Преемники Гутенберга

Парадоксальная особенность современной информационной революции заключается в резком увеличении потребления бумаги – в течение последних 25 лет в мире оно росло в среднем на 3% в год, и, как ожидается, к 2020 г. достигнет 500 млн т. Не сразу можно сообразить, что ни архаичные российские законы, ориентированные на бумажную документацию, ни расточительные офисные менеджеры, привыкшие все читать в распечатанном виде, не виноваты в этом. Если в середине прошлого века значительная часть информационной нагрузки приходилась на бумагу, то в начале прошлого десятилетия уже только около четверти, и доля эта продолжает быстро падать – закрываются обычные газеты и журналы, переходят в электронную форму книги. Но само количество информации в мире растет настолько быстро, что, естественно, увеличилась в абсолютном исчислении и доля, приходящаяся на бумажные носители. И нет никаких сомнений, что роль бумаги и устройств для печати информации на ней в ближайшие десятилетия будут только возрастать.

Немалую роль в этой тенденции сыграла и революция в области печати, свершившаяся на глазах моего поколения. Еще в 60-е годы XX века практически весь перечень технологий воспроизведения информации на бумаге ограничивался типографской печатью (полиграфией), «серебряным» химическим фотопроцессом и машинописью. Причем сколько-нибудь массовое тиражирование было возможно лишь в первой из них – отсюда легкость тотального контроля за печатными устройствами, характерного для советской реальности. Интересно, что по инерции необходимость регистрировать принтеры в органах МВД (правда, уже только цветные) действовала в России до 2004 г. – об этом мало кто знает, потому что задолго до отмены данную норму уже игнорировали все поголовно.

Этапы большого пути

Печатная революция в мире началась с типографий, куда на смену дышащим свинцовыми испарениями строкоотливным машинам–линотипам, в 60--70-е гг. пришли фотонаборные автоматы. Одновременно появилась простая в обращении (правда, на первых порах очень дорогая) множительная техника для офисных нужд, позволившая решить проблему малого количества копий в машинописи. Наконец, в начале 80-х распространились ПК, а с ними на замену пишущим машинкам пришли матричные принтеры, способные выдавать теоретически неограниченное количество копий. Делали они все довольно медленно и шумно, но и это было огромным шагом вперед. Сейчас уже многие и не сразу сообразят, чем отличается машинист от машинистки вследствие практически полного исчезновения последних.

Матричные принтеры по принципу работы отличаются от той же пишущей машинки только способом воспроизведения букв: в машинках применяли готовые литеры с гравированным рисунком символа, а в принтерах его стали формировать из матрицы иголок, управляемых электромагнитами. Такае устройства используются и поныне в некоторых областях – для матричных принтеров, например, характерна возможность точного позиционирования бумажного листа, потому они незаменимы для печати на бланках. Покупая билеты на поезд или самолет, вы можете наблюдать это визжащее устройство вживую, и понять, почему его никто не захотел бы ставить в современный офис. Кроме того, матричные принтеры, в принципе, не позволяют воспроизводить полутона и плавные линии, и потому они совершенно непригодны для печати изображений.

На рубеже 80--90-х гг. в офисную практику, а затем и в наши дома, пришли другие технологии печати, в общих чертах сохранившиеся и до настоящего времени. Они представлены в табл. 1, где также приведены основные их особенности и предпочтительные области применения. При этом следует учесть, что, в принципе, все современные печатающие устройства могут обрабатывать и текст, и изображения, но, разумеется, никто не будет использовать сублимационный принтер для вывода документов.

Далее более подробно рассмотрим технологии, перечисленные в таблице. Следует отметить, что кроме них в тот же ряд часто включают твердочернильную печать, предназначенную для быстрого тиражирования цветной деловой документации. Твердочернильные принтеры устроены проще всех остальных, надежны и наименее капризны в эксплуатации (за исключением требования быть постоянно подключенными к электрической сети), но они применяются лишь в относительно крупных офисах с большими объемами печати, и потому не будут здесь обсуждаться.

