，然后将相应墨粉单元移动到相应位置。然后，它将该颜色印到纸上，接着继续下一种颜色的印刷过程。另一些打印机在将图像印到纸上之前，会将所有四种颜色加入到一个盘子中。

某些更昂贵的打印机实际上为每种颜色都提供了一个完整的打印机单元——一个激光器组件、一个硒鼓和一个墨粉系统。纸张直接通过不同的硒鼓头，按照组件的顺序吸附所有颜色。

激光打印机的优点

那人们为什么要使用激光打印机而不是更便宜的喷墨打印机呢？激光打印机的主要优点在于其高速度、高精度和低打印成本。激光的运动速度非常快，所以可以用比喷墨打印机快很多的速度“写入”内容。此外，由于激光束的直径可以发生变化，所以它可以更精确地绘制图案，同时不会浪费墨水。

激光打印机一般比喷墨打印机昂贵，但是它的使用成本并不高——墨粉便宜而且能长时间使用，而喷墨打印机的墨盒不仅昂贵而且墨水很快便会用尽。这就是办公场所通常使用激光打印机作为其“坐骑”的原因，因为这些地方经常要打印很长的文档。在大多数型号的机器中，机械上的低效率会通过先进的处理效率得到补偿。典型的激光打印机控制器可以为小型办公室中的所有人提供服务。

在激光打印机最初面市时，由于其价格过于昂贵而无法用作个人打印机。但是之后，激光打印机已经变得越来越便宜。现在，一台具备基本功能的激光打印机的价格比一台好的喷墨打印机贵不了多少。

随着技术不断进步，激光打印机的价格还将继续下降，而性能却会不断提高。我们还会看到众多的创新设计，并有可能出现对静电打印技术的全新应用。许多发明家相信，对于简单的静电所蕴含的潜能，我们现在利用到的也许只是九牛一毛！

[责任编辑：小敏]