Которая все стерпит

Автор: Юрий Ревич
Опубликовано в журнале "Компьютерра" №9 от 19 марта 2008 года

Появление интернета и других электронных средств коммуникаций часто сравнивают с еще одной информационной революцией - изобретением книгопечатания в XV веке. Действительно, сходство налицо - и та и другая революции привели к качественному скачку прежде всего в области доступности информации.

Но подобно тому, как рукописные тексты и картины никуда не делись за полтысячелетия, прошедшего со времен Гутенберга, так и "бумажные" технологии не собираются исчезать по мере распространения электронных средств представления информации. Если электронные устройства, сравнимые по удобству чтения с бумажными книгами, постепенно возникают на горизонте, то, к примеру, в офисной практике ничего не меняется - работать с электронными документами удобно, но читать с бумаги гораздо комфортнее. Статистика говорит, что, к сожалению, потребление бумаги в офисах растет устрашающими темпами: до 15–20% в год, причем, например, в Голландии годовое потребление офисных бумаг на человека превышает 13 кг (Россия, к счастью, отстала почти на порядок - в 2005 году эта цифра составляла 1,6–1,7 кг, зато рост у нас примерно 25-процентный).

Но вот что информационная революция действительно совершила, так это переворот в самой технологии получения бумажных изображений. Длился сей процесс всего лишь несколько десятилетий: еще в раннем школьном возрасте, в 1960-е годы, я не раз ходил на экскурсию в типографию "Литературной газеты", где собственными глазами видел, как работают линотипы - огромные (с человеческий рост) автоматы, на входе которых - клавиатура пишущей машинки, а на выходе - отливные формы типографских строк из специального безусадочного свинцово-сурьмяного сплава, гарта. Деятели из современных комиссий по охране окружающей среды, даже пайку свинцовыми припоями запрещающие, упали бы в обморок, если б зашли в эти цеха. В домашних же условиях и в конторах (ныне именуемых офисами) оставался лишь выбор между рукописью и машинописью. По всем этим причинам появление принтеров в быту и фотонаборных автоматов в полиграфии приняли все, сразу и безоговорочно.

Если не брать в расчет рисование от руки, то на сегодняшний день есть четыре основные технологии получения изображений на плоском носителе: типографская красочная печать, фотографический "серебряный" процесс, электрография и струйная печать. Кроме того, есть еще несколько менее распространенных и не столь универсальных. Каждая из технологий имеет ряд вариантов: например, электрография употребляется как для получения копий (ксерокопирование), так и для печати. Соответствующие принтеры известны под названием лазерных, и эту технологию мы рассмотрим подробнее.

Принцип электрографической печати

Электрографический процесс (у нас его нередко называют "ксерографическим") был изобретен в 1938 году американским инженером Честертоном Карлсоном. В 1947 году изобретение было продано Haloid Company, которая в 1950 году произвела на свет первый копировальный аппарат. В 1961 году компания получила название Xerox Corporation. Первый лазерный принтер был создан в начале 1970-х годов инженерами знаменитой лаборатории Xerox PARC [Легенда гласит, что сеть Ethernet была изобретена специально для того, чтобы все сотрудники лаборатории могли попечатать на этом принтере], а в 1975 году IBM первой начала их промышленное производство. Эти принтеры были безумно дорогими [Например, модель Xerox 9700 в 1977 году можно было приобрести за 350 тысяч долларов], медленными и капризными, и более-менее широкое распространение лазерная печать получила лишь начиная с 1984 года, когда компания Hewlett-Packard выпустила первый "народный" принтер серии LaserJet.

Принцип электрографической печати по идее несложен, но довольно громоздок в исполнении. Он основан на зависимости электрического сопротивления полупроводников от освещенности. Пластина (ныне это круглый барабан), покрытая полупроводниковым светочувствительным слоем (традиционно на основе селена, но теперь используют и другие материалы, например, органические полупроводники), равномерно заряжается положительным статическим зарядом (1000 В и более).

В темноте полупроводник представляет собой отличный изолятор, потому заряд сохраняется достаточно долго - как на пластмассовой расческе, потертой о синтетику или мех. Затем луч ИК-лазера (или другого источника с высокой интенсивностью света, например от светодиодов), модулированный изображением оригинала, который был сформирован сканирующей системой, обегает поверхность полупроводника, и там, где свет попадает на полупроводник, сопротивление полупроводника резко падает, и положительные заряды через металлическую подложку уходят "в землю".