Электрографические принтеры

Электрографический процесс был создан в 1938 г. американским инженером Честертоном Карлсоном. В 1947 г. это изобретение было продано Haloid Company, которая в 1950 г. и произвела на свет первый копировальный аппарат. В 1961 г. она стала именоваться Xerox Corporation, и тех пор к копировальным аппаратам прочно приклеилось название «ксероксы». Копии, полученные с их помощью, стали называть «ксерокопиями», а сам процесс – «ксерокопированием».

В исследовательском центре Xerox PARC в начале 1970-х гг. был создан первый лазерный принтер, а в 1975 г. IBM начала их промышленное производство. Эти устройства были безумно дорогими ¹ , медленными и капризными, и широкое распространение лазерная печать получила лишь начиная с 1984 г., когда компания Hewlett-Packard выпустила первый «народный» принтер серии LaserJet.

Лазерный принтер отличается от копировального аппарата лишь источником изображения: в цифровом копире картинка оригинала преобразуется в электрический сигнал ² , а принтер этот электрический сигнал получает готовым из внешнего компьютера. Собственно печатающие части у них идентичны. Несомненно, именно поэтому родилась идея создания довольно популярных ныне многофункциональных устройств, объединяющих в себе копир, сканер, принтер и иногда факс, хотя теперь МФУ вовсе необязательно используют именно электрографический принцип печати.

Электрографический метод заложен также в лазерных и светодиодных принтерах. Принцип электрографической печати, по идее, несложен, но довольно громоздок в исполнении.

Общая схема лазерного принтера

Процесс основан на зависимости электрического сопротивления полупроводников от освещенности. Пластина (ныне это – круглый барабан) с нанесенным полупроводниковым светочувствительным слоем (традиционно на основе селена, но теперь используют и другие материалы, например, органические полупроводники) равномерно заряжается положительным статическим напряжением около 1000 В и более. В темноте полупроводник представляет собой отличный изолятор, и потому такой заряд сохраняется достаточно продолжительное время – как на пластмассовой расческе, потертой о синтетический мех. Затем луч ИК-лазера, модулированный изображением оригинала, который сформирован сканирующей системой, обегает поверхность полупроводника. А там, где свет попадает на полупроводник, сопротивление его резко падает, и положительные заряды через металлическую подложку уходят «в землю». Для развертки лазерного луча используют вращающееся зеркало.

В результате на поверхности полупроводника получается невидимый пока рисунок оригинала, образованный распределением электрического потенциала. Чтобы сделать его видимым и перенести на бумагу, на небольшом расстоянии от светочувствительной поверхности проворачивают магнитный валик с тонером (красящим порошком), имеющим положительный заряд. Электростатические силы притяжения преодолевают магнитные, удерживающие тонер на барабане, и он прилипает к фоточувствительному барабану там, где заряды стекли, – совсем так, как наэлектризованные бумажки притягиваются к стеклянной палочке. Осталось лишь по такой поверхности прокатить лист бумаги, чтобы тонер был перенесен на нее, а затем пропустить его через печку, где частицы тонера плавятся и намертво схватываются с бумагой.

Даже из этого краткого описания понятно, что лазерный принтер устроен довольно сложно (отсюда и относительная дороговизна таких аппаратов в сравнении со струйными). Он состоит из механизма подачи бумаги, блока сканирующей оптики, картриджа, в котором находятся отсек с тонером и светочувствительный барабан с полупроводниковым покрытием, и печки.

В светодиодных принтерах, впервые разработанных фирмой OKI в 1981 г., все то же самое, только вместо сложной конструкции из лазера, вращающегося зеркала и оптики устанавливается простая линейка светодиодов. Это решение резко удешевляет и упрощает конструкцию, делает принтер более компактным и ускоряет процесс печати. Вот только изготовить такую линейку, содержащую обычно от 2500 до 10 000 светодиодов, из-за естественного разброса параметров крайне непросто. Поэтому традиционные светодиодные принтеры отличались характерным недостатком – полосатостью изображения по вертикали. В 2005 г. OKI выпустила на рынок принтеры нового поколения, где луч каждого светодиода можно модулировать индивидуально, что позволило преодолеть многие недостатки технологии.

Качество лазерной (точнее, электрографической) печати документов ближе всего к типографскому. В полиграфии, кстати, также нередко применяют электрографический способ печати. Это делают практически все фирмы, принимающие заказы на малотиражную печать (от десятков экземпляров до нескольких тысяч), только вот печатающие устройства у них иного класса.

Цветные электрографические принтеры

Значительную часть своей истории лазерные принтеры ассоциировались с черно-белой печатью. Доступные по цене цветные лазерные принтеры появились на наших столах всего лет пять-семь назад. При этом сам принтер может стоить практически столько же, сколько набор картриджей к нему. Один из самых дешевых принтеров такого класса, Canon i-SENSYS LBP5050, можно найти за 5,3 тыс. руб., а комплект картриджей к нему обойдется в 5,2 тыс. руб.

Классический способ цветной лазерной печати – многопроходная технология с формированием изображения на промежуточном носителе -- ремне переноса. Он предусматривает четыре полных комплекта формирующих изображение элементов (по количеству основных цветов в модели CMYK ³ ), с которых изображение последовательно переносится сначала на ремень переноса, а потом за один проход – на бумагу.

Однопроходная технология цветной печати, впервые реализованная на бюджетных цветных принтерах фирмой OKI (модель OKIPAGE 8c, появившаяся в начале 1998 г.), сейчас используется в цветных принтерах многих производителей.

 Когда необходима черно-белая печать, печатные барабаны с цветами C, M и Y поднимаются над поверхностью бумаги и не участвуют в создании изображения, благодаря чему их ресурс не расходуется. Konica-Minolta и Xerox используют еще один способ.

Здесь картридж содержит три вала, два из которых формируют промежуточное двухцветное изображение. А на третьем картинки складываются и формируют полноценное цветное изображение, наносящееся на бумагу.

С точки зрения ресурса и особенностей эксплуатации цветные электрографические принтеры не отличаются от черно-белых. Что же касается печати фотографий, то при необходимости печатать на обычной бумаге я лично предпочел бы не струйники, а электрографию – лист совершенно не коробится, поверхность изображения лишь слегка бликует, и все в целом напоминает цветную иллюстрацию из недорогого печатного издания.

Термические струйные принтеры

Струйная технология возникла в середине 1980-х гг. как результат стремления избавиться от недостатков двух известных в то время способов компьютерной печати: шумной и медленной матричной и очень дорогой лазерной. Идея, которая пришла в голову, видимо, почти одновременно инженерам компаний Hewlett-Packard и Canon около 1985 г., заключалась в том, чтобы заменить иголку, ударяющую по бумаге через красящий слой на ленте, каплей жидких чернил.

Как и в электрографии, в струйной печати имеются две близкие технологии, различающиеся способом формирования струи чернил. Однако различий между ними даже меньше, чем между лазерными и светодиодными принтерами. На пьезоэлектрической технологии прочно «сидит» разработавшая ее фирма Epson, и никто, кажется, и не пытался повторить ее успех. Практически все остальные струйники в мире основаны на термическом принципе, фактически монополизированном компаниями Canon и Hewlett-Packard, владеющими большинством патентов на эту технологию. Причем у этих монстров печатного дела технологии, в свою очередь, несколько различаются: HP использует выражение «термический чернильно-струйный» (thermal ink-jet), а Canon предпочитает продвигать термин «пузырьковый струйный» (bubble-jet).

Процесс термической струйной печати в виде условной кинограммы цикла работы одной форсунки (иногда их называют эжекторами).

В стенку камеры встроен миниатюрный нагревательный элемент (выделен красным на верхнем кадре), который очень быстро нагревается до высокой температуры (около 500 ^о С). Чернила вскипают (второй кадр), в них образуется большой паровой пузырь (следующие два кадра) и резко растет давление – до 120 и более атмосфер. Отчего оставшиеся жидкими чернила выталкиваются через сопло со скоростью более 12 м/с в виде капли объемом порядка 2 пл (для наглядности: один пиколитр (пл) -- это одна тысячная миллиардной доли литра). Нагревательный элемент к этому моменту выключают, и пузырь вследствие падения давления схлопывается (нижние кадры). Все это происходит очень быстро – продолжительность нагревательного импульса не превышает нескольких микросекунд. Подача чернил в форсунку происходит под действием капиллярных сил (что гораздо медленнее), и после заполнения ее новой порцией система готова к работе. Весь цикл занимает порядка 100 мкс (микросекунд), т. е. частота выброса капель – примерно 10 000 раз в секунду или несколько более.