В копировальных аппаратах, в отличие от принтеров, используют яркую лампу (как в сканерах), освещающую оригинал, изображение которого проецируется на пластину или барабан со светочувствительным слоем. Этим объясняется, почему копировальные аппараты возникли гораздо раньше электрографических принтеров, - тогда попросту не существовало достаточно дешевых и компактных лазеров или других подобных источников света, которые можно было модулировать для получения построчной развертки.

Тем или иным образом на поверхность полупроводникового слоя переносится невидимый пока рисунок оригинала, образованный положительно заряженными частицами. Чтобы сделать оригинал видимым и перенести на бумагу, на небольшом расстоянии от светочувствительной поверхности проворачивают магнитный валик с положительно заряженным тонером (красящим порошком). Электростатические силы притяжения преодолевают магнитные, удерживающие тонер на барабане, и тонер прилипает к фоточувствительному барабану там, где заряды стекли, - так, как наэлектризованные бумажки притягиваются к стеклянной палочке. Осталось прокатить по такой поверхности лист бумаги (тонер перенесется на нее), а затем пропустить лист через печку, где частицы тонера плавятся и намертво схватываются с бумагой.

Из этого краткого описания понятно, что лазерный принтер устроен довольно сложно (отсюда относительная дороговизна аппаратов в сравнении со струйными) и состоит из механизма подачи бумаги, блока сканирующей оптики, картриджа, в котором находится отсек с тонером и светочувствительный барабан с полупроводниковым покрытием, и печки. Для развертки лазерного луча используют вращающееся зеркало. Общая схема работы лазерного принтера приведена на рис. слева вверху.

В отличие от лазерных, светодиодные принтеры, впервые разработанные фирмой OKI в 1981 году, вместо лазера с оптической системой имеют линейку светодиодов, а потому не нуждаются во вращающемся зеркале и линзах. А поскольку они устроены проще, то могут печатать гораздо быстрее. Зато в светодиодной технологии невозможно управлять размером светового пятна, и может проявляться полосатость изображения изза разброса в параметрах светодиодов. Но подробно разбирать недостатки и достоинства современных светодиодных принтеров в сравнении с лазерными не имеет смысла, так как обе технологии на практике дают примерно одинаковое качество печати, и зачастую пользователь даже не знает, какая технология используется в конкретной модели принтера.

На протяжении большей части своей истории лазерные принтеры служили синонимом черно-белой печати. Цветные лазерники только начинают появляться на наших столах. В этих устройствах либо приходится наносить порошок четыре раза (по количеству основных цветов в модели CMYK [Cyan-Magenta-Yellow-blacK - бирюзовый-малиновый-желтый-черный]), либо имеется четыре полных комплекта формирующих изображение элементов, с промежуточным нанесением изображения на так называемый ремень переноса (transfer belt). Последний вариант придумала фирма OKI специально для своих светодиодных принтеров. Современные цветные лазерные/светодиодные принтеры устроены проще: они тоже с четырьмя комплектами фотобарабан-тонер, но с единой системой засветки, что позволяет наносить изображение с барабанов сразу на бумагу, без промежуточного переноса, и устраняет ошибки, связанные с необходимостью прецизионного выравнивания оптических систем для разных цветов.

Стоимость печати

Черно-белая печать текста на лазерном принтере в несколько раз дешевле, чем на струйном (раньше приходилось учитывать более высокую стоимость самого аппарата, но в настоящее время это уже почти не имеет значения), и не требует специальной бумаги. А так лазерник может печатать на чем угодно, лишь бы не плавилось в печке и не застревало в валках, - хоть на алюминиевой фольге, хоть на прозрачной пленке. Картридж для лазерного принтера дороже, чем для струйного, но рассчитан на тысячи листов напечатанного текста, а струйного - на сотни.

В случае цветной печати разница не столь велика - стоимость отпечатка по меньшей мере сравнима, но тут на передний план выходят другие преимущества лазерной печати. Например, проблем с водостойкостью там не было и нет, поскольку тонер обладает водоотталкивающими свойствами. Лазерным принтерам незнакомо такое явление, как высыхание чернил, - они всегда готовы к работе. На обычной офисной бумаге качество печати лазерного или светодиодного принтера трудно отличить от типографского.