Единичная автономно управляемая форсунка входит в состав печатающей головки, содержащей сотни подобных эжекторов и расположенной (наподобие печатающего узла матричного принтера) на движущейся поперек листа каретке. В профессиональных скоростных устройствах стали применять неподвижные головки, чтобы исключить самый медленный во всем этом процессе этап поперечного движения каретки. Например, HP выпускает высокопроизводительные фотокиоски, в которых головки составлены в блоки по всей ширине листа.

Технологии Canon и HP различаются ориентацией – у Canon термический элемент расположен сбоку камеры (рис. 5), а у HP и у Lexmark – сзади. Возможно, это различие обусловлено исходными идеями: согласно корпоративным легендам, инженер Canon уронил паяльник сверху на шприц с краской, а исследователи из HP заимствовали принцип у электрочайника. Так это или нет, но расположение по бокам позволяет Canon устанавливать два термических элемента на форсунку, что повышает быстродействие и управляемость размером капли, но усложняет и удорожает конструкцию.

Epson Micro Piezo

Такое название носит пьезоэлектрическая технология, разработанная в 1989 г. японским инженером Минору Усуи (в 2008 г. он был назначен президентом корпорации Seiko Epson). В ней чернила выталкиваются из камеры пьезокристаллом, который может изгибаться под действием электрического напряжения.

Чтобы реализовать эту простую идею на практике, пришлось постараться, поскольку величина так называемого обратного пьезоэффекта (т. е. деформации кристалла пьезоэлектрика под действием приложенного напряжения) в реальных материалах находится на уровне тысячных долей миллиметра на каждый вольт приложенного напряжения. Потому понадобились годы труда, чтобы разработать на основе такого принципа форсунку, пригодную для коммерческого использования. Так что первые образцы подобных принтеров появились лишь в 1993 г. Головка и по сей день получается достаточно дорогой, потому что ее нельзя получить стандартным процессом формирования полупроводникового кристалла.

Отсюда и все недостатки принтеров Epson, главный из которых заключается в следующем: если уж головка засохнет (а это может случиться просто от того, что вы не печатали месяца полтора), то проще сразу купить новый принтер. По моему собственному опыту, стоимость реанимации устройства в сервисном центре сравнима со стоимостью самого принтера. В отличие от устройств Epson, в термоструйниках головка дешевая, и в большинстве случаев выбрасывается вместе с картриджем. Впрочем, есть модели термоструйников (например, у фирмы Canon), в которых головка также встроена в принтер, но и в этом случае ее замена будет значительно дешевле, чем пьезоэлектрической.

Схема устройства элемента пьезоэлектрической головки Epson

Один из ее важных элементов – мембрана между пьезокристаллом и камерой с чернилами, называемая также мениском. Вытолкнув каплю чернил из камеры, мембрана изгибается в обратную сторону, не позволяя сформироваться дополнительным каплям-саттелитам, размывающим пятно. Все это вместе маркетологи, обожающие давать красивые и непонятные названия самым простым вещам, назвали «активным контролем мениска».

Тем не менее управлять дорогой и не очень надежной пьезоэлектрической головкой значительно проще, например, несложно тонко дозировать чернила, изменяя размер капли простым варьированием величины импульса, подводимого к элементу. Кроме того, при одинаковом минимальном объеме капли (1,0--1,5 пл) сопло в пьезоэлектрической головке значительно больше по диаметру, чем у термоструйников, и потому легче обеспечить ее точный размер и форму. Считается, что лучшее профессиональное качество печати полутоновых изображений (если сравнивать струйные технологии между собой) получается именно у Epson. Если же рассматривать бытовые фотопринтеры, то при примерно одинаковой стоимости отпечатка (и самого принтера) термическая и пьезоэлектрическая печать дают результаты практически одинакового качества.

Кроме того, качество отпечатков, их стойкость к воздействию окружающей среды и прочие особенности в значительной степени зависят от применяемых чернил и бумаги (см. врезку), а следовательно, и от категории принтера – ориентирован ли он на печать преимущественно фотографий (фотопринтер) или документов.

Сублимационные принтеры

Термосублимацию зачастую необоснованно путают с близкой по принципу реализации технологией термопереноса (термотрансфера), иногда, вероятно, специально – в маркетинговых целях. Тем не менее термоперенос – технология, применяющаяся для печати цветных изображений, например, на футболках – имеет совсем другую физическую основу. При термосублимационном методе печати (по-английски его называют dye sublimation printing – «печать с возгонкой красителя») используется явление возгонки твердого вещества, минуя газовую фазу. Классический пример явления сублимации — сушка белья на морозе.

Первопроходцем в этом деле была фирма Tektronix, но для широкой публики сублимационную печать открыла корпорация Sony, предложившая в середине 1990-х гг. термосублимационный принтер для использования в цифровых системах Mavica. До этого существовали только профессиональные системы с ценой, выражавшейся пятизначными цифрами, но уже в 1997 г. можно было, например, приобрести за 400 долл. принтер Casio DP-8000, который выдавал отличные глянцевые отпечатки размерами 4x6 см.

Внутри термосублимационного принтера находятся нагревательный элемент и специальная пленка с красителем. Лист бумаги помещается между ними. При нагревании краска испаряется с пленки и попадает в открывшиеся от нагрева поры бумаги. После остывания бумаги ее поры закрываются и изображение прочно закрепляется на листе. Особенность современной сублимационной технологии заключается в том, что краски трех цветов наносятся не одновременно, а поочередно, и потому печать идет в три прогона. В некоторых принтерах возможен дополнительный прогон для ламинирования отпечатка. На рис. ниже отображены последовательные стадии такого процесса в виде сканов использованной пленки с красителями и конечный результат. Отметьте, что черный краситель не используется, но тем не менее отпечатки имеют глубокий черный цвет в тенях, без заметных оттенков.

Процессом возгонки можно очень тонко управлять, дозируя краситель посредством изменения степени нагрева, отчего в идеале одна точка может принимать все положенные 16 млн. оттенков. Сравнить полученный результат можно лишь с «аналоговым» фотографическим отпечатком, который занимает до сих пор, как уже было отмечено, ведущее место по качеству полутоновых изображений. Поэтому сублимационные принтеры обеспечивают наивысшее качество отпечатков снимков среди устройств на базе всех остальных технологий. Однако из-за сложности реализации доступные по цене сублимационные принтеры производятся лишь для любительских форматов не более 10x15 см. Выпускают их фирмы Canon, а также Sony и Samsung.

В заключение стоит заметить, что в этой статье мы рассмотрели только массовые технологии печати на бумаге при относительно небольших тиражах и размерах отпечатка. За их рамками существует еще множество методов нанесения изображений на разные материалы. Прежде всего, никуда не делась традиционная «серебряная» фотопечать, по-прежнему позволяющая получать изображения наивысшего качества, у которой лишь сузилась ниша применения. Да и традиционная полиграфия решительно сменила облик, полностью «оцифровавшись». Кроме того, возникло множество новых технологий, позволяющих печатать изображения на тканях и разнообразных строительных материалах — от стекла и пластика до бетона и дерева. Для традиционной бумаги тоже придуман не один новый способ. К примеру, автор лично знаком с четой дизайнеров по интерьеру, владеющих собственным патентом на способ нанесения изображений на обои. Так что тема печати поистине неисчерпаема, и мы надеемся еще вернуться к ней.

Сноски:

¹ Например, модель Xerox 9700 в 1977 г. можно было приобрести за 350 тыс. долл.

² Традиционные аналоговые ксероксы, где изображение оригинала непосредственно проецируется на фотобарабан, по-прежнему остаются популярными из-за сравнительной простоты устройства (в них не требуется лазер), но постепенно вытесняются цифровыми, фактически представляющими собой комбинацию сканера и принтера и имеющими несравненно большие возможности по промежуточной обработке изображений.

³ Cyan--Margenta--Yellow--BlacK — бирюзовый--малиновый--желтый--черный.