У меня дома HP LaserJet 5L проработал почти без проблем двенадцать лет, за исключением того, что поимел привычку загружать бумагу сразу по несколько листов, и приходилось вставлять листочки по одному. В конце концов, эта особенность достала окончательно, и, когда в очередной раз закончился тонер, я решил отдать принтер в хорошие руки. Насколько я знаю, ра ботает он там в ненапряженном режиме и сейчас.

Формирование изображения на устройствах печати

Классическое печатное устройство  - типографский станок - формирует элементарную точку на бумаге с помощью непрозрачного красителя только одного цвета. Ни оттенком, ни размером точки управлять нельзя. То есть (в простейшем случае мононохромной печати) точка может быть только черного (есть точка) или только белого (отсутствие точки) цвета. Как передать оттенки в подобной ситуации?

Для этого используется так называемая элементарная ячейка растра, в которой часть точек закрашена, часть - оставлена белой. Например, имея ячейку 16х16 (всего 256 точек), мы можем передать 256 оттенков серого - от чисто белого (все точки оставлены пустыми) до чисто черного (все точки закрашены).

Потому все такие устройства печати манипулируют не с разрешением в точках на дюйм (dpi), а с линеатурой - количеством растровых ячеек на единицу длины, которое измеряется в линиях на дюйм (lpi). Несложно вывести формулу, связывающую разрешение в dpi и линеатуру в lpi с числом оттенков: число оттенков = квадрат отношения dpi к lpi плюс единица.

Имея стандартный фотонаборный автомат с разрешением 2540 dpi (100 точек на миллиметр) и задавшись целью получить с его помощью 256 оттенков серого, мы получим разрешение конечного изображения, увы, лишь немногим больше 150 lpi.

Для цветных изображений это рассуждение тоже сохраняется, просто там используется не один, а четыре растра (по числу цветов в модели CMYK), которые расположены под углом друг к другу.

На самом деле, сожаления тут не очень уместны - величина 150 lpi означает, что ячейка растра имеет физические размеры около 0,17 мм, что близко к пределу разрешающей способности человеческого глаза. Считается, что на расстоянии комфортного зрения (30–40 см для отпечатка А4) человек воспринимает как раздельные не больше шести двойных, то есть черных и белых, линий на каждом миллиметре. Потому величина 150–175 lpi характерна для качественной офсетной печати, вроде глянцевых журналов. К тому же требование воспроизводить именно 256 оттенков для печати на бумаге явно завышенное, в силу того что максимальный контраст напечатанного изображения может составить в лучшем случае 100–150:1. На практике ограничиваются, например, 150 оттенками, что еще больше уменьшает необходимую ячейку растра. И величина физического разрешения устройства порядка 2400–2500 dpi в принципе достаточна для качественной печати.

Именно по этой классической модели и работают лазерные принтеры - за тем исключением, что в некоторых современных моделях можно в определенных пределах манипулировать размером элементарной точки (модели печати струйников гораздо сложнее, а термосублимационные работают вообще по другому принципу). Потому-то рядовые лазерные принтеры, большинство из которых имеет разрешение порядка 600 dpi, отлично справляются с печатью деловой графики, но не могут качественно отобразить полутоновые переходы. В самом деле, из приведенной ранее формулы следует, что при физическом разрешении 600 dpi и приемлемом числе оттенков серого линеатура может составить 40 lpi, что дает ячейку растра существенно больше полумиллиметра - хуже, чем на советских газетах полувековой давности (рис. внизу).

Более "продвинутые" лазерные модели имеют повышенное разрешение, но, как правило, только по ширине листа. Например, цветные, вроде Samsung CLP-300 (он же Xerox Phaser 6110), имеют физическое разрешение до 2400 dpi по горизонтали и те же 600 dpi по вертикали. Как нетрудно сообразить, в этом случае надо брать среднее квадратичное обоих разрешений, оно составит 1750 dpi, что уже оказывается относительно приемлемым - хотя бы в теории.

Принципиально увеличить разрешение по вертикали уже вряд ли удастся: у лучших образцов оно составляет 1200 dpi. Дело в том, что разрешение лазерного принтера по горизонтали и по вертикали определяется различными факторами: первое ограничено точностью наведения лазерного луча, которую относительно легко повысить - все зависит только от цены вопроса. А вертикальное разрешение соответствует чисто механическому параметру: шагу поворота барабана, уменьшить который (шаг, а не барабан) гораздо труднее. Кроме всего прочего, величина этого шага сильно сказывается на скорости печати, что для лазерников иногда важнее качества. У светодиодных принтеров OKI вертикальное разрешение тоже составляет всего 600 dpi